蘇 宇

（寧夏回族自治區(qū)紅寺堡揚(yáng)水管理處，寧夏 中衛(wèi) 755100）

1 揚(yáng)水泵站設(shè)備基本組成

更新改造后的設(shè)備基本組成有高低壓配電柜、勵(lì)磁裝置、變頻器、水泵、電機(jī)、電機(jī)空-水冷卻器、各類閥門和管道、稀油站、各類小型配電箱等。因電氣設(shè)備屬干燥設(shè)備，且自身不存在受力情況，因此不作為此次討論交流的范疇。本文主要討論水泵、各類輸水管道尤其是1.2米的大型輸水管道、閥門等處的受力情況。

2 組成泵站設(shè)備各類材料情況

揚(yáng)水泵站經(jīng)過更新改造后，有鑄鐵材料配件，如水泵泵殼；還有普通碳鋼，如：各類供水管路；不銹鋼材料，如：泵軸、葉輪、口環(huán)、中開面螺栓螺母等配件、銅制材料如：主電機(jī)冷卻器、稀油站冷卻器等，不同材料在不同環(huán)境溫度下受力情況是不一樣的。

3 常見材料的力學(xué)性能簡(jiǎn)要介紹

表1 幾種常用材料的主要力學(xué)性能

4 揚(yáng)水泵站設(shè)備越冬受力分析

4.1 揚(yáng)水泵站設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)受力情況的影響

金屬材料在不同的環(huán)境溫度或介質(zhì)中，會(huì)引起膨脹或者收縮。因靜定結(jié)構(gòu)無多余的約束，從而受溫度影響可以自由變形，當(dāng)環(huán)境溫度均勻發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)引發(fā)配件或者材料的內(nèi)力，可以隨時(shí)釋放應(yīng)力，所以，在揚(yáng)水泵站中，一些備用配件不會(huì)受螺絲裝配的約束，故沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

超靜定結(jié)構(gòu)是指具有多余約束的幾何不變體系，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，往往就會(huì)引發(fā)配件或者材料的內(nèi)力，如室內(nèi)外的金屬壓力管道、各類金屬配件等。

4.2 配件材料及性質(zhì)對(duì)設(shè)備受力的影響

泵站設(shè)備根據(jù)功能不同，作用不同，故配件所使用的金屬材料也不一樣，有銅制材料的冷卻水管，有不銹鋼的球閥閥芯，有鑄鐵的閥門等，以上配件材料在揚(yáng)水泵站中，由于冬季溫度的影響，配件及材料在受力方面會(huì)受到很大的影響。

4.2.1 泵站管道及金屬材料在低溫條件下的脆性

圖1 泵站管道斷裂圖

溫度是分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度的標(biāo)志，溫度越低則分子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度越小，這樣由金屬原子組成的金屬晶體之間的分子力也相應(yīng)的減小，使得其硬度增加而韌度減小，變得硬而脆，因此易斷裂，甚至有些直接會(huì)成粉狀(如鋅)。冷脆的發(fā)生也會(huì)改變金屬自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有的會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ц裥问降姆肿樱@種分子會(huì)隨著溫度的變化而變化，當(dāng)它達(dá)到一定程度時(shí)，人為的或者由于自然外力、安裝誤差等因素都會(huì)造成斷裂現(xiàn)象，這種斷裂只會(huì)發(fā)生在由于低溫的影響使得材料轉(zhuǎn)變脆性后，比如在冬季，室外溫度達(dá)到零下30°左右，嚴(yán)寒會(huì)對(duì)設(shè)備及管道造成極大的影響，如果管道當(dāng)中的水沒有排干凈結(jié)成了冰、或者管道自身收到外力的沖擊，則會(huì)有很大概率會(huì)產(chǎn)生管道斷裂的現(xiàn)象。如圖所示，就是因?yàn)楣艿浪疀]有排干凈，由于溫度過低，使得管件材料變脆，再加上管件下部冷縮產(chǎn)生的縮緊力及管件自身的重力，此時(shí)材料由于低溫變的很脆，最終發(fā)生了斷裂。

4.2.2 泵站金屬設(shè)備材料在低溫條件下的應(yīng)力集中現(xiàn)象

應(yīng)力集中指物體中應(yīng)力局部增高的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、孔洞、溝槽以及有剛性約束處。應(yīng)力集中能使物體產(chǎn)生疲勞裂紋，也能使脆性材料制成的零件發(fā)生靜載斷裂。揚(yáng)水泵站中由于配件鏈接大多有剛性約束，所以應(yīng)力集中的現(xiàn)象普遍存在，尤其在改造后新設(shè)備相比老設(shè)備緊固鏈接要求更高，金屬配件的數(shù)量及材料種類都有所增加，所以在冬保工作中更要著重解決低溫環(huán)境下應(yīng)力集中的問題。

4.2.3 揚(yáng)水泵站配件存在應(yīng)力的部位

一是在冬季保溫工作中偶爾存在部分設(shè)備內(nèi)部積水沒有放干凈的情況，這種情況是泵站的冬季保溫工作防范的重點(diǎn)，常見容易存水的部位有蝶閥軸端端蓋、水泵冷卻室、電機(jī)進(jìn)水過濾器、電機(jī)冷卻器、各供水管路、稀油站冷卻器、水泵葉輪、水泵內(nèi)部、各類逆止閥、各類大小閥門等，這些部位都是極其容易積水的地方，積水的地方如果在做冬季保溫工作的時(shí)候不及時(shí)處理，在冬季遇到極低溫天氣，會(huì)發(fā)生凍裂，這種凍裂往往都是由于配件和材料內(nèi)外溫度差別過大，產(chǎn)生應(yīng)力，使得應(yīng)力無法及時(shí)釋放，導(dǎo)致配件和材料發(fā)生斷裂。

二是泵站受到冬季溫度影響產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響最大的部位。如主供水管道、機(jī)械密封、電機(jī)冷卻水等附屬設(shè)備管道焊接接頭，這些地方容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生的主要原因主要有以下幾個(gè)方面：一是焊縫中產(chǎn)生的工藝缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋和未焊透等，其中焊接裂紋和未焊透引起的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重。

三是不合理的焊縫外形，例如對(duì)焊縫的余高過大，角焊縫的焊趾過高等。

四是不合理的接頭設(shè)計(jì)，如接頭截面有突變，采用加蓋板的對(duì)接接頭等。焊縫布置不合理也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，例如單面焊縫的T型接頭。當(dāng)然，科學(xué)的、正確的焊接可以很大程度上的避免以上焊接口斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

5 利用SolidWorks對(duì)可能存在應(yīng)力集中或者溫度應(yīng)力的部位進(jìn)行有限元分析

圖2 泵站主水管道有限元分析圖

以泵站主水管道為例進(jìn)行有限元分析，泵站注水管道大部分在鎮(zhèn)墩和外墻之間、外墻與水泵之間。當(dāng)冬季所有配件受到極低溫度的影響，金屬由于熱脹冷縮的性質(zhì)，會(huì)收縮，在收縮的過程中，如果不及時(shí)做好相關(guān)措施，其應(yīng)力達(dá)到了圖中顯示黃色危險(xiǎn)區(qū)域，則會(huì)容易發(fā)生斷裂，故而設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中，在水泵和管道之間都安裝有伸縮節(jié)，伸縮節(jié)的安裝大大降低了管道、水泵等設(shè)備因積水或者低溫引起的冷收縮，有效防止了產(chǎn)生應(yīng)力所導(dǎo)致的零部件斷裂或者配件裂開。

6 設(shè)備更新改造后冬季保溫工作措施探析

冬季機(jī)電設(shè)備成功越冬是一個(gè)很重要的工作，因此要全面檢查設(shè)備可能存在積水的部位并進(jìn)行及時(shí)處理。

新設(shè)備和老設(shè)備相比，結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，附屬設(shè)備增加，管線增加、設(shè)備增加，泵站在過去的三年冬季保溫工作中已經(jīng)探索出了很多成功的方案，比如在冬保過程中處理主電機(jī)空-水冷卻器內(nèi)部銅管殘留水時(shí)，用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行吹干，是很有效的處理方法，但是，由于空氣壓縮機(jī)的出風(fēng)是冷風(fēng)，在吹的過程中需要時(shí)間周期過長(zhǎng)，建議可以采用熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹干，不僅吹的干凈，而且效率也高，能夠很大程度上縮短冬保時(shí)間，提升冬保質(zhì)量。對(duì)于用熱風(fēng)吹干積水部位的方案，還可以擴(kuò)展到稀油站冷卻銅管殘留水處理環(huán)節(jié)，部分細(xì)小的管道均可采用以上方法進(jìn)行處理，保證設(shè)備成功越冬而不受應(yīng)力集中的影響。

有積水的零部件如果方便拆卸的話，盡量對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的拆卸，釋放其中的積水，防止冬天溫度過低而發(fā)生凍裂。像小管件接口、水過濾器、電機(jī)技術(shù)供水和機(jī)械密封技術(shù)供水的進(jìn)水部位等，這些部位平時(shí)容易積水，但是拆卸安裝都很方便，在冬保時(shí)可以將其拆開，排凈里面的積水，春季檢修的時(shí)候再安裝起來，既保證了設(shè)備安全越冬，又不影響春灌的運(yùn)行。

對(duì)于水泵內(nèi)部積水，可以打開水泵防水底閥，將積水排凈。機(jī)械密封內(nèi)部，要將拆掉底部放水螺絲，并抽出進(jìn)水軟管，將內(nèi)部水釋放掉。

詳細(xì)檢查泵殼積水情況并采取處理措施。泵站冬保工作很細(xì)致，每年冬季都需要打開1-2臺(tái)水泵，一方面勘察設(shè)備運(yùn)行情況，另外一方面觀測(cè)水泵內(nèi)部是否有積水，一般根據(jù)拆卸情況，葉輪停運(yùn)后的底部、泵殼底部等處都會(huì)留有存水，這時(shí)常用的方法就是排水，然后用電爐加熱烘干或者風(fēng)干，根據(jù)實(shí)際情況，也可將電爐子更換為電暖氣，電暖氣散熱面積大，功率小，危險(xiǎn)系數(shù)低，既保證了設(shè)備安全，又保證了人身安全。

蝶閥、檢修閥等設(shè)備的防凍措施。檢修閥、蝶閥可根據(jù)實(shí)際情況開啟一定度數(shù)，防止有積水在閥板處結(jié)冰，凍壞閥板。

位于前池的進(jìn)水口，可以用塑料膜覆蓋并緊固，防止室外冷空氣將管道及內(nèi)部設(shè)備凍壞。

材料及配件受力分析的重要意義。揚(yáng)水泵站配件及金屬材料受力情況分析對(duì)于冬保工作具有很重要的指導(dǎo)意義，一方面我們可以深入了解配件及金屬等各類材料在冬季時(shí)節(jié)所顯示出的變化和特性，在熟知這些特性后可以更好地做好冬季保溫工作，保護(hù)設(shè)備成功越冬。另一方面根據(jù)配件、管件等設(shè)施精確到位以及金屬力學(xué)性能和冬保有關(guān)規(guī)定，我們可以確定有些配件在冬保過程中是不是可以拆卸，這樣可以成功避免因經(jīng)常性拆卸使得設(shè)備和配件損壞，有利的保證了冬保工作的順利開展，為來年行水期的機(jī)電運(yùn)行保駕護(hù)航。