通球指示器帶壓拆裝工具的研究與應用

葉丹 朱萬春

中國石化管道儲運有限公司武漢輸油處

通球指示器常用于長輸管線除垢作業工藝中，目前各長輸管道上使用的大部分是機械式通球指示器，例如中石化儀長線使用的大部分通球指示器為防爆機械式通球指示器。該類指示器具有結構簡單、防爆、指示直觀可靠等優點，它可以在管線上通過機械定位，定時地傳遞出管線內清管器物體的通過情況，從而指導流程的切換[1]。通球指示器長期使用后，設備會出現不同程度的腐蝕和老化問題，須進行維護和更換，因通球指示器均安裝在輸油站進出站管線及收發球筒上，對通球指示器進行維護和更換，一般只有在管線停輸放空后才能進行，而且部分輸油站因地勢因素，停輸后的放空操作時間較長、難度大，所以導致通球指示器的維護、更換十分困難，且停輸成本較高，安全風險較大[2]。為解決通球指示器的維護更換問題，本文以儀長線通球指示器為例，對該類型設備進行了詳細分析，開發了一種實用的帶壓拆裝工具，能夠在帶壓情況下直接對通球指示器進行維護和更換作業。

1 問題的提出

通球指示器主要安裝于進出站管線上方，長期置于戶外，容易因腐蝕或其他因素造成指示器機芯故障。如圖1所示，通球指示器內部機芯腐蝕嚴重，內部O型密封圈老化情況不明，如圖2所示，機芯內部O型密封圈老化已出現滲漏痕跡。如需更換新的機芯較為困難，沒有帶壓拆裝的專用工具，須對管線停輸排空后才能對通球指示器機芯進行拆除和重新安裝[3]。

圖1 通球指示器腐蝕情況Fig.1 Corrosion of the ball indicator

圖2 通球指示器機芯上部Fig.2 Upper part of the movement in the ball indicator

通過實地調查研究和分析，目前長輸管道大部分通球指示器的結構如圖3所示，主要由扳機、基座、機芯、增長螺柱挺桿、上接體等部件組成。其中，基座是與管線焊接性能良好的鍛件制成，上外側是DN50 mm的管螺紋；機芯是密封傳動的組合件，其與基座通過螺紋連接，密封主要是通過O型密封圈完成[4]；上接體是運動機構的保護帽并連接鐘控頭。在維護更換作業時，須拆除通球指示器上接體及增長螺柱挺桿等部件，露出機芯的上半部分（圖2），然后使用機芯專用扳手進行拆裝。通過對機芯上部分的結構及其使用的專用扳手特點進行分析，機芯上留有4個螺孔及凹槽，所以可設計一種與機芯有效連接并在帶壓情況下能拆裝的工具。

圖3 通球指示器機械部分結構Fig.Structure of the mechanical part of the ball indicator

2 通球指示器帶壓拆裝工具的研制

如圖4所示，通球指示器拆裝工具主要由機芯連接頭、長軸光桿、球閥、異徑連接管、密封筒、壓力表接頭、密封壓蓋、進給裝置（進給螺紋管、進給套管）、套管封頭等9部分組成。其中，機芯連接頭與長軸光桿通過四方頭及1個螺釘連接；DN65 mm球閥通過螺紋與異徑連接管和密封筒連接；壓力表接頭焊接在密封筒上；密封筒上部為密封部件，主要由密封壓蓋、2個O型密封圈、2個銅墊片及活塞桿專用的U型密封圈組成；進給裝置由兩部分組成，進給螺紋管直接與密封筒連接，進給套管與進給螺紋管連接，組合成可以進給的裝置[2]；套筒封頭與進給套管和長軸光桿上部連接，并且套筒封頭內有一個O型密封圈作為軸封，以防止外界水氣、雜質等進入對工具內部造成腐蝕[5]。

圖4 通球指示器帶壓拆裝工具結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the under-pressure dismounting tool for the ball indicator

2.1 機芯連接頭

機芯連接部分：該部分與機芯凹槽對應設計了2個3 mm厚的凸出部分，并且設計了與之對應的4個Φ5 mm大的圓孔，須指出該處連接螺絲須采用內六角頭，以節省在擰螺絲時的豎直方向操作空間。圖5中的數據是以DN50 mm大小通球指示器開發的機芯連接頭。對于DN80及其他類型的通球指示器，只需根據機芯凹槽深度，設計對應厚度的2個凸出部分，以及周圍4個圓形孔即可，做到機芯連接頭能很好與機芯連接即可。

圖5 機芯連接頭設計Fig.5 Connector design for the movement

與長軸光桿連接部分：該工具不僅要對機芯進行拆除還要進行安裝，所以在與長軸光桿連接時，不能簡單用螺紋進行連接。該設計采用了四方套筒（長12 mm）方式，用于能左右旋轉拆裝機芯，同時中心底部開有Φ5 mm沉孔，通過螺釘與長軸光桿進行連接，起到了很好的穩固作用[6]。

2.2 密封部件

圖6所示為該工具的核心——密封部件。主要通過一種U型DZ密封圈（型號為UN-25×35×10）進行密封，該密封圈為聚氨酯材質，具有耐腐蝕、耐高壓、耐磨損等特點，因為是手動操作，管線帶壓不宜過高，密封圈耐壓6.4 MPa即可。對于管線不同壓力下的帶壓作業，該工具密封部件的耐壓能力必須大于管線壓力。為確保密封的可靠性和無滲漏要求，還設計了2個O型密封圈（O型圈線徑3.5 mm，內徑25 mm）密封，通過與2個4 mm厚銅墊片交錯放置，再由壓蓋通過螺紋連接，對O型圈形成擠壓，從而達到密封效果[7]。密封壓蓋上部設計有2個Φ5 mm小孔，便于使用該工具對密封壓蓋進行擰緊或拆卸，如果密封效果不理想，也可通過擰緊密封壓蓋來增強密封性能。

2.3 套筒封頭

套筒封頭（圖7）內裝有一個15 mm厚銅套，主要為進給裝置內長軸光桿提供穩固作用（進給裝置在帶壓情況下打開閥門時，長軸光桿可在壓力作用下突然向外彈出），以及在增減不同厚度銅套時，可以用來調節長軸光桿在軸向上的自由行程距離[8]。長軸光桿在軸向上可自由行進一定距離，這樣設計主要是考慮到在拆裝通球指示器機芯時，因為機芯與基座是螺紋連接（螺紋長25 mm），那么當長軸光桿旋轉時，進給裝置必須同步旋轉，才能將機芯拆除或安裝。本設計長軸光桿的自由行程是30 mm，在從通球指示器基座上擰下或安裝機芯時，可以直接旋轉長軸光桿。套筒封頭內還設計有一個O型圈構成的軸封，主要是防止內部潤滑脂泄漏或者是外界雜質進入工具內造成腐蝕[9]。

圖6 密封部件設計Fig.6 Design of the sealing part

圖7 套筒封頭設計Fig.7 Design of the sleeve

2.4 操作方法

通球指示器的拆裝主要有以下10個步驟：

（1）用內六角扳手將機芯連接頭與機芯連接。

（2）將異徑連接管與通球指示器基座連接，為增強密封性可在螺紋處纏繞生膠帶。

（3）緩慢逆時針旋轉長軸光桿，觀察壓力表數值，當壓力表數值變化時，停止旋轉長軸光桿；待壓力與管道內壓力平衡穩定后，在無異常狀況下繼續逆時針旋轉長軸光桿，將機芯從基座上旋下。

（4）逆時針旋轉進給裝置，將機芯完全縮回到密封筒內。

（5）關閉球閥，放空密封筒內原油，直至壓力表數值為0。

（6）將密封筒從球閥上拆除，取出舊機芯，安裝上新機芯。

（7）將密封筒與球閥連接上，然后緩慢打開球閥，并注意觀察壓力表數值變化情況。

（8）壓力表數值穩定后，順時針旋轉進給裝置，將機芯移動至通球指示器基座位置。

（9）順時針旋轉長軸光桿，將機芯擰緊在通球指示器基座上。

（10）緩慢排空密封筒內原油，并密切注視壓力表數值變化，壓力表數值為0后的一段時間內如仍無變化，則說明機芯更換成功；如果壓力表數值不為0，則說明機芯與基座之間存在滲漏問題，則重新拆除機芯再次進行機芯更換操作[10]。

3 試驗與應用

通球指示器帶壓拆裝工具研制完成后需進行現場試驗，以檢驗工具的使用效果及各部件功能是否安全可靠。試驗現場如圖8所示，試驗結果如表1所示。

圖8 通球指示器帶壓拆裝工具現場試驗Fig.8 Field test of the under-pressure dismounting tool for the ball indicator

表1 不同壓力下試驗結果Tab.1 Test results under different pressures

試驗壓力從1 MPa開始，第一次試驗存在滲漏問題，主要原因是異徑連接管、密封筒與球閥的連接密封不嚴，通過在球閥內部加裝密封圈解決了滲漏問題，同時在異徑連接管和基座之間也加了橡膠墊密封。因該機械式通球指示器最高工作壓力為6.4 MPa，擺針僅有兩個自由方向，所以其基座帶槽，基座與異徑連接管無法使用墊片，只能使用生膠帶密封，因此現場試驗時壓力僅達到3 MPa，共進行了3次試驗，均合格，滿足使用要求。

2017年12月，在大冶站使用通球指示器帶壓拆裝工具對黃梅站進站管線上的通球指示器機芯進行了拆除和更新安裝作業，作業時管線進站壓力為2.62 MPa，3名工作人員在30 min內完成了通球指示器機芯的拆除和更新安裝，作業過程中各步驟環節安全可靠，順利完成目標任務（圖9）。

圖9 大冶站通球指示器機芯的拆裝Fig.9 Dismounting of the movement of the ball indicator in Daye Station

大冶站通球指示器機芯的成功拆裝作業說明，該工具能夠在輸油管線帶壓（2.62 MPa）情況下快速完成無泄漏通球指示器的拆裝更換操作。帶壓作業風險較高，為確保百分之百安全，且操作省時省力，建議在2.5 MPa以下進行作業。

4 結束語

實際應用表明，開發的帶壓拆裝工具能夠很好地解決通球指示器在帶壓情況下的維護更換問題。對于目前長輸管道行業普遍使用的通球指示器來說，針對不同大小的通球指示器，該工具的主要結構不變，更換不同大小的機芯連接頭，則可對大部分通球指示器進行帶壓拆裝作業，能夠很大程度上減少管線停輸時間，降低企業生產成本，對同行業在通球指示器機芯維護更換問題上具有較大的借鑒意義。