水射流無損插樁機具供水系統設計

牛夢杰，張藍月，孟玉周

(華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450008)

指導老師:吳林峰。

0 引言

無損插樁機具供水系統主要由水泵、管路、閘閥及壓力表、流量表等組成。它是能量傳輸的通道，好比人體中的血管，在整個設備中占有重要的地位，管路是供水系統的重要環節，對供水系統的性能、可靠性、安全性和維護性等均有著重要的影響。

1 供水系統總體方案設計

根據管樁底部地層成孔和管樁結構中空的特點，設計兩套方案。一種是利用管樁的空心作為射流管路的一部分，射流從供水系統(水泵)流出的高壓水從樁的頂部流入，經過中空部分從管樁底部射流而出(如圖1(a)所示);另一種是將供水管路系統穿過管樁內部空心，設置專用的管路和射流出口(如圖1(b)所示)。

圖1 方案設計

方案(a)由射流出口1、管樁2、壓盤裝置3、橡膠管4、水泵及其電機6 和連接水泵與橡膠管的連接接頭5 等6 部分組成。方案b 由射流出口1、鋼管3、連接彎頭4、橡膠管5、水泵及其電機7、連接水泵和橡膠管的連接接頭6 組成。

圖1 中兩種方案優缺點如下。

1)方案(a)缺點是管樁中心另外設置鋼管作為設立系統的一部分，增加了設備的重量，施工時，增加了施工中連接的工藝過程，增大了管路泄露概率。優點是單獨在管樁中設計供水管路，減去了對管樁承壓及密封性要求。

2)方案(b)缺點是把管樁空心部分作為管路的一部分，增大了對管樁承壓及密封性要求，增大了管樁端板及內徑的制作精度要求(因為設立裝置固定在端板頂部)。優點是設備重量小，操作工藝簡單。

由于樁24 m，屬于超長樁，組成供水管路的鋼管3 由多節鋼管組成，其中，鋼管的連接方式又有3 種，如圖2 所示。

圖2 鋼管連接方案

圖2 方案中，射流裝置作為固定部件安裝在樁中心管路端部，圖2(a)方案通過在鋼管兩端加工外螺紋，與套筒通過螺紋連接，形成封閉管路;圖2(b)方案通過在鋼管兩端焊接法蘭對接，形成封閉管路;圖2(c)方案在鋼管兩端加工螺紋，直接通過內外螺紋連接形成封閉管路。同時，樁端板與進水管連接設計圖3 所示結構。管樁頂部有一蓋板與其端板通過螺栓連接。進水口鋼管焊接一支撐板并有凸緣，工作時放置在壓板的卡槽中，防止軸向扭轉。吊耳設置焊在壓盤上。為了減少吊耳的承載壓力，在樁周圍壓配有一抱箍，增強設備的安全與可靠性。

圖3 樁端板與壓盤連接方案

2 水泵的選型

水泵是供水系統提供動能的核心部件，其選型直接關系到射流沉樁的可行性和效率，其中水泵流量和揚程是兩個關鍵的參數，決定射流破土能力，但供水系統的設計與射流裝置的設計又相輔相成。

水泵是一種廣泛應用的通用型機械設備，它廣泛地應用于國民工業和和國防各部門，在國民經濟中占有重要的地位。合理選擇所需的水泵是正確使用水泵的先決條件:必須滿足使用流量和揚程的要求，即要求泵的運行工次點(特性曲線與性能曲線的交點)經常保持在高效區間運行，做到既省動力又不易損壞機件;體積小、重量輕、造價便宜，具有良好的特性和較高的效率，運行平穩、壽命長。根據本工程的使用情況(無計量要求，水流正常粘度，揚程大于20 m)，選擇單臺離心式水泵。

2.1 水泵流量Q 的確定

據流體力學伯努利方程，理想狀態下系統中的靜壓等于噴嘴出口的動壓為p0，流速為v0，則單個噴嘴的流量為:

多出口同時工作時，流量為

式中，K 為系統泄露系數，一般取 K =1.1 －1.3;A 為水泵出口面積;Q總為多出口同時工作時的水泵的流量。因此Q =145.6(m3/h)。

2.2 系統所需揚程H 的計算

由伯努力方程有:

式中，Hg，稱為幾何給水高度，也稱靜揚程;hw為從水泵出口到噴嘴出口之間總的管路損失，稱水頭損失。

水提升幾何高度Hg，最大值為地面上25 m(系統提供的能量必需能將水管中的水輸送到與壓盤連接彎管最高處)，最小值為地面下24 m(噴嘴出口最低位置)，噴嘴射流速度不小于25 m/s，出口壓力為0.5 MPa(相當于50 m 高水柱)。管路簡單、流速不大的，取∑Δp = (0. 2 － 0. 5)MPa;管路復雜的，取∑Δp=(0.5 －1.5)MPa。該設備管路簡單，可取前者∑Δp =0.2 MPa，即相當于水柱高20 m，即hw=20 m。

假設水泵進水口在水面下2 m 處，射流出口實際工作中在地面和地面以下24 m 之間，水管水最高輸送到25 m。因此在最高位置時，由式(3)有:

H1=z3－z1+hw+50 =75 m

壓盤裝置在最低位置時，則有:

H2=z1－z2+Hs+hw+50 =70 m

實際水泵揚程H≥max { H2，H2}，故水泵揚程H≥75 m。

2.3 水泵型號的選擇

根據以上分析，泵類型為清水泵，泵的揚程H ＞75 m，流量Q ＞145.6 m3/h，根據工業泵的型譜圖可選擇泵的轉速 n =2 900 r/min，D(MD)系列煤礦用清水(或耐磨)多級離心泵。選泵的型號為:D155 －30 －3，額定流量為 155 m3/h 揚程，90 m。電動機的型號為:YB2.280S.4，功率75 kW，電壓 380 V，水泵和電機為同一底座。

3 水管的選擇

在管路中改變走向、標高或改變管徑以及由主管上引出支管等均需要用管件。考慮到水泵出口和連接彎頭之間，實際使用性能的需要，選擇膠管，膠管直徑的大小與連接法蘭端部直管的尺寸有關，膠管承壓大小由工作時壓力決定。膠管的工作壓力，對于經常不使用的情況可提高20%;對于使用頻繁、經常彎扭者要降低40%。根據管路最大工作水壓1 MPa，因此選擇膠管型號為D152 耐壓不小于1.5 MPa 的大口徑橡膠軟管，夾布層數為5 層，螺旋鋼絲直徑為4.0 mm，單根管長度10 m。

對于圖1b 方案管樁中心的鋼管，選擇承壓不小于1 MPa，管徑和壓盤內控相配合的D 150 無縫鋼管。

4 閘閥及壓力表和流量表的選擇

4.1 閘閥的選擇

閘閥是安設在供水管路上通過改變其內部通道截面積來控制管路內部介質流動的一種通用機械產品，它在管路中的作用極為關鍵，有“管路的咽喉”之稱。為了保證整個管路水射流的壓力和流量穩定以及遇到意外情況時(噴嘴堵塞等)便于管路射流的控制和安全，需要設置閘閥及壓力表和流量表等儀表。在供水過程中使用的閥門種類繁多，主要有閘閥、蝶閥、止回閥、自動排氣閥。有防腐要求的選用化工閥門。由于蝶閥具有結構簡單、外形尺寸小、啟閉方便迅速、調節性能好等優點，同時蝶閥廣泛用于2.0 MPa 以下的壓力和溫度不高于200℃的各種介質。閥桿只做旋轉運動，操作簡單可靠。根據管路尺寸，選擇公稱直徑為D150 的蝶閥即可。

4.2 流量表的選擇

流量是一個動態量，其測量過程與流體流動狀態、流體的物理性質、流體的工作條件、流量計前后直管段的長度等有關。流量有速度式流量計、差壓式流量計、容積式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、渦銜流量計、超聲波流量計、電磁流量計等幾種。其中電磁流量計由傳感器、轉換器及顯示器等部分組成。其主要優點:無壓損，節能效果好;不受流體的濕度、密度、黏度、壓力和電導率變化影響;流量范圍大，口徑范圍寬。根據管路尺寸要求，選擇公稱直徑為D150 的分體式電磁流量計。

4.3 壓力表的選擇

為了合理、經濟使用儀表，儀表的量程不能選得太大，但為了保證測量精度，一般被測壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3 為宜。同時為了延長彈性元件的使用壽命，避免彈性元件因長期受力過大而永久變形，壓力表的上限值應該高于被測量的最大值(量程的1/2 ～1/3)，留有余量。在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用精度較低、價廉耐用的儀表。因此選擇最大壓力為1.6 MPa、精度0.2 MPa、表盤直徑為150 mm 的壓力表。

為了保證壓力表和流量表能夠準確反映管路中流量和壓力，安裝時，儀表要遠離水泵出口3 倍的管徑，如果水泵出口和儀表座進口型號不符時，需要用變徑管將兩者連接起來，壓力表、流量表和閘閥與水泵連接如圖4 所示。

圖4 儀表與水泵連接圖

5 結語

對以上設計的供水系統，結合水利部公益性行業專項項目的其他構成部分，由鄭州黃河水電公司在鄭州市花園口南裹頭進行30 根重復導流樁壩的施工試驗。試驗結果表明，本供水系統的管路設計是可行的，流量表在實際度數時需要取多個瞬時流量求得平均值，壓力表度數在最大值和最小值中間波動，在管路配件的選取上，應考慮循環水的流速和流量損失。

［1］禹華謙.流體力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］陳文義，張偉. 流體力學［M］. 天津:天津大學出版社，2004.

［3］成大先.機械設計手冊(1 －5)［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［4］《簡明管道工設計手冊》編寫組. 簡明管道工設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1993.

［5］范德明.工業泵選用手冊［M］. 北京:化學工業出版社，1998.

［6］吳林峰，謝友成，陳欣. 射流式拔樁器供水系統管路設計［J］.中國水利，2010(4):40 －42.