油氣管道折疊封堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場試驗(yàn)

姜 芳，葛漢林，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

油氣管道折疊封堵頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場試驗(yàn)

姜 芳，葛漢林，吳 明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

折疊封堵頭是油氣管道折疊封堵技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。文章概述了油氣管道不停輸封堵?lián)Q管的一般原理，闡述了折疊封堵技術(shù)的優(yōu)勢和主要應(yīng)用領(lǐng)域，詳細(xì)介紹了折疊封堵頭的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。通過對720管徑、529管徑的現(xiàn)場封堵試驗(yàn)，驗(yàn)證了折疊封堵頭的可行性，測定了封堵壓力。

油氣管道；帶壓封堵；折疊式；封堵頭；維搶修

油氣管道帶壓開孔—封堵技術(shù)就是指管道在密閉狀態(tài)下，以機(jī)械切削方式在管道上加工出圓形孔，然后從開孔處將封堵頭送入管道并密封管道，從而阻止管道內(nèi)的油氣流動[1]。它可完成管道在不停輸狀態(tài)下的更換管段等維搶修作業(yè)[2-4]。管道帶壓開孔—封堵技術(shù)按封堵頭分類，分為囊式封堵頭、盤式封堵頭、折疊封堵頭和筒式封堵頭[5]。我們對折疊封堵技術(shù)與設(shè)備做了有意義的探索，并研制出商品化的折疊封堵頭。

1 油氣管道帶壓封堵技術(shù)簡介

1.1 管道不停輸封堵工藝的一般原理

管道不停輸封堵工藝是指對于不允許停輸?shù)墓艿谰S搶修改造工作，在管道上帶壓焊接旁通三通并開旁通孔、建立旁通管路，達(dá)到不停輸封堵的目的。它的一般工作原理是：首先是封堵管件的組對與焊接，在維修改造管段的上下游，焊接旁通三通和封堵三通。在旁通三通和封堵三通上吊裝夾板閥（專用閥，也稱三明治閥），夾板閥上吊裝開孔聯(lián)箱和開孔機(jī)，這樣三通、夾板閥、開孔聯(lián)箱、開孔機(jī)就形成了一個封閉腔體。開孔用的圓形筒刀安裝在開孔機(jī)主軸上。其次進(jìn)行開孔作業(yè)，開孔機(jī)有液壓、氣壓、電動等動力源型式，開孔時應(yīng)確認(rèn)孔完全被開透，方可上提刀具并隨刀具帶出切割下的鞍形板，從而完成帶壓開孔過程。開孔完成后關(guān)閉夾板閥，卸放壓力，排出開孔聯(lián)箱內(nèi)的介質(zhì)，拆卸開孔聯(lián)箱和開孔機(jī)。再次是旁通管線投用，在旁通處夾板閥上安裝旁通管線，用運(yùn)行管道內(nèi)的介質(zhì)導(dǎo)通旁通管路，從而實(shí)現(xiàn)干線與旁通線同時輸送介質(zhì)。接著進(jìn)行封堵作業(yè)，把封堵聯(lián)箱和液壓封堵缸吊裝到封堵處夾板閥上，封堵頭安裝在封堵缸的活塞桿上，利用液壓封堵缸把封堵頭送入管道內(nèi)，以機(jī)械手段按規(guī)程封堵并進(jìn)行封堵效果的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)干線全部介質(zhì)走旁通管路、將維修改造管段隔離出來的目的。接下來是進(jìn)行斷管和管道改造作業(yè)。最后封堵隔離管段施工完成投用、解除封堵、拆除旁通管路、管道防腐及地貌恢復(fù)等。

管道不停輸封堵?lián)Q管的原理如圖1所示[6]。

1.2 折疊封堵技術(shù)的優(yōu)勢

折疊封堵的優(yōu)點(diǎn)是：①無需在管道上開等徑孔（封堵管徑DN720，封堵孔直徑只需￠500 mm）；②開孔數(shù)少，單側(cè)除了開旁通孔外，只需開一個封堵孔；③封堵設(shè)計壓力達(dá)到1.0 MPa。

由于擋板—囊式封堵的特點(diǎn)：封堵壓力不超過0.2 MPa，單側(cè)除了開旁通孔外，需要開送囊孔和擋板孔，對開孔質(zhì)量要求高，若開孔邊緣有毛刺將極易劃破橡膠囊等[7,8]。所以在低壓封堵領(lǐng)域，折疊封堵取代擋板—囊式封堵具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

圖1 管道在線封堵的原理Fig.1 Principles of the online plugging

2 折疊封堵頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 折疊封堵頭的結(jié)構(gòu)組成

折疊封堵頭是油氣管道折疊封堵技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。它通過管道上所開的不等徑孔插入管道中而臨時堵塞一條管道的介質(zhì)流動，充當(dāng)一個切斷閥的作用。

折疊封堵頭主要由后左（右）側(cè)折壓板、斜拉桿部件、導(dǎo)向輪部件、后中間固定壓板、封堵頭座身、封堵頭水平調(diào)整塊、搖臂、前中間固定壓板、前左（右）側(cè)折壓板、銷軸、封堵皮碗等組成[9]。

壓板分為前、后兩組，每組由三塊組成。中間固定板成上下兩端為圓弧的板塊形。左右兩側(cè)的折壓板成月牙形，與中間固定壓板組成轉(zhuǎn)動副，在斜拉桿部件的作用下可以收折起來。前壓板可形成一個相對管道內(nèi)徑略小的圓盤平面。壓板的作用是裝夾封堵皮碗。由于左右兩側(cè)折壓板可以收折和展開，夾在中間的橡膠皮碗自然就跟著收折和展開。

兩組斜拉桿部件的前端通過拉釘將前左（右）側(cè)折壓板和后左（右）側(cè)折壓板夾皮碗連接，后端通過銷軸與封堵頭座身轉(zhuǎn)動副連接。斜拉桿部件的作用是收折或展開兩側(cè)的折壓板。

上下兩根搖臂的前端通過銷軸與后中間固定壓板轉(zhuǎn)動副連接，后端通過銷軸與封堵頭座身轉(zhuǎn)動副連接。搖臂的作用是支撐整個封堵頭前部的壓板與封堵皮碗。

導(dǎo)向輪部件安裝在前中間固定壓板的中軸線上下方。導(dǎo)向輪部件的作用是其上的滾輪與管道內(nèi)壁接觸，引導(dǎo)整個封堵頭在管道內(nèi)移動，減小摩擦。

封堵頭水平調(diào)整塊安裝在封堵頭座身的底部，位置可調(diào)以適應(yīng)不同的管道壁厚。它的作用是保證封堵頭下落到極限位置時，整個壓板平面與管道軸線是垂直的，即壓板平面既不前傾也不后仰。當(dāng)封堵頭在管道內(nèi)下落直到水平調(diào)整塊觸到管道內(nèi)下壁時，壓板與皮碗完全展開成一個平面，在管道內(nèi)形成嚴(yán)密的封堵。

封堵皮碗被裝夾在前后壓板之間。皮碗邊緣與管道內(nèi)壁的摩擦、擠壓、貼合，來完全阻斷介質(zhì)的流動。

折疊封堵頭的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。

圖2 折疊封堵頭的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of the folding p lugging head

折疊封堵頭的三維模型及外形,如圖3所示。

圖3 折疊封堵頭三維模型和外形Fig.3Three-dimensional model and shape of the folding p lugging head

2.2 折疊封堵頭的工作原理

裝夾皮碗的壓板設(shè)計為由三塊組成，左右兩側(cè)的折壓板可以收折，便解決開小孔下入管道的關(guān)鍵問題。在管道封堵作業(yè)時，折疊封堵頭安裝在液壓封堵缸的活塞桿上。封堵聯(lián)箱、液壓封堵缸、折疊封堵頭安裝成一體，在封堵現(xiàn)場被稱為封堵設(shè)備。吊裝此封堵設(shè)備到封堵處夾板閥時，由于重力作用，折疊封堵頭前部的壓板及皮碗下落，在斜拉桿作用下使左右兩側(cè)壓板收折，封堵頭收緊形成一個較小直徑的收折體，如圖4(a)所示。

開動液壓動力源，液壓封堵缸的活塞桿慢慢伸出，使折疊封堵頭從封堵孔中慢慢下入管道。因?yàn)榉舛骂^的上下2個搖臂、后中間固定壓板、封堵頭座身形成一個平行四邊形機(jī)構(gòu)，而平行四邊形機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是連桿作平移運(yùn)動，所以整個封堵頭壓板可上下平動，且能保證前后固定壓板平面與管道軸線始終垂直。折疊封堵頭在慢慢放入管道的過程中，下部導(dǎo)向輪首先接觸到管道內(nèi)壁。液壓封堵缸活塞桿的不斷伸出，封堵頭座身繼續(xù)下落，同時封堵頭在導(dǎo)向輪引導(dǎo)下慢慢沿管道內(nèi)壁推向前方，且左右折壓板同時也在慢慢張開，如圖4(b)所示。當(dāng)封堵頭座身端部的封堵頭水平調(diào)整塊最終抵到管道下部內(nèi)壁內(nèi)，此時左右兩側(cè)折壓板完全張開，皮碗與管道內(nèi)壁貼合，封堵頭就將管道嚴(yán)密的封堵，如圖4(c)所示。

圖4 折疊封堵頭工作原理Fig.4 The working principle of the folding plugging head

2.3 封堵皮碗的結(jié)構(gòu)設(shè)計

封堵皮碗被裝夾在封堵頭前后兩組壓板之間。皮碗成圓錐體外形，有小端面和大端面。其中，小端面直徑與管道內(nèi)徑相同，大端面直徑大于管道內(nèi)徑，如圖5(a)所示。當(dāng)封堵頭進(jìn)入管道時，由于管道內(nèi)壁尺寸限制，皮碗受摩擦擠壓作用，發(fā)生彈性變形。在回彈力和管道壓力的雙重作用下，皮碗邊緣緊貼在管道內(nèi)壁上，實(shí)現(xiàn)管道的封堵，如圖5(b)所示。

由于皮碗需要收折，所以皮碗材料硬度必須適中，而且皮碗材料必須完全是橡膠，中間不能含有抗拉體（線）。這就是折疊封堵只能適用于低壓封堵的根本原因。

圖5 皮碗封堵管道的示意Fig.5 Diagram of the sealing cup plugging pipeline

3 現(xiàn)場封堵試驗(yàn)

設(shè)計參數(shù)：設(shè)計封堵壓力1.0 MPa，試驗(yàn)壓力1.5 MPa。

試驗(yàn)一：封堵管徑DN720 mm，管道壁厚9～12 mm，開孔直徑￠500 mm；

試驗(yàn)二、封堵管徑DN529 mm，管道壁厚9～12 mm，開孔直徑￠376 mm。

折疊封堵頭進(jìn)入進(jìn)行封堵的現(xiàn)場動作過程，如圖6所示。

圖6 折疊封堵頭的封堵動作過程Fig.6 The action process of the folding plugging head

4 結(jié) 論

我們研制的折疊封堵頭是折疊封堵技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。

它在重力作用下能收緊而形成一個較小直徑的收折體，這樣就能從小于管道內(nèi)徑的開孔中下入管道。在放入管道的過程中，封堵頭慢慢沿管道內(nèi)壁推向前方，同時慢慢張開，當(dāng)封堵頭水平調(diào)整塊接觸到管道下部內(nèi)壁時，封堵頭完全張開，封堵皮碗發(fā)生彈性變形。在回彈力和管道壓力的雙重作用下，皮碗邊緣緊貼在管道內(nèi)壁上，就將管道嚴(yán)密封堵。

折疊封堵的優(yōu)勢在于開孔直徑小，封堵設(shè)計壓力達(dá)到1.0 MPa。在低壓封堵領(lǐng)域，折疊封堵取代擋板—囊式封堵有廣闊的市場應(yīng)用前景。

［1］GB/T28055-2011.鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［2］王喜娟，馬春穩(wěn)，馬國華.油氣田大管徑管道封堵技術(shù)研究[J].石油化工應(yīng)用，2011，30（5）：80-92.

［3］林猛，牛迎戰(zhàn).帶壓封堵技術(shù)在成品油管道的應(yīng)用[J].化工設(shè)備與管道，2011，48（4）：52-54.

［4］劉忠，趙宏林，房曉明.一種新型的管道封堵器[J].石油化工應(yīng)用，2006，34（1）：49-51.

［5］江龍強(qiáng).管道封堵?lián)屝藜夹g(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].內(nèi)蒙古石油化工，2011（2）：100-103.

［6］中國石油管道蘭州輸氣分公司.長輸油氣管道搶修手冊[M].蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2005-12.

［7］SY/T 6150.2-2003.鋼制管道封堵技術(shù)規(guī)程第2部分：擋板—囊式封堵[S].北京：石油工業(yè)出版社，2003.

［8］高維民，孫建斌.輸氣管道囊式封堵需注意的問題[J].油氣儲運(yùn)，2002，21（7）：38-39.

［9］葛漢林，姜芳，吳明. 油氣管道帶壓不停輸折疊式封堵技術(shù)及設(shè)備的研究設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2014（4）：209-211.

Structure Design and Experiment of Oil and Gas Pipeline Folding Plugging Head

JIANG Fang，GE Han-lin，WU Ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The folding plugging head is the key equipment to plugging technology. In this paper, the basic principle of plugging technology with pressure conveying for the pipeline was summarized, advantages of the folded plugging technology and its main application fields were expounded, and the structural composition and working principle of the folding plugging head were introduced in detail. Through field plugging tests of DN 720 and DN529 pipes, the feasibility of folding plugging head was verified, and the plugging pressure was determined.

Oil/gas pipeline; Under-pressure plugging; Folding; Plugging head; Maintenance and repair

TH 137

： A

： 1671-0460（2015）02-0389-03

2014-08-16

姜芳（1976-），女，遼寧錦州人，講師，碩士，2005年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及其自動化專業(yè)，研究方向：從事化工容器設(shè)計，管道維搶修設(shè)備研究工作。E-mail：508jf@163.com。