油气管道维抢修密封卡具的安全检测与应用

梁爱国，蒋华义，史建英，王玉龙，李 丽

(1.克拉玛依红山油田责任公司，新疆 克拉玛依 834000；2.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065； 3.西安石油大学 陕西省油气田特种增产技术重点实验室，陕西 西安 710065；4.新疆油田采油一厂，新疆 克拉玛依 834000)

0 引言

油田日常生产运行过程中，由于油、气管道内壁腐蚀或结垢等容易导致管道破损，对此采取的应急维抢修技术主要是注剂式带压密封技术。该技术是采用特制密封卡具，在泄漏部位上重建1个新的密封结构，迅速地弥补泄漏缺陷，达到阻止介质外泄，实现良好密封的目的。该方法[1-5]适用介质温度和压力范围较广，封堵操作较为简便，已在国内外得到广泛推广和应用。

在注剂式带压密封技术施工应用时，密封卡具承受的内压是泄漏到密封空腔内的系统压力和完成密封的密封剂挤压力的合力，而管道会承受到来自卡具注胶槽内密封剂挤压力及管道本体和系统压力的共同作用。其中，系统压力是以均布载荷作用在卡具上，密封挤压力是通过多个注剂孔注入到密封空腔内，每个注剂孔附近承受密封剂流动、填满、压实全过程，所表现的挤压力是不同的。如果注剂的外部推力过大，或者控制不当，则对管道和卡具产生极大的附加应力，导致管道或卡具发生形变，造成不可修复的破坏[6-10]。此外，卡具与泄漏部位外表面即管道的配合间隙的大小，也是影响密封作业成功率的关键因素之一。现场施工要求配合间隙越小越好，但泄漏结构尺寸测量的准确程度、卡具制造尺寸偏差、热膨胀量计算的准确性等因素都会使间隙量偏大，而过大的配合间隙，当泄漏系统压力过高、温度过低时，会造成密封空腔内的密封剂泄漏，造成密封作业失败。

目前，国内已对金属卡具的设计及承压能力进行了大量的研究，并且分析了管道在圆形、方形、双点、多点等多种破损缺陷形式下的承压能力，同时对管道经过带压焊接、带压缠绕、非金属材料补强、密封卡具等方法补强修复后的承压能力进行了评价[11-16]。而国外一些研究学者则对非金属材料的密封卡具进行了设计加工、承压能力、材料性能等方面的分析。Sum，Djukic等[17-19]提出了1种使用非金属复合材料制作密封卡具的新方法，并在室内对破损的金属管道进行了注剂修复(树脂密封剂)；同时，实验测试了管道修复后在短时间(修复后几小时)和长时间(1 000 h)的卡具耐压、耐湿热条件下的性能，以及夹板厚度、密封硬度、配合间隙等对卡具受力的影响，并对修复后管道在有流动内压下的受力等情况进行了数值模拟，确定了所设计卡具的强度和可靠性；Shamsuddoha, Islam 等[20-24]也对非金属复合材料在油气、地下、水下管线中修复的可行性和适用性进行了分析，并对其修复后的力学性能及热性能进行了评价。

然而，国内外大多数研究均集中在管道修复后对卡具的力学性能及密封性评价方面，对注剂密封施工过程中管道及卡具承压能力的评价有待探讨，对已加工的密封卡具，在施工前也缺乏完整的安全施工压力、强度等稳定性检测以及密封性能测试环节，无法确保现场施工过程中卡具的安全稳定及作业成功率，存在一定的安全隐患，但这是在密封卡具加工出厂后、施工前必须要考虑的问题。

为此，本文提出了1种注剂式密封卡具的安全检测方案，通过所设计的检测平台对密封卡具进行出厂强度检验、密封性能测试以及安全施工压力测试，以解决现有技术中密封卡具存在安全隐患的问题，可有效避免因密封卡具安全性能不达标而导致的密封作业失败，为提高带压密封作业的成功率、确保施工安全可靠提供技术支撑。

1 密封卡具安全检测平台结构设计与原理

1.1 检测平台结构

本文提出的密封卡具安全检测平台，主要由管段夹持装置、密封卡具组件、实验管段、液压注剂系统以及压力测量系统等构成，如图1所示。平台正常使用时，通过管段夹持装置固定实验管段，在实验管段上安装密封卡具，并接入液压注剂系统和压力测量系统，通过注剂观察并测量实验管段及卡具受力变形情况，据此对卡具的密封性能、承压性能、安全施工压力等进行测试。

管段夹持装置如图2所示，主要包括支撑部、容纳部、防滑部和夹持部。支撑部，即支撑平台；夹持部，分多个间隔地设置于支撑平台上；容纳部，容纳实验管线以将实验管线固定在夹持部上；防滑部，设置于容纳部内以防止实验管线滑动。通过夹持装置固定实验管段，增加实验环境的稳定性和实验数据的可靠性。液压注剂系统由注剂枪、高压胶管、压力表、液压油泵及衔接部件等组成，主要作用是完成对整个系统密封剂的注入。压力测量系统由压力测量系统-1和压力测量系统-2这2部分组成，主要作用是测量管道在不同形变压力下的受力。压力测量系统-1如图3所示，是环向围绕卡具密封空腔设置压力传感器而近似测量管壁压力的测量系统，压力传感器分布均匀、安装在密封空腔外侧。该系统主要作用是测量密封空腔内的压力变化。压力测量系统-2如图4所示，是通过在管道内壁与密封空腔对应位置粘贴电阻应变片来测量管道形变大小的测量系统，通过1个加装摄像头的机械臂完成对管道内壁的定位打磨和贴片。该系统主要作用是测量管道内壁的形变，结合压力测量系统-1测量管道在不同形变下的环向压力。

图2 管段夹持装置示意Fig.2 The diagram of pipe clamping device

图3 压力测试系统-1分布示意Fig.3 The diagram of pressure measurement system-1

图4 压力测试系统-2分布示意Fig.4 The diagram of pressure measurement system-2

1.2 检测方法及原理

密封卡具安全检测平台的主要功能有：密封卡具出厂强度检验、密封性能测试以及安全施工压力测试，可以对所用密封卡具的各项性能提供可靠的检验手段。

密封卡具出厂检验包括外观检验和强度检验。首先，对所加工密封卡具的设计参数进行检验，依据设计图纸，使用游标卡尺、千分尺测量辅助工具等对根据泄漏部位的现场勘测情况而设计加工的密封卡具的生产材料、各项尺寸(卡具内径、外径、注剂孔距、槽宽、槽深等，不同类型卡具尺寸规格不同)等参数进行外观检验；然后，对所加工密封卡具的耐压强度进行实验测试；将完好无损的实验管线固定放置于管线夹持装置上，将待检验密封卡具设置于实验管段上，连接液压注剂系统，向密封空腔内注入密封剂，分次(转换注剂孔)匀速缓慢注入直至注满为止，持续提高注剂压力至密封卡具设计压力的1.5～2倍并持续3～5 min，观察卡具是否出现裂纹、变形等破坏，对卡具进行耐压试验测试；根据设计参数和耐压试验的测试结果，对比卡具设计要求，确定卡具性能是否合格。耐压强度测试示意图如图5所示。

图5 密封卡具耐压强度测试示意Fig.5 The diagram of strength test of sealing clamp

卡具密封性能测试是在密封卡具完成检测准备操作之后，将有缺陷的实验管段的两端分别用挡板进行密封，使用卡具、液压注剂系统对缺陷部位进行注剂密封作业，以使实验管段的内部形成密闭的密封空间；通过注液系统将水(油或其他适宜作为加压介质的液体)充满密封空间，在密封管段内持续施加高于管段最高使用压力的试验压力并维持20～30 min，检查密封管段在试验压力下是否有渗漏及明显的变形或其他缺陷，确定卡具的密封性能。测试示意图如图6所示。

图6 密封卡具密封性能测试示意Fig.6 The diagram of seal performance of sealing clamp

安全施工压力测试是对密封注剂过程中管道所能承受的最大弹性压力进行测试，通过在实验管段和密封卡具上设置压力监测系统来监测实验管段和密封卡具的压力变化情况。将压力测试系统-1和压力测试系统-2与待测管段(带有裂缝、圆孔等缺陷的管段)连接，用液压注剂系统持续向密封空腔注剂，通过压力传感器和数据采集卡接收数据信号，完成对注剂过程中测试点的压力和应变数据采集、分析运算，根据结果分析确定管段失效(管段内壁应变片产生临界变形或管段破损)的临界情况，确定不同管线材质、管径、裂缝及穿孔等缺陷下安全施工压力的计算方法。实验中的注剂过程如图7所示，实验管段的应变片布置方案如图8所示。

图7 安全施工压力实验模拟注剂过程示意Fig.7 The diagram of injecting sealant process of safety injection stress experiment

图8 实验管段泄露缺陷的应变片布置方案示意Fig.8 The diagram of strain gauge arrangement plan of experimental pipe with crack fault

2 检验与应用

2.1 室内检验

2017年10月，新疆克拉玛依油田采油一厂的1段集油管线发生泄漏，经现场勘测，发生泄漏的管段管道外径是273 mm,壁厚为7 mm，泄漏缺陷为腐蚀产生的直径约40 mm的不规则圆孔。根据情况，需要及时进行带压密封作业对泄漏管线进行维抢修。在设计加工了合适的密封卡具之后，依据所提出密封卡具安全检测方法及平台，在室内对该卡具进行了安全性能检验。

2.1.1 密封卡具的外观及强度检验

首先，依据设计图纸对该卡具的外观、尺寸等参数进行了校核；其次，依据检测原理，按照图5所示连接相关设备；然后，在实验平台上完成对该密封卡具的耐压强度测试。注满密封剂后提高注剂压力至卡具设计压力的1.5倍并持续5 min，卡具并未出现裂纹、变形等破坏，确定卡具安全质量合格。结果如表1所示。

2.1.2 卡具的密封性能测试

依据检测原理对所用密封卡具的密封性能进行测试，如图6。首先，根据管径大小将实验管段中间部分均匀钻开2～4个圆形螺纹式开口，管段两端用挡板焊接牢固，一侧挡板有开口并用较小管径的管线连接，两侧

表1 密封卡具外观及强度检验结果Table 1 Results of appearance and strength test of sealing clamp

分别安装压力仪表与出水管线；其次，将待测密封卡具安装在准备好的实验管段上，通过液压注剂系统向卡具内注入密封剂，使密封剂完全充满注胶仓，注满胶仓后，拆去液压注剂系统；然后，按照图6连接各管线及阀门，进行加压测试，关闭阀-1，打开阀-2、阀-3，向密封管段内注水，直到出水口有水溢出时，关闭阀-3、阀-2，同时开启阀-1，用液压油泵匀速缓慢升压至最高工作压力，确认无泄漏后继续升压到规定的试验压力，保持压力30 min，随后降到最高工作压力下进行检查，检查期间压力保持不变；最后，经过水压试验后，确定卡具各部位无渗漏、无可见异常变形，试验过程中无异常的响声，确定所用卡具的密封性能合格。

2.1.3 安全施工压力测试

依据检测原理对所用密封卡具的安全施工压力进行测试，现场照片如图9所示。首先，使用工具在实验管段上开1个与现场勘测一致的圆孔(直径40 mm)，并根据布置方案在管道内外壁对应区域粘贴应变片(应变片布置方案如图8所示)，连接压力测试系统-2(如图4所示)；其次，将带有传感器开口的试验管段使用管段夹持装置固定在试验平台上，并在管段和卡具的对应位置安装平膜压力传感器，连接压力测试系统-1(如图3所示)，然后，使用液压注剂系统注剂，直至密封剂完全注满密封空腔(如图7所示)，记录注剂过程中密封注剂作用力及测试点的应变片形变情况，测量管道外壁在一定密封注剂作用下的应变值，计算Von Mises等效应力，绘制密封注剂作用力与等效应力的关系曲线(如图10所示)；最后，确定缺陷管段失效的临界情况，确定安全施工压力。由于该管材的常温屈服强度为342 MPa，因此有任何方向的应力值超过该值，即视为管段失效；从实验结果可见，该工况下管道可承受的最大密封注剂压力为22 MPa，即安全施工压力为22 MPa。

图9 安全施工压力测试现场Fig.9 Safety injection stress test

图10 密封注剂作用力与等效应力的关系曲线Fig.10 The equivalent stress under injection sealant pressure

2.2 现场应用

通过对该密封卡具的室内检验，确定该卡具加工的安全质量满足现场使用的要求。遂对现场泄漏管段按照GB/T 26467—2011《承压设备带压密封技术规范》等标准要求实施带压密封[25]，注剂压力最大不超过22 MPa。施工结束后，该管道连续运行24 h未再次发生泄漏事故。之后，每个月对管道定期巡检，截止2018年9月，未出现任何泄漏情况，密封效果良好。

3 结论

1)依据注剂式密封技术的标准要求，对油田现场发生泄漏的集油管线进行了带压密封作业，结果表明所加工密封卡具的强度、密封性能可靠，现场安全注剂压力不超过22 MPa，管道未发生二次破坏，且密封效果良好。

2)所提出的密封卡具安全检测方案及建立的检测平台，满足注剂式不动火带压密封技术的标准要求，能够为密封卡具的出厂安全质量提供可靠的检测手段，可以有效地确保施工过程中卡具的安全稳定性及密封作业成功率。

3)工程上应用时可考虑针对常见的易泄漏风险点进行密封卡具的应急储备，提前加工并质检相应的密封卡具，以提高事故响应效率，减少泄漏所造成的损失。