姜修才,馬 寧,孫華強(qiáng),馬萬(wàn)飛,章海鵬,常靈志

(中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司 河北 廊坊 065001)

0 引 言

帶壓開(kāi)孔封堵是目前油氣管道行業(yè)最常用的維修改造方法[1-2],包括開(kāi)孔和封堵兩個(gè)重要作業(yè)工序,其中在對(duì)鋼制管道進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生切削鐵屑,重力作用下鐵屑掉落至管道內(nèi)腔的底部,會(huì)引發(fā)接續(xù)封堵作業(yè)的密封不嚴(yán)乃至油氣泄漏[3],給后續(xù)的管道動(dòng)火連頭工作帶來(lái)極大的安全隱患;而且對(duì)于一些特殊輸送管道(如航油、汽油、柴油等成品油管道及制藥行業(yè)原料管線等高潔凈度要求的管道),更不允許在管道內(nèi)殘留鐵屑。

帶壓開(kāi)孔后的鐵屑回收需要管道在帶壓且無(wú)外泄介質(zhì)的閉口情況下完成,否則敞口回收鐵屑將使帶壓開(kāi)孔封堵作業(yè)無(wú)意義。通過(guò)信息搜集沒(méi)有檢索到管道開(kāi)孔后閉口回收鐵屑的資料,而敞口大氣環(huán)境下的切削鐵屑回收技術(shù)則有鋼刷推掃、負(fù)壓抽吸[4-5]等幾種,可借鑒性不高,為此,須自主研發(fā)封堵?tīng)顟B(tài)下帶壓開(kāi)孔后的鐵屑回收專(zhuān)用裝置。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)分別開(kāi)展了開(kāi)孔鐵屑掉落分布模擬試驗(yàn)、鐵屑回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組裝調(diào)試和試驗(yàn)改進(jìn)等研究,最終開(kāi)發(fā)出了帶壓開(kāi)孔鐵屑回收專(zhuān)用裝置。該裝置的應(yīng)用提升了開(kāi)孔接續(xù)封堵作業(yè)的嚴(yán)密性,增加了后續(xù)斷管、連頭、焊接等改造作業(yè)的安全性和可靠性,同時(shí)也更好地滿(mǎn)足了特殊管道改造過(guò)程中對(duì)高潔凈度的要求。

1 鐵屑回收裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)孔鐵屑掉落分布模擬試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)鐵屑回收裝置之前,先進(jìn)行多次的鋼質(zhì)管道開(kāi)孔試驗(yàn),探查不同介質(zhì)、不同壓力、不同流速情況下鐵屑分布狀況,如圖1所示。

圖1 開(kāi)孔試驗(yàn)的鐵屑分布情況

經(jīng)多次試驗(yàn),確定出不同工況下的開(kāi)孔鐵屑分布規(guī)律:

1)無(wú)論是對(duì)空管還是有介質(zhì)流動(dòng)的管道進(jìn)行開(kāi)孔,90%以上鐵屑是成碎片狀,且非均勻的散落堆積在開(kāi)孔圓周管線正下方的兩側(cè)。

2)不同規(guī)格管道開(kāi)孔鐵屑的分布最大長(zhǎng)度,可覆蓋開(kāi)孔中心點(diǎn)兩側(cè)2倍的開(kāi)孔刀具外徑范圍。即回收裝置的伸縮長(zhǎng)度如能夠達(dá)到2倍開(kāi)孔刀具外徑長(zhǎng)度,就可以收取全部鐵屑。

1.2 確定鐵屑回收技術(shù)方案

通過(guò)對(duì)管道內(nèi)鐵屑堆積情況的分布測(cè)試試驗(yàn),考慮運(yùn)營(yíng)管道內(nèi)的帶壓和輸送各種介質(zhì)的情況,經(jīng)過(guò)推掃、夾爪、磁吸等多個(gè)方案的比對(duì),最終確定磁鐵吸取方案為最佳方案。采用強(qiáng)力磁鐵作為主要的吸取工具,進(jìn)行鐵屑收集。磁鐵具有對(duì)鐵屑的吸附作用,而且管內(nèi)介質(zhì)高壓下不影響磁鐵的吸附性能,鐵屑回收操作方便也更為安全。最終確定研制管道開(kāi)孔鐵屑回收裝置的技術(shù)指標(biāo):適用DN300管徑,工作壓力10 MPa,工作溫度為常溫20 ℃左右,鐵屑回收量≥90%。

1.3 鐵屑回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料篩選

1.3.1 連接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)效益、可操作性考慮,不再另行設(shè)計(jì)制作專(zhuān)門(mén)的動(dòng)力操控設(shè)備,鐵屑回收裝置和現(xiàn)有封堵器能夠互連應(yīng)用(需設(shè)計(jì)專(zhuān)用過(guò)渡軸套與封堵器主軸相匹配),從而降低研究設(shè)計(jì)加工的成本,提高操作可行性,保證在帶壓管道上施工作業(yè)的安全性。

1.3.2 鐵屑回收裝置材料選取

由于整個(gè)鐵屑回收裝置是采用磁鐵吸附的原理[6],所以各部件的材料不能和磁鐵吸附粘連,且能夠安全承載鐵屑回收裝置的自重力和取出鐵屑的自重力,1Cr18Ni9Ti不銹鋼[7]較為合適。

1.3.3 鐵屑回收裝置支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

需要考慮鐵屑回收裝置可進(jìn)入管道開(kāi)孔內(nèi)部,進(jìn)入管道后的收裝支架要覆蓋2倍開(kāi)孔刀具直徑的鐵屑散落范圍,并且還能夠在鐵屑吸取后順利收回提出管道。因此,考慮采用2個(gè)折疊式旋轉(zhuǎn)支架結(jié)構(gòu),既可從所開(kāi)圓孔內(nèi)深入管道內(nèi)部,覆蓋鐵屑全部掉落區(qū)域,又可折疊從管道內(nèi)提出,滿(mǎn)足使用要求,如圖2所示。

圖2 折疊支架旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)視圖

折疊旋轉(zhuǎn)支架的折疊過(guò)程,只靠重力是不能保證的,考慮到鐵屑回收裝置的總體結(jié)構(gòu),決定采用彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。彈簧一端固定在鐵屑回收裝置的底座軸套上,另一端固定在折疊式旋轉(zhuǎn)支架上,在平時(shí)保持鐵屑回收裝置處于一個(gè)折疊收攏的狀態(tài)。當(dāng)操作鐵屑回收裝置進(jìn)行鐵屑回收時(shí),折疊式旋轉(zhuǎn)支架在進(jìn)入管道后可以在導(dǎo)向輪的引導(dǎo)下展開(kāi),鐵屑回收完成后,在專(zhuān)用彈簧的作用力下,兩塊折疊式旋轉(zhuǎn)支架再次折疊收攏。

1.3.4 行走輪設(shè)計(jì)

折疊式支架打開(kāi)和折疊的過(guò)程只憑借支架和管線的硬性摩擦滑行是無(wú)法完成的,需采用滾輪實(shí)現(xiàn)。在鐵屑回收裝置的每個(gè)折疊式旋轉(zhuǎn)支架上安裝兩個(gè)大小相等形狀相同的導(dǎo)向輪,通過(guò)模擬和試驗(yàn)多種規(guī)格行走輪,最終解決了下放行走過(guò)程中卡阻的問(wèn)題,如圖3所示。

圖3 非金屬和金屬材質(zhì)組合的不同尺寸行走輪形式

2 強(qiáng)力磁鐵選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)鐵屑回收裝置中強(qiáng)力磁鐵是關(guān)鍵部件,鐵屑要通過(guò)磁鐵吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)收取,因此磁鐵的磁性就是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo),在對(duì)磁鐵廣泛的調(diào)研和咨詢(xún)基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試,最終確定回收裝置的磁鐵磁性強(qiáng)度為3 900高斯[8]。

為了使磁鐵能夠最大限度吸附鐵屑,磁鐵最好是和管線內(nèi)徑接近的圓弧形,所以磁鐵就只能是通過(guò)小塊磁鐵的拼接實(shí)現(xiàn),同時(shí)還要依附于板子和底座來(lái)實(shí)現(xiàn),稱(chēng)之為鐵屑吸附板和磁鐵底座,對(duì)小塊的磁鐵進(jìn)行排布和支撐,鐵屑吸附板和磁鐵底座與折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過(guò)螺栓進(jìn)行機(jī)械式的連接,這樣就實(shí)現(xiàn)了磁鐵和折疊式旋轉(zhuǎn)支架的整體裝配,如圖4所示。吸附板兩側(cè)材料最初選用的是鐵板和不銹鋼板,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最后兩側(cè)均采用鐵板,鐵板對(duì)于磁性的傳導(dǎo)效果比不銹鋼板要好[9],自身被磁化后磁力分布較之不銹鋼板要更為均勻。

圖4 磁鐵分布及與吸附板/底座的布置情況

磁鐵過(guò)于緊密連接的排布形式,會(huì)導(dǎo)致磁鐵極性亂,部分磁鐵因磁性作用[10],在取鐵屑時(shí)不能吸附鐵屑,通過(guò)多次試驗(yàn)和調(diào)整確定出間隙型磁鐵排布形式可行,此種排布形式的磁力分布較為均勻,也能更好地使一次鐵屑回收量達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及鐵屑回收目的。

經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研研究試驗(yàn)和改進(jìn),鐵屑回收裝置的最終整體外形設(shè)計(jì),由底座軸套、折疊式旋轉(zhuǎn)支架、強(qiáng)力磁鐵、鐵屑吸附板、磁鐵底座等部件組成,圖5所示。

圖5 鐵屑回收裝置總體結(jié)構(gòu)

鐵屑回收裝置的底座軸套和折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過(guò)機(jī)械式連接,折疊式旋轉(zhuǎn)支架與裝有強(qiáng)力磁鐵的鐵屑吸附板相連,安裝在封堵器主軸的前端,操作封堵器來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵屑回收裝置的下行和上升。在封堵器下行過(guò)程中帶有鐵屑吸附板的折疊式旋轉(zhuǎn)支架通過(guò)其上的導(dǎo)向輪可以平穩(wěn)打開(kāi),將掉落堆積的鐵屑吸取上來(lái)。

3 鐵屑回收裝置試驗(yàn)

回收裝置研制組裝完成后進(jìn)行了大量的鐵屑回收試驗(yàn),試驗(yàn)中逐步修改完善磁鐵塊的布置形式、行走輪的設(shè)置和輪轂的大小。在空管鐵屑回收和吹掃鐵屑回收試驗(yàn)中,開(kāi)孔鐵屑總重的稱(chēng)量和吸取后鐵屑重量的稱(chēng)量,驗(yàn)證鐵屑回收率達(dá)到了98%以上,如圖6所示。

圖6 鐵屑回收試驗(yàn)完成的效果

分析鐵屑回收裝置磁鐵對(duì)管道磁化的影響,確定是否需要消磁處理。在鐵屑回收裝置下放到位處于吸鐵屑的工作狀態(tài),以及在鐵屑回收操作完成后的撤離鐵屑回收裝置狀態(tài),用磁力測(cè)試儀器分別進(jìn)行剩磁量測(cè)定,如圖7所示。通過(guò)對(duì)鐵屑回收裝置在管道磁化影響區(qū)進(jìn)行磁場(chǎng)的定量測(cè)試,可以確定鐵屑回收作業(yè)后的管道剩磁量不影響后續(xù)施工[11]。

圖7 回收裝置取屑工作狀態(tài)和取屑后的剩磁測(cè)量

4 結(jié) 論

1)鐵屑回收裝置研制成功后,進(jìn)行了大量的鐵屑回收試驗(yàn),鐵屑回收率達(dá)到了98%以上,完成了設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用效果。

2)尤其針對(duì)兩條帶狀鐵屑的回收,無(wú)論是在試驗(yàn)中還是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中都達(dá)到了令人滿(mǎn)意的效果。

3)鐵屑回收裝置的成功應(yīng)用,提高了封堵作業(yè)的嚴(yán)密性,有效減小了封堵介質(zhì)的泄漏,降低了安全隱患風(fēng)險(xiǎn),提高了管道封堵作業(yè)的安全性和可靠性。

4)鐵屑回收裝置磁鐵對(duì)管道的磁化影響極其微弱,剩磁量不會(huì)對(duì)管道施工造成影響。