鋼制管道帶壓開孔后的鐵屑回收裝置研究

姜修才,馬 寧,孫華強(qiáng),馬萬飛,章海鵬,常靈志

(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

帶壓開孔封堵是目前油氣管道行業(yè)最常用的維修改造方法[1-2],包括開孔和封堵兩個(gè)重要作業(yè)工序,其中在對鋼制管道進(jìn)行開孔作業(yè)時(shí)不可避免地會產(chǎn)生切削鐵屑,重力作用下鐵屑掉落至管道內(nèi)腔的底部,會引發(fā)接續(xù)封堵作業(yè)的密封不嚴(yán)乃至油氣泄漏[3],給后續(xù)的管道動火連頭工作帶來極大的安全隱患;而且對于一些特殊輸送管道(如航油、汽油、柴油等成品油管道及制藥行業(yè)原料管線等高潔凈度要求的管道),更不允許在管道內(nèi)殘留鐵屑。

帶壓開孔后的鐵屑回收需要管道在帶壓且無外泄介質(zhì)的閉口情況下完成,否則敞口回收鐵屑將使帶壓開孔封堵作業(yè)無意義。通過信息搜集沒有檢索到管道開孔后閉口回收鐵屑的資料,而敞口大氣環(huán)境下的切削鐵屑回收技術(shù)則有鋼刷推掃、負(fù)壓抽吸[4-5]等幾種,可借鑒性不高,為此,須自主研發(fā)封堵狀態(tài)下帶壓開孔后的鐵屑回收專用裝置。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別開展了開孔鐵屑掉落分布模擬試驗(yàn)、鐵屑回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試和試驗(yàn)改進(jìn)等研究,最終開發(fā)出了帶壓開孔鐵屑回收專用裝置。該裝置的應(yīng)用提升了開孔接續(xù)封堵作業(yè)的嚴(yán)密性,增加了后續(xù)斷管、連頭、焊接等改造作業(yè)的安全性和可靠性,同時(shí)也更好地滿足了特殊管道改造過程中對高潔凈度的要求。

1 鐵屑回收裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 開孔鐵屑掉落分布模擬試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)鐵屑回收裝置之前,先進(jìn)行多次的鋼質(zhì)管道開孔試驗(yàn),探查不同介質(zhì)、不同壓力、不同流速情況下鐵屑分布狀況,如圖1所示。

圖1 開孔試驗(yàn)的鐵屑分布情況

經(jīng)多次試驗(yàn),確定出不同工況下的開孔鐵屑分布規(guī)律:

1)無論是對空管還是有介質(zhì)流動的管道進(jìn)行開孔,90%以上鐵屑是成碎片狀,且非均勻的散落堆積在開孔圓周管線正下方的兩側(cè)。

2)不同規(guī)格管道開孔鐵屑的分布最大長度,可覆蓋開孔中心點(diǎn)兩側(cè)2倍的開孔刀具外徑范圍。即回收裝置的伸縮長度如能夠達(dá)到2倍開孔刀具外徑長度,就可以收取全部鐵屑。

1.2 確定鐵屑回收技術(shù)方案

通過對管道內(nèi)鐵屑堆積情況的分布測試試驗(yàn),考慮運(yùn)營管道內(nèi)的帶壓和輸送各種介質(zhì)的情況,經(jīng)過推掃、夾爪、磁吸等多個(gè)方案的比對,最終確定磁鐵吸取方案為最佳方案。采用強(qiáng)力磁鐵作為主要的吸取工具,進(jìn)行鐵屑收集。磁鐵具有對鐵屑的吸附作用,而且管內(nèi)介質(zhì)高壓下不影響磁鐵的吸附性能,鐵屑回收操作方便也更為安全。最終確定研制管道開孔鐵屑回收裝置的技術(shù)指標(biāo):適用DN300管徑,工作壓力10 MPa,工作溫度為常溫20 ℃左右,鐵屑回收量≥90%。

1.3 鐵屑回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料篩選

1.3.1 連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)效益、可操作性考慮,不再另行設(shè)計(jì)制作專門的動力操控設(shè)備,鐵屑回收裝置和現(xiàn)有封堵器能夠互連應(yīng)用(需設(shè)計(jì)專用過渡軸套與封堵器主軸相匹配),從而降低研究設(shè)計(jì)加工的成本,提高操作可行性,保證在帶壓管道上施工作業(yè)的安全性。

1.3.2 鐵屑回收裝置材料選取

由于整個(gè)鐵屑回收裝置是采用磁鐵吸附的原理[6],所以各部件的材料不能和磁鐵吸附粘連,且能夠安全承載鐵屑回收裝置的自重力和取出鐵屑的自重力,1Cr18Ni9Ti不銹鋼[7]較為合適。

1.3.3 鐵屑回收裝置支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要考慮鐵屑回收裝置可進(jìn)入管道開孔內(nèi)部,進(jìn)入管道后的收裝支架要覆蓋2倍開孔刀具直徑的鐵屑散落范圍,并且還能夠在鐵屑吸取后順利收回提出管道。因此,考慮采用2個(gè)折疊式旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu),既可從所開圓孔內(nèi)深入管道內(nèi)部,覆蓋鐵屑全部掉落區(qū)域,又可折疊從管道內(nèi)提出,滿足使用要求,如圖2所示。

圖2 折疊支架旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)視圖

折疊旋轉(zhuǎn)支架的折疊過程,只靠重力是不能保證的,考慮到鐵屑回收裝置的總體結(jié)構(gòu),決定采用彈簧來實(shí)現(xiàn)。彈簧一端固定在鐵屑回收裝置的底座軸套上,另一端固定在折疊式旋轉(zhuǎn)支架上,在平時(shí)保持鐵屑回收裝置處于一個(gè)折疊收攏的狀態(tài)。當(dāng)操作鐵屑回收裝置進(jìn)行鐵屑回收時(shí),折疊式旋轉(zhuǎn)支架在進(jìn)入管道后可以在導(dǎo)向輪的引導(dǎo)下展開,鐵屑回收完成后,在專用彈簧的作用力下,兩塊折疊式旋轉(zhuǎn)支架再次折疊收攏。

1.3.4 行走輪設(shè)計(jì)

折疊式支架打開和折疊的過程只憑借支架和管線的硬性摩擦滑行是無法完成的,需采用滾輪實(shí)現(xiàn)。在鐵屑回收裝置的每個(gè)折疊式旋轉(zhuǎn)支架上安裝兩個(gè)大小相等形狀相同的導(dǎo)向輪,通過模擬和試驗(yàn)多種規(guī)格行走輪,最終解決了下放行走過程中卡阻的問題,如圖3所示。

圖3 非金屬和金屬材質(zhì)組合的不同尺寸行走輪形式

2 強(qiáng)力磁鐵選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)鐵屑回收裝置中強(qiáng)力磁鐵是關(guān)鍵部件,鐵屑要通過磁鐵吸附來實(shí)現(xiàn)收取,因此磁鐵的磁性就是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo),在對磁鐵廣泛的調(diào)研和咨詢基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)測試,最終確定回收裝置的磁鐵磁性強(qiáng)度為3 900高斯[8]。

為了使磁鐵能夠最大限度吸附鐵屑,磁鐵最好是和管線內(nèi)徑接近的圓弧形,所以磁鐵就只能是通過小塊磁鐵的拼接實(shí)現(xiàn),同時(shí)還要依附于板子和底座來實(shí)現(xiàn),稱之為鐵屑吸附板和磁鐵底座,對小塊的磁鐵進(jìn)行排布和支撐,鐵屑吸附板和磁鐵底座與折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過螺栓進(jìn)行機(jī)械式的連接,這樣就實(shí)現(xiàn)了磁鐵和折疊式旋轉(zhuǎn)支架的整體裝配,如圖4所示。吸附板兩側(cè)材料最初選用的是鐵板和不銹鋼板,經(jīng)過多次試驗(yàn),最后兩側(cè)均采用鐵板,鐵板對于磁性的傳導(dǎo)效果比不銹鋼板要好[9],自身被磁化后磁力分布較之不銹鋼板要更為均勻。

圖4 磁鐵分布及與吸附板/底座的布置情況

磁鐵過于緊密連接的排布形式,會導(dǎo)致磁鐵極性亂,部分磁鐵因磁性作用[10],在取鐵屑時(shí)不能吸附鐵屑,通過多次試驗(yàn)和調(diào)整確定出間隙型磁鐵排布形式可行,此種排布形式的磁力分布較為均勻,也能更好地使一次鐵屑回收量達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及鐵屑回收目的。

經(jīng)過大量的調(diào)研研究試驗(yàn)和改進(jìn),鐵屑回收裝置的最終整體外形設(shè)計(jì),由底座軸套、折疊式旋轉(zhuǎn)支架、強(qiáng)力磁鐵、鐵屑吸附板、磁鐵底座等部件組成,圖5所示。

圖5 鐵屑回收裝置總體結(jié)構(gòu)

鐵屑回收裝置的底座軸套和折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過機(jī)械式連接,折疊式旋轉(zhuǎn)支架與裝有強(qiáng)力磁鐵的鐵屑吸附板相連,安裝在封堵器主軸的前端,操作封堵器來實(shí)現(xiàn)鐵屑回收裝置的下行和上升。在封堵器下行過程中帶有鐵屑吸附板的折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過其上的導(dǎo)向輪可以平穩(wěn)打開,將掉落堆積的鐵屑吸取上來。

3 鐵屑回收裝置試驗(yàn)

回收裝置研制組裝完成后進(jìn)行了大量的鐵屑回收試驗(yàn),試驗(yàn)中逐步修改完善磁鐵塊的布置形式、行走輪的設(shè)置和輪轂的大小。在空管鐵屑回收和吹掃鐵屑回收試驗(yàn)中,開孔鐵屑總重的稱量和吸取后鐵屑重量的稱量,驗(yàn)證鐵屑回收率達(dá)到了98%以上,如圖6所示。

圖6 鐵屑回收試驗(yàn)完成的效果

分析鐵屑回收裝置磁鐵對管道磁化的影響,確定是否需要消磁處理。在鐵屑回收裝置下放到位處于吸鐵屑的工作狀態(tài),以及在鐵屑回收操作完成后的撤離鐵屑回收裝置狀態(tài),用磁力測試儀器分別進(jìn)行剩磁量測定,如圖7所示。通過對鐵屑回收裝置在管道磁化影響區(qū)進(jìn)行磁場的定量測試,可以確定鐵屑回收作業(yè)后的管道剩磁量不影響后續(xù)施工[11]。

圖7 回收裝置取屑工作狀態(tài)和取屑后的剩磁測量

4 結(jié) 論

1)鐵屑回收裝置研制成功后,進(jìn)行了大量的鐵屑回收試驗(yàn),鐵屑回收率達(dá)到了98%以上,完成了設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用效果。

2)尤其針對兩條帶狀鐵屑的回收,無論是在試驗(yàn)中還是在現(xiàn)場應(yīng)用中都達(dá)到了令人滿意的效果。

3)鐵屑回收裝置的成功應(yīng)用,提高了封堵作業(yè)的嚴(yán)密性,有效減小了封堵介質(zhì)的泄漏,降低了安全隱患風(fēng)險(xiǎn),提高了管道封堵作業(yè)的安全性和可靠性。

4)鐵屑回收裝置磁鐵對管道的磁化影響極其微弱,剩磁量不會對管道施工造成影響。