扬水泵站设备越冬受力浅析及冬保措施探析

苏 宇

（宁夏回族自治区红寺堡扬水管理处，宁夏 中卫 755100）

1 扬水泵站设备基本组成

更新改造后的设备基本组成有高低压配电柜、励磁装置、变频器、水泵、电机、电机空-水冷却器、各类阀门和管道、稀油站、各类小型配电箱等。因电气设备属干燥设备，且自身不存在受力情况，因此不作为此次讨论交流的范畴。本文主要讨论水泵、各类输水管道尤其是1.2米的大型输水管道、阀门等处的受力情况。

2 组成泵站设备各类材料情况

扬水泵站经过更新改造后，有铸铁材料配件，如水泵泵壳；还有普通碳钢，如：各类供水管路；不锈钢材料，如：泵轴、叶轮、口环、中开面螺栓螺母等配件、铜制材料如：主电机冷却器、稀油站冷却器等，不同材料在不同环境温度下受力情况是不一样的。

3 常见材料的力学性能简要介绍

表1 几种常用材料的主要力学性能

4 扬水泵站设备越冬受力分析

4.1 扬水泵站设备结构对受力情况的影响

金属材料在不同的环境温度或介质中，会引起膨胀或者收缩。因静定结构无多余的约束，从而受温度影响可以自由变形，当环境温度均匀发生变化时，不会引发配件或者材料的内力，可以随时释放应力，所以，在扬水泵站中，一些备用配件不会受螺丝装配的约束，故没有应力集中的现象。

超静定结构是指具有多余约束的几何不变体系，当环境温度变化时，往往就会引发配件或者材料的内力，如室内外的金属压力管道、各类金属配件等。

4.2 配件材料及性质对设备受力的影响

泵站设备根据功能不同，作用不同，故配件所使用的金属材料也不一样，有铜制材料的冷却水管，有不锈钢的球阀阀芯，有铸铁的阀门等，以上配件材料在扬水泵站中，由于冬季温度的影响，配件及材料在受力方面会受到很大的影响。

4.2.1 泵站管道及金属材料在低温条件下的脆性

图1 泵站管道断裂图

温度是分子无规则运动的剧烈程度的标志，温度越低则分子运动的剧烈程度越小，这样由金属原子组成的金属晶体之间的分子力也相应的减小，使得其硬度增加而韧度减小，变得硬而脆，因此易断裂，甚至有些直接会成粉状(如锌)。冷脆的发生也会改变金属自身内部结构特点，有的会转变为六晶格形式的分子，这种分子会随着温度的变化而变化，当它达到一定程度时，人为的或者由于自然外力、安装误差等因素都会造成断裂现象，这种断裂只会发生在由于低温的影响使得材料转变脆性后，比如在冬季，室外温度达到零下30°左右，严寒会对设备及管道造成极大的影响，如果管道当中的水没有排干净结成了冰、或者管道自身收到外力的冲击，则会有很大概率会产生管道断裂的现象。如图所示，就是因为管道水没有排干净，由于温度过低，使得管件材料变脆，再加上管件下部冷缩产生的缩紧力及管件自身的重力，此时材料由于低温变的很脆，最终发生了断裂。

4.2.2 泵站金属设备材料在低温条件下的应力集中现象

应力集中指物体中应力局部增高的现象，一般出现在物体形状急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及有刚性约束处。应力集中能使物体产生疲劳裂纹，也能使脆性材料制成的零件发生静载断裂。扬水泵站中由于配件链接大多有刚性约束，所以应力集中的现象普遍存在，尤其在改造后新设备相比老设备紧固链接要求更高，金属配件的数量及材料种类都有所增加，所以在冬保工作中更要着重解决低温环境下应力集中的问题。

4.2.3 扬水泵站配件存在应力的部位

一是在冬季保温工作中偶尔存在部分设备内部积水没有放干净的情况，这种情况是泵站的冬季保温工作防范的重点，常见容易存水的部位有蝶阀轴端端盖、水泵冷却室、电机进水过滤器、电机冷却器、各供水管路、稀油站冷却器、水泵叶轮、水泵内部、各类逆止阀、各类大小阀门等，这些部位都是极其容易积水的地方，积水的地方如果在做冬季保温工作的时候不及时处理，在冬季遇到极低温天气，会发生冻裂，这种冻裂往往都是由于配件和材料内外温度差别过大，产生应力，使得应力无法及时释放，导致配件和材料发生断裂。

二是泵站受到冬季温度影响产生的应力集中现象影响最大的部位。如主供水管道、机械密封、电机冷却水等附属设备管道焊接接头，这些地方容易产生应力集中现象，产生的主要原因主要有以下几个方面：一是焊缝中产生的工艺缺陷，如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等，其中焊接裂纹和未焊透引起的应力集中最为严重。

三是不合理的焊缝外形，例如对焊缝的余高过大，角焊缝的焊趾过高等。

四是不合理的接头设计，如接头截面有突变，采用加盖板的对接接头等。焊缝布置不合理也会产生应力集中，例如单面焊缝的T型接头。当然，科学的、正确的焊接可以很大程度上的避免以上焊接口断裂现象的发生。

5 利用SolidWorks对可能存在应力集中或者温度应力的部位进行有限元分析

图2 泵站主水管道有限元分析图

以泵站主水管道为例进行有限元分析，泵站注水管道大部分在镇墩和外墙之间、外墙与水泵之间。当冬季所有配件受到极低温度的影响，金属由于热胀冷缩的性质，会收缩，在收缩的过程中，如果不及时做好相关措施，其应力达到了图中显示黄色危险区域，则会容易发生断裂，故而设计者在设计过程中，在水泵和管道之间都安装有伸缩节，伸缩节的安装大大降低了管道、水泵等设备因积水或者低温引起的冷收缩，有效防止了产生应力所导致的零部件断裂或者配件裂开。

6 设备更新改造后冬季保温工作措施探析

冬季机电设备成功越冬是一个很重要的工作，因此要全面检查设备可能存在积水的部位并进行及时处理。

新设备和老设备相比，结构发生了很大的变化，附属设备增加，管线增加、设备增加，泵站在过去的三年冬季保温工作中已经探索出了很多成功的方案，比如在冬保过程中处理主电机空-水冷却器内部铜管残留水时，用空气压缩机进行吹干，是很有效的处理方法，但是，由于空气压缩机的出风是冷风，在吹的过程中需要时间周期过长，建议可以采用热风机进行吹干，不仅吹的干净，而且效率也高，能够很大程度上缩短冬保时间，提升冬保质量。对于用热风吹干积水部位的方案，还可以扩展到稀油站冷却铜管残留水处理环节，部分细小的管道均可采用以上方法进行处理，保证设备成功越冬而不受应力集中的影响。

有积水的零部件如果方便拆卸的话，尽量对其进行简单的拆卸，释放其中的积水，防止冬天温度过低而发生冻裂。像小管件接口、水过滤器、电机技术供水和机械密封技术供水的进水部位等，这些部位平时容易积水，但是拆卸安装都很方便，在冬保时可以将其拆开，排净里面的积水，春季检修的时候再安装起来，既保证了设备安全越冬，又不影响春灌的运行。

对于水泵内部积水，可以打开水泵防水底阀，将积水排净。机械密封内部，要将拆掉底部放水螺丝，并抽出进水软管，将内部水释放掉。

详细检查泵壳积水情况并采取处理措施。泵站冬保工作很细致，每年冬季都需要打开1-2台水泵，一方面勘察设备运行情况，另外一方面观测水泵内部是否有积水，一般根据拆卸情况，叶轮停运后的底部、泵壳底部等处都会留有存水，这时常用的方法就是排水，然后用电炉加热烘干或者风干，根据实际情况，也可将电炉子更换为电暖气，电暖气散热面积大，功率小，危险系数低，既保证了设备安全，又保证了人身安全。

蝶阀、检修阀等设备的防冻措施。检修阀、蝶阀可根据实际情况开启一定度数，防止有积水在阀板处结冰，冻坏阀板。

位于前池的进水口，可以用塑料膜覆盖并紧固，防止室外冷空气将管道及内部设备冻坏。

材料及配件受力分析的重要意义。扬水泵站配件及金属材料受力情况分析对于冬保工作具有很重要的指导意义，一方面我们可以深入了解配件及金属等各类材料在冬季时节所显示出的变化和特性，在熟知这些特性后可以更好地做好冬季保温工作，保护设备成功越冬。另一方面根据配件、管件等设施精确到位以及金属力学性能和冬保有关规定，我们可以确定有些配件在冬保过程中是不是可以拆卸，这样可以成功避免因经常性拆卸使得设备和配件损坏，有利的保证了冬保工作的顺利开展，为来年行水期的机电运行保驾护航。