大口徑燃氣管道中壓不停輸封堵器的設計研發

【中圖分類號】：TU996.7 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-54-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.012

Design and Development on the Occluder for Non-stop Transmission of Large-diameter Medium Pressure Gas Pipelines

LIU Yancong

（Taiyuan Natural Gas Co.Ltd.，Taiyuan O30oO6，China）

【Abstract】： Aiming atthe problems oflarge diameter，high pressure，and poor elipticity incurrent gas pipeline maintenance and repair projects，from the perspectives of sealing strength，sealing form，power source，materials， aesthetics，and ergonomics.And a design scheme was proposed for a amplatzer device suitable for medium pressure non-stop transmission of large-diameter gas pipelines.

【Key words】： pressure sealing；gas pipelines；occluder

不停輸帶壓封堵器因操作簡單、實用性強、安全高效被廣泛應用到石油化工、船舶、制藥和天然氣等管道運輸領域＼～2]。封堵器是一種常見的專門用于封堵管道或容器的設備，在工業領域中應用的非常廣泛＼～5]。目前市場上常見的燃氣管道不停輸帶壓封堵形式有膨脹筒式、塞式、囊式和折疊式封堵等，這些封堵形式均存在管道橢圓度適應性差、承壓低、開孔大、破壞管道強度等問題。為解決上述問題，本文研發設計了一款新式“三明治\"擠壓式的封堵器將應用于燃氣管網不停輸改造中。

1封堵器的功能和總體方案設計

1.1封堵器的形式和工作原理

按照管線的工作壓力，封堵器的類型可分為高壓、中壓和低壓3種形式。本文設計的封堵器適用于中低壓（ ？0.4MPa 燃氣管線。

不停輸帶壓封堵的原理為在完全密閉的狀態下，在需要改造管端兩側利用物理或機械手段，使用設備將改造的管段進行封堵，使輸送介質從管線中停止輸送，保障作業人員在安全的條件下進行維護、修理和改造等作業。

1.2總體方案設計

本文設計的封堵器主要由液壓系統、動力源、傳動機構、執行機構、液壓輔助元件等部分組成，另外還包括夾持支架、適配器等輔助執行機構。見圖1。

液壓系統：由液壓泵、液壓快速接頭、執行元件和液壓油缸組成。液壓泵負責把液壓油抽吸出來通過管路送到執行元件；液壓快速接頭控制液壓油的壓力、流量；執行元件負責將液壓油的熱能轉化成封堵器的機械動能；液壓油缸則用于存儲液壓油。

動力源：為節省人力，提高效率，實現自動化控制，選用液壓油缸為動力源。液壓泵把液壓油抽吸出來送到液壓油缸，通過控制液壓快速接頭上的節流閥來控制液壓油的開關、壓力和流量的輸送，在液壓油缸中活塞產生運動，實現對機械設備封堵器的驅動控制。

傳動機構：由封堵器內桿、主動錐齒輪、從動錐齒輪和花鍵螺母等部件組成。封堵器內桿由D形槽與主動錐齒輪連接，并隨封堵器內桿旋轉而運動，主動錐齒輪與從動錐齒輪通過齒輪嚙合，會把力的方向由垂直轉換為水平方向。設計的從動錐齒輪與花鍵螺母采用T形螺紋連接，把旋轉運動轉換為直線運動，同時確保T形螺紋具有自鎖性能。花鍵螺母通過螺釘帶動動錐板移動，擠壓套在主動錐齒輪上的封堵橡膠，使封堵橡膠徑向膨脹，完成封堵作業。見圖2

執行機構：封堵器的執行機構為封堵頭，封堵器內桿下端通過D形槽與主動錐齒輪鏈接，當扳動六角頭轉動封堵器內桿時，內桿傳導的力將傳遞給主動錐齒輪；因為主動錐齒輪又與從動錐齒輪齒輪嚙合，所以主動錐齒輪會帶動從動錐齒輪一起轉動，并且將力的方向由延Z軸轉動轉變為沿Y軸的轉動。設計的定錐板通過螺釘固定在了齒輪殼上，使定錐板固定不動。設計的密封結構橡膠環擠壓在定錐板與動錐板之間。設計的花鍵螺母通過螺釘帶動動錐板作直線運動。通過動錐板擠壓橡膠環，封堵器上的橡膠環會徑向膨脹進而完成封堵。見圖3。

液壓輔助元件：包括油路塊、液壓油缸固定卡箍、液壓快速接頭、液壓對絲接頭和油路管等。

其他輔助執行機構：包括用于起吊的吊環螺釘、液壓油缸固定用上橫梁、接旁通管道用旁通管接頭、收納封堵頭和其他配套設備相連接的適配器等。

1.3封堵器的結構設計

封堵器主體：封堵器的本體是塞式封堵器的主要部分，通常由金屬材料制成?？勺鳛榉舛缕髦黧w的材料有不銹鋼、鑄鐵材料、鋁合金材料和銅等；結合不同材質的特性和優缺點，考慮到后期應用到的管材管徑、密封性能、壓力及整套設備的重量，擬采用先進的高強度、耐腐蝕、韌性好的金屬材料，如不銹鋼或鋁合金等，以保證封堵器對管道能夠形成支撐作用，且具有較強的機械強度、安全性和較長的使用壽命。

密封橡膠圈：密封橡膠圈是保證封堵器具有良好封堵密封效果的關鍵組件，為提高封堵頭的機械密封性能，封堵頭最外層的密封橡膠圈采用壓縮變形的方式使橡膠圈密封在密封面上，使封堵頭上的主動錐齒輪密封面和密封橡膠圈形成摩擦阻力，增強密封性能。密封圈材質選用合成橡膠，因其化學穩定性好、抗老化、耐磨損、彈性好、機械強度高、耐腐蝕，在工業環境應用廣泛。

封堵器利用轉向裝置旋轉內桿，內桿將傳遞扭矩至主動錐齒輪，從動錐齒輪帶動花鍵螺母實現直線擠壓動作。內環將在螺桿的帶動下向外運動，壓緊內環密封橡膠圈，橡膠圈會受力擠壓，壓縮變形，并能保持優異的機械性能、耐磨性能和密封性能，同時擠壓管道內壁，填補封堵器和管道內壁之間的空隙，增加封堵面積，提高封堵強度，進而阻止了管道中的天然氣泄漏，形成良好的封堵效果。

1.4封堵器的傳動機構

為確保傳動機構具備足夠的強度和穩定性能，除選用高強度合金鋼為主要部件如軸、齒輪和傳動板的材料外，還要考慮合理的結構、加固措施和制造工藝，以提高傳動機構的強度、穩定性和承載能力。

傳動機構應具有良好的自鎖性能以維持管道在開啟和關閉狀態下不會發生錐板之間的相對移動，確保整套設備在工作中的安全性和穩定性。從動錐齒輪和花鍵螺母之間的連接采用傳動螺紋，將從動齒輪的轉矩和力向下傳遞，既能提高傳動的效率，又能防正部件之間出現松動，要求傳動螺紋具有耐磨損、使用壽命長的性能。動錐板和花鍵螺母之間的連接采用螺紋連接，采用預緊力鎖緊裝置，增加自鎖性能、摩擦力，防止設備在振動時或受壓力變化、溫度變化時不易脫落。

傳動機構的控制方式應靈活方便，設計考慮采用電動或液動驅動系統，以確保傳動機構的開閉動作能夠快速、準確地響應操作人員的指令。此外，也可以設計操作臺或控制裝置，方便操作人員遠程操控傳動機構。

傳動機構的維護保養問題也要考慮。設計的傳動機構零部件應是可拆卸的，以方便后期的定期維護保養、清洗和更換。此外，還可考慮使用耐磨潤滑材料，以延長傳動機構的使用壽命。

2基于虛擬樣機技術設計的封堵器設計

2.1封堵器的動力方式

把封堵器各部分組裝好后，使用液壓系統把封堵頭收縮至適配器內，然后將封堵器用螺栓安裝在夾板閥上，打開夾板閥。啟動液壓油缸將封堵頭輸送至待封堵管道內。搬動上橫梁將封堵頭調整至待封堵的位置。使用扭力扳手扳動封堵器內桿上端的六角頭轉動內桿；主動錐齒輪與封堵器內桿下端通過D形槽鏈接，封堵器內桿把力和扭矩傳遞給主動錐齒輪并使其轉動，進而帶動與其齒輪嚙合的從動錐齒輪轉動，將Z軸的轉動轉換為Y軸的轉動。從動錐齒輪與花鍵螺母通過梯形螺紋連接，花鍵螺母又與定錐板通過花鍵鏈接，進而從動錐齒輪轉動帶動定錐板運動；封堵橡膠安裝在定錐板上，進而最終傳遞的力給到錐板，錐板帶動封堵橡膠做出擠壓管道內壁動作完成封堵。見圖4。

2.2主要傳動零部件設計

2.2.1典型受力部位幾何參數計算

人力扭矩輸入端為內桿的上端，通過施工人員使用扭力扳手輸入，故在內桿上端設置六方頭便于扭力扳手卡人。扭矩沿內桿輸入，內桿一端為六方頭，另一端設置鍵槽與錐齒輪的主動輪相連。對于錐齒輪首先要設定參數尺寸，考慮到燃氣管道的內徑有限，去除外殼的尺寸，留給封堵器主體的內部空間相當有限，而傳遞的動力最終要作用在錐板擠壓橡膠圈上，因此需知道橡膠圈能夠填充整個燃氣管道內徑時所受的擠壓力。

從結果倒推受力，進行強度校核。首先應考慮封堵橡膠材料的相關參數選取和設計。封堵橡膠材料一般可以根據經驗的參數范圍、有關的經驗表格及管道尺寸范圍等選取。

2.2.2橡膠密封圈受力計算

橡膠密封圈密封效果是由橡膠圈受到壓縮而產生徑向彈性變形回彈來實現的。受壓縮產生回彈力的大小會受到橡膠圈的材質、硬度、彈性、寬度、直徑、形狀、壓縮程度、壓縮比、環境溫度等一系列因素的影響，而這些因素也決定著密封圈的強度、使用壽命和密封性能。材質、硬度和彈性不同，被壓縮時產生的作用力不同；寬度和直徑越大，被擠壓時產生的作用力越?。粔嚎s比越大，被壓縮時產生的作用力越大；溫度越高壓縮力越小，溫度越低，壓縮力越大。因此在設計中應該選擇合適的材質、適度的寬度和直徑、較大的壓縮比來提高橡膠密封圈的使用壽命、強度和密封性能。

橡膠密封圈受壓縮時產生的壓力＝ （壓縮力 × 密封圈的硬度）/密封圈的直徑和寬度 （1）

式中：壓縮力和硬度由試驗得到，直徑和寬度由測量得到。

此外，為了增加橡膠密封圈的使用壽命和密封效果，將密封圈安裝在定錐板于動錐組合形成的溝槽中，大小貼合溝槽的結構，受承壓時不易被擠出，以免造成橡膠圈損壞。一般情況下，選擇橡膠密封圈的壓縮率為 15%～25% 。

將制作的2D平面模型導入ANSYSMechanical有限元分析軟件的瞬態模型，分析擠壓過程，選取硬度為60度的橡膠材料模擬。根據瞬態模型模擬結果，橡膠擠壓所需最大值壓力為46052N；插人力探針查看最終橡膠圈外側與管道內側的最大壓力位為 0.64MPa 見圖 5

保證橡膠圈的外側與燃氣管道內側的壓力 gt;0.5 MPa ，使得封堵器橡膠圈不會因為兩側壓力差過大而發生偏轉，同時也可以保證在燃氣管道橢圓度或者清潔度不佳時，具有良好的密封效果。

2.2.3螺紋計算

梯形螺紋具有連接和固定零部件的作用，且安裝、拆卸方便，有可靠的穩定性、質量和傳動效率，工業設計中常采用梯形螺紋來傳遞力矩和控制運動的方向。螺桿（從動錐齒輪）和螺紋均采用42CrMo材料，將封堵器內桿延Z軸的旋轉運動轉變為沿Y軸直線運動。

螺距 ：=π× 螺紋直徑/螺紋分度數

給進量＝ 螺距 × 所有螺紋的螺紋數

螺紋高度 =0.625× 螺距

螺紋角＝"arctan（螺紋高度/（ 螺紋直徑）） （5）

式中：螺紋直徑是指螺紋的最大直徑，螺紋分度數是指螺紋的每英寸螺紋數。

2.2.4螺桿螺母效率計算

螺桿螺母傳動是工業機械中常見的傳動方式，具有較高的傳動效率。影響螺桿螺母傳動效率的因素有材料、加工精度、潤滑情況和負載等。

當量摩擦角

式中 ？ f 為摩擦系數； α 為螺紋夾角。

螺桿螺母效率

式中：λ為螺紋升角。

2.2.5梯形螺紋的自鎖校核

為了保證螺紋連接有良好的自鎖性，在施工搶修過程中，兩塊錐板可以長時間的保持對彈性橡膠圈的壓縮，考慮到校核自鎖性，且螺紋連接的主要作用是傳遞動力，所以選取梯形螺紋連接形式，其具有良好的對中性、自鎖性和剛度。

本文對公稱直徑為 70mm， 螺距為 4mm 的梯形螺紋進行自鎖核驗，當螺旋副的效率 lt;0 時，無論施加多大的驅動力，螺母都不運動，即為螺旋副自鎖。效率為0表明螺旋副處于臨界自鎖狀態，因此螺旋副的自鎖條件是螺紋升角 λ？ 當量摩擦角 ρ 。

2.2.6齒輪強度校核

根據經驗選取錐齒輪尺寸參數對齒輪的齒面及齒根進行校核。錐齒輪輪齒嚙合強度校驗采用的是等頂隙收縮齒，校核過程可采用公式計算，也可使用ANSYSMechanical進行強度仿真。見圖6。

選取部分嚙合的輪齒，對其他部分進行隱藏和切除，保證計算準確。施加旋轉動作和抵抗力矩，最大應力將出現在齒輪嚙合處，為 692.15MPa ，小于錐齒輪材料42CrMo的許用應力。見圖7。

3液壓系統設計

封堵器采用液壓動力系統，設計有2個液壓油缸驅動，用液壓閥對封堵過程實現液動控制。操作時先將適配器安裝至適配器相應法蘭，將液壓泵站的輸油管與回油管連接至液壓閥塊。

液壓閥塊是其他液壓元件的承裝載體，又是油路連通的通道體，是集成式液壓系統的關鍵部件。閥塊設計為長方體，殼體材料為可鍛鑄鐵。閥塊上根據需要設計有與液壓閥有關的安裝孔、通油孔、連接螺釘孔、定位銷孔及公共油孔、連接孔等。見圖8。

封堵器液壓系統需要執行上行下行一個主回路及控制回路。主回路負責封堵器的下堵和提堵功能以及固定封堵頭位置的功能?？刂苹芈酚袚Q向閥和調速閥組成，控制整個系統回路，控制方向的轉換。

液壓系統由卡箍、液壓油缸、油路塊等組成?？ü坑蓛煞N卡箍和卡箍橫擔組成，螺釘穿過兩種卡箍將油缸固定，卡箍橫擔兩頭各固定一個液壓油缸，使得兩個油缸同步運動；上橫梁通過外桿卡環與外桿上端相互固定，不會發生相對移動；液壓閥塊通過螺釘固定在專用適配器頂部，液壓閥塊有兩組進油管和出油管，分別和液壓油缸的進出油口相連。

為保證封堵頭上行下行運動穩定，不出現偏移而造成與其他設備產生磕碰，采用雙油缸，使用液壓油缸卡箍固定，保持穩定避免產生磕碰等問題

4三維模型

使用SolidWorks軟件建立封堵頭的三維模型，對各零部件進行裝配和檢查，對產品的外觀和結構做出更進一步的完善，如產品的設計細節、優化結構，最終使產品達到預期的性能和功能結構。見圖9。

5結語

本文設計的封堵器注重安全、穩定、自動化控制和高效，有效解決了管道橢圓度適應性差、承壓低、開孔大、破壞管道強度等問題。

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