Design of flexible fixture used for plugging the perforations in oil and gas pipelines
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摘要: 在油气管道的长久运行过程中，受自然、人为等不可预见因素影响，不可避免地会发生管道突发性穿孔泄漏事故。为了最大限度降低事故引起的损失，利用软性绑带能够快速勒紧束扎的特性，结合橡胶件压缩密封的原理，开发出一种能够在管道存在微正压、微泄漏的情况下临时堵漏的软质捆绑卡具。相比刚性卡具，软质捆绑卡具具有轻质、可变形、不剥防腐层、成本低、安装快速等优点。对完成临时封堵的管道辅以钢制凸形套袖管件，更能实现快速、低成本的永久修复。在试验台进行了软质捆绑卡具的动态堵漏测试试验，结果表明：软质捆绑卡具安装方便、承压能力强、安全可靠，为油气管道泄漏的安全、快速、低成本维抢修提供了有力支撑。Abstract: In the long running process of oil and gas pipelines, the accidents of sudden perforation leakage inevitably happen to the pipelines due to the influence of unpredictable factors, such as natural and artificial factors. In order to minimize the loss caused by the accidents, a flexible fixture used for temporarily plugging the pipeline micro-leakage under slightly positive pressure was developed in this paper based on the fast tightening and binding characteristics of soft straps, combined with the compression sealing principle of the rubber pieces. Compared with rigid clamps, flexible fixtures are more advantageous with light weight, deformable property, non-stripping anti corrosion coating, low cost and quick installation. If the pipeline which has been temporarily plugged is equipped with the protruding sleeve steel pipe fittings, its permanent repair will be realized rapidly at low cost. In addition, dynamic plugging tests were carried out on the flexible fixture at the test bench. It is shown that the flexible fixture is characterized by convenient installation, high bearing capacity, safety and reliability. The research results provide the powerful support for the low-cost, safe and rapid maintenance and emergency repair of oil and gas pipeline leakage.
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在油气管道的全生命周期运行过程中, 不可避免地会发生突发性穿孔泄漏事故[1-2]。随着经济的发展, 管道建设向着大口径、高压力的方向迈进[3], 例如西气东输二线、三线最大口径达到1219mm, 最大压力达到12MPa, 给管道穿孔泄漏抢修带来了更大的挑战。通常情况下, 穿孔管道的堵漏工艺是: 先及时关阀断源并稀释驱散气体, 再置换清空管道内的介质[4-5], 继而实施补焊或换管作业[6-8]。整个抢险准备过程实施周期长, 无论是对下游用户还是运营单位都难免造成较大的经济损失[9-10]。
采用非焊接的软质捆绑卡具[11-13]在管道不完全降压停输、不清空介质的条件下封堵管道穿孔, 既能实现临时堵漏、避免油气过大范围扩散, 又可与异形管件(凸形套袖)配合使用, 实现对管道的永久修复。基于此, 展开了油气管道穿孔封堵用软质捆绑卡具的设计研究和试验验证工作。
1. 软质捆绑卡具设计
1.1 结构组成
软质捆绑卡具(图 1)主要由压紧钢块、软胶密封垫、软性纤维束缚带及机械收紧卡子组成。在软质捆绑卡具中, 压紧钢块与软胶密封垫直接粘连成一体, 共同构成堵漏胶块结构。压紧钢块材质选用钢制金属, 其与软胶密封垫的粘接面呈弧形, 弧度与所需堵漏的管道外径相匹配。在压紧钢块与软性纤维束缚带接触面上开具多排有益于下弧面压缩变形的横槽, 并在两侧开具可对软性束缚带限位的凸肩结构, 以利于钢块对软胶密封垫压紧。软胶密封垫的形状以圆形或矩形为宜, 尺寸需大于管道穿孔, 材质选用有利于弥合密封的硅胶或丁腈橡胶。软性纤维束带与机械收紧卡子通过改造大型货车或货船用的快速拉紧器[14]实现, 其操作方便、价格低廉, 而且能够为堵漏时软胶密封垫变形提供足够压紧力。
1.2 工作原理
软质捆绑卡具的总质量小于10kg, 适用于石油、天然气、成品油、水等介质输送管道的封堵, 可以封堵管径为159~1524mm、穿孔孔径小于20mm的管道, 堵漏耐压不超过10MPa, 整体安装操作时间小于1h。在此, 以10MPa满压管道发生孔径20mm泄漏穿孔[15-18]为例, 计算管道无降压泄漏时穿孔的对外冲击力为3140N。而现场会在停输或微正压的状态下应用软质捆绑卡具进行堵漏处置, 在泄漏穿孔处施加大于3200N的压紧力, 堵漏完成后, 当管道再恢复至满压或部分压力状态时, 不会再发生泄漏。
使用软质捆绑卡具时, 使软性纤维束缚带与压紧钢块上部预留的凸肩槽相匹配, 并绕过穿孔泄漏的管道形成闭环整体, 通过拉压两个方向对机械收紧卡子施力, 继而收紧软带, 在自锁机构的配合下不断地将更大的力传递至软胶密封垫上, 实现堵漏(图 2)。同时, 只要保证软性纤维束缚带足够长, 便可以实现一件软质捆绑卡具在不同管径管道上的应用, 实用性、方便性大大增强。
1.3 技术特点与优势
(1) 具有快速的临时堵漏能力。管道泄漏后临时停输降压, 待管道降至微正压, 抢险作业人员即可安装软质捆绑卡具, 在1h内完成临时堵漏, 堵漏后管道即可快速恢复运营压力至5MPa以上。该技术可以最短时间恢复管道运行, 最大限度减少管道停输造成的损失, 同时为下一步管道抢修(换管或包焊)争取时间、创造条件。
(2) 适用于多种规格口径以及发生部分变形的管道。泄漏的原正圆形管道发生椭圆或一定程度的非圆变形时, 软质捆绑卡具因其质软所具有的拟形特性, 使其仍能完成临时泄漏点的绑卡; 当堵漏不同口径的穿孔管道时, 亦可通过变换软性纤维束缚带的长短来实现; 当应用软性捆绑卡具临时堵漏时, 不需要剥除穿孔管道外的防腐层。这些特点是很多刚性卡具所不具备的[19]。
(3) 易于拓展实现永久修复应用。借鉴PRCI《新版管道修复手册》[20]中焊道或法兰泄漏维修用环形焊缝典型套袖和接头维修用典型套袖的凸形结构, 并将其拓展成可包焊软质捆绑卡具的凸形套袖(图 3), 在完成临时堵漏的情况下, 依据管道运营单位需求选择是否包焊凸形套袖进行泄漏点永久修复[21]。
2. 试验验证
开展软质捆绑卡具的动态堵漏测试试验, 并记录相关测试数据(表 1)。以水为管输介质, 试验管道管径为355mm, 管道穿孔孔径为20mm, 微正压动态喷射泄漏, 动态注压水泵最高可升压16MPa, 安装操作人员两人。经试验验证, 软质捆绑卡具指标达到了预期目标, 最大承压、单体质量、单次安装时间比预期要好, 具有很高的操作便捷性。
表 1 软质捆绑卡具的动态堵漏测试试验数据
3. 结束语
软质捆绑卡具提供了一种快速封堵油气管道穿孔泄漏的工艺方法, 该方法基于橡胶压缩密封原理, 进行了创新设计开发, 以最简单、最直接、最有效的方式实现了穿孔油气管道堵漏, 其作业时间短、恢复承压高, 极大地降低了管道运营损失。若再与凸形套袖拓展结合, 则可以较低的成本实现管道永久修复。软质捆绑卡具作为一种封堵管道穿孔的典型装备, 易于在各类油气管道穿孔泄漏事故中推广应用。
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