不锈钢瓦斯抽采管弹性失稳的原因分析
2021-12-05姚理忠付春太樊耀广
姚理忠，付春太，樊耀广
(1.潞安化工集团公司 通风处，山西 长治 046204；2.潞安化工集团 瓦斯研究院，山西 长治 046204)
瓦斯抽采管道是煤矿瓦斯抽采系统的重要组成部分，在实践中管道材质先后使用过金属、玻璃钢、PE高分子聚合材料等，由于不同材质的特性及其在抽采实际中出现的问题，部分地区或公司已明确禁止采用玻璃钢、PE高分子材质的管道，规定必须采用金属管材。《煤矿瓦斯抽采工程设计标准》(GB50471-2018)规定“抽采管路管材宜选用金属管材”，为保证抽采管路系统的安全、稳定运行，近年来不锈钢因其抗静电、阻燃的金属材质的特性，特别是相对其他金属材质耐腐蚀的特点，不锈钢管材的瓦斯抽采管道逐渐投入使用，另因相对其他同性能金属管道的质量较轻，受到煤矿现场人员的欢迎，较好地满足了安全生产要求。如果仅因为不锈钢耐腐蚀的特性，只考虑管道的承受正压的能力，为减少质量和费用一味减少管道壁厚，而忽略瓦斯抽采管道承受较低外压的特点，及其管道具体参数的选择，就会出现新的问题。比如某矿使用的不锈钢管道出现“吸扁”现象，造成抽采管道中断运行。依据压力容器理论，“吸扁”现象实际为外压容器弹性失稳问题，现对这次管道“吸扁”原因进行分析。
1 瓦斯管道弹性失稳理论分析
煤矿井下瓦斯管道是由单节管道通过管端法兰，用螺栓相互连接形成整个瓦斯抽采管道系统，该系统的一端与煤体钻孔相接，另一端与地面或井下抽放泵(真空泵)相接。由抽放泵形成的负压，经瓦斯抽采系统，将煤体内解吸的游离瓦斯抽至地面或井下专用回风巷。
1.1 瓦斯管道的材质、结构
经现场了解，该段“吸扁”瓦斯管道为304不锈钢材质的螺旋焊接管，规格为：单节长度为4.8 m，外径457 mm，壁厚2 mm；两端焊接采用锻钢热镀锌国标法兰盘，377法兰壁厚20 mm。
瓦斯管通过法兰连接，形成一条用于巷道内瓦斯抽放的分支管道，在巷道入口处，通过钢制管道三通与瓦斯抽放的主干管道连接。管道用专用吊具吊挂在巷道顶部，并与其他管线保持安全距离。
1.2 瓦斯管运行工况
依据现场的瓦斯管道参数检测装置显示值，使用时负压为70 kPa，即瓦斯管外、内压差为70 kPa。在瓦斯管道安装完成、接通抽采系统后，即出现了“吸扁”现象。
1.3 瓦斯管的受力分析
正常情况下，在地面抽放泵运行时，由抽放泵形成的管道内负压，通过井下管网将负压传导至各巷道抽放地点，管道内压力低于管道外压力，形成负压差。因此，忽略每节瓦斯抽采管的吊挂安装时的重力影响，其受力状态基本为均匀的周向外压。因此，瓦斯抽采管可视为压力容器外压圆筒。
依据压力容器应力分析理论，当外压达到一定的数值时，管道的径向挠度随压缩应力的增加急剧增大，直至压扁，这种现象称为外压容器的失稳或屈曲。因此，瓦斯抽采管道被“吸扁”，实质上是管道承受的外压P大于管道本身的临界压力Pcr，造成外压薄壁圆筒弹性失稳问题。
2 瓦斯管道弹性失稳原因计算分析
在进行压力容器设计时，常把外压圆筒分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三种类型，不同类型的圆筒，在计算临界压力时选择不同的适用公式。
2.1 瓦斯管计算长度确定
计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件(如封头、 加强圈等) 的距离。瓦斯管在安装后，两端的法兰对管体形成刚性约束。因此，单节瓦斯管的计算长度按实际长度取值为4.8 m。
2.2 瓦斯抽采管外压容器类型判定
把瓦斯抽采管视为外压容器，在计算临界压力前应先确定其类型，判定公式如下：
Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5
式中：Lcr为临界长度，取单节管道长度。当管道有加圈时，应选用加强圈间距。
当L
把上述现场所使用的瓦斯管道参数代入上述公式，临界长度Lcr计算如下：
Lcr=1.17D0(D0/δe)0.5
=1.17×457×(457/2)0.5=8 082.48 mm
经统计，目前公司在用的不锈钢材质的瓦斯抽采管道，因受到入井和井下运输条件的限制，单节长度在3.5～6 m范围，一般可视为短圆筒的外压容器。
2.3 瓦斯管临界压力计算
根据压力容器应力分析理论，受均布周向外压时，瓦斯管临界压力与多个因素相关，即管道材质确定的其弹性模量、管道壁厚、外径和单节长度。短圆筒的临界压力按下式计算：
Pcr=2.59E(δe/D0)2.5(L/D0)
式中：Pcr为临界压力，MPa；E为设计温度下的弹性模量，依据瓦斯管采用的不锈钢牌号0Cr18Ni9，查有关标准，取值203 000 N/m2；δe为厚度，取2 mm；D0为管道外径，取457 mm；L为取单节瓦斯管道长度，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
根据压力容器应力分析理论，对于承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。该段瓦斯管道实际运行时外压为70 kPa,由管材和管道参数确定的临界压力为63 kPa，也就必然出现“吸扁”现象。
3 瓦斯抽采管选型时的重要影响因素
在矿井瓦斯抽采设计完成后，确定使用不锈钢管材的瓦斯抽采管时，为避免可能出现“吸扁”现象，应考虑管道系统运行时的负压及管道本身参数，除了进行瓦斯抽采管的正压段壁厚乘选型计算，还应考虑以下重要影响因素。
1) 瓦斯抽采管道正常运行时，瓦斯抽采泵的进气侧，对大部分地面抽采系统来说，井下全部管道承受均布周向外压，适合压力容器应力分析理论。在选择管道参数时，不仅要进行耐正压校核，也同时要进行耐负压(即外压)校核。
2) 进行瓦斯抽采管耐负压(即外压)校核时，应综合考虑管道材质、管道壁厚、单节长度，增大管道壁厚、减少单节管道长度，均可增加管道的临界压力，即抗外压能力。
3) 形状缺陷对瓦斯抽采管的稳定性也同样有影响。当瓦斯抽采管存在圆筒形状不圆及局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷等缺陷时，在外压下缺陷处容易产生附加的弯曲应力，临界压力降低，因此，应限制瓦斯抽采管的不圆度。
上述分析，未考虑瓦斯抽采管采用加强筋的措施。为尽可能减少壁厚，在瓦斯抽采管上采用加强筋。
4) 瓦斯抽采管在生产时，经历成型、焊接、焊后热处理等工艺形成的实际管道，存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、 材料性能不均匀等，所以，按压力容器标准规定在设计管道参数时，应引入稳定系数m，确定许用设计外压P，保证瓦斯抽采管道系统的安全运行。
4 结 语
瓦斯抽采管的失稳事故严重影响着矿井的安全生产，通过计算、分析，找到了瓦斯抽采管“吸扁”的原因，瓦斯抽采管选型时的重要影响因素，补充了瓦斯管选型计算办法，可为类似矿井瓦斯管选型提供参照。
