钢管水压试验循环水隔油沉淀池设计参数计算

孔立群，王 震，王 果

（中国重型机械研究院，西安710032）

钢管水压试验循环水隔油沉淀池设计参数计算

孔立群，王 震，王 果

（中国重型机械研究院，西安710032）

为了保证钢管水压试验循环用水的水质能够维持正常生产，通过对循环水隔油沉淀池设计目标要求进行分析，给出设计流量、隔油池表面面积、隔油池过水断面面积、隔油池有效水深和池宽、隔油池长度、沉淀池面积以及沉淀池容积等关键参数计算公式，并对相关参数取值进行了讨论，以某大直径焊管水压试验隔油沉淀池设计为例进行了参数计算。最后，提出了钢管水压试验隔油沉淀池设计参数计算应注意的事项。

钢管；水压试验；隔油沉淀池；设计参数；表面负荷率

Abstract:In order to guarantee the water quality of steel pipe hydraulic test circulation water can maintain normal production,through analysis on design goal task of circulating water oil separation tank,some key parameters calculation formula and process were given,such as the design flow,the oil separation tank surface area,oil separation tank water cross section area,the effective water depth and pool width of oil separation tank,the length of the oil separation tank,oil separation tank area and volume,and the parameter values were discussed.Taking large diameter welded pipe hydraulic test oil separation tank design as an example to conduct parameters calculation,finally put forward the precautions for calculating the design parameters of steel pipe hydrostatic test oil separation tank.

Key words:steel pipe;hydrostatic test;oil separation tank;design parameter;surface loading rate

水压试验作为钢管生产过程中的重要工序，其生产工艺用水采用循环利用模式。由于循环水处在一个开放的系统中，直接与产品、生产设备及生产环境相接触，导致水中带入许多氧化铁皮、金属粉尘、车间灰尘沙粒、生产设备润滑油以及跑、冒、滴、漏进入水中的液压油等。为了保证循环水质以维持正常生产，需要对循环水进行水质处理。平流式隔油沉淀池由于造价低、操作维护简单、运行管理方便、除油沉淀效果稳定等特点，成为首选水处理构筑物。本研究以隔油沉淀池的规划设计为研究对象，探讨其关键参数计算及参数选取时应注意的问题。

1 钢管水压试验循环水隔油沉淀池设计

1.1 设计目标

钢管水压试验循环水中的悬浮物主要是氧化铁皮、金属粉尘和泥沙灰尘。其中，大粒的悬浮物对设备正常生产影响显著，严重情况下会磨损设备、破坏阀门密封面，甚至附着在产品表面。从设备使用角度来看，循环水的悬浮物处理，主要是去除粒径大于0.15 mm的悬浮物颗粒。

循环水中的油和油脂主要是液压元件和油缸泄漏以及检修时外漏产生的。循环水中含油量偏高，一是污染生产环境，甚至污染产品，油污附着在钢管表面给后序生产造成影响；二是造成循环水系统设备故障，油污会腐蚀一些特定的密封件。更为严重的是，循环水中的油污牢固粘附在氧化铁皮、泥沙粉尘的细粒上，随着固体颗粒沉淀或悬浮于水体中长期积累容易形成油泥，其数量多，危害大，可堵塞管路或破坏密封，加剧设备腐蚀等。另外，油泥最终排放处理难度也较大。

一般来说，循环水中的油有4种分布状态。

（1）浮油。这种油漂浮在水面上，颗粒较大，油粒直径一般＞100 μm，易从水中分离出来，上浮至水面而被撇除。此种油约占水中含油量的60%～80%。润滑油、机油、液压油在水中主要以浮油形式存在。

（2）分散油。油粒直径10～100 μm，以微小油珠悬浮于水中，不稳定，静置后易形成浮油，约占水中含油量的10%～30%。

（3）乳化油。这种油的油粒直径很小，一般＜10 μm，形成稳定的乳化液，长期分散在水中不易上浮。乳化油对于钢管水压试验设备的使用无明显影响，但对环境影响较大，排放处理难度很大。因此，对钢管水压试验循环水中的浮油应尽早去除，以免在循环过程中由于泵的提升搅动以及试压、加压等过程而加剧循环水的乳化程度。

（4）溶解油。这种油在水中的含量极小，油粒直径一般在0.1 μm以下，以分子状态或化合物状态分散于水中。在钢管水压试验循环水处理中一般不予考虑。

综上所述，钢管水压试验循环水除油的目标就是最大限度地去除浮油。

1.2 平流式隔油沉淀池

平流式隔油沉淀池是集传统平流式隔油池和平流式沉淀池于一体，水池既满足隔油的功能又能达到沉淀的作用。在工程实践中将沉淀池、隔油池合建在一起，充分发挥一池多用的功能，大大减少了循环水处理构筑物占地面积，节约了工程投资，并且易于运行管理。

平流式隔油沉淀池是一个敞开式的矩形水池，含油及颗粒物污水从池的一端流入，因油与水比重不同，在整个池长流程内油水被分离，分离后的水从池的另一端流出，浮至上部的油可用集油管或机械设备收集，水中颗粒物沉于池底，污泥不断堆积、浓缩，可采用刮泥设备或人工方法清除。平流式隔油沉淀池有着传统隔油池和沉淀池的优点，其构造简单、造价低、管理方便、应变能力强。不足之处是受外界影响，池底、池壁摩擦而引起水的不稳定流，使隔油沉淀池长度较大，且难以分离直径较小的油粒。

综合考虑水压试验循环水处理目标要求，平流式隔油沉淀池成为首选一级水处理构筑物方案。

2 隔油沉淀池关键设计参数计算

隔油沉淀池设计参数的计算采用隔油池设计计算方法，然后再用沉淀池设计方法对所选参数进行校核。

2.1 参数计算方法

（1）设计流量

可根据钢管水压试验工作效率计算出所需设计流量。由于钢管水压试验机工作钢管规格范围比较大，生产频率也不同，因此，计算出的设计流量跨度较大。设计流量的选取应考虑到各个流量在生产大纲中出现的频次，在满足工程许可的前提下尽量取大值。

（2）隔油池表面面积

式中：A—隔油池表面面积，m2；

Q—污水设计流量，m3/h；

u—油珠的设计上浮速度，m/h；

α—隔油池表面积修正系数，与池容积利

用率和水流紊动状况有关。

表1为α与速度比v/u的关系，其中v为污水在隔油池中的水平流速。通常取v≤15u，但不宜大于15 mm/s， 通常取2～5 mm/s。

表1 隔油池表面积修正系数α与速度比v/u的关系

油珠的设计上浮速度u可通过污水净浮试验来确定。按试验数据绘制油水分离效率与上浮速度之间的关系曲线，再根据应该达到的效率选定上浮速度u。另外，也可根据修正的Stokes公式计算，即

式中：u—静止水中直径为d的油珠上浮速度，m/s；

ρW—水的密度， kg/m3；

ρO—油珠的密度， kg/m3；

d—可上浮最小油珠的粒径，m；

g—重力加速度，m/s2；

μ—水的绝对黏度， Pa·s；

K—污水中油珠非圆形的修正系数，一般取K≈1.0；

（3）隔油池的过水断面面积

式中：Ag—隔油池的过水断面面积，m2；

Q—污水设计流量，m3/h；

v—污水在隔油池中的水平流速，m/h。

（4）隔油池有效水深和池宽

平流式隔油池有效水深h一般取1.5～2.0 m。隔油池宽度b（每隔间）的具体取值参考所选用除油设备对宽度的要求，通常不大于6.0 m，人工除油宽度一般≤3.0 m。

（5）隔油池长度

隔油池每隔间的长宽比（L/b）不宜＜4.0。

（6）隔油池隔间数

（7）沉淀池面积

式中： q0—表面负荷， m3/（m2·h），q0可通过试验或参考经验数据获得。

（8）沉淀池长度和宽度

式中：L—沉淀池长度，m；

B—沉淀池宽度，m；

t—水在池中的停留时间，h，可通过试验或参考经验数据获得。

为保证水在池内均匀分布，要求长宽比≥4，以4～5为宜。不满足长宽比时，应分为n格，即

（9）沉淀区有效水深

式中：h—沉淀区有效水深，m。

沉淀池长度与有效水深之比L/h≥8。

（10）沉淀区有效容积

式中：V—沉淀区有效容积，m3。

除上述参数外，隔油沉淀池的其他结构参数设计应符合有关国家标准或技术规范要求。

通过上述公式可以看出，要使平流隔油沉淀池的出水恰到好处，就必须正确设定油粒上浮速度u或表面负荷q0，如果其取值太小，隔油沉淀池面积增大，不经济；如果取值偏大，提高了隔油沉淀池产水量，但会引起颗粒或浮油去除不净的现象。通常理论上设计参数也只是经验统计值，最好采用现场试验取得的结果作为设计依据。

2.2 设计实例

表2为某钢管水压试验机循环水流量表，本研究以Φ1 422 mm大直径焊管水压试验机所需循环水流量作为基础设计流量，计算其所需配套的隔油沉淀池参数。

表2 某钢管水压试验机循环水流量表

根据表2确定污水设计流量为230 m3/h（取最大值）；油珠的上浮速度由修正的Stokes公式计算或参考设计资料取u=0.65 mm/s（2.34 m/h）；污水的水平流速 v=4 mm/s（14.4 m/h）； v/u=6.15，查表1取α=1.38；根据公式 （1），隔油池表面面积A=16.0 m2；根据公式（3），隔油池的过水断面面积Ag=135.6 m2；隔油池的宽度b取3 m，有效水深h取1.8 m；根据公式（5），隔间数n=2.96，取n=3间；根据公式（7），隔油池的长度L=15.3 m；隔油池L/b=5.1＞4，符合要求。

根据沉淀池设计计算方法进行核算：污水在池中的设计停留时间t=15.3/14.4=1.06 h；沉淀池的表面负荷 q0=230/135.6=1.7 m3/（m2·h）。 此隔油沉淀池为一级沉淀池，主要目的是去除粒径大于0.15 mm颗粒物，根据设计手册资料数据，污水在池中停留时间为 1.06 h， 其表面负荷为 1.7 m3/（m2·h）， 因此污水在池中停留时间和表面负荷这两项参数均符合设计规范要求。另根据相关文献资料，一般设计手册上有关表面负荷等经验参数数值趋于保守，由此可见此隔油沉淀池完全可满足设计要求。

经过隔油池设计参数计算，然后再用沉淀池设计方法对所选参数进行校核，最终隔油沉淀池关键设计参数计算结果见表3。

表3 最终隔油沉淀池关键设计参数

一般钢管生产车间为了方便管理，需将平流式隔油沉淀池设于室内，这就要求其占地面积不能太大。此次设计在保证流量为230 m3/h前提下，隔油沉淀池占地尺寸为15.3 m×9.0 m，作为室内水处理构筑物，其占地面积在可接受范围内。

3 结 论

（1）钢管水压试验循环水隔油沉淀池关键设计参数计算时，应首先明确循环水处理的要求，即主要去除循环水中浮油和粒径＞0.15 mm的颗粒物，在此基础上通过试验或资料手册确定出合适的油粒上浮速度或表面负荷。

（2）由于生产规格范围较大，引起流量变化范围大，设计流量的确定应考虑到生产大纲不同生产流量出现的频次，在满足工程许可范围内尽可能取大值。

（3）构造尺寸参数的确定。根据设计流量、油粒上浮速度、水平流速、表面负荷或循环水在池中的停留时间，通过本研究相关计算公式可以得出隔油沉淀池构造尺寸参数。

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编辑：罗 刚

Calculation of Design Parameters of Circulating Water Oil Sedimentation Tank for Steel Pipe Hydrostatic Test

KONG Liqun,WANG Zhen,WANG Guo
（China National Heavy Machinery Research Institute,Xi’an 710032,China）

TG115.6

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.014

孔立群（1974—），男，工程师，主要从事焊管设备及钢管水压试验机设备成套设计与研发工作。

2017-05-05