油氣管道維搶修專用夾板閥的設計及應用

袁會贊 張寶強 宋錦 夏國發 王媛媛

1中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司

2中國石油天然氣管道科學研究院有限公司

管道不停輸開孔封堵是一種常見的管道維搶修施工方法，它能在不間斷管道介質輸送的情況下完成對管道的更換、移位、換閥及增加支線的作業，也可以在管道發生泄漏時，對事故段進行快速、安全的搶修[1-2]。在管道不停輸開孔封堵施工中要使用專用閥門，專用閥門的作用是用于連接管道開孔接合器、封堵結合器和封堵三通，利用閥門的啟閉實現開孔機和封堵器的安裝和拆除。該閥門在水平和垂直管線均可安裝使用。

1 管道維搶修工藝

管道不停輸開孔封堵施工方法廣泛應用于長輸油氣管道維搶修和管道改造工程中。所采用的主要設備有封堵頭、封堵三通、夾板閥、封堵接合器、開孔結合器、開孔筒刀、開孔機等[3]。主要施工工序為：管道測厚→焊接封堵三通管件→安裝夾板閥和開孔機→設備試壓→開孔→安裝封堵器進行封堵作業→管道放空→割管連頭→新管道置換→啟封投產→下塞堵→拆閥門、裝盲板→舊管道拆除[4]。

在開孔封堵工藝中，開孔完成后，利用開孔機將開孔筒刀取出，并利用封堵器將封堵頭送入開孔的管線內，阻斷管線內介質流通。此過程中利用結合器、夾板閥、三通等實現設備對接，從而完成對管道的封堵作業（圖1），作業過程中需要各零部件尺寸相互配合，才能確保封堵頭對管道實現無泄漏封堵[5]。

圖1 開孔封堵作業示意圖Fig.1 Schematic diagram of holing and plugging operation

2 專用夾板閥的設計

管道維搶修專用夾板閥的設計可分為主體結構設計和密封結構設計兩部分，這兩部分的有機結合才能保證夾板閥的主要功能和密封效果。

2.1 主體結構設計

夾板閥是封堵過程中的專用閥門，夾板閥利用閘閥的原理實現對開孔封堵過程中介質的阻斷，閥芯關閉時能夠實現密封并承受介質的壓力。閥門關閉后，才可以移除開孔機、封堵器等設備。

夾板閥通常由上、中、下三片閥體和閥芯、絲杠等主要部件組成，也稱為三明治閥門（圖2）。其中，中閥體開孔位置和尺寸要保證封堵過程中筒刀和封堵頭的順利通過。

上、中、下三片閥體利用螺栓連接并實現壓緊密封，利用絲杠旋進和旋出拉動閥芯實現中閥體與上下閥體的貫通，從而實現閥體的開啟和關閉。閥門絲杠利用液壓驅動，同時設計有旁通壓力平衡閥組件。當閥門開啟或關閉時，首先打開旁通壓力平衡閥，使得閥門進、出端壓力達到平衡，這樣開啟或關閉閥門時更輕松，省力。旁通壓力平衡閥組件選用標準配件可直接更換。限位導向板采用浮動設計，該浮動限位導向板具有兩種功能：當閥門在水平安裝使用時，閘板開啟過程中承載閘板的質量而避免閘板的重力作用在閥桿上而降低閥門使用壽命，同時對閘板起導向作用；當閘板開啟時，限制閥座在彈簧預緊力的作用下產生位移而脫離閥座孔。

圖2 夾板閥的主體結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of main structure of splint valve

2.2 密封結構設計

上、中、下閥體應用長螺栓和螺母緊固連接，閥體之間利用密封圈密封，閥芯在中閥體的長圓形空腔內移動，完成閥門開啟和關閉的功能。由于夾板閥的這種密封結構以及運行方式在開啟與關閉時最易損傷閥芯的密封圈，夾板閥維護保養程序復雜，耗時耗力。針對此種情況對夾板閥的密封結構進行了專門的結構設計，在上、下閥體上的密封采用了壓片壓緊式新型密封結構形式[6-7]。

設計閥門密封結構時，其中最關鍵的步驟之一是確定閥門結構中三片閥體之間的間隙配合。由于三片閥體靠壓緊密封圈實現整體密封無泄漏，三者之間的間隙尤為重要，要保證閥體在三種工作狀態下密封壓縮量達到15%～25%之間，這三種狀態下密封圈的壓縮量隨間隙的調整而不同。

（1）工作狀態夾板閥開啟，腔內無壓力，此時閥芯收回至閥體內，上、下密封圈的壓縮量僅考慮閥體之間間隙和閥體質量即可，此時的極限位置閥體間間隙偏差全部集中到下閥體與中閥體之間，二者之間壓縮量最大，約25%，間隙最小。

（2）工作狀態夾板閥關閉，考慮此時的極限狀態，此時下閥體腔內充滿壓力，利用閥芯的密封阻斷介質，此時中閥體與上閥體之間間隙最小，閥體的間隙偏差全部集中到上閥體和中閥體上，精準控制密封槽加工精度，從而保證密封圈的壓縮量。

（3）工作狀態是帶壓狀態時，夾板閥開啟，上、下閥體內充滿介質，此時密封圈的壓縮量和第一種狀態相同。

3 夾板閥主要部件的設計計算

3.1 閥芯厚度的計算

管道維搶修夾板閥主要用于管道的帶壓封堵作業，是一種非標閥件。需根據夾板閥的結構特點和工作狀態，選擇合適的計算方法和計算公式進行結構設計計算。

分析夾板閥的工作場合，根據夾板閥的結構特點，夾板閥的閥芯厚度計算可參考受內壓或外壓的無孔或有孔已被加強的平蓋設計[8]，夾板閥屬于有孔的長圓形平蓋結構，閥芯厚度按照圓形平蓋公式進行設計計算，公式如下：

式中：Dc為平蓋計算直徑，mm；K為結構特征系數，具體查GB150—1998 中表7-7；pc為計算壓力，取10 MPa；[σ]t為設計溫度下的許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數。

利用上式分別計算設計壓力和試驗壓力兩種狀態閥芯的厚度，取較大值。

3.2 中閥體內徑和長度的計算

夾板閥閥孔內徑要保證封堵頭和筒刀及三通塞柄的順利通過，不能劃傷封堵頭皮碗和塞柄密封圈，閥體內腔不能由明顯凸出和尖角棱線，一般大于三通通徑約10～15 mm。綜合幾個配套設備的外徑尺寸確定夾板閥的閥孔內徑，用閥孔內徑與密封面及閥芯外徑的關系確定閥芯外徑。根據閥體的工作特點，閥體與三通法蘭連接，閥體的連接螺栓和中心距與三通法蘭選取相同規格、壓力等級的即可。

（1）綜合考慮筒刀、封堵頭和塞柄部分的尺寸，先初步確定閥腔半圓部分φ閥腔，根據夾板閥的工作特點，夾板閥使用過程中打開閥門狀態時要保證閥芯完全收入中閥體的腔內，夾板閥的直邊部分要有足夠的空間容納閥芯，從而確定直邊長度，兩側半圓可采用相同尺寸。

（2）中閥體承受內壓時從受力狀態分析直邊段是整個閥體的最薄弱位置，目前尚無長圓厚度設計模型可以參考計算，厚度可參照閥芯計算厚度進行結構設計。夾板閥屬于有孔的長圓形壓力容器，可參照長圓形截面容器進行設計校核，容器側板厚度需相等，兩半圓厚度也需相等。對設計完成后的中閥體結構分別對半圓部分和直側板的薄膜應力、彎曲應力和總應力進行校核計算。

（3）上、下閥體的厚度可參照三通法蘭相同規格壓力進行設計，同時要校核直邊段，保證閥芯能夠完全收回至中閥體空腔內，滿足使用要求的同時盡量減少直邊段的長度。

3.3 閥板開啟力與絲杠直徑確定

當閥芯受內壓力時，絲杠拉動閥芯開啟所需要的開啟力計算公式為

式中：Q為閥體密封狀態的開啟力，N；φ為上、下閥體貫通部位開孔直徑，mm；p為設計壓力，MPa。

絲杠直徑的計算公式為

式中：d為絲桿直徑，mm；[σ]為絲桿的許用應力，MPa；F為絲桿承受的軸向力，N。

此外，需要注意的是絲杠材料強度應低于閥芯材料，避免二者發生咬緊，旋出困難，過度磨損絲杠。絲杠長度設計要保證在閥板最大旋合長度完成規定動作，最小旋合長度至少1 倍絲杠直徑，保證絲杠旋出到最外距離時不脫扣。

4 有限元分析

對大口徑φ1 016 mm 夾板閥利用ANSYS 有限元軟件進行應力分析，同時考慮密封變形，要保證閥體的剛性，通過多次厚度調整，最終確定閥體的厚度[9-10]。

通過理論分析得知，選用鍛件35CrMo 材質，上、下閥體壁厚為160 mm，中閥體壁厚為130 mm，即可滿足強度要求。但由于閥體厚度的減小導致夾板閥剛度難以保證，從分析結果可以看出最大變形量為2.4 mm，導致閥體的密封失效，無法保證應用和安全性。對閥體逐步加厚進行多次有限元結構分析，當上、下閥體厚度增加到200 mm，中閥體厚度增至170 mm 時，夾板閥的整體強度和剛度滿足工作壓力10 MPa 的要求，整體變形量為0.066 mm，滿足密封要求。圖3 和圖4 為ANSYS 有限元分析的等效應力圖和位移圖。

圖3 1/4 模型等效應力圖Fig.3 Diagram of Von Mises stress of 1/4 model

圖4 1/4 模型位移圖Fig.4 Displacement diagram of 1/4 model

5 現場應用

利用此設計方法已完成了168 mm～1 016 mm等全系列夾板閥的設計，并成功應用到現場。工作壓力10 MPa、管徑1 016 mm 的夾板閥已在西氣東輸輪南壓氣站帶壓開孔動火連頭工程和其他管道維搶修工程中多次得到應用（圖5），成為管道維搶修開孔封堵作業中的標配設備。工程實踐證明，采用該夾板閥維修和維護非常方便，即節約了維修和維護的費用，降低了現場吊裝夾板閥的施工成本，又節省了人力和物力，提高了工作效率，體現了維搶修工藝應急搶險的優勢，有較大的應用價值。

圖5 夾板閥現場應用Fig.5 On-site application of splint valve

6 結論與建議

（1）根據油氣管道開孔封堵的施工工藝要求設計的油氣管道維搶修專用閥門，能夠滿足管道帶壓開孔封堵的需要，且使用維護方便，得到了廣泛應用。

（2）由于夾板閥結構的特點，建議現場先將管內介質降壓至5 MPa 以下，減少壓力過高對螺栓、閥體變形的影響，從而避免密封泄露。

（3）夾板閥使用之前對全部螺栓和密封圈進行檢查和試驗，并模擬現場旋進絲杠時確保絲杠拉動閥門閥芯過程中運用靈活。