管道维抢修封堵卡具的研制难点及解决方案探析

管道维抢修封堵卡具的研制难点及解决
方案探析
摘要：油气管道封堵卡具是一种用于紧急情况下的管道维抢修工具。

长输油气管道维抢修分为切割焊接与安装外部装置，封堵卡具维抢修是对管道封堵补强的一种方式，该维抢修方式简单快捷，主要步骤包括开挖作业坑，调整安装与回填恢复。

封堵卡具维抢修适用于操作压力等级较低的管道，可以减少长输油气管道破损停输产生的经济损失。

关键词：管道；维抢修；封堵卡具
1 管道维抢修封堵卡具结构设计
随着油气管道建设的增多，目前国内铺设输油气管道长度超过18万公里，长输油气管道长期使用中受到多种因素影响，如打孔盗油，第三方施工，自然灾害等，管线出现渗漏问题影响油气生产，造成能源浪费。

如何快速消除长输油气管道泄漏受到广泛关注，长输油气管道封堵卡具可以对管道实施有效封堵。

目前国内长输油气管道封堵卡具研制技术不完善，国外长输油气管道维抢修封堵卡具研制技术较为成熟，但购买国外公司封堵卡具费用高，因此，需要从封堵卡具结构形式等要素入手研究研制。

管道维抢修封堵卡具认证无特定标准，参考船级社制定机械接头认证标准，封堵卡具认证需通过水压实验，到达实验压力后保压5 min出现液体泄漏认为失败。

实验中压力取设计压力1.5倍。

封堵卡具是不停输在线维修技术，轴向密封配合形成密封腔，封堵卡具基础结构包括螺栓与壳体，密封件分为轴向密封条与密封环，根据密封形式分为套筒增强型与楔形加紧型。

基础型封堵卡具包括螺栓壳体与密封件，安装时半壳体靠近管道，周向密封环与管道接触形成周向密封，封堵卡具包夹管道形成完整密封腔。

结构简单的封堵卡具更经济，结构复杂度的封堵卡具可以保证高密封等级。

选取封堵卡具要综合考虑经济适用性，如安全等级较低的管道可选择简单封堵卡具，压力等级较高的管道选择耐高压封堵卡具维修。

封堵卡具承压设备必须优先考虑结构完整性，根据壳体承压强度设计，壳体最薄处厚度参考压力容器相关标准确定。

管道外径为273 mm，卡具设计压力为10 MPa，长输油气管道通常用X60钢屈服强度约为413 MPa，初步选为16Mn卡具壳体材料。

计算得壳体最小厚度不超过35 mm，应适当增加壳体厚度确定为40 mm。

卡具密封宽度取在1～1.5 D，螺栓中心线至卡具外壁与耳板连接处距离取60 mm，计算得壳体耳板厚度不小于45 mm。

密封卡具是长输油气管道封堵补强维抢修机具，在壳体贴合度较高状态下保证介质泄漏率低于某定值。

假设流体在间隙中流动为稳定，轴向密封间隙泄漏简化为固定平板间流动，密封材料间隙渗漏简化为圆形直管内流动。

壳体贴合度较高轴向密封间隙度小，间隙长度决定耳板宽度。

耳板长度为820 mm，最多可开12个M52螺栓提供1200t荷载。

2 管道封堵卡具密封技术
封堵卡具密封分为横向密封与环向密封，管道封堵卡具环向密封是对壳体环向泄漏通道密封。

加工使用中构成密封连接机体表面肉眼观察光滑，由于机构加工中机床刀具系统误差等，使加工表面存在形状误差与波纹度。

构成密封连接固体表面粗糙，荷载作用下固体表面接触发生在离散微凸体上，部分微凸体发生弹性变形，微凸体顶板压入配合表面，接触表面分为名义接触与真实接触面。

大多数材料真实接触面积约占0.01%～0.1%。

平衡状态下任意材料原系统原子处于平衡位置，大多数原子排布不变，原子离平衡位置产生力与外部作用力抵消。

塑性变形中部分位置平衡打破，原子间产生相对滑移等运动，宏观产生材料永久变形。

密封接触面存在很多微观缺陷，压力状态下形成微小泄漏通道，密封材料必须具有一定流动性填充表面缺陷，密封材料要具有一定弹性维持密封压力不变。

密封接触表面必须保证接触表面在外力作用下有可靠的密封压力。

密封面接触由光滑平面构成，发生接触时平面应力均匀分布，密封介质趋向于密封接触面
分离。

荷载作用下密封表面发生名义接触面积上，随着密封预紧力加大接触斑点
与周围融合。

封堵卡具设计压力为10 MPa，密封材料表面接触应力大于15 MPa
保证压力达到15 MPa。

密封技术是封堵卡具的关键技术，封堵卡具不失效关键是形成稳定密封腔管道，密封材料应具有可压缩性与导向弹性。

常用金属密封材料有钛合金、不锈钢等，常用非金属密封材料包括聚四氟乙烯、柔性石墨等，柔性石墨具有压缩回弹性，不渗透性等特性，柔性石墨耐高温性可以满足永久密封需求。

3 管道封堵卡具实验
通过实验验证封堵卡具设计合理性，将石墨密封件放入沟槽内，通过扭矩扳
手预紧螺栓记录相应扭矩值，在水压实验开始前观察密封材料渗透率。

实验工装
模型与预制管道置于试验台，不断晃动工装使其中气泡排除，压力表读数开始变
化不明显，升压至工作压力后关闭截止阀，工作压力下稳定5 min后检查工装模
型是否泄漏。

工作压力密封后进行压力失效实验，压力达到压力表量程2/3处停
止打压。

实验后拆除设备，拆开实验工装模型检查密封部位。

简单结构封堵卡具水压实验结果不理想，实验选用不同材质密封环，石墨密
封环密封15 MPa以上压力，氟橡胶密封性能优于石墨编织盘根密封，石墨编织
盘根接口较为粗糙，可改良接口形状可以密封更高压力。

环向密封设计可行，密
封环不能密封15 MPa以上压力。

基础模型封堵卡具密封压力较低，改进设计螺
栓必须达到均衡预紧状态，实验中工装多为手持活动扳手安装，预紧力不足影响
密封性能。

安装中周向密封环开出小槽，制作套筒增强型封堵卡具工装，从侧向
对石墨密封环外溢限制，通过套筒增强方式增强封堵卡具密封性能。

密封环安装
时给定预紧力，套筒增强后封堵卡具密封压力达到10 MPa设计要求。

轴向密封
条搭接处为密封薄弱处，接口表面处理存在问题，采用精密加工方式可以提高密
封性能。

4 结语
综上所述，管道泄漏抢修卡具是用于高压大口径长输油气管道堵漏主要工具，具有安全高效特点，可防止爆炸等重大危险事故发生。

高压管道维抢修卡具两端
加强肋设计为圆弧状增加刚度，合理布局注剂孔位置，可在方便引出泄漏介质同时注入密封剂，卡具内部留出合理尺寸空腔对卡具整体受力等影响小，优化设计新型高压管道对开式卡具，改善堵漏效果，具有结构简单操作简便等特点。

测试表明抢修卡具可实现φ1 016 mm管道10 MPa介质下发生泄漏快速抢修，可满足管道快速抢修时效性要求。

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