白 力

(中冶天工集团有限公司, 天津 300308)

0 前言

某选矿工程，为亚洲第一，世界第二大铜金选矿厂，年处理矿石5250万吨。在此工程的调试运行过程中，发生了输送石灰乳的管道部分变形移位和跌落问题，导致整个项目调试终止，造成巨大的经济损失。通过对跌落现场的图片分析和情况了解，排除误操作的原因，经过流体正常与异常流动条件下的流动状态推断，判断出本次事故发生的主要因素。

1 石灰乳管道在有无水锤效应时的受力分析

1.1 水锤效应

水锤，又称水击，是压力管道中局部区域由于流体速度突然变化而产生的压力波沿管系的迅速传播、交替升降的现象[1]。水锤效应多发生在阀门突然开启或关闭、水泵突然停车或突然开启，导致管路中的流速突然变化，水流冲击管道，产生严重水击。水锤会对管道产生严重的影响，甚至可以破坏整个管路系统[2-4]。

1.2 石灰乳管道不受水锤效应时的受力分析

当石灰乳管道正常运行时，不受水锤效应的影响，此时对石灰乳管道的强度校核时不考虑水锤效应的冲击。

输送石灰乳的管道采用刚性卡箍连接，管道材料为美标A53-B、对应于国标20号钢材，材料属性为密度7850 kg/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服极限为260 MPa，强度极限为400 MPa。管道端面几何尺寸为外径168.3 mm，内径146.36 mm，管壁厚10.97 mm，总管长440 m。管道中的液体为石灰乳，密度为1120 kg/m3。管道的正常工作工况为：内压734 KPa，温度70～90°C，管道内流速2.68 m/s。

受力分析过程分为前处理、计算求解、后处理三个部分。在对管道横截面进行强度校核的基础上，再对管线整体进行受力分析及强度校核。本次计算不考虑水锤作用，仅计算在管道中稳流工况下管道的受力，在此工况下管道所受外力为管道本身自重和管道中流体的重力[5-10]。

图1为不受水锤效应时石灰乳管道的受力分析，由计算结果可知，输送石灰乳的管线在不受石灰乳效应时，只受到管道自重和流体重力的作用时，最大位移分别为：x方向1.3 mm，y方向2.5 mm，z方向0.585 mm。最大等效应力为16.8 MPa。管线钢材的许用应力强度为260 MPa，完全满足强度要求。

图1 不受水锤效应时石灰乳管道的受力分析

1.3 石灰乳管道受水锤效应时的受力分析

1.3.1 直接水锤压力的计算

水锤效应分为直接水锤和间接水锤效应，这与阀门的开闭时间有关。直接水锤是当阀门关闭或开启时间Tf≤Tz时，由泵端水管反射回来的水锤波尚未到达阀门之前，阀门的变化已经终止，水管末端的水锤压力只受到直接水锤作用。从本工程实际情况考虑，受力分析时只需要计算直接水锤效应对管道变形和受力的影响。

根据水锤控制方程推导可得直接水锤计算公式[11,12]

式中，H为水锤压力水头；a为水锤波的传播速度，1000 m/s；g为重力加速度，9.8m/s；V为发生水锤后的管道中流体速度，0 m/ s；V0为管道中流体稳态流动状态下的速度，2.68m/s。

1.3.2 对石灰乳管道整体的受力分析

当水锤波在具有弯管布置的管线中传播时，会对弯管处产生强烈的作用力。将计算得出的直接水锤压力值F=PS=50.472 KN 加载在弯管处，再次采用ANSYS进行计算。计算结果如图2所示。

图2为施加直接水锤作用力后整体管路沿x方向的位移图，x、y、z为固定坐标系，由于管线中间有拐角，方向发生变化，所以具体的相对于管道方向可以由图得知。根据计算结果及图2可得，x方向的最大位移为0.294 426 m，y方向的最大位移为0.0145 m，z方向的最大位移为0.131 78 m，都发生在事故管道部分。

图2 水锤效应下原设计管道整体的受力分析

另外，由图2d可知，整个管路的最大等效应力为278 MPa，超出了管道的许用应力值260 MPa，不再满足材料的强度要求。当发生直接水锤时，对管道产生两方面影响，其一是管道最大位移超过允许值而产生蹦跳，其二是水锤冲击压力超过管道极限强度而在管道最薄弱处变形甚至破裂，这两个方面会同时影响管道，致使石灰乳管道部分跌落和变形移位。

2 解决措施

水锤效应的办法有多种：减压；减少弯头；水龙头采用旋塞式水嘴，即减少振荡，又没有泄漏；在管路约束不足处添加管道固定支架[13-16]。

在本工程中，最终采用了第四种解决措施，即在管路约束不足时添加了管道固定支架，再用ANSYS软件对添加管道固定支架的石灰乳管道进行有限元分析。

2.1 添加固定支架的石灰乳管道不受水锤效应时的受力分析

图3为添加固定支架的石灰乳管道在不受水锤效应时的受力分析，有图3可知，添加固定支架的石灰乳管线在正常运行状态时，当只受到管道自重和流体重力的作用时，最大位移分别为：x方向1.3 mm，y方向2.5 mm，z方向0.585 mm，最大等效应力为16.8 MPa。管线钢材的许用应力强度为260 MPa，完全满足强度要求。由以上对管线的强度计算校核可知，该管线在正常运行状态下，位移变形量很小，属于允许变形范围；最大等效应力小于管线的许用应力，满足强度要求。综上，该管线在正常工作状态下满足强度和应力要求。

图3 添加固定支架的石灰乳管道在不受水锤效应时的受力分析

2.2 添加固定支架的石灰乳管道整体在水锤效应时的受力分析

2.2.1 横截面的受力分析

图4为修改后水锤效应对管道横截面的受力分析，由计算结果及图3和图4可知，在直接水锤压力下，管道横截面最大位移为0.922×10-5m，无水锤作用下最大位移为0.181×10-5m，最大等效应力为 26.9 MPa，无水锤作用下最大等效应力为5.3 MPa，小于管道的许用应力为260 MPa，满足强度要求，即当管道为无拐弯的直线布局时，直接水锤效应不会导致管道材料的破坏。

图4 设计修改后水锤效应对管道横截面的受力分析

2.2.2 对管道整体的受力分析

当水锤波在具有弯管布置的管线中传播时，会对弯管处产生强烈的正向作用力。将计算得出的直接水锤压力值F=pS=50.472 KN加载在弯管处，再次采用ANSYS进行计算，如图5所示。

图5 设计修改后水锤效应对管道整体的受力分析

根据计算结果及图5得，x方向的最大位移为0.177 6 m，y方向的最大位移为0.0112 3 m，z方向的最大位移为0.104 947 m都发生在事故管道部分。另外，由图5d可知，整个管路的最大等效应力为236 MPa，小于管道的许用应力值260 MPa，满足材料的强度要求。

表1为添加固定支架后的管道相比于原设计的受力分析，由表1可知，添加固定支架后的管线相比于原设计，其三个方向最大位移和最大等效应力都有不同程度的减小，尤其是x方向(即水平垂直于管道方向)位移尤其明显。最大等效应力由278 MPa下降为236 MPa，说明添加固定支架后的管线与原设计管线相比，在有水锤作用的极端条件下，降低了管道发生位移和和承受的应力的程度。

表1 改造前后管道受力分析结果

在对添加固定支架的石灰乳管道调试运行以及之后的生产过程中，都没有出现管道跌落和变形移位的问题。说明此次添加管道固定支架满足实际需要。

3 小结

通过对施工现场石灰乳管道的跌落和变形移位的问题分析，得出水锤效应是引起该问题的直接因素。然后，采用了消除水锤效应的措施，在管道适当位置添加了固定支架，再对添加固定支架后的管道又进行了ANSYS有限元分析，得到的管道三个方向最大位移和最大等效应力都有不同程度的减小，经过调试试运行和生产，证明此次添加管道支架是可行的措施，满足实际需要。

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