压力管道带压密封技术常用卡具的设计

苏德强，李佑军

（青海盐湖元品化工有限责任公司，青海格尔木 816000）

0 引言

化工生产装置中管道众多，安全运行关系生态安全、环境安全、生命财产安全。由于其输送的介质不断流动，在腐蚀、冲刷、振动及密封材料失效等因素的影响下，在直管输送管段、法兰、异径管段、流体介质改变方向的弯头、三通和管道的焊缝等部位经常出现泄漏，泄漏如果得不到有效控制，会污染环境、影响企业经济效益，甚至发生火灾、爆炸等安全事故。因此如何快速有效地、在不降低管内介质压力及温度的情况下止住泄漏，就成为现代炼油、化工企业研究的重要问题。

在一般情况下，管道一旦发生泄漏很难在动态下进行补焊，原因有两类：①熔融的金属在凝固之前，就被喷出的介质吹跑；②泄漏介质本身威胁施焊人员的人身安全，尤其是易燃易爆的泄漏介质，难以在动态状况下进行补焊。因此，通过带压密封技术，可以在不停车、不影响生产正常运行的情况下，带温、带压实施封堵，快速消除泄漏。本文总结了法兰、直管、三通及弯头泄漏时的卡具设计方案。

1 法兰泄漏卡具的设计

法兰的泄漏是化工行业管道泄漏中最常见的泄漏方式，也是影响连续生产最直接的因素，为了确保生产装置长期平稳地运行，消除法兰泄漏尤为重要。常用的消漏方法很多，如紧固法兰、打抱卡、砸铅板、金属丝缠绕等，这些方法在温度不高、压力不大的情况下能够起到堵漏的作用，但对于温度高、压力大和特殊部位的泄漏往往难以解决，对易燃易爆介质的泄漏处理就更加困难。

1.1 同心法兰卡具的设计

同心法兰，是指在法兰的安装过程中，两法兰中心处在同一水平轴线上，并未发生错口等现象，对于此类法兰的堵漏，通常采用凸形法兰卡具和凹形法兰卡具。

（1）凸形法兰卡具（图1）。当泄漏法兰间隙＞5 mm，泄漏介质的压力＞1.6 MPa，且泄漏量较大时，通常采用凸形法兰卡具。该卡具中间留有一定的凸台，凸台的深度可依据法兰外圆到连接螺栓的距离而定，凸台宽度可根据法兰间隙而定。在尺寸的测量过程中，可适当给以加工余量，避免因尺寸误差造成卡具安装不良。该卡具的加工尺寸较为精确，安装在泄漏法兰上能形成环形的密封腔，承压能力强，堵漏成功率高。

图1 凸形法兰卡具

（2）凹形法兰卡具（图2）。当泄漏法兰的间隙＜5 mm 时，一般采用凹形法兰卡具。该卡具中间留有一定的空腔用来填充密封注剂，空腔的宽度可根据泄漏法兰的间隙来定，其空腔高度根据泄漏介质的压力来定。卡具安装后，可与法兰外圆形成密封空腔，很好地适应小间隙法兰泄漏的情况。若操作得当，还可用于阀门压盖的堵漏。

图2 凹形法兰卡具

1.2 错口法兰卡具的设计

错口法兰是指在安装过程中由于管道应力等条件的影响，两法兰面中心不在同一水平轴线上，此类法兰的泄漏，通常也可采用凸形法兰卡具和凹形法兰卡具。但是，在卡具的设计上需要考虑两法兰之间的错口量，错口量的选取通常以实测为准。

2 直管泄漏的卡具设计

直管的泄漏通常发生在焊缝接头、非焊接部位和活接连接等部位：①焊缝接头处的泄漏通常由焊接缺陷导致，如裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未融合等；②非焊接部位的泄漏主要是介质在管道内的冲刷、腐蚀和管材本身的内部缺陷导致，造成管壁变薄，进而引发泄漏；③活接连接处的泄漏通常是由安装不到位、介质的腐蚀和热胀冷缩等导致。

直管泄漏常采用直管卡具，该卡具结构简单、安装方便，能很好地满足堵漏要求，实用性强（图3）。对于竖直管道上的漏点，为防止注胶时发生卡具滑落，可在合适的位置预先设置限位。

图3 直管泄漏的卡具

3 三通、四通泄漏的卡具设计

三通、四通是直管连接中常见的连接部件，主要起分流和改变介质流向的作用。三通、四通的泄漏原因主要集中在以下两类：①三通、四通本体的缺陷加上流体介质的冲刷、腐蚀造成的泄漏；②三通、四通主管连接部位发生的泄漏。此类泄漏通常采用盒式卡具；对于管径大、注胶量较大的场合，可结合焊接制作出与三通、四通形状相同的卡具，以减小施工的工作量（图4）。

图4 三通泄漏的卡具

4 弯头泄漏的卡具设计

弯头在管路中主要起改变介质流向的作用，也是常用的管件之一。弯头在冲压、冷煨或热煨成型时，管件受拉、压应力的作用使得管壁金属脱落，再加上介质流体的冲刷，使得之前发生金属脱落部位的管壁变薄，进而引发泄漏。弯头的泄漏主要发生在曲率半径最大的一侧，通常采用弯头卡具（图5）。

图5 弯头泄漏的卡具

5 特殊卡具的设计

化工行业管道众多、结构复杂，发生的泄漏多种多样，合理设计卡具要结合实际情形，因情施策。以下列举较为特殊的卡具设计方案以供参考。

5.1 波纹管膨胀节泄漏的卡具设计

膨胀节习惯上也叫补偿器或伸缩节，为了补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构。在长期应力的作用和流体介质的冲刷下，波纹管常发生疲劳断裂或腐蚀，进而引发泄漏。由于波纹管承压能力较差，不能采用常规的卡具进行堵漏，因此可采用焊接的筒体将其包裹在里面，再用水泥、沙子等填充剂将其填满、压实，达到堵漏的效果。此方法操作简单，能在一定程度满足现场生产的需要。

5.2 蒸汽导淋阀泄漏的卡具设计

由于地势、生产条件等的影响，化工管道的安装不会处于同一标高内，因此，会在管道或设备的最低点设一个阀门，即导淋阀，用于排净管道或设备内的残液。导淋阀在生产中起着很重要的作用，导淋阀泄漏一般发生于母管的焊接接头处，蒸汽导淋阀的泄漏很难用补焊的方法实现消漏，也很难设计出常规的堵漏卡具。可结合生产中的实际条件，焊接筒式的堵漏卡具，结合铅板等软金属材料消除漏点。

6 卡具材料的选取、强度核算及要求

6.1 卡具材料的选取

密封卡具材料的选取，通常按照泄漏介质的工况来决定，综合考虑介质、温度、压力、工艺条件等一系列因素的影响。通常情况下，选取普通的碳素钢作为制作卡具的材料，其拥有综合的力学性能和便于切削加工的特性，能很好地满足卡具要求。对于高温介质、易腐蚀的介质，密封卡具在材料的选取上应尽可能接近原有设备的材料，避免因材料差异影响堵漏效果。

6.2 卡具的强度核算

密封卡具强度由卡具本体的强度、耳板焊缝的强度、两耳板之间加紧螺栓的强度共同决定。本体厚度的计算可参照如下公式：

卡具连接螺栓直径的计算

卡具耳板厚度计算

6.3 卡具设计应满足的要求

（1）卡具的设计应满足所需的强度和刚度。

（2）卡具的设计应便于安装。

（3）卡具和泄漏部位之间必须建立密闭的密封腔体，密闭空腔的设计可依照泄漏介质的温度、压力来选取。

（4）卡具上应设有带有螺纹的注胶孔，注胶孔的数量原则上应与法兰连接螺栓的数量相对应，并且在卡具的设计过程中，注胶孔的位置尽可能与连接螺栓错开。

（5）卡具在尺寸设计上应尽可能满足泄漏部位的要求，以减少施工过程中浪费注剂。

7 结语

压力管道在化工生产中的泄漏时常发生，针对法兰、直管、三通及弯头泄漏时如何进行卡具设计，通过带压密封技术，可以在不停车、不影响生产正常运行的情况下，带温、带压实施封堵，快速消除泄漏，从而确保压力管道长期稳定运行。