超大型立式潜水泵吊管的设计

2015-01-21崔汉涛李永强

机电产品开发与创新 2015年3期

崔汉涛，李永强

（中煤邯郸设计工程有限责任公司矿井工程所，河北邯郸 056031）

0 引言

近年来全国煤矿发生多起重特大水害事故，如内蒙古乌海骆驼山煤矿、山西王家岭煤矿、峰峰梧桐庄煤矿和九龙煤矿等，这些事故不仅造成人员伤亡，而且给矿方带来巨大的经济损失。矿用潜水泵最大特点是不怕水淹，是矿井突水抢险救灾和淹井复矿排水的唯一可选设备，是矿井抗御水灾害的必备设备[1]。

立式潜水泵具有受力合理，运行寿命长，维修时可以整体取出，防堵塞性能好，泵井占有面积小，便于布置的优点，在抗灾排水系统中得到广泛应用。

1 吊管壁厚计算

图1 为典型立式潜水泵的安装方式，潜水泵机组依靠吊管承重直接下到泵井进行排水，吊管承受水压（即水柱力）、潜水泵机组自重和水锤力载荷，受力大。吊管一般选用无缝钢管在两端焊接法兰制成，排水规范规定的计算管路壁厚是建立在薄壁圆管的基础上，考虑了水压力和最大长度为150m 管路自重及管路附件重量（包括连接用的法兰及螺栓螺母重量）推导出来的[2]。潜水泵机组及水锤产生的载荷远远大于管路自重及管路附件重量，规范规定的计算管路壁厚公式不适用于计算本吊管的壁厚，如何确定吊管壁厚成为抗灾排水系统设计的一个重要环节。

吊管承受水压即水柱力、潜水泵机组重量和水锤力，即吊管同时承受着压力和拉力，建立如图2 所示的力学模型。设水压P1，水锤力P2是由于吊管中水流速突然变化而产生的瞬时压力，设为，潜水泵机组重量G1，吊管内径为D，壁厚为δ。

图1 立式潜水泵安装Fig.1 The installation of vertical diving pump

1.1 潜水泵机组自重产生应力计算

图2 吊管拉压受力计算模型Fig.2 The combination mechanical model of swing pipe considering the tension and compression

1.2 水压P1 和水锤力P2 产生应力计算

水压P1和水锤力P2在吊管横截面沿轴向产生应力σ轴2，在径向纵截面上产生周向应力σ周。

水压P1和水锤力P2沿轴向产生的总压力： F=，则轴向应力潜水泵自重、水压和水锤力在吊管横截面轴向应力：

周向应力σ周计算：

轴向力作用的截面和周向力作用的纵截面都没有切应力，因此轴向力和周向力都是主应力。另外吊管第三个方向上还有作用吊管内壁的压力（水锤力+水压，即径向力）和作用于外壁的大气压力，由于大气压力远远小于周向力、轴向力、水压和水锤力，工程中忽略不计，于是得到了三向应力状态[3]，如图3 所示。

图3 三向应力单元体Fig.3 The element of three-dimensional stress

2 梧桐庄煤矿潜水泵吊管计算

以梧桐庄煤矿潜水泵为例，排水高度650m，设计选用BQ540-750/15-1900/S 型潜水泵，额定流量540m3/h，额定扬程750m，配套隔爆电机功率1900kW，潜水泵出口公称直径DN250。吊管选用材质为20 号钢的D273 无缝钢管，根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》，20 号钢许用应力100MPa。

吊管规格为D273 无缝钢管，壁厚δ=16mm，内径D=241mm，吊管横截面面积为S=πDδ=12114mm2。

吊管承受水压P1=7.5MPa，水锤力P2=5MPa；潜水泵机组自重G1=19500kg。由式（1）得到吊管轴向正应力σ轴=62.9MPa。由式（2）得到吊管周向正应力σ周=94.1MPa。径向正应力σ径=-（7.5+5）=-12.5MPa。于是σ1=σ周=94.1MPa，σ2=σ轴=62.9MPa，σ3=σ径=-12.5MPa，吊管材质为无缝钢管，属于塑性材料，因此采用第四强度理论：

吊管壁厚还应考虑无缝钢管的制造负偏差以及吊管的腐蚀厚度，无缝钢管制造负偏差最大为15%；年腐蚀量可按0.1mm 计算，管路寿命按15年，则腐蚀厚度为1.5mm。

吊管壁厚δ 为=16+16×0.15+1.5=19.9mm，取20mm。最终确定吊管的规格为D273×20 无缝钢管，壁厚20mm，材质20 号钢。