钢铁企业供水管网水锤问题探讨及防护

王 刚

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司， 河北 唐山 063200）

供水管网是钢铁企业生产中必不可少的公辅设施，由各级管道相连接，以整体结构实现系统功能，各级管道互相联系、影响。在钢铁企业生产中，水锤破坏是供水管网系统不容忽视的首要安全问题。水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至数百倍。这种大幅度压强波动，可导致管道系统产生剧烈高频振动或噪声，使附属装置松动损坏，严重时，会造成管道变形及爆裂等重大事故，给企业生产造成严重影响[1]。

1 供水管网中水锤发生的原因及控制原理

1.1 水锤发生的原因

水在输送过程中，由于边界条件突然改变，如流量调节、阀门启闭、事故停泵等，水的流速、压强突然发生急剧变化，水中溶解的或挟带的不溶气体，因释放成为自由的气泡[2]。由于在水管内部，管内壁是接近光滑的，水流动自如，水流和不溶气体对阀门、泵及管壁会产生一个压力，后续水流在惯性作用下，水力迅速达到最大并产生破坏作用，压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管道一样，这就是水力学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开或给水泵启动后，也会产生水锤，叫负水锤，但压强没有前者大[3]。

1.2 控制原理

在一个带有阀门、泵和换热器的流体网络中，影响水锤产生的先天因素为：管路参数（比如管长、横截面积），管路连接方式，部件参数（比如阀门参数），操作方式（比如阀门启闭方式）及压力波速。后天因素为流速初值，操作时间（比如阀门启闭时间）。上述因素中，流速初值、波速和操作时间属于可控因素，其他因素在设计和安装时确定，一般在运行时不可控。操作时间属于机械性能或操作技能所决定[4]。

2 案例分析

某钢铁企业热轧产线，停轧换辊过程中，操作人员巡检，发现工作辊冷却水管道突然崩裂。通过对现场情况检查，确认漏水管道为R2工作辊冷却水的供水主管道，管径为D=350 mm，壁厚8 mm，正常运行压力为1.0～1.1 MPa，漏水处为管道焊缝处开裂，无法继续使用，需停轧换管。

2.1 管道布置因素

换管检修期间对现场管道、用水工艺及开裂点情况进行了综合分析，发生开裂部位主要在DC3 浊环高压管路上轧机分支部位，该供水管道敷设存在“几”形布置，如图1 所示。水流动至上升段汽化产生水柱分离，流动至下降段会造成水流加速，水柱重新弥合，引发压力异常升高，是产生拉断水锤的主要原因。

图1 热轧冷却水管道布置图

该冷取水系统管道的管径D=350 mm，管道壁厚e=8 mm，材料的杨氏弹性模量E=2.2×109N/m2，水的体积弹性模数K=2.2×109N/mm2，水的密度ρ=1 000 kg/m3，根据水锤波波速a 的计算公式（1），可得出该系统的水锤波传播速度为676.7 m/s。

循环水的流速一般为1～3 m/s，根据俄国学者儒可夫斯基提出的水锤理论计算公式（2），可求出停轧换辊关阀过程中，水锤压力最大增加值为1 MPa，由此可见，水锤对该系统的安全性存在很大的威胁[5]。

式中：ΔH为压力最大升高值；a为水锤波传播速度；ΔV为流速的变化量；g为重力加速度。

2.2 阀门启闭因素

R2工作辊冷取水用水节奏为间断用水，供水管道上的气动开关阀门随轧制节奏在几秒钟内突然开启和关闭，水流速度突然变化，引起管道内压强急剧升高和降低的交替变化，冲击较大；同时，该管道为直缝焊管，焊缝长期受高压水冲刷造成焊缝疲劳，成为管道的薄弱之处，轧机换辊期间，停水到送水的气动阀切换，压力波动大，因此造成了管道的瞬时崩裂，及裂口下方设备基础的损坏。

3 水锤防护措施

对于轧钢工序的循环水系统来说，无论是正常的流量调节还是突然的事故停泵，都会引起流量的变化，如果压力的变化频繁且急骤，可能对整个循环水系统产生极大的破坏，威胁到整个轧钢工序的安全经济运行。因此，要采取合理的措施减小水锤危害。具体措施如下。

1）防止水锤的重点是控制水流速度和启闭阀门的速度，一般设计管道流速应小于3 m/s，并水泵出口设置液控止回蝶阀，或增设复合式通气阀和非溢流式双向调压塔。

2）对工序的供水管道进行全面排查，对存在的“几”字型布置的管道，在其高点处增设复合式通气阀。可解决管道排气和负压控制问题，消除水柱分离现象，对事故停泵时管道压力降低最为显著，虽然水泵出口段管道压力升高值仍较大，但依然是首选的防护措施[6]。

3）将冷却水支管的气动开关阀门更换为调节阀，操作人员定期对管道进行检查，进行开关阀操作时，控制操作速度，减小管道内部压力差。在电源关闭前关阀动作不同，将对管道造成不同影响，推荐关闭电源前应将泵出口阀关闭60°，关阀时间不小于10 s，电源关闭后关阀时间不少于30 s。