水錘效應對石灰乳管道的影響及解決措施

白 力

(中冶天工集團有限公司, 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。在此工程的調試運行過程中，發生了輸送石灰乳的管道部分變形移位和跌落問題，導致整個項目調試終止，造成巨大的經濟損失。通過對跌落現場的圖片分析和情況了解，排除誤操作的原因，經過流體正常與異常流動條件下的流動狀態推斷，判斷出本次事故發生的主要因素。

1 石灰乳管道在有無水錘效應時的受力分析

1.1 水錘效應

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

1.2 石灰乳管道不受水錘效應時的受力分析

當石灰乳管道正常運行時，不受水錘效應的影響，此時對石灰乳管道的強度校核時不考慮水錘效應的沖擊。

輸送石灰乳的管道采用剛性卡箍連接，管道材料為美標A53-B、對應于國標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，強度極限為400 MPa。管道端面幾何尺寸為外徑168.3 mm，內徑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：內壓734 KPa，溫度70～90°C，管道內流速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。在對管道橫截面進行強度校核的基礎上，再對管線整體進行受力分析及強度校核。本次計算不考慮水錘作用，僅計算在管道中穩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為不受水錘效應時石灰乳管道的受力分析，由計算結果可知，輸送石灰乳的管線在不受石灰乳效應時，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。最大等效應力為16.8 MPa。管線鋼材的許用應力強度為260 MPa，完全滿足強度要求。

圖1 不受水錘效應時石灰乳管道的受力分析

1.3 石灰乳管道受水錘效應時的受力分析

1.3.1 直接水錘壓力的計算

水錘效應分為直接水錘和間接水錘效應，這與閥門的開閉時間有關。直接水錘是當閥門關閉或開啟時間Tf≤Tz時，由泵端水管反射回來的水錘波尚未到達閥門之前，閥門的變化已經終止，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對管道變形和受力的影響。

根據水錘控制方程推導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為發生水錘后的管道中流體速度，0 m/ s；V0為管道中流體穩態流動狀態下的速度，2.68m/s。

1.3.2 對石灰乳管道整體的受力分析

當水錘波在具有彎管布置的管線中傳播時，會對彎管處產生強烈的作用力。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進行計算。計算結果如圖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為固定坐標系，由于管線中間有拐角，方向發生變化，所以具體的相對于管道方向可以由圖得知。根據計算結果及圖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，都發生在事故管道部分。

圖2 水錘效應下原設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力為278 MPa，超出了管道的許用應力值260 MPa，不再滿足材料的強度要求。當發生直接水錘時，對管道產生兩方面影響，其一是管道最大位移超過允許值而產生蹦跳，其二是水錘沖擊壓力超過管道極限強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行狀態時，當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，最大等效應力為16.8 MPa。管線鋼材的許用應力強度為260 MPa，完全滿足強度要求。由以上對管線的強度計算校核可知，該管線在正常運行狀態下，位移變形量很小，屬于允許變形范圍；最大等效應力小于管線的許用應力，滿足強度要求。綜上，該管線在正常工作狀態下滿足強度和應力要求。

圖3 添加固定支架的石灰乳管道在不受水錘效應時的受力分析

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為修改后水錘效應對管道橫截面的受力分析，由計算結果及圖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，最大等效應力為 26.9 MPa，無水錘作用下最大等效應力為5.3 MPa，小于管道的許用應力為260 MPa，滿足強度要求，即當管道為無拐彎的直線布局時，直接水錘效應不會導致管道材料的破壞。

圖4 設計修改后水錘效應對管道橫截面的受力分析

2.2.2 對管道整體的受力分析

當水錘波在具有彎管布置的管線中傳播時，會對彎管處產生強烈的正向作用力。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進行計算，如圖5所示。

圖5 設計修改后水錘效應對管道整體的受力分析

根據計算結果及圖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力為236 MPa，小于管道的許用應力值260 MPa，滿足材料的強度要求。

表1為添加固定支架后的管道相比于原設計的受力分析，由表1可知，添加固定支架后的管線相比于原設計，其三個方向最大位移和最大等效應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。最大等效應力由278 MPa下降為236 MPa，說明添加固定支架后的管線與原設計管線相比，在有水錘作用的極端條件下，降低了管道發生位移和和承受的應力的程度。

表1 改造前后管道受力分析結果

在對添加固定支架的石灰乳管道調試運行以及之后的生產過程中，都沒有出現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

通過對施工現場石灰乳管道的跌落和變形移位的問題分析，得出水錘效應是引起該問題的直接因素。然后，采用了消除水錘效應的措施，在管道適當位置添加了固定支架，再對添加固定支架后的管道又進行了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力都有不同程度的減小，經過調試試運行和生產，證明此次添加管道支架是可行的措施，滿足實際需要。

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