油气管道折叠封堵头结构设计及现场试验.pdf

第 4 4卷第 2期 2 0 1 5 年 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O ] ． 4 4．N o ． 2 F e b r u a r y，2 0 1 5 油气管道折叠封堵头结构设计及现场试验 姜 芳，葛汉林 ，吴 明 辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 i 1 3 0 0 1 摘 要折叠封堵头是油气管道折叠封堵技术的关键设备。文章概述了油气管道不停输封堵换管的一般原 理 ，阐述了折叠封堵技术的优势和主要应用领域 ，详细介绍了折叠封堵头的结构组成和工作原理。通过对 7 2 0 管径、5 2 9管径的现场封堵试验，验证了折叠封堵头的可行性 ，测定了封堵压力。 关键词油气管道；带压封堵；折叠式；封堵头；维抢修 中图分 类号 T H 1 3 7 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 2 0 3 8 9 0 3 S t r uc t ur e De s i g n a nd Ex pe r i m e nt o f Oi l a nd Ga s Pi pe l i ne Fo l d i ng Pl ug g i ng He a d J I ANG Fa n g， GE Ha n l i n， M i n g Li a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y , L i a o n i n gF u s h u n 1 1 3 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e f o l d i n g p l u g g i n g h e a d i s t h e k e y e q u i p m e n t t o p l u g g i n g t e c h n o l o g y ． I n t h i s p a p e r , the b a s i c p r i n c i p l e o f p l u g g i n g t e c h n o l o g y wi t h p r e s s u r e c o n v e y i n g f o r the p i p e l i n e wa s s u mma r i z e d ，a d v a n t a g e s o f t h e f o l d e d p l u g g i n g t e c h n o l o gy a n d i t s ma i n a p p l i c a t i o n fie l d s we r e e x p o u n d e d ， a n d t h e s t r u c t u r a l c o mp o s i t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f the f o l d i n g p l u g g i n g h e a d we r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ．T h r o u g h fi e l d p l u g g i n g t e s t s o f DN 7 2 0 a n d DN5 2 9 p i p e s ， t h e f e a s i b i l i t y o f f o l d i n g p l u g g i n g h e a d wa s v e ri fie d ， an d t h e p l u g g i n g p r e s s u r e wa s d e t e r mi n e d ． K e y wo r d s Oi l ／ g a s p i p e l i n e ； Un d e r - p r e s s u r e p l u g g i n g ； F o l d i n g ； Pl u g g i n g h e a d ； M a i n t e n a n c e a n d r e p a i r 油气管道带压开孔一封堵技术就是指管道在密 闭状态下， 以机械切削方式在管道上加工出圆形孔， 然后从开孔处将封堵头送人管道并密封管道，从而 阻止管道内的油气流动n 】 。它可完成管道在不停输 状态下 的更换管段等维抢修作业口 。管道带压开孑 L 一 封堵技术按封堵头分类 ，分为囊式封堵头 、盘式 封堵头 、折叠封堵头和筒式封堵头 。我们对折叠 封堵技术与设备做 了有意义的探索 ，并研制出商品 化 的折叠封堵头。 1 油气管道带压封堵技术简介 1 ． 1 管道不停输封堵工艺的一般原理 管道不停输封堵工艺是指对于不允许停输 的管 道维抢修改造工作，在管道上带压焊接旁通三通并 开旁通孔、 建立旁通管路， 达到不停输封堵的目的。 它的一般工作原理是 首先是封堵管件的组对与焊 接，在维修改造管段的上下游，焊接旁通三通和封 堵三通。在旁通三通和封堵三通上吊装夹板阀 专 用阀， 也称三明治阀 ， 夹板阀上吊装开孔联箱和开 孔机 ，这样三通 、夹板阀、开孔联箱 、开孔机就形 成了一个封闭腔体。开孔用的圆形筒刀安装在开孔 机主轴上。其次进行开孔作业 ，开孔机有液压 、气 压 、电动等动力源型式 ，开孔时应确认孔完全被开 透 ，方可上提刀具并随刀具带 出切割下 的鞍形板 ， 从而完成带压开孔过程。开孔完成后关 闭夹板阀， 卸放压力 ，排出开孔联箱 内的介质 ，拆卸开孔联箱 和开孔机。再次是旁通管线投用，在旁通处夹板阀 上安装旁通管线，用运行管道内的介质导通旁通管 路，从而实现干线与旁通线同时输送介质。接着进 行封堵作业 ，把封堵联箱和液压封堵缸 吊装到封堵 处夹板阀上 ，封堵头安装在封堵缸的活塞杆上 ，利 用液压封堵缸把封堵头送入管道内，以机械手段按 规程封堵并进行封堵效果的验证 ，实现干线全部介 质走旁通管路、将维修改造管段隔离出来的目的。 接下来是进行断管和管道改造作业 。最后封堵隔离 管段施工完成投用、解除封堵 、拆除旁通管路 、管 道防腐及地貌恢复等 。 管道不停输封堵换管的原理如图 I 所示 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 -1 6 作者简介 姜芳 1 9 7 6 一 ，女 ，辽宁锦州 i人，讲 师，硕士，2 0 0 5年毕业于沈 阳工业大学机械制造及其 自动化专业，研究方向从事化工容器设 计，管道维抢修设备研究工作。E - m a i l 5 0 8 j f 1 6 3 ． c o m 。 1 ． 2折叠封堵技术的优势 折叠封堵的优点是 ①无需在管道上开等径孔 封堵管径 D N 7 2 0 ，封堵孔直径只需 5 0 0 mm ； ②开孔数少，单侧除了开旁通孔外 ，只需开一个封 堵孔 ；③封堵设计压力达到 1 ． 0 MP a 。 由于挡板一囊式封堵的特点 封堵压力不超过 0 ． 2 MP a ，单侧除 了开旁通孑 L 外 ， 需要开送囊孑 L 和挡 板孔 ，对开孑 L 质量要求高 ，若开孑 L 边缘有毛刺将极 易划破橡胶囊等 。所 以在低压封堵领域 ，折叠封 堵取代挡板一囊式封堵具有广阔的市场应用前景。 图 1 管道在线 封堵的原理 Fi g ． 1 Pr i nc i pl e s o f t he on l i ne pl ugg i ng I 一 旁通夹板闷 2 一 封堵联箱 3 一 液压封堵缸 4 一 旁通管线； 5 一 压力乎衡管 6 一 旁通 通 7 一封堵 ■通； 8 一 封堵夹板阀 9 一 维修改造管段 2 折叠封堵头的结构设计 2 ． 1 折叠封堵头的结构组成 折叠封堵头是油气管道折叠封堵技术的关键设 备。 I 兰 通过管道 所开的不等径孔插入管道 中而临 时堵塞一条管道的介质流动 ，充 当一个切断阀的作 用 。 折叠封堵头主要 由后左 有 侧折压板 、斜拉 杆部件 、导向轮部件 、后 中间同定压板 、封堵头座 身 、封堵头水平调整块 、摇臂 、前中间固定压板 、 前左 右 侧折压板 、销轴 、封堵皮碗等组成【 9 ] 。 压板分为前 、后两组 ，每组 由三块组成 。中间 同定板成 卜 下两端为圆弧的板块形。左右两侧的折 压板成月牙形 ，与中问固定压板组成转动副 ，在斜 拉杆部件的作用下可 以收折起来 。前压板可形成一 个相对管道内径略小 的网盘平面 。压板的作用是装 夹封堵皮碗。 由于左右两侧折压板可以收折和展开 ， 夹在中间的橡胶皮碗 自然就跟着收折和展开。 两组斜拉杆部件 的前端通过拉钉将前左 右 侧折压板和后左 右 侧折压板夹皮碗连接 ，后端 通过销轴 与封堵头座身转动副连接。斜拉杆部件的 作用是收折或展开两侧的折压板。 上下两根摇臂的前端通过销轴与后中间同定压 板转动副连接 ，后端通过销轴与封堵头座身转动副 连接。摇臂的作用是支撑整个封堵头前部的压板与 封堵皮碗。 导 向轮部件安装在前中间固定压板的中轴线上 下方。导向轮部件的作用是其 的滚轮与管道 内壁 接触 ，引导整个封堵头在管道内移动，减小摩擦。 封堵头水平调整块安装在封堵头座身的底部 ， 位置可调以适应不同的管道壁厚 。它的作用是保证 封堵头下落到极限位置时，整个压板平面与管道轴 线是垂直的，即压板平面既不前倾也不后仰。当封 堵头在管道内下落直到水平调整块触到管道内下壁 时 ，压板 与皮碗完全展开成一个平而 ，在管道内形 成严密的封堵。 封堵皮碗被装夹在前后压板之问。皮碗边缘与 管道 内壁的摩擦 、挤压 、贴合 ，来完全阻断介质的 流动。 折叠封堵头的结构简图，如图 2所示。 图 2 折叠封堵头的结构简 图 Fi g ． 2 St r uc t ur e di a gr a m o f t he f o l di ng P l ug gi ng hea d 1 一 后左 右 侧折』 K 扳 2 一 导向轮部件 3 一 封堵皮碗 4 一 j ,q - 中间矧定 压板； 5 一 封堵头座身 6 一 斜拉杆部件； 7 - 摇臂 8 一 销轴 9 - 封堵头水平 调整块 1 0 一 前左侧折压板 l 1 一 前中间『 意压板 l 2 - 前右f lJlJ 折瓜板 折叠封堵头的 维模型及外形， 如图 3所示 。 图 3 折叠封堵头三维模型和外形 Fi g ． 3 Th r e e - d i me n s i o n a l m o d e l a n d s ha p e o f t h e f o l d i n g P l ug gi ng h ea d 2 I 2 折叠封堵头的工作原理 装夹皮碗 的压板设计为由j块组成 ，左右两侧 第4 4卷第2期 姜 芳，等油气管道折叠封堵头结构设计及现场试验 3 9 1 的折压板可以收折 ，便解决开d qL 下入管道 的关键 抗拉体 线 。 这就是折叠封堵只能适用于低压封堵 问题。在管道封堵作业时 ，折叠封堵头安装在液压 的根本原因。 封堵缸的活塞杆 上。封堵联箱 、液压封堵缸 、折叠 封堵头安装成一体 ，在封堵现场被称为封堵设备。 吊装此封堵设备到封堵处夹板阀时 ， 由于重力作用 ， 折叠封堵头前部 的压板及皮碗下落 ，在斜拉杆作用 下使左右两侧压板收折 ，封堵头收紧形成一个较小 直径的收折体 ，如 图 4 f a 所示 。 开动液压动力源 ，液压封堵缸的活塞杆慢慢伸 m， 使折叠封堵头从封堵孑 L 中慢慢下入管道。因为封 堵头的上下 2个摇臂 、 后中间固定压板 、 封堵头座身 形成一个平行 四边形机构 ， 而平行 四边形机构的特点 是连杆作平移运动 ，所 以整个封堵头压板可上下平 动 一 能保证前后同定压板平面与管道轴线始终垂 直。折叠封堵头在慢慢放人管道的过程中， 下部导向 轮首先接触到管道内壁 。 液压封堵缸活塞杆的不断伸 出， 封堵头座身继续下落 ，同时封堵头在导向轮引导 下慢慢沿管道内壁推向前方， 且左右折压板同时也在 慢慢张开 ，如罔 4 f h 所示。当封堵头座身端部的封堵 头水平调整块最终抵到管道下部内壁内， 此时左右两 侧折压板完全张开， 皮碗与管道内壁贴合 ， 封堵头就 将管道严密的封堵 ，如图4 c 所示。 嚼嘲 国四围 a 收移 b { } {j 分收j 『 c r ， f 图 4折叠封堵头工作原理 Fi g． 4 The wo rk i ng pr i nc i pl e o f t he f o l di n g pl ug gi n g hea d 2 ． 3封堵皮碗的结构设计 封堵皮碗被装夹在封堵头前后两组压板之间。 皮 碗成网锥体外形 ， 有小端面和大端面。其中，小端面 直径与管道内径相同， 大端面直径大于管道内径 ， 如 5 a 所示 。当封堵头进入管道时 ，由于管道内壁尺 寸限制， 皮碗受摩擦挤压作用， 发生弹性变形。 在回 弹力和管道压力的双重作用下 ， 皮碗边缘紧贴在管道 内壁上 ，实现管道的封堵，如图 5 h 所示。 由于皮碗需要收折 ，所以皮碗材料硬度必须适 中，而且皮碗材料必须完全是橡胶，中间不能含有 a 皮碗 与管道尺寸关系 b皮碗在管辽内卅 彤 图 5 皮碗封堵 管道 的示意 Fi g ． 5 Di a gr a m of t he s e a l i ng c up pl ug gi ng pi pe l i ne 1 一 滚轮； 2 一 前压板 3 - 封堵皮碗； 4 一 后 板 5 - 管道内 砖 6 一 管道外壁 3 现场封堵试验 设计参数 设计封堵压力 1 ． 0 MP a ，试验压力 1 ． 5 MPa 。 试验一 封堵管径 D N 7 2 0ra i n ， 管道壁厚 9～l 2 mm，开孔直径 5 0 0 ml Y l ； 试验二 、 封堵管径 D N 5 2 9 mm， 管道壁厚 9～l 2 w l m，开孑 L 直径 3 7 6 ton i 。 折叠封堵头进入进行封堵的现场动作过程 ，如 图 6所 示 。 t、 部分展开 d 命们开 图 6 折叠封堵头 的封堵动作过程 Fi g ． 6 The a c t i o n pr oc e s s of t he f o l di ng pl u ggi ng he a d 4 结 论 我们研制的折叠封堵头是折叠封堵技术的关键 设备。 下转第3 9 6 页 3 9 6 当 代 化 工 2 0 1 5 年 2 月 践【 J ] ．化学工程与装备， 2 0 0 9 1 0 1 9 9 2 0 1 ． 广东化工， 2 0 1 1 , 3 8 9 1 8 7 1 8 2 [ 1 9] 张春勇， 郑纯智，汪 斌， 张国华， 文颖频， 张纪霞． A s p e n P l u s软件在化 工原理 教学中的应用 『J 1 _ 江苏技术师范学 院学 报， 2 0 1 0 ， 1 6 9 7 8 - 8 0． [ 2 O] 韦晓燕，谭 军，胡万鹏， 李 雷． A s p e n P l u s软件在化工原理教学中的 应用探索【J I ．化工时刊， 2 0 1 2 ，2 6 6 6 9 7 0 ． [ 2 1 ]张治山， 高 军， 李 敏． A s p e n P lu s 在精馏操作分析中的应用[ J 1 ． 中国 教育技术装备，2 0 1 0 1 5 9 5 - 9 6 ． [ 2 2] 葛明兰， 李翠青，任绍梅．C h e m C A D软件及在化工课程设计中的应用 I J I _计算机与应用化学， 2 0 0 4 ，2 1 5 7 8 1 7 8 5 ． [ 2 3]李安林 ，张换平 ，杜 慧． 模拟软件中简捷精馏模型的原理与应用 f J 1 ．数字化工， 2 0 0 5 1 2 4 9 5 0 ． [ 2 4] 李晓昆， 张 宏， 张晓林， 陈爱琴， 刘 进．E C S S软件在板式精馏塔工艺 计算中的应用们- 青海大学学报自然科学版 ，2 0 1 1 , 2 9 6 9 0 9 4 ． [ 2 5 ]郑秀玉，李 琼． 化工仿真实习教学的改革与实践_ J I ．当代化工， 2 0 1 3 ． 4 28 l 1 0 5 1 1 0 8 ． [ 2 6 ]王彦飞，朱 亮， 杨立斌． A s p e n P l u s应用于反应工程教学的实践m [ 2 7] 戴 斌， 徐 宏．C H E MC A D应用在 s 0 转化反应器的工艺设计l J 】． 计 算机与应用化学．2 0 0 8 ， 2 5 4 4 6 4 4 6 6 [ 2 8]吴锡慧， 郁 平， 王 磊 ．化 学反应工程教学改革与实践r J ] ． 广东化 工 2 01 3 ，4 0 6 2 0 7 ． [ 2 9] 李士雨， 齐向娟． 采用 C HE MC A D 软件强化 “ 化工分离过程”课程 教学m．化学工业与工程，2 0 0 5 ， 2 2 增刊 6 0 6 2 ． [ 3 O]李伟， 朱家文，徐心茹， 杨金根，唐小琪， 陈鸿雁．现代化工模拟软件在 分离工程课程教学中的应用【 川_化工高等教育， 2 0 0 7 2 6 6 6 8 ． [ 3 1 ]朱建军， 林西平， 李海权．A S P E N P L U S模拟与分析醋化反应精馏过 程I J 1 ．江苏石油化工学院学报， 1 9 9 5 ， 7 3 1 5 1 8 ． [ 3 2]吴宇琼． 分离工程 教学改革初探fJ 】 ．江汉大学学报 自然科学 版 ． 2 0 1 2 ,4 0 6 9 6 9 9 ． [ 3 3 ]秦祖赠， 葛利， 曾玉凤，杨克迪．P r o I在 化工分离工程教学中的 应用r J J． 广西轻工业， 2 0 1 1 8 1 8 6 1 8 8 ． [ 3 4] 卢泽湘，范立维廖 益强． A s p e n p l u s 在 分离工程 教学中的应用【 J 1 l 福建农林大学学报 哲学社会科学版 ， 2 0 1 0 ， 1 3 5 1 0 6 1 0 8 ． 上接第 3 8 8页 参考文献 [ 1 ]中国石油集团经济技术研究院． 2 0 1 3年 国内外油气行业发展研究 报告[ R 1 ． 2 0 1 3 - 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