高压大口径油气管道抢修卡具的研制

袁会赞，陶伟莉，王国超，王建伟

中国石油天然气管道局维抢修分公司，河北廊坊 065000

高压大口径油气管道抢修卡具的研制

袁会赞，陶伟莉，王国超，王建伟

中国石油天然气管道局维抢修分公司，河北廊坊 065000

以往由于各种类型的管道抢修卡具无引流泄压装置，密封结构不完善，因此管道抢修卡具仅适用于低压小口径管道的泄漏抢修。随着西气东输一线、二线管道工程的建设和投入运行，亟需开发一种适用于高压大口径油气管道泄漏的快速抢修卡具。在简要介绍抢修卡具整体结构、快速引流装置、密封结构设计的基础上，论述管道抢修卡具壳体厚度计算、优化设计及卡具螺栓的选择计算，最后介绍了抢修卡具的安装等内容。测试结果表明，所研制的抢修卡具能够满足准1 016 mm管道在10 MPa介质压力下发生泄漏的快速抢修要求。

管道泄漏；抢修卡具；快速引流装置；研制

随着兰郑长成品油管道、川气东送天然气管道、西气东输二线的建设，油气管道的第四次管道建设高潮的任务已经完成，我国的原油管道、天然气管网、成品油管网已正式形成，X80高钢级大口径的管道已成为能源输送的主动脉。管道建成投入运行以后，由于外力破坏或管道施工质量等各种原因，难免发生泄漏事故。仅采用开孔封堵的方式无法充分满足管道快速抢修的时效性要求，采用先进、便捷的管道抢修卡具对事故管道进行快速维抢修是一种常用手段[1]。随着市场发展，管道抢修方式也向多元化、便捷化的形式发展。以往由于各种类型的管道抢修卡具无引流泄压装置，密封结构不完善，因此管道抢修卡具仅适用于低压小口径管道的泄漏抢修。随着西气东输一线、二线管道工程的建设和投入运行，亟需开发一种适用于高压大口径油气管道泄漏的快速抢修卡具。

1 抢修卡具结构设计

1.1 整体结构设计

常用的管道抢修卡具主要有对开式、注剂式和非螺栓紧固式三种结构形式[2]。考虑到卡具的耐压性和实用性，本高压大口径管道抢修卡具的结构采用传统的对开型瓦式结构；考虑到操作的安全性，该卡具新增了一个快速引流装置，并改进了密封结构；抢修卡具的壳体有一定深度的空腔，适用于有一定变形的管道，并采用耳板螺栓固定。设计的高压大口径管道抢修卡具的结构见图1。

1.2 快速引流装置

图1 抢修卡具的对开瓦式结构

在管道在线泄漏抢修过程中，由于管道内介质压力比较高，介质泄漏速度很快，极容易充满卡具与管道之间形成的空腔，并达到很高的压力，且介质会四处喷射，产生巨大的反作用力，致使卡具无法闭合。如果没有引流装置，就会给卡具的安装带来很大的困难，甚至操作人员无法靠近安装。

为此设计了一种快速引流装置，见图2。快速引流装置的应用过程为：将引流装置与卡具开孔部位对正焊接，安装卡具前，首先在引流接头上安装液压胶管，然后旋紧侧耳，从而带动阀芯下移，使密封头下移；不在密封的泄漏介质就可从引流管引走，引流完毕后，松开侧耳，实现密封头密封，见图2（a）。为确保安全，还要下塞堵进行双重密封，最后盖阀帽，完成引流，见图2（b）。

1.3 密封结构设计

安装在管道上的卡具要实现对管道泄漏点的密封，要求卡具上安装密封元件。根据卡具壳体结构，密封件需安装在与管道接触的壳体环形部分和卡具耳板的直线部位。通常，管道抢修卡具的密封件结构形式可从整体式矩形密封、分体式矩形密封和分体式梯形密封三种形式中进行优选（见表1）。本管道抢修卡具因密封压力高，考虑密封原理及卡具结构特点，经优缺点分析对比，最终确定卡具的密封结构为分体式直条矩形加环条梯形的密封圈。

密封材料应满足密封的功能，且适用于油气管道介质，因此采用耐油丁腈橡胶。丁腈橡胶耐油性极好，耐磨性较高，耐热性较好，粘接力强，有适当的机械强度和硬度，压缩和回弹性小，永久变形小。对丁腈橡胶的强度提出要求，其扯断强度＞12 MPa，扯断伸长率＞300%，耐温性能-30～100℃，耐油增重＜8%；老化性能，扯断强度降低率＜12%，扯断伸长减低率＜20%，邵氐A硬度为66～70度。

图2 快速引流装置

表1 三种常见密封结构对照

2 强度计算

为了保证安全性和可靠性，必须对高压油气管道抢维修机具进行强度计算。以准1 016 mm、工作压力10 MPa管道的泄漏抢修卡具计算为例进行强度设计计算。

2.1 管道抢修卡具壳体厚度的计算

根据待抢修管道的技术参数（见表2），确定卡具的设计参数：设计压力P为10 MPa，卡具壳体材料为锻件16 Mn（NB/T47008-2010），卡具螺栓材料为35 CrMoA（GB/T 3077-1999）。材料的性能参数见表3。

表2 管道技术参数

表3 材料力学性能

根据ASME第Ⅷ卷《压力容器建造规则》内压圆筒计算壳体厚度公式[3]：

式中：t为卡具壳体计算厚度，mm；R为计算壳体的内半径，mm；S为最大许用应力，MPa；E为焊接接头系数（见表4），取值0.6。

代入本研究项目抢修卡具的相关参数，得：

设安全系数n取值为3，则卡具壳体设计厚度：T=nt=106.2 mm，圆整取T=110 mm。

2.2 抢修卡具的优化设计

对抢修卡具进行有限元应力、位移分析，以优化设计，力求在满足应力及强度准则、变形尽可能小的前提下，减薄壳体厚度，使卡具重量达到相对较小。

表4 焊接接头最大许用接头系数（摘自ASME第Ⅷ卷表uw-12）

为此首先运用Lame公式进行初步理论计算。筒体作用有沿轴向均布的轴对称载荷，可以认为筒体的应力、应变分量沿轴向的各截面不变，即和轴向Z轴无关，因而可以看成是平面问题。

初步校核现有壳体厚度是否满足强度要求。根据GB 150-1998《钢制压力容器》规定，只要设计压力P≤0.4［σ］准，且不高于35MPa的压力容器，均按中径公式设计：

式中：δ为圆筒计算厚度，mm；Di为圆筒内直径，mm；[σ]为螺栓相应温度下的许用应力，MPa；准为焊接接头系数。

已知壳体内径为1 020 mm，在P=10 MPa时可得出设计温度下的许用应力为47.5 MPa，此时的安全系数为5.8，在P=12.5 MPa时，可得出设计温度下的许用应力为59.45 MPa，此时的安全系数4.6。

对压力P=10 MPa和12.5 MPa，分别进行了四个强度理论校核，这四个强度理论都基于弹性失效理论，比较其结果，第三强度理论得出的厚度值最大，因此得出只需用第三强度理论校核即可。

由于相关标准手册没有相似的计算模型，耳板厚度选取的原则是：查相同规格（准1 016 mm）、相同压力等级（10 MPa）的法兰厚度160 mm，乘以安全系数（1.5），初步确定耳板厚度为240 mm；再通过有限元分析，进行优化设计，力求在满足应力及强度准则、变形尽可能小的前提下，减薄壳体厚度，使卡具重量达到相对较小。首先通过分别变化卡具壳体环形厚度和耳板厚度，得出环形厚度和耳板厚度对卡具整体应力和位移的影响。

计算结果表明环形壳体越厚，螺栓应力越小。耳板的厚度对耳板张口变形影响很小，主要影响螺栓的受力，耳板越薄螺栓所受应力越大，见图3。

图3 环形厚度和螺栓应力的关系

以减轻卡具重量、节约成本、便于现场操作为目标进行优化设计。由于内径固定，将外径和耳板厚度作为设计变量，以所产生的应力不超过屈服应力和开口位移不超过1.5 mm作为设计约束，经过变化不同耳板和环形厚度，最终选定护板厚度减薄20 mm，耳板厚度减薄30 mm。

3 卡具螺栓的选择计算

卡具密封范围内总载荷力：

式中：L为轴向密封长度，m；Di为卡具壳体内径，m。

代入本项目的相关数值，则：F=10×106× 0.96×1.02=9.79×106（N）

螺柱个数确定为16个，单边8个。则每个螺栓承受的拉力为：

计算螺栓直径：

根据单个螺柱受力选择螺柱有三种情况：

（1）选取材质为40Cr（GB 3077-1999）的螺柱，根据GB 150-1998查得在100℃时，其许用应力为167 MPa，根据公式（1） 得出：d≥69.7 mm。经计算，螺柱材料选取40Cr时，M70的螺柱才能满足要求。

（2）螺柱选取材质为35CrMoA（GB 3077-1999），根据GB 150-1998查得在100℃时，其许用应力[σ]为229 MPa，把相关的设计参数代入公式（1），得到：d≥58.3 mm。经计算，螺柱材料选取35CrMoA时，M60的螺柱才能满足设计要求。

（3）螺柱选取材质为35CrMoVA（GB 3077-1999），根据GB 150-1998查得在100℃时，其许用应力[σ]为247 MPa，把相关的设计参数代入公式（1），得到：d≥56.2 mm。经计算，螺柱材料选取35CrMoVA时，M58的螺柱才能满足设计要求。

综合以上计算结果，螺柱材料选择35CrMoA或35CrMoVA，16个M64的螺柱才能满足设计要求。

4 抢修卡具安装后压力试验

卡具安装完成后要进行打压试验。先将压力升至1.0 MPa，稳压5 min无泄漏；继续升压至5 MPa，稳压10 min无泄漏；继续升压至8 MPa稳压10 min无泄漏；再缓慢升压至10 MPa，稳压24 h[4]。通过试验满足施工要求才能进行现场作业。

5 结束语

管道泄漏抢修卡具及其抢修技术是用于高压大口径长输油气管道抢修堵漏的主要抢修工具之一。它具有快速、安全、高效的特点，能够在不停输、降压状态下迅速封堵管道漏点，防止爆炸等重大危险事故的发生[5-6]。目前抢修卡具已经通过试验测试，测试结果表明该高压大口径抢修卡具能够实现准1 016 mm管道在10 MPa介质压力下发生泄漏的快速抢修。采用先进、便捷的管道抢修卡具进行事故管道快速维抢修比不停输封堵换管改造更具有经济上的优势，能够大大节省成本，满足管道快速抢修的时效性要求。因此新开发的高压大口径油气管道泄漏抢修卡具具有较大的市场前景和应用价值。

[1]牛迎战，刘甫，林猛，等.成品油长输管道盗油点抢修方法的应用[J].油气储运，2011，30（2）：150-153.

[2]杨玉玲，李英利.高压管线不停输带气抢修实践探讨[J].城市公用事业，2005，19（3）：28-30，45.

[3]ASME831，压力容器建造规则[S].

[4]GB/T16805-2009，液体石油管道压力试验[S].

[5]屈海利，何建设，宋花平，等.输油气管道破断抢修技术[J].石油工程建设，2011，37（3）：6-9.

[6]李庞.凸轮式夹紧抢修夹具的研制与应用[J].石油工程建设，2015，41（6）：90-92.

Development of clamp for emergency repair of high-pressure and large diameter oiland gas pipelines

YUAN Huizan，TAO Weili，WANG Guochao，WANG Jianwei
Maintenance&Emergency Repair Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

Usually，various clamps are only suitable for leakage emergency repair of low pressure and small diameter pipelines due to lack of drainage and pressure relief devices and imperfect sealing structure.Along with the construction and operation of the First and Second West to East Gas Pipelines，it is necessary to develop a kind of clamp for leakage emergency repair of high pressure and large diameter pipelines.This paper introduces the designs of the integral structure，fast speed drainage device and sealing structure of the newly developed clamp，discusses the shell thickness calculation and optimization design of the clamp as well as bolt selection calculation，then describes how to install the clamp.The detection results show that the clamp meets the fast emergency repair requirement for准1 016 mm pipeline with pressure of 10 MPa.

leakage；clamp for emergency repair；fast speed drainage device；research and development

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.019

袁会赞（1982-），女，河北深州人，工程师，2005年毕业于河北科技师范学院机械设计制造及其自动化专业，现主要从事管道维抢修新技术研发工作。Email：470332315@qq.com

2016-12-26