上海煤氣第二管線工程有限公司　戴　斌

帶壓密封技術(shù)在次高壓管線法蘭泄漏修復(fù)應(yīng)用分析

上海煤氣第二管線工程有限公司戴斌

對(duì)于高/次高壓門(mén)站法蘭泄漏采用常規(guī)帶壓動(dòng)火焊接堵漏技術(shù)一般需要停輸作業(yè)且存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，而采用注劑式帶壓密封技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在不停輸、不泄壓、不動(dòng)火的情況下修復(fù)系統(tǒng)泄露部位。文章以上海市天然氣管網(wǎng)某連續(xù)運(yùn)行次高壓門(mén)站法蘭泄漏采用注劑式帶壓密封技術(shù)修復(fù)實(shí)際工程為案例，對(duì)注劑式帶壓密封技術(shù)關(guān)鍵部件法蘭夾具的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法、密封劑材料選擇、注劑順序以及注劑式帶壓密封技術(shù)施工工藝進(jìn)行總結(jié)，為快速、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的處理法蘭泄漏事件提供參考。

法蘭泄漏帶壓密封夾具密封劑

1　技術(shù)原理及特點(diǎn)

注劑式帶壓密封技術(shù)是泄漏管道及設(shè)備在帶壓條件下，在泄漏部位建立一個(gè)密閉空腔，用高壓注射槍將能耐泄漏介質(zhì)腐蝕和溫度的密封劑注入并充滿整個(gè)空腔，使其具有足夠密封比壓，以堵塞泄漏孔腔和通道，并保證足夠長(zhǎng)時(shí)間保持泄漏消除的密封技術(shù)。注劑式帶壓密封工程施工器具由液壓油泵(手動(dòng)/電動(dòng))、壓力表、高壓膠管、注劑槍、快裝接頭、特制夾具及其他輔助工具組成。注劑式帶壓密封法示意見(jiàn)圖1。

圖1　注劑式帶壓密封法示意

該技術(shù)適用壓力范圍：真空~32 MPa；溫度范圍：－198~800 ℃。此技術(shù)基本特點(diǎn)：適用介質(zhì)種類(lèi)多，適用溫度和壓力范圍廣，封堵操作簡(jiǎn)便，修復(fù)過(guò)程中不需動(dòng)火作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)不停輸、不泄壓條件下施工，對(duì)易燃易爆廠區(qū)使用優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2　夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

2.1夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾具與泄漏部位外表面組成的密閉空腔，有嚴(yán)格密封間隙要求，是決定注劑式帶壓密封技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵因素，因此夾具設(shè)計(jì)及加工優(yōu)劣對(duì)此技術(shù)能否成功實(shí)施至關(guān)重要。夾具本體由母板、端板、耳板焊接而成，在母板上開(kāi)設(shè)帶內(nèi)螺紋的注劑孔，用來(lái)連接注劑閥，堵漏時(shí)從注劑孔向密封空腔內(nèi)注入密封劑從而達(dá)到堵漏目的。

制造夾具所用金屬材料應(yīng)滿足使用強(qiáng)度和剛度要求，在使用過(guò)程中不應(yīng)出現(xiàn)塑性變形，注劑空腔最優(yōu)設(shè)計(jì)原則是以最少密封劑用量實(shí)現(xiàn)有效封堵。除此，夾具應(yīng)與泄漏點(diǎn)相吻合，上下兩部分接觸面應(yīng)設(shè)計(jì)成凸臺(tái)形式，并應(yīng)保證密封間隙和密封要求，法蘭夾具注劑孔數(shù)應(yīng)等于法蘭副連接螺栓個(gè)數(shù)?！冻袎涸O(shè)備帶壓密封夾具技術(shù)規(guī)范》(GB/T 26467—2011)對(duì)夾具吻合間隙規(guī)定，如表1所示。

表1　夾具與泄露部位吻合間隙

2.2夾具設(shè)計(jì)計(jì)算方法

法蘭夾具根據(jù)實(shí)際工程情況，按照《帶壓密封技術(shù)規(guī)范》(HG/T 20201—2007)提供公式計(jì)算。

圖2　法蘭夾具受力示意

(1)當(dāng)法蘭外直徑D＜500 mm時(shí)，且為二等剖分夾具時(shí)，法蘭夾具計(jì)算厚度S(如圖2所示)，按下式計(jì)算：

式中：S——夾具計(jì)算厚度，mm；

D——泄漏法蘭外直徑，mm；C——夾具封閉空腔寬度，mm；P——夾具設(shè)計(jì)壓力，MPa，夾具設(shè)計(jì)壓力P修正為：P=PL+5 MPa；

PL——泄漏介質(zhì)系統(tǒng)工作壓力，MPa；

[σ]t——泄漏介質(zhì)工作溫度下夾具材料的許用應(yīng)力，MPa；

B——夾具寬度，mm。(2)法蘭夾具連接螺栓計(jì)算。法蘭夾具連接螺栓的最小直徑d1，按下式計(jì)算：

式中：d1——螺栓計(jì)算最小直徑，mm；

CK——預(yù)緊和剛性系數(shù)，CK=1.5；

C——夾具密封空腔寬度，mm；

P——夾具設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——泄漏法蘭外直徑，mm；

n——連接螺栓數(shù)量；

[σ]t——泄漏介質(zhì)工作溫度下夾具材料的許用應(yīng)力，MPa。

圖3　法蘭夾具螺栓連接耳板結(jié)構(gòu)

(3)當(dāng)法蘭夾具為四個(gè)連接螺栓(如圖3所示)時(shí)，法蘭夾具連接耳板的厚度t，按下式計(jì)算：

式中：t——夾具耳板厚度，mm；

C——夾具封閉空腔寬度，mm，C=1.5；

L2——耳板雙螺栓孔中心線至法蘭夾具外側(cè)面的距離，mm；

P——夾具設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D——泄漏法蘭外直徑，mm；

a——夾具耳板寬度，mm；

b——夾具耳板長(zhǎng)度，mm；

[σ]t——泄漏介質(zhì)工作溫度下夾具材料的許用應(yīng)力，MPa。

3　工程實(shí)例

3.1工程簡(jiǎn)介

本工程高高壓門(mén)站管道為一進(jìn)兩出結(jié)構(gòu)，一路調(diào)壓至次高壓0.8 MPa，以最大流量50 000 m3/h輸入高中壓門(mén)站；另一路調(diào)壓至0.4 MPa，以最大流量30 000 m3/h輸出。該門(mén)站具有接收、加臭、調(diào)壓、分輸、熱值分析和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?。門(mén)站工藝流程，如圖4所示。

圖4　門(mén)站工藝流程

3.2現(xiàn)場(chǎng)泄漏介質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)

在使用夾具注劑式帶壓密封前，要對(duì)泄漏部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)?？睖y(cè)內(nèi)容包括幾何參數(shù)有泄漏管段直徑、彎管的半徑、泄漏面積、螺栓數(shù)量和管道壁厚等；理化參數(shù)有泄漏介質(zhì)的溫度、泄漏介質(zhì)的壓力、泄漏介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)如腐蝕性和環(huán)境溫度等。

圖5　工程典型泄漏點(diǎn)1標(biāo)注

圖6　工程典型泄漏點(diǎn)2標(biāo)注

圖7　工程典型泄漏點(diǎn)3標(biāo)注

3.3泄漏分析及修復(fù)方法選擇

本站于2003年12月20日正式投產(chǎn)運(yùn)行，截止2014年底已連續(xù)不間斷運(yùn)行11周年，在這期間管道內(nèi)介質(zhì)與外界環(huán)境溫差變化大，尤其冬季由于系統(tǒng)絕熱膨脹消耗體系能量而引發(fā)泄漏部位結(jié)霜，管道表面及泄漏點(diǎn)溫度0 ℃以下，遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，法蘭連接處長(zhǎng)期受熱脹冷縮影響，加之設(shè)備部件老化、防腐層破損和腐蝕嚴(yán)重等原因引發(fā)法蘭接口泄漏?，F(xiàn)場(chǎng)泄漏點(diǎn)：DN300法蘭泄漏3處，DN200法蘭泄漏2處，DN100法蘭泄漏6處(其中兩處泄露點(diǎn)最高工作壓力1.6 MPa，兩處0.4 MPa，其他均為0.8 MPa)，工程典型位置泄漏點(diǎn)標(biāo)注，如圖5~圖7所示。專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員結(jié)合泄漏點(diǎn)實(shí)際情況決定采取法蘭夾具注劑堵漏方法，快速消除泄漏。

3.4夾具設(shè)計(jì)制作

鋼質(zhì)天然氣管道帶壓密封堵漏常用夾具材料為Q235，高溫或強(qiáng)腐蝕介質(zhì)選用0Cr18Ni9，低溫用16MnDR或0Cr18Ni9?？紤]本工程為天然氣系統(tǒng)泄漏，同時(shí)考慮介質(zhì)的工作溫度范圍，本工程選用Q235A作為夾具加工材料，本材料鋼板許用壓力，如表3所示。

表3　Q235A鋼板許用應(yīng)力

鑒于法蘭形式和泄漏位置不同，為方便在有限作業(yè)空間內(nèi)施工，本工程設(shè)計(jì)兩種不同夾具：注劑快接頭與管道軸向垂直注劑式夾具，注劑快接頭與管道軸向平行側(cè)面注劑及管道軸向垂直注劑混合式注劑夾具。本工程夾具采用整體切割成型或焊接組合方法成型，并用機(jī)床進(jìn)行精細(xì)加工，加工精度為IT10~IT11之間。

3.4.1計(jì)算夾具尺寸

以典型泄漏點(diǎn)3(圖7所示)為例，對(duì)管道口徑為DN300法蘭夾具具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，夾具制作選用材料Q235A，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得法蘭為標(biāo)準(zhǔn)外直徑D=415mm，管道內(nèi)天然氣運(yùn)行壓力0.4 MPa，工作溫度0℃，因此法蘭夾具設(shè)計(jì)壓力P=5+0.4=5.4 MPa，由表3查得許用壓力[σ]t為113 MPa，設(shè)計(jì)夾具連接螺栓數(shù)量n=4，夾具寬度B=15 mm，夾具封閉空腔寬度C=5 mm，耳板雙螺栓孔中心線至法蘭夾具外側(cè)面的距離L2=10 mm，夾具耳板設(shè)計(jì)寬度a=20 mm。

按式(1)計(jì)算法蘭夾具厚度S：

向上圓整取S=52 mm。

按式(2)計(jì)算法蘭夾具連接螺栓最小直徑d1：

根據(jù)d1查取《普通螺紋 直徑與螺距系列》(GB/T 193—2003)選用M8螺栓。

按式(3)計(jì)算法蘭夾具連接耳板厚度t：

向上圓整取t=13 mm。

3.4.2布孔設(shè)計(jì)

環(huán)向注劑孔理想情況為沿夾具空腔軸向?qū)ΨQ(chēng)布置，但是靠近耳板處的注劑孔在安裝注劑閥時(shí)與耳板和連接螺栓螺母發(fā)生空間干涉，因此需要遠(yuǎn)離耳板方向進(jìn)行環(huán)向移動(dòng)。移動(dòng)距離在保證順利注劑條件下越小越好，這樣可使注劑填充率最高。具體移動(dòng)距離與耳板厚度、螺栓及相應(yīng)螺母規(guī)格和注劑閥尺寸相關(guān)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行校核。

根據(jù)規(guī)范《帶壓密封技術(shù)規(guī)范》(HG/T 20201—2007)規(guī)定，對(duì)于法蘭夾具設(shè)計(jì)的注劑孔數(shù)應(yīng)等于法蘭副連接螺栓個(gè)數(shù)，泄露點(diǎn)3處原法蘭副連接螺栓個(gè)數(shù)為12個(gè)，因此本設(shè)計(jì)注劑孔數(shù)n=12，夾具設(shè)計(jì)模型見(jiàn)圖8。

圖8　夾具設(shè)計(jì)模型示意

3.5注劑材料選擇

密封注劑材料根據(jù)泄漏介質(zhì)、泄漏系統(tǒng)溫度、泄漏壓力選取，密封注劑直徑宜為18~25 mm，長(zhǎng)度宜為60~100 mm，且為棒狀固體。本工程選用的JNL1241型號(hào)注劑屬于進(jìn)口填充型注劑，此注劑耐低溫且不與天然氣發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，具體特性及適用條件如表4所示。

表4　JNL1241特性及適用條件

3.6注劑順序

(1)單點(diǎn)泄漏應(yīng)從距離泄漏點(diǎn)最遠(yuǎn)端的注劑孔開(kāi)始注劑；

(2)當(dāng)泄漏缺陷尺寸較大或多點(diǎn)泄漏時(shí)，從泄漏點(diǎn)兩側(cè)開(kāi)始注劑；

(3)從第二注入點(diǎn)開(kāi)始，要在泄漏點(diǎn)兩側(cè)交叉注入，最后對(duì)主泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)注劑孔注劑，直至消除泄漏。

3.7注劑壓力

本工程手動(dòng)注劑器具的最大注劑壓力可達(dá)到60.0 MPa，一般管線帶壓堵漏，在管道自身耐壓條件允許下，注劑壓力(指注劑槍壓力表顯示壓力)控制在30.0~40.0 MPa屬安全范圍。

注劑壓力是流動(dòng)性能的表現(xiàn)形式，本身與堵漏質(zhì)量沒(méi)有直接關(guān)系，但過(guò)大注劑壓力經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致注劑還沒(méi)填滿整個(gè)密封腔，已從其他注劑孔擠出，這時(shí)會(huì)造成作業(yè)人員誤認(rèn)為是密封腔已填充滿注劑，而停止注劑，影響施工質(zhì)量。因此，注劑壓力不應(yīng)盲目求大，注劑壓力的大小應(yīng)根據(jù)注劑的固化性及流動(dòng)性選擇，流動(dòng)性差的注劑，可選擇較大的注劑壓力，有些注劑流動(dòng)性差，但稍微經(jīng)過(guò)預(yù)熱(可通過(guò)預(yù)熱高壓注劑槍來(lái)實(shí)現(xiàn))，流動(dòng)性能可大大增強(qiáng)，此時(shí)，只需較小的注劑壓力就可滿足注劑要求。此外，在管壁上用夾具帶壓堵漏時(shí)，注劑壓力的選擇也應(yīng)考慮管道材質(zhì)的耐壓等級(jí)、管道內(nèi)介質(zhì)壓力等因素，避免管壁因受注劑壓力導(dǎo)致變形破壞。

3.8工藝流程

工藝流程圖，見(jiàn)圖9。

圖9　注劑式帶壓密封技術(shù)工藝流程

3.9注意事項(xiàng)

(1)作業(yè)人員穿戴好防護(hù)用品，從上風(fēng)方向靠近泄漏點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)事先布置滅火器等消防設(shè)備及安全疏散通道；

(2)在每個(gè)夾具注劑孔上裝配好注劑閥，旋塞處于開(kāi)啟位置，再安裝夾具；

(3)注劑操作人員應(yīng)站在注劑槍的旁側(cè)操作，裝卸注劑槍和向料劑腔添加密封注劑必須先關(guān)閉注劑閥；

(4)在注劑槍的料劑腔加入密封注劑，經(jīng)壓泵頂壓后，方可打開(kāi)注劑閥注入；

(5)注入密封注劑施壓過(guò)程應(yīng)勻速平穩(wěn)，注意推進(jìn)速度與密封注劑固化時(shí)間協(xié)調(diào)，要嚴(yán)格控制注劑壓力，避免不必要的超壓，防止把密封注劑注入到泄漏系統(tǒng)中；

(6)完成順序注入后要進(jìn)行補(bǔ)注壓緊，防止產(chǎn)生應(yīng)力松弛，確保密封效果長(zhǎng)期穩(wěn)定，堵漏后就地用天然氣泄漏檢測(cè)儀及肥皂水檢測(cè)有無(wú)泄漏部位，同時(shí)應(yīng)在額定運(yùn)行工況下保壓30分鐘無(wú)泄漏，初判修復(fù)合格；

(7)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對(duì)堵漏點(diǎn)定期回訪檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)到的泄漏點(diǎn)進(jìn)行二次修復(fù)直至合格，達(dá)到養(yǎng)護(hù)期拆除快接接頭，用螺栓堵塞注劑孔，交工驗(yàn)收(施工現(xiàn)場(chǎng)圖像資料，如圖10所示)。

圖10　施工現(xiàn)場(chǎng)圖像資料

4　結(jié)語(yǔ)

注劑式帶壓密封技術(shù)在化工領(lǐng)域已多次成功實(shí)踐，但在上海市天然氣管網(wǎng)高/次高壓門(mén)站法蘭泄漏修復(fù)中尚屬于一項(xiàng)新技術(shù)。

本工程通過(guò)利用注劑式帶壓密封技術(shù)在場(chǎng)站不停輸工況下成功修復(fù)不同壓力、不同管徑法蘭泄露點(diǎn)11處，其中DN300法蘭泄漏點(diǎn)3處，DN200法蘭泄漏點(diǎn)2處，DN100法蘭泄漏點(diǎn)6處。通過(guò)此次工程實(shí)踐驗(yàn)證：采用注劑式帶壓密封技術(shù)不僅成功避免了常規(guī)停輸修復(fù)可能造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，而且此技術(shù)具有應(yīng)用壓力范圍廣、無(wú)需動(dòng)火、操作簡(jiǎn)單、安全性高、堵漏效果顯著等特點(diǎn)，在天然氣管道法蘭泄露修復(fù)過(guò)程中優(yōu)勢(shì)顯著且適用性強(qiáng)，適合在上海市天然氣管道及附屬設(shè)備泄露修復(fù)工程中推廣應(yīng)用。

同時(shí)，在工程實(shí)踐中技術(shù)人員也發(fā)現(xiàn)此技術(shù)在應(yīng)用中存在的局限性，由于密封劑本身特點(diǎn)或出于某一特定應(yīng)用，堵漏實(shí)施完畢后使用壽命存在不確定性。在作業(yè)完成后，保修期內(nèi)，作業(yè)人員需對(duì)堵漏點(diǎn)進(jìn)行不定期回訪檢查，并對(duì)可能存在的二次露點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充注劑以防止產(chǎn)生應(yīng)力松弛，確保密封效果長(zhǎng)期穩(wěn)定。目前此技術(shù)市場(chǎng)施工保修期為6~12個(gè)月，因此保修期過(guò)后堵漏點(diǎn)的情況將存在不可預(yù)知性，對(duì)用戶而言仍是不能徹底消除的隱患，故此技術(shù)只適合作為不停輸工況下的一種緊急處置方案進(jìn)行推廣應(yīng)用。針對(duì)此技術(shù)應(yīng)用存在的局限性，在工程實(shí)踐中技術(shù)人員應(yīng)不斷完善和改進(jìn)，同時(shí)尋求更多適用于天然氣管道系統(tǒng)泄漏長(zhǎng)期穩(wěn)定修復(fù)的新技術(shù)。

Application of on-line Sealing Technology in Flange Leakage of Sub-Pressure Gas Network

Shanghai Municipal Gas No.2 Pipelines Engineering Co., Ltd.Dai Bin

For high/sub-high pressure natural gas station, it is a great security concern to stop operating and use the conventional welding technology to repair the flange leakage. However, On-line sealing technology can be used to repair the leakage without stopping operating, reducing pressure, and hot-work. Taking the actual engineering of a continuous sub-high pressure nature gas station in Shanghai, this paper introduces the methods of on-line sealing technology and the proper choice of injecting sealant, summarizes the whole application process, gives us a good reference to deal with flange leakage in a rapid, safe, green and economic way.

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