壓力管道帶壓密封技術常用卡具的設計

蘇德強，李佑軍

（青海鹽湖元品化工有限責任公司，青海格爾木 816000）

0 引言

化工生產裝置中管道眾多，安全運行關系生態安全、環境安全、生命財產安全。由于其輸送的介質不斷流動，在腐蝕、沖刷、振動及密封材料失效等因素的影響下，在直管輸送管段、法蘭、異徑管段、流體介質改變方向的彎頭、三通和管道的焊縫等部位經常出現泄漏，泄漏如果得不到有效控制，會污染環境、影響企業經濟效益，甚至發生火災、爆炸等安全事故。因此如何快速有效地、在不降低管內介質壓力及溫度的情況下止住泄漏，就成為現代煉油、化工企業研究的重要問題。

在一般情況下，管道一旦發生泄漏很難在動態下進行補焊，原因有兩類：①熔融的金屬在凝固之前，就被噴出的介質吹跑；②泄漏介質本身威脅施焊人員的人身安全，尤其是易燃易爆的泄漏介質，難以在動態狀況下進行補焊。因此，通過帶壓密封技術，可以在不停車、不影響生產正常運行的情況下，帶溫、帶壓實施封堵，快速消除泄漏。本文總結了法蘭、直管、三通及彎頭泄漏時的卡具設計方案。

1 法蘭泄漏卡具的設計

法蘭的泄漏是化工行業管道泄漏中最常見的泄漏方式，也是影響連續生產最直接的因素，為了確保生產裝置長期平穩地運行，消除法蘭泄漏尤為重要。常用的消漏方法很多，如緊固法蘭、打抱卡、砸鉛板、金屬絲纏繞等，這些方法在溫度不高、壓力不大的情況下能夠起到堵漏的作用，但對于溫度高、壓力大和特殊部位的泄漏往往難以解決，對易燃易爆介質的泄漏處理就更加困難。

1.1 同心法蘭卡具的設計

同心法蘭，是指在法蘭的安裝過程中，兩法蘭中心處在同一水平軸線上，并未發生錯口等現象，對于此類法蘭的堵漏，通常采用凸形法蘭卡具和凹形法蘭卡具。

（1）凸形法蘭卡具（圖1）。當泄漏法蘭間隙＞5 mm，泄漏介質的壓力＞1.6 MPa，且泄漏量較大時，通常采用凸形法蘭卡具。該卡具中間留有一定的凸臺，凸臺的深度可依據法蘭外圓到連接螺栓的距離而定，凸臺寬度可根據法蘭間隙而定。在尺寸的測量過程中，可適當給以加工余量，避免因尺寸誤差造成卡具安裝不良。該卡具的加工尺寸較為精確，安裝在泄漏法蘭上能形成環形的密封腔，承壓能力強，堵漏成功率高。

圖1 凸形法蘭卡具

（2）凹形法蘭卡具（圖2）。當泄漏法蘭的間隙＜5 mm 時，一般采用凹形法蘭卡具。該卡具中間留有一定的空腔用來填充密封注劑，空腔的寬度可根據泄漏法蘭的間隙來定，其空腔高度根據泄漏介質的壓力來定。卡具安裝后，可與法蘭外圓形成密封空腔，很好地適應小間隙法蘭泄漏的情況。若操作得當，還可用于閥門壓蓋的堵漏。

圖2 凹形法蘭卡具

1.2 錯口法蘭卡具的設計

錯口法蘭是指在安裝過程中由于管道應力等條件的影響，兩法蘭面中心不在同一水平軸線上，此類法蘭的泄漏，通常也可采用凸形法蘭卡具和凹形法蘭卡具。但是，在卡具的設計上需要考慮兩法蘭之間的錯口量，錯口量的選取通常以實測為準。

2 直管泄漏的卡具設計

直管的泄漏通常發生在焊縫接頭、非焊接部位和活接連接等部位：①焊縫接頭處的泄漏通常由焊接缺陷導致，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未融合等；②非焊接部位的泄漏主要是介質在管道內的沖刷、腐蝕和管材本身的內部缺陷導致，造成管壁變薄，進而引發泄漏；③活接連接處的泄漏通常是由安裝不到位、介質的腐蝕和熱脹冷縮等導致。

直管泄漏常采用直管卡具，該卡具結構簡單、安裝方便，能很好地滿足堵漏要求，實用性強（圖3）。對于豎直管道上的漏點，為防止注膠時發生卡具滑落，可在合適的位置預先設置限位。

圖3 直管泄漏的卡具

3 三通、四通泄漏的卡具設計

三通、四通是直管連接中常見的連接部件，主要起分流和改變介質流向的作用。三通、四通的泄漏原因主要集中在以下兩類：①三通、四通本體的缺陷加上流體介質的沖刷、腐蝕造成的泄漏；②三通、四通主管連接部位發生的泄漏。此類泄漏通常采用盒式卡具；對于管徑大、注膠量較大的場合，可結合焊接制作出與三通、四通形狀相同的卡具，以減小施工的工作量（圖4）。

圖4 三通泄漏的卡具

4 彎頭泄漏的卡具設計

彎頭在管路中主要起改變介質流向的作用，也是常用的管件之一。彎頭在沖壓、冷煨或熱煨成型時，管件受拉、壓應力的作用使得管壁金屬脫落，再加上介質流體的沖刷，使得之前發生金屬脫落部位的管壁變薄，進而引發泄漏。彎頭的泄漏主要發生在曲率半徑最大的一側，通常采用彎頭卡具（圖5）。

圖5 彎頭泄漏的卡具

5 特殊卡具的設計

化工行業管道眾多、結構復雜，發生的泄漏多種多樣，合理設計卡具要結合實際情形，因情施策。以下列舉較為特殊的卡具設計方案以供參考。

5.1 波紋管膨脹節泄漏的卡具設計

膨脹節習慣上也叫補償器或伸縮節，為了補償因溫度差與機械振動引起的附加應力，而設置在容器殼體或管道上的一種撓性結構。在長期應力的作用和流體介質的沖刷下，波紋管常發生疲勞斷裂或腐蝕，進而引發泄漏。由于波紋管承壓能力較差，不能采用常規的卡具進行堵漏，因此可采用焊接的筒體將其包裹在里面，再用水泥、沙子等填充劑將其填滿、壓實，達到堵漏的效果。此方法操作簡單，能在一定程度滿足現場生產的需要。

5.2 蒸汽導淋閥泄漏的卡具設計

由于地勢、生產條件等的影響，化工管道的安裝不會處于同一標高內，因此，會在管道或設備的最低點設一個閥門，即導淋閥，用于排凈管道或設備內的殘液。導淋閥在生產中起著很重要的作用，導淋閥泄漏一般發生于母管的焊接接頭處，蒸汽導淋閥的泄漏很難用補焊的方法實現消漏，也很難設計出常規的堵漏卡具。可結合生產中的實際條件，焊接筒式的堵漏卡具，結合鉛板等軟金屬材料消除漏點。

6 卡具材料的選取、強度核算及要求

6.1 卡具材料的選取

密封卡具材料的選取，通常按照泄漏介質的工況來決定，綜合考慮介質、溫度、壓力、工藝條件等一系列因素的影響。通常情況下，選取普通的碳素鋼作為制作卡具的材料，其擁有綜合的力學性能和便于切削加工的特性，能很好地滿足卡具要求。對于高溫介質、易腐蝕的介質，密封卡具在材料的選取上應盡可能接近原有設備的材料，避免因材料差異影響堵漏效果。

6.2 卡具的強度核算

密封卡具強度由卡具本體的強度、耳板焊縫的強度、兩耳板之間加緊螺栓的強度共同決定。本體厚度的計算可參照如下公式：

卡具連接螺栓直徑的計算

卡具耳板厚度計算

6.3 卡具設計應滿足的要求

（1）卡具的設計應滿足所需的強度和剛度。

（2）卡具的設計應便于安裝。

（3）卡具和泄漏部位之間必須建立密閉的密封腔體，密閉空腔的設計可依照泄漏介質的溫度、壓力來選取。

（4）卡具上應設有帶有螺紋的注膠孔，注膠孔的數量原則上應與法蘭連接螺栓的數量相對應，并且在卡具的設計過程中，注膠孔的位置盡可能與連接螺栓錯開。

（5）卡具在尺寸設計上應盡可能滿足泄漏部位的要求，以減少施工過程中浪費注劑。

7 結語

壓力管道在化工生產中的泄漏時常發生，針對法蘭、直管、三通及彎頭泄漏時如何進行卡具設計，通過帶壓密封技術，可以在不停車、不影響生產正常運行的情況下，帶溫、帶壓實施封堵，快速消除泄漏，從而確保壓力管道長期穩定運行。