不銹鋼瓦斯抽采管彈性失穩的原因分析

姚理忠，付春太，樊耀廣

(1.潞安化工集團公司 通風處，山西 長治 046204；2.潞安化工集團 瓦斯研究院，山西 長治 046204)

瓦斯抽采管道是煤礦瓦斯抽采系統的重要組成部分，在實踐中管道材質先后使用過金屬、玻璃鋼、PE高分子聚合材料等，由于不同材質的特性及其在抽采實際中出現的問題，部分地區或公司已明確禁止采用玻璃鋼、PE高分子材質的管道，規定必須采用金屬管材?！睹旱V瓦斯抽采工程設計標準》(GB50471-2018)規定“抽采管路管材宜選用金屬管材”，為保證抽采管路系統的安全、穩定運行，近年來不銹鋼因其抗靜電、阻燃的金屬材質的特性，特別是相對其他金屬材質耐腐蝕的特點，不銹鋼管材的瓦斯抽采管道逐漸投入使用，另因相對其他同性能金屬管道的質量較輕，受到煤礦現場人員的歡迎，較好地滿足了安全生產要求。如果僅因為不銹鋼耐腐蝕的特性，只考慮管道的承受正壓的能力，為減少質量和費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，及其管道具體參數的選擇，就會出現新的問題。比如某礦使用的不銹鋼管道出現“吸扁”現象，造成抽采管道中斷運行。依據壓力容器理論，“吸扁”現象實際為外壓容器彈性失穩問題，現對這次管道“吸扁”原因進行分析。

1 瓦斯管道彈性失穩理論分析

煤礦井下瓦斯管道是由單節管道通過管端法蘭，用螺栓相互連接形成整個瓦斯抽采管道系統，該系統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。由抽放泵形成的負壓，經瓦斯抽采系統，將煤體內解吸的游離瓦斯抽至地面或井下專用回風巷。

1.1 瓦斯管道的材質、結構

經現場了解，該段“吸扁”瓦斯管道為304不銹鋼材質的螺旋焊接管，規格為：單節長度為4.8 m，外徑457 mm，壁厚2 mm；兩端焊接采用鍛鋼熱鍍鋅國標法蘭盤，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 瓦斯管運行工況

依據現場的瓦斯管道參數檢測裝置顯示值，使用時負壓為70 kPa，即瓦斯管外、內壓差為70 kPa。在瓦斯管道安裝完成、接通抽采系統后，即出現了“吸扁”現象。

1.3 瓦斯管的受力分析

正常情況下，在地面抽放泵運行時，由抽放泵形成的管道內負壓，通過井下管網將負壓傳導至各巷道抽放地點，管道內壓力低于管道外壓力，形成負壓差。因此，忽略每節瓦斯抽采管的吊掛安裝時的重力影響，其受力狀態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。

依據壓力容器應力分析理論，當外壓達到一定的數值時，管道的徑向撓度隨壓縮應力的增加急劇增大，直至壓扁，這種現象稱為外壓容器的失穩或屈曲。因此，瓦斯抽采管道被“吸扁”，實質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問題。

2 瓦斯管道彈性失穩原因計算分析

在進行壓力容器設計時，常把外壓圓筒分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒三種類型，不同類型的圓筒，在計算臨界壓力時選擇不同的適用公式。

2.1 瓦斯管計算長度確定

計算長度是指圓筒上相鄰兩剛性構件(如封頭、 加強圈等) 的距離。瓦斯管在安裝后，兩端的法蘭對管體形成剛性約束。因此，單節瓦斯管的計算長度按實際長度取值為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，在計算臨界壓力前應先確定其類型，判定公式如下：

Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5

式中：Lcr為臨界長度，取單節管道長度。當管道有加圈時，應選用加強圈間距。

當LLcr時，為長圓筒；剛性圓筒與圓筒外徑、壁厚相關，同時與長度L相關。當L/D0和D0/δe很小時，殼體的剛性很大，此時圓柱殼體的失效形式已經不是失穩，而是壓縮強度破壞。

把上述現場所使用的瓦斯管道參數代入上述公式，臨界長度Lcr計算如下：

Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5

=1.17×457×(457/2)0.5=8 082.48 mm

經統計，目前公司在用的不銹鋼材質的瓦斯抽采管道，因受到入井和井下運輸條件的限制，單節長度在3.5～6 m范圍，一般可視為短圓筒的外壓容器。

2.3 瓦斯管臨界壓力計算

根據壓力容器應力分析理論，受均布周向外壓時，瓦斯管臨界壓力與多個因素相關，即管道材質確定的其彈性模量、管道壁厚、外徑和單節長度。短圓筒的臨界壓力按下式計算：

Pcr=2.59E(δe/D0)2.5(L/D0)

式中：Pcr為臨界壓力，MPa；E為設計溫度下的彈性模量，依據瓦斯管采用的不銹鋼牌號0Cr18Ni9，查有關標準，取值203 000 N/m2；δe為厚度，取2 mm；D0為管道外徑，取457 mm；L為取單節瓦斯管道長度，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

根據壓力容器應力分析理論，對于承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復原狀，這種現象稱為外壓殼體的屈曲或失穩。該段瓦斯管道實際運行時外壓為70 kPa,由管材和管道參數確定的臨界壓力為63 kPa，也就必然出現“吸扁”現象。

3 瓦斯抽采管選型時的重要影響因素

在礦井瓦斯抽采設計完成后，確定使用不銹鋼管材的瓦斯抽采管時，為避免可能出現“吸扁”現象，應考慮管道系統運行時的負壓及管道本身參數，除了進行瓦斯抽采管的正壓段壁厚乘選型計算，還應考慮以下重要影響因素。

1) 瓦斯抽采管道正常運行時，瓦斯抽采泵的進氣側，對大部分地面抽采系統來說，井下全部管道承受均布周向外壓，適合壓力容器應力分析理論。在選擇管道參數時，不僅要進行耐正壓校核，也同時要進行耐負壓(即外壓)校核。

2) 進行瓦斯抽采管耐負壓(即外壓)校核時，應綜合考慮管道材質、管道壁厚、單節長度，增大管道壁厚、減少單節管道長度，均可增加管道的臨界壓力，即抗外壓能力。

3) 形狀缺陷對瓦斯抽采管的穩定性也同樣有影響。當瓦斯抽采管存在圓筒形狀不圓及局部區域中的折皺、鼓脹、凹陷等缺陷時，在外壓下缺陷處容易產生附加的彎曲應力，臨界壓力降低，因此，應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筋的措施。為盡可能減少壁厚，在瓦斯抽采管上采用加強筋。

4) 瓦斯抽采管在生產時，經歷成型、焊接、焊后熱處理等工藝形成的實際管道，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，按壓力容器標準規定在設計管道參數時，應引入穩定系數m，確定許用設計外壓P，保證瓦斯抽采管道系統的安全運行。

4 結 語

瓦斯抽采管的失穩事故嚴重影響著礦井的安全生產，通過計算、分析，找到了瓦斯抽采管“吸扁”的原因，瓦斯抽采管選型時的重要影響因素，補充了瓦斯管選型計算辦法，可為類似礦井瓦斯管選型提供參照。