油氣集輸系統法蘭免動火柔性帶壓注膠封堵技術研究與應用

于 淼，竇 超，張建兵，祁 鵬，陳 萍，史 濤

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆潤霖新能源技術有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

在油氣集輸工藝流程中，法蘭是管線、容器、儲罐等各單元之間連接的主要組成部分，因法蘭密封失效導致介質泄漏，可嚴重影響集輸工藝流程的正常運行，甚至造成非計劃停產檢修[1-6]；特別是石油天然氣化工類危化品生產流程，易燃易爆介質因法蘭密封失效發生泄漏后，采用傳統焊接維修或全系統停產檢修，極易引發著火爆炸和介質泄漏等安全環保風險，且成本較高。因此，實現法蘭不動火帶壓封堵應急維修是目前研究的主要方向[7-10]。為此，開展柔性卡具設計、耐溫耐壓密封膠篩選、性能評價等相關研究，開發了法蘭免動火柔性帶壓注膠封堵技術，并在油氣生產集輸工藝流程中成功應用，為油氣集輸工藝中法蘭泄露的高效堵漏提供了技術借鑒和參考。

1 工藝原理及結構

法蘭泄漏主要是2個法蘭面密封圈失效，造成介質泄漏。法蘭免動火柔性帶壓注膠封堵技術(簡稱法蘭柔性封堵技術)主要由柔性卡具和耐溫耐壓密封膠組成。其工藝技術原理為：在發生泄漏的法蘭片外部，通過柔性卡具與2個法蘭面的緊固結合，使柔性卡具與法蘭片縫隙之間形成一個新密封腔體結構；然后通過柔性卡具自身配置的注膠孔，注入密封膠。在外力作用下，膠體完全填充至新的密封腔體結構中，在已發生泄漏的密封面外圍，重新封固形成一個完整的密封膠體，從而實現免動火帶壓密封堵漏。

1.1 柔性卡具

柔性卡具[11]主要由柔性卡環和緊固構件等組成(圖1)。柔性卡環主要由柔性卡環主體、對接口、注膠孔、注膠孔封堵螺栓等組成。緊固構件主要由拉緊固定環、緊固定銷、緊固螺栓等組成。柔性卡環設有對接口，在安裝時，緊固螺栓也可拆除，此時，柔性卡環為開放狀態，方便扣接包裹在法蘭片外圍。然后通過緊固螺栓將柔性卡環主體收緊，對接口對接合攏，形成完整的環形結構，重新構建密封腔體。柔性卡環緊固對接完成后，通過柔性卡環主體中部沿圓周設置的注膠孔向密封腔內注入密封膠(圖2)。注膠時，一般通過其中部分注膠孔注入密封膠，其他注膠孔的封堵螺栓為拆除狀態。在注入壓力的作用下，密封膠將密封腔體內的泄露介質通過開放的注膠孔驅替出來，并逐步充滿整個密封腔體，完成堵漏操作。

圖1 柔性注膠免動火法蘭帶壓密封柔性卡具結構示意圖Fig.1 The structure diagram of flexible clamp for hotwork-free online flange leak sealing with sealant injection

圖2 柔性卡具帶壓注膠密封過程示意圖Fig.2 The schematic diagram of online leak sealing with sealant injection by flexible clamp

柔性卡環主體采用Q235扁鋼或不銹鋼鋼帶加工制作，其厚度可根據集輸系統的壓力等級調整。利用扁鋼或鋼帶具有的良好韌性，在緊固力作用下產生塑性變型的原理，通過調整柔性卡環主體的位置和緊固螺栓的緊固角度和緊固力，使柔性卡環與法蘭外平面緊密結合，在集輸系統正常運行的情況下，形成新建密封腔體。

柔性卡環主體的主要工藝參數：抗拉強度為400 MPa，屈服強度與抗拉強度的比值為0.6，在滿足柔性卡環主體結構零件可靠性的同時具有較好韌性，便于在維修緊固過程中塑型；可適用法蘭規格為DN50—DN1000。

1.2 耐溫耐壓密封膠體

耐溫耐壓密封膠體是實現免動火帶壓封堵的主要材料，是密封結構實現密封的關鍵因素。現階段國內外生產和使用的密封膠大約有40余種，根據受熱受壓后的性狀變化主要可分為2類[12-22]。一類是遇熱塑性形變密封膠，其主要由聚四氟乙烯、二硫化鉬、羥基丁二烯膠等組成，和不同耐溫等級的溶劑材料混合后進行壓制成型。該類密封膠在泄漏介質自身溫度下，注入密封結構的膠體產生不可逆塑性變型，形成具有一定彈性的密封膠體，在新建的密封結構內，形成穩定的不固定形狀密封填料，實現密封。另一類是彈性非塑性密封膠，主要由耐壓耐溫高分子材料(氟橡膠、芳綸纖維以及鐵粉、石墨等)和丙酮、耐溫潤滑脂等進行混合壓制，形成棒狀膠體，可在新建的密封結構中形成穩定的彈性膠體，主要針對氣體介質、低溫介質以及運行壓力波動較大的設施進行帶壓封堵。

油氣集輸系統法蘭柔性封堵技術主要應用于原油、污水、蒸汽、有機溶劑、導熱油和氣態物料的低壓輸送工藝流程。在調研上述各類密封膠性能特點的基礎上，根據長期現場施工經驗和現場工況，在保持高分子合成橡膠和高分子合成樹脂基膠不變的情況下，復配氟橡膠、石墨、鐵粉、銅粉、固化劑等物質，最終形成了可滿足現場工況的4類密封膠，主要成分及性能特點見表1。

表1 密封膠成分及性能特點Table 1 The composition and performance characteristics of the sealant

1.3 技術特點

(1)工藝適應性強、適用范圍廣。新建立的密封結構在外圍建立密封的同時，可對泄漏點予以增強保護，且新建立的密封結構性能不低于原密封設計要求；通過液壓工具快速注入耐溫耐壓封堵膠，可實現密封腔體內無死角填充，并可依據實際生產需求，根據溫度、壓力等系統運行參數，優選柔性卡具及密封膠體，滿足不同工況需求，適應于不同介質和工況的應急維修。

(2)操作安全、施工風險低。實施應急搶修全程可免動火帶壓作業，特別是對于油、氣等易燃易爆介質，免動火帶壓作業可有效消除傳統動火焊接等維修帶來的安全風險，具有較高的安全性。

(3)施工簡便、經濟高效。柔性卡具可快速安裝，降低維修難度、縮短維修時間，能有效解決現有法蘭泄漏維修工藝費時費力和維修成本高的問題，提高法蘭泄漏搶修的有效性和經濟性。

2 性能評價

為評價法蘭柔性封堵技術的適用性，選用DN300法蘭，按照油氣集輸流程連接實驗管線，依據GB/T13927—2008《工業閥門 壓力試驗》相關流程評價其密封強度和氣密性。

2.1 密封強度評價

實驗條件：壓力源為離心泵；實驗溫度為20 ℃時，實驗介質為水；實驗壓力緩慢升至1.6 MPa，穩壓20 min，然后升壓至2.5 MPa，穩壓20 min。觀察管線壓力變化，實驗數據見圖3。

由圖3可知：當壓力緩慢升至1.6 MPa后，穩壓20 min過程中曲線平直，未出現壓力波動。然后在10 min內將壓力平緩提升至2.5 MPa，壓力提升過程中，壓力平緩上升無拐點或折點，后續穩壓20 min內，壓力曲線平直無拐點。實驗結果說明，柔性卡具耐壓性能穩定。

圖3 密封強度實驗曲線Fig.3 The curve of sealing strength test

2.2 氣密性評價

實驗條件：壓力源為空壓機；實驗溫度為20℃時，實驗介質為空氣；實驗壓力為2.5 MPa，穩壓30 min。觀察管線壓力變化，實驗數據見圖4。

圖4 氣密性實驗曲線Fig.4 The curve of air-tightness test

由圖4可知：30 min內氣體壓力由0.0 MPa緩慢升壓至2.5 MPa，升壓過程中壓力平緩上升，穩壓30 min內，壓力曲線平直無拐點。實驗結果說明密封膠密封效果良好，無泄漏發生。

3 現場應用

截至目前，法蘭柔性封堵技術在新疆克拉瑪依油田油氣集輸管網、導熱油摻熱系統、供水供熱系統等各類工藝系統中進行了現場應用，應急堵漏維修20余次，成功率為100%。傳統堵漏維修需要停產放空，若在油氣防爆區動火維修作業，還需消防車、工程車、電焊車等設備，一般耗時不低于24 h，全工藝流程需要15～20人配合。法蘭柔性封堵工藝堵漏維修僅需要2～3人操作，1～2 h即可完成封堵作業，人力節約80%以上，維修費用僅為傳統維修的10%；同時降低勞動強度和環保風險，具有很好的經濟效益和社會效益。

新疆油田某集輸處理站，3 000 m3調儲罐進口法蘭密封泄露，系統工作壓力為1.2 MPa，溫度為85 ℃，輸送介質為含水原油，泄漏法蘭外徑為840 mm。采用法蘭柔性封堵技術進行封堵，柔性法蘭卡具選用8 mm厚卡具，密封膠選用RL1密封膠。現場安裝卡具后，通過注膠工具勻速注入密封膠體，膠體在液壓擠壓力作用下完全填充至新建立的密封腔體，形成穩定的密封填充體，封堵成功。施工全過程僅需3名專業技術人員，施工時間為2 h，維修費用為1.2×104元。如采用傳統維修，從發現泄漏后系統停產至維修后恢復正常運行，至少需要30 h；全過程需要8人3個班組配合完成施工作業；系統停輸、原油泄漏、蒸汽外溢、維修物料、人工等費用至少需要12.5×104元。與傳統維修作業相比，該技術大幅縮短了作業時間，節約費用90.4%，環保風險大幅降低。

4 結 論

(1)法蘭免動火柔性注膠帶壓封堵工藝利用柔性卡具和法蘭配合構建新的密封腔體，通過密封膠形成密封體，完成對法蘭密封失效的封堵。該工藝具有適應性強、適用范圍廣、操作安全、施工風險低、簡便高效的特點，可在不停產狀態下免動火作業，具有很好的經濟效益和環保效益。

(2)目前該技術能夠解決低壓集輸工藝中的法蘭泄漏問題，但對中、高壓流程中法蘭泄漏，柔性卡具耐壓性能和密封膠的密封能力有待提升。下步研究重點是提高柔性卡具和密封膠的耐壓性能。