煉鋼水系統主過濾器振動故障原因分析及排除

劉景樹

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津300301）

煉鋼水系統主過濾器振動故障原因分析及排除

劉景樹

（天津鋼鐵集團有限公司煉鋼廠，天津300301）

針對煉鋼水系統主過濾器振動故障，從過濾器的工作壓力、水處理流量、反洗水流量、反洗管道的管徑等方面分析出故障產生原因，通過計算校核并結合現場情況實施技術改造，徹底消除了振動故障，杜絕了重大生產安全隱患，取得了較高的經濟效益。

過濾器；流速；振動；水質；流量

隨著煉鋼工藝的快速發展，對水系統運行的可靠性、穩定性、配水精準度的要求越來越嚴格。水質、水壓、水量等，對產品質量、設備和設施壽命周期及故障率的影響至關重要。其中，水質的優劣關乎設備的安全，尤其是電氣設備，如EAF爐、LF爐主變壓器的油冷卻器和二次短網的間接冷卻水，水質達不到要求，容易引發電氣故障，進而中斷生產。煉鋼水系統因主過濾器振動而無法正常使用，致使水質從根本上得不到保障，為此必須分析出過濾器振動的內因，并制定相應的技改措施，使之正常使用，以杜絕重大生產安全隱患。

2　煉鋼水系統工藝及設備配置和存在問題

2.1煉鋼水系統簡介

循環水泵房為煉鋼系統配置吸水井1座、供水泵組8臺（開六備二）、過濾器4臺（兩臺一組）分供兩條生產線，總循環水量約為13 000m3/h，總管壓力為0.65MPa。循環水泵房局部管網示意圖見圖1。

圖1　循環水泵房局部管網示意圖

2.2設備參數

設備參數見表1。

2.3主過濾器振動特征及危害

煉鋼水系統采用多濾柱式自動清洗管道過濾器，設置在供水主干管上。當過濾器的進、出水壓差累計到0.03 MPa時，控制裝置發出指令，打開過濾器反洗出口管道上的電動閥，利用系統內外壓差產生的虹吸原理，實現過濾器的自動清洗。每次反洗過程中，過濾器本體和與之相連的局部供水管網都會產生間隔性的劇烈振動，其特征是以過濾器本體為振源，振動峰值間隔時間短且強度越來越大，在整個反洗過程持續發生。其危害為：振動導致過濾柱變形和移位，過濾精度和反洗效率均降低，供水水質不能滿足工藝要求；供水主干管與泵組各出水管連接焊口，延環向間斷出現裂紋而滲水，越靠近過濾器本體的水泵出水管，焊口上的裂紋較長滲水越嚴重，且存在逐步劣化的趨勢；水泵運行不穩定，致使電機因過載損壞；潛在的危害是在振動力的反復作用下，過濾器和水泵基礎的強度降低，地腳螺栓傾斜甚至松動，導致突發性管網泄漏，最終釀成重大事故。

表1　主要設備參數表

3　主過濾器振動故障及所造成危害的原因分析

3.1引發過濾器振動的內因

煉鋼水系統過濾器采用多濾柱結構，內部由60個不銹鋼過濾柱延3個同心圓均勻布置，過濾精度為100μm，處理水量Qc=3 500m3/h，反洗排出水量Qf=6%×Qc，每次反洗時間Tf=3min。過濾器可設置為定時、壓差、手動3種反洗控制方式，本系統設定為壓差反洗方式。當進、出水壓差達到設定值時，控制器發出反洗信號，啟動反洗機構的驅動電機帶動反洗機構做圓周運動，同時打開反洗出口的電動排污閥，開始反洗過程。過濾柱分成10組，每組6個，從第一組濾柱開始虹吸反沖洗8 s后結束，間隔10 s開始反洗第二組濾柱，這樣重復10次，控制器發出停止驅動電機信號并關閉電動排污閥，過濾器反洗過程結束。

圖2　原設計過濾器局部管網示意圖

從過濾器的局部管網圖（見圖2）可看出，反洗排水的設計管徑為D159×5且延伸30多米至廠區排水系統。而每臺過濾器的反洗排水量，Qf=6%× Qc，即Qf=6%×3 600=216 m3/h，若兩臺過濾器同時反洗，排水量為432 m3/h。過濾柱的公稱直徑為DN80，排水管的公稱直徑為DN150，首先，在均勻流速條件下，滿足流量與管徑的平方成正比，即=（）2，D1=150 mm、D2=80 mm，由此得出，（150/ 80）2≈3.52＜6，排水管徑不能滿足反洗排水量的要求；其次，在過濾器反洗出口處，水的勢能全部轉化為動能流入排水管，由于沿程阻力、局部阻力與流速的平方成正比，期間流速會逐漸下降，排水管更加不能滿足要求。加之反洗排水管過長，這樣，在相鄰兩組過濾柱反洗間隔時間內，上一次反洗出水因不能及時排至廠區排水系統，而滯留在反洗排水管道中。

如前所述，反洗出水因勢能全部轉化為動能，以高流速的流態進入反洗排水管，并與滯留其中近似靜態的水發生激烈撞擊而相互作用，類似于水錘現象，水錘波傳遞并施加給過濾器，由此使過濾器發生振動。與此同時，反洗排出水因撞擊導致流速降低而排放量下降，濾柱反洗間隔時間內，反洗排水管道積水段長度加大，待下組過濾柱反洗時再次發生撞擊，且發生撞擊的斷面離過濾器本體更近，從而引發過濾器更強的振動。據此整個過濾器反洗過程共發生9次振動，因為撞擊部位逐漸靠近過濾器本體，所以振動越來越劇烈。

3.2引發危害的原因分析

在主過濾器發生振動的同時，會引發對過濾柱的沖擊，使過濾縫隙的均勻度改變，致使過濾精度降低，反復的振動沖擊導致過濾柱移位，部分水未經過濾直接進入系統，且反洗效果變差，水中粒徑較大的雜質進入系統，將安裝在支干管上Y型過濾器的過濾網擊破，過濾精度大大降低，是引發水質劣化的原因。

振動波沿供水主干道傳播，在主管道與水泵壓水管道連接的焊口處產生剪切力，在剪切力的反復作用下焊口處因疲勞而出現裂紋，距離主過濾器越近，剪切力的作用越強，焊口劣化越嚴重。振動波通過水泵的壓水管道傳播，作用到水泵及電機上，在地腳螺栓處產生剪切力，反復作用將使其安裝精度和運行精度發生變化而產生附加荷載，導致電機過載損壞。

上述分析中，因第一組1#、2#過濾器與第二組3#、4#過濾器，產生的剪切力的方向相反，從而加強了其破壞力。每臺過濾器平均每天反洗5次，若不考慮過濾器同時反洗的情形，每天發生的振動次數為，4×5×9=180（次）。焊口在長時間的高強度、高頻率剪切力的反復作用下，最終會發生斷裂，導致系統水大量泄出，淹沒泵房設備和配電系統，引發重大事故。

4　技術改造措施

4.1技改措施的構想

若要徹底消除過濾器的振動，首先要加大過濾器反洗排水管道的管徑，以減小反洗出水的動能，加大排水量；同時又要縮短排水管道的長度，使反洗水在相鄰兩組過濾柱反洗間隔時間內快速排出，而避免發生撞擊。技術改造措施見圖3，反洗出先水經D273×7管道就近快速排入擴容池中，使其變為靜態；然后再靠重力流經D630×9管道排入廠區排水系統。過濾器設置為定時反洗，每隔5 h反洗一次，同組的2臺過濾器反洗啟動時間錯開2 h，避開因2臺過濾器同時反洗而產生的迭加效應。

4.2技改措施的相應計算校核

4.2.1從過濾器本體至擴容池間的反洗排水管道校核

圖3　實施技改措施后反洗管網示意圖

從圖3可知，管道的公稱直徑為DN250mm，有效長度L=6m。由（公式1），D1=250mm、過濾柱直徑D2=80 mm，得出，（250/80）2≈9.77＞6，管徑可以滿足6只過濾柱要求。反洗水流速v≥3m/s，取最小值v=3m/s，反洗水從過濾器本體流至擴容池的最大時間，T=L/v=6/3=2 s＜10 s。即在下一組濾柱反洗前，反洗水已排入擴容池，管道內無殘留水，因而不會產生撞擊。

4.2.2擴容池和重力流管道的校核

由圖3算出，擴容池的有效容積，Vy=2×1.5×（1.2-0.2）=3m3。根據3.1節中的計算結果，Qf=216 m3/h，反洗過程需3 min，反洗出水分10次排出，則每組過濾柱的反洗出水量m3＜3m3，擴容池的有效容積可滿足要求。重力流管道公稱直徑為DN600，流速vg≮0.6m/s。根據流量計算公式，，其最小排水流量Q= 0.25×3.14×0.62×0.6×3 600=610.4 m3/h＞216 m3/h，可以滿足反洗水量要求。

4.3對產生的隱患處理

利用定修時間對過濾器進行拆檢，更換變形和損壞的過濾柱，檢查過濾器基礎、法蘭連接處，根據具體問題進行處理；對焊口裂紋處進行清根處理后重新焊接；按現行國家標準《機械設備安裝工程施工及驗收通用規范》GB50231—2009的規定，重新找正和調整水泵、電機的安裝精度，直至符合規范要求；按《工業金屬管道工程施工質量驗收規范》GB50184—2011的規定，對泵房局部管網進行壓力試驗，試驗合格后方可投入使用。

5　采取技改措施后的效益

實施技術改造后，因杜絕了文中所述的危害和隱患。每年可節省因更換不銹鋼過濾柱的備件費用120萬元；更換Y型過濾器不銹鋼過濾網備件費用30萬元；節省水泵電機修理費用35萬元；節省隱患和故障搶修需投入的人工、材料、機械設備費用30萬元。在不計因突發性重大事故造成經濟損失下，每年的總效益為215萬元。

6　結束語

本文針對煉鋼水系統主過濾器的振動及其危害，結合水泵房的局部管網和實際運行情況，介紹過濾器的振動特征及危害，從過濾器的內部結構、主要參數、反洗機理、反洗水量、流速和排水管原設計等方面分析出引發過濾器振動及危害的內在原因。在此基礎上構想出技術改造措施，通過計算校核并結合現場情況實施技術改造，從而徹底消除了過濾器的振動及危害，杜絕了重大生產安全隱患，實現了年創效215萬元。

［1］余金鳳，張永偉.水泵與水泵站［M］.北京：中國水利與電力出版社，2001.

［2］孫東坡.水力學［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［3］張玉先.排水工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，1987.

Cause Analysis on Vibration Fault of M ain Filter of Steel-making W ater System and Trouble Shooting

LIU Jing-shu
（Steel-making Plant，Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）

Aiming at the vibration fault at themain filter of steel-making water system，the author analyzed from aspects of filter working pressure，water treatment flow，backwashing flow and backwashing pipe diameter and found the cause.The vibration fault was completely eliminated through calculation calibration and the implementation of technicalmodification in combination with site conditions and the major hidden trouble in production safety avoided.High economic benefitwas obtained.

filter；flow velocity；vibration；water quality；flow

1引言

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.015

2016-03-07

2016-04-07

劉景樹（1964—），男，天津人，高級工程師，主要從事冶金設備運行管理工作。