揚水泵站設備越冬受力淺析及冬保措施探析

蘇 宇

（寧夏回族自治區紅寺堡揚水管理處，寧夏 中衛 755100）

1 揚水泵站設備基本組成

更新改造后的設備基本組成有高低壓配電柜、勵磁裝置、變頻器、水泵、電機、電機空-水冷卻器、各類閥門和管道、稀油站、各類小型配電箱等。因電氣設備屬干燥設備，且自身不存在受力情況，因此不作為此次討論交流的范疇。本文主要討論水泵、各類輸水管道尤其是1.2米的大型輸水管道、閥門等處的受力情況。

2 組成泵站設備各類材料情況

揚水泵站經過更新改造后，有鑄鐵材料配件，如水泵泵殼；還有普通碳鋼，如：各類供水管路；不銹鋼材料，如：泵軸、葉輪、口環、中開面螺栓螺母等配件、銅制材料如：主電機冷卻器、稀油站冷卻器等，不同材料在不同環境溫度下受力情況是不一樣的。

3 常見材料的力學性能簡要介紹

表1 幾種常用材料的主要力學性能

4 揚水泵站設備越冬受力分析

4.1 揚水泵站設備結構對受力情況的影響

金屬材料在不同的環境溫度或介質中，會引起膨脹或者收縮。因靜定結構無多余的約束，從而受溫度影響可以自由變形，當環境溫度均勻發生變化時，不會引發配件或者材料的內力，可以隨時釋放應力，所以，在揚水泵站中，一些備用配件不會受螺絲裝配的約束，故沒有應力集中的現象。

超靜定結構是指具有多余約束的幾何不變體系，當環境溫度變化時，往往就會引發配件或者材料的內力，如室內外的金屬壓力管道、各類金屬配件等。

4.2 配件材料及性質對設備受力的影響

泵站設備根據功能不同，作用不同，故配件所使用的金屬材料也不一樣，有銅制材料的冷卻水管，有不銹鋼的球閥閥芯，有鑄鐵的閥門等，以上配件材料在揚水泵站中，由于冬季溫度的影響，配件及材料在受力方面會受到很大的影響。

4.2.1 泵站管道及金屬材料在低溫條件下的脆性

圖1 泵站管道斷裂圖

溫度是分子無規則運動的劇烈程度的標志，溫度越低則分子運動的劇烈程度越小，這樣由金屬原子組成的金屬晶體之間的分子力也相應的減小，使得其硬度增加而韌度減小，變得硬而脆，因此易斷裂，甚至有些直接會成粉狀(如鋅)。冷脆的發生也會改變金屬自身內部結構特點，有的會轉變為六晶格形式的分子，這種分子會隨著溫度的變化而變化，當它達到一定程度時，人為的或者由于自然外力、安裝誤差等因素都會造成斷裂現象，這種斷裂只會發生在由于低溫的影響使得材料轉變脆性后，比如在冬季，室外溫度達到零下30°左右，嚴寒會對設備及管道造成極大的影響，如果管道當中的水沒有排干凈結成了冰、或者管道自身收到外力的沖擊，則會有很大概率會產生管道斷裂的現象。如圖所示，就是因為管道水沒有排干凈，由于溫度過低，使得管件材料變脆，再加上管件下部冷縮產生的縮緊力及管件自身的重力，此時材料由于低溫變的很脆，最終發生了斷裂。

4.2.2 泵站金屬設備材料在低溫條件下的應力集中現象

應力集中指物體中應力局部增高的現象，一般出現在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應力集中能使物體產生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發生靜載斷裂。揚水泵站中由于配件鏈接大多有剛性約束，所以應力集中的現象普遍存在，尤其在改造后新設備相比老設備緊固鏈接要求更高，金屬配件的數量及材料種類都有所增加，所以在冬保工作中更要著重解決低溫環境下應力集中的問題。

4.2.3 揚水泵站配件存在應力的部位

一是在冬季保溫工作中偶爾存在部分設備內部積水沒有放干凈的情況，這種情況是泵站的冬季保溫工作防范的重點，常見容易存水的部位有蝶閥軸端端蓋、水泵冷卻室、電機進水過濾器、電機冷卻器、各供水管路、稀油站冷卻器、水泵葉輪、水泵內部、各類逆止閥、各類大小閥門等，這些部位都是極其容易積水的地方，積水的地方如果在做冬季保溫工作的時候不及時處理，在冬季遇到極低溫天氣，會發生凍裂，這種凍裂往往都是由于配件和材料內外溫度差別過大，產生應力，使得應力無法及時釋放，導致配件和材料發生斷裂。

二是泵站受到冬季溫度影響產生的應力集中現象影響最大的部位。如主供水管道、機械密封、電機冷卻水等附屬設備管道焊接接頭，這些地方容易產生應力集中現象，產生的主要原因主要有以下幾個方面：一是焊縫中產生的工藝缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋和未焊透等，其中焊接裂紋和未焊透引起的應力集中最為嚴重。

三是不合理的焊縫外形，例如對焊縫的余高過大，角焊縫的焊趾過高等。

四是不合理的接頭設計，如接頭截面有突變，采用加蓋板的對接接頭等。焊縫布置不合理也會產生應力集中，例如單面焊縫的T型接頭。當然，科學的、正確的焊接可以很大程度上的避免以上焊接口斷裂現象的發生。

5 利用SolidWorks對可能存在應力集中或者溫度應力的部位進行有限元分析

圖2 泵站主水管道有限元分析圖

以泵站主水管道為例進行有限元分析，泵站注水管道大部分在鎮墩和外墻之間、外墻與水泵之間。當冬季所有配件受到極低溫度的影響，金屬由于熱脹冷縮的性質，會收縮，在收縮的過程中，如果不及時做好相關措施，其應力達到了圖中顯示黃色危險區域，則會容易發生斷裂，故而設計者在設計過程中，在水泵和管道之間都安裝有伸縮節，伸縮節的安裝大大降低了管道、水泵等設備因積水或者低溫引起的冷收縮，有效防止了產生應力所導致的零部件斷裂或者配件裂開。

6 設備更新改造后冬季保溫工作措施探析

冬季機電設備成功越冬是一個很重要的工作，因此要全面檢查設備可能存在積水的部位并進行及時處理。

新設備和老設備相比，結構發生了很大的變化，附屬設備增加，管線增加、設備增加，泵站在過去的三年冬季保溫工作中已經探索出了很多成功的方案，比如在冬保過程中處理主電機空-水冷卻器內部銅管殘留水時，用空氣壓縮機進行吹干，是很有效的處理方法，但是，由于空氣壓縮機的出風是冷風，在吹的過程中需要時間周期過長，建議可以采用熱風機進行吹干，不僅吹的干凈，而且效率也高，能夠很大程度上縮短冬保時間，提升冬保質量。對于用熱風吹干積水部位的方案，還可以擴展到稀油站冷卻銅管殘留水處理環節，部分細小的管道均可采用以上方法進行處理，保證設備成功越冬而不受應力集中的影響。

有積水的零部件如果方便拆卸的話，盡量對其進行簡單的拆卸，釋放其中的積水，防止冬天溫度過低而發生凍裂。像小管件接口、水過濾器、電機技術供水和機械密封技術供水的進水部位等，這些部位平時容易積水，但是拆卸安裝都很方便，在冬保時可以將其拆開，排凈里面的積水，春季檢修的時候再安裝起來，既保證了設備安全越冬，又不影響春灌的運行。

對于水泵內部積水，可以打開水泵防水底閥，將積水排凈。機械密封內部，要將拆掉底部放水螺絲，并抽出進水軟管，將內部水釋放掉。

詳細檢查泵殼積水情況并采取處理措施。泵站冬保工作很細致，每年冬季都需要打開1-2臺水泵，一方面勘察設備運行情況，另外一方面觀測水泵內部是否有積水，一般根據拆卸情況，葉輪停運后的底部、泵殼底部等處都會留有存水，這時常用的方法就是排水，然后用電爐加熱烘干或者風干，根據實際情況，也可將電爐子更換為電暖氣，電暖氣散熱面積大，功率小，危險系數低，既保證了設備安全，又保證了人身安全。

蝶閥、檢修閥等設備的防凍措施。檢修閥、蝶閥可根據實際情況開啟一定度數，防止有積水在閥板處結冰，凍壞閥板。

位于前池的進水口，可以用塑料膜覆蓋并緊固，防止室外冷空氣將管道及內部設備凍壞。

材料及配件受力分析的重要意義。揚水泵站配件及金屬材料受力情況分析對于冬保工作具有很重要的指導意義，一方面我們可以深入了解配件及金屬等各類材料在冬季時節所顯示出的變化和特性，在熟知這些特性后可以更好地做好冬季保溫工作，保護設備成功越冬。另一方面根據配件、管件等設施精確到位以及金屬力學性能和冬保有關規定，我們可以確定有些配件在冬保過程中是不是可以拆卸，這樣可以成功避免因經常性拆卸使得設備和配件損壞，有利的保證了冬保工作的順利開展，為來年行水期的機電運行保駕護航。