大口徑管道封堵三通塞柄優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張吉昌，袁會(huì)贊，陶偉莉

(中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北廊坊 065001)

0 引言

在管道不停輸開孔封堵作業(yè)中，完成封堵后要移去開孔機(jī)和閥門。此時(shí)封堵三通主要通過塞柄結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)承壓密封，完成加蓋盲板作業(yè)。為保證施工安全，塞柄結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。開孔封堵作業(yè)時(shí)要保持內(nèi)外壓力平衡,通常利用開孔機(jī)頂軸頂開鋼珠實(shí)現(xiàn)塞柄上下貫通。Φ914 mm及以上封堵三通要采用1200型長(zhǎng)行程開孔機(jī)實(shí)現(xiàn)開孔作業(yè)。1200型長(zhǎng)行程開孔機(jī)頂軸直徑大，伸出高度短。由于開孔機(jī)頂軸直徑變大，利用原有內(nèi)旁通結(jié)構(gòu)，從加工工藝上，加工較短大尺寸螺紋孔難以實(shí)現(xiàn)，這樣導(dǎo)致開孔機(jī)主軸不能通過上端螺紋孔并頂開密封鋼球?qū)崿F(xiàn)上下連通，為此需要對(duì)塞柄內(nèi)旁通結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

基于以上情況，根據(jù)配套設(shè)備的使用情況，主要針對(duì)Φ914 mm及以上規(guī)格管線封堵三通塞柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的封堵三通塞柄滿足長(zhǎng)行程開孔機(jī)作業(yè)需要，提高了長(zhǎng)行程開孔機(jī)的適用性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，能夠?qū)崿F(xiàn)塞柄結(jié)構(gòu)的多樣化設(shè)計(jì)。

1 管道開孔封堵設(shè)備與施工工藝

管道不停輸開孔封堵作業(yè)采用的主要設(shè)備有封堵頭、封堵三通、夾板閥、封堵接合器、開孔筒刀、開孔機(jī)等。其主要施工工序?yàn)椋汗艿罍y(cè)厚→焊接封堵三通管件→安裝夾板閥和開孔機(jī)→設(shè)備試壓→開孔→安裝封堵器進(jìn)行封堵作業(yè)→管道放空→割管連頭→新管道置換→啟封投產(chǎn)→下塞堵→拆閥門、裝盲板→舊管道拆除[1]。

開孔機(jī)開孔完成后，需要提起筒刀，將封堵頭通過結(jié)合器、夾板閥、三通等設(shè)備對(duì)管道進(jìn)行封堵作業(yè)[2-3](圖1)。該過程中，封堵三通塞柄是實(shí)現(xiàn)承壓密封、加蓋盲板的關(guān)鍵部件。

1—封堵接合器；2—夾板閥；3—封堵頭;4—封堵三通

2 封堵三通塞柄的結(jié)構(gòu)與工作原理

常用的封堵三通塞柄機(jī)構(gòu)主要由塞柄、塞柄密封圈、塞柄上絲堵、球墊、鋼珠、塞柄彈簧、塞柄下絲堵、塞柄接管等部分組成。封堵三通塞柄結(jié)構(gòu)工作原理是在封堵完成后，利用開孔機(jī)將三通塞柄放置在三通法蘭部位的腔體內(nèi)，通過卡環(huán)結(jié)構(gòu)固定三通塞柄的位置，并通過塞柄密封圈實(shí)現(xiàn)密封承壓無泄漏，利用開孔機(jī)主軸頂住塞柄結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼珠，壓緊塞柄彈簧，從而實(shí)現(xiàn)塞柄上下連通，保證作業(yè)過程中上下壓力平衡[4]。塞柄的另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)開孔管道的完整性，塞柄下放到指定位置后，塞柄接管下端焊接開孔切割下來的油氣管道上的鞍型板，鞍型板的位置要保證不能凸出到管線內(nèi)部，防止管道檢測(cè)時(shí)發(fā)生卡球故障。常規(guī)塞柄結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—塞柄；2—塞柄上絲堵；3—球墊；4—鋼球； 5—塞柄彈簧；6—塞柄下絲堵；7—塞柄接管

3 大口徑封堵三通塞柄優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)方案

封堵三通管線管徑較小時(shí),采用860/760型及以下規(guī)格開孔機(jī)進(jìn)行作業(yè),塞柄結(jié)構(gòu)利用鋼球頂住聚四氟乙烯墊實(shí)現(xiàn)密封。 作業(yè)時(shí)采用開孔機(jī)頂軸推動(dòng)鋼珠壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)上、下空間的連通,Φ914 mm及以上規(guī)格三通所用開孔機(jī)頂軸直徑變大,伸出長(zhǎng)度變短,需要原有塞柄上絲堵孔擴(kuò)大才能使頂軸通過。而加工工藝很難實(shí)現(xiàn)短距離大尺寸密封螺紋孔的加工，需要設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)塞柄上下連通，在整個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)塞柄密封和利用彈簧實(shí)現(xiàn)預(yù)定壓縮為關(guān)鍵技術(shù)。

在以往施工作業(yè)中會(huì)出現(xiàn)拆除開孔機(jī)后管線介質(zhì)在鋼球處發(fā)生密封不嚴(yán)的泄漏現(xiàn)象，分析泄漏主要原因發(fā)現(xiàn)鋼球發(fā)生銹蝕或加工質(zhì)量問題導(dǎo)致鋼球與密封墊之間不能實(shí)現(xiàn)緊密貼合。為解決泄漏問題，通過對(duì)塞柄結(jié)構(gòu)功能分析，設(shè)計(jì)了錐面絲堵結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，然后對(duì)大口徑塞柄結(jié)構(gòu)從加工工藝、吊裝、焊接等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)錐面絲堵、壓縮彈簧和密封墊片相配合實(shí)現(xiàn)密封，在上端增加塞柄壓蓋和吊耳，同時(shí)下端塞柄接管采用分體式與塞柄利用螺栓進(jìn)行連接(圖3)，解決了塞柄接管焊接過程中精準(zhǔn)定位的難題。

1—塞柄；2—塞柄吊耳；3—塞柄壓蓋；4—塞柄彈簧；5—壓蓋螺栓；6—塞柄接管；7—塞柄接管連接螺栓

3.2 密封設(shè)計(jì)

塞柄內(nèi)旁通的密封結(jié)構(gòu)主要利用彈性密封實(shí)現(xiàn)封堵腔體內(nèi)壓力平衡，錐面絲堵密封設(shè)計(jì)代替鋼珠壓緊密封墊片。實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)密封，同時(shí)為保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后密封墊片失效，在上端增加塞柄壓蓋實(shí)現(xiàn)雙重保障。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的塞柄密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—塞柄壓蓋；2—壓蓋螺栓；3—壓蓋密封圈； 4—密封墊片；5—錐面絲堵；6—塞柄彈簧；7—塞柄絲堵

錐面絲堵上端采用斜面壓緊密封墊，錐面絲堵下端套入彈簧內(nèi)圈，實(shí)現(xiàn)彈簧的定位。彈簧的設(shè)計(jì)要保證一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，彈簧壓緊力越大，密封效果越好，錐面絲堵如圖5所示[5-6]。工作過程中能夠確保頂軸壓下錐面絲堵時(shí)，彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定壓縮。

圖5 錐面絲堵示意圖

端面壓蓋結(jié)構(gòu)通過O型密封圈實(shí)現(xiàn)密封，密封圈壓縮比要保證承壓與管線內(nèi)介質(zhì)壓力一致，通過螺栓實(shí)現(xiàn)壓蓋與塞柄的固定。密封端蓋下部中心為空腔，保證錐面絲堵上部能夠進(jìn)入其中，端面壓蓋通過螺栓與塞柄實(shí)現(xiàn)固定連接(圖6)。

1—端面壓蓋；2—緊固螺栓；3—密封圈

3.3 塞柄與塞柄接管設(shè)計(jì)為螺栓連接

通常情況，為保證管道完整性，需要設(shè)計(jì)塞柄接管，用于將開孔作業(yè)時(shí)切下的鞍型板放置回管線開孔位置。

塞柄接管設(shè)計(jì)為帶孔圓盤和接管構(gòu)成的一體式焊接結(jié)構(gòu)。在圓盤圓周方向設(shè)計(jì)螺栓孔，并在塞柄相同圓周上加工螺栓孔。塞柄接管結(jié)構(gòu)和塞柄利用螺栓進(jìn)行連接，避免焊接過程不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，且拆卸安裝方便，能夠?qū)崿F(xiàn)快速安裝(圖7)。

1—塞柄；2—連接螺栓；3—塞柄接管

3.4 增加吊耳結(jié)構(gòu)

大口徑塞柄的質(zhì)量隨著管徑和壓力增大而增大，利用原有螺栓孔不能保證吊裝過程的安全操作，為此在塞柄上端面增加了吊耳。 采用上述技術(shù)方案，加工了Φ914 mm封堵三通塞柄(圖8)。

圖8 Φ914 mm封堵三通

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2018年，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三通塞柄在內(nèi)蒙古大唐國際長(zhǎng)輸管道隱患整改項(xiàng)目中應(yīng)用(圖9)。該管線直徑Φ914 mm，屬于山區(qū)石方段施工，山高坡險(xiǎn)，此技術(shù)的應(yīng)用在保證工期和安全方面起到了積極的作用。按照要求完成了3.5 km管線安裝和新舊管線不停輸鏈接的任務(wù)。

圖9 封堵三通塞柄現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后能夠?qū)崿F(xiàn)大口徑三通的封堵開孔，并進(jìn)行了系列化設(shè)計(jì)。此種塞柄結(jié)構(gòu)的適用范圍廣，可應(yīng)用于Φ914 mm及以上規(guī)格管徑塞柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的封堵三通塞柄滿足了長(zhǎng)行程開孔機(jī)作業(yè)的需要，提高了長(zhǎng)行程開孔機(jī)的適用性。塞柄結(jié)構(gòu)在滿足內(nèi)旁通的要求同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)塞柄的可靠密封。加工工藝簡(jiǎn)單，密封效果良好，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了塞柄的系列化，為大口徑三通的封堵開孔作業(yè)提供了設(shè)備保證。