李熠辰 王志方 劉 杰 馬 劍

1.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；2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司, 上海 200122；3.四川德源石油天然氣工程有限公司, 四川 成都 610041；4.北京華油國(guó)際物流工程服務(wù)有限公司, 北京 100010

0 前言

為了防止站外埋地管道陰極保護(hù)電流非正常流失,通常在長(zhǎng)輸天然氣管道沿線站場(chǎng)進(jìn)、出站安裝了絕緣接頭。絕緣接頭由于裝配不合格、密封圈與密封槽的契合度不夠、密封圈老化等原因,或受外力作用密封圈發(fā)生位移,導(dǎo)致密封失效[1-8],泄漏點(diǎn)通常在對(duì)接點(diǎn)端面絕緣填料處。與干線相連的絕緣接頭一旦發(fā)生泄漏,進(jìn)行停輸處置對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行影響較大。通過對(duì)絕緣接頭結(jié)構(gòu)分析,提出了在線堵漏的搶修方法。對(duì)于滲漏的情況,可采用復(fù)合材料包敷的方法進(jìn)行在線堵漏搶修；對(duì)于泄漏量無(wú)法實(shí)施引流的情況,通過吹掃在滿足卡具安裝的條件下,可采用卡具堵漏的搶修方法。

1 絕緣接頭結(jié)構(gòu)

絕緣接頭是目前長(zhǎng)輸天然氣管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分,結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。絕緣接頭通常包括一對(duì)鋼質(zhì)凸緣法蘭、勾圈、兩法蘭間及法蘭與勾圈間的絕緣密封件[9],絕緣零件以及與法蘭小端面分別相焊的一對(duì)鋼質(zhì)短管。絕緣接頭不僅具備埋地鋼質(zhì)管道要求的密封性能和強(qiáng)度性能等,還具備電化學(xué)保護(hù)要求的電絕緣性能和耐擊穿性能。在絕緣接頭的左凸緣法蘭、右凸緣法蘭和勾圈之間,夾有絕緣密封件和密封圈,形成具有絕緣性能的密封結(jié)構(gòu)。勾圈采用坡口焊接形式,將絕緣件和左凸緣法蘭、右凸緣法蘭固封在里面,形成“密封容器”,從而既保證了良好的絕緣效果,又提高了絕緣結(jié)構(gòu)的承壓能力。

圖1 絕緣接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 絕緣接頭泄漏分析

為了防止站外埋地管道陰極保護(hù)電流非正常流失,通常在長(zhǎng)輸天然氣管道沿線工藝站場(chǎng)的進(jìn)、出口處和閥室放空閥后的管道上安裝絕緣接頭。與干線相連的絕緣接頭一旦發(fā)生泄漏,將影響干線的運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)需要截?cái)喾趴者M(jìn)行處置,造成天然氣放空損失。

通過多年來(lái)國(guó)內(nèi)天然氣管道絕緣接頭發(fā)生泄漏的案例和絕緣接頭的結(jié)構(gòu)分析,絕緣接頭發(fā)生泄漏的原因通常有兩種：一是絕緣接頭自身原因,如裝配不合格、密封圈與密封槽的契合度不夠、密封圈老化等[10]；二是絕緣接頭受外力作用,密封圈發(fā)生了位移,導(dǎo)致密封失效。泄漏點(diǎn)通常在對(duì)接點(diǎn)端面絕緣填料處,泄漏點(diǎn)位置見圖2。

圖2 絕緣接頭泄漏點(diǎn)示意圖

3 絕緣接頭泄漏在線搶修方法

3.1 滲漏的搶修方法

對(duì)于絕緣接頭對(duì)接點(diǎn)端面絕緣填料處滲漏的情況,可采用復(fù)合材料包敷的方法進(jìn)行在線堵漏搶修。復(fù)合材料包敷堵漏方法是在引流的情況下,利用復(fù)合材料和高強(qiáng)度填料對(duì)絕緣接頭進(jìn)行整體包敷,待復(fù)合材料和填料完全固化后注入柔性密封劑進(jìn)行堵漏密封,復(fù)合材料和高強(qiáng)度填料通過受力分析,其強(qiáng)度完全滿足工藝要求。

復(fù)合材料包敷堵漏方法的實(shí)施過程如下：

1)表面處理。對(duì)絕緣接頭進(jìn)行表面打磨處理,使其表面光潔,達(dá)到ST 3標(biāo)準(zhǔn)；從對(duì)接點(diǎn)端面剔除20 mm絕緣接頭勾圈與右凸緣法蘭之間的絕緣填料。

2)填充密封劑。在滲漏面處,靠近絕緣接頭一側(cè)接縫處纏繞玻璃纖維,形成注膠嘴夾具支架的固定層,同時(shí)將夾具支架與右凸緣法蘭隔離絕緣；在玻璃纖維固定層和滲漏面之間預(yù)埋密封劑,填實(shí)滲漏面。密封劑必須要填實(shí)、平緩,以便下一步安裝注膠嘴夾具支架時(shí)能夠充分地接觸,避免出現(xiàn)空洞。

3)安裝注膠嘴。將注膠嘴夾具支架與預(yù)埋密封劑貼實(shí),并緊靠絕緣接頭,另一側(cè)與夾具固定層搭接。將夾具開口兩端進(jìn)行連接,并用螺絲將其固定；預(yù)埋密封劑,通過注膠嘴引流滲漏的天然氣。

4)對(duì)注膠嘴進(jìn)行加固。檢測(cè)絕緣接頭絕緣性能,若不滿足要求調(diào)整注膠嘴支架,直至滿足要求后,用玻璃纖維絲對(duì)其加固。

5)第一次加固填充。制作安裝套筒模具,根據(jù)絕緣頭的大小制作選擇相應(yīng)的套筒模具,模具外徑與絕緣接頭外徑一致,在管道一側(cè)模具制作成錐形。用卡箍將模具固定在絕緣頭上,在12點(diǎn)鐘位置預(yù)留灌注口和排氣孔；灌注高強(qiáng)度填料,填料基本固化后,取下套筒模具,并對(duì)其表面進(jìn)行處理。

6)第一次外加強(qiáng)層加固。用高強(qiáng)度玻璃纖維布將高強(qiáng)填料層整體纏繞,包括管道一側(cè)的錐面,與絕緣接頭處搭接不低于10 cm；使用碳纖維布對(duì)整體進(jìn)行對(duì)位纏繞,在絕緣接頭與高強(qiáng)填料層相交處、原位無(wú)位移纏繞。

7)第二次加固填充。根據(jù)絕緣頭的大小制作選擇相應(yīng)的套筒模具,模具外徑比絕緣接頭外徑高5 cm,在模具兩側(cè)制作成錐形。用卡箍將模具固定在絕緣接頭上,在12點(diǎn)鐘位置預(yù)留灌注口和排氣孔；灌注高強(qiáng)度填料,填料基本固化后,取下套筒模具,并對(duì)其表面進(jìn)行處理。

8)第二次外加強(qiáng)層加固。首先用高強(qiáng)度玻璃纖維布將高強(qiáng)填料層整體纏繞2層,與絕緣接頭處搭接不低于10 cm；使用碳纖維布對(duì)整體進(jìn)行對(duì)位纏繞；然后,在絕緣接頭與高強(qiáng)填料層相交處、原位無(wú)位移纏繞2層。

9)待補(bǔ)強(qiáng)層完全固化后注入密封劑。待完全固化后,往注膠嘴內(nèi)分階段注入柔性密封劑,先從不是引流氣體出入的注膠嘴內(nèi)注入,最后再?gòu)挠袣怏w引流作用的注膠嘴注入密封劑。注入密封劑完成后,使用封堵螺栓將注膠嘴封堵。

整體堵漏結(jié)構(gòu)示意圖見圖3,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)完成后效果見圖4。

圖3 整體堵漏結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 作業(yè)完成后效果

第一道密封高性能柔性密封劑,第二道密封為第一次高強(qiáng)度填料和內(nèi)加強(qiáng)層,第三道密封為第二次高強(qiáng)度填料和外加強(qiáng)層。

作業(yè)完成后進(jìn)行滲漏檢測(cè),特別是注膠嘴和高強(qiáng)度填充層與管道連接面處；再次檢測(cè)絕緣接頭的絕緣性能是否滿足要求。復(fù)合材料包敷堵漏有效壽命主要取決于碳纖維布,有效壽命20年,安裝在地面上壽命超過20年。

3.2 中小型泄漏的搶修方法

對(duì)于絕緣接頭對(duì)接點(diǎn)端面絕緣填料處泄漏量無(wú)法實(shí)施引流和復(fù)合材料包敷的情況下,通過風(fēng)機(jī)吹掃在滿足卡具安裝的條件下,可采用卡具堵漏的搶修方法。卡具結(jié)構(gòu)見圖5,通過卡具軸向螺栓受力分析和計(jì)算滿足強(qiáng)度要求,卡具通過橡膠密封圈、密封膠和纖維絕緣盤根進(jìn)行密封堵漏。

圖5 卡具結(jié)構(gòu)圖

卡具堵漏方法的實(shí)施過程如下：

1)防腐層清除及表面預(yù)處理。除去絕緣接頭兩側(cè)的防腐層(環(huán)面積為80 mm×管道周長(zhǎng)),應(yīng)使管體完全裸露；清理、平整泄漏處端面凸出的絕緣填料。

2)夾具安裝及密封。在夾具安裝前對(duì)夾具關(guān)鍵部位使用機(jī)械噴砂工具進(jìn)行Sa 2.5級(jí)粗糙度的處理；將纖維絕緣盤根裝入夾具絕緣槽內(nèi),并將纖維配合密封樹脂覆蓋于密封夾具耳板表面；將橡膠密封圈放于絕緣接頭處,貼合于漏點(diǎn)；檢查管道的橢圓情況,將密封夾具上半部扣合在管道泄漏點(diǎn),再吊起下半部分,用螺栓穿過夾具耳板,適當(dāng)預(yù)緊至兩側(cè)合攏；用拉緊螺桿將兩套夾具連接起來(lái),分別緊固夾具耳板兩側(cè)螺絲和夾具正上、下方螺絲并鎖緊到位,螺絲緊固受力均勻；將兩套夾具的扣合螺母鎖緊到位,雙螺帽鎖緊螺絲后,在夾具耳板注膠孔處注入密封膠,卡具堵漏結(jié)構(gòu)示意圖見圖6；檢查第一道密封及絕緣效果；向密封夾具內(nèi)注入密封膠,進(jìn)行第二道密封；檢查第二道密封及絕緣效果；在密封夾具兩端面特定開槽部位進(jìn)行纖維復(fù)合材料纏繞,實(shí)施第三道密封操作；待整個(gè)復(fù)合密封材料基本固化后,再次檢測(cè)確認(rèn)密封及絕緣效果。

圖6 卡具堵漏結(jié)構(gòu)示意圖

第一道密封卡具和橡膠密封圈,第二道密封高壓力下注入密封膠,第三道密封纖維絕緣盤根。

卡具堵漏搶修有效壽命主要取決于橡膠密封圈和纖維復(fù)合材料壽命,但是卡具安裝后已與空氣隔離,避免了橡膠密封圈老化,纖維復(fù)合材料壽命一般超過20年。

3.3 中大型泄漏的搶修方法

對(duì)于絕緣接頭對(duì)接點(diǎn)端面絕緣填料處泄漏量較大,泄漏氣體為柱狀、噴射狀或伴有嘯叫聲,通過工藝調(diào)整泄漏量變化不大或無(wú)法實(shí)施工藝調(diào)整的,則采用隔離放空、氮?dú)庵脫Q、更換的搶修方法。對(duì)于站場(chǎng)與管道陰極保護(hù)聯(lián)保的情況,絕緣接頭已失去絕緣性能,除了選用更換的搶修方法外也可選擇補(bǔ)焊的方式進(jìn)行處置[11]。

4 實(shí)施案例

4.1 西一線無(wú)錫站絕緣接頭在線堵漏

2017年2月8日西一線東段無(wú)錫分輸站進(jìn)站絕緣接頭發(fā)生滲漏,管徑DN 400,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,與干線相連,停輸更換對(duì)無(wú)錫分輸站下游管網(wǎng)運(yùn)行影響較大,由此確定采用復(fù)合材料包敷的方式進(jìn)行處置，現(xiàn)場(chǎng)滲漏情況見圖7。2月11日,對(duì)進(jìn)站絕緣接頭進(jìn)行了打磨、表面處理、底層纖維布的纏繞、注膠嘴夾具支架的安裝,注膠嘴夾具支架安裝見圖8。2月13日完成第一次補(bǔ)強(qiáng)模具的安裝、高強(qiáng)度填充料灌注,補(bǔ)強(qiáng)模具拆卸后的效果見圖9。2月14日完成第一次填充面包敷,包敷后效果見圖10。2月15日完成第二次高強(qiáng)填充料灌注和玻璃纖維、碳纖維包敷。2月17日完成填充料固化,并灌注柔性密封劑。密封劑灌注后通過7 d觀察,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)滲漏,通過測(cè)量絕緣接頭電位差絕緣性能完成,恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖7 滲漏情況

圖8 注膠嘴夾具支架安裝

圖9 第一次加固填充后效果

圖10 第一次外加強(qiáng)層加固

4.2 中貴線銅梁站絕緣接頭在線堵漏

2015年10月中貴線銅梁站進(jìn)站絕緣接頭發(fā)生泄漏,管徑DN 600,設(shè)計(jì)壓力10 MPa,由于泄漏量無(wú)法實(shí)施復(fù)合材料包敷,并且銅梁站與相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)相連,正在進(jìn)行入冬前的注空氣作業(yè),運(yùn)行壓力較大,為了避免停輸造成的影響,確定采用卡具在線堵漏的方法。卡具安裝堵漏后通過1年多的運(yùn)行觀察無(wú)泄漏,絕緣接頭絕緣性能完成。

5 結(jié)論

天然氣管道絕緣接頭失效，通過對(duì)絕緣接頭結(jié)構(gòu)分析,研究在線堵漏的搶修方法。對(duì)于滲漏的情況,可采用復(fù)合材料包敷的方法進(jìn)行在線堵漏搶修；對(duì)于泄漏量無(wú)法實(shí)施引流和復(fù)合材料包敷的情況下,通過吹掃在滿足卡具安裝的條件下,可采用卡具堵漏的搶修方法。通過2017年2月西一線東段無(wú)錫分輸站進(jìn)站絕緣接頭復(fù)合材料包敷堵漏和2015年10月中貴線銅梁站進(jìn)站絕緣接頭卡具堵漏的實(shí)施案例,進(jìn)一步驗(yàn)證了搶修方法的應(yīng)用有效。

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