天然氣管道根部閥結(jié)構(gòu)微漏不動(dòng)火帶壓堵漏技術(shù)

張曉虎，高倩鈺，阮景紅，劉 達(dá)

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.中冶檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100088；3.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083；4.國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司，北京 100101)

在工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改造和檢修作業(yè)中，經(jīng)常需要更新工藝管道、改造或更換在役閥門，并去除管道根部閥所在引壓管，然后對(duì)閥井進(jìn)行回填。常規(guī)的做法是停產(chǎn)后將工藝管道內(nèi)介質(zhì)排放干凈，用空氣或氮?dú)庵脫Q后再進(jìn)行管道閥門的拆除、更換或焊接等作業(yè)。由于停產(chǎn)作業(yè)代價(jià)太高，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，且長(zhǎng)期無法滿足作業(yè)條件，因此需要采用在役管道帶壓封堵等特種維修方法[1-2]。

堵漏是一門技術(shù)含量高、專業(yè)性強(qiáng)、責(zé)任重大的特殊密封技術(shù)?，F(xiàn)有的堵漏技術(shù)主要有補(bǔ)焊技術(shù)、鋼帶拉緊技術(shù)、低壓粘補(bǔ)技術(shù)和注劑式密封技術(shù)等[3]。這些堵漏技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中暴露出很多問題，一方面,由于堵漏技術(shù)本身使用范圍較窄，其推廣應(yīng)用受到限制;另一方面,由于堵漏技術(shù)的堵漏速度慢，達(dá)不到快速堵漏的使用要求，其經(jīng)濟(jì)性較差。因此，在現(xiàn)有的堵漏技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，需要從作業(yè)時(shí)間、作業(yè)環(huán)境、堵漏成功率以及堵漏成本等多方面進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)出適用于油氣輸送管道泄漏的快速堵漏裝置[4-6]。

為了克服現(xiàn)有油氣輸送管道堵漏技術(shù)的缺陷和不足，針對(duì)中壓和高壓天然氣管道根部閥微量天然氣泄漏情況，對(duì)帶壓堵漏夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，并模擬實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3種永久帶壓堵漏裝置，形成了一套管道根部閥補(bǔ)強(qiáng)堵漏技術(shù)。該技術(shù)具有不需動(dòng)火、耐高壓、簡(jiǎn)單便捷以及封堵效果長(zhǎng)久有效等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了引壓管根部閥微漏的有效封堵，從根本上消除了引壓管泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，保證了天然氣管道的安全運(yùn)行。

1 根部閥泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與帶壓堵漏

1.1 管道根部閥結(jié)構(gòu)泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前天然氣管道壓力主要是通過引壓管從主管道取源，引壓管與主管道焊接部位容易受到外力作用而導(dǎo)致焊縫處泄漏。為了減少泄漏，通常采取的措施是關(guān)閉引壓管上的閥門，將閥門上部的引壓管截除。引壓管截?cái)嗵幒烷y門手柄處均是泄漏高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

閥門的泄漏方式主要有內(nèi)漏和外漏兩種，其中閥門內(nèi)漏主要是由于密封圈和關(guān)閉件損傷，開關(guān)不到位，密封圈與閥體間存在雜質(zhì)以及密封座的O型圈不密封等原因?qū)е隆?009年4月，檢查發(fā)現(xiàn)某旁通旋塞閥內(nèi)漏，主要是由閥門排污嘴和注脂嘴泄漏引起的；2010年6月，檢查發(fā)現(xiàn)某根部閥外漏。為了降低引壓管根部與主管道焊接處的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，焊接處可通過安裝加強(qiáng)座實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，加強(qiáng)座與主管道之間采用焊接方式固定，內(nèi)部填充密封注劑。管道根部閥結(jié)構(gòu)見圖1。閥門內(nèi)漏和外漏均可通過帶壓堵漏技術(shù)實(shí)現(xiàn)永久堵漏。

圖1 管道根部閥結(jié)構(gòu)

1.2 帶壓堵漏技術(shù)實(shí)施

針對(duì)管道根部閥結(jié)構(gòu)微量天然氣泄漏情況，設(shè)計(jì)帶壓堵漏技術(shù)實(shí)施方案，主要包括以下4個(gè)部分：

(1) 泄漏檢測(cè)

由于根部閥泄漏情況比較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)泄漏檢測(cè)時(shí)應(yīng)采用多種檢測(cè)技術(shù)及裝備對(duì)泄漏部位的幾何尺寸、泄漏介質(zhì)的組分、泄漏量的大小以及周圍環(huán)境等進(jìn)行全方位檢測(cè)。

(2) 泄漏原因分析

泄漏可分為本體泄漏和密封泄漏，其原因分別為本體局部材料失效和密封失效。材質(zhì)不均、材料或焊縫內(nèi)部缺陷、應(yīng)力集中、沖蝕磨損、外力破壞、設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量差、安裝不正確和密封件老化等均可導(dǎo)致泄漏。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的根部閥泄漏，應(yīng)在詳細(xì)調(diào)查的情況下，分析其真正的泄漏原因。

(3) 相關(guān)資料的收集與分析

不僅要收集現(xiàn)場(chǎng)泄漏檢測(cè)的原始資料，而且要收集相關(guān)設(shè)備、管道系統(tǒng)以及工藝裝置的技術(shù)資料，并對(duì)其進(jìn)行分析。同時(shí)，應(yīng)詳細(xì)了解、掌握和跟蹤行業(yè)內(nèi)各種帶壓堵漏技術(shù)的進(jìn)展。

(4) 初擬方案及優(yōu)選適用方案

帶壓堵漏施工人員應(yīng)具備系統(tǒng)統(tǒng)籌的觀念，在施工中逐步弱化泄漏強(qiáng)度，逐個(gè)消除泄漏點(diǎn)，將最終止漏的壓力控制在合理范圍內(nèi)，不致于對(duì)系統(tǒng)造成不利影響。應(yīng)根據(jù)管道泄漏的原因、位置、壓力等級(jí)、輸送介質(zhì)和溫度的不同，來確定相應(yīng)堵漏產(chǎn)品的密封級(jí)別、結(jié)構(gòu)形式以及對(duì)管道本體的保護(hù)形式和施工方式。

2 管道根部閥結(jié)構(gòu)帶壓堵漏技術(shù)

針對(duì)管道根部閥微量天然氣泄漏情況，對(duì)帶壓堵漏夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，并模擬實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)，形成管道根部閥補(bǔ)強(qiáng)堵漏技術(shù)，具體過程見圖2。

圖2 帶壓堵漏技術(shù)形成過程

2.1 帶壓堵漏技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1.1 引壓管絲堵、閥門不動(dòng)火帶壓堵漏

方案1：引壓管絲堵、閥門不動(dòng)火帶壓堵漏方案。堵漏裝置主要包括閥門堵漏夾具和碳纖維纏繞層，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 引壓管絲堵、閥門不動(dòng)火帶壓堵漏

閥門堵漏夾具采用兩半瓦形式，其接觸面開設(shè)密封槽，采用螺栓和盤根進(jìn)行緊固密封。在引壓管閥門上安裝閥門堵漏夾具，排氣閥接導(dǎo)流管到室外，打開排氣閥；引壓管內(nèi)部注膠，其端部安裝絲堵密封；對(duì)閥門堵漏夾具纏繞碳纖維進(jìn)行密封保護(hù)，并在夾具內(nèi)部注膠，注滿后關(guān)閉排氣閥，然后繼續(xù)注膠，增壓到10 MPa后關(guān)閉注膠用閥門，去除導(dǎo)流管。

2.1.2 法蘭式夾具不動(dòng)火帶壓堵漏

方案2：將引壓管截?cái)嗪筮M(jìn)行不動(dòng)火帶壓堵漏。堵漏裝置主要包括套筒、下法蘭和聚四氟乙烯塞，其結(jié)構(gòu)見圖4。聚四氟乙烯塞與內(nèi)部閥門及外部套筒之間采用過盈配合實(shí)現(xiàn)密封。清理和清洗套筒、聚四氟乙烯塞和閥門密封面，確保其表面無劃痕和擦傷等缺陷，確保套筒入口無毛刺。先在密封面上均勻涂抹密封膠，然后將聚四氟乙烯塞套在閥門上，再用螺栓將聚四氟乙烯塞垂直壓入套筒。方案2將截?cái)嗟囊龎汗懿糠置芊庠趦?nèi)，同時(shí)減少了密封面，大大提高了堵漏效果。

圖4 法蘭式夾具不動(dòng)火帶壓堵漏

2.1.3 閥門手柄處可監(jiān)測(cè)帶壓堵漏

方案3：針對(duì)引壓管不截?cái)嗟那闆r，對(duì)閥門手柄處泄漏高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行可監(jiān)測(cè)帶壓堵漏。堵漏裝置主要包括蓋帽型夾具、U型螺栓和密封橡膠圈，其結(jié)構(gòu)見圖5。蓋帽型夾具通過U型螺栓進(jìn)行固定，夾具與閥門主體之間采用密封橡膠圈進(jìn)行密封，夾具頂部設(shè)置引壓管接頭，試驗(yàn)時(shí)用于打壓，后續(xù)壓力監(jiān)測(cè)時(shí)用來連接引壓管與壓力監(jiān)測(cè)裝置。方案3堵漏裝置可將閥門手柄處和外界隔絕，使其處于密閉空腔內(nèi)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥門處的泄漏情況。

圖5 閥門手柄處可監(jiān)測(cè)帶壓堵漏

2.2 模擬試驗(yàn)

模擬國內(nèi)某天然氣管道根部閥的實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)，根部閥泄漏模擬見圖6，組裝完成后的堵漏裝置見圖7。

圖6 根部閥泄漏模擬

圖7 組裝完成后的堵漏裝置

試驗(yàn)?zāi)康模?1)驗(yàn)證方案1、方案2和方案3在閥門發(fā)生外漏的情況下是否可以有效堵漏；(2)驗(yàn)證方案1、方案2在閥門發(fā)生內(nèi)漏的情況下是否可以有效堵漏；(3)確定方案1夾具安裝和碳纖維纏繞施工工藝；(4)確定方案2和方案3夾具安裝施工工藝。

試驗(yàn)步驟：(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)根部閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，模擬天然氣微漏工況；(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況焊接制作引壓管；(3)對(duì)根部閥結(jié)構(gòu)與堵漏夾具之間的接觸面進(jìn)行表面清理，排除粗糙表面與雜質(zhì)對(duì)密封效果的影響；(4)安裝堵漏裝置，在安裝過程中應(yīng)注意密封接觸面的密封效果；(5)進(jìn)行密封性試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)介質(zhì)為空氣，試驗(yàn)壓力為 10 MPa，升壓速率不大于0.1 MPa/min。密封性能的合格標(biāo)準(zhǔn)為無破裂、無泄漏，壓力降不大于0.1 MPa。

2.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果

模擬試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)方案1堵漏裝置在壓力相對(duì)較低(7 MPa以下)時(shí)密封性能良好，碳纖維可以起到補(bǔ)強(qiáng)作用，但由于堵漏夾具的形狀不規(guī)則，導(dǎo)致碳纖維的纏繞不可能覆蓋整個(gè)夾具，夾具存在強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，在壓力9 MPa及以上時(shí)密封膠外溢。方案1適用于中壓天然氣管道根部閥微漏不動(dòng)火帶壓堵漏。(2)方案2和方案3堵漏裝置在壓力升高至10 MPa，穩(wěn)壓24 h后檢查無異常，可實(shí)現(xiàn)高壓天然氣管道根部閥微漏不動(dòng)火帶壓堵漏。

表1 模擬試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 結(jié) 論

針對(duì)天然氣管道根部閥微量天然氣泄漏的情況，對(duì)帶壓堵漏夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，并模擬實(shí)際工況進(jìn)行試驗(yàn)，形成一套中壓和高壓天然氣管道根部閥補(bǔ)強(qiáng)堵漏技術(shù)。

(1) 在壓力相對(duì)較低(7 MPa以下)時(shí)，方案1的引壓管絲堵、閥門帶壓堵漏裝置密封性能良好，碳纖維可以起到補(bǔ)強(qiáng)作用，適用于中壓天然氣管道根部閥微漏不動(dòng)火帶壓堵漏。

(2) 方案2的法蘭式夾具不動(dòng)火帶壓堵漏裝置與方案3的閥門手柄處可監(jiān)測(cè)帶壓堵漏裝置，在壓力升高至10 MPa，穩(wěn)壓24 h后檢查無異常，可實(shí)現(xiàn)高壓天然氣管道根部閥微漏不動(dòng)火帶壓堵漏。