張晨晨，王 健，范 杰，金 鋒

（交通運(yùn)輸部上海打撈局，上海 200082）

石油行業(yè)產(chǎn)品的需求量與日俱增，促進(jìn)了石油行業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，石油工業(yè)現(xiàn)已發(fā)展成為中國(guó)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。在石油化工生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，液化石油氣泄漏事故在全國(guó)范圍內(nèi)曾多次發(fā)生，有的甚至形成惡性爆炸事故，造成了眾多的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。在管道或儲(chǔ)罐等出現(xiàn)泄漏時(shí)，運(yùn)用正確的堵漏方法，不僅能取得搶險(xiǎn)的成功，而且可以避免和減少人員傷亡。

目前已有的封堵技術(shù)集中在對(duì)規(guī)則的管道或光滑規(guī)則曲面的封堵，包括不停產(chǎn)帶壓開(kāi)孔及封堵技術(shù)在供水管道施工中的應(yīng)用、深水橋墩施工中的鋼吊箱底板封堵方法[2]、天然氣高壓管上道不停輸帶氣封堵技術(shù)的應(yīng)用以及油氣管道泄漏的內(nèi)封堵機(jī)器人等，這些都無(wú)法應(yīng)用到如圖1 所示的高壓儲(chǔ)罐弧形部位裂縫的帶壓封堵中。

圖1 高壓儲(chǔ)罐弧形部位裂縫

本文通過(guò)設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的堵漏裝置，進(jìn)行儲(chǔ)罐弧形部位裂縫的封堵，以減緩氣體泄漏速度，防止天然氣大量泄漏導(dǎo)致的閃爆等風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)采取整體救援方案爭(zhēng)取時(shí)間。

1 帶壓封堵技術(shù)的基本原理

高壓儲(chǔ)罐弧形部位出現(xiàn)裂縫產(chǎn)生氣體泄漏情況時(shí)，應(yīng)采用專(zhuān)用工具將封堵吸盤(pán)通過(guò)儲(chǔ)罐的管道送入儲(chǔ)罐內(nèi)部，利用專(zhuān)用工具上的空氣彈簧將吸盤(pán)頂推至儲(chǔ)罐泄漏點(diǎn)附近的內(nèi)壁上并緊密貼合，在內(nèi)外壓差的作用下，封堵吸盤(pán)會(huì)緊貼泄漏點(diǎn)周?chē)墓摅w，從而使得儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體與裂縫隔離，達(dá)到封堵的效果，為后續(xù)從外部封堵裂縫爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

這項(xiàng)技術(shù)由橡膠吸盤(pán)、空氣彈簧、專(zhuān)用工具和封堵操作技術(shù)4 部分組成。

2 封堵工具結(jié)構(gòu)及操作工藝

2.1 封堵工具結(jié)構(gòu)形式

高壓儲(chǔ)罐內(nèi)部封堵專(zhuān)用工具主要由橡膠吸盤(pán)、空氣彈簧、進(jìn)給管道、推進(jìn)絲桿、充氣管線、轉(zhuǎn)動(dòng)手柄組成，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)形式如圖2 和圖3 所示。

圖2 封堵工具結(jié)構(gòu)形式（單位：mm）

圖3 封堵工具的三維示意圖

高壓封堵工具在連接球閥之前，所有的結(jié)構(gòu)件都回收儲(chǔ)存于進(jìn)給管道內(nèi)，包括空氣彈簧、橡膠吸盤(pán)、滑座、滑塊等，且在滑道內(nèi)存放彈簧充氣管，充氣管一端與絲桿內(nèi)部的管孔連接，另一端與空氣彈簧的充氣口連接，用于給空氣彈簧充氣，頂推橡膠吸盤(pán)。絲桿具有外螺紋，滑座端部安裝銅螺母，銅螺母具有與絲桿外螺紋相匹配的內(nèi)螺紋，從而可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將滑座、橡膠吸盤(pán)以及空氣彈簧等沿著水平方向往儲(chǔ)罐管壁方向推動(dòng)，直至推送至儲(chǔ)罐內(nèi)部。滑座的長(zhǎng)度需根據(jù)球閥外法蘭面至儲(chǔ)罐內(nèi)壁的距離以及空氣彈簧外端面至吸盤(pán)的開(kāi)口面的距離確定，確保能將吸盤(pán)送至儲(chǔ)罐內(nèi)部。

2.2 封堵工藝

根據(jù)高壓封堵工具的工作原理，詳細(xì)的操作工藝流程如下：①作業(yè)時(shí)操作人員需要佩戴有防護(hù)眼鏡的安全帽、耐溫長(zhǎng)袖手套，穿防靜電服和防靜電鞋進(jìn)行施工。②提前將所有結(jié)構(gòu)件都回收儲(chǔ)存于進(jìn)給管道內(nèi)，包括空氣彈簧、橡膠吸盤(pán)、滑座、滑塊等。③利用防靜電扳手，將封堵工具的法蘭面同球閥的法蘭面連接，中間設(shè)置橡膠墊圈做密封，防止氣體泄漏。④根據(jù)球閥法蘭面至儲(chǔ)罐內(nèi)壁的長(zhǎng)度，計(jì)算需要推進(jìn)的距離，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將空氣彈簧、橡膠吸盤(pán)送至高壓儲(chǔ)罐內(nèi)部。⑤反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)，使得空氣彈簧和橡膠吸盤(pán)向儲(chǔ)罐內(nèi)壁方向移動(dòng)，直至橡膠吸盤(pán)緊貼于儲(chǔ)罐內(nèi)部。⑥通過(guò)機(jī)構(gòu)末端的充氣口，給充氣彈簧充氣，壓力高于儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力0.1 MPa，使得充氣彈簧膨脹，壓緊橡膠吸盤(pán)的背面，從而使得橡膠吸盤(pán)緊貼于儲(chǔ)罐內(nèi)部。在橡膠吸盤(pán)的隔絕下，儲(chǔ)罐內(nèi)部與漏縫之間被完全隔離，從而達(dá)到堵漏的效果。⑦高壓儲(chǔ)罐泄漏點(diǎn)從內(nèi)部完全封堵或泄漏速度明顯降低后，采取外部堵漏的方式，完成泄漏點(diǎn)的最終封堵。之后按照反向操作程序，將封堵機(jī)構(gòu)退出儲(chǔ)罐內(nèi)部，并拆除封堵工具與球閥的連接。

3 封堵試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高壓封堵工具的實(shí)際使用效果，根據(jù)常規(guī)高壓儲(chǔ)罐的曲率半徑以及內(nèi)部?jī)?chǔ)存天然氣等氣體的壓力值，加工制作一套曲率半徑為3 m、設(shè)計(jì)壓力1.5 MPa 的高壓儲(chǔ)罐，用于進(jìn)行封堵工具的堵漏試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)儲(chǔ)罐

試驗(yàn)儲(chǔ)罐整體尺寸為長(zhǎng)寬高各1 m，采用Q345鋼板制作而成，其中4 個(gè)側(cè)面的曲率半徑為3 m，4 個(gè)拐角的曲率半徑為0.53 m。儲(chǔ)罐2 個(gè)側(cè)面設(shè)置觀察窗，用于觀測(cè)封堵機(jī)構(gòu)在儲(chǔ)罐內(nèi)部工作狀態(tài)及貼合狀態(tài)。儲(chǔ)罐管路下方的罐體上開(kāi)設(shè)泄漏縫，用于模擬儲(chǔ)罐弧形連接部位泄漏的狀態(tài)。儲(chǔ)罐頂部設(shè)置充氣閥及壓力表，分別用于儲(chǔ)罐充氣以及觀測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化情況。試驗(yàn)儲(chǔ)罐開(kāi)設(shè)泄漏縫之前進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，確保儲(chǔ)罐嚴(yán)密性完好。試驗(yàn)儲(chǔ)罐加工圖紙如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)儲(chǔ)罐加工圖紙（單位：mm）

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)儲(chǔ)罐及封堵工具均加工制作完成后，開(kāi)始進(jìn)行封堵試驗(yàn)，儲(chǔ)罐起始內(nèi)部壓力為1.2 MPa。試驗(yàn)總體步驟如下：①將儲(chǔ)罐充氣至1.2 MPa 之后，觀察1 h，記錄壓力變化情況；②將儲(chǔ)罐重新補(bǔ)壓至1.2 MPa，按照封堵操作工藝，將封堵工具連接至儲(chǔ)罐管路的球閥上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)將空氣彈簧及橡膠吸盤(pán)送至儲(chǔ)罐內(nèi)部，并通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)，使橡膠吸盤(pán)壓在儲(chǔ)罐內(nèi)壁上，如圖5 所示；③通過(guò)給空氣彈簧充氣使其膨脹，從而壓縮橡膠吸盤(pán)緊貼儲(chǔ)罐內(nèi)壁，如圖6 所示；④在封堵工具安裝過(guò)程中，儲(chǔ)罐會(huì)出現(xiàn)一定的壓降，為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，重新將儲(chǔ)罐補(bǔ)壓至1.2 MPa，觀察1 h，記錄在封堵工具的作用下，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化情況。

圖5 封堵工具安裝

圖6 橡膠吸盤(pán)貼合情況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程分儲(chǔ)罐無(wú)泄漏縫、泄漏縫未封堵和泄漏縫封堵3 種情況進(jìn)行，分別記錄各種情況下試驗(yàn)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力在1 h 內(nèi)的變化情況，從而判斷封堵工具的封堵效果。各種情況下儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力變化情況及趨勢(shì)如表1 及圖7 所示。由上述試驗(yàn)記錄可得如下結(jié)論：①試驗(yàn)儲(chǔ)罐在未開(kāi)泄漏縫之前，密封性完好，無(wú)泄漏；②試驗(yàn)儲(chǔ)罐開(kāi)泄漏縫之后，在未進(jìn)行封堵的情況下，內(nèi)部壓力在1 h 內(nèi)從12 bar 下降至3.72 bar，壓降為8.28 bar，平均壓降速率為0.138 bar/min；③使用封堵工具對(duì)泄漏縫進(jìn)行封堵后，試驗(yàn)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力在1 h 內(nèi)從12 bar 下降至11.65 bar，壓降為0.35 bar，平均壓降速率為0.006 bar/min；④試驗(yàn)儲(chǔ)罐泄漏縫使用封堵工具進(jìn)行封堵后，泄漏速度較未封堵的情況下降了約23 倍，大大降低了試驗(yàn)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降速度。

圖7 試驗(yàn)儲(chǔ)罐壓力變化趨勢(shì)圖

表1 試驗(yàn)儲(chǔ)罐壓力變化情況表

綜上可以看出，封堵工具具有較好的儲(chǔ)罐內(nèi)部封堵效果，較為明顯地減緩了儲(chǔ)罐內(nèi)部氣體泄漏速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高壓儲(chǔ)罐弧形連接部位的裂縫，目前無(wú)有效的快速封堵技術(shù)。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一款內(nèi)部封堵工具，可以快速地從儲(chǔ)罐內(nèi)部進(jìn)行弧形裂縫的封堵，經(jīng)試驗(yàn)證明封堵效果良好，大大地降低了裂縫氣體泄漏速度，為后續(xù)采取整體封堵救援贏得了寶貴的時(shí)間。