鋼鐵企業供水管網水錘問題探討及防護

王 剛

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

供水管網是鋼鐵企業生產中必不可少的公輔設施，由各級管道相連接，以整體結構實現系統功能，各級管道互相聯系、影響。在鋼鐵企業生產中，水錘破壞是供水管網系統不容忽視的首要安全問題。水錘產生的瞬時壓強可達管道中正常工作壓強的幾十倍甚至數百倍。這種大幅度壓強波動，可導致管道系統產生劇烈高頻振動或噪聲，使附屬裝置松動損壞，嚴重時，會造成管道變形及爆裂等重大事故，給企業生產造成嚴重影響[1]。

1 供水管網中水錘發生的原因及控制原理

1.1 水錘發生的原因

水在輸送過程中，由于邊界條件突然改變，如流量調節、閥門啟閉、事故停泵等，水的流速、壓強突然發生急劇變化，水中溶解的或挾帶的不溶氣體，因釋放成為自由的氣泡[2]。由于在水管內部，管內壁是接近光滑的，水流動自如，水流和不溶氣體對閥門、泵及管壁會產生一個壓力，后續水流在慣性作用下，水力迅速達到最大并產生破壞作用，壓力沖擊將使管壁受力而產生噪聲，猶如錘子敲擊管道一樣，這就是水力學當中的“水錘效應”，也就是正水錘。相反，關閉的閥門在突然打開或給水泵啟動后，也會產生水錘，叫負水錘，但壓強沒有前者大[3]。

1.2 控制原理

在一個帶有閥門、泵和換熱器的流體網絡中，影響水錘產生的先天因素為：管路參數（比如管長、橫截面積），管路連接方式，部件參數（比如閥門參數），操作方式（比如閥門啟閉方式）及壓力波速。后天因素為流速初值，操作時間（比如閥門啟閉時間）。上述因素中，流速初值、波速和操作時間屬于可控因素，其他因素在設計和安裝時確定，一般在運行時不可控。操作時間屬于機械性能或操作技能所決定[4]。

2 案例分析

某鋼鐵企業熱軋產線，停軋換輥過程中，操作人員巡檢，發現工作輥冷卻水管道突然崩裂。通過對現場情況檢查，確認漏水管道為R2工作輥冷卻水的供水主管道，管徑為D=350 mm，壁厚8 mm，正常運行壓力為1.0～1.1 MPa，漏水處為管道焊縫處開裂，無法繼續使用，需停軋換管。

2.1 管道布置因素

換管檢修期間對現場管道、用水工藝及開裂點情況進行了綜合分析，發生開裂部位主要在DC3 濁環高壓管路上軋機分支部位，該供水管道敷設存在“幾”形布置，如圖1 所示。水流動至上升段汽化產生水柱分離，流動至下降段會造成水流加速，水柱重新彌合，引發壓力異常升高，是產生拉斷水錘的主要原因。

圖1 熱軋冷卻水管道布置圖

該冷取水系統管道的管徑D=350 mm，管道壁厚e=8 mm，材料的楊氏彈性模量E=2.2×109N/m2，水的體積彈性模數K=2.2×109N/mm2，水的密度ρ=1 000 kg/m3，根據水錘波波速a 的計算公式（1），可得出該系統的水錘波傳播速度為676.7 m/s。

循環水的流速一般為1～3 m/s，根據俄國學者儒可夫斯基提出的水錘理論計算公式（2），可求出停軋換輥關閥過程中，水錘壓力最大增加值為1 MPa，由此可見，水錘對該系統的安全性存在很大的威脅[5]。

式中：ΔH為壓力最大升高值；a為水錘波傳播速度；ΔV為流速的變化量；g為重力加速度。

2.2 閥門啟閉因素

R2工作輥冷取水用水節奏為間斷用水，供水管道上的氣動開關閥門隨軋制節奏在幾秒鐘內突然開啟和關閉，水流速度突然變化，引起管道內壓強急劇升高和降低的交替變化，沖擊較大；同時，該管道為直縫焊管，焊縫長期受高壓水沖刷造成焊縫疲勞，成為管道的薄弱之處，軋機換輥期間，停水到送水的氣動閥切換，壓力波動大，因此造成了管道的瞬時崩裂，及裂口下方設備基礎的損壞。

3 水錘防護措施

對于軋鋼工序的循環水系統來說，無論是正常的流量調節還是突然的事故停泵，都會引起流量的變化，如果壓力的變化頻繁且急驟，可能對整個循環水系統產生極大的破壞，威脅到整個軋鋼工序的安全經濟運行。因此，要采取合理的措施減小水錘危害。具體措施如下。

1）防止水錘的重點是控制水流速度和啟閉閥門的速度，一般設計管道流速應小于3 m/s，并水泵出口設置液控止回蝶閥，或增設復合式通氣閥和非溢流式雙向調壓塔。

2）對工序的供水管道進行全面排查，對存在的“幾”字型布置的管道，在其高點處增設復合式通氣閥。可解決管道排氣和負壓控制問題，消除水柱分離現象，對事故停泵時管道壓力降低最為顯著，雖然水泵出口段管道壓力升高值仍較大，但依然是首選的防護措施[6]。

3）將冷卻水支管的氣動開關閥門更換為調節閥，操作人員定期對管道進行檢查，進行開關閥操作時，控制操作速度，減小管道內部壓力差。在電源關閉前關閥動作不同，將對管道造成不同影響，推薦關閉電源前應將泵出口閥關閉60°，關閥時間不小于10 s，電源關閉后關閥時間不少于30 s。