油氣管道柔性套袖密封方法研究*

陶宏偉 楊 川 劉雪光 郭向陽 張仕民

(1.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司2.中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院)

陶宏偉,楊川,劉雪光,等.油氣管道柔性套袖密封方法研究.石油機(jī)械,2022,50(11):111-118.

0 引言

“十三五”期間我國長輸管道發(fā)展迅速,截至2017年底,陸上油氣長輸管道總里程達(dá)13.3×104km,預(yù)計(jì)到2025年,我國運(yùn)營的油氣管道里程將達(dá)到24.0×104km,形成主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)的全國網(wǎng)絡(luò)[1-2]。管道運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)且高效的運(yùn)輸方式,但受輸送介質(zhì)化學(xué)性腐蝕、不可抗力自然災(zāi)害及管道自身缺陷等影響,在運(yùn)輸過程中極有可能發(fā)生管道泄漏事故[3]。為避免因油氣泄漏而造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題,必須及時(shí)對泄漏油氣管道進(jìn)行堵漏。

目前,最為傳統(tǒng)的堵漏方法是木楔堵漏。該方法操作簡單,使用方便;但適用性較差,對于不規(guī)則的泄漏點(diǎn)無法進(jìn)行有效堵漏,且密封可靠性較低,存在安全隱患[4]。近年來,夾具堵漏法[5-7]、捆扎堵漏法[8]和復(fù)合材料纏繞修復(fù)法[9-11]等常規(guī)堵漏技術(shù)已趨于成熟,可基本應(yīng)對在運(yùn)輸便利情況下的油氣管道小變形和小損傷泄漏的快速封堵;但因安裝過程較為繁瑣或機(jī)具較為笨重,且對密封條件要求較高,無法適用于山地和水網(wǎng)等復(fù)雜環(huán)境下大變形泄漏管道的快速堵漏。另外,閆杰等[12]提出的磁力組合式管道帶壓堵漏器和姜修才等[13]提出的油氣管道穿孔封堵用軟質(zhì)捆綁卡具都能夠很好地解決安裝復(fù)雜和機(jī)具笨重等問題,但其密封原理與常規(guī)堵漏機(jī)具相同,對徑向大變形和大損傷泄漏油氣管道的堵漏仍不適用或有效性差。

為解決常規(guī)機(jī)具難以應(yīng)對的問題,筆者提出油氣管道柔性堵漏機(jī)具——柔性套袖。該機(jī)具采用輕量化、模塊化和便攜化設(shè)計(jì),可適用于山地、水網(wǎng)、隧道、懸索橋等其他機(jī)具難以運(yùn)輸?shù)牡匦蜗掳l(fā)生的泄漏事故;采用充壓式主動密封方式,可實(shí)現(xiàn)對各種變形和各種損傷管道的有效堵漏。為驗(yàn)證柔性套袖充壓式主動密封的可行性和有效性以及密封管的最優(yōu)對接方式,基于所設(shè)計(jì)的柔性套袖充壓式主動密封結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行內(nèi)膽-內(nèi)膽之間、內(nèi)膽-管壁之間的密封有限元仿真和密封原理試驗(yàn);根據(jù)所研制的柔性套袖原理樣機(jī)進(jìn)行密封性能試驗(yàn),驗(yàn)證充壓式密封管在柔性套袖中密封的有效性和可靠性;并通過密封管3種對接方式的對比試驗(yàn)探究密封管的最優(yōu)對接方式。研究結(jié)果對充壓式主動密封在其他油氣管道堵漏機(jī)具中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定的參考。

1 柔性套袖結(jié)構(gòu)及原理

柔性套袖三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由橡膠內(nèi)膽、支撐板、護(hù)板、護(hù)肩、拉桿、導(dǎo)油口以及密封管等構(gòu)成。

圖1 柔性套袖三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-dimensional schematic structure of flexible sleeve

該機(jī)具整體結(jié)構(gòu)分為內(nèi)、外2層,其中內(nèi)層由上、下2塊橡膠內(nèi)膽以及內(nèi)膽接觸面凹槽內(nèi)的密封管組成,通過對密封管充壓,使其膨脹緊貼于上下內(nèi)膽和管道管壁上,形成密封腔,實(shí)現(xiàn)密封功能。密封腔內(nèi)徑大于泄漏管道外徑,可適用于軸向變形在7°以內(nèi)的管道徑向大變形泄漏封堵,且對密封表面要求較低,具有廣泛的適用性。外層由支撐板、拉桿、護(hù)板以及護(hù)肩組成,通過預(yù)緊螺栓適當(dāng)預(yù)緊,形成包覆橡膠內(nèi)膽和密封管的剛性空腔,實(shí)現(xiàn)承壓功能。

柔性套袖采用模塊化設(shè)計(jì),可拆分成32個(gè)零件;采用輕量化和便攜化設(shè)計(jì),單個(gè)零件質(zhì)量均控制在人力搬運(yùn)范圍之內(nèi),當(dāng)泄漏事故發(fā)生在運(yùn)輸車輛難以到達(dá)的復(fù)雜環(huán)境時(shí),可通過人力將各零部件搬運(yùn)至泄漏現(xiàn)場進(jìn)行安裝。該機(jī)具為臨時(shí)性快速堵漏機(jī)具,可實(shí)現(xiàn)3個(gè)月的有效封堵,為后續(xù)管道維修提供充足的準(zhǔn)備時(shí)間。

密封作為堵漏技術(shù)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié),不但影響著整個(gè)堵漏作業(yè)的成敗,還可能會導(dǎo)致堵漏后的二次泄漏。相比于常規(guī)堵漏機(jī)具,柔性套袖提出將充壓式主動密封作為一種新的密封方式應(yīng)用于油氣管道堵漏技術(shù)當(dāng)中,這里主要針對充壓式主動密封結(jié)構(gòu)及其密封可行性和有效性進(jìn)行詳細(xì)分析和論證。

2 充壓式主動密封

常規(guī)堵漏機(jī)具多采用擠壓式密封,通過外力對密封材料施加足夠的壓力,使其緊貼于管道泄漏處,堵塞密封間隙,完成堵漏,屬于被動密封。柔性套袖采用充壓式主動密封,通過對置于橡膠內(nèi)膽凹槽內(nèi)的密封管充壓膨脹,使其緊貼于上下橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間,形成封閉的密封空腔,完成堵漏,屬于主動密封。

2.1 充壓式主動密封原理

O形圈密封因其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、密封性好及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[14]。O形圈密封屬于擠壓型密封,其橫斷面是實(shí)心,通過使密封件發(fā)生彈性或塑性變形,在密封面形成一定的接觸壓力,當(dāng)被密封介質(zhì)的內(nèi)壓小于接觸壓力時(shí),系統(tǒng)就不會發(fā)生泄漏,反之發(fā)生泄漏[15]。但受O形圈材料選擇、密封結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)、加工制造及安裝條件等因素的影響,可能會導(dǎo)致密封失效,可靠性較低[16]。近年來,氣囊式密封因其密封的良好性和廣泛適用性、密封介質(zhì)的多樣性以及操作的便捷性,得到廣泛應(yīng)用[17-18]。趙念功等[19]將氣囊式密封應(yīng)用于煤礦井下的密閉門。趙殿華等[20]對采用橡膠氣囊實(shí)現(xiàn)隧道盾構(gòu)的密封進(jìn)行了研究。崔子梓等[21]對管內(nèi)封堵氣囊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。石巖[22]利用氣囊式密封機(jī)構(gòu)將普通清管器優(yōu)化改進(jìn)為封堵清管器。氣囊式密封和O形圈密封的不同之處在于其橫斷面是空心的,通過對空心氣囊充壓膨脹使其阻塞密封間隙,達(dá)到密封目的,屬于主動密封方式。

綜合O形圈密封和氣囊式密封的優(yōu)缺點(diǎn),柔性套袖采用充壓式密封管主動密封方式。充壓式密封管是將O形圈制成空心,實(shí)際密封原理同氣囊式密封原理基本相同。首先通過充液嘴向密封管充入一定壓力的液體,使其膨脹緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽或管道管壁上,堵塞密封間隙,形成初密封;隨著被密封介質(zhì)壓力的增大,密封管內(nèi)部壓力在初密封壓力下也逐漸增大,當(dāng)密封管與橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間最大接觸應(yīng)力大于被密封介質(zhì)壓力時(shí),可實(shí)現(xiàn)密封[12]。

2.2 充壓式主動密封結(jié)構(gòu)

柔性套袖充壓式主動密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。密封管置于上、下橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間,外部由支撐板、護(hù)板和護(hù)肩組成的剛性空腔包覆,通過密封管充壓膨脹后緊貼上、下橡膠內(nèi)膽和管道管壁,實(shí)現(xiàn)整個(gè)堵漏機(jī)具的密封功能。圖2中A、B分別為2種不同的密封位置。

圖2 柔性套袖密封結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sealing structure of flexible sleeve

針對第1種密封位置(見圖3a),為內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封結(jié)構(gòu)圖。通過對預(yù)緊螺栓適當(dāng)預(yù)緊,將密封管包裹在上、下內(nèi)膽凹槽內(nèi),安裝完成之后,通過金屬充液嘴對密封管進(jìn)行充壓膨脹,使其緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽。當(dāng)密封管與上、下內(nèi)膽接觸面之間最大接觸應(yīng)力大于管道泄漏壓力時(shí),可實(shí)現(xiàn)密封[17]。針對第2種密封位置(見圖3b),為內(nèi)膽-管壁之間密封結(jié)構(gòu)圖。密封管置于內(nèi)膽凹槽與管道管壁之間,對密封管充壓膨脹后,使其緊貼于內(nèi)膽凹槽和管道管壁。當(dāng)密封管與內(nèi)膽和管道管壁接觸面之間最大接觸應(yīng)力大于管道泄漏壓力時(shí),可實(shí)現(xiàn)密封。

圖3 充壓式主動密封結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Pressurized active sealing structure

2.3 密封管結(jié)構(gòu)及對接方式設(shè)計(jì)

考慮加工方便以及降低制造成本,按圖4a所示的密封管展開狀態(tài)圖,將密封管制造為一個(gè)平面結(jié)構(gòu),組裝時(shí)再根據(jù)實(shí)際工況選擇膠黏劑將密封管對接為圖4b所示的立體結(jié)構(gòu)。

圖4 密封管結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic structure of sealing tube

針對上述提到的密封管組裝對接,設(shè)計(jì)了3種密封管對接方式,分別為梯形對接、斜對接和錐面對接,如圖5所示。

圖5 密封管對接方式Fig.5 Docking methods of sealing tube

3 充壓式主動密封仿真分析

充壓式主動密封是將密封管置于橡膠內(nèi)膽凹槽內(nèi),通過對密封管預(yù)先充入一定壓力,使其緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽與管道管壁,形成初密封。為防止初密封時(shí)密封管被擠出內(nèi)膽凹槽,對橡膠內(nèi)膽凹槽位置有一定要求。對此,通過有限元仿真確定橡膠內(nèi)膽內(nèi)置凹槽與內(nèi)端面之間的距離,保證密封管在預(yù)壓初密封時(shí)不被擠出內(nèi)膽凹槽;并根據(jù)所確定的橡膠內(nèi)膽凹槽位置與柔性套袖主動密封結(jié)構(gòu),建立2種密封位置下的密封仿真模型,驗(yàn)證充壓式主動密封的可行性。

3.1 橡膠內(nèi)膽凹槽位置仿真分析

根據(jù)柔性套袖充壓式主動密封結(jié)構(gòu)建立內(nèi)膽-內(nèi)膽之間和內(nèi)膽-管壁之間凹槽位置有限元仿真模型,如圖6所示。

圖6 橡膠內(nèi)膽凹槽位置仿真模型Fig.6 Simulation model of groove position of the rubber liner

建模時(shí)設(shè)置密封管內(nèi)部壓力為p,選取不同的L長度進(jìn)行仿真計(jì)算,然后處理仿真結(jié)果,記錄橡膠內(nèi)膽和密封管最大拉應(yīng)力。橡膠內(nèi)膽和密封管所選材料為丁腈橡膠,其拉伸強(qiáng)度取10 MPa。在初密封的過程中,當(dāng)橡膠內(nèi)膽和密封管最大拉應(yīng)力小于10 MPa時(shí),可保證密封管不被擠出凹槽,實(shí)現(xiàn)有效初始密封。

分別取L為15、20和25 mm,記錄橡膠內(nèi)膽和密封管在不同密封管初始壓力p下的最大拉應(yīng)力,如表1所示。由表1可知,當(dāng)內(nèi)膽凹槽與內(nèi)端面之間距離為25 mm時(shí),對密封管內(nèi)部充入3.0 MPa以下初始壓力,可保證密封管不被擠出內(nèi)膽凹槽,實(shí)現(xiàn)有效初密封。

表1 不同密封管內(nèi)部壓力下密封管及內(nèi)膽的最大拉應(yīng)力Table 1 Maximum tensile stress of the sealing tube and liner under different internal pressures of the sealing tube

3.2 密封管密封仿真分析

基于所設(shè)計(jì)的橡膠內(nèi)膽凹槽位置和充壓式主動密封結(jié)構(gòu),建立內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封和內(nèi)膽-管壁之間密封有限元仿真模型,如圖7所示。圖7中各部件標(biāo)注名稱同圖6。設(shè)置管道泄漏壓力為p1,密封管內(nèi)壓力為p2,仿真計(jì)算密封管外圈最大接觸應(yīng)力。當(dāng)密封管外圈最大接觸應(yīng)力大于管道泄漏壓力時(shí),可實(shí)現(xiàn)密封。

圖7 密封管密封仿真模型Fig.7 Simulation model of sealing tube sealing

設(shè)置管道泄漏壓力p1為10 MPa,通過改變密封管內(nèi)部壓力p2,記錄密封管外圈最大接觸應(yīng)力。以橫坐標(biāo)為密封管內(nèi)部壓力,縱坐標(biāo)為密封管外圈最大接觸應(yīng)力,繪制10 MPa管道泄漏壓力下密封管內(nèi)部壓力與密封管外圈最大接觸應(yīng)力關(guān)系折線圖,如圖8所示。

由圖8可知:當(dāng)密封管內(nèi)部壓力在9 MPa以上時(shí),內(nèi)膽-管壁接觸面之間密封管外圈最大接觸應(yīng)力大于10 MPa,可實(shí)現(xiàn)內(nèi)膽-管壁接觸面之間有效密封;當(dāng)密封管內(nèi)部壓力在11 MPa以上時(shí),內(nèi)膽-內(nèi)膽接觸面之間密封管外圈最大接觸應(yīng)力大于10 MPa,可實(shí)現(xiàn)內(nèi)膽-內(nèi)膽接觸面之間有效密封。由此可知,充壓式密封管能夠?qū)崿F(xiàn)柔性套袖對10 MPa泄漏壓力的密封,驗(yàn)證了充壓式主動密封的可行性。

圖8 密封管內(nèi)部壓力與密封管外圈最大接觸應(yīng)力關(guān)系折線圖Fig.8 Line chart of the relationship between the internal pressure of the sealing tube and the maximum contact stress of the outer ring of the sealing tube

4 充壓式主動密封原理及密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步論證充壓式主動密封在柔性套袖中密封的可行性和可靠性,根據(jù)柔性套袖中充壓式主動密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密封原理試驗(yàn),并研制柔性套袖原理樣機(jī)進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。

4.1 密封原理試驗(yàn)

依據(jù)柔性套袖第1種密封位置設(shè)計(jì)內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗(yàn)裝置,如圖9a所示。上、下內(nèi)膽由2個(gè)留有凹槽的橡膠盤代替,密封管置于上、下內(nèi)膽凹槽內(nèi),外接充液嘴;外部是由上下法蘭和擋圈形成的剛性空腔,其中上法蘭中間留有加壓口,整個(gè)裝置通過12個(gè)螺栓進(jìn)行緊固。依據(jù)柔性套袖第2種密封位置設(shè)計(jì)內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗(yàn)裝置,如圖9b所示。管道外壁由一個(gè)鋼板代替,其基本結(jié)構(gòu)與內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗(yàn)裝置類似,只需將下內(nèi)膽換成外壁即可。

圖9 密封原理試驗(yàn)裝置Fig.9 Sealing principle test device

為驗(yàn)證充壓式主動密封的可行性,試驗(yàn)中分別采用O形圈和密封管進(jìn)行試驗(yàn)。圖10a為內(nèi)膽-內(nèi)膽之間O形圈密封原理試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)過程中將O形圈置于上下內(nèi)膽凹槽內(nèi),通過緊固螺栓將其壓緊貼合上下內(nèi)膽,然后對加壓口進(jìn)行加壓10 MPa,觀察是否發(fā)生泄漏,并通過加壓口外接壓力表觀察內(nèi)部壓力變化。圖10b為內(nèi)膽-管壁之間密封管密封原理試驗(yàn)裝置。為驗(yàn)證密封管的最優(yōu)對接方式,分別將密封管以3種對接方式進(jìn)行粘接,后置于上下內(nèi)膽凹槽內(nèi)。試驗(yàn)過程中首先通過充液嘴對密封管進(jìn)行預(yù)加壓,形成初密封,然后對加壓口加壓10 MPa,觀察并記錄壓力表示數(shù)。把內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗(yàn)裝置中的下內(nèi)膽換成鋼板以代替管道管壁,按相同的步驟進(jìn)行內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗(yàn)。

圖10 O形圈和密封管密封原理試驗(yàn)Fig.10 Sealing principle test of O-shape ring and sealing tube

試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)采用O形圈密封時(shí),內(nèi)膽-內(nèi)膽之間、內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗(yàn)中均發(fā)生泄漏,密封失效,因此采用O形圈密封的設(shè)計(jì)方案無法滿足密封要求。當(dāng)采用充壓式主動密封時(shí),分別以3種對接方式粘接的密封管進(jìn)行密封原理試驗(yàn),記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。從表2可以看出:梯形對接和斜對接均發(fā)生泄漏,無法保壓;錐面對接24 h內(nèi)基本無泄漏,有較好的保壓效果。在密封管進(jìn)行對接時(shí)采用的快干膠818,粘接時(shí)間1個(gè)月沒有發(fā)生開膠現(xiàn)象,滿足快速粘接施工要求,驗(yàn)證了密封管密封的可行性以及錐面對接方式的最優(yōu)性。

表2 密封原理試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Sealing principle test data

4.2 密封性能試驗(yàn)

基于柔性套袖三維結(jié)構(gòu)及其密封管密封原理,設(shè)計(jì)柔性套袖密封性能試驗(yàn)裝置,如圖11所示。由柔性套袖原理樣機(jī)和模擬試驗(yàn)臺組成,用以驗(yàn)證充壓式主動密封在柔性套袖實(shí)際堵漏工作中的有效性。

圖11 柔性套袖原理樣機(jī)及模擬試驗(yàn)臺示意圖Fig.11 Schematic diagram of the principle prototype of flexible sleeve and the simulation test device

試驗(yàn)過程中,首先將所研制的柔性套袖原理樣機(jī)安裝于模擬試驗(yàn)臺,然后通過充液嘴對密封管進(jìn)行充壓,實(shí)現(xiàn)初密封;隨后通過加壓口對模擬試驗(yàn)臺內(nèi)部進(jìn)行加壓,保壓60 min后觀察是否發(fā)生泄漏,并通過壓力表記錄密封管內(nèi)部壓力和試驗(yàn)臺內(nèi)部壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)過程中外部無泄漏,且試驗(yàn)臺內(nèi)部壓力保持不變。充分驗(yàn)證了充壓式密封管在柔性套袖中密封的有效性。

5 結(jié)論及認(rèn)識

(1)當(dāng)柔性套袖橡膠內(nèi)膽內(nèi)置凹槽與內(nèi)端面之間距離L為25 mm時(shí),可保證密封管在初始壓力小于3.0 MPa時(shí)不被擠出內(nèi)膽凹槽,實(shí)現(xiàn)有效初密封。

(2)以錐面對接方式進(jìn)行粘接的充壓式密封管能夠?qū)崿F(xiàn)柔性套袖對10 MPa管道泄漏壓力堵漏的有效密封,而O形圈密封則無法滿足密封要求。

(3)充分驗(yàn)證了充壓式主動密封作為一種新的密封方式應(yīng)用于油氣管道堵漏機(jī)具中的可行性和有效性,對后期充壓式主動密封在其他堵漏機(jī)具中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。