不銹鋼螺旋筋瓦斯抽放管的優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、瓦斯抽放技術(shù)對于煤礦瓦斯安全、瓦斯資源利用和環(huán)境保護有重要意義，在煤礦企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。其中，瓦斯抽放管道的鋪設(shè)是一項復(fù)雜、重要的工作。隨著抽放技術(shù)的不斷發(fā)展，瓦斯抽放管道也經(jīng)歷了鋼管、玻璃鋼管、塑料管、骨架增強塑料管和覆層螺旋波紋鋼管的不斷改進(jìn)。這些管道還是存在各自的不足，瓦斯管道的基本要求包括:阻燃、抗靜電、塑性好、強度高，除此之外還需要成本低、質(zhì)量輕、耐腐蝕等。近幾年來又出現(xiàn)了一種新的瓦斯抽放管道，它采用不銹鋼材料生產(chǎn)，滿足了瓦

2、斯抽放對于管道性質(zhì)的各種要求，并已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。
　　對這種不銹鋼材料的瓦斯抽放管的設(shè)計，主要采用增加加強筋、減小管壁厚度的方法，這種方法廣泛應(yīng)用于一些薄壁結(jié)構(gòu)中?？紤]到生產(chǎn)工藝是將不銹鋼帶螺旋卷曲焊接成型，所以采用螺旋形的加強筋。因此螺旋筋結(jié)構(gòu)的設(shè)計及它對提高管道強度的影響成為這種瓦斯管道推廣使用的關(guān)鍵問題，這也是本文研究的主要內(nèi)容。
　　這種管道的失效形式主要是屈曲失穩(wěn)，所以著重介紹了相關(guān)薄壁管殼屈曲的一些基本理論和研

3、究方法。宏觀角度根據(jù)能量法理論，外載荷對管殼所作的功轉(zhuǎn)化為管殼的應(yīng)變能，應(yīng)變能的大小與管殼的變形狀態(tài)有關(guān)。微觀角度根據(jù)薄壁構(gòu)件穩(wěn)定理論，施加在管壁上的應(yīng)力狀態(tài)由單純的正應(yīng)力平衡狀態(tài)越變?yōu)橐詮澢鷳?yīng)力為主的新的平衡狀態(tài)?？梢酝ㄟ^理論公式計算無筋圓柱殼在各種外壓下的臨界失穩(wěn)載荷大小，作為參照與加筋管殼對比。增加螺旋筋改變了管殼原來的截面形狀，截面慣性矩發(fā)生改變，不能按照理論公式來計算管殼的臨界失穩(wěn)載荷，可以借助有限元分析軟件來對不規(guī)則模型進(jìn)行

4、屈曲分析仿真和參數(shù)優(yōu)化。
　　建立不同類型螺旋筋、不同長度的理論模型，采用殼單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參考實際情況定義模型的約束邊界條件和載荷情況，由簡單到復(fù)雜逐步分析其失穩(wěn)特點。第一步分析在受到側(cè)向（徑向）外壓時的屈曲變形，建立幾種管殼的模型分別進(jìn)行特征值屈曲分析，并對某個節(jié)點添加初始缺陷（幾何、材料）進(jìn)行非線性分析，最后對多個變量進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化來確定其壁厚參數(shù)能達(dá)到的最小值。第二步分析在受到軸向外壓時的屈曲變形，選擇不同長度、不同

5、類型管殼結(jié)構(gòu)，多方面綜合交叉比較，得出壁厚、長度和螺旋筋等因素與其軸向臨界載荷大小的關(guān)系。第三步分析在同時受到側(cè)向和軸向的外載荷時管殼的屈曲變形，繪制不同長度管殼的側(cè)向臨界載荷與軸向載荷的變化曲線。
　　通過分析得出:螺旋筋能提高管殼的側(cè)向失穩(wěn)載荷（環(huán)剛度）3倍以上，優(yōu)化分析219mm直徑加筋管殼的厚度為0.6mm即可滿足規(guī)定安全系數(shù)的要求;螺旋筋改變了管殼的變形狀態(tài)，管殼受到軸向載荷時，螺旋筋的增加會降低其臨界載荷值;軸向臨界載