輸氣混凝土

輸氣混凝土是套用在煤炭地下氣化工程中的混凝土，其主要材料為耐熱混凝土。由於採用鋼製管道長期輸送腐蝕性氣體，將導致鋼管厚度逐漸變薄，局部區域出現穿孔現象，產生煤氣泄漏事故，對地下氣化工程的長期安全穩定運行危害極大，採用混凝土管道輸送煤氣可以解決這個問題。

基本介紹

• 中文名：輸氣混凝土
• 外文名：Gas transmission concrete
• 主要材料：耐熱混凝土
• 所屬學科：土木工程
• 作用：防止腐蝕性氣體導致的煤氣泄漏
• 注意：密封性

研究背景

煤炭地下氣化(簡稱UCG)就是向地下煤層中通入氣化劑，將煤炭進行有控制地燃燒並產生可燃氣體，再將煤氣輸出地面加以利用的一種採煤方法。長期以來，煤炭地下氣化工程中鑽孔套管和輸氣管道均採用鋼製材料，存在成本高、易腐蝕等缺點。粗煤氣中含有大量硫化物，對鋼製管道具有嚴重的腐蝕作用，採用鋼製管道長期輸送這類腐蝕性氣體，將導致鋼管厚度逐漸變薄，局部區域出現穿孔現象，產生煤氣泄漏事故，對地下氣化工程的長期安全穩定運行危害極大。若採用混凝土管道輸送煤氣則能解決這一問題，故提出了在煤炭地下氣化工程中採用混凝土管道替代鋼製管道的構想，對混凝土管在煤炭地下氣化工程中的相關套用進行了探討，為今後煤炭地下氣化工程的管道選擇提供了備選方案。

輸氣混凝土管應力分析

混凝土管強度小於鋼管，故應對其使用過程中的應力狀態進行分析，以此來確定混凝土管的壁厚，以滿足使用要求。在地下氣化工程中，受腐蝕作用的管路主要集中在排氣鑽孔套管和煤氣淨化前的輸氣管路，地下氣化煤氣輸送壓力一般小於 60k Pa，屬低壓管路輸送，因此，無需對排氣鑽孔處至淨化前的管路段進行應力分析。

為了便於計算，可以進行如下假設∶

①排氣鑽孔由地表至氣化爐底部一直鋪設有套管，受地應力影響，其各段受力狀況均有所不同，在此取鑽孔底部套管作為應力分析對象，由於該處受力最大，套管只要滿足此處強度要求，其上部的強度要求亦能滿足；

②為了簡化計算，假設鑽孔孔壁和套管外壁緊密貼合，且不考慮兩者間的摩擦力；

③排氣鑽孔的傾斜角度為固定值；

④當鑽孔傾斜時，套管同一截面上外壁各點的受力不同，但變化相對較小，故視同一截面上外壁各點受力相同；

⑤套管採用耐熱材料﹙耐高溫混凝土﹚製造，溫度對其強度的影響甚小，故不考慮管體內溫度應力的疊加效應。

混凝土管路結構與連線方式

煤炭地下氣化排氣鑽孔口的煤氣溫度可達 250 ～ 350℃ ，排氣鑽孔中的溫度更高，故管路的製作材料應使用耐熱( 耐火) 混凝土。為了便於管路安裝和連線，管路兩端需預置法蘭盤，通過管道內部的縱筋連線。根據使用的環境不同，排氣鑽孔套管和地面輸氣管道的法蘭盤結構有所不同，前者法蘭盤邊緣與管道外壁平齊，套管間採用焊接技術連線，並由地面鑽孔口處裝入鑽孔內; 後者法蘭盤結構與鋼管法蘭盤相似，採用螺栓連線，並保證輸氣管路的密閉性，管路結構如圖 所示。

使用材料

耐熱混凝土是指在 200～1300℃高溫長期作用下，其物理性能、力學性能不被破壞，且具有良好的耐急冷急熱性能，在高溫作用下乾縮變形小的一種特殊混凝土。

在高溫作用下，混凝土會產生退化，這種退化包括質量減少、形成大量的孔以及裂縫、強度及彈性模量的下降，混凝土的這種退化會造成混凝土出現大面積的裂縫甚至坍塌。退化的主要原因有以下兩點：第一是水泥漿體失水；第二是骨料膨脹和水泥漿體與骨料以及鋼筋的熱膨脹不協調而產生熱梯度，從而導致結構的破壞。混凝土在高溫下受到破壞是由於多種因素共同作用的結果，這些因素之間的關係非常複雜。

根據現有的研究成果，普通混凝土隨著溫度變化一般遵循著以下規律進行：

溫度≤100℃，混凝土內部的自由水逐漸蒸發，在混凝土內部形成許多的毛細裂縫以及孔隙。載入後，縫隙尖端的應力集中，裂縫擴展，促使混凝土的抗壓強度降低。

200℃≤溫度≤300℃，混凝土內部的自由水已經全部蒸發，水泥凝膠水中的結合水開始脫出。膠合作用的加強減弱了縫隙尖端的應力集中，裂縫減小，混凝土強度提高；但是由於粗細骨料和水泥漿體兩者的溫度膨脹係數不相等，應變差的增大使骨料界面形成裂紋，降低了混凝土強度。這些矛盾的因素同時作用，使這一溫度區段的抗壓強度變化複雜。

溫度≤500℃，粗細骨料和水泥漿體的溫度變形差繼續增加，界面裂縫不斷開展以及延伸，而且 溫度到達400 ℃以後，水泥水化生成的氫氧化鈣等物質脫水，體積膨脹，促使裂縫擴大，混凝土的抗壓強度顯著下降。

溫度≤600℃，未進行水化的水泥顆粒以及骨料中的石英成分形成晶體，伴隨著這些物質巨大的膨脹，部分骨料內部開始形成裂縫，混凝土的抗壓強度急劇下降。

經濟分析

為對比鋼管和混凝土管的成本，現取內徑為 1m 的管進行比較。首先需確定鋼管的壁厚，內徑為 1m 的碳鋼管，工廠加工時的壁厚一般為 10mm，該規格的碳鋼管市場價格約為 1500 元/m( 含防腐材料價格) 。而同樣內徑的混凝土管，壁厚為 100mm，該規格的混凝土管市場價格約為 450 ～ 460元/m。混凝土管價格僅為碳鋼管的 1 /3，成本優勢較為明顯。然而，由於自身特性限制，混凝土管道一般重量大、長度短，在施工過程中，安裝工程量加大，連線環節增加，需要注意管路的密閉性。