無縫鋼管水淬火設備的水系統設計及應用

曹金娣 張 平 趙 會

（天津賽瑞機器設備有限公司 天津300301）

1 概述

在冶金行業中，水淬火設備被廣泛應用于無縫鋼管的熱處理生產線，通過對無縫鋼管水淬火處理可提高鋼管的硬度和耐磨性。水系統是水淬火設備中的重要組成部分，提供水淬火過程中所需的水量。因而水量的控制在水淬火過程中尤為重要。本文所介紹的水系統用在“槽內內噴＋旋轉＋外噴”的水淬火工藝中，通過鋼管在槽內的浸淬、旋轉以及對鋼管內部、外部的均勻噴水，實現鋼管的淬火。因此需設置內噴水泵房及蓄水池，通過內噴水泵提升內噴水的壓力。對外噴水的壓力要求較小，外噴水可通過廠房直接供水。當淬火停止時，通過閥門控制，將內外噴水量回水到蓄水池。因為涉及到泵房布置、管路計算及水泵安裝高度確定，故以720槽式水淬為例，通過確定的技術參數進行介紹。

2 水系統布置介紹

2.1 主要技術參數（見表1）

表1 主要技術參數

2.2 水系統布置（見圖1）

圖1 水系統布置圖

水系統主要由各條管路、水泵機組以及多種閥門組成，如圖1所示。

2.3 水泵機組布置

水系統水泵機組布置采用橫向雙行排列，與以往橫向排列相比結構更為緊湊，具有節省占地面積的優點，對比示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 橫向排列布置

圖3 橫向雙行排列布置

由于該水系統用于大管徑鋼管熱處理項目中，用水量較大，因此泵房內各輸水管管徑和水泵機組占地面積都比較大，考慮整個廠房的占地，如果采用橫向排列，勢必導致空間狹小而無法實現的問題，因此采用橫向雙行排列則很好的解決了這一問題。

2.4 水系統管路設置

該水系統用在水淬火工藝為“槽內內噴＋旋轉＋外噴”的水淬火裝置，因此水系統主要由內噴和外噴兩部分組成。

廠房提供的內噴水首先注入蓄水池內，吸水管從蓄水池內引水，通過水泵機組的提升將壓力水引到壓水管，幾根壓水管匯集到一根總出水管，內噴水通過兩個液動三通截止閥到達內噴噴嘴處，實現對鋼管的內噴工藝。

由于每根鋼管淬火有時間間隔，而大功率的水泵經常啟閉會造成對電網的沖擊，因此內噴水泵需要處于常開狀態下，這就需要考慮不淬火時內噴水的回水問題。該水系統通過液動三通截止閥閥瓣的轉換，當淬火停止時，將內噴水引到回水管內，通過回水管將內噴水回水到蓄水池。

外噴水直接采用廠房來水，同樣在不淬火時通過液動三通截止閥的轉換將外噴水回水到蓄水池內。同時在三通閥進水管上引出一根管路，用于槽內沖渣。

2.5 閥門及配套設施布置

吸水管路上變徑管采用偏心漸縮管，且保持漸縮管的上邊水平，避免形成氣囊，影響吸水。

泵站內壓水管路經常承受高壓，尤其是發生水錘時，因此為安裝方便及避免管路上應力傳至水泵，在水泵進出口上安裝橡膠接頭。

壓水管上設置止回閥，避免停泵時水倒灌進泵房，止回閥設置在泵和蝶閥之間，因止回閥在使用中經常損壞，因此在檢修時可用蝶閥將壓水管路斷開。

由于該水系統用水量大，管路震動及泵房內噪音都比較大，尤其在液動三通截止閥部分，閥瓣換向時，震動更加明顯，同時由于流速的劇烈變化導致管路內壓力的急劇交替升降，很可能導致水錘現象的產生，如管路因此而破壞將造成嚴重后果。因此在三通閥的進水口和兩個出水口上安置水錘消除器，以消除部分水錘，減小管路震動，保證使用過程中的安全。

在內噴出水總管路上安裝電磁流量計，以控制內噴水量。為確保計量準確，使用中應保證從電磁流量計的中心到上游有大于5倍管徑的直管段。

該水系統用于規格為φ339～φ720mm 的鋼管槽式水淬火設備中，鋼管在升降梁中上下升降實現槽內浸淬。這就要求內噴嘴隨同鋼管一起升降對中鋼管中心，實現對鋼管內部的均勻淬火。因此需將內噴管做成伸縮的形式，在保證內噴嘴自如升降的同時，對內噴管的淬火水還有一定的密封作用。在本設計中采用“新型槽式水淬伸縮管結構”形式。該形式將內密封環置于兩個法蘭中間，其中的一個法蘭與下管段焊接，再用螺栓將三者把合在一起放入上管段內，同時，在內密封環的螺栓孔內安裝鋼套，以免在螺栓擰緊時使內密封環壓縮變形過大而影響伸縮管的正常使用。此種形式避免了由于連接件的內置而無法完成對其擰緊的問題，保證生產的順利進行。目前該結構已獲得國家專利。［1］

3 計算及理論依據

水系統水量、管路管徑及布置都應符合標準，在符合標準的前提下優化管路設計。

3.1 內噴水量的計算

式中 S—內噴水通過的最大橫截面積，由產品大綱得最大鋼管外徑為711mm，對應該規格的最大壁厚為40mm；

V—通過該規格鋼管的最大流速，鋼管最長為15m，要求水在2～3s內充滿鋼管，取2.5s，因此，流速V＝15／2.5＝6m／s。

Q—內噴水量，故取Q＝7000m3／h。

由于該水系統用水量較大，需使用幾臺水泵并聯工作，設計中使用少數大泵還是多臺小泵在選泵時至關重要。使用少數大泵必將增大電機功率，同時輸水管徑也會隨之增大。而使用多臺小泵需考慮多臺水泵并聯工作時水泵特性曲線，臺數過多可能會使工況點移出高效段范圍。因此經過技術經濟比較，確定該系統水泵數量為四用一備。

由于四臺水泵并聯工作時單臺水泵出水量為水泵單獨工作時的70%～80%，因此與內噴水量8800m3／h相符合。根據流量揚程選取水泵型號，所選水泵額定流量為2800m3／h。

3.2 內外噴管徑確定

內噴吸水管徑：

（因泵房為自灌式取水，流速可適當放大，取v＝2m／s）

所以吸水管徑DN700

內噴壓水管徑：

（取v＝2.5m／s）

所以吸水管徑DN600

外噴管徑：

（取v＝2.5m／s，Q＝2800m3／h）

所以外噴來水管徑DN700

3.3 水泵安裝高度的確定

設計水泵時需考慮泵的安裝高度，由于蓄水池最低水位低于泵軸中心線，當水泵安裝高度超過一定范圍時，泵內的水汽化，發生氣蝕和氣穴現象，從而導致吸水出現問題，甚至破壞泵體。因此設計中考慮泵安裝高度至關重要。

Hmax＝10.33－NPSHr－0.5

NPSHr為水泵廠樣本中所提供的汽蝕余量。

根據所選水泵型號查得NPSHr為6.3，得

Hmax＝3.53m

即泵軸中心線到最低液位需小于等于3.53m

4 結論

該水系統結合現場實際情況，在滿足使用條件的情況下大大減小占地面積，閥門的合理使用使設備在工作過程中運行的更為靈巧，對鋼管內噴水處理時，新型伸縮管的使用使得設備運行更為順暢，且安裝維護方便。內噴水泵數量的合理選擇，大大提高了水泵的使用效率，降低了經濟成本。水系統管路的合理布置及精確計算，減少了能量損失及管路沖擊。

［1］本公司專利產品，專利號為ZL201220288859.3.

［2］黃敏主編.熱工與流體力學基礎.北京：機械工業出版社，2003.

［3］上海市政工程設計研究院主編.給水排水設計手冊（第3冊）（第2版）.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［4］蔡增基，龍天渝主編.流體力學泵與風機（第四版）.北京：中國建筑工業出版社，1999.