白 力

(中冶天工集團(tuán)有限公司, 天津 300308)

0 前言

某選礦工程，為亞洲第一，世界第二大銅金選礦廠，年處理礦石5250萬噸。在此工程的調(diào)試運(yùn)行過程中，發(fā)生了輸送石灰乳的管道部分變形移位和跌落問題，導(dǎo)致整個項目調(diào)試終止，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對跌落現(xiàn)場的圖片分析和情況了解，排除誤操作的原因，經(jīng)過流體正常與異常流動條件下的流動狀態(tài)推斷，判斷出本次事故發(fā)生的主要因素。

1 石灰乳管道在有無水錘效應(yīng)時的受力分析

1.1 水錘效應(yīng)

水錘，又稱水擊，是壓力管道中局部區(qū)域由于流體速度突然變化而產(chǎn)生的壓力波沿管系的迅速傳播、交替升降的現(xiàn)象[1]。水錘效應(yīng)多發(fā)生在閥門突然開啟或關(guān)閉、水泵突然停車或突然開啟，導(dǎo)致管路中的流速突然變化，水流沖擊管道，產(chǎn)生嚴(yán)重水擊。水錘會對管道產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至可以破壞整個管路系統(tǒng)[2-4]。

1.2 石灰乳管道不受水錘效應(yīng)時的受力分析

當(dāng)石灰乳管道正常運(yùn)行時，不受水錘效應(yīng)的影響，此時對石灰乳管道的強(qiáng)度校核時不考慮水錘效應(yīng)的沖擊。

輸送石灰乳的管道采用剛性卡箍連接，管道材料為美標(biāo)A53-B、對應(yīng)于國標(biāo)20號鋼材，材料屬性為密度7850 kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服極限為260 MPa，強(qiáng)度極限為400 MPa。管道端面幾何尺寸為外徑168.3 mm，內(nèi)徑146.36 mm，管壁厚10.97 mm，總管長440 m。管道中的液體為石灰乳，密度為1120 kg/m3。管道的正常工作工況為：內(nèi)壓734 KPa，溫度70～90°C，管道內(nèi)流速2.68 m/s。

受力分析過程分為前處理、計算求解、后處理三個部分。在對管道橫截面進(jìn)行強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)上，再對管線整體進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核。本次計算不考慮水錘作用，僅計算在管道中穩(wěn)流工況下管道的受力，在此工況下管道所受外力為管道本身自重和管道中流體的重力[5-10]。

圖1為不受水錘效應(yīng)時石灰乳管道的受力分析，由計算結(jié)果可知，輸送石灰乳的管線在不受石灰乳效應(yīng)時，只受到管道自重和流體重力的作用時，最大位移分別為：x方向1.3 mm，y方向2.5 mm，z方向0.585 mm。最大等效應(yīng)力為16.8 MPa。管線鋼材的許用應(yīng)力強(qiáng)度為260 MPa，完全滿足強(qiáng)度要求。

圖1 不受水錘效應(yīng)時石灰乳管道的受力分析

1.3 石灰乳管道受水錘效應(yīng)時的受力分析

1.3.1 直接水錘壓力的計算

水錘效應(yīng)分為直接水錘和間接水錘效應(yīng)，這與閥門的開閉時間有關(guān)。直接水錘是當(dāng)閥門關(guān)閉或開啟時間Tf≤Tz時，由泵端水管反射回來的水錘波尚未到達(dá)閥門之前，閥門的變化已經(jīng)終止，水管末端的水錘壓力只受到直接水錘作用。從本工程實際情況考慮，受力分析時只需要計算直接水錘效應(yīng)對管道變形和受力的影響。

根據(jù)水錘控制方程推導(dǎo)可得直接水錘計算公式[11,12]

式中，H為水錘壓力水頭；a為水錘波的傳播速度，1000 m/s；g為重力加速度，9.8m/s；V為發(fā)生水錘后的管道中流體速度，0 m/ s；V0為管道中流體穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài)下的速度，2.68m/s。

1.3.2 對石灰乳管道整體的受力分析

當(dāng)水錘波在具有彎管布置的管線中傳播時，會對彎管處產(chǎn)生強(qiáng)烈的作用力。將計算得出的直接水錘壓力值F=PS=50.472 KN 加載在彎管處，再次采用ANSYS進(jìn)行計算。計算結(jié)果如圖2所示。

圖2為施加直接水錘作用力后整體管路沿x方向的位移圖，x、y、z為固定坐標(biāo)系，由于管線中間有拐角，方向發(fā)生變化，所以具體的相對于管道方向可以由圖得知。根據(jù)計算結(jié)果及圖2可得，x方向的最大位移為0.294 426 m，y方向的最大位移為0.0145 m，z方向的最大位移為0.131 78 m，都發(fā)生在事故管道部分。

圖2 水錘效應(yīng)下原設(shè)計管道整體的受力分析

另外，由圖2d可知，整個管路的最大等效應(yīng)力為278 MPa，超出了管道的許用應(yīng)力值260 MPa，不再滿足材料的強(qiáng)度要求。當(dāng)發(fā)生直接水錘時，對管道產(chǎn)生兩方面影響，其一是管道最大位移超過允許值而產(chǎn)生蹦跳，其二是水錘沖擊壓力超過管道極限強(qiáng)度而在管道最薄弱處變形甚至破裂，這兩個方面會同時影響管道，致使石灰乳管道部分跌落和變形移位。

2 解決措施

水錘效應(yīng)的辦法有多種：減壓；減少彎頭；水龍頭采用旋塞式水嘴，即減少振蕩，又沒有泄漏；在管路約束不足處添加管道固定支架[13-16]。

在本工程中，最終采用了第四種解決措施，即在管路約束不足時添加了管道固定支架，再用ANSYS軟件對添加管道固定支架的石灰乳管道進(jìn)行有限元分析。

2.1 添加固定支架的石灰乳管道不受水錘效應(yīng)時的受力分析

圖3為添加固定支架的石灰乳管道在不受水錘效應(yīng)時的受力分析，有圖3可知，添加固定支架的石灰乳管線在正常運(yùn)行狀態(tài)時，當(dāng)只受到管道自重和流體重力的作用時，最大位移分別為：x方向1.3 mm，y方向2.5 mm，z方向0.585 mm，最大等效應(yīng)力為16.8 MPa。管線鋼材的許用應(yīng)力強(qiáng)度為260 MPa，完全滿足強(qiáng)度要求。由以上對管線的強(qiáng)度計算校核可知，該管線在正常運(yùn)行狀態(tài)下，位移變形量很小，屬于允許變形范圍；最大等效應(yīng)力小于管線的許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。綜上，該管線在正常工作狀態(tài)下滿足強(qiáng)度和應(yīng)力要求。

圖3 添加固定支架的石灰乳管道在不受水錘效應(yīng)時的受力分析

2.2 添加固定支架的石灰乳管道整體在水錘效應(yīng)時的受力分析

2.2.1 橫截面的受力分析

圖4為修改后水錘效應(yīng)對管道橫截面的受力分析，由計算結(jié)果及圖3和圖4可知，在直接水錘壓力下，管道橫截面最大位移為0.922×10-5m，無水錘作用下最大位移為0.181×10-5m，最大等效應(yīng)力為 26.9 MPa，無水錘作用下最大等效應(yīng)力為5.3 MPa，小于管道的許用應(yīng)力為260 MPa，滿足強(qiáng)度要求，即當(dāng)管道為無拐彎的直線布局時，直接水錘效應(yīng)不會導(dǎo)致管道材料的破壞。

圖4 設(shè)計修改后水錘效應(yīng)對管道橫截面的受力分析

2.2.2 對管道整體的受力分析

當(dāng)水錘波在具有彎管布置的管線中傳播時，會對彎管處產(chǎn)生強(qiáng)烈的正向作用力。將計算得出的直接水錘壓力值F=pS=50.472 KN加載在彎管處，再次采用ANSYS進(jìn)行計算，如圖5所示。

圖5 設(shè)計修改后水錘效應(yīng)對管道整體的受力分析

根據(jù)計算結(jié)果及圖5得，x方向的最大位移為0.177 6 m，y方向的最大位移為0.0112 3 m，z方向的最大位移為0.104 947 m都發(fā)生在事故管道部分。另外，由圖5d可知，整個管路的最大等效應(yīng)力為236 MPa，小于管道的許用應(yīng)力值260 MPa，滿足材料的強(qiáng)度要求。

表1為添加固定支架后的管道相比于原設(shè)計的受力分析，由表1可知，添加固定支架后的管線相比于原設(shè)計，其三個方向最大位移和最大等效應(yīng)力都有不同程度的減小，尤其是x方向(即水平垂直于管道方向)位移尤其明顯。最大等效應(yīng)力由278 MPa下降為236 MPa，說明添加固定支架后的管線與原設(shè)計管線相比，在有水錘作用的極端條件下，降低了管道發(fā)生位移和和承受的應(yīng)力的程度。

表1 改造前后管道受力分析結(jié)果

在對添加固定支架的石灰乳管道調(diào)試運(yùn)行以及之后的生產(chǎn)過程中，都沒有出現(xiàn)管道跌落和變形移位的問題。說明此次添加管道固定支架滿足實際需要。

3 小結(jié)

通過對施工現(xiàn)場石灰乳管道的跌落和變形移位的問題分析，得出水錘效應(yīng)是引起該問題的直接因素。然后，采用了消除水錘效應(yīng)的措施，在管道適當(dāng)位置添加了固定支架，再對添加固定支架后的管道又進(jìn)行了ANSYS有限元分析，得到的管道三個方向最大位移和最大等效應(yīng)力都有不同程度的減小，經(jīng)過調(diào)試試運(yùn)行和生產(chǎn)，證明此次添加管道支架是可行的措施，滿足實際需要。

[1] 吳云鵬.水錘的認(rèn)識與實踐[J].力學(xué)與實踐,1979(01):34-38.

[2] 方成躍,趙觀輝.管道內(nèi)波速變化對水錘現(xiàn)象的影響分析[J].中國艦船研究,2012,7(06):71-77.

[3] 楊麗英.關(guān)于長距離輸水工程水錘防護(hù)的相關(guān)問題研究[J].職業(yè)技術(shù),2016,15(04):95-96.

[4] 戎玉波.停泵水錘現(xiàn)象及其防護(hù)措施探討[J].中國水運(yùn)(下半月),2008(09):163-165.

[5] 于衛(wèi)東,沈鶴翔.水錘效應(yīng)模擬仿真及防護(hù)[J].科技信息,2008(26):397-398.

[6] 葉青旺,張莉暉.長距離輸水管道水錘現(xiàn)場測試及防止措施探討[J].城鎮(zhèn)供水,2013(02):58-65.

[7] 陳家遠(yuǎn). 水力過渡過程的數(shù)學(xué)模擬及控制[M].成都：四川大學(xué)出版社, 2008.

[8] 周正貴. 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)理論與實際應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版社, 2008.

[9] 王臘春. 中國水問題[M]. 南京：東南大學(xué)出版社, 2007.

[10] 金錐. 停泵水錘及其防護(hù)[M].中國建筑工業(yè)出版社, 2004.

[11] 馬有江,余晚年,哈增鈞.停泵水錘壓力計算及其試驗驗證[J].建筑技術(shù)通訊(給水排水),1985(06):6-14.

[12] 韓李明.南水北調(diào)配套工程有壓輸水管道水錘計算及防護(hù)措施[J].科技與創(chuàng)新,2017(19):13-15.

[13] 周小紅.水錘現(xiàn)象及防護(hù)措施[J].冶金動力,2016(07):46-48.

[14] 李銳. 水處理系統(tǒng)中水錘效應(yīng)的分析及防護(hù)措施[A]//中國計量協(xié)會冶金分會2014年會暨能源計量與綠色冶金論壇論文集[C].中國計量協(xié)會冶金分會,2014.

[15] 段效堅.管道水錘破壞的消除措施[J].科技與企業(yè),2012(09):112.

[16] 王棟.大高差長距離重力輸水管道水錘防護(hù)技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué),2013.