水射流無損插樁機(jī)具供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

牛夢(mèng)杰，張藍(lán)月，孟玉周

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州450008)

指導(dǎo)老師:吳林峰。

0 引言

無損插樁機(jī)具供水系統(tǒng)主要由水泵、管路、閘閥及壓力表、流量表等組成。它是能量傳輸?shù)耐ǖ?，好比人體中的血管，在整個(gè)設(shè)備中占有重要的地位，管路是供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)供水系統(tǒng)的性能、可靠性、安全性和維護(hù)性等均有著重要的影響。

1 供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)管樁底部地層成孔和管樁結(jié)構(gòu)中空的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)兩套方案。一種是利用管樁的空心作為射流管路的一部分，射流從供水系統(tǒng)(水泵)流出的高壓水從樁的頂部流入，經(jīng)過中空部分從管樁底部射流而出(如圖1(a)所示);另一種是將供水管路系統(tǒng)穿過管樁內(nèi)部空心，設(shè)置專用的管路和射流出口(如圖1(b)所示)。

圖1 方案設(shè)計(jì)

方案(a)由射流出口1、管樁2、壓盤裝置3、橡膠管4、水泵及其電機(jī)6 和連接水泵與橡膠管的連接接頭5 等6 部分組成。方案b 由射流出口1、鋼管3、連接彎頭4、橡膠管5、水泵及其電機(jī)7、連接水泵和橡膠管的連接接頭6 組成。

圖1 中兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)如下。

1)方案(a)缺點(diǎn)是管樁中心另外設(shè)置鋼管作為設(shè)立系統(tǒng)的一部分，增加了設(shè)備的重量，施工時(shí)，增加了施工中連接的工藝過程，增大了管路泄露概率。優(yōu)點(diǎn)是單獨(dú)在管樁中設(shè)計(jì)供水管路，減去了對(duì)管樁承壓及密封性要求。

2)方案(b)缺點(diǎn)是把管樁空心部分作為管路的一部分，增大了對(duì)管樁承壓及密封性要求，增大了管樁端板及內(nèi)徑的制作精度要求(因?yàn)樵O(shè)立裝置固定在端板頂部)。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備重量小，操作工藝簡(jiǎn)單。

由于樁24 m，屬于超長(zhǎng)樁，組成供水管路的鋼管3 由多節(jié)鋼管組成，其中，鋼管的連接方式又有3 種，如圖2 所示。

圖2 鋼管連接方案

圖2 方案中，射流裝置作為固定部件安裝在樁中心管路端部，圖2(a)方案通過在鋼管兩端加工外螺紋，與套筒通過螺紋連接，形成封閉管路;圖2(b)方案通過在鋼管兩端焊接法蘭對(duì)接，形成封閉管路;圖2(c)方案在鋼管兩端加工螺紋，直接通過內(nèi)外螺紋連接形成封閉管路。同時(shí)，樁端板與進(jìn)水管連接設(shè)計(jì)圖3 所示結(jié)構(gòu)。管樁頂部有一蓋板與其端板通過螺栓連接。進(jìn)水口鋼管焊接一支撐板并有凸緣，工作時(shí)放置在壓板的卡槽中，防止軸向扭轉(zhuǎn)。吊耳設(shè)置焊在壓盤上。為了減少吊耳的承載壓力，在樁周圍壓配有一抱箍，增強(qiáng)設(shè)備的安全與可靠性。

圖3 樁端板與壓盤連接方案

2 水泵的選型

水泵是供水系統(tǒng)提供動(dòng)能的核心部件，其選型直接關(guān)系到射流沉樁的可行性和效率，其中水泵流量和揚(yáng)程是兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，決定射流破土能力，但供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與射流裝置的設(shè)計(jì)又相輔相成。

水泵是一種廣泛應(yīng)用的通用型機(jī)械設(shè)備，它廣泛地應(yīng)用于國(guó)民工業(yè)和和國(guó)防各部門，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。合理選擇所需的水泵是正確使用水泵的先決條件:必須滿足使用流量和揚(yáng)程的要求，即要求泵的運(yùn)行工次點(diǎn)(特性曲線與性能曲線的交點(diǎn))經(jīng)常保持在高效區(qū)間運(yùn)行，做到既省動(dòng)力又不易損壞機(jī)件;體積小、重量輕、造價(jià)便宜，具有良好的特性和較高的效率，運(yùn)行平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)。根據(jù)本工程的使用情況(無計(jì)量要求，水流正常粘度，揚(yáng)程大于20 m)，選擇單臺(tái)離心式水泵。

2.1 水泵流量Q 的確定

據(jù)流體力學(xué)伯努利方程，理想狀態(tài)下系統(tǒng)中的靜壓等于噴嘴出口的動(dòng)壓為p0，流速為v0，則單個(gè)噴嘴的流量為:

多出口同時(shí)工作時(shí)，流量為

式中，K 為系統(tǒng)泄露系數(shù)，一般取 K =1.1 －1.3;A 為水泵出口面積;Q總為多出口同時(shí)工作時(shí)的水泵的流量。因此Q =145.6(m3/h)。

2.2 系統(tǒng)所需揚(yáng)程H 的計(jì)算

由伯努力方程有:

式中，Hg，稱為幾何給水高度，也稱靜揚(yáng)程;hw為從水泵出口到噴嘴出口之間總的管路損失，稱水頭損失。

水提升幾何高度Hg，最大值為地面上25 m(系統(tǒng)提供的能量必需能將水管中的水輸送到與壓盤連接彎管最高處)，最小值為地面下24 m(噴嘴出口最低位置)，噴嘴射流速度不小于25 m/s，出口壓力為0.5 MPa(相當(dāng)于50 m 高水柱)。管路簡(jiǎn)單、流速不大的，取∑Δp = (0. 2 － 0. 5)MPa;管路復(fù)雜的，取∑Δp=(0.5 －1.5)MPa。該設(shè)備管路簡(jiǎn)單，可取前者∑Δp =0.2 MPa，即相當(dāng)于水柱高20 m，即hw=20 m。

假設(shè)水泵進(jìn)水口在水面下2 m 處，射流出口實(shí)際工作中在地面和地面以下24 m 之間，水管水最高輸送到25 m。因此在最高位置時(shí)，由式(3)有:

H1=z3－z1+hw+50 =75 m

壓盤裝置在最低位置時(shí)，則有:

H2=z1－z2+Hs+hw+50 =70 m

實(shí)際水泵揚(yáng)程H≥max { H2，H2}，故水泵揚(yáng)程H≥75 m。

2.3 水泵型號(hào)的選擇

根據(jù)以上分析，泵類型為清水泵，泵的揚(yáng)程H ＞75 m，流量Q ＞145.6 m3/h，根據(jù)工業(yè)泵的型譜圖可選擇泵的轉(zhuǎn)速 n =2 900 r/min，D(MD)系列煤礦用清水(或耐磨)多級(jí)離心泵。選泵的型號(hào)為:D155 －30 －3，額定流量為 155 m3/h 揚(yáng)程，90 m。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為:YB2.280S.4，功率75 kW，電壓 380 V，水泵和電機(jī)為同一底座。

3 水管的選擇

在管路中改變走向、標(biāo)高或改變管徑以及由主管上引出支管等均需要用管件。考慮到水泵出口和連接彎頭之間，實(shí)際使用性能的需要，選擇膠管，膠管直徑的大小與連接法蘭端部直管的尺寸有關(guān)，膠管承壓大小由工作時(shí)壓力決定。膠管的工作壓力，對(duì)于經(jīng)常不使用的情況可提高20%;對(duì)于使用頻繁、經(jīng)常彎扭者要降低40%。根據(jù)管路最大工作水壓1 MPa，因此選擇膠管型號(hào)為D152 耐壓不小于1.5 MPa 的大口徑橡膠軟管，夾布層數(shù)為5 層，螺旋鋼絲直徑為4.0 mm，單根管長(zhǎng)度10 m。

對(duì)于圖1b 方案管樁中心的鋼管，選擇承壓不小于1 MPa，管徑和壓盤內(nèi)控相配合的D 150 無縫鋼管。

4 閘閥及壓力表和流量表的選擇

4.1 閘閥的選擇

閘閥是安設(shè)在供水管路上通過改變其內(nèi)部通道截面積來控制管路內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)的一種通用機(jī)械產(chǎn)品，它在管路中的作用極為關(guān)鍵，有“管路的咽喉”之稱。為了保證整個(gè)管路水射流的壓力和流量穩(wěn)定以及遇到意外情況時(shí)(噴嘴堵塞等)便于管路射流的控制和安全，需要設(shè)置閘閥及壓力表和流量表等儀表。在供水過程中使用的閥門種類繁多，主要有閘閥、蝶閥、止回閥、自動(dòng)排氣閥。有防腐要求的選用化工閥門。由于蝶閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形尺寸小、啟閉方便迅速、調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)蝶閥廣泛用于2.0 MPa 以下的壓力和溫度不高于200℃的各種介質(zhì)。閥桿只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單可靠。根據(jù)管路尺寸，選擇公稱直徑為D150 的蝶閥即可。

4.2 流量表的選擇

流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量，其測(cè)量過程與流體流動(dòng)狀態(tài)、流體的物理性質(zhì)、流體的工作條件、流量計(jì)前后直管段的長(zhǎng)度等有關(guān)。流量有速度式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦銜流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)等幾種。其中電磁流量計(jì)由傳感器、轉(zhuǎn)換器及顯示器等部分組成。其主要優(yōu)點(diǎn):無壓損，節(jié)能效果好;不受流體的濕度、密度、黏度、壓力和電導(dǎo)率變化影響;流量范圍大，口徑范圍寬。根據(jù)管路尺寸要求，選擇公稱直徑為D150 的分體式電磁流量計(jì)。

4.3 壓力表的選擇

為了合理、經(jīng)濟(jì)使用儀表，儀表的量程不能選得太大，但為了保證測(cè)量精度，一般被測(cè)壓力的最小值不低于儀表滿量程的1/3 為宜。同時(shí)為了延長(zhǎng)彈性元件的使用壽命，避免彈性元件因長(zhǎng)期受力過大而永久變形，壓力表的上限值應(yīng)該高于被測(cè)量的最大值(量程的1/2 ～1/3)，留有余量。在滿足工藝要求的前提下，盡可能選用精度較低、價(jià)廉耐用的儀表。因此選擇最大壓力為1.6 MPa、精度0.2 MPa、表盤直徑為150 mm 的壓力表。

為了保證壓力表和流量表能夠準(zhǔn)確反映管路中流量和壓力，安裝時(shí)，儀表要遠(yuǎn)離水泵出口3 倍的管徑，如果水泵出口和儀表座進(jìn)口型號(hào)不符時(shí)，需要用變徑管將兩者連接起來，壓力表、流量表和閘閥與水泵連接如圖4 所示。

圖4 儀表與水泵連接圖

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)以上設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)，結(jié)合水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目的其他構(gòu)成部分，由鄭州黃河水電公司在鄭州市花園口南裹頭進(jìn)行30 根重復(fù)導(dǎo)流樁壩的施工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本供水系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)是可行的，流量表在實(shí)際度數(shù)時(shí)需要取多個(gè)瞬時(shí)流量求得平均值，壓力表度數(shù)在最大值和最小值中間波動(dòng)，在管路配件的選取上，應(yīng)考慮循環(huán)水的流速和流量損失。

［1］禹華謙.流體力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］陳文義，張偉. 流體力學(xué)［M］. 天津:天津大學(xué)出版社，2004.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(1 －5)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］《簡(jiǎn)明管道工設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組. 簡(jiǎn)明管道工設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［5］范德明.工業(yè)泵選用手冊(cè)［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［6］吳林峰，謝友成，陳欣. 射流式拔樁器供水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)水利，2010(4):40 －42.