一種帶壓封堵試驗(yàn)?zāi)M平臺的設(shè)計(jì)

苗升

（中石化勝利油建工程有限公司）

0 引言

由于管道服役年限增長、腐蝕、外力干擾以及管道材料自身缺陷等諸多因素的影響，閥門失效和管道泄漏事故時有發(fā)生。維搶修作業(yè)最常見的搶修任務(wù)就是在不停輸?shù)那闆r下進(jìn)行破漏搶修和更換管段等大型事故處理作業(yè)。由于油氣管道帶壓開孔、封堵的施工風(fēng)險很高，GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》、Q/SY 1592—2013《油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范》及GB 50540—2009《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》等相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求管道壓力大于5 MPa或重點(diǎn)難點(diǎn)工程的封堵作業(yè)在施工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

帶壓封堵模擬試驗(yàn)是對管道帶壓開孔、封堵裝備的性能進(jìn)行檢測和工藝方案驗(yàn)證的主要手段，也是驗(yàn)證相關(guān)研發(fā)裝備的可靠性和進(jìn)行裝備投用前的實(shí)用性預(yù)演的重要方法之一。模擬試驗(yàn)主要包括驗(yàn)證帶壓施焊、開孔、封堵施工過程的可行性、安全性，監(jiān)控開孔、封堵設(shè)備運(yùn)行過程并采集開孔、封堵作業(yè)過程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)，從而評判施工方案的準(zhǔn)確性，保證帶壓封堵作業(yè)的安全。

目前，國內(nèi)唯一的油氣管道行業(yè)的國家工程實(shí)驗(yàn)室由中國石油管道工程有限公司承擔(dān)建設(shè)。近年來，其旗下的維搶修實(shí)驗(yàn)室為帶壓封堵維搶修業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

目前，國外開展管道維搶修業(yè)務(wù)的知名公司有美國TDW（逖帝威廉森）公司、英國Mirage Machines（美亞機(jī)械）公司、State Group公司等。美國的TDW公司掌控著智能封堵技術(shù)，而英國State Group公司擁有智能封堵設(shè)備。他們同全世界各大石油公司都有著密切的合作關(guān)系，對海底管道搶修具有非常成熟的技術(shù)優(yōu)勢［1］。這些公司都擁有自己的全工況模擬試驗(yàn)平臺，具有較高的技術(shù)水平，能夠進(jìn)行各種復(fù)雜環(huán)境、多種類型的管道帶壓封堵模擬。通過試驗(yàn)平臺模擬驗(yàn)證后，采用的維搶修施工技術(shù)手段完善并能根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行施工技術(shù)創(chuàng)新。圖1為美國TDW公司模擬平臺圖片。

圖1 美國TDW公司模擬平臺圖片

本文介紹了一個自主研發(fā)設(shè)計(jì)的帶壓封堵試驗(yàn)?zāi)M平臺系統(tǒng)，為維搶修作業(yè)提供能夠模擬現(xiàn)場實(shí)際工況的帶壓開孔、封堵的試驗(yàn)。通過試驗(yàn)、實(shí)踐，積累大口徑、不停輸、特殊介質(zhì)等帶壓封堵施工經(jīng)驗(yàn)，提高維搶修技術(shù)能力。

1 平臺設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

建立適用管徑200～1 200 mm的輸油、輸氣管道，模擬工況壓力≤10 MPa的不停輸帶壓開孔、封堵的試驗(yàn)?zāi)M平臺一套，真實(shí)反映施工方案的可行性和安全性。模擬平臺包括管道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

管道系統(tǒng)模擬輸油和輸氣管道，實(shí)現(xiàn)輸油、輸氣管道不停輸工況時，同等壓力下的帶壓開孔、封堵試驗(yàn)；

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)控，由 PLC（可編程控制器）控制，實(shí)時調(diào)節(jié)管道流量和壓力，并在工控機(jī)界面形象、友好地顯示出來；

視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時觀測設(shè)備作業(yè)過程，更好地了解開孔、封堵時管道內(nèi)部情況。

圖2為三維設(shè)計(jì)模型示意圖。

圖2 平臺三維設(shè)計(jì)模型

1.2 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道系統(tǒng)包括液路模擬和氣路模擬，分別模擬輸油和輸氣管道。液路模擬系統(tǒng)和氣路模擬系統(tǒng)對稱布置，之間預(yù)留10 m的操作空間。設(shè)備管道安裝布置占地面積約為1 400 m2，長度為55 m，寬度為25 m。

1.2.1 液路工藝流程設(shè)計(jì)

在對管道進(jìn)行封堵的過程中，要對發(fā)生泄漏的管道進(jìn)行開孔，為保證工作的便利，開孔多選在管道的直管段。在操作中，盡量使開孔位置與焊接位置保持一定的距離［2］。

管路系統(tǒng)主要設(shè)備包括水罐、過濾器、多級離心泵、高壓柱塞泵、流量計(jì)、安全放散系統(tǒng)、試壓管段、電動調(diào)節(jié)閥、排污閥、各類儀表等，通過管路連接，形成閉合回路。旁通的設(shè)置主要是模擬不停輸應(yīng)急搶修工況，即：穩(wěn)定在一定壓力下，介質(zhì)走臨時旁通管路，主管路進(jìn)行帶壓開孔、封堵試驗(yàn)。

試驗(yàn)起始狀態(tài)為柱塞泵閥門關(guān)閉，安全放空系統(tǒng)閥門關(guān)閉，電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，試壓管段閥門打開，旁通閥門打開，其余主管道閥門全開。啟動多級離心泵進(jìn)行充液，當(dāng)試壓管段閥門出水時，關(guān)閉離心泵出口閥門和試壓管段放水閥。打開柱塞泵閥門，啟動柱塞泵進(jìn)行升壓。調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥，直至達(dá)到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓。柱塞泵流量小，經(jīng)過計(jì)算，選擇較小口徑調(diào)節(jié)閥，以便于調(diào)節(jié)流量和壓力。圖3為液路系統(tǒng)工藝儀表流程圖。

圖3 液路系統(tǒng)工藝儀表流程

1.2.2 氣路工藝流程設(shè)計(jì)

圖4為氣路系統(tǒng)工藝儀表流程圖。主要設(shè)備包括空壓機(jī)、增壓機(jī)、流量計(jì)、安全放散系統(tǒng)、試壓管段、電動調(diào)節(jié)閥、放空閥、各類儀表等，通過管路連接，并在管路末端設(shè)置高壓消音器，降低噪聲污染，調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在一定壓力下，進(jìn)行帶壓開孔、封堵試驗(yàn)。試驗(yàn)起始狀態(tài)時安全放空系統(tǒng)閥門關(guān)閉，試壓管段閥門關(guān)閉，電動調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。啟動空壓機(jī)、增壓機(jī)，進(jìn)行充氣，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量和壓力，直至達(dá)到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)定。增壓機(jī)流量小，經(jīng)過計(jì)算，選擇較小口徑調(diào)節(jié)閥，以便于調(diào)節(jié)流量和壓力。

圖4 氣路系統(tǒng)工藝儀表流程

1.3 試驗(yàn)管段支座和基礎(chǔ)連接板設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺應(yīng)滿足管徑為200～1 200 mm的各種直徑的管段進(jìn)行試驗(yàn)，不同直徑的試驗(yàn)管段支座大小不同。為實(shí)現(xiàn)支座和基礎(chǔ)連接的通用性，設(shè)計(jì)了連接板結(jié)構(gòu)。該連接板按照最大管徑1 200 mm的支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，并能滿足 200～1200 mm管徑的連接要求。為節(jié)省材料、方便安裝，設(shè)計(jì)混凝土基礎(chǔ)和連接板尺寸不變，連接板與混凝土基礎(chǔ)通過地腳螺栓連接。與不同管徑相配的支座無論尺寸大小，直接與連接板焊接即可。連接板采用長1 280 mm、寬570 mm、厚12 mm的Q235A鋼板。連接板與鞍座底板進(jìn)行圓周連續(xù)焊接，鞍座底板開坡口45°，焊高≥6 mm。圖5為連接板底板圖，圖6為基礎(chǔ)-連接板組裝示意圖。

圖5 連接板底板平面安裝圖

圖6 基礎(chǔ)-連接板組裝示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、模擬工況狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集處理、遠(yuǎn)程控制等。系統(tǒng)采集壓力、流量、開孔行程等信號，通過PLC采集、傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)時調(diào)節(jié)管道流量和壓力。在工控機(jī)界面，利用操作面板，遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥、空壓機(jī)、泵等動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)詳見圖7。

圖7 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)框架

液（氣）路自動控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力、流量數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示，控制電動調(diào)節(jié)閥開度，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口壓力超限報警和調(diào)節(jié)閥故障報警及設(shè)備故障報警等，自動生成相關(guān)數(shù)據(jù)報表。液路自動控制視頻顯示見圖8，氣路自動控制視頻顯示見圖9。

圖8 液路自動控制視頻顯示圖

圖9 氣路自動控制視頻顯示圖

1.5 管道內(nèi)視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備，直接觀察實(shí)際開孔封堵施工中無法觀察到的管道內(nèi)部情況。管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備主要由高清攝像機(jī)、高清攝像頭、LED光源、特種高壓視窗（耐壓10 MPa）等組成，防護(hù)等級為IP65。視頻監(jiān)控裝備設(shè)置于試壓管段，能夠?qū)崟r觀測開孔機(jī)、封堵頭作業(yè)過程，更好地了解開孔封堵時管道內(nèi)部情況，采集開孔、封堵作業(yè)過程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)。管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備的高壓視窗三維圖見圖10。

圖10 高壓視窗三維圖

2 模擬平臺應(yīng)用情況

該模擬平臺設(shè)計(jì)建造完成后，如圖11，對整個模擬系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。分別對液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)定壓力為9 MPa的試壓，試驗(yàn)平臺壓力穩(wěn)定、安全可靠，滿足進(jìn)一步進(jìn)行帶壓開孔、封堵的試驗(yàn)條件。

圖11 模擬平臺現(xiàn)場

2.1 液路模擬系統(tǒng)應(yīng)用

某改線工程管道設(shè)計(jì)壓力10 MPa，帶壓封堵施工管道直徑為406.4 mm、壁厚9.5 mm，運(yùn)行介質(zhì)為成品油，封堵段管道運(yùn)行壓力 6.7 MPa。按 GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定要求，在項(xiàng)目開工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)用于驗(yàn)證本工程所采用的停輸帶壓封堵工藝和相關(guān)設(shè)備的可靠性。

試驗(yàn)所采用的管道為管徑406.4 mm、壁厚9.5 mm，運(yùn)行介質(zhì)為水，運(yùn)行壓力6.7 MPa，管道材質(zhì)X60，長度12 m。主要試驗(yàn)內(nèi)容為：（1）封堵管件帶壓焊接；（2）帶壓開孔，驗(yàn)證開孔是否合格；（3）模擬封堵，驗(yàn)證封堵效果；（4）試驗(yàn)完成后的系統(tǒng)打壓，驗(yàn)證作業(yè)在投產(chǎn)運(yùn)行后的可靠性。

整個試驗(yàn)過程中，所設(shè)計(jì)的模擬平臺各系統(tǒng)運(yùn)行良好，壓力一直穩(wěn)定在6.7 MPa，保證了各個后續(xù)試驗(yàn)的安全、圓滿完成。

2.2 氣路模擬系統(tǒng)應(yīng)用

某高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力8 MPa，遷改工程施工管道直徑為 711 mm、壁厚 17.5 mm，管道材質(zhì)X65，運(yùn)行壓力4 MPa。根據(jù)作業(yè)管道的規(guī)格、運(yùn)行壓力等技術(shù)參數(shù)，屬重點(diǎn)難點(diǎn)工程。按GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定要求，在項(xiàng)目開工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。本模擬試驗(yàn)用于驗(yàn)證工程所采用的不停輸（帶壓）封堵接駁工藝和相關(guān)設(shè)備的可靠性。通過試驗(yàn)驗(yàn)證材料設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)參數(shù)、性能能否滿足實(shí)際需要，確保實(shí)際作業(yè)的成功。

試驗(yàn)采用的管道直徑為711 mm、壁厚17.5 mm，運(yùn)行介質(zhì)為空氣，運(yùn)行壓力4 MPa，管道材質(zhì)L415M，長度12 m。主要試驗(yàn)內(nèi)容為：（1）封堵管件帶壓焊接；（2）帶壓開孔，驗(yàn)證開孔是否合格；（3）模擬封堵，驗(yàn)證封堵效果；（4）管道修復(fù)，驗(yàn)證修復(fù)效果；（5）試驗(yàn)完成后的系統(tǒng)打壓，驗(yàn)證系統(tǒng)在投產(chǎn)運(yùn)行后的可靠性。

整個試驗(yàn)過程中，所設(shè)計(jì)的模擬平臺各系統(tǒng)運(yùn)行良好，壓力一直穩(wěn)定在4 MPa，保證了各個后續(xù)試驗(yàn)的安全、圓滿完成。

3 結(jié)束語

帶壓封堵試驗(yàn)平臺采用可靠、安全的工藝設(shè)計(jì)，模擬現(xiàn)場施工實(shí)際工況，驗(yàn)證帶壓開孔封堵作業(yè)方案的可行性。

（1）設(shè)置的電動調(diào)節(jié)閥可對試驗(yàn)管路進(jìn)行壓力自動調(diào)節(jié)。液路采取閉合回路設(shè)計(jì)，節(jié)約水資源。氣路末端設(shè)置高壓消音器，減小噪聲污染。

（2）數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的全自動控制，現(xiàn)場無人值守，保證安全。

（3）管道內(nèi)視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)，能夠視頻觀測到帶壓開孔封堵的作業(yè)過程，并采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)。

（4）試驗(yàn)管段支座和基礎(chǔ)連接板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，適用管徑200～1 200 mm，便于安裝，使不同規(guī)格的試驗(yàn)管段更換方便快捷，節(jié)省材料。

該平臺能夠?qū)洪_孔封堵施工工藝和施工裝備進(jìn)行可靠性和安全性驗(yàn)證，有利于設(shè)備的研發(fā)和新型施工技術(shù)的實(shí)施與推廣，有效提升公司在帶壓封堵及維搶修專業(yè)的技術(shù)能力，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。