維搶修液壓封堵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

趙 明 趙麗爽 姜修才

（1.中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北 廊坊 065001；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司管道學(xué)院，河北 廊坊 065000）

0 引言

封堵器是油氣管道維搶修作業(yè)中使用的最重要的設(shè)備之一，其主要作用是通過(guò)臨時(shí)截?cái)嘤蜌饬?，?duì)受損管道進(jìn)行搶修。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有封堵器已經(jīng)使用多年，雖然可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的使用要求，但是其結(jié)構(gòu)和功能都存在若干問(wèn)題，給維搶修施工帶來(lái)了很大困難和安全隱患。

為了解決原有封堵器的很多問(wèn)題，保證施工的安全與高效，維搶修公司成立了項(xiàng)目組，對(duì)原有液壓封堵器的密封形式、機(jī)械結(jié)構(gòu)和缸體進(jìn)出油路等方面進(jìn)行優(yōu)化整改。新封堵器活塞采用組合式密封、緊定螺釘由徑向改為軸向均布、封堵器進(jìn)出油管增加壓力表、增加安全閥等技術(shù)措施，并通過(guò)車(chē)間模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，完全能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)維搶修施工作業(yè)的要求，從根本上解決了原有設(shè)備存在的很多問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)了封堵器的升級(jí)改造工作。

1 技術(shù)方案

1.1 現(xiàn)有液壓封堵器存在的安全問(wèn)題

目前現(xiàn)場(chǎng)大量使用的液壓封堵器，主要存在的問(wèn)題如下。1） 皮碗密封結(jié)構(gòu)，造成密封不嚴(yán)，液壓油泄露。2）進(jìn)出油口無(wú)壓力表、安全閥，無(wú)法對(duì)封堵器內(nèi)部液壓油壓力隨時(shí)監(jiān)控。3） 法蘭盤(pán)固定螺栓采用徑向布置，結(jié)構(gòu)不合理，螺栓承擔(dān)抗剪切力，存在安全隱患。

在施工現(xiàn)場(chǎng)和公司車(chē)間，該型封堵器曾經(jīng)發(fā)生過(guò)不同程度的損壞，且封堵器均處于靜止?fàn)顟B(tài)（即非工作狀態(tài)），施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障的封堵器如圖1所示。

1.2 改造封堵器的改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1中損壞的液壓封堵器正是因?yàn)檫M(jìn)出油口無(wú)壓力表和安全閥，使操作人員無(wú)法得知其內(nèi)部液壓油的壓力，另外由于螺栓承擔(dān)剪切力的能力非常小，因此才發(fā)生了封堵器損壞的事件。

圖1 在非工作狀態(tài)下螺栓脫開(kāi)

針對(duì)原有封堵器的上述問(wèn)題，項(xiàng)目組對(duì)液壓封堵器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化整改。首先，結(jié)合舊封堵缸圖紙確定了封堵器前端具體的脫開(kāi)位置，如圖2所示（用于鎖緊封堵缸套筒和驅(qū)動(dòng)套的8根M20×60螺栓均被剪斷，導(dǎo)致封堵缸前端驅(qū)動(dòng)套和法蘭盤(pán)脫出，與封堵缸套筒脫離，封堵缸內(nèi)液壓油泄露）。

圖2 封堵缸前端脫開(kāi)位置

技術(shù)人員對(duì)原有封堵器進(jìn)行建模，并通過(guò)計(jì)算對(duì)其原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，結(jié)合舊封堵器設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)中的缺陷，最終形成了一套完整有效的封堵器優(yōu)化改造方案，新型封堵器圖紙如圖3所示。

圖3 新型封堵器結(jié)構(gòu)圖

新型封堵器由缸體總成、活塞及活塞桿總成、導(dǎo)向套及鎖緊機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。缸體總成由吊耳、缸底、缸筒接頭、缸筒、法蘭組成，缸底及缸筒接頭材料為45#鋼鍛造，鍛件內(nèi)部微密組織比較均勻，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。缸筒材料為優(yōu)質(zhì)熱軋無(wú)縫鋼管，經(jīng)過(guò)精鏜、輥壓處理，增加了缸筒內(nèi)壁的硬度，提高了缸筒的耐磨性。缸底與缸筒由8個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接，便于今后導(dǎo)向方剛的修理與更換，導(dǎo)向方剛通過(guò)焊接在一起的導(dǎo)向座與缸底用螺栓連接?；钊蓛?nèi)活塞和外活塞組成，由10個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接，在內(nèi)活塞和外活塞上加一定位止口，可減低對(duì)螺孔的加工位置精度的要求，也使活塞與缸筒的同軸度提高，使密封效果更好?；钊芊膺x用M4型活塞密封，密封效果更好，這種組合密封是由密封V形圈和支撐環(huán)及擋圈組成的，可適用于各種工況條件，工作壓力可達(dá)到50MPa，可工作溫度在-40℃～100℃。

圖4 新型封堵器三維模型圖

在活塞上還加一銅套，銅套在缸內(nèi)起支撐作用，以減少對(duì)缸筒的磨損。內(nèi)活塞與防撞頭焊接，可防止活塞直接撞擊缸底，外活塞與活塞桿焊接，活塞桿材選45#無(wú)縫鋼管，表面經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)、淬火及鍍硬鉻處理，提高了活塞桿的機(jī)械性能及耐磨性。

導(dǎo)向套上選用美國(guó)派克公司生產(chǎn)的B3型活塞桿密封，采用聚氨酯材料，工作壓力可達(dá)到40MPa，可工作溫度在-35℃～110℃，耐磨損性能優(yōu)異，低永久壓縮變形，對(duì)沖擊載荷和壓力峰值不敏感，可適用于惡劣的工況。

在導(dǎo)向套內(nèi)孔及缸口壓盤(pán)內(nèi)孔都加一銅支撐套，可在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)避免與鋼件的直接摩擦，降低對(duì)活塞桿的磨損，并起到導(dǎo)向作用。導(dǎo)向套與法蘭及缸口壓盤(pán)在軸向用8個(gè)M30高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓在徑向時(shí)會(huì)增加油缸拆裝時(shí)的困難，而且在拆卸油缸時(shí)會(huì)損壞密封件。鎖緊機(jī)構(gòu)為2個(gè)卡緊銅箍，靠4個(gè)鎖緊螺栓擰緊后，卡緊銅箍緊抱活塞桿，從而將油缸鎖緊。

1.3 新型液壓封堵器主要性能參數(shù)計(jì)算

1.3.1 油缸推力及拉力

油缸推力及拉力如公式（1）、公式（2）所示。

試驗(yàn)推力及試驗(yàn)拉力如公式（3）、公式（4）所示。

式中：為油缸力，kN；為試驗(yàn)力，kN；為液壓缸直徑，m；為活塞桿直徑，m；為工作壓力，MPa；P為設(shè)計(jì)壓力，MPa。

1.3.2 行程時(shí)間

活塞桿伸出時(shí)間如公式（5）所示下。

活塞桿縮回時(shí)間如公式（6）所示。如下。

式中：為行程，m；為液壓缸直徑，m，取=6.3L/min。

驗(yàn)算如下。缸筒能承受額定壓力應(yīng)低于一定的極限值，如公式（7）所示。

式中：為缸筒外徑，m；σ為缸筒材料屈服極限，m（45#鋼σ=335MPa）。

結(jié)論：此缸的額定壓力為15MPa，小于缸筒能承受的極限壓力32MPa。

額定壓力應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑形變形的發(fā)生，如公式（8）、公式（9）所示。

式中：P為缸筒發(fā)生完全塑形變形的壓力，MPa。結(jié)論：此缸的額定壓力為15MPa，小于使缸筒發(fā)生塑形變形的壓力18MPa。

爆裂壓力P如公式（10）所示。

式中：σ為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，m（45#鋼σ=550MPa）。

結(jié)論：使此缸筒發(fā)生爆裂所需的壓力為84MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此缸的試驗(yàn)壓力15MPa及工作壓力10MPa。

總結(jié)論：缸筒壁厚合格。

該計(jì)算如公式（11）所示。

活塞桿桿頭所受的軸向力應(yīng)滿(mǎn)足公式（12）～公式（15）。

式中：F為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，N；n為安全系數(shù)，通常取≈3.5～6；為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)（本缸安裝形式為前端法蘭支承，無(wú)導(dǎo)向取=2）；為實(shí)際彈性模量，MPa；為材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取≈1/12；為活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取≈1/13；為材料的彈性模量，鋼材=2.10×105，MPa；為活塞桿橫截面慣性矩，m；L為活塞桿伸出后的安裝距，cm。

液壓缸水平放置，活塞桿伸出時(shí)的受力狀況如圖5所示。

圖5 新型封堵器撓度校核

活塞桿受力后彎曲變形產(chǎn)生的撓度值計(jì)算如公式（16）所示。

式中：為活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，2549.2cm；為活塞桿自重，496.2kg；為油缸活塞桿伸出長(zhǎng)度，489.2cm；為鋼材的彈性模量，2.1×10kg/cm，。

結(jié)論：活塞桿水平伸出全行程后且不受任何載荷（即活塞桿自重）時(shí)，活塞桿彎曲變形撓度值為3.6cm。

導(dǎo)向套上為8個(gè)12.9級(jí)M30內(nèi)六角圓柱頭螺釘，每個(gè)M30內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)谋ＷC載荷為544kN，本缸的試驗(yàn)推力為1060kN，分布8個(gè)螺釘，每個(gè)螺釘受到的載荷為132.5kN，則有544/132.5=4倍。

結(jié)論：螺釘強(qiáng)度合格。

2 可行性驗(yàn)證與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

液壓封堵器整改后在公司車(chē)間進(jìn)行了封堵模擬試驗(yàn)，效果良好，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。又在后續(xù)施工中成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高了管道維搶修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工的效率。

綜合技術(shù)指標(biāo)：1） 整套設(shè)備工作壓力可達(dá)到10MPa。2） 封堵器適用管道為 12"～36"。3） 全人力施工，單套操作人數(shù) 3人 ～5 人。4） 單孔操作時(shí)間 20min～30min。

3 結(jié)論

優(yōu)化改造后的新型液壓封堵器從根本上解決了封堵器結(jié)構(gòu)上存在的設(shè)計(jì)缺陷，且結(jié)構(gòu)緊湊，配合進(jìn)出油口的安全閥與壓力表，避免了內(nèi)部液壓油壓力升高可能引發(fā)的安全事故，研究成果可直接應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外輸油氣管道維搶修中，對(duì)保障管道安全平穩(wěn)運(yùn)行具有積極作用。1） 活塞由內(nèi)活塞和外活塞組成，采用組合密封形式，使密封效果更好，可適用于各種工況條件，工作壓力可達(dá)到50MPa，可工作溫度在-40℃～100℃。2） 導(dǎo)向套與法蘭及缸口壓盤(pán)在軸向用8個(gè)M20高強(qiáng)度螺栓連接，改變?cè)蟹舛缕髀菟◤较虿贾?，使螺栓受力由受剪力變?yōu)槭芾?，封堵器整體承壓能力大幅提升，同時(shí)避免了拆卸油缸時(shí)費(fèi)時(shí)且易損壞密封件的問(wèn)題。3） 在封堵器出入油管路上增加了壓力表，隨時(shí)監(jiān)控封堵器內(nèi)液壓油的壓力。4） 在封堵器上增加了安全閥，當(dāng)封堵器內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，安全閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，可降低封堵器內(nèi)油壓，從而可消除因封堵器超壓引起的安全隱患。