钢制管道带压开孔后的铁屑回收装置研究

姜修才,马 宁,孙华强,马万飞,章海鹏,常灵志

(中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司 河北 廊坊 065001)

0 引 言

带压开孔封堵是目前油气管道行业最常用的维修改造方法[1-2],包括开孔和封堵两个重要作业工序,其中在对钢制管道进行开孔作业时不可避免地会产生切削铁屑,重力作用下铁屑掉落至管道内腔的底部,会引发接续封堵作业的密封不严乃至油气泄漏[3],给后续的管道动火连头工作带来极大的安全隐患;而且对于一些特殊输送管道(如航油、汽油、柴油等成品油管道及制药行业原料管线等高洁净度要求的管道),更不允许在管道内残留铁屑。

带压开孔后的铁屑回收需要管道在带压且无外泄介质的闭口情况下完成,否则敞口回收铁屑将使带压开孔封堵作业无意义。通过信息搜集没有检索到管道开孔后闭口回收铁屑的资料,而敞口大气环境下的切削铁屑回收技术则有钢刷推扫、负压抽吸[4-5]等几种,可借鉴性不高,为此,须自主研发封堵状态下带压开孔后的铁屑回收专用装置。

研发团队分别开展了开孔铁屑掉落分布模拟试验、铁屑回收装置结构设计、组装调试和试验改进等研究,最终开发出了带压开孔铁屑回收专用装置。该装置的应用提升了开孔接续封堵作业的严密性,增加了后续断管、连头、焊接等改造作业的安全性和可靠性,同时也更好地满足了特殊管道改造过程中对高洁净度的要求。

1 铁屑回收装置的机械结构设计

1.1 开孔铁屑掉落分布模拟试验

在设计铁屑回收装置之前,先进行多次的钢质管道开孔试验,探查不同介质、不同压力、不同流速情况下铁屑分布状况,如图1所示。

图1 开孔试验的铁屑分布情况

经多次试验,确定出不同工况下的开孔铁屑分布规律:

1)无论是对空管还是有介质流动的管道进行开孔,90%以上铁屑是成碎片状,且非均匀的散落堆积在开孔圆周管线正下方的两侧。

2)不同规格管道开孔铁屑的分布最大长度,可覆盖开孔中心点两侧2倍的开孔刀具外径范围。即回收装置的伸缩长度如能够达到2倍开孔刀具外径长度,就可以收取全部铁屑。

1.2 确定铁屑回收技术方案

通过对管道内铁屑堆积情况的分布测试试验,考虑运营管道内的带压和输送各种介质的情况,经过推扫、夹爪、磁吸等多个方案的比对,最终确定磁铁吸取方案为最佳方案。采用强力磁铁作为主要的吸取工具,进行铁屑收集。磁铁具有对铁屑的吸附作用,而且管内介质高压下不影响磁铁的吸附性能,铁屑回收操作方便也更为安全。最终确定研制管道开孔铁屑回收装置的技术指标:适用DN300管径,工作压力10 MPa,工作温度为常温20 ℃左右,铁屑回收量≥90%。

1.3 铁屑回收装置结构设计和材料筛选

1.3.1 连接装置结构设计

从经济效益、可操作性考虑,不再另行设计制作专门的动力操控设备,铁屑回收装置和现有封堵器能够互连应用(需设计专用过渡轴套与封堵器主轴相匹配),从而降低研究设计加工的成本,提高操作可行性,保证在带压管道上施工作业的安全性。

1.3.2 铁屑回收装置材料选取

由于整个铁屑回收装置是采用磁铁吸附的原理[6],所以各部件的材料不能和磁铁吸附粘连,且能够安全承载铁屑回收装置的自重力和取出铁屑的自重力,1Cr18Ni9Ti不锈钢[7]较为合适。

1.3.3 铁屑回收装置支架结构设计

需要考虑铁屑回收装置可进入管道开孔内部,进入管道后的收装支架要覆盖2倍开孔刀具直径的铁屑散落范围,并且还能够在铁屑吸取后顺利收回提出管道。因此,考虑采用2个折叠式旋转支架结构,既可从所开圆孔内深入管道内部,覆盖铁屑全部掉落区域,又可折叠从管道内提出,满足使用要求,如图2所示。

图2 折叠支架旋转结构视图

折叠旋转支架的折叠过程,只靠重力是不能保证的,考虑到铁屑回收装置的总体结构,决定采用弹簧来实现。弹簧一端固定在铁屑回收装置的底座轴套上,另一端固定在折叠式旋转支架上,在平时保持铁屑回收装置处于一个折叠收拢的状态。当操作铁屑回收装置进行铁屑回收时,折叠式旋转支架在进入管道后可以在导向轮的引导下展开,铁屑回收完成后,在专用弹簧的作用力下,两块折叠式旋转支架再次折叠收拢。

1.3.4 行走轮设计

折叠式支架打开和折叠的过程只凭借支架和管线的硬性摩擦滑行是无法完成的,需采用滚轮实现。在铁屑回收装置的每个折叠式旋转支架上安装两个大小相等形状相同的导向轮,通过模拟和试验多种规格行走轮,最终解决了下放行走过程中卡阻的问题,如图3所示。

图3 非金属和金属材质组合的不同尺寸行走轮形式

2 强力磁铁选取和结构设计

在整个铁屑回收装置中强力磁铁是关键部件,铁屑要通过磁铁吸附来实现收取,因此磁铁的磁性就是一项重要的性能指标,在对磁铁广泛的调研和咨询基础上,结合相关试验测试,最终确定回收装置的磁铁磁性强度为3 900高斯[8]。

为了使磁铁能够最大限度吸附铁屑,磁铁最好是和管线内径接近的圆弧形,所以磁铁就只能是通过小块磁铁的拼接实现,同时还要依附于板子和底座来实现,称之为铁屑吸附板和磁铁底座,对小块的磁铁进行排布和支撑,铁屑吸附板和磁铁底座与折叠式旋转支架通过螺栓进行机械式的连接,这样就实现了磁铁和折叠式旋转支架的整体装配,如图4所示。吸附板两侧材料最初选用的是铁板和不锈钢板,经过多次试验,最后两侧均采用铁板,铁板对于磁性的传导效果比不锈钢板要好[9],自身被磁化后磁力分布较之不锈钢板要更为均匀。

图4 磁铁分布及与吸附板/底座的布置情况

磁铁过于紧密连接的排布形式,会导致磁铁极性乱,部分磁铁因磁性作用[10],在取铁屑时不能吸附铁屑,通过多次试验和调整确定出间隙型磁铁排布形式可行,此种排布形式的磁力分布较为均匀,也能更好地使一次铁屑回收量达到验收标准及铁屑回收目的。

经过大量的调研研究试验和改进,铁屑回收装置的最终整体外形设计,由底座轴套、折叠式旋转支架、强力磁铁、铁屑吸附板、磁铁底座等部件组成,图5所示。

图5 铁屑回收装置总体结构

铁屑回收装置的底座轴套和折叠式旋转支架通过机械式连接,折叠式旋转支架与装有强力磁铁的铁屑吸附板相连,安装在封堵器主轴的前端,操作封堵器来实现铁屑回收装置的下行和上升。在封堵器下行过程中带有铁屑吸附板的折叠式旋转支架通过其上的导向轮可以平稳打开,将掉落堆积的铁屑吸取上来。

3 铁屑回收装置试验

回收装置研制组装完成后进行了大量的铁屑回收试验,试验中逐步修改完善磁铁块的布置形式、行走轮的设置和轮毂的大小。在空管铁屑回收和吹扫铁屑回收试验中,开孔铁屑总重的称量和吸取后铁屑重量的称量,验证铁屑回收率达到了98%以上,如图6所示。

图6 铁屑回收试验完成的效果

分析铁屑回收装置磁铁对管道磁化的影响,确定是否需要消磁处理。在铁屑回收装置下放到位处于吸铁屑的工作状态,以及在铁屑回收操作完成后的撤离铁屑回收装置状态,用磁力测试仪器分别进行剩磁量测定,如图7所示。通过对铁屑回收装置在管道磁化影响区进行磁场的定量测试,可以确定铁屑回收作业后的管道剩磁量不影响后续施工[11]。

图7 回收装置取屑工作状态和取屑后的剩磁测量

4 结 论

1)铁屑回收装置研制成功后,进行了大量的铁屑回收试验,铁屑回收率达到了98%以上,完成了设计要求,达到了实际应用效果。

2)尤其针对两条带状铁屑的回收,无论是在试验中还是在现场应用中都达到了令人满意的效果。

3)铁屑回收装置的成功应用,提高了封堵作业的严密性,有效减小了封堵介质的泄漏,降低了安全隐患风险,提高了管道封堵作业的安全性和可靠性。

4)铁屑回收装置磁铁对管道的磁化影响极其微弱,剩磁量不会对管道施工造成影响。