高壓大口徑油氣管道搶修卡具的研制

袁會贊，陶偉莉，王國超，王建偉

中國石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065000

高壓大口徑油氣管道搶修卡具的研制

袁會贊，陶偉莉，王國超，王建偉

中國石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065000

以往由于各種類型的管道搶修卡具無引流泄壓裝置，密封結(jié)構(gòu)不完善，因此管道搶修卡具僅適用于低壓小口徑管道的泄漏搶修。隨著西氣東輸一線、二線管道工程的建設和投入運行，亟需開發(fā)一種適用于高壓大口徑油氣管道泄漏的快速搶修卡具。在簡要介紹搶修卡具整體結(jié)構(gòu)、快速引流裝置、密封結(jié)構(gòu)設計的基礎上，論述管道搶修卡具殼體厚度計算、優(yōu)化設計及卡具螺栓的選擇計算，最后介紹了搶修卡具的安裝等內(nèi)容。測試結(jié)果表明，所研制的搶修卡具能夠滿足準1 016 mm管道在10 MPa介質(zhì)壓力下發(fā)生泄漏的快速搶修要求。

管道泄漏；搶修卡具；快速引流裝置；研制

隨著蘭鄭長成品油管道、川氣東送天然氣管道、西氣東輸二線的建設，油氣管道的第四次管道建設高潮的任務已經(jīng)完成，我國的原油管道、天然氣管網(wǎng)、成品油管網(wǎng)已正式形成，X80高鋼級大口徑的管道已成為能源輸送的主動脈。管道建成投入運行以后，由于外力破壞或管道施工質(zhì)量等各種原因，難免發(fā)生泄漏事故。僅采用開孔封堵的方式無法充分滿足管道快速搶修的時效性要求，采用先進、便捷的管道搶修卡具對事故管道進行快速維搶修是一種常用手段[1]。隨著市場發(fā)展，管道搶修方式也向多元化、便捷化的形式發(fā)展。以往由于各種類型的管道搶修卡具無引流泄壓裝置，密封結(jié)構(gòu)不完善，因此管道搶修卡具僅適用于低壓小口徑管道的泄漏搶修。隨著西氣東輸一線、二線管道工程的建設和投入運行，亟需開發(fā)一種適用于高壓大口徑油氣管道泄漏的快速搶修卡具。

1 搶修卡具結(jié)構(gòu)設計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計

常用的管道搶修卡具主要有對開式、注劑式和非螺栓緊固式三種結(jié)構(gòu)形式[2]。考慮到卡具的耐壓性和實用性，本高壓大口徑管道搶修卡具的結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的對開型瓦式結(jié)構(gòu)；考慮到操作的安全性，該卡具新增了一個快速引流裝置，并改進了密封結(jié)構(gòu)；搶修卡具的殼體有一定深度的空腔，適用于有一定變形的管道，并采用耳板螺栓固定。設計的高壓大口徑管道搶修卡具的結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 快速引流裝置

圖1 搶修卡具的對開瓦式結(jié)構(gòu)

在管道在線泄漏搶修過程中，由于管道內(nèi)介質(zhì)壓力比較高，介質(zhì)泄漏速度很快，極容易充滿卡具與管道之間形成的空腔，并達到很高的壓力，且介質(zhì)會四處噴射，產(chǎn)生巨大的反作用力，致使卡具無法閉合。如果沒有引流裝置，就會給卡具的安裝帶來很大的困難，甚至操作人員無法靠近安裝。

為此設計了一種快速引流裝置，見圖2?？焖僖餮b置的應用過程為：將引流裝置與卡具開孔部位對正焊接，安裝卡具前，首先在引流接頭上安裝液壓膠管，然后旋緊側(cè)耳，從而帶動閥芯下移，使密封頭下移；不在密封的泄漏介質(zhì)就可從引流管引走，引流完畢后，松開側(cè)耳，實現(xiàn)密封頭密封，見圖2（a）。為確保安全，還要下塞堵進行雙重密封，最后蓋閥帽，完成引流，見圖2（b）。

1.3 密封結(jié)構(gòu)設計

安裝在管道上的卡具要實現(xiàn)對管道泄漏點的密封，要求卡具上安裝密封元件。根據(jù)卡具殼體結(jié)構(gòu)，密封件需安裝在與管道接觸的殼體環(huán)形部分和卡具耳板的直線部位。通常，管道搶修卡具的密封件結(jié)構(gòu)形式可從整體式矩形密封、分體式矩形密封和分體式梯形密封三種形式中進行優(yōu)選（見表1）。本管道搶修卡具因密封壓力高，考慮密封原理及卡具結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)優(yōu)缺點分析對比，最終確定卡具的密封結(jié)構(gòu)為分體式直條矩形加環(huán)條梯形的密封圈。

密封材料應滿足密封的功能，且適用于油氣管道介質(zhì)，因此采用耐油丁腈橡膠。丁腈橡膠耐油性極好，耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強，有適當?shù)臋C械強度和硬度，壓縮和回彈性小，永久變形小。對丁腈橡膠的強度提出要求，其扯斷強度＞12 MPa，扯斷伸長率＞300%，耐溫性能-30～100℃，耐油增重＜8%；老化性能，扯斷強度降低率＜12%，扯斷伸長減低率＜20%，邵氐A硬度為66～70度。

圖2 快速引流裝置

表1 三種常見密封結(jié)構(gòu)對照

2 強度計算

為了保證安全性和可靠性，必須對高壓油氣管道搶維修機具進行強度計算。以準1 016 mm、工作壓力10 MPa管道的泄漏搶修卡具計算為例進行強度設計計算。

2.1 管道搶修卡具殼體厚度的計算

根據(jù)待搶修管道的技術參數(shù)（見表2），確定卡具的設計參數(shù)：設計壓力P為10 MPa，卡具殼體材料為鍛件16 Mn（NB/T47008-2010），卡具螺栓材料為35 CrMoA（GB/T 3077-1999）。材料的性能參數(shù)見表3。

表2 管道技術參數(shù)

表3 材料力學性能

根據(jù)ASME第Ⅷ卷《壓力容器建造規(guī)則》內(nèi)壓圓筒計算殼體厚度公式[3]：

式中：t為卡具殼體計算厚度，mm；R為計算殼體的內(nèi)半徑，mm；S為最大許用應力，MPa；E為焊接接頭系數(shù)（見表4），取值0.6。

代入本研究項目搶修卡具的相關參數(shù)，得：

設安全系數(shù)n取值為3，則卡具殼體設計厚度：T=nt=106.2 mm，圓整取T=110 mm。

2.2 搶修卡具的優(yōu)化設計

對搶修卡具進行有限元應力、位移分析，以優(yōu)化設計，力求在滿足應力及強度準則、變形盡可能小的前提下，減薄殼體厚度，使卡具重量達到相對較小。

表4 焊接接頭最大許用接頭系數(shù)（摘自ASME第Ⅷ卷表uw-12）

為此首先運用Lame公式進行初步理論計算。筒體作用有沿軸向均布的軸對稱載荷，可以認為筒體的應力、應變分量沿軸向的各截面不變，即和軸向Z軸無關，因而可以看成是平面問題。

初步校核現(xiàn)有殼體厚度是否滿足強度要求。根據(jù)GB 150-1998《鋼制壓力容器》規(guī)定，只要設計壓力P≤0.4［σ］準，且不高于35MPa的壓力容器，均按中徑公式設計：

式中：δ為圓筒計算厚度，mm；Di為圓筒內(nèi)直徑，mm；[σ]為螺栓相應溫度下的許用應力，MPa；準為焊接接頭系數(shù)。

已知殼體內(nèi)徑為1 020 mm，在P=10 MPa時可得出設計溫度下的許用應力為47.5 MPa，此時的安全系數(shù)為5.8，在P=12.5 MPa時，可得出設計溫度下的許用應力為59.45 MPa，此時的安全系數(shù)4.6。

對壓力P=10 MPa和12.5 MPa，分別進行了四個強度理論校核，這四個強度理論都基于彈性失效理論，比較其結(jié)果，第三強度理論得出的厚度值最大，因此得出只需用第三強度理論校核即可。

由于相關標準手冊沒有相似的計算模型，耳板厚度選取的原則是：查相同規(guī)格（準1 016 mm）、相同壓力等級（10 MPa）的法蘭厚度160 mm，乘以安全系數(shù)（1.5），初步確定耳板厚度為240 mm；再通過有限元分析，進行優(yōu)化設計，力求在滿足應力及強度準則、變形盡可能小的前提下，減薄殼體厚度，使卡具重量達到相對較小。首先通過分別變化卡具殼體環(huán)形厚度和耳板厚度，得出環(huán)形厚度和耳板厚度對卡具整體應力和位移的影響。

計算結(jié)果表明環(huán)形殼體越厚，螺栓應力越小。耳板的厚度對耳板張口變形影響很小，主要影響螺栓的受力，耳板越薄螺栓所受應力越大，見圖3。

圖3 環(huán)形厚度和螺栓應力的關系

以減輕卡具重量、節(jié)約成本、便于現(xiàn)場操作為目標進行優(yōu)化設計。由于內(nèi)徑固定，將外徑和耳板厚度作為設計變量，以所產(chǎn)生的應力不超過屈服應力和開口位移不超過1.5 mm作為設計約束，經(jīng)過變化不同耳板和環(huán)形厚度，最終選定護板厚度減薄20 mm，耳板厚度減薄30 mm。

3 卡具螺栓的選擇計算

卡具密封范圍內(nèi)總載荷力：

式中：L為軸向密封長度，m；Di為卡具殼體內(nèi)徑，m。

代入本項目的相關數(shù)值，則：F=10×106× 0.96×1.02=9.79×106（N）

螺柱個數(shù)確定為16個，單邊8個。則每個螺栓承受的拉力為：

計算螺栓直徑：

根據(jù)單個螺柱受力選擇螺柱有三種情況：

（1）選取材質(zhì)為40Cr（GB 3077-1999）的螺柱，根據(jù)GB 150-1998查得在100℃時，其許用應力為167 MPa，根據(jù)公式（1） 得出：d≥69.7 mm。經(jīng)計算，螺柱材料選取40Cr時，M70的螺柱才能滿足要求。

（2）螺柱選取材質(zhì)為35CrMoA（GB 3077-1999），根據(jù)GB 150-1998查得在100℃時，其許用應力[σ]為229 MPa，把相關的設計參數(shù)代入公式（1），得到：d≥58.3 mm。經(jīng)計算，螺柱材料選取35CrMoA時，M60的螺柱才能滿足設計要求。

（3）螺柱選取材質(zhì)為35CrMoVA（GB 3077-1999），根據(jù)GB 150-1998查得在100℃時，其許用應力[σ]為247 MPa，把相關的設計參數(shù)代入公式（1），得到：d≥56.2 mm。經(jīng)計算，螺柱材料選取35CrMoVA時，M58的螺柱才能滿足設計要求。

綜合以上計算結(jié)果，螺柱材料選擇35CrMoA或35CrMoVA，16個M64的螺柱才能滿足設計要求。

4 搶修卡具安裝后壓力試驗

卡具安裝完成后要進行打壓試驗。先將壓力升至1.0 MPa，穩(wěn)壓5 min無泄漏；繼續(xù)升壓至5 MPa，穩(wěn)壓10 min無泄漏；繼續(xù)升壓至8 MPa穩(wěn)壓10 min無泄漏；再緩慢升壓至10 MPa，穩(wěn)壓24 h[4]。通過試驗滿足施工要求才能進行現(xiàn)場作業(yè)。

5 結(jié)束語

管道泄漏搶修卡具及其搶修技術是用于高壓大口徑長輸油氣管道搶修堵漏的主要搶修工具之一。它具有快速、安全、高效的特點，能夠在不停輸、降壓狀態(tài)下迅速封堵管道漏點，防止爆炸等重大危險事故的發(fā)生[5-6]。目前搶修卡具已經(jīng)通過試驗測試，測試結(jié)果表明該高壓大口徑搶修卡具能夠?qū)崿F(xiàn)準1 016 mm管道在10 MPa介質(zhì)壓力下發(fā)生泄漏的快速搶修。采用先進、便捷的管道搶修卡具進行事故管道快速維搶修比不停輸封堵?lián)Q管改造更具有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，能夠大大節(jié)省成本，滿足管道快速搶修的時效性要求。因此新開發(fā)的高壓大口徑油氣管道泄漏搶修卡具具有較大的市場前景和應用價值。

[1]牛迎戰(zhàn)，劉甫，林猛，等.成品油長輸管道盜油點搶修方法的應用[J].油氣儲運，2011，30（2）：150-153.

[2]楊玉玲，李英利.高壓管線不停輸帶氣搶修實踐探討[J].城市公用事業(yè)，2005，19（3）：28-30，45.

[3]ASME831，壓力容器建造規(guī)則[S].

[4]GB/T16805-2009，液體石油管道壓力試驗[S].

[5]屈海利，何建設，宋花平，等.輸油氣管道破斷搶修技術[J].石油工程建設，2011，37（3）：6-9.

[6]李龐.凸輪式夾緊搶修夾具的研制與應用[J].石油工程建設，2015，41（6）：90-92.

Development of clamp for emergency repair of high-pressure and large diameter oiland gas pipelines

YUAN Huizan，TAO Weili，WANG Guochao，WANG Jianwei
Maintenance&Emergency Repair Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

Usually，various clamps are only suitable for leakage emergency repair of low pressure and small diameter pipelines due to lack of drainage and pressure relief devices and imperfect sealing structure.Along with the construction and operation of the First and Second West to East Gas Pipelines，it is necessary to develop a kind of clamp for leakage emergency repair of high pressure and large diameter pipelines.This paper introduces the designs of the integral structure，fast speed drainage device and sealing structure of the newly developed clamp，discusses the shell thickness calculation and optimization design of the clamp as well as bolt selection calculation，then describes how to install the clamp.The detection results show that the clamp meets the fast emergency repair requirement for準1 016 mm pipeline with pressure of 10 MPa.

leakage；clamp for emergency repair；fast speed drainage device；research and development

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.019

袁會贊（1982-），女，河北深州人，工程師，2005年畢業(yè)于河北科技師范學院機械設計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道維搶修新技術研發(fā)工作。Email：470332315@qq.com

2016-12-26