姚理忠，付春太，樊耀廣

(1.潞安化工集團(tuán)公司 通風(fēng)處，山西 長(zhǎng)治 046204；2.潞安化工集團(tuán) 瓦斯研究院，山西 長(zhǎng)治 046204)

瓦斯抽采管道是煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)的重要組成部分，在實(shí)踐中管道材質(zhì)先后使用過金屬、玻璃鋼、PE高分子聚合材料等，由于不同材質(zhì)的特性及其在抽采實(shí)際中出現(xiàn)的問題，部分地區(qū)或公司已明確禁止采用玻璃鋼、PE高分子材質(zhì)的管道，規(guī)定必須采用金屬管材?！睹旱V瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50471-2018)規(guī)定“抽采管路管材宜選用金屬管材”，為保證抽采管路系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，近年來不銹鋼因其抗靜電、阻燃的金屬材質(zhì)的特性，特別是相對(duì)其他金屬材質(zhì)耐腐蝕的特點(diǎn)，不銹鋼管材的瓦斯抽采管道逐漸投入使用，另因相對(duì)其他同性能金屬管道的質(zhì)量較輕，受到煤礦現(xiàn)場(chǎng)人員的歡迎，較好地滿足了安全生產(chǎn)要求。如果僅因?yàn)椴讳P鋼耐腐蝕的特性，只考慮管道的承受正壓的能力，為減少質(zhì)量和費(fèi)用一味減少管道壁厚，而忽略瓦斯抽采管道承受較低外壓的特點(diǎn)，及其管道具體參數(shù)的選擇，就會(huì)出現(xiàn)新的問題。比如某礦使用的不銹鋼管道出現(xiàn)“吸扁”現(xiàn)象，造成抽采管道中斷運(yùn)行。依據(jù)壓力容器理論，“吸扁”現(xiàn)象實(shí)際為外壓容器彈性失穩(wěn)問題，現(xiàn)對(duì)這次管道“吸扁”原因進(jìn)行分析。

1 瓦斯管道彈性失穩(wěn)理論分析

煤礦井下瓦斯管道是由單節(jié)管道通過管端法蘭，用螺栓相互連接形成整個(gè)瓦斯抽采管道系統(tǒng)，該系統(tǒng)的一端與煤體鉆孔相接，另一端與地面或井下抽放泵(真空泵)相接。由抽放泵形成的負(fù)壓，經(jīng)瓦斯抽采系統(tǒng)，將煤體內(nèi)解吸的游離瓦斯抽至地面或井下專用回風(fēng)巷。

1.1 瓦斯管道的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)了解，該段“吸扁”瓦斯管道為304不銹鋼材質(zhì)的螺旋焊接管，規(guī)格為：?jiǎn)喂?jié)長(zhǎng)度為4.8 m，外徑457 mm，壁厚2 mm；兩端焊接采用鍛鋼熱鍍鋅國(guó)標(biāo)法蘭盤，377法蘭壁厚20 mm。

瓦斯管通過法蘭連接，形成一條用于巷道內(nèi)瓦斯抽放的分支管道，在巷道入口處，通過鋼制管道三通與瓦斯抽放的主干管道連接。管道用專用吊具吊掛在巷道頂部，并與其他管線保持安全距離。

1.2 瓦斯管運(yùn)行工況

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯管道參數(shù)檢測(cè)裝置顯示值，使用時(shí)負(fù)壓為70 kPa，即瓦斯管外、內(nèi)壓差為70 kPa。在瓦斯管道安裝完成、接通抽采系統(tǒng)后，即出現(xiàn)了“吸扁”現(xiàn)象。

1.3 瓦斯管的受力分析

正常情況下，在地面抽放泵運(yùn)行時(shí)，由抽放泵形成的管道內(nèi)負(fù)壓，通過井下管網(wǎng)將負(fù)壓傳導(dǎo)至各巷道抽放地點(diǎn)，管道內(nèi)壓力低于管道外壓力，形成負(fù)壓差。因此，忽略每節(jié)瓦斯抽采管的吊掛安裝時(shí)的重力影響，其受力狀態(tài)基本為均勻的周向外壓。因此，瓦斯抽采管可視為壓力容器外壓圓筒。

依據(jù)壓力容器應(yīng)力分析理論，當(dāng)外壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，管道的徑向撓度隨壓縮應(yīng)力的增加急劇增大，直至壓扁，這種現(xiàn)象稱為外壓容器的失穩(wěn)或屈曲。因此，瓦斯抽采管道被“吸扁”，實(shí)質(zhì)上是管道承受的外壓P大于管道本身的臨界壓力Pcr，造成外壓薄壁圓筒彈性失穩(wěn)問題。

2 瓦斯管道彈性失穩(wěn)原因計(jì)算分析

在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，常把外壓圓筒分為長(zhǎng)圓筒、短圓筒和剛性圓筒三種類型，不同類型的圓筒，在計(jì)算臨界壓力時(shí)選擇不同的適用公式。

2.1 瓦斯管計(jì)算長(zhǎng)度確定

計(jì)算長(zhǎng)度是指圓筒上相鄰兩剛性構(gòu)件(如封頭、 加強(qiáng)圈等) 的距離。瓦斯管在安裝后，兩端的法蘭對(duì)管體形成剛性約束。因此，單節(jié)瓦斯管的計(jì)算長(zhǎng)度按實(shí)際長(zhǎng)度取值為4.8 m。

2.2 瓦斯抽采管外壓容器類型判定

把瓦斯抽采管視為外壓容器，在計(jì)算臨界壓力前應(yīng)先確定其類型，判定公式如下：

Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5

式中：Lcr為臨界長(zhǎng)度，取單節(jié)管道長(zhǎng)度。當(dāng)管道有加圈時(shí)，應(yīng)選用加強(qiáng)圈間距。

當(dāng)LLcr時(shí)，為長(zhǎng)圓筒；剛性圓筒與圓筒外徑、壁厚相關(guān)，同時(shí)與長(zhǎng)度L相關(guān)。當(dāng)L/D0和D0/δe很小時(shí)，殼體的剛性很大，此時(shí)圓柱殼體的失效形式已經(jīng)不是失穩(wěn)，而是壓縮強(qiáng)度破壞。

把上述現(xiàn)場(chǎng)所使用的瓦斯管道參數(shù)代入上述公式，臨界長(zhǎng)度Lcr計(jì)算如下：

Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5

=1.17×457×(457/2)0.5=8 082.48 mm

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前公司在用的不銹鋼材質(zhì)的瓦斯抽采管道，因受到入井和井下運(yùn)輸條件的限制，單節(jié)長(zhǎng)度在3.5～6 m范圍，一般可視為短圓筒的外壓容器。

2.3 瓦斯管臨界壓力計(jì)算

根據(jù)壓力容器應(yīng)力分析理論，受均布周向外壓時(shí)，瓦斯管臨界壓力與多個(gè)因素相關(guān)，即管道材質(zhì)確定的其彈性模量、管道壁厚、外徑和單節(jié)長(zhǎng)度。短圓筒的臨界壓力按下式計(jì)算：

Pcr=2.59E(δe/D0)2.5(L/D0)

式中：Pcr為臨界壓力，MPa；E為設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，依據(jù)瓦斯管采用的不銹鋼牌號(hào)0Cr18Ni9，查有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，取值203 000 N/m2；δe為厚度，取2 mm；D0為管道外徑，取457 mm；L為取單節(jié)瓦斯管道長(zhǎng)度，取4 800 mm。

Pcr=2.59×203 000×((2/457)2.5/(4 800/

457))=0.063 42 MPa=63 kPa

2.4 原因分析

根據(jù)壓力容器應(yīng)力分析理論，對(duì)于承受外壓載荷的殼體，當(dāng)外壓載荷增大到某一值時(shí)，殼體會(huì)突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的屈曲或失穩(wěn)。該段瓦斯管道實(shí)際運(yùn)行時(shí)外壓為70 kPa,由管材和管道參數(shù)確定的臨界壓力為63 kPa，也就必然出現(xiàn)“吸扁”現(xiàn)象。

3 瓦斯抽采管選型時(shí)的重要影響因素

在礦井瓦斯抽采設(shè)計(jì)完成后，確定使用不銹鋼管材的瓦斯抽采管時(shí)，為避免可能出現(xiàn)“吸扁”現(xiàn)象，應(yīng)考慮管道系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)壓及管道本身參數(shù)，除了進(jìn)行瓦斯抽采管的正壓段壁厚乘選型計(jì)算，還應(yīng)考慮以下重要影響因素。

1) 瓦斯抽采管道正常運(yùn)行時(shí)，瓦斯抽采泵的進(jìn)氣側(cè)，對(duì)大部分地面抽采系統(tǒng)來說，井下全部管道承受均布周向外壓，適合壓力容器應(yīng)力分析理論。在選擇管道參數(shù)時(shí)，不僅要進(jìn)行耐正壓校核，也同時(shí)要進(jìn)行耐負(fù)壓(即外壓)校核。

2) 進(jìn)行瓦斯抽采管耐負(fù)壓(即外壓)校核時(shí)，應(yīng)綜合考慮管道材質(zhì)、管道壁厚、單節(jié)長(zhǎng)度，增大管道壁厚、減少單節(jié)管道長(zhǎng)度，均可增加管道的臨界壓力，即抗外壓能力。

3) 形狀缺陷對(duì)瓦斯抽采管的穩(wěn)定性也同樣有影響。當(dāng)瓦斯抽采管存在圓筒形狀不圓及局部區(qū)域中的折皺、鼓脹、凹陷等缺陷時(shí)，在外壓下缺陷處容易產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力，臨界壓力降低，因此，應(yīng)限制瓦斯抽采管的不圓度。

上述分析，未考慮瓦斯抽采管采用加強(qiáng)筋的措施。為盡可能減少壁厚，在瓦斯抽采管上采用加強(qiáng)筋。

4) 瓦斯抽采管在生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)歷成型、焊接、焊后熱處理等工藝形成的實(shí)際管道，存在各種初始缺陷，如幾何形狀偏差、 材料性能不均勻等，所以，按壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在設(shè)計(jì)管道參數(shù)時(shí)，應(yīng)引入穩(wěn)定系數(shù)m，確定許用設(shè)計(jì)外壓P，保證瓦斯抽采管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 結(jié) 語

瓦斯抽采管的失穩(wěn)事故嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)，通過計(jì)算、分析，找到了瓦斯抽采管“吸扁”的原因，瓦斯抽采管選型時(shí)的重要影響因素，補(bǔ)充了瓦斯管選型計(jì)算辦法，可為類似礦井瓦斯管選型提供參照。