譚凱文，張　勛

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)①

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技術(shù)綜述

油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器研究進(jìn)展

譚凱文，張勛

(中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)①

摘要：油氣管道一旦發(fā)生泄漏等事故，需對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)與維修。不停輸帶壓開孔技術(shù)是油氣管道維搶修中較為重要的一種方式，而封堵器是該技術(shù)的關(guān)鍵部件。綜述了國(guó)內(nèi)外油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器的研究進(jìn)展。介紹了國(guó)內(nèi)外的在役封堵器，并分析了它們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和不足。結(jié)果表明：我國(guó)封堵器與國(guó)外相比還有一段差距，但是目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。指出了油氣管道不停輸帶壓開孔封堵器正向著智能化和快捷化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：管道維修；封堵器；研究進(jìn)展

石油天然氣管道運(yùn)輸是我國(guó)油氣資源的主要運(yùn)輸方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已經(jīng)修建了1.8 萬(wàn)km的成品油管道，2.2 萬(wàn)km的原油管道以及4.5 萬(wàn)km的天然氣管道[1]。所以，油氣管道建設(shè)與維護(hù)有著重要的意義。

我國(guó)現(xiàn)有油氣管道中85%的管道“服役期”超過10 a，而62%的油氣管道“服役期”在20 a以上。這使得我國(guó)的油氣管道在外力干擾、腐蝕、材料缺陷等因素的作用下更易發(fā)生管道失效以及閥門損壞等故障，引發(fā)油氣泄漏事故，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。所以，一方面需要對(duì)管道進(jìn)行有計(jì)劃的維護(hù)，另一方面要對(duì)在油氣輸送中出現(xiàn)的管道故障進(jìn)行維搶修。在油氣管道維護(hù)或維搶修中，通常采用封堵技術(shù)來(lái)封堵住油氣管道內(nèi)部的油氣資源[3]，然后進(jìn)行下一步作業(yè)。封堵器的可靠性將直接影響到后續(xù)作業(yè)的安全快速性，所以封堵器的性能對(duì)于管道封堵作業(yè)有著至關(guān)重要的作用[4]。本文首先介紹了國(guó)內(nèi)的封堵器原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后介紹了一些國(guó)外的封堵器，旨在促進(jìn)我國(guó)封堵器技術(shù)的發(fā)展，不斷縮小與國(guó)外的差距。

1不停輸帶壓開孔封堵技術(shù)

現(xiàn)有的石油天然氣管道維搶修封堵技術(shù)主要有：不停輸帶壓開孔封堵技術(shù)、管內(nèi)高智能封堵技術(shù)以及冷凍封堵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段較為成熟的封堵技術(shù)是不停輸帶壓開孔技術(shù)。

1929年，美國(guó)第1次提出了帶壓封堵技術(shù)。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始研究這項(xiàng)技術(shù)，至今已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。該技術(shù)現(xiàn)已廣泛用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。以前如果要對(duì)油氣管道進(jìn)行維搶修，就必須進(jìn)行停產(chǎn)降壓和管道置換，這不僅造成了一定的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，而且使管道運(yùn)行存在一定的安全隱患。為有效解決上述問題，油氣管道帶壓開孔封堵技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生了。這一技術(shù)只對(duì)待維搶修的局部管道區(qū)域進(jìn)行開孔和封堵，再進(jìn)行油氣管道的局部維修，從而為整個(gè)油氣管道施工作業(yè)提供有力的安全保證，這使得此技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

以前對(duì)管道進(jìn)行維修時(shí)要求停輸并且清空管道，或者只能采取一些臨時(shí)性的補(bǔ)救措施，給油氣管道的運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患[5]，管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性損失巨大。管道帶壓開孔封堵原理的提出，使上述問題得到解決，該工藝不需要管道進(jìn)行停產(chǎn)降壓和管道置換，只需要對(duì)管道的待維修段進(jìn)行開孔，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行有效封堵，然后進(jìn)行局部維修，不但避免了不必要的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)環(huán)境的污染[6]，又為管道的施工作業(yè)提供了更安全的保證，這使得此技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。

所謂油氣管道不停輸帶壓開孔封堵技術(shù)指的是在保證油氣管道正常運(yùn)行的條件下，對(duì)待維修油氣管道實(shí)施開孔封堵作業(yè)，并建立旁通的油氣管道，從而將原油氣輸送管路系統(tǒng)和維修段管路分離開來(lái)，以使得在進(jìn)行維搶修時(shí)不影響油氣的輸送[7]。根據(jù)旁通管道建立方式的不同，可以分為標(biāo)準(zhǔn)式和結(jié)合器旁通式2種[8]。

1)標(biāo)準(zhǔn)式。在待維搶修的油氣管道上首先焊接封堵三通和旁通三通，對(duì)應(yīng)地安裝上封堵夾板閥和旁通夾板閥，然后憑借旁通夾板閥建立起旁通管道，以達(dá)到臨時(shí)傳輸管道內(nèi)部介質(zhì)的目的。然后用封堵器封堵住主管道，即可對(duì)主管道進(jìn)行維修和更換安裝，維修工作完成后，安裝法蘭盲板，整套施工作業(yè)完成。如圖1所示。

1—封堵器；2—封堵結(jié)合器；3—夾板閥；4—封堵頭；5—壓力平衡短節(jié)；6—維修管道；7—旁通三通；8—旁通夾板閥；9—旁通管道。

2)結(jié)合器旁通式。這一旁通管道的建立方式是基于結(jié)合器上的旁通法蘭來(lái)架設(shè)旁通管道，所以有效地節(jié)約了旁通三通的安裝成本，縮減了作業(yè)時(shí)間，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的熟練度有較高的要求。如圖2。

1—封堵器；2—封堵結(jié)合器；3—夾板閥；4—封堵頭；5—壓力平衡短節(jié)；6—維修管道。

2國(guó)內(nèi)現(xiàn)役帶壓開孔封堵器

基于不停輸帶壓開孔封堵原理研制的油氣管道封堵器，按其封堵頭的機(jī)械手段不同可分為囊式封堵器、桶式封堵器、懸掛式封堵器 3種[9]。它們?cè)诓煌r下達(dá)到的封堵效果不相同，適用情況也有差別。所以，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選用不同的封堵器，以達(dá)到最佳的封堵效果。

2.1懸掛式封堵器

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段油氣管道不停輸開孔封堵技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，懸掛式封堵器(如圖3)已得到了普遍的應(yīng)用。懸掛式封堵器的工作原理，如圖4。由封堵機(jī)將其置入開孔位置，通過封堵機(jī)將其送入帶壓管道內(nèi)轉(zhuǎn)向，利用管道介質(zhì)壓力膨脹皮碗，與管內(nèi)徑相配合，達(dá)到封堵效果。有2方面優(yōu)點(diǎn)。

1)皮碗所受管道介質(zhì)壓力較大，因此在油氣管道內(nèi)部行進(jìn)過程中能在很大程度上清理掉管道內(nèi)部的雜質(zhì)，使得懸掛式封堵器對(duì)管道清潔度要求不高。

2)其對(duì)管道介質(zhì)壓力也無(wú)限制，這極大地拓寬了懸掛式封堵器的應(yīng)用范圍，甚至可以進(jìn)行高壓封堵。

圖3　懸掛式封堵器

圖4　懸掛式封堵器封堵示意

但其也有缺點(diǎn)。使用懸掛式封堵器，首先要使管道上開出的孔與管道內(nèi)徑相等，這使得管道的強(qiáng)度受到影響，且刀具在施工中易損壞，封堵器的皮碗易被管道中的螺紋或焊縫割傷[10]。這使得懸掛式封堵器在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)封堵效果不佳甚至封堵不成功的現(xiàn)象，在很大程度上增加了施工的成本與時(shí)間。

2.2桶式封堵器

桶式封堵器如圖5。工作原理如圖6。先將整個(gè)封堵器送入到正在運(yùn)行的帶壓油氣管道，后利用這一封堵器的傳動(dòng)機(jī)械裝置使膨脹桶有效膨脹，以使桶上的皮碗與管道內(nèi)表面結(jié)合緊密，從而實(shí)現(xiàn)帶壓封堵。桶式封堵器切斷了整個(gè)運(yùn)行油氣管道，所以能夠適應(yīng)具有變形嚴(yán)重或雜質(zhì)較多等問題的管道，并且經(jīng)常能取得好的預(yù)期效果。適用壓力0～10 MPa，適應(yīng)溫度-30～260 ℃。

圖5　桶式封堵器

圖6　桶式封堵器封堵示意

由于這種封堵器需要利用四通進(jìn)行整管切除，因此耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，并且會(huì)使開孔處出現(xiàn)管道的危險(xiǎn)點(diǎn)，破壞了管道的完整性。所以不建議采用該封堵器。

2.3囊式封堵器

20世紀(jì)80年代，我國(guó)自主開發(fā)研制了第1代囊式封堵器，并取得了一定的作業(yè)效果。囊式封堵器如圖7。工作原理是先通過開孔機(jī)在運(yùn)行中的油氣管道上開孔，并且安裝好囊式封堵器，后將由高分子材料制成的氣袋送入到油氣管道內(nèi)部，并給氣袋通氣以使其膨脹，從而與油氣管道內(nèi)部結(jié)合緊密，以取得預(yù)期的封堵效果。囊式封堵器的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便和攜帶容易，但其氣袋的材質(zhì)特性在很大程度上受到油氣管道內(nèi)表面的光潔度影響，并且其只適用于小管徑、低壓力的場(chǎng)合。

圖7　囊式封堵器

管道模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純使用囊式封堵器進(jìn)行油氣封堵的效果不太理想，雖然可以勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)但可能發(fā)生失效。這是因?yàn)槟沂椒舛缕髂殷w下游的管道內(nèi)部壓力已經(jīng)降到零，所以只能靠囊體與管壁之間的摩擦力來(lái)平衡整個(gè)囊體所受的推力。但是原油能有效地對(duì)囊體的橡膠與管道內(nèi)壁之間的界面進(jìn)行潤(rùn)滑，使囊體與管壁之間摩擦因數(shù)很小，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定僅為0.05～0.07。所以囊式封堵器(無(wú)擋板)的應(yīng)用受到了很大的限制。

為有效地解決這一問題，人們對(duì)囊式封堵器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能改良，并研制成功了擋板-囊式封堵器，即DNF型管道封堵器。相比普通的囊式封堵器，DNF型管道封堵器具有更為優(yōu)良的性能。

DNF型管道封堵器的工作原理如圖8。先在待維搶修的油氣管道上下游帶壓開兩組孔，分別在下游孔和上游孔中送入能充氣脹大的密封囊體和展開后呈圓形的擋板，后上游孔中的囊體會(huì)通氣膨脹，使其外表面的橡膠與管道內(nèi)表面結(jié)合緊密，以有效阻斷管道內(nèi)部壓力介質(zhì)的流動(dòng)。同時(shí)，下游孔中的擋板會(huì)抵住囊體的后端，使得擋板承受由管道內(nèi)部壓力引起并過囊體傳遞過來(lái)的推力，這種囊體與擋板相結(jié)合的封堵技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。DNF型管道封堵器的優(yōu)點(diǎn)是管件焊接量小，封堵設(shè)備簡(jiǎn)便、開孔時(shí)間短、開孔尺寸小，省去了旁通管道并且切斷了管道內(nèi)部壓力介質(zhì)的流動(dòng)，所以在管道事故搶修作業(yè)中應(yīng)用廣泛。

圖8　DNF型封堵器封堵示意

然而，DNF型管道封堵器的開孔尺寸小這一特點(diǎn)也產(chǎn)生了一些負(fù)面影響。一方面，開孔尺寸小會(huì)直接導(dǎo)致砥柱直徑小，降低了砥柱承載力，進(jìn)而降低了封堵壓力。另一方面，開孔尺寸小也會(huì)導(dǎo)致貯囊筒內(nèi)徑小，使得囊頭在囊體收取時(shí)容易出現(xiàn)拉傷問題，從而使得維搶修作業(yè)存在安全隱患[11]。

3國(guó)內(nèi)不停輸帶壓開孔封堵器研究進(jìn)展

2008年，中國(guó)石油大學(xué)(北京)劉忠教授等[12]研制了一種新型的管道封堵器，此封堵器配有氣壓源，在送入裝置將封堵器送入目標(biāo)位置后，通過氣壓源向封堵器輸入帶壓氣體，帶壓氣體進(jìn)入封堵器內(nèi)的氣囊，使之膨脹，實(shí)現(xiàn)封堵。解壓時(shí)，只需停止輸氣即可。該封堵器不僅實(shí)現(xiàn)了雙向自解封，并可在距開孔1 m處實(shí)施封堵，增加了施工的安全性。

2008年，中國(guó)石油管道公司的劉罡對(duì)現(xiàn)役擋板-囊式管道封堵器進(jìn)行了分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的情況發(fā)現(xiàn)了一些缺點(diǎn)，并提出了改進(jìn)的方法，提高了擋板-囊式封堵器的性能[13]。

2013年，中國(guó)石油大學(xué)(北京)張仕民教授等[14]研制了一種管道雙級(jí)封堵器，該封堵器相對(duì)于傳統(tǒng)封堵器而言，實(shí)現(xiàn)了雙級(jí)封堵，前封堵皮碗還具有掃除管道中殘留切屑或者其他雜質(zhì)的功能，使后皮碗封堵效果更佳，從而實(shí)現(xiàn)一次性成功封堵。

2013年，西南石油大學(xué)劉佳良和李斌教授[15]在美國(guó)TDW公司的鏈?zhǔn)椒舛缕鞯幕A(chǔ)上研制了一種只需開兩個(gè)孔就可以實(shí)現(xiàn)封堵的新型鏈?zhǔn)焦艿婪舛缕鳌Ｔ摲舛缕魍瑯硬捎昧穗p級(jí)封堵，增加了封堵的成功率。

2014年，中國(guó)石油大學(xué)(北京)張仕民教授等[16]研制了一種球狀雙封封堵器，該封堵器采用球狀一體化設(shè)計(jì)，在封堵球中部設(shè)計(jì)有兩個(gè)密封膠筒，通過液壓缸壓縮膠筒，使之產(chǎn)生徑向膨脹，實(shí)現(xiàn)封堵。此封堵器避免了開孔刀的損壞、螺旋焊縫和管道橢圓度對(duì)封堵效果的影響。

綜上所述，我國(guó)的封堵器研究起步較晚。中國(guó)石油大學(xué)(北京)張仕民教授一直致力于管道封堵器的研究，取得了很多成果。近幾年，我國(guó)封堵器的研究發(fā)展很快，目前，中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究的封堵器取得突破進(jìn)展，封堵效果有待觀察。

4國(guó)外現(xiàn)役不停輸帶壓開孔封堵器

國(guó)外對(duì)于封堵器的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟。對(duì)于這方面研究較多的有挪威的PSI公司[17]、美國(guó)的TDW公司、Oil-States Hydro Tech公司等。

4.1FURMANITE公司Folding Plugging

FURMANITE公司的Folding Plugging封堵器在20世紀(jì)70年代就運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)操作，如圖9～10。經(jīng)過40多a的發(fā)展，技術(shù)成熟。Folding Plugging的工作原理是，皮碗折疊后通過在管道上開的小孔進(jìn)入管道，封堵器導(dǎo)向輪首先接觸到管道下部?jī)?nèi)壁，封堵器在液壓缸作用下開始邊進(jìn)入管道邊張開，當(dāng)?shù)鬃瞬康乃秸{(diào)整塊接觸到管道下部?jī)?nèi)壁后，左右折壓板同時(shí)張開，封堵器就可以對(duì)管道進(jìn)行密封。封堵器在斜拉桿作用下收緊，形成一個(gè)較小直徑的收折體，這樣封堵器就能從不等徑孔進(jìn)入管道中。這使得Folding Plugging所需的開孔直徑小，能適應(yīng)管道壁厚的變化，在大管徑封堵中有很明顯的優(yōu)勢(shì)[18]，節(jié)約成本，縮短作業(yè)時(shí)間。該公司的懸掛式封堵器最大封堵設(shè)計(jì)壓力已達(dá)12.5 MPa，實(shí)現(xiàn)了1.5倍最大封堵壓力，可作用于管徑為1 372 mm的管道[19]。

圖9　Folding Plugging封堵器

圖10　Folding Plugging封堵示意

4.2美國(guó)TDW公司Double Block and Bleed Plugging

美國(guó)TDW公司推出了STOPPLE系列(STOPPLE Train)封堵系統(tǒng)[20-21]，如圖11。該系統(tǒng)中的封堵器為鏈?zhǔn)椒舛缕鱗22]。該封堵器主要由封隔圈、鋼絲輪、封堵頭本體和導(dǎo)向輪等結(jié)構(gòu)組成。該封堵器的獨(dú)特之處在于有兩個(gè)封堵頭組成。

該封堵器的工作原理和傳統(tǒng)封堵器工作原理大致相同，它是由封隔圈和封堵頭本體在管內(nèi)形成雙級(jí)密封，不同的是，該封堵器相對(duì)于傳統(tǒng)封堵器而言只需在管道上開兩個(gè)孔就可以完成臨時(shí)旁通管線的安裝以及封堵器的下放和回收。但是傳統(tǒng)的封堵器除了在管道上開兩個(gè)孔用以完成封堵器的下落和回收外，還需多開兩個(gè)孔，用來(lái)安裝臨時(shí)旁通管線。所以該封堵器的優(yōu)點(diǎn)在于：開孔少，焊接面積減小，降低了油氣泄漏的安全隱患，降低了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備的要求，從而很大程度上降低了施工作業(yè)的成本，縮短了施工的時(shí)間；該封堵器有兩個(gè)封堵頭，可以實(shí)現(xiàn)雙封堵，而且因加入了鋼絲輪結(jié)構(gòu)，這樣在封堵器進(jìn)入管道時(shí)可以對(duì)管道進(jìn)行清污和除銹，提高了封堵能力。

圖11　Double Block and Bleed Plugging封堵器

4.3Stats Group公司BISEP

Stats Group發(fā)明了一種雙級(jí)封堵器—BISEP(Branch Installed Self-Energised Plug)。如圖12所示，該封堵器有兩個(gè)橡膠皮碗，故該封堵器有兩個(gè)封堵結(jié)構(gòu)。在開孔機(jī)開好孔后，送入機(jī)構(gòu)將BISEP送入孔內(nèi)，開啟轉(zhuǎn)動(dòng)液壓缸，封堵器頭部開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到和送入機(jī)構(gòu)垂直時(shí)，開啟封堵液壓缸，壓縮橡膠，實(shí)現(xiàn)封堵(如圖13)。封堵器頭部有液壓系統(tǒng)，可以控制兩個(gè)橡膠皮碗進(jìn)而實(shí)現(xiàn)封堵。因?yàn)樵摲舛缕饔袃蓚€(gè)封堵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙級(jí)封堵，很大程度上提高了封堵成功率[23]。目前該封堵器能封堵的最大管徑為914 mm，最大封堵壓力為15 MPa。

圖12　BISEP封堵器結(jié)構(gòu)示意

圖13　BISEP封堵成功示意

5結(jié)論

1)隨著油氣管道不停輸帶壓開孔封堵技術(shù)的不斷發(fā)展，需加強(qiáng)對(duì)封堵器的研究，以保證工作的安全性和可靠性。本文綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，以幫助學(xué)者做更進(jìn)一步的研究。

2)近年來(lái)，油氣管道封堵器在管道維搶修中得到了很好的應(yīng)用，降低了在維修管道中造成的經(jīng)濟(jì)損失。雖然國(guó)內(nèi)封堵器的研究發(fā)展迅速，但是與國(guó)外相比仍有很大差距，還需要不斷改進(jìn)提高其水平。

3)油氣管道的研究方向?yàn)椋褐悄芑?，?shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)和封堵器的智能控制，提高封堵效率，控制封堵風(fēng)險(xiǎn)；快捷化，油氣管道維搶修時(shí)間越久，經(jīng)濟(jì)損失越嚴(yán)重，快捷實(shí)現(xiàn)油氣管道的封堵，可以減少經(jīng)濟(jì)損失。

4)未來(lái)我國(guó)管道里程將不斷增加，新建管道的特點(diǎn)是：長(zhǎng)距離、大口徑、高壓力和高流量，而且隨著南海的深水油氣資源開發(fā)，對(duì)于封堵器的需求和要求也會(huì)相應(yīng)提高。但是，我國(guó)現(xiàn)役的封堵器不能滿足海洋油氣管道封堵作業(yè)要求。很有必要加強(qiáng)對(duì)其研究，以提高效率，保證安全性。

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文章編號(hào)：1001-3482(2016)07-0090-06

收稿日期：①2016-01-05

作者簡(jiǎn)介：譚凱文(1992-)，男，四川瀘州人，碩士研究生，主要從事石油與天然氣裝備設(shè)計(jì)研究，E-mail：349461391@qq.com。

中圖分類號(hào)：TE973

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.021

Research Progress of Plugging Device in Holing and Sealing on Non-stop Pressured Transportation Gas/Oil Pipeline

TAN Kaiwen，ZHANG Xun

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum-Beijing，Beijing102249，China)

Abstract：Once leakage and other accidents happen，it should be maintained and repaired timely.Holing and sealing on non-stop pressured transportation technology is a significant method for the dimensional repair of gas/oil pipeline，and plugging device is a key component of the technology.The domestic and foreign research progress on the technology is reviewed.The advantages and disadvantages of existed plugging device are analyzed.The results show that there is still a gap between domestic and foreign，but domestic technology has made great progress.Further research orientation on the plugging device in holing and sealing on non-stop pressured transportation gas/oil pipeline is summarized as intelligence and high-speediness.

Keywords：pipeline maintenance；plugging device；study progress