超大型立式潛水泵吊管的設計

崔漢濤，李永強

（中煤邯鄲設計工程有限責任公司 礦井工程所，河北 邯鄲 056031）

0 引言

近年來全國煤礦發生多起重特大水害事故，如內蒙古烏海駱駝山煤礦、山西王家嶺煤礦、峰峰梧桐莊煤礦和九龍煤礦等，這些事故不僅造成人員傷亡，而且給礦方帶來巨大的經濟損失。礦用潛水泵最大特點是不怕水淹，是礦井突水搶險救災和淹井復礦排水的唯一可選設備，是礦井抗御水災害的必備設備[1]。

立式潛水泵具有受力合理，運行壽命長，維修時可以整體取出，防堵塞性能好，泵井占有面積小，便于布置的優點，在抗災排水系統中得到廣泛應用。

1 吊管壁厚計算

圖1 為典型立式潛水泵的安裝方式，潛水泵機組依靠吊管承重直接下到泵井進行排水，吊管承受水壓 （即水柱力）、潛水泵機組自重和水錘力載荷，受力大。吊管一般選用無縫鋼管在兩端焊接法蘭制成，排水規范規定的計算管路壁厚是建立在薄壁圓管的基礎上，考慮了水壓力和最大長度為150m 管路自重及管路附件重量 （包括連接用的法蘭及螺栓螺母重量）推導出來的[2]。潛水泵機組及水錘產生的載荷遠遠大于管路自重及管路附件重量，規范規定的計算管路壁厚公式不適用于計算本吊管的壁厚，如何確定吊管壁厚成為抗災排水系統設計的一個重要環節。

吊管承受水壓即水柱力、潛水泵機組重量和水錘力，即吊管同時承受著壓力和拉力，建立如圖2 所示的力學模型。設水壓P1，水錘力P2是由于吊管中水流速突然變化而產生的瞬時壓力，設為，潛水泵機組重量G1，吊管內徑為D，壁厚為δ。

圖1 立式潛水泵安裝Fig.1 The installation of vertical diving pump

1.1 潛水泵機組自重產生應力計算

圖2 吊管拉壓受力計算模型Fig.2 The combination mechanical model of swing pipe considering the tension and compression

1.2 水壓P1 和水錘力P2 產生應力計算

水壓P1和水錘力P2在吊管橫截面沿軸向產生應力σ軸2，在徑向縱截面上產生周向應力σ周。

水壓P1和水錘力P2沿軸向產生的總壓力： F=，則軸向應力潛水泵自重、水壓和水錘力在吊管橫截面軸向應力：

周向應力σ周計算：

軸向力作用的截面和周向力作用的縱截面都沒有切應力，因此軸向力和周向力都是主應力。另外吊管第三個方向上還有作用吊管內壁的壓力（水錘力+水壓，即徑向力） 和作用于外壁的大氣壓力，由于大氣壓力遠遠小于周向力、軸向力、水壓和水錘力，工程中忽略不計，于是得到了三向應力狀態[3]，如圖3 所示。

圖3 三向應力單元體Fig.3 The element of three-dimensional stress

2 梧桐莊煤礦潛水泵吊管計算

以梧桐莊煤礦潛水泵為例，排水高度650m，設計選用BQ540-750/15-1900/S 型潛水泵，額定流量540m3/h，額定揚程750m，配套隔爆電機功率1900kW，潛水泵出口公稱直徑DN250。吊管選用材質為20 號鋼的D273 無縫鋼管，根據 《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》，20 號鋼許用應力100MPa。

吊管規格為D273 無縫鋼管，壁厚δ=16mm，內徑D=241mm，吊管橫截面面積為S=πDδ=12114mm2。

吊管承受水壓P1=7.5MPa，水錘力P2=5MPa；潛水泵機組自重G1=19500kg。由式（1）得到吊管軸向正應力σ軸=62.9MPa。由式（2）得到吊管周向正應力σ周=94.1MPa。徑向正應力σ徑=-（7.5+5）=-12.5MPa。于 是σ1=σ周=94.1MPa，σ2=σ軸=62.9MPa，σ3=σ徑=-12.5MPa，吊管材質為無縫鋼管，屬于塑性材料，因此采用第四強度理論：

吊管壁厚還應考慮無縫鋼管的制造負偏差以及吊管的腐蝕厚度，無縫鋼管制造負偏差最大為15%；年腐蝕量可按0.1mm 計算，管路壽命按15年，則腐蝕厚度為1.5mm。

吊管壁厚δ 為=16+16×0.15+1.5=19.9mm，取20mm。最終確定吊管的規格為D273×20 無縫鋼管，壁厚20mm，材質20 號鋼。

3 結論

梧桐莊煤礦安裝12 臺BQ540-750/15-1900/S 型立式潛水泵，安裝十幾年來每月試泵，吊管處于良好狀態，尤其在2014年7月透水延緩淹井和災后復礦起到了不可低估的作用，證實了該計算方法符合工程設計實際應用，同時該計算方法對千米深井抗災排水立式潛水泵吊管設計具有重要指導意義。

[1] 范顏平.潛水泵排水技術在峰峰局的應用[J].煤礦設計，1997，8.

[2] 煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范[S].中華人民共和國住房和城鄉建設部，2009，3.

[3] 單輝祖.材料力學[M].高等教育出版社，1999.