超大型立式潛水泵吊管的設(shè)計(jì)

崔漢濤，李永強(qiáng)

（中煤邯鄲設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 礦井工程所，河北 邯鄲 056031）

0 引言

近年來全國煤礦發(fā)生多起重特大水害事故，如內(nèi)蒙古烏海駱駝山煤礦、山西王家?guī)X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(jīng)濟(jì)損失。礦用潛水泵最大特點(diǎn)是不怕水淹，是礦井突水搶險(xiǎn)救災(zāi)和淹井復(fù)礦排水的唯一可選設(shè)備，是礦井抗御水災(zāi)害的必備設(shè)備[1]。

立式潛水泵具有受力合理，運(yùn)行壽命長，維修時(shí)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(yōu)點(diǎn)，在抗災(zāi)排水系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1 吊管壁厚計(jì)算

圖1 為典型立式潛水泵的安裝方式，潛水泵機(jī)組依靠吊管承重直接下到泵井進(jìn)行排水，吊管承受水壓 （即水柱力）、潛水泵機(jī)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(guī)范規(guī)定的計(jì)算管路壁厚是建立在薄壁圓管的基礎(chǔ)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(dǎo)出來的[2]。潛水泵機(jī)組及水錘產(chǎn)生的載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管路自重及管路附件重量，規(guī)范規(guī)定的計(jì)算管路壁厚公式不適用于計(jì)算本吊管的壁厚，如何確定吊管壁厚成為抗災(zāi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

吊管承受水壓即水柱力、潛水泵機(jī)組重量和水錘力，即吊管同時(shí)承受著壓力和拉力，建立如圖2 所示的力學(xué)模型。設(shè)水壓P1，水錘力P2是由于吊管中水流速突然變化而產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力，設(shè)為，潛水泵機(jī)組重量G1，吊管內(nèi)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(jī)組自重產(chǎn)生應(yīng)力計(jì)算

圖2 吊管拉壓受力計(jì)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(chǎn)生應(yīng)力計(jì)算

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

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

周向應(yīng)力σ周計(jì)算：

軸向力作用的截面和周向力作用的縱截面都沒有切應(yīng)力，因此軸向力和周向力都是主應(yīng)力。另外吊管第三個(gè)方向上還有作用吊管內(nèi)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于周向力、軸向力、水壓和水錘力，工程中忽略不計(jì)，于是得到了三向應(yīng)力狀態(tài)[3]，如圖3 所示。

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

2 梧桐莊煤礦潛水泵吊管計(jì)算

以梧桐莊煤礦潛水泵為例，排水高度650m，設(shè)計(jì)選用BQ540-750/15-1900/S 型潛水泵，額定流量540m3/h，額定揚(yáng)程750m，配套隔爆電機(jī)功率1900kW，潛水泵出口公稱直徑DN250。吊管選用材質(zhì)為20 號(hào)鋼的D273 無縫鋼管，根據(jù) 《煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范》，20 號(hào)鋼許用應(yīng)力100MPa。

吊管規(guī)格為D273 無縫鋼管，壁厚δ=16mm，內(nèi)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(jī)組自重G1=19500kg。由式（1）得到吊管軸向正應(yīng)力σ軸=62.9MPa。由式（2）得到吊管周向正應(yīng)力σ周=94.1MPa。徑向正應(yīng)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(zhì)為無縫鋼管，屬于塑性材料，因此采用第四強(qiáng)度理論：

吊管壁厚還應(yīng)考慮無縫鋼管的制造負(fù)偏差以及吊管的腐蝕厚度，無縫鋼管制造負(fù)偏差最大為15%；年腐蝕量可按0.1mm 計(jì)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(guī)格為D273×20 無縫鋼管，壁厚20mm，材質(zhì)20 號(hào)鋼。

3 結(jié)論

梧桐莊煤礦安裝12 臺(tái)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(tài)，尤其在2014年7月透水延緩淹井和災(zāi)后復(fù)礦起到了不可低估的作用，證實(shí)了該計(jì)算方法符合工程設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)該計(jì)算方法對千米深井抗災(zāi)排水立式潛水泵吊管設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

[1] 范顏平.潛水泵排水技術(shù)在峰峰局的應(yīng)用[J].煤礦設(shè)計(jì)，1997，8.

[2] 煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009，3.

[3] 單輝祖.材料力學(xué)[M].高等教育出版社，1999.