法蘭封堵卡具的設計與計算

李　凱，王傳磊（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

法蘭封堵卡具的設計與計算

李凱，王傳磊
（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海洋平臺上的法蘭泄漏問題一直是生產過程中面對的棘手問題，泄漏問題不僅對平臺的生產帶來安全隱患，而且威脅操作人員安全。針對實際法蘭泄漏問題，設計了一套相對應的封堵卡具，并對其施工安裝過程作了介紹，最后列舉了卡具使用的相應案例的作業步驟，并對其維修技術特點進行了歸納，對以后可能遇到的泄漏維搶修工程提供借鑒參考。

法蘭泄漏；封堵卡具；卡具設計

海洋平臺上各種設備高度集中，加之受復雜海洋環境、局限性空間等各方面因素的影響，使平臺上的維搶修工作面臨著諸多困難。平臺上常規法蘭、閥門等泄漏更是時有發生，且其損壞形式又是多種多樣。因此，如何盡快解決泄漏問題，成為人們關注的焦點。快速應對泄漏事故的能力，是進行維搶修工程的關鍵所在。近年來，采用封堵卡具技術，對法蘭、海管發生穿孔泄漏等問題進行封堵，取得了比較好的效果。下面從某工程項目介紹封堵卡具設計與計算。

1　泄漏問題處理

對于海洋平臺上的法蘭泄漏，一旦發現應及時采取相應的措施，法蘭泄漏大都是由于法蘭的密封墊片破壞，或者壓緊力不足導致，雖然可以通過更換密封墊片或者更換法蘭來解決泄漏問題，但對于不間斷生產的輸送過程，需要對管路進行帶壓開孔設置旁路，這就大大增加了維修成本。

現在比較常用的法蘭堵漏卡具具有經濟性，安裝方便等優點，近幾年對于法蘭泄漏問題的處理，一般選用堵漏卡具來處理。

法蘭夾具一般設計成卡環式夾具，考慮到法蘭連接螺栓，必須避免介質從法蘭的螺栓口滲出。因此，夾具上的注劑孔設計是否合理，會直接影響堵漏效果。注劑孔的數量應和被堵漏法蘭的螺栓孔數量相同，每個注劑孔的分布應在兩螺栓孔之間。常采用如下兩種結構型式的法蘭夾具。

1.1凸形法蘭夾具

當泄漏法蘭的連接間隙大于8mm，泄漏介質壓力大于2.5MPa，并且泄漏量較大時，應使用凸形法蘭夾具。這種法蘭夾具中間有一定位凸臺，其寬度可根據法蘭間隙而定。該夾具的加工尺寸較為精確，安裝在泄漏法蘭上后，整體封閉性能好，堵漏作業的成功率高。

1.2凹形法蘭夾具

當泄漏法蘭的連接間隙小于2mm以下，可以采用凹形法蘭夾具法進行作業，以適應這類小間隙法蘭泄漏的特殊情況。凹形法蘭夾具中間有一凹槽，形成一個密封腔，用于填充密封注劑。

為防止流體從連接法蘭的螺栓中流出，法蘭卡具一般要求注入固化劑，對于輸送原油的管道，固化劑可選用S-220，S-600等。

其中，密封夾具的設計要依據泄漏的條件和環境，介質的溫度和壓力合理地選材和確定其結構。密封夾具的材質也應根據具體泄漏工況來選定，綜合考慮各種材料的基本性能等因素。

2　卡具在法蘭泄漏中的實際應用

為應對現場可能出現的突發性油氣泄漏情況，需設計制作一套管線堵漏工具，已對泄漏的法蘭進行封堵。

2.1卡具的設計與計算

（1）設計條件

操作溫度最高氣溫50℃，最低氣溫-20℃；泄漏流體最高壓力6.0MPa；卡具基本尺寸：Φ=900mm，H=940mm；筒體材質Q345R；屈服強度345MPa；設計壓力6.0MPa；卡具配合間隙≤0.2mm。

（2）計算模型

對筒形結構參照規范進行校核，并使用有限元軟件進行局部應力校核。根據GB150規范，50℃下Q345鋼材的許用應力為：

基本荷載為卡具設計壓力P=6.0MPa

（3）卡具結構校核

①卡具筒體壁厚計算：

其中，設計壓力P=6.0MPa；Ф為焊接接頭系數，卡具為整體結構，取為1.0；卡具直徑D=900mm；[σ]t=181 MPa，為泄漏介質溫度（50℃）下卡具材料的許用應力。

經計算，卡具計算壁厚15.2mm，卡具設計壁厚為20mm，滿足要求。

②卡具連接最小螺栓直徑d1

其中：預緊和剛度系數CK=1.5；

卡具封閉空腔寬度C=780mm；

其中D取筒體厚度和兩倍的注入劑厚度之和，在這取200-300之間

螺栓數量n=36；

經計算，卡具螺栓選為M18，材料35#鋼，滿足實際要求。

③卡具耳板厚度t

其中：耳板螺栓孔中心至卡具外壁與耳板連接出距離L=18mm；

卡具耳板長度b=940mm；

設計卡具耳板厚度為40mm，滿足要求。

2.2ANSYS模擬

計算采用數值分析方法，考慮對稱性，取卡具的1/4模型分析。利用有限元軟件ansys，網格劃分采用8節點二次殼單元進行校核。

載荷及邊界條件：1）端板簡支；2）筒體側邊固支；3）對內壁施加6MPa內壓。

最大等效應力（VON-MISES）為156MPa＜[σ]t=181 MPa，滿足要求。

經相應設計計算，卡具指標符合要求。

2.4現場施工步驟

（1）管道、法蘭清理

先用干布擦拭法蘭及管道，將油污、灰塵等擦拭干凈，再用丙酮擦拭，將油污等徹底擦干。

（2）堵漏卡具安裝

①利用倒鏈將半片卡具提起，與泄漏管道外壁貼合；

②安裝另外一半卡具，檢查密封膠條狀態，確保完整且無偏離；

③預緊螺栓；

④安裝卡具支架，利用L75角鋼支撐起整個卡具，確保支架牢固可靠；

⑤將螺栓再次緊固，注意均勻緊固；

⑥安裝完成后，將管卡上部2寸法蘭，安裝閥門，并用盲板盲死。

用封堵卡具對破損部位進行修復，不僅快速而且效果很好，能永久性封堵住泄露點，國外有封堵卡具使用五十年的記錄。

3　結論

本文主要分析了卡具設計的要點，包括卡具材質的選擇，墊片材質的選擇。卡具設計滿足足夠的強度、剛度要求，并考慮了溫度壓力的影響。

就當前技術而言，封堵卡具密封還存在其自身的局限性。尤其在密封材料的選擇方面，還有待于進一步地研究和試驗。此外，泄露問題一般是突發性的，要求我們在平時在做好應對這些突發情況的準備，要對相關的泄漏卡具做封堵實驗，來檢驗產品是不是真的做到封堵的萬無一失。

Design and Calculation of Flange Sealing Gig

Li Kai，Wang Chuan-lei

Flange leaks on offshore platforms has been a thorny issue facing the production process，leakage problem not only for the production of platform security risk，and threaten the safety of operators.Actual flange leakage problem，design a corresponding block fixture，and its construction and installation process introduced last job step fixture lists used in the respective cases，and the maintenance of its technical characteristics induction of the future may encounter leak dimensional repair project to provide reference information.

flange leak；plugging fixture；fixture design

TE973.8

A

1003-6490（2016）03-0088-02

2016-02-10

李凱（1985—），男，河北人，助理工程師，主要研究方向為海洋石油油氣集輸。