无顶压逆流再生软水器中排装置故障的分析及改进措施

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　　无顶压逆流再生钠软水器是目前广泛采用的一种软化水制备设备。它具有出水水质好，再生比耗低，排除废液浓度低，便于环境保护等显著优点。无顶压逆流再生钠软水器主要结构如图一所示：
　　图一：无顶压逆流再生钠软水器结构简图
　　
　　无顶压逆流再生软水器：对逆流软水器而言，当其运行时，被处理水自上而下通过交换树脂层，将按照树脂对各种离子的选择性顺序，依次进行交换反应。当运行时，待处理水虽然首先接触再生较差的树脂层，但水中的硬度离子含量高，仍可以发生离子交换。当水流进入床层底部时，虽然水中的硬度离子含量很低，但由于床层的再生度高，故仍可以进一步去除水中的硬度离子，使水得到进一步软化。
　　我公司承建了广西某冶金企业一套全厂软化水处理站，其主要设备就是8台φ2000规格的无顶压逆流再生软水器。工程2005年交工验收后，运行良好，产水水质稳定，受到用户的好评。经过我公司紧急调运配件、派遣维修人员抢修后，恢复了系统。
　　事件处理后，我作为公司技术人员对故障原因进行了全面分析，并向用户提交了报告。主要原因有以下几点：
　　1、损坏的中排装置均是向下弯曲超过了规定值，而且损坏严重的中排，不仅支管和支撑的槽钢向下弯曲，而且排水母管也向下弯曲。
　　2、用户的原水为当地柳江河水，当时正处于洪水期，原水水质很差，软水系统前置的净水站凝聚剂加药剂量未加大，导致软水系统来水水质也很差。
　　3、依据系统设计是用户提供的水质报告，软水系统未设置前置过滤设备，净水站出水直接进入软水器内。大量的悬浮物和胶体进入软水器，这些污物的绝大部分被截留在150－200毫米厚的压脂层中，引起流体阻力的异常升高，这个力就作用在中排上，一旦超过它的设计极限，中排装置就会损坏。
　　改进措施有以下两点：
　　1、保证前置净水站的产水水质，这是最根本的措施。只要进入软水器的水的浊度符合运行规程的规定，一般说来，中排是不会损坏的。
　　2、设置在线监控设备，实时监测中排装置所能承受的压差值，将这个信号传入控制室，显示和报警。这个压差值的显示和报警至少有三个作用：
　　（1）连续监视压脂层的污染程度，当压差值达到报警值时，值班工可以根据情况提前终止软水器运行，也可以减负荷运行，使压差值小于某一个极限值，等这一周期运行至失效再进行再生；
　　（2）压差值在短时间内异常升高时，应该立即检查软水器的进水水质，查明进水水质恶化的原因，采取相应的措施；
　　（3）压差值异常小或无变化时，则应该检查压脂层是否流失，是否平整，避免逆流再生的失败。
　　研究中排的结构力学性能，其主要目的是确定中排的受力限值。从而可以确定出中排装置所能承受的压差值，便于设备自动化运行管理。
　　以本案例一台φ2000软水器的中排装置为例对其作一分析，并求出相应的中排受力限值：
　　图二：中排装置示意图图三：支管对槽钢作用力分析

　　图2中，中排的排水母管为Φ159，上面有加强的肋。母管两侧水平对称布置6根Φ42的支管，材质均为1Cr18Ni9Ti。6根支管又对称地架在一根﹟14的槽钢上。从本案例中排结构损坏的实际情况分析，槽钢是力系中最薄弱的地方。另外假设支管、槽钢上在水平截面上的载荷是均匀的。那么槽钢本身除了受均布载荷外，还受到排水支管在槽钢上所形成的6个集中载荷的作用。这6个载荷在槽钢上的分布是中心对称的。因此只要求出其中的3个集中载荷，再加上槽钢上的均布载荷，就可以求出这一槽钢所承受的最大弯矩，然后根据它的抗弯截面矩量和许用应力求出中排所能承受的最大压差值。
　　首先求出一根支管对槽钢的作用力：
　　设：1、B点是支管与母管的连接点
　　2、A点是槽钢对支管的支点
　　3、A、B之间距离为A
　　4、外伸部分长度为L（L1，L2，L3）
　　5、支管直径为I
　　6、支管作用在槽钢上的力为R（R1，R2，R3）
　　7、支管单位长度最大水平截面积上承受应力为P
　　根据力矩平衡原理：
　　ΣMB＝0
　　R×A－（L＋A）×P×（L＋A）/2＝0
　　R＝（P/2A）×（L＋A）2
　　图中1、2、3四个点上的受力分别是：
　　R1＝（P/2A）×（L1＋A）2
　　R2＝（P/2A）×（L2＋A）2
　　R3＝（P/2A）×（L3＋A）2
　　再分析槽钢的受力情况：
　　设：1、槽钢的最大弯矩为MM
　　2、槽钢承受的压强PO
　　在这个示例中，由于力的对称分布，槽钢的最大弯矩应在槽钢的中间。
　　则NA＝（PO×S）/2＋R1＋R2＋R3
　　MM＝NA×4C-R1×3.5C-R2×2.5C-R3×1.5C
　　查表得14号槽钢抗弯截面矩量为：
　　W＝80.5厘米2
　　〔σ〕＝1400公斤－厘米
　　MM=W×〔σ〕=80.5×1400
　　将具体的数据代入进行计算，就可以得到：
　　PO＝1.01kg/cm2(≈0.1MPa)
　　显然，当中排受到大于0.1MPa的力时就会引起槽钢的弯曲。但目前由于软水器在运行中没有中排装置的压差监视装置，因此还必须通过软水器的进出口的压差值进行监视，这样还应该加上树脂层、石英沙垫层、进出水装置的阻力。
　　树脂水头损失的经验公式是：
　　H＝5υVH/dp米
　　式中：υ为运动粘滞系数（取0.0101cm2/sec,20℃)
　　V为水的流速（取30m/h)
　　H为树脂层的高度（取1.8m)
　　dp为树脂的平均粒径（取0.6mm)
　　计算结果：h=7.6m
　　加上进出水装置的阻力,总阻力约9--10米水柱。即软水器的进出口压差值不允许超过0.2Mpa。
　　下面是一台上例中的Φ2000软水器中排装置弯曲前后的实际运行数据:

　　　表中的数据显示，槽钢的破坏压差值的计算结果与运行数据是基本一致的。以前有的软水器采用6.5号角钢作为排水支管的支承梁，由于它的抗弯截面矩量太小，很容易引起弯曲。在我公司出厂的设备中已经更新为不锈钢槽钢，使它的抗弯截面矩量大大的提高。
　　在运行规程中，我们对软水器进出口压差极限值作了必要的规定。采取以上对策后的软水器还没有发生过中排弯曲和交换树脂大量流失的事故。