无缝钢管水淬火设备的水系统设计及应用

曹金娣 张 平 赵 会

（天津赛瑞机器设备有限公司 天津300301）

1 概述

在冶金行业中，水淬火设备被广泛应用于无缝钢管的热处理生产线，通过对无缝钢管水淬火处理可提高钢管的硬度和耐磨性。水系统是水淬火设备中的重要组成部分，提供水淬火过程中所需的水量。因而水量的控制在水淬火过程中尤为重要。本文所介绍的水系统用在“槽内内喷＋旋转＋外喷”的水淬火工艺中，通过钢管在槽内的浸淬、旋转以及对钢管内部、外部的均匀喷水，实现钢管的淬火。因此需设置内喷水泵房及蓄水池，通过内喷水泵提升内喷水的压力。对外喷水的压力要求较小，外喷水可通过厂房直接供水。当淬火停止时，通过阀门控制，将内外喷水量回水到蓄水池。因为涉及到泵房布置、管路计算及水泵安装高度确定，故以720槽式水淬为例，通过确定的技术参数进行介绍。

2 水系统布置介绍

2.1 主要技术参数（见表1）

表1 主要技术参数

2.2 水系统布置（见图1）

图1 水系统布置图

水系统主要由各条管路、水泵机组以及多种阀门组成，如图1所示。

2.3 水泵机组布置

水系统水泵机组布置采用横向双行排列，与以往横向排列相比结构更为紧凑，具有节省占地面积的优点，对比示意图如图2、图3所示。

图2 横向排列布置

图3 横向双行排列布置

由于该水系统用于大管径钢管热处理项目中，用水量较大，因此泵房内各输水管管径和水泵机组占地面积都比较大，考虑整个厂房的占地，如果采用横向排列，势必导致空间狭小而无法实现的问题，因此采用横向双行排列则很好的解决了这一问题。

2.4 水系统管路设置

该水系统用在水淬火工艺为“槽内内喷＋旋转＋外喷”的水淬火装置，因此水系统主要由内喷和外喷两部分组成。

厂房提供的内喷水首先注入蓄水池内，吸水管从蓄水池内引水，通过水泵机组的提升将压力水引到压水管，几根压水管汇集到一根总出水管，内喷水通过两个液动三通截止阀到达内喷喷嘴处，实现对钢管的内喷工艺。

由于每根钢管淬火有时间间隔，而大功率的水泵经常启闭会造成对电网的冲击，因此内喷水泵需要处于常开状态下，这就需要考虑不淬火时内喷水的回水问题。该水系统通过液动三通截止阀阀瓣的转换，当淬火停止时，将内喷水引到回水管内，通过回水管将内喷水回水到蓄水池。

外喷水直接采用厂房来水，同样在不淬火时通过液动三通截止阀的转换将外喷水回水到蓄水池内。同时在三通阀进水管上引出一根管路，用于槽内冲渣。

2.5 阀门及配套设施布置

吸水管路上变径管采用偏心渐缩管，且保持渐缩管的上边水平，避免形成气囊，影响吸水。

泵站内压水管路经常承受高压，尤其是发生水锤时，因此为安装方便及避免管路上应力传至水泵，在水泵进出口上安装橡胶接头。

压水管上设置止回阀，避免停泵时水倒灌进泵房，止回阀设置在泵和蝶阀之间，因止回阀在使用中经常损坏，因此在检修时可用蝶阀将压水管路断开。

由于该水系统用水量大，管路震动及泵房内噪音都比较大，尤其在液动三通截止阀部分，阀瓣换向时，震动更加明显，同时由于流速的剧烈变化导致管路内压力的急剧交替升降，很可能导致水锤现象的产生，如管路因此而破坏将造成严重后果。因此在三通阀的进水口和两个出水口上安置水锤消除器，以消除部分水锤，减小管路震动，保证使用过程中的安全。

在内喷出水总管路上安装电磁流量计，以控制内喷水量。为确保计量准确，使用中应保证从电磁流量计的中心到上游有大于5倍管径的直管段。

该水系统用于规格为φ339～φ720mm 的钢管槽式水淬火设备中，钢管在升降梁中上下升降实现槽内浸淬。这就要求内喷嘴随同钢管一起升降对中钢管中心，实现对钢管内部的均匀淬火。因此需将内喷管做成伸缩的形式，在保证内喷嘴自如升降的同时，对内喷管的淬火水还有一定的密封作用。在本设计中采用“新型槽式水淬伸缩管结构”形式。该形式将内密封环置于两个法兰中间，其中的一个法兰与下管段焊接，再用螺栓将三者把合在一起放入上管段内，同时，在内密封环的螺栓孔内安装钢套，以免在螺栓拧紧时使内密封环压缩变形过大而影响伸缩管的正常使用。此种形式避免了由于连接件的内置而无法完成对其拧紧的问题，保证生产的顺利进行。目前该结构已获得国家专利。［1］

3 计算及理论依据

水系统水量、管路管径及布置都应符合标准，在符合标准的前提下优化管路设计。

3.1 内喷水量的计算

式中 S—内喷水通过的最大横截面积，由产品大纲得最大钢管外径为711mm，对应该规格的最大壁厚为40mm；

V—通过该规格钢管的最大流速，钢管最长为15m，要求水在2～3s内充满钢管，取2.5s，因此，流速V＝15／2.5＝6m／s。

Q—内喷水量，故取Q＝7000m3／h。

由于该水系统用水量较大，需使用几台水泵并联工作，设计中使用少数大泵还是多台小泵在选泵时至关重要。使用少数大泵必将增大电机功率，同时输水管径也会随之增大。而使用多台小泵需考虑多台水泵并联工作时水泵特性曲线，台数过多可能会使工况点移出高效段范围。因此经过技术经济比较，确定该系统水泵数量为四用一备。

由于四台水泵并联工作时单台水泵出水量为水泵单独工作时的70%～80%，因此与内喷水量8800m3／h相符合。根据流量扬程选取水泵型号，所选水泵额定流量为2800m3／h。

3.2 内外喷管径确定

内喷吸水管径：

（因泵房为自灌式取水，流速可适当放大，取v＝2m／s）

所以吸水管径DN700

内喷压水管径：

（取v＝2.5m／s）

所以吸水管径DN600

外喷管径：

（取v＝2.5m／s，Q＝2800m3／h）

所以外喷来水管径DN700

3.3 水泵安装高度的确定

设计水泵时需考虑泵的安装高度，由于蓄水池最低水位低于泵轴中心线，当水泵安装高度超过一定范围时，泵内的水汽化，发生气蚀和气穴现象，从而导致吸水出现问题，甚至破坏泵体。因此设计中考虑泵安装高度至关重要。

Hmax＝10.33－NPSHr－0.5

NPSHr为水泵厂样本中所提供的汽蚀余量。

根据所选水泵型号查得NPSHr为6.3，得

Hmax＝3.53m

即泵轴中心线到最低液位需小于等于3.53m

4 结论

该水系统结合现场实际情况，在满足使用条件的情况下大大减小占地面积，阀门的合理使用使设备在工作过程中运行的更为灵巧，对钢管内喷水处理时，新型伸缩管的使用使得设备运行更为顺畅，且安装维护方便。内喷水泵数量的合理选择，大大提高了水泵的使用效率，降低了经济成本。水系统管路的合理布置及精确计算，减少了能量损失及管路冲击。

［1］本公司专利产品，专利号为ZL201220288859.3.

［2］黄敏主编.热工与流体力学基础.北京：机械工业出版社，2003.

［3］上海市政工程设计研究院主编.给水排水设计手册（第3册）（第2版）.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［4］蔡增基，龙天渝主编.流体力学泵与风机（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，1999.