油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器研究進展

譚凱文，張　勛

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)①

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技術綜述

油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器研究進展

譚凱文，張勛

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)①

摘要：油氣管道一旦發生泄漏等事故，需對其進行及時的維護與維修。不停輸帶壓開孔技術是油氣管道維搶修中較為重要的一種方式，而封堵器是該技術的關鍵部件。綜述了國內外油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器的研究進展。介紹了國內外的在役封堵器，并分析了它們的技術優勢和不足。結果表明：我國封堵器與國外相比還有一段差距，但是目前已經取得了很大進展。指出了油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器正向著智能化和快捷化方向發展。

關鍵詞：管道維修；封堵器；研究進展

石油天然氣管道運輸是我國油氣資源的主要運輸方式。據統計，我國目前已經修建了1.8 萬km的成品油管道，2.2 萬km的原油管道以及4.5 萬km的天然氣管道[1]。所以，油氣管道建設與維護有著重要的意義。

我國現有油氣管道中85%的管道“服役期”超過10 a，而62%的油氣管道“服役期”在20 a以上。這使得我國的油氣管道在外力干擾、腐蝕、材料缺陷等因素的作用下更易發生管道失效以及閥門損壞等故障，引發油氣泄漏事故，對我國經濟、安全、環境等方面產生嚴重影響[2]。所以，一方面需要對管道進行有計劃的維護，另一方面要對在油氣輸送中出現的管道故障進行維搶修。在油氣管道維護或維搶修中，通常采用封堵技術來封堵住油氣管道內部的油氣資源[3]，然后進行下一步作業。封堵器的可靠性將直接影響到后續作業的安全快速性，所以封堵器的性能對于管道封堵作業有著至關重要的作用[4]。本文首先介紹了國內的封堵器原理及其優缺點，然后介紹了一些國外的封堵器，旨在促進我國封堵器技術的發展，不斷縮小與國外的差距。

1不停輸帶壓開孔封堵技術

現有的石油天然氣管道維搶修封堵技術主要有：不停輸帶壓開孔封堵技術、管內高智能封堵技術以及冷凍封堵技術。國內外現階段較為成熟的封堵技術是不停輸帶壓開孔技術。

1929年，美國第1次提出了帶壓封堵技術。我國從20世紀80年代開始研究這項技術，至今已經取得了很大進展。該技術現已廣泛用于現場實際操作。以前如果要對油氣管道進行維搶修，就必須進行停產降壓和管道置換，這不僅造成了一定的環境污染和經濟損失，而且使管道運行存在一定的安全隱患。為有效解決上述問題，油氣管道帶壓開孔封堵技術就應運而生了。這一技術只對待維搶修的局部管道區域進行開孔和封堵，再進行油氣管道的局部維修，從而為整個油氣管道施工作業提供有力的安全保證，這使得此技術得到了廣泛的應用。

以前對管道進行維修時要求停輸并且清空管道，或者只能采取一些臨時性的補救措施，給油氣管道的運行帶來極大的安全隱患[5]，管道運輸經濟性損失巨大。管道帶壓開孔封堵原理的提出，使上述問題得到解決，該工藝不需要管道進行停產降壓和管道置換，只需要對管道的待維修段進行開孔，并對局部區域進行有效封堵，然后進行局部維修，不但避免了不必要的經濟損失和對環境的污染[6]，又為管道的施工作業提供了更安全的保證，這使得此技術得到廣泛的應用。

所謂油氣管道不停輸帶壓開孔封堵技術指的是在保證油氣管道正常運行的條件下，對待維修油氣管道實施開孔封堵作業，并建立旁通的油氣管道，從而將原油氣輸送管路系統和維修段管路分離開來，以使得在進行維搶修時不影響油氣的輸送[7]。根據旁通管道建立方式的不同，可以分為標準式和結合器旁通式2種[8]。

1)標準式。在待維搶修的油氣管道上首先焊接封堵三通和旁通三通，對應地安裝上封堵夾板閥和旁通夾板閥，然后憑借旁通夾板閥建立起旁通管道，以達到臨時傳輸管道內部介質的目的。然后用封堵器封堵住主管道，即可對主管道進行維修和更換安裝，維修工作完成后，安裝法蘭盲板，整套施工作業完成。如圖1所示。

1—封堵器；2—封堵結合器；3—夾板閥；4—封堵頭；5—壓力平衡短節；6—維修管道；7—旁通三通；8—旁通夾板閥；9—旁通管道。

2)結合器旁通式。這一旁通管道的建立方式是基于結合器上的旁通法蘭來架設旁通管道，所以有效地節約了旁通三通的安裝成本，縮減了作業時間，但是對現場工作人員的熟練度有較高的要求。如圖2。

1—封堵器；2—封堵結合器；3—夾板閥；4—封堵頭；5—壓力平衡短節；6—維修管道。

2國內現役帶壓開孔封堵器

基于不停輸帶壓開孔封堵原理研制的油氣管道封堵器，按其封堵頭的機械手段不同可分為囊式封堵器、桶式封堵器、懸掛式封堵器 3種[9]。它們在不同工況下達到的封堵效果不相同，適用情況也有差別。所以，在實際作業時，應根據實際情況，選用不同的封堵器，以達到最佳的封堵效果。

2.1懸掛式封堵器

國內外現階段油氣管道不停輸開孔封堵技術實際應用中，懸掛式封堵器(如圖3)已得到了普遍的應用。懸掛式封堵器的工作原理，如圖4。由封堵機將其置入開孔位置，通過封堵機將其送入帶壓管道內轉向，利用管道介質壓力膨脹皮碗，與管內徑相配合，達到封堵效果。有2方面優點。

1)皮碗所受管道介質壓力較大，因此在油氣管道內部行進過程中能在很大程度上清理掉管道內部的雜質，使得懸掛式封堵器對管道清潔度要求不高。

2)其對管道介質壓力也無限制，這極大地拓寬了懸掛式封堵器的應用范圍，甚至可以進行高壓封堵。

圖3　懸掛式封堵器

圖4　懸掛式封堵器封堵示意

但其也有缺點。使用懸掛式封堵器，首先要使管道上開出的孔與管道內徑相等，這使得管道的強度受到影響，且刀具在施工中易損壞，封堵器的皮碗易被管道中的螺紋或焊縫割傷[10]。這使得懸掛式封堵器在現場使用時，時常出現封堵效果不佳甚至封堵不成功的現象，在很大程度上增加了施工的成本與時間。

2.2桶式封堵器

桶式封堵器如圖5。工作原理如圖6。先將整個封堵器送入到正在運行的帶壓油氣管道，后利用這一封堵器的傳動機械裝置使膨脹桶有效膨脹，以使桶上的皮碗與管道內表面結合緊密，從而實現帶壓封堵。桶式封堵器切斷了整個運行油氣管道，所以能夠適應具有變形嚴重或雜質較多等問題的管道，并且經常能取得好的預期效果。適用壓力0～10 MPa，適應溫度-30～260 ℃。

圖5　桶式封堵器

圖6　桶式封堵器封堵示意

由于這種封堵器需要利用四通進行整管切除，因此耗費的時間長，并且會使開孔處出現管道的危險點，破壞了管道的完整性。所以不建議采用該封堵器。

2.3囊式封堵器

20世紀80年代，我國自主開發研制了第1代囊式封堵器，并取得了一定的作業效果。囊式封堵器如圖7。工作原理是先通過開孔機在運行中的油氣管道上開孔，并且安裝好囊式封堵器，后將由高分子材料制成的氣袋送入到油氣管道內部，并給氣袋通氣以使其膨脹，從而與油氣管道內部結合緊密，以取得預期的封堵效果。囊式封堵器的優點是操作簡便和攜帶容易，但其氣袋的材質特性在很大程度上受到油氣管道內表面的光潔度影響，并且其只適用于小管徑、低壓力的場合。

圖7　囊式封堵器

管道模擬試驗發現，單純使用囊式封堵器進行油氣封堵的效果不太理想，雖然可以勉強實現但可能發生失效。這是因為囊式封堵器囊體下游的管道內部壓力已經降到零，所以只能靠囊體與管壁之間的摩擦力來平衡整個囊體所受的推力。但是原油能有效地對囊體的橡膠與管道內壁之間的界面進行潤滑，使囊體與管壁之間摩擦因數很小，經試驗測定僅為0.05～0.07。所以囊式封堵器(無擋板)的應用受到了很大的限制。

為有效地解決這一問題，人們對囊式封堵器進行優化設計和性能改良，并研制成功了擋板-囊式封堵器，即DNF型管道封堵器。相比普通的囊式封堵器，DNF型管道封堵器具有更為優良的性能。

DNF型管道封堵器的工作原理如圖8。先在待維搶修的油氣管道上下游帶壓開兩組孔，分別在下游孔和上游孔中送入能充氣脹大的密封囊體和展開后呈圓形的擋板，后上游孔中的囊體會通氣膨脹，使其外表面的橡膠與管道內表面結合緊密，以有效阻斷管道內部壓力介質的流動。同時，下游孔中的擋板會抵住囊體的后端，使得擋板承受由管道內部壓力引起并過囊體傳遞過來的推力，這種囊體與擋板相結合的封堵技術，取得了良好的應用效果。DNF型管道封堵器的優點是管件焊接量小，封堵設備簡便、開孔時間短、開孔尺寸小，省去了旁通管道并且切斷了管道內部壓力介質的流動，所以在管道事故搶修作業中應用廣泛。

圖8　DNF型封堵器封堵示意

然而，DNF型管道封堵器的開孔尺寸小這一特點也產生了一些負面影響。一方面，開孔尺寸小會直接導致砥柱直徑小，降低了砥柱承載力，進而降低了封堵壓力。另一方面，開孔尺寸小也會導致貯囊筒內徑小，使得囊頭在囊體收取時容易出現拉傷問題，從而使得維搶修作業存在安全隱患[11]。

3國內不停輸帶壓開孔封堵器研究進展

2008年，中國石油大學(北京)劉忠教授等[12]研制了一種新型的管道封堵器，此封堵器配有氣壓源，在送入裝置將封堵器送入目標位置后，通過氣壓源向封堵器輸入帶壓氣體，帶壓氣體進入封堵器內的氣囊，使之膨脹，實現封堵。解壓時，只需停止輸氣即可。該封堵器不僅實現了雙向自解封，并可在距開孔1 m處實施封堵，增加了施工的安全性。

2008年，中國石油管道公司的劉罡對現役擋板-囊式管道封堵器進行了分析，根據現場施工的情況發現了一些缺點，并提出了改進的方法，提高了擋板-囊式封堵器的性能[13]。

2013年，中國石油大學(北京)張仕民教授等[14]研制了一種管道雙級封堵器，該封堵器相對于傳統封堵器而言，實現了雙級封堵，前封堵皮碗還具有掃除管道中殘留切屑或者其他雜質的功能，使后皮碗封堵效果更佳，從而實現一次性成功封堵。

2013年，西南石油大學劉佳良和李斌教授[15]在美國TDW公司的鏈式封堵器的基礎上研制了一種只需開兩個孔就可以實現封堵的新型鏈式管道封堵器。該封堵器同樣采用了雙級封堵，增加了封堵的成功率。

2014年，中國石油大學(北京)張仕民教授等[16]研制了一種球狀雙封封堵器，該封堵器采用球狀一體化設計，在封堵球中部設計有兩個密封膠筒，通過液壓缸壓縮膠筒，使之產生徑向膨脹，實現封堵。此封堵器避免了開孔刀的損壞、螺旋焊縫和管道橢圓度對封堵效果的影響。

綜上所述，我國的封堵器研究起步較晚。中國石油大學(北京)張仕民教授一直致力于管道封堵器的研究，取得了很多成果。近幾年，我國封堵器的研究發展很快，目前，中國石油大學(北京)研究的封堵器取得突破進展，封堵效果有待觀察。

4國外現役不停輸帶壓開孔封堵器

國外對于封堵器的研究起步較早，技術相對成熟。對于這方面研究較多的有挪威的PSI公司[17]、美國的TDW公司、Oil-States Hydro Tech公司等。

4.1FURMANITE公司Folding Plugging

FURMANITE公司的Folding Plugging封堵器在20世紀70年代就運用于現場操作，如圖9～10。經過40多a的發展，技術成熟。Folding Plugging的工作原理是，皮碗折疊后通過在管道上開的小孔進入管道，封堵器導向輪首先接觸到管道下部內壁，封堵器在液壓缸作用下開始邊進入管道邊張開，當底座端部的水平調整塊接觸到管道下部內壁后，左右折壓板同時張開，封堵器就可以對管道進行密封。封堵器在斜拉桿作用下收緊，形成一個較小直徑的收折體，這樣封堵器就能從不等徑孔進入管道中。這使得Folding Plugging所需的開孔直徑小，能適應管道壁厚的變化，在大管徑封堵中有很明顯的優勢[18]，節約成本，縮短作業時間。該公司的懸掛式封堵器最大封堵設計壓力已達12.5 MPa，實現了1.5倍最大封堵壓力，可作用于管徑為1 372 mm的管道[19]。

圖9　Folding Plugging封堵器

圖10　Folding Plugging封堵示意

4.2美國TDW公司Double Block and Bleed Plugging

美國TDW公司推出了STOPPLE系列(STOPPLE Train)封堵系統[20-21]，如圖11。該系統中的封堵器為鏈式封堵器[22]。該封堵器主要由封隔圈、鋼絲輪、封堵頭本體和導向輪等結構組成。該封堵器的獨特之處在于有兩個封堵頭組成。

該封堵器的工作原理和傳統封堵器工作原理大致相同，它是由封隔圈和封堵頭本體在管內形成雙級密封，不同的是，該封堵器相對于傳統封堵器而言只需在管道上開兩個孔就可以完成臨時旁通管線的安裝以及封堵器的下放和回收。但是傳統的封堵器除了在管道上開兩個孔用以完成封堵器的下落和回收外，還需多開兩個孔，用來安裝臨時旁通管線。所以該封堵器的優點在于：開孔少，焊接面積減小，降低了油氣泄漏的安全隱患，降低了對現場施工設備的要求，從而很大程度上降低了施工作業的成本，縮短了施工的時間；該封堵器有兩個封堵頭，可以實現雙封堵，而且因加入了鋼絲輪結構，這樣在封堵器進入管道時可以對管道進行清污和除銹，提高了封堵能力。

圖11　Double Block and Bleed Plugging封堵器

4.3Stats Group公司BISEP

Stats Group發明了一種雙級封堵器—BISEP(Branch Installed Self-Energised Plug)。如圖12所示，該封堵器有兩個橡膠皮碗，故該封堵器有兩個封堵結構。在開孔機開好孔后，送入機構將BISEP送入孔內，開啟轉動液壓缸，封堵器頭部開始轉動，當轉動到和送入機構垂直時，開啟封堵液壓缸，壓縮橡膠，實現封堵(如圖13)。封堵器頭部有液壓系統，可以控制兩個橡膠皮碗進而實現封堵。因為該封堵器有兩個封堵結構可以實現雙級封堵，很大程度上提高了封堵成功率[23]。目前該封堵器能封堵的最大管徑為914 mm，最大封堵壓力為15 MPa。

圖12　BISEP封堵器結構示意

圖13　BISEP封堵成功示意

5結論

1)隨著油氣管道不停輸帶壓開孔封堵技術的不斷發展，需加強對封堵器的研究，以保證工作的安全性和可靠性。本文綜述了國內外相關的研究內容，以幫助學者做更進一步的研究。

2)近年來，油氣管道封堵器在管道維搶修中得到了很好的應用，降低了在維修管道中造成的經濟損失。雖然國內封堵器的研究發展迅速，但是與國外相比仍有很大差距，還需要不斷改進提高其水平。

3)油氣管道的研究方向為：智能化，實現操作系統和封堵器的智能控制，提高封堵效率，控制封堵風險；快捷化，油氣管道維搶修時間越久，經濟損失越嚴重，快捷實現油氣管道的封堵，可以減少經濟損失。

4)未來我國管道里程將不斷增加，新建管道的特點是：長距離、大口徑、高壓力和高流量，而且隨著南海的深水油氣資源開發，對于封堵器的需求和要求也會相應提高。但是，我國現役的封堵器不能滿足海洋油氣管道封堵作業要求。很有必要加強對其研究，以提高效率，保證安全性。

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文章編號：1001-3482(2016)07-0090-06

收稿日期：①2016-01-05

作者簡介：譚凱文(1992-)，男，四川瀘州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣裝備設計研究，E-mail：349461391@qq.com。

中圖分類號：TE973

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.021

Research Progress of Plugging Device in Holing and Sealing on Non-stop Pressured Transportation Gas/Oil Pipeline

TAN Kaiwen，ZHANG Xun

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum-Beijing，Beijing102249，China)

Abstract：Once leakage and other accidents happen，it should be maintained and repaired timely.Holing and sealing on non-stop pressured transportation technology is a significant method for the dimensional repair of gas/oil pipeline，and plugging device is a key component of the technology.The domestic and foreign research progress on the technology is reviewed.The advantages and disadvantages of existed plugging device are analyzed.The results show that there is still a gap between domestic and foreign，but domestic technology has made great progress.Further research orientation on the plugging device in holing and sealing on non-stop pressured transportation gas/oil pipeline is summarized as intelligence and high-speediness.

Keywords：pipeline maintenance；plugging device；study progress