天然氣管道根部閥結(jié)構(gòu)微漏不動火帶壓堵漏技術(shù)

張曉虎，高倩鈺，阮景紅，劉 達(dá)

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.中冶檢測認(rèn)證有限公司，北京 100088；3.北京安科管道工程科技有限公司，北京 100083；4.國家管網(wǎng)集團北京管道有限公司，北京 100101)

在工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)改造和檢修作業(yè)中，經(jīng)常需要更新工藝管道、改造或更換在役閥門，并去除管道根部閥所在引壓管，然后對閥井進行回填。常規(guī)的做法是停產(chǎn)后將工藝管道內(nèi)介質(zhì)排放干凈，用空氣或氮氣置換后再進行管道閥門的拆除、更換或焊接等作業(yè)。由于停產(chǎn)作業(yè)代價太高，作業(yè)時間長、費用高，且長期無法滿足作業(yè)條件，因此需要采用在役管道帶壓封堵等特種維修方法[1-2]。

堵漏是一門技術(shù)含量高、專業(yè)性強、責(zé)任重大的特殊密封技術(shù)。現(xiàn)有的堵漏技術(shù)主要有補焊技術(shù)、鋼帶拉緊技術(shù)、低壓粘補技術(shù)和注劑式密封技術(shù)等[3]。這些堵漏技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用中暴露出很多問題，一方面,由于堵漏技術(shù)本身使用范圍較窄，其推廣應(yīng)用受到限制;另一方面,由于堵漏技術(shù)的堵漏速度慢，達(dá)不到快速堵漏的使用要求，其經(jīng)濟性較差。因此，在現(xiàn)有的堵漏技術(shù)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，需要從作業(yè)時間、作業(yè)環(huán)境、堵漏成功率以及堵漏成本等多方面進行考慮，設(shè)計出適用于油氣輸送管道泄漏的快速堵漏裝置[4-6]。

為了克服現(xiàn)有油氣輸送管道堵漏技術(shù)的缺陷和不足，針對中壓和高壓天然氣管道根部閥微量天然氣泄漏情況，對帶壓堵漏夾具進行設(shè)計和制造，并模擬實際工況進行試驗，設(shè)計了3種永久帶壓堵漏裝置，形成了一套管道根部閥補強堵漏技術(shù)。該技術(shù)具有不需動火、耐高壓、簡單便捷以及封堵效果長久有效等特點，實現(xiàn)了引壓管根部閥微漏的有效封堵，從根本上消除了引壓管泄漏的風(fēng)險，保證了天然氣管道的安全運行。

1 根部閥泄漏風(fēng)險評估與帶壓堵漏

1.1 管道根部閥結(jié)構(gòu)泄漏風(fēng)險評估

目前天然氣管道壓力主要是通過引壓管從主管道取源，引壓管與主管道焊接部位容易受到外力作用而導(dǎo)致焊縫處泄漏。為了減少泄漏，通常采取的措施是關(guān)閉引壓管上的閥門，將閥門上部的引壓管截除。引壓管截斷處和閥門手柄處均是泄漏高風(fēng)險點。

閥門的泄漏方式主要有內(nèi)漏和外漏兩種，其中閥門內(nèi)漏主要是由于密封圈和關(guān)閉件損傷，開關(guān)不到位，密封圈與閥體間存在雜質(zhì)以及密封座的O型圈不密封等原因?qū)е隆?009年4月，檢查發(fā)現(xiàn)某旁通旋塞閥內(nèi)漏，主要是由閥門排污嘴和注脂嘴泄漏引起的；2010年6月，檢查發(fā)現(xiàn)某根部閥外漏。為了降低引壓管根部與主管道焊接處的泄漏風(fēng)險，焊接處可通過安裝加強座實現(xiàn)補強，加強座與主管道之間采用焊接方式固定，內(nèi)部填充密封注劑。管道根部閥結(jié)構(gòu)見圖1。閥門內(nèi)漏和外漏均可通過帶壓堵漏技術(shù)實現(xiàn)永久堵漏。

圖1 管道根部閥結(jié)構(gòu)

1.2 帶壓堵漏技術(shù)實施

針對管道根部閥結(jié)構(gòu)微量天然氣泄漏情況，設(shè)計帶壓堵漏技術(shù)實施方案，主要包括以下4個部分：

(1) 泄漏檢測

由于根部閥泄漏情況比較復(fù)雜，現(xiàn)場泄漏檢測時應(yīng)采用多種檢測技術(shù)及裝備對泄漏部位的幾何尺寸、泄漏介質(zhì)的組分、泄漏量的大小以及周圍環(huán)境等進行全方位檢測。

(2) 泄漏原因分析

泄漏可分為本體泄漏和密封泄漏，其原因分別為本體局部材料失效和密封失效。材質(zhì)不均、材料或焊縫內(nèi)部缺陷、應(yīng)力集中、沖蝕磨損、外力破壞、設(shè)計不合理、制造質(zhì)量差、安裝不正確和密封件老化等均可導(dǎo)致泄漏。對于現(xiàn)場的根部閥泄漏，應(yīng)在詳細(xì)調(diào)查的情況下，分析其真正的泄漏原因。

(3) 相關(guān)資料的收集與分析

不僅要收集現(xiàn)場泄漏檢測的原始資料，而且要收集相關(guān)設(shè)備、管道系統(tǒng)以及工藝裝置的技術(shù)資料，并對其進行分析。同時，應(yīng)詳細(xì)了解、掌握和跟蹤行業(yè)內(nèi)各種帶壓堵漏技術(shù)的進展。

(4) 初擬方案及優(yōu)選適用方案

帶壓堵漏施工人員應(yīng)具備系統(tǒng)統(tǒng)籌的觀念，在施工中逐步弱化泄漏強度，逐個消除泄漏點，將最終止漏的壓力控制在合理范圍內(nèi)，不致于對系統(tǒng)造成不利影響。應(yīng)根據(jù)管道泄漏的原因、位置、壓力等級、輸送介質(zhì)和溫度的不同，來確定相應(yīng)堵漏產(chǎn)品的密封級別、結(jié)構(gòu)形式以及對管道本體的保護形式和施工方式。

2 管道根部閥結(jié)構(gòu)帶壓堵漏技術(shù)

針對管道根部閥微量天然氣泄漏情況，對帶壓堵漏夾具進行設(shè)計和制造，并模擬實際工況進行試驗，形成管道根部閥補強堵漏技術(shù)，具體過程見圖2。

圖2 帶壓堵漏技術(shù)形成過程

2.1 帶壓堵漏技術(shù)方案設(shè)計

2.1.1 引壓管絲堵、閥門不動火帶壓堵漏

方案1：引壓管絲堵、閥門不動火帶壓堵漏方案。堵漏裝置主要包括閥門堵漏夾具和碳纖維纏繞層，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 引壓管絲堵、閥門不動火帶壓堵漏

閥門堵漏夾具采用兩半瓦形式，其接觸面開設(shè)密封槽，采用螺栓和盤根進行緊固密封。在引壓管閥門上安裝閥門堵漏夾具，排氣閥接導(dǎo)流管到室外，打開排氣閥；引壓管內(nèi)部注膠，其端部安裝絲堵密封；對閥門堵漏夾具纏繞碳纖維進行密封保護，并在夾具內(nèi)部注膠，注滿后關(guān)閉排氣閥，然后繼續(xù)注膠，增壓到10 MPa后關(guān)閉注膠用閥門，去除導(dǎo)流管。

2.1.2 法蘭式夾具不動火帶壓堵漏

方案2：將引壓管截斷后進行不動火帶壓堵漏。堵漏裝置主要包括套筒、下法蘭和聚四氟乙烯塞，其結(jié)構(gòu)見圖4。聚四氟乙烯塞與內(nèi)部閥門及外部套筒之間采用過盈配合實現(xiàn)密封。清理和清洗套筒、聚四氟乙烯塞和閥門密封面，確保其表面無劃痕和擦傷等缺陷，確保套筒入口無毛刺。先在密封面上均勻涂抹密封膠，然后將聚四氟乙烯塞套在閥門上，再用螺栓將聚四氟乙烯塞垂直壓入套筒。方案2將截斷的引壓管部分密封在內(nèi)，同時減少了密封面，大大提高了堵漏效果。

圖4 法蘭式夾具不動火帶壓堵漏

2.1.3 閥門手柄處可監(jiān)測帶壓堵漏

方案3：針對引壓管不截斷的情況，對閥門手柄處泄漏高風(fēng)險點進行可監(jiān)測帶壓堵漏。堵漏裝置主要包括蓋帽型夾具、U型螺栓和密封橡膠圈，其結(jié)構(gòu)見圖5。蓋帽型夾具通過U型螺栓進行固定，夾具與閥門主體之間采用密封橡膠圈進行密封，夾具頂部設(shè)置引壓管接頭，試驗時用于打壓，后續(xù)壓力監(jiān)測時用來連接引壓管與壓力監(jiān)測裝置。方案3堵漏裝置可將閥門手柄處和外界隔絕，使其處于密閉空腔內(nèi)，并能實時監(jiān)測閥門處的泄漏情況。

圖5 閥門手柄處可監(jiān)測帶壓堵漏

2.2 模擬試驗

模擬國內(nèi)某天然氣管道根部閥的實際工況進行試驗，根部閥泄漏模擬見圖6，組裝完成后的堵漏裝置見圖7。

圖6 根部閥泄漏模擬

圖7 組裝完成后的堵漏裝置

試驗?zāi)康模?1)驗證方案1、方案2和方案3在閥門發(fā)生外漏的情況下是否可以有效堵漏；(2)驗證方案1、方案2在閥門發(fā)生內(nèi)漏的情況下是否可以有效堵漏；(3)確定方案1夾具安裝和碳纖維纏繞施工工藝；(4)確定方案2和方案3夾具安裝施工工藝。

試驗步驟：(1)對現(xiàn)場根部閥結(jié)構(gòu)進行處理，模擬天然氣微漏工況；(2)根據(jù)現(xiàn)場情況焊接制作引壓管；(3)對根部閥結(jié)構(gòu)與堵漏夾具之間的接觸面進行表面清理，排除粗糙表面與雜質(zhì)對密封效果的影響；(4)安裝堵漏裝置，在安裝過程中應(yīng)注意密封接觸面的密封效果；(5)進行密封性試驗。

試驗條件：試驗介質(zhì)為空氣，試驗壓力為 10 MPa，升壓速率不大于0.1 MPa/min。密封性能的合格標(biāo)準(zhǔn)為無破裂、無泄漏，壓力降不大于0.1 MPa。

2.3 模擬試驗結(jié)果

模擬試驗結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明：(1)方案1堵漏裝置在壓力相對較低(7 MPa以下)時密封性能良好，碳纖維可以起到補強作用，但由于堵漏夾具的形狀不規(guī)則，導(dǎo)致碳纖維的纏繞不可能覆蓋整個夾具，夾具存在強度薄弱點，在壓力9 MPa及以上時密封膠外溢。方案1適用于中壓天然氣管道根部閥微漏不動火帶壓堵漏。(2)方案2和方案3堵漏裝置在壓力升高至10 MPa，穩(wěn)壓24 h后檢查無異常，可實現(xiàn)高壓天然氣管道根部閥微漏不動火帶壓堵漏。

表1 模擬試驗結(jié)果匯總

3 結(jié) 論

針對天然氣管道根部閥微量天然氣泄漏的情況，對帶壓堵漏夾具進行設(shè)計和制造，并模擬實際工況進行試驗，形成一套中壓和高壓天然氣管道根部閥補強堵漏技術(shù)。

(1) 在壓力相對較低(7 MPa以下)時，方案1的引壓管絲堵、閥門帶壓堵漏裝置密封性能良好，碳纖維可以起到補強作用，適用于中壓天然氣管道根部閥微漏不動火帶壓堵漏。

(2) 方案2的法蘭式夾具不動火帶壓堵漏裝置與方案3的閥門手柄處可監(jiān)測帶壓堵漏裝置，在壓力升高至10 MPa，穩(wěn)壓24 h后檢查無異常，可實現(xiàn)高壓天然氣管道根部閥微漏不動火帶壓堵漏。