通球指示器帶壓拆裝工具的研究與應(yīng)用

葉丹 朱萬春

中國石化管道儲運(yùn)有限公司武漢輸油處

通球指示器常用于長輸管線除垢作業(yè)工藝中，目前各長輸管道上使用的大部分是機(jī)械式通球指示器，例如中石化儀長線使用的大部分通球指示器為防爆機(jī)械式通球指示器。該類指示器具有結(jié)構(gòu)簡單、防爆、指示直觀可靠等優(yōu)點(diǎn)，它可以在管線上通過機(jī)械定位，定時(shí)地傳遞出管線內(nèi)清管器物體的通過情況，從而指導(dǎo)流程的切換[1]。通球指示器長期使用后，設(shè)備會出現(xiàn)不同程度的腐蝕和老化問題，須進(jìn)行維護(hù)和更換，因通球指示器均安裝在輸油站進(jìn)出站管線及收發(fā)球筒上，對通球指示器進(jìn)行維護(hù)和更換，一般只有在管線停輸放空后才能進(jìn)行，而且部分輸油站因地勢因素，停輸后的放空操作時(shí)間較長、難度大，所以導(dǎo)致通球指示器的維護(hù)、更換十分困難，且停輸成本較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大[2]。為解決通球指示器的維護(hù)更換問題，本文以儀長線通球指示器為例，對該類型設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)分析，開發(fā)了一種實(shí)用的帶壓拆裝工具，能夠在帶壓情況下直接對通球指示器進(jìn)行維護(hù)和更換作業(yè)。

1 問題的提出

通球指示器主要安裝于進(jìn)出站管線上方，長期置于戶外，容易因腐蝕或其他因素造成指示器機(jī)芯故障。如圖1所示，通球指示器內(nèi)部機(jī)芯腐蝕嚴(yán)重，內(nèi)部O型密封圈老化情況不明，如圖2所示，機(jī)芯內(nèi)部O型密封圈老化已出現(xiàn)滲漏痕跡。如需更換新的機(jī)芯較為困難，沒有帶壓拆裝的專用工具，須對管線停輸排空后才能對通球指示器機(jī)芯進(jìn)行拆除和重新安裝[3]。

圖1 通球指示器腐蝕情況Fig.1 Corrosion of the ball indicator

圖2 通球指示器機(jī)芯上部Fig.2 Upper part of the movement in the ball indicator

通過實(shí)地調(diào)查研究和分析，目前長輸管道大部分通球指示器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由扳機(jī)、基座、機(jī)芯、增長螺柱挺桿、上接體等部件組成。其中，基座是與管線焊接性能良好的鍛件制成，上外側(cè)是DN50 mm的管螺紋；機(jī)芯是密封傳動的組合件，其與基座通過螺紋連接，密封主要是通過O型密封圈完成[4]；上接體是運(yùn)動機(jī)構(gòu)的保護(hù)帽并連接鐘控頭。在維護(hù)更換作業(yè)時(shí)，須拆除通球指示器上接體及增長螺柱挺桿等部件，露出機(jī)芯的上半部分（圖2），然后使用機(jī)芯專用扳手進(jìn)行拆裝。通過對機(jī)芯上部分的結(jié)構(gòu)及其使用的專用扳手特點(diǎn)進(jìn)行分析，機(jī)芯上留有4個(gè)螺孔及凹槽，所以可設(shè)計(jì)一種與機(jī)芯有效連接并在帶壓情況下能拆裝的工具。

圖3 通球指示器機(jī)械部分結(jié)構(gòu)Fig.Structure of the mechanical part of the ball indicator

2 通球指示器帶壓拆裝工具的研制

如圖4所示，通球指示器拆裝工具主要由機(jī)芯連接頭、長軸光桿、球閥、異徑連接管、密封筒、壓力表接頭、密封壓蓋、進(jìn)給裝置（進(jìn)給螺紋管、進(jìn)給套管）、套管封頭等9部分組成。其中，機(jī)芯連接頭與長軸光桿通過四方頭及1個(gè)螺釘連接；DN65 mm球閥通過螺紋與異徑連接管和密封筒連接；壓力表接頭焊接在密封筒上；密封筒上部為密封部件，主要由密封壓蓋、2個(gè)O型密封圈、2個(gè)銅墊片及活塞桿專用的U型密封圈組成；進(jìn)給裝置由兩部分組成，進(jìn)給螺紋管直接與密封筒連接，進(jìn)給套管與進(jìn)給螺紋管連接，組合成可以進(jìn)給的裝置[2]；套筒封頭與進(jìn)給套管和長軸光桿上部連接，并且套筒封頭內(nèi)有一個(gè)O型密封圈作為軸封，以防止外界水氣、雜質(zhì)等進(jìn)入對工具內(nèi)部造成腐蝕[5]。

圖4 通球指示器帶壓拆裝工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the under-pressure dismounting tool for the ball indicator

2.1 機(jī)芯連接頭

機(jī)芯連接部分：該部分與機(jī)芯凹槽對應(yīng)設(shè)計(jì)了2個(gè)3 mm厚的凸出部分，并且設(shè)計(jì)了與之對應(yīng)的4個(gè)Φ5 mm大的圓孔，須指出該處連接螺絲須采用內(nèi)六角頭，以節(jié)省在擰螺絲時(shí)的豎直方向操作空間。圖5中的數(shù)據(jù)是以DN50 mm大小通球指示器開發(fā)的機(jī)芯連接頭。對于DN80及其他類型的通球指示器，只需根據(jù)機(jī)芯凹槽深度，設(shè)計(jì)對應(yīng)厚度的2個(gè)凸出部分，以及周圍4個(gè)圓形孔即可，做到機(jī)芯連接頭能很好與機(jī)芯連接即可。

圖5 機(jī)芯連接頭設(shè)計(jì)Fig.5 Connector design for the movement

與長軸光桿連接部分：該工具不僅要對機(jī)芯進(jìn)行拆除還要進(jìn)行安裝，所以在與長軸光桿連接時(shí)，不能簡單用螺紋進(jìn)行連接。該設(shè)計(jì)采用了四方套筒（長12 mm）方式，用于能左右旋轉(zhuǎn)拆裝機(jī)芯，同時(shí)中心底部開有Φ5 mm沉孔，通過螺釘與長軸光桿進(jìn)行連接，起到了很好的穩(wěn)固作用[6]。

2.2 密封部件

圖6所示為該工具的核心——密封部件。主要通過一種U型DZ密封圈（型號為UN-25×35×10）進(jìn)行密封，該密封圈為聚氨酯材質(zhì)，具有耐腐蝕、耐高壓、耐磨損等特點(diǎn)，因?yàn)槭鞘謩硬僮?，管線帶壓不宜過高，密封圈耐壓6.4 MPa即可。對于管線不同壓力下的帶壓作業(yè)，該工具密封部件的耐壓能力必須大于管線壓力。為確保密封的可靠性和無滲漏要求，還設(shè)計(jì)了2個(gè)O型密封圈（O型圈線徑3.5 mm，內(nèi)徑25 mm）密封，通過與2個(gè)4 mm厚銅墊片交錯放置，再由壓蓋通過螺紋連接，對O型圈形成擠壓，從而達(dá)到密封效果[7]。密封壓蓋上部設(shè)計(jì)有2個(gè)Φ5 mm小孔，便于使用該工具對密封壓蓋進(jìn)行擰緊或拆卸，如果密封效果不理想，也可通過擰緊密封壓蓋來增強(qiáng)密封性能。

2.3 套筒封頭

套筒封頭（圖7）內(nèi)裝有一個(gè)15 mm厚銅套，主要為進(jìn)給裝置內(nèi)長軸光桿提供穩(wěn)固作用（進(jìn)給裝置在帶壓情況下打開閥門時(shí)，長軸光桿可在壓力作用下突然向外彈出），以及在增減不同厚度銅套時(shí)，可以用來調(diào)節(jié)長軸光桿在軸向上的自由行程距離[8]。長軸光桿在軸向上可自由行進(jìn)一定距離，這樣設(shè)計(jì)主要是考慮到在拆裝通球指示器機(jī)芯時(shí)，因?yàn)闄C(jī)芯與基座是螺紋連接（螺紋長25 mm），那么當(dāng)長軸光桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)給裝置必須同步旋轉(zhuǎn)，才能將機(jī)芯拆除或安裝。本設(shè)計(jì)長軸光桿的自由行程是30 mm，在從通球指示器基座上擰下或安裝機(jī)芯時(shí)，可以直接旋轉(zhuǎn)長軸光桿。套筒封頭內(nèi)還設(shè)計(jì)有一個(gè)O型圈構(gòu)成的軸封，主要是防止內(nèi)部潤滑脂泄漏或者是外界雜質(zhì)進(jìn)入工具內(nèi)造成腐蝕[9]。

圖6 密封部件設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the sealing part

圖7 套筒封頭設(shè)計(jì)Fig.7 Design of the sleeve

2.4 操作方法

通球指示器的拆裝主要有以下10個(gè)步驟：

（1）用內(nèi)六角扳手將機(jī)芯連接頭與機(jī)芯連接。

（2）將異徑連接管與通球指示器基座連接，為增強(qiáng)密封性可在螺紋處纏繞生膠帶。

（3）緩慢逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)長軸光桿，觀察壓力表數(shù)值，當(dāng)壓力表數(shù)值變化時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)長軸光桿；待壓力與管道內(nèi)壓力平衡穩(wěn)定后，在無異常狀況下繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)長軸光桿，將機(jī)芯從基座上旋下。

（4）逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，將機(jī)芯完全縮回到密封筒內(nèi)。

（5）關(guān)閉球閥，放空密封筒內(nèi)原油，直至壓力表數(shù)值為0。

（6）將密封筒從球閥上拆除，取出舊機(jī)芯，安裝上新機(jī)芯。

（7）將密封筒與球閥連接上，然后緩慢打開球閥，并注意觀察壓力表數(shù)值變化情況。

（8）壓力表數(shù)值穩(wěn)定后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置，將機(jī)芯移動至通球指示器基座位置。

（9）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)長軸光桿，將機(jī)芯擰緊在通球指示器基座上。

（10）緩慢排空密封筒內(nèi)原油，并密切注視壓力表數(shù)值變化，壓力表數(shù)值為0后的一段時(shí)間內(nèi)如仍無變化，則說明機(jī)芯更換成功；如果壓力表數(shù)值不為0，則說明機(jī)芯與基座之間存在滲漏問題，則重新拆除機(jī)芯再次進(jìn)行機(jī)芯更換操作[10]。

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

通球指示器帶壓拆裝工具研制完成后需進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，以檢驗(yàn)工具的使用效果及各部件功能是否安全可靠。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖8 通球指示器帶壓拆裝工具現(xiàn)場試驗(yàn)Fig.8 Field test of the under-pressure dismounting tool for the ball indicator

表1 不同壓力下試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results under different pressures

試驗(yàn)壓力從1 MPa開始，第一次試驗(yàn)存在滲漏問題，主要原因是異徑連接管、密封筒與球閥的連接密封不嚴(yán)，通過在球閥內(nèi)部加裝密封圈解決了滲漏問題，同時(shí)在異徑連接管和基座之間也加了橡膠墊密封。因該機(jī)械式通球指示器最高工作壓力為6.4 MPa，擺針僅有兩個(gè)自由方向，所以其基座帶槽，基座與異徑連接管無法使用墊片，只能使用生膠帶密封，因此現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)壓力僅達(dá)到3 MPa，共進(jìn)行了3次試驗(yàn)，均合格，滿足使用要求。

2017年12月，在大冶站使用通球指示器帶壓拆裝工具對黃梅站進(jìn)站管線上的通球指示器機(jī)芯進(jìn)行了拆除和更新安裝作業(yè)，作業(yè)時(shí)管線進(jìn)站壓力為2.62 MPa，3名工作人員在30 min內(nèi)完成了通球指示器機(jī)芯的拆除和更新安裝，作業(yè)過程中各步驟環(huán)節(jié)安全可靠，順利完成目標(biāo)任務(wù)（圖9）。

圖9 大冶站通球指示器機(jī)芯的拆裝Fig.9 Dismounting of the movement of the ball indicator in Daye Station

大冶站通球指示器機(jī)芯的成功拆裝作業(yè)說明，該工具能夠在輸油管線帶壓（2.62 MPa）情況下快速完成無泄漏通球指示器的拆裝更換操作。帶壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，為確保百分之百安全，且操作省時(shí)省力，建議在2.5 MPa以下進(jìn)行作業(yè)。

4 結(jié)束語

實(shí)際應(yīng)用表明，開發(fā)的帶壓拆裝工具能夠很好地解決通球指示器在帶壓情況下的維護(hù)更換問題。對于目前長輸管道行業(yè)普遍使用的通球指示器來說，針對不同大小的通球指示器，該工具的主要結(jié)構(gòu)不變，更換不同大小的機(jī)芯連接頭，則可對大部分通球指示器進(jìn)行帶壓拆裝作業(yè)，能夠很大程度上減少管線停輸時(shí)間，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，對同行業(yè)在通球指示器機(jī)芯維護(hù)更換問題上具有較大的借鑒意義。