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        維搶修液壓封堵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與現(xiàn)場應(yīng)用

        2022-08-05 01:42:16趙麗爽姜修才
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年8期

        趙 明 趙麗爽 姜修才

        (1.中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司,河北 廊坊 065001;2.中國石油管道局工程有限公司管道學(xué)院,河北 廊坊 065000)

        0 引言

        封堵器是油氣管道維搶修作業(yè)中使用的最重要的設(shè)備之一,其主要作用是通過臨時截斷油氣流,對受損管道進(jìn)行搶修。國內(nèi)現(xiàn)有封堵器已經(jīng)使用多年,雖然可以滿足現(xiàn)場施工的使用要求,但是其結(jié)構(gòu)和功能都存在若干問題,給維搶修施工帶來了很大困難和安全隱患。

        為了解決原有封堵器的很多問題,保證施工的安全與高效,維搶修公司成立了項(xiàng)目組,對原有液壓封堵器的密封形式、機(jī)械結(jié)構(gòu)和缸體進(jìn)出油路等方面進(jìn)行優(yōu)化整改。新封堵器活塞采用組合式密封、緊定螺釘由徑向改為軸向均布、封堵器進(jìn)出油管增加壓力表、增加安全閥等技術(shù)措施,并通過車間模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了其各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求,完全能夠滿足現(xiàn)場維搶修施工作業(yè)的要求,從根本上解決了原有設(shè)備存在的很多問題,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),圓滿實(shí)現(xiàn)了封堵器的升級改造工作。

        1 技術(shù)方案

        1.1 現(xiàn)有液壓封堵器存在的安全問題

        目前現(xiàn)場大量使用的液壓封堵器,主要存在的問題如下。1) 皮碗密封結(jié)構(gòu),造成密封不嚴(yán),液壓油泄露。2)進(jìn)出油口無壓力表、安全閥,無法對封堵器內(nèi)部液壓油壓力隨時監(jiān)控。3) 法蘭盤固定螺栓采用徑向布置,結(jié)構(gòu)不合理,螺栓承擔(dān)抗剪切力,存在安全隱患。

        在施工現(xiàn)場和公司車間,該型封堵器曾經(jīng)發(fā)生過不同程度的損壞,且封堵器均處于靜止?fàn)顟B(tài)(即非工作狀態(tài)),施工現(xiàn)場發(fā)生故障的封堵器如圖1所示。

        1.2 改造封堵器的改造優(yōu)化設(shè)計

        圖1中損壞的液壓封堵器正是因?yàn)檫M(jìn)出油口無壓力表和安全閥,使操作人員無法得知其內(nèi)部液壓油的壓力,另外由于螺栓承擔(dān)剪切力的能力非常小,因此才發(fā)生了封堵器損壞的事件。

        圖1 在非工作狀態(tài)下螺栓脫開

        針對原有封堵器的上述問題,項(xiàng)目組對液壓封堵器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化整改。首先,結(jié)合舊封堵缸圖紙確定了封堵器前端具體的脫開位置,如圖2所示(用于鎖緊封堵缸套筒和驅(qū)動套的8根M20×60螺栓均被剪斷,導(dǎo)致封堵缸前端驅(qū)動套和法蘭盤脫出,與封堵缸套筒脫離,封堵缸內(nèi)液壓油泄露)。

        圖2 封堵缸前端脫開位置

        技術(shù)人員對原有封堵器進(jìn)行建模,并通過計算對其原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化,結(jié)合舊封堵器設(shè)計及結(jié)構(gòu)中的缺陷,最終形成了一套完整有效的封堵器優(yōu)化改造方案,新型封堵器圖紙如圖3所示。

        圖3 新型封堵器結(jié)構(gòu)圖

        新型封堵器由缸體總成、活塞及活塞桿總成、導(dǎo)向套及鎖緊機(jī)構(gòu)組成,如圖4所示。缸體總成由吊耳、缸底、缸筒接頭、缸筒、法蘭組成,缸底及缸筒接頭材料為45#鋼鍛造,鍛件內(nèi)部微密組織比較均勻,提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。缸筒材料為優(yōu)質(zhì)熱軋無縫鋼管,經(jīng)過精鏜、輥壓處理,增加了缸筒內(nèi)壁的硬度,提高了缸筒的耐磨性。缸底與缸筒由8個高強(qiáng)度螺栓連接,便于今后導(dǎo)向方剛的修理與更換,導(dǎo)向方剛通過焊接在一起的導(dǎo)向座與缸底用螺栓連接。活塞由內(nèi)活塞和外活塞組成,由10個高強(qiáng)度螺栓連接,在內(nèi)活塞和外活塞上加一定位止口,可減低對螺孔的加工位置精度的要求,也使活塞與缸筒的同軸度提高,使密封效果更好?;钊芊膺x用M4型活塞密封,密封效果更好,這種組合密封是由密封V形圈和支撐環(huán)及擋圈組成的,可適用于各種工況條件,工作壓力可達(dá)到50MPa,可工作溫度在-40℃~100℃。

        圖4 新型封堵器三維模型圖

        在活塞上還加一銅套,銅套在缸內(nèi)起支撐作用,以減少對缸筒的磨損。內(nèi)活塞與防撞頭焊接,可防止活塞直接撞擊缸底,外活塞與活塞桿焊接,活塞桿材選45#無縫鋼管,表面經(jīng)過調(diào)質(zhì)、淬火及鍍硬鉻處理,提高了活塞桿的機(jī)械性能及耐磨性。

        導(dǎo)向套上選用美國派克公司生產(chǎn)的B3型活塞桿密封,采用聚氨酯材料,工作壓力可達(dá)到40MPa,可工作溫度在-35℃~110℃,耐磨損性能優(yōu)異,低永久壓縮變形,對沖擊載荷和壓力峰值不敏感,可適用于惡劣的工況。

        在導(dǎo)向套內(nèi)孔及缸口壓盤內(nèi)孔都加一銅支撐套,可在活塞桿往復(fù)運(yùn)動時避免與鋼件的直接摩擦,降低對活塞桿的磨損,并起到導(dǎo)向作用。導(dǎo)向套與法蘭及缸口壓盤在軸向用8個M30高強(qiáng)度螺栓連接,螺栓在徑向時會增加油缸拆裝時的困難,而且在拆卸油缸時會損壞密封件。鎖緊機(jī)構(gòu)為2個卡緊銅箍,靠4個鎖緊螺栓擰緊后,卡緊銅箍緊抱活塞桿,從而將油缸鎖緊。

        1.3 新型液壓封堵器主要性能參數(shù)計算

        1.3.1 油缸推力及拉力

        油缸推力及拉力如公式(1)、公式(2)所示。

        試驗(yàn)推力及試驗(yàn)拉力如公式(3)、公式(4)所示。

        式中:為油缸力,kN;為試驗(yàn)力,kN;為液壓缸直徑,m;為活塞桿直徑,m;為工作壓力,MPa;P為設(shè)計壓力,MPa。

        1.3.2 行程時間

        活塞桿伸出時間如公式(5)所示下。

        活塞桿縮回時間如公式(6)所示。如下。

        式中:為行程,m;為液壓缸直徑,m,取=6.3L/min。

        驗(yàn)算如下。缸筒能承受額定壓力應(yīng)低于一定的極限值,如公式(7)所示。

        式中:為缸筒外徑,m;σ為缸筒材料屈服極限,m(45#鋼σ=335MPa)。

        結(jié)論:此缸的額定壓力為15MPa,小于缸筒能承受的極限壓力32MPa。

        額定壓力應(yīng)與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍,以避免塑形變形的發(fā)生,如公式(8)、公式(9)所示。

        式中:P為缸筒發(fā)生完全塑形變形的壓力,MPa。結(jié)論:此缸的額定壓力為15MPa,小于使缸筒發(fā)生塑形變形的壓力18MPa。

        爆裂壓力P如公式(10)所示。

        式中:σ為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度,m(45#鋼σ=550MPa)。

        結(jié)論:使此缸筒發(fā)生爆裂所需的壓力為84MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此缸的試驗(yàn)壓力15MPa及工作壓力10MPa。

        總結(jié)論:缸筒壁厚合格。

        該計算如公式(11)所示。

        活塞桿桿頭所受的軸向力應(yīng)滿足公式(12)~公式(15)。

        式中:F為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力,N;n為安全系數(shù),通常取≈3.5~6;為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)(本缸安裝形式為前端法蘭支承,無導(dǎo)向取=2);為實(shí)際彈性模量,MPa;為材料組織缺陷系數(shù),鋼材一般取≈1/12;為活塞桿截面不均勻系數(shù),一般取≈1/13;為材料的彈性模量,鋼材=2.10×105,MPa;為活塞桿橫截面慣性矩,m;L為活塞桿伸出后的安裝距,cm。

        液壓缸水平放置,活塞桿伸出時的受力狀況如圖5所示。

        圖5 新型封堵器撓度校核

        活塞桿受力后彎曲變形產(chǎn)生的撓度值計算如公式(16)所示。

        式中:為活塞桿截面的轉(zhuǎn)動慣量,2549.2cm;為活塞桿自重,496.2kg;為油缸活塞桿伸出長度,489.2cm;為鋼材的彈性模量,2.1×10kg/cm,。

        結(jié)論:活塞桿水平伸出全行程后且不受任何載荷(即活塞桿自重)時,活塞桿彎曲變形撓度值為3.6cm。

        導(dǎo)向套上為8個12.9級M30內(nèi)六角圓柱頭螺釘,每個M30內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)谋WC載荷為544kN,本缸的試驗(yàn)推力為1060kN,分布8個螺釘,每個螺釘受到的載荷為132.5kN,則有544/132.5=4倍。

        結(jié)論:螺釘強(qiáng)度合格。

        2 可行性驗(yàn)證與現(xiàn)場應(yīng)用

        液壓封堵器整改后在公司車間進(jìn)行了封堵模擬試驗(yàn),效果良好,完全滿足設(shè)計要求。又在后續(xù)施工中成功應(yīng)用于現(xiàn)場作業(yè),提高了管道維搶修作業(yè)現(xiàn)場施工的效率。

        綜合技術(shù)指標(biāo):1) 整套設(shè)備工作壓力可達(dá)到10MPa。2) 封堵器適用管道為 12"~36"。3) 全人力施工,單套操作人數(shù) 3人 ~5 人。4) 單孔操作時間 20min~30min。

        3 結(jié)論

        優(yōu)化改造后的新型液壓封堵器從根本上解決了封堵器結(jié)構(gòu)上存在的設(shè)計缺陷,且結(jié)構(gòu)緊湊,配合進(jìn)出油口的安全閥與壓力表,避免了內(nèi)部液壓油壓力升高可能引發(fā)的安全事故,研究成果可直接應(yīng)用在國內(nèi)外輸油氣管道維搶修中,對保障管道安全平穩(wěn)運(yùn)行具有積極作用。1) 活塞由內(nèi)活塞和外活塞組成,采用組合密封形式,使密封效果更好,可適用于各種工況條件,工作壓力可達(dá)到50MPa,可工作溫度在-40℃~100℃。2) 導(dǎo)向套與法蘭及缸口壓盤在軸向用8個M20高強(qiáng)度螺栓連接,改變原有封堵器螺栓徑向布置,使螺栓受力由受剪力變?yōu)槭芾?,封堵器整體承壓能力大幅提升,同時避免了拆卸油缸時費(fèi)時且易損壞密封件的問題。3) 在封堵器出入油管路上增加了壓力表,隨時監(jiān)控封堵器內(nèi)液壓油的壓力。4) 在封堵器上增加了安全閥,當(dāng)封堵器內(nèi)壓力超過設(shè)定值時,安全閥會自動開啟,可降低封堵器內(nèi)油壓,從而可消除因封堵器超壓引起的安全隱患。

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