混凝土管在煤炭地下气化工程中的应用初探.pdf

第4 6 卷 第2 期 2 0 1 4 年 第2 期 煤炭工程 COAL ENGI NEERI NG Vo 1 ． 4 6， No ． 2 No ．2， 2 01 4 do i ： 1 0． 1 1 7 9 9 ／c e 2 01 4 02 0 3 2 混凝 土管在煤炭地 下气化工程 中的应用初探 黄温钢 ，王作棠 ，余 力 ，辛 林 ，王建华 ( 1 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 2 ．中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 3 ．中国矿业大 学 矿业 工程 学院 ，江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ； 4 ．中国矿业大学( 北京)化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：煤炭地 下气化粗煤气中含有硫化物 ，对钢制排气钻孔套管和净化前的输气管路具有 腐蚀作 用，影响地下气化站的长期安全稳定运行。针对这一问题 ，提 出了采用混凝土管替代钢管 的设想，对混凝土管在地下气化工程的应用进行 了初 步探 讨 ，分析 了排 气钻孔套管的应 力状 态， 对混凝土管道的结构进行 了设计，对比了钢管和混凝土管的成本。结果表 明，采用耐高温混凝土 制作的管道能满足地下气输气要求，不但耐腐蚀 ，而且价格仅为钢管的 1 ／ 3 ，优势明显。 关键词 ：煤炭地下气化；钻孔套管；输气管道；钢管 ；混凝土管 中图分类号 ：T D 8 4 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1— 0 9 5 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 - 0 0 9 5 - 0 3 Di s c u s s i o n o n Co n c r e t e Pi p e App l i e d t o Un de r g r o u nd C o a l Ga s i fi c a t i o n P r o j e c t HUANG We n—g a n g ， ， W AN G Z u o—t a n g ， ， YU L i ， XI N L i n 。 ， ，WANG J i a n—h u a ， ， ( 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ，C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ，X u ~o u 2 2 1 1 1 6，C h i n a ； 2 ． CUMTB Ke y L a b o r a t o ry o f D e e p Co a l Re s o u r c e Mi n i n g， Mi n i s t ry o fEd u c a t i o n o f Ch i n a，Xu z h O U，2 21 11 6， Ch i n a ； 3 ． S c ho o l o f Mi n e s ， Ch i n a Un i v e rsit y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o gy ， Xu z h o u 2 21 l 1 6，Ch i n a ； 4 ． S c h o o l o f C h e mi c a l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ．C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y( B e i j i n g ) ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3) A b s t r a c t ：T h e c r u d e g a s f r o m u n d e r g r o u n d c o a l g a s i fi c a t i o n( U C G)c o n t a i n i n g s u l f i d e i s c o r r o s i v e t o t h e s t e e l b o r e h o l e c a s i n g a n d g a s t r a n s mi t t i n g p i p e l i n e i n f r o n t o f p u r i fi c a t i o n s y s t e m，w h i c h i n t h e l o n g run w i l l i n fl u e n c e t h e s a f e a n d s t a b l e o p e r a t i o n o f UC G s t a t i o n ． Ai mi n g a t t h i s p r o b l e m，a n i d e a a p p l y i n g c e me n t p i p e t o r e p l a c e s t e e l t u b e wa s p r o p o s e d，a n d t h e a p p l i c a t i o n o f c o n c r e t e p i p e i n t h e U C G p r o j e c t w a s d i s c u s s e d ．S t r e s s s t a t e o f t h e v e n t i n g b o r e h o l e c a s i n g w a s a n a l y z e d ， s t r u c t u r e o f t h e c e me n t p i p e wa s d e s i g n e d， a n d t h e c o s t o f s t e e l a n d c e me n t p i p e w e r e c o mp ~e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p i p e l i n e m a d e b y t h e h e a t —r e s i s t a n t c e m e n t c o u l d m e e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e U C G p r o j e c t ，s h o w i n g o b v i o u s a d v a n t a g e s c o mp a r e d wi t h t h e s t e e l p i p e ，w i t h c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d o n l y 1 ／ 3 c o s t ． Ke y wo r d s ： u n d e r gro u n d c o a l g a s i fi c a t i o n；b o r e h o l e c a s i n g ； g a s t r a n s mi t t i n g p i p e l i n e ；s t e e l t u b e ；c o n c r e t e p i p e 煤 炭 地 下 气 化 ( U n d e r g r o u n d C o a l G a s i fi c a t i o n ，简 称 U C G) 就是向地下煤层中通入气化剂，将煤炭进行有控制地 燃烧并产生可燃气体，再将煤气输出地面加 以利用的一种 采煤方法 j 。长期以来 ，煤炭地下气化工程 中钻孔套管 和输气管道均采用钢制材料，存在成本高、易腐蚀等缺点。 粗煤气中含有大量硫化物，如 H ： S 、S O 。 、C O S等，对钢制 管道具有严重的腐蚀作用，采用钢制管道长期输送这类腐 蚀性气体，将导致钢管厚度逐渐变薄，局部区域出现穿孔 现象，产生煤气泄漏事故，对地下气化工程的长期安全稳 定运行危害极大。若采用混凝土管道输送煤气则能解决这 一 问题，故提出了在煤炭地下气化工程中采用混凝土管道 替代钢制管道的设想，对混凝土管在煤炭地下气化工程中 收稿 日期 ：2 0 1 3— 0 9—2 3 基金项目：中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助项 目( S K L C R S M1 0 X 0 4 ) ；教育部科学 技术研究重点项 目( 0 2 0 1 9 ) ；江苏高校优势学科建设工程资助项 目( S Z B F 2 0 1 1— 6一B 3 5 ) 作者简介：黄温钢( 1 9 8 6一) ，男，江西上饶人，中国矿业大学博士研究生，从事煤炭地下气化研究工作，E—m a i l ： we n g a n g—hu a n g@ 1 6 3． c o rn。 引用格式：黄温钢，王作棠，等．混凝土管在煤炭地下气化工程中的应用初探 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 ( 2 ) ：9 5- 9 7 ． 95 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4 年第2期 的相关应用进行了探讨，为今后煤炭地下气化工程的管道 选择提供了备选方案。 1 混凝土管应力分析 混凝土管强度小于钢管，故应对其使用过程中的应力 状态进行分析，以此来确定混凝土管的壁厚，以满足使用 要求。在地下气化工程中，受腐蚀作用 的管路主要集中在 排气钻孑 L 套管和煤气净化前的输气管路 ，地下气化煤气输 送压力一般小于 6 0 k P a ，属低压管路输送，因此，无需对排 气钻孔处至净化前的管路段进行应力分析。 现对地下气化排气钻孔套管进行应力分析，为了便于计 算，进行如下假设 ：①排气钻孔由地表至气化炉底部一直铺 设有套管 ，受地应力影响，其各段受力状况均有所不同，在 此取钻孑 L 底部套管作为应力分析对象，由于该处受力最大 ， 套管只要满足此处强度要求，其上部的强度要求亦能满足； ②为了简化计算，假设钻孔孔壁和套管外壁紧密贴合，且不 考虑两者间的摩擦力；③排气钻孔的倾斜角度为固定值；④ 当钻孔倾斜时，套管同一截面上外壁各点的受力不同，但变 化相对较小，故视同一截面上外壁各点受力相同；⑤套管采 用耐热材料( 耐高温混凝土) 制造，温度对其强度的影响甚 小，故不考虑管体内温度应力的叠加效应。 在气化钻孔围岩中，套管埋设与原岩应力分析示意图 如图 1 所示，以垂直和水平截面截取单元体 a b c d ，显然 ， 其周围各面皆为主平面，应力皆为主应力，即各平面上的 96 I —I 截面图 图 1 套管埋设与原岩应力分析示意图 切应力均为 0 。已知单元体 a b c d为 二向应力状态， 、 由式( 1 ) 计算可得。 "始l ( 1 ) = 卵2 yHg J 式 中，r ， 为 水 平 地 应 力 ，MP a ； 为 垂 直 地 应 力 ， MP a ； 为水平地应 力 系数 ，取 1 ． 3 ； ：为垂 直 地应 力 系 数，取0 ． 2 5～ 0 ． 4 3 ； 为岩石容重， m ；H为埋深，m。 根据文献 [ 5 ] ，二 向应力状态下，已知一点的某些截 面上的应力后 ，可 以确定该点 的其他截面上的应力状态， 故根据式( 1 ) 可得套管外壁在径向和轴向的应力状态，忽略 钻孑 L 壁和套管外壁的摩擦力，可得： q b = + CO S Z ~ l ( 2 ) = d = — — 一十 — — — I ， 1 、 ，r = 0 J 式中，q 为套管外壁正应力，MP a ； 为套管外壁切 应力 ，M P a 。 正常运行过程中，套管内输送煤气的压力一般为 3 0～ 5 0 k P a ，相对于管外压力小得多，因此，可将其视为仅受外 力作用的情况。此外 ，套管轴向方向上受到套管 自身重力 的分力，其大小为 = p g l s i n a 。根据文献 [ 6 ] ，套管内单 元体的应力分量表达式为： 1 一 a 1 + 了a =一 — q 6 ； =一— ‘q 6 ； ： =一 p g l s i n ~( 3 ) 1 一 a 1 一 g 6 式中， 为套管外壁法向应力 ，M P a ； 为套管径向 应力 ，MP a ；q 为套管外压力，MP a ；q 为套管 内压力， MP a ；b 为套管外壁半径，mm；a为套管内壁半径 ，m m；r 为套管内任一计算点半径( a ≤r ≤b ) ，m m； 为套管内任一 计算点半径与 轴正方向顺时针所成角度 ，( 。 ) ； 为套 管内轴向应力 ，MP a ；P为套管材质密度 ，k g ／ m ；? 为斜截 面上部套管铺设长度 ，MP a ； 为套管铺设角度 ，( 。 ) 。 由式( 3 ) 可知，套管内部单元体各平面受压应力 ，随着 r 增大， ， 值呈递增趋势 ，盯 值呈递减趋势，而 值与半 径无关 ，且数值上 or 。or ： 和 。 大小关系与 b 有关，下面分情况讨论： 1 )当 >or 时，有 一 ( + ， ) ]= or b ( 5 ) 焊接法兰盘 法兰盘 Ⅱ一 Ⅱ 剖面图 ( a ) 排气钻孔套管 图2 管路结构示意图 法兰盘 ( b ) 地面输气管路 ≤ √ 豢 06m 56 ≯ ； 2) 当 ‘ 时 ， 有 菩 蔷 ’ ’ 一 + r ) ] O r b ( 5 结 语 可 得6 ≤ ． ／ -or b -- ／z a n b or ~ ： 1 ． 5 8 m ， 贝 0 6 ： b 一 0 ≤ 1 ． 0 6 m 。 、 ／ z 6 q 6一／． t o " 讨论结果表 明，上述工程条件下 ，混凝土套管的屈服 破坏主要是由其 自身 的重量引起 的，围岩压力影响较小。 在实际使用过程中，仅按外压作用时产生的应力值来计算 管子壁厚是远远不够的，尽管按最大剪应力理论计算得出 的结论比较符合实际，但还需考虑管子由于构造、制造工 艺以及运行条件方面造成其强度削弱的诸因素。根据现行 国家标 准 ，当混凝土管内径为 l m时，其壁厚 不小于 1 0 0 m m，故取 占 =1 0 0 mm。 3 混凝土管路结构与连接方式 煤炭地下气化排气钻孔口的煤气温度可达 2 5 0—3 5 0 ％， 排气钻孔中的温度更高，故管路的制作材料应使用耐热( 耐 火) 混凝土。为了便于管路安装和连接，管路两端需预置法 兰盘，通过管道内部的纵筋连接。根据使用的环境不同， 排气钻孔套管和地面输气管道的法兰盘结构有所不同，前 者法兰盘边缘与管道外壁平齐 ，套管间采用焊接技术连接， 并 由地面钻孔 口处 装入 钻孔 内 ；后者 法兰 盘结构 与钢管 法 兰盘相似，采用螺栓连接，并保证输气管路的密闭性 ，管 路结构如图 2所示。 4 经济分析 为对比钢管和混凝土管的成本，现取内径为 1 in的管进 行比较。首先需确定钢管的壁厚，内径为 1 IT I 的碳钢管 ，工 厂加工时的壁厚一般为 1 0 m m，该规格的碳钢管市场价格约 为 1 5 0 0 m( 含防腐材料价格) 。而同样内径的混凝土管， 壁厚为 1 0 0 m m，该规格的混凝土管市场价格约为 4 5 0～4 6 0 m。混凝土管价格仅为碳钢管的 1 ／ 3 ，成本优势较为明 煤炭地下气化工程实践中，钻孑 L 套管或输气管路内煤 气中含有大量硫化物，对钢制管路具有腐蚀作用，影响煤 炭地下气化工程的长期安全稳定运行，而采用混凝土管则 能有效避免这一问题。采用现行混凝土管的国家标准制作 的混凝土管能满足地下气化工程使用的强度要求 ，且混凝 土管的成本仅为钢管 的 1 ／ 3 ( 内径均为 1 m的情况下) 。因 此，采用混凝土管作为煤炭地下气化排气钻孔套管和输气 管路具有明显的优势。但也存在一些缺陷，如混凝土管重 量大、长度短，带来 了安装工程量大、容易漏气 等问题， 应 当引起注意 。 参考文献 ： [ 1 ] 黄温钢，王作棠，辛林 ． 从低碳经济看我国煤炭地下气化 的前景 [ J ]．矿业研究与开发 ，2 0 1 2 ，3 2 ( 2 ) ：3 2— 3 6 ． [ 2 ] 余力 ． 煤炭地下气化学术论文选集 [ M]．徐州：中国矿 业大学出版社 ，2 0 0 3 ． [ 3 ] Z u o t a n g Wa n g ，X u e p in g Di n g ，L i w e n H u o ，e t a 1 ． A r e m i n in g t e c h n o l o g y o f u n d e r g r o u n d c o a l g a s i fi c a t i o n a t Z h o n g l i a n g s h a n C o a l Mi n e [ J] ． J o u rna l o f C o a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ，1 4( 3 ) ：4 6 9— 4 7 3 ． [ 4 ] Z u o t a n g Wa n g ，We n g a n g H u a n g ，P e n g Z h a n g ，e t a 1 ． A c o n t r a s t s t u d y o n d i f f e r e n t g asi f y i n g a g e n t s o f u n d e r g r o u n d c o a l g a s i fi c a t i o n a t H u a t i n g C o a l M i n e[ J ]． J o u r n a l o f C o a l S c i e n c e a n d E n gi n e e r i n g ，2 0 1 1 ，1 7 ( 2 ) ：1 8 1 —1 8 6 ． [ 5 ] 刘鸿 文 ．材料力学( I )[ M]．北京：高等教育出版社， 2 0 0 4． ‘ [ 6 ] 徐芝纶．弹性力学( 上册)[ M]． 北京 ：高等教育出版社， 2 0 0 6 ． [ 7 ] G B ／ T 1 1 8 3 6 — 2 0 0 9 ， 混凝土和钢筋混凝土排水管 [ S ]． ( 责任编辑张宝优) 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m