移动式虹吸管防汛抢险设备移动式虹吸抢险泵.docx
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移动式虹吸管防汛抢险设备移动式虹吸抢险泵
移动式虹吸管防汛抢险设备(移动式虹吸抢险泵)
技术研究报告
广东省水利水电第三工程局
二○○九年十二月
1引言...............................................................1
2研究目标和过程...................................................1
2.1研究目标.......................................................1
2.2研究过程.......................................................1
3第一代移动式虹吸抢险泵的研制.......................................2
3.1设备系统组成...................................................2
3.2设备的工作原理.................................................2
3.3设备的性能参数.................................................2
3.4主要部件的结构、性能及作用.....................................3
3.4.1主管.......................................................3
3.4.2进水阀.....................................................4
3.4.3充水排气管.................................................4
3.4.4出水阀.....................................................5
3.4.5其他部件的作用.............................................5
4第一代移动式虹吸抢险泵的生产应用情况..............................5
4.1应用过程.......................................................5
4.2应用情况总结...................................................6
5第二代移动式虹吸抢险泵的研制.......................................7
5.1研究目标.......................................................7
5.2研究过程.......................................................7
5.3设备系统组成...................................................7
5.4设备的性能参数.................................................7
5.5关键技术研究...................................................9
5.5.1硬管材料选择...............................................9
5.5.2管道接头研制...............................................10
5.5.3进水阀研制.................................................11
5.5.4泄水阀研制.................................................12
5.5.5活动弯头研制...............................................13
5.5.6其他主要部件的优化改进.....................................13
5.6第二代移动式虹吸抢险泵的整体试验...............................14
6第二代移动式虹吸抢险泵的生产应用情况...............................15
7成果的创造性、先进性...............................................16
8应用范围...........................................................16
9社会效益和经济效益.................................................16
1.引言
在山区的许多小水库,有的没有排洪设施,有的由于年久失修导致排洪设施失效,有的排洪设施能力不够,一旦遇到超常的暴雨,来水量过大,洪水漫坝,这些水库的大坝及下游的人民生命财产就会有极大危险,而全部改造水库的排洪设施一时还难以实现,为应急抢险,就需要有专用的抢险设备,该设备应较轻便能移动,自带动力,组合式,平时存在仓库,一旦有某个水库遇险,就能迅速运到现场组装,快速投入使用,其抽水能力能满足小水库的排洪要求。
经查新,目前在国内还没有能完全满足上述要求的设备。
常用的水泵需要电源或自带发动机,而且重量较轻(单机重100kg以下,四个人能在山区抬行)方便移动的水泵流量太少能力不足,流量稍大的(500m3/h以上)的水泵重量都超过300kg,装卸及搬运都很困难;一些小水库也在采用虹吸管作为排洪及引水设施,管道跨过坝顶安装,对大坝的影响小,投资少,见效快,除充水排气外运行中不需要动力,但这些设施都是固定安装在一个水库,采用钢管焊接或法兰连接,不能移动,不能实现与其他水库共享。
2007年6月12日,广东省防汛防旱防风总指挥部办公室下发《关于立即组织制造排洪抢险虹吸管设备的通知》(粤防办[2007]37号)要求我局研制移动式虹吸管防汛抢险设备:
口径400mm,每套配钢管、PE管总长100米,配备小型灌水设备,采用预灌水方式启动。
我局于当年7月研制了第一代移动式虹吸管防汛抢险设备(简称移动式虹吸抢险泵),经过一年的使用,参与了几次抢险任务后,针对第一代设备使用中存在的不足,我局于2008年7月开始进行设备的优化改进,于2009年8月完成了第二代设备的研制工作。
2.研究目标和过程
2.1研究目标
研制移动式虹吸抢险泵,设备性能符合下列要求:
1、设备为移动式组合设备,平时各组件存放在仓库,一旦有水库遇险,就能迅速运到现场组装,快速投入使用;
2、设备利用虹吸原理工作,运行中不消耗能源;
3、设备有较大的抽水能力,流量1000mm3/h以上。
4、各部件重量较轻,连接较快,运输安装方便。
2.2研究过程
研制工作从2007年6月开始,2009年8月完成,经过了三个阶段:
第一阶段:
2007年6月到7月,研制生产了第一代设备。
第二阶段:
2007年8月到2008年6月,第一代设备投入抢险试用。
第三阶段:
2008年7月到2009年8月,针对第一代设备使用中发现的不足进行优化改进,研制第二代设备。
3.第一代移动式虹吸抢险泵的研制
2007年6月我局接到广东省防汛防旱防风总指挥部办公室要求研制移动式虹吸抢险泵的通知后迅速组织技术人员进行研究、设计,于7月底生产了第一代移动式虹吸抢险泵,并通过了省三防办验收组的验收。
3.1设备系统组成
图3.1第一代移动式虹吸抢险泵系统图
设备系统如图3.1所示,设备的主要部件为DN400×3-4000的碳钢主管,其他部件还包括进水阀、充水排气阀、定角弯头、短管、出水阀、3KW潜水泵、8KW柴油发电机、配电箱、照明装置等,管道以法兰连接,其中潜水泵、柴油发电机、照明装置为市场采购产品,其他为自行设计制造的部件。
3.2设备的工作原理
设备利用虹吸原理工作:
进水阀装于水库坝内水面以下,通过钢管和弯头连到坝顶最高处的充水排气阀,再通过钢管和弯头接到坝外低于水库水面处的出水阀;工作时,先用小潜水泵向管道中充水排净空气,然后打开出水阀,利用水库水面和管道出水口的水位差提供动力抽水,运行中不再需要消耗能源。
3.3设备的性能参数
1、管道规格:
DN400;
2、管道总长:
100米,设备总重:
4925kg;
3、最大吸程:
6.5m
4、进出水水位差要求:
≥2.0m。
5、最大流量:
2200m3/h。
6、潜水泵功率:
3KW;
7、发电机功率:
8KW。
3.4主要部件的结构、性能及作用
3.4.1主管
图3.4.1主管
如图3.4.1所示,主管采用DN300x3-4000的Q235碳钢管,采用1MPa的钢制法兰连接,单重148kg/条,主管刚性件,是构成管道,实现虹吸的主要部件。
1、抗负压能力验算
抗负压能按下式计算:
P=2E(δ/D)3/(1-μ2)…………………………………………
(1)
计算得:
P=0.16MPa,大于设备工作时的最大负压0.1MPa(1个大气压),满足要求。
其中:
E为材料的弹性模量(碳钢200000MPa),μ为材料的泊松比(碳钢0.3);δ为管的壁厚(0.003m),D为管的外径(0.42m)。
2、正压能力验算
PZ=2δ[σ]/D………………………………………………………
(2).
计算得:
PZ=3.07MPa,满足要求。
其中[σ]为材料的许用拉伸强度215MPa。
3、架空长度计算
按装满水的简支梁计算
……(3)
计算得L=20.98m,满足设备安装要求。
其中:
α=δ/D,γ水为水的比重10KN/m3、γ管为管材的比重(碳钢γ管=78.5KN/m3)。
3.4.2进水阀
图3.4.2进水阀
进水阀的作用是充水排气时关闭,运行时自动打开,是单向阀。
其结构如图3.4.2所示,采用升降式阀板,阀板中心轴穿过导向架的中心孔,靠自重及管中的水压使阀板下降压紧密封面关闭阀门止水,抽水时水流推动阀板升高开启阀门,进水阀采用法兰连接,自重110kg。
3.4.3充水排气管
充水排气管的作用是在设备运行前通过它向管内灌水排净空气,其结构如图3.4.3所示,大管为DN400x3-2000的钢管,进水管为带截止阀的3”镀锌管,排气管为带截止阀的1”镀锌管,法兰连接,重95kg。
图3.4.3充水排气阀示意图
3.4.4出水阀
图3.4.3出水阀示意图
出水阀的作用是控制出水,启动设备。
结构如图3.4.4所示,由阀体和阀板组成,阀板一侧铰接在阀体上,另一侧装有锁紧手柄,充水时手柄扣紧在阀体上关闭阀板,启动设备时打开手柄,阀板弹开通水。
安装时使出水口向上翘,以使水流向上抛出,避免水流直射地面。
3.4.5其他部件的作用
定角弯头的作用是实现管道转弯,有45°和22.5°两种规格,每套配备多个,组合成多种角度以适应地形。
短管用以调节管道长度。
潜水泵用以向管中灌水排气。
柴油发电机用以向潜水泵及照明装置提供电源。
照明装置用以为夜间安装提代灯光。
4.第一代移动式虹吸抢险泵的生产应用情况
第一代移动式虹吸管防汛抢险设备(虹吸抢险泵)研制成功后生产了三套设备,在2007-2008、2008-2009两个汛期中先后参加了三次抢险任务。
4.1应用过程
1、2008年3月的韶关市新丰县黄龙礤水电站抢险。
黄龙礤水电站位于新丰县城上游2公里处,水库坝型为砌石圬工坝,坝顶长70.7米、坝高26米,正常库容36万立方米。
该水库无放水通道,无泄洪底孔,至3月15日,水库已接近满库,由于该大坝结构不安全,安全隐患突出,急需降低库水位拆除大坝上部。
省三防办急调我局的一套虹吸抢险泵参加抢险排水,成功将水位降低,解除险情。
2、2008年6月的广州市从化鱼洞水库抢险。
鱼洞水库位于从化市吕田镇,库容80万方,受热带风暴“风神”的影响,水库满水溢流,导致大坝出现裂纹,有垮塌的危险,经过紧急抢险,水库水位有所下降,库容减少到50万方左右,但一旦垮坝其剩余库容仍对下游有较大影响,为确保安全,需要将其下游5公里处的灰山下水库的水位降低,腾也库容,但该水库坝底的泄洪底孔无法打开出水,只靠溢洪道排水,能力不足,省三防办急调我局一台移动式虹吸抢险泵到灰山下水库安装帮助排水,达到了预期效果。
3、2009年7月英德黎溪镇粗石坑水电站抢险。
粗石坑水电站位于黎溪镇红光村,库容20万立方米,由于7月上旬的连续暴雨,水库主坝出现多处裂缝和泉眼,需要立即降低水位,省三防办急调我局2套移动式虹吸抢险泵到现场安装抽水,配合其他抢险措施,顺利将水位降低,完成抢险任务。
4.2应用情况总结
1、设备的实际使用情况证明,第一代设备配套齐全,运行可靠,抽水流量大,能满足小水库抢险的需要。
2、存在不足
(1)部件重,搬运、安装困难。
设备的主要部件主管、进水阀、柴油发电机(236kg/台)等在山路上需要8个人抬行,一个安装组需要8人,装卸车和安装需要吊机配合,吊机到达不了的地方,安装人数更多,一套设备的安装时间8小时以上。
(2)法兰连接速度慢。
法兰连接的密封圈安放和螺栓孔对位比较困难,一对法兰有12套螺栓,上紧螺栓的工作量大,而且靠地面螺栓的板手转动空间狭窄,上紧螺栓困难,一个安装小组在地势较好的进方连一节管需要20多分钟,在地势差的地方需要1个小时以上。
(3)定角弯头适应地形能力差。
设备的弯头角度固定,而水库地形是复杂多变的,管道转弯时只能用多个弯头通过空间扭转的办法凑合出不同的角度,安装速度极慢。
(4)进水阀的局部阻力大,影响设备的吸程。
(5)管道部件全部为刚性管,接长管路较难。
(6)出水阀不具务调节水量、停机功能。
5.第二代移动式虹吸抢险泵的研制
5.1研究目标
针对第一代移动式虹吸抢险泵的不足和山区抢险的实际情况,项目组提出新一代设备的研制目标是:
设备总重及部件单重轻,安装快速,操作更简单,可调节水量。
综合考虑各种实际情况,提出下列具体指标:
1、主要部件单重控制在50kg以内,2个人能较轻松地在山路上抬行;
2、研制快速管道接头,能较快地连接且密封可靠;
3、研制无级变角弯头,适应各种地形;
4、研制新的进水阀,减少阻力,提高吸程;
5、解决出水管接长难的问题;
6、采用可调节水量和关机的阀门作出水阀。
5.2研究过程
新一代的移动式虹吸抢险泵的研制工作于2008年7月从化鱼洞水库抢险后启动,本阶段的具体过程为:
1、2008年7月开始进行设备使用情况调查和市场调查,收集有关资料;
2、2008年10月开始方案论证,12月完成初步设计和制图;
3、2009年1月开始进行方案优化修改,6月底设计定型;
4、2009年7月初开始制造,8月20日制造完毕;
5、2009年8月20日-8月26日进行设备现场试验;
6、2009年8月30日通过广东省防汛防旱防风总指挥部办公室验收组的验收。
5.3设备系统组成
第二代移动式虹吸抢险泵的系统组成如图5-1所示,设备由进水阀、硬管、活动弯头、定角弯头、充水排气管、硬短管、管箍及密封圈、管箍法兰接头、引水软管、水带接头、不锈钢潜水泵、配电箱、汽油发电机、照明装置等部件组成。
5.4设备的性能参数
1、管道规格:
DN300;
2、管道总长:
113米,设备总重:
2055kg;
3、最大吸程:
7.5m
4、进出水水位差要求:
≥1.0m。
5、最大流量:
1500m3/h。
6、潜水泵功率:
1.5KW;
7、发电机功率:
5KW。
图5-1第二代移动式虹吸抢险泵系统图
5.5关键技术研究
5.5.1硬管材料选择
硬管是设备虹吸段的主要部件,它的性能对设备的影响最大。
硬管在运行时要承受负压,充水时要承受正压,地面不平或跨过沟槽架空安装时要承受弯矩,综合考虑各项因素后确定硬管的设计指标为:
单重≤50kg/条,最小负压[Pf]=0.1MPa,最小正压[Pz]=0.5MPa,最少架空长度[L]=6m。
抗负压能力是虹吸管最重要的一个指标,也是较难达到的控制性指标,管的抗负压能力与管的材质、直径和壁厚有关,为使管的重量轻又能保证较大的抽水能力,选取不同材质的DN400、DN300两种管径的管进行比较,以负压指标确定管的壁厚,以正压指标和架空长度进行验算,按重量和材料性能确定管材。
1、计算公式
(1)壁厚计算
由式
(1)变换后得:
δ≥D(Pcr(1-μ2)/2E)1/3……………………………………………(4)
其中:
Pcr为负压临界压力,Pcr=K[Pf]=0.2MPa,K为安全系数,取K=2;
(2)正压计算
正压根据式
(2)计算,要求PZ≥K[Pz]=1.0MPa
(3)架空长度计算
架空长度根据式(3)计算,要求L≥[L]
(4)单重计算
按4米一节管计算单重Q(kg):
Q=1256.6(Dδ-δ2)γ管…………………………………………………(5)
2、计算结果
选择Q235a碳钢管和市场有销售的几种大口径塑料管进行比较计算,各种管的参数和计算结果如下表4.1.3。
表4.1.3
序号
材质
E
(MPa)
μ
[σ]
(MPa)
γ管
(KN/m3)
D
(m)
δ(m)
PZ
(MPa)
L
(m)
4m管重(kg)
最小值
选定值
1
Q235a
200000
0.3
215
78.5
0.4
0.0031
0.003
3.225
20.47
117.4
2
Q235a
200000
0.3
215
78.5
0.315
0.0024
0.003
4.095
19.94
92.33
3
PVC-U
3000
0.32
20
15.0
0.4
0.0124
0.013
1.3
13.32
100.51
4
PVC-U
3000
0.32
20
15.0
0.315
0.0978
0.010
1.27
11.70
60.95
5
ABS
2500
0.32
20
10.6
0.4
0.0132
0.013
1.3
13.68
67.01
6
ABS
2500
0.32
20
10.6
0.315
0.0104
0.010
1.270
12.00
40.63
7
PE
600
0.38
12.5
9.5
0.4
0.0209
0.021
1.31
13.45
95.01
8
PE
600
0.38
12.5
9.5
0.315
0.0165
0.017
1.35
12.08
60.48
9
PP
900
0.32
14
9.0
0.4
0.0186
0.019
1.33
13.7
81.87
10
PP
900
0.32
14
9.0
0.315
0.0146
0.015
1.33
12.17
50.89
3、管材选定
由上表4.1.3可知,在满足负压、正压、架空长度要求后,ABS塑料管的重量最轻,同时根据市场调查,ABS塑料管还具有下列特性:
(1)具有良好的抗冲击强度,是PVC管的5-6倍;
(2)管道内壁光滑,水流阻力比钢管少30%;
(3)使用温度范围广:
-20℃-70℃;
(4)化学性能稳定:
无毒无味,能耐酸、碱;
(5)采用粘接联接,联接可靠,密封性好,施工方便;
(6)经抗紫外线和耐候处理的抗老化ABS管使用寿命长,室外使用10年以上。
因此选择抗老化ABS管作为本设备的主管材料,同时为满足重量要求,选定管径为DN300,按照厂家的生产规格,主管的尺寸为:
D315x11.4-4000,单重46.1kg,加上管接头50kg。
5.5.2管道接头研制
第一代设备采用法兰连接,法兰连接的密封圈安放和螺栓孔对位比较困难,一对法兰有12套螺栓,紧螺栓的工作量大,且靠地面的螺栓的板手转动空间狭窄,上紧螺栓的速度慢,是造成设备安装速度慢的重要原因,为此必须采用新的连接方式。
现有用于较大口径的管道快速连接方式主要有管箍连接,如水管的管箍连接和混凝土泵管的管箍连接等,它们都是在正压下工作,密封要求是防止流体向外泄漏,采用的是径向压紧密封,如图5.5.2-1所示,而本设备的管道要承受正、负压,既要防止正压区水外泄,也要防止负压区空气进入管中破坏真空,密封的可靠性要求很高,因此不能直接采用。
图5.5.2-1常用管箍接头示意图
图5.5.2-2新型管箍接头示意图
经过多个方案比较和修改,最后确定图5.5.2-2所示的新型管箍接头,新接头管道对接容易,安装速度快,地形较好的地方一个接头的安装时间只需要3分钟,其主要优点为:
(1)1个管箍由二瓣组成,用2套连接螺栓连接,管箍可转动,不受地面限制,管道连接工作量小、速度快;
(2)采用端面密封,密封可靠。
上紧管箍时,通过管箍和管端上的斜面相对滑动产生轴向压紧力,密封可靠。
(3)密封圈截面为“L”形,安装前可扣在管端接头上的凹槽中固定,安装时不再需要人工调整而影响安装速度。
(4)管箍上紧时可自动调整两管接头的同轴度,对管的准确度要求较低,有效地缩短安装时间。
5.5.3进水阀研制
第一代设备的进水阀参考水泵底阀的原理,采用图3.4.2所示的升降阀板式结构,该阀存在如下缺陷:
(1)单重为110kg,较重,不利于运输、安装。
(2)阀板垂直水流,水流要绕过阀板,局部阻力大,降低设备的吸程。
图5.5.3第二代进水阀示意图
针对上述缺陷,我们对进水阀进行了研究,设计了图5.4-2所示的新型双门叶式进水阀,其特点为:
(1)新阀的阀瓣为二块,装于中间轴上,轴上装有扭簧,抽水时水流推动阀板转动开启,停水时阀板靠扭簧和重力关闭,阀板开关灵活、可靠。
(2)阀板开启后与水流方向平行,不影响水的流动,水阻小。
(3)阀的重量只有30kg,一个人可轻松搬运。
5.5.4泄水阀研制
第一代设备的进水阀没有泄水装置排空管中的储水,不便于拆卸进水阀及吸水管,为此我们研制了图5.5.4所示的泄水阀,可以在拆卸设备时排净进水阀及吸水管中的储水,方便设备拆卸。
泄水阀装于进水阀阀体侧面靠近底部的地方,包括连通进水阀内腔的阀体、带有导杆的阀芯、装于阀芯上的压弹、装于阀体外壁弯折状的压杆、连接压杆的拉绳等部件,泄水阀为常闭式,平时阀芯在压弹及阀内水压力的作用下封住阀体出口,泄水时可在岸上拉动拉绳远程打开泄水阀。
图5.5.4泄水阀
5.5.5活动弯头研制
管道从水库内到水库外会遇到复杂多变的地形,管道需要的转弯角度也多种多样,第一代设备用多个定角弯头来凑合各种角度速度较慢,新设备设计了新型的可变弯头解决这个问题。
活动弯头的结构如图5.5.5所示,弯头的角度变化范围为20°-42.5°,与定角弯头组合可实现0°-90°的无级变角。
图5.5.5活动弯头结构示意图
活动弯头的工作原理是:
通过弯管内芯
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