陶宏偉 楊 川 劉雪光 郭向陽 張仕民

(1.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院)

陶宏偉,楊川,劉雪光,等.油氣管道柔性套袖密封方法研究.石油機械,2022,50(11):111-118.

0 引言

“十三五”期間我國長輸管道發(fā)展迅速,截至2017年底,陸上油氣長輸管道總里程達13.3×104km,預計到2025年,我國運營的油氣管道里程將達到24.0×104km,形成主干互聯(lián)、區(qū)域成網(wǎng)的全國網(wǎng)絡[1-2]。管道運輸是一種經(jīng)濟且高效的運輸方式,但受輸送介質化學性腐蝕、不可抗力自然災害及管道自身缺陷等影響,在運輸過程中極有可能發(fā)生管道泄漏事故[3]。為避免因油氣泄漏而造成的環(huán)境污染和資源浪費等問題,必須及時對泄漏油氣管道進行堵漏。

目前,最為傳統(tǒng)的堵漏方法是木楔堵漏。該方法操作簡單,使用方便;但適用性較差,對于不規(guī)則的泄漏點無法進行有效堵漏,且密封可靠性較低,存在安全隱患[4]。近年來,夾具堵漏法[5-7]、捆扎堵漏法[8]和復合材料纏繞修復法[9-11]等常規(guī)堵漏技術已趨于成熟,可基本應對在運輸便利情況下的油氣管道小變形和小損傷泄漏的快速封堵;但因安裝過程較為繁瑣或機具較為笨重,且對密封條件要求較高,無法適用于山地和水網(wǎng)等復雜環(huán)境下大變形泄漏管道的快速堵漏。另外,閆杰等[12]提出的磁力組合式管道帶壓堵漏器和姜修才等[13]提出的油氣管道穿孔封堵用軟質捆綁卡具都能夠很好地解決安裝復雜和機具笨重等問題,但其密封原理與常規(guī)堵漏機具相同,對徑向大變形和大損傷泄漏油氣管道的堵漏仍不適用或有效性差。

為解決常規(guī)機具難以應對的問題,筆者提出油氣管道柔性堵漏機具——柔性套袖。該機具采用輕量化、模塊化和便攜化設計,可適用于山地、水網(wǎng)、隧道、懸索橋等其他機具難以運輸?shù)牡匦蜗掳l(fā)生的泄漏事故;采用充壓式主動密封方式,可實現(xiàn)對各種變形和各種損傷管道的有效堵漏。為驗證柔性套袖充壓式主動密封的可行性和有效性以及密封管的最優(yōu)對接方式,基于所設計的柔性套袖充壓式主動密封結構,分別進行內(nèi)膽-內(nèi)膽之間、內(nèi)膽-管壁之間的密封有限元仿真和密封原理試驗;根據(jù)所研制的柔性套袖原理樣機進行密封性能試驗,驗證充壓式密封管在柔性套袖中密封的有效性和可靠性;并通過密封管3種對接方式的對比試驗探究密封管的最優(yōu)對接方式。研究結果對充壓式主動密封在其他油氣管道堵漏機具中的設計及應用具有一定的參考。

1 柔性套袖結構及原理

柔性套袖三維結構如圖1所示,主要由橡膠內(nèi)膽、支撐板、護板、護肩、拉桿、導油口以及密封管等構成。

圖1 柔性套袖三維結構圖Fig.1 Three-dimensional schematic structure of flexible sleeve

該機具整體結構分為內(nèi)、外2層,其中內(nèi)層由上、下2塊橡膠內(nèi)膽以及內(nèi)膽接觸面凹槽內(nèi)的密封管組成,通過對密封管充壓,使其膨脹緊貼于上下內(nèi)膽和管道管壁上,形成密封腔,實現(xiàn)密封功能。密封腔內(nèi)徑大于泄漏管道外徑,可適用于軸向變形在7°以內(nèi)的管道徑向大變形泄漏封堵,且對密封表面要求較低,具有廣泛的適用性。外層由支撐板、拉桿、護板以及護肩組成,通過預緊螺栓適當預緊,形成包覆橡膠內(nèi)膽和密封管的剛性空腔,實現(xiàn)承壓功能。

柔性套袖采用模塊化設計,可拆分成32個零件;采用輕量化和便攜化設計,單個零件質量均控制在人力搬運范圍之內(nèi),當泄漏事故發(fā)生在運輸車輛難以到達的復雜環(huán)境時,可通過人力將各零部件搬運至泄漏現(xiàn)場進行安裝。該機具為臨時性快速堵漏機具,可實現(xiàn)3個月的有效封堵,為后續(xù)管道維修提供充足的準備時間。

密封作為堵漏技術中至關重要的一個環(huán)節(jié),不但影響著整個堵漏作業(yè)的成敗,還可能會導致堵漏后的二次泄漏。相比于常規(guī)堵漏機具,柔性套袖提出將充壓式主動密封作為一種新的密封方式應用于油氣管道堵漏技術當中,這里主要針對充壓式主動密封結構及其密封可行性和有效性進行詳細分析和論證。

2 充壓式主動密封

常規(guī)堵漏機具多采用擠壓式密封,通過外力對密封材料施加足夠的壓力,使其緊貼于管道泄漏處,堵塞密封間隙,完成堵漏,屬于被動密封。柔性套袖采用充壓式主動密封,通過對置于橡膠內(nèi)膽凹槽內(nèi)的密封管充壓膨脹,使其緊貼于上下橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間,形成封閉的密封空腔,完成堵漏,屬于主動密封。

2.1 充壓式主動密封原理

O形圈密封因其結構簡單、制造容易、密封性好及安裝方便等優(yōu)點而得到廣泛應用[14]。O形圈密封屬于擠壓型密封,其橫斷面是實心,通過使密封件發(fā)生彈性或塑性變形,在密封面形成一定的接觸壓力,當被密封介質的內(nèi)壓小于接觸壓力時,系統(tǒng)就不會發(fā)生泄漏,反之發(fā)生泄漏[15]。但受O形圈材料選擇、密封結構形式設計、加工制造及安裝條件等因素的影響,可能會導致密封失效,可靠性較低[16]。近年來,氣囊式密封因其密封的良好性和廣泛適用性、密封介質的多樣性以及操作的便捷性,得到廣泛應用[17-18]。趙念功等[19]將氣囊式密封應用于煤礦井下的密閉門。趙殿華等[20]對采用橡膠氣囊實現(xiàn)隧道盾構的密封進行了研究。崔子梓等[21]對管內(nèi)封堵氣囊的結構進行了優(yōu)化設計。石巖[22]利用氣囊式密封機構將普通清管器優(yōu)化改進為封堵清管器。氣囊式密封和O形圈密封的不同之處在于其橫斷面是空心的,通過對空心氣囊充壓膨脹使其阻塞密封間隙,達到密封目的,屬于主動密封方式。

綜合O形圈密封和氣囊式密封的優(yōu)缺點,柔性套袖采用充壓式密封管主動密封方式。充壓式密封管是將O形圈制成空心,實際密封原理同氣囊式密封原理基本相同。首先通過充液嘴向密封管充入一定壓力的液體,使其膨脹緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽或管道管壁上,堵塞密封間隙,形成初密封;隨著被密封介質壓力的增大,密封管內(nèi)部壓力在初密封壓力下也逐漸增大,當密封管與橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間最大接觸應力大于被密封介質壓力時,可實現(xiàn)密封[12]。

2.2 充壓式主動密封結構

柔性套袖充壓式主動密封結構如圖2所示。密封管置于上、下橡膠內(nèi)膽和管道管壁之間,外部由支撐板、護板和護肩組成的剛性空腔包覆,通過密封管充壓膨脹后緊貼上、下橡膠內(nèi)膽和管道管壁,實現(xiàn)整個堵漏機具的密封功能。圖2中A、B分別為2種不同的密封位置。

圖2 柔性套袖密封結構圖Fig.2 Sealing structure of flexible sleeve

針對第1種密封位置(見圖3a),為內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封結構圖。通過對預緊螺栓適當預緊,將密封管包裹在上、下內(nèi)膽凹槽內(nèi),安裝完成之后,通過金屬充液嘴對密封管進行充壓膨脹,使其緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽。當密封管與上、下內(nèi)膽接觸面之間最大接觸應力大于管道泄漏壓力時,可實現(xiàn)密封[17]。針對第2種密封位置(見圖3b),為內(nèi)膽-管壁之間密封結構圖。密封管置于內(nèi)膽凹槽與管道管壁之間,對密封管充壓膨脹后,使其緊貼于內(nèi)膽凹槽和管道管壁。當密封管與內(nèi)膽和管道管壁接觸面之間最大接觸應力大于管道泄漏壓力時,可實現(xiàn)密封。

圖3 充壓式主動密封結構圖Fig.3 Pressurized active sealing structure

2.3 密封管結構及對接方式設計

考慮加工方便以及降低制造成本,按圖4a所示的密封管展開狀態(tài)圖,將密封管制造為一個平面結構,組裝時再根據(jù)實際工況選擇膠黏劑將密封管對接為圖4b所示的立體結構。

圖4 密封管結構圖Fig.4 Schematic structure of sealing tube

針對上述提到的密封管組裝對接,設計了3種密封管對接方式,分別為梯形對接、斜對接和錐面對接,如圖5所示。

圖5 密封管對接方式Fig.5 Docking methods of sealing tube

3 充壓式主動密封仿真分析

充壓式主動密封是將密封管置于橡膠內(nèi)膽凹槽內(nèi),通過對密封管預先充入一定壓力,使其緊貼于上、下橡膠內(nèi)膽與管道管壁,形成初密封。為防止初密封時密封管被擠出內(nèi)膽凹槽,對橡膠內(nèi)膽凹槽位置有一定要求。對此,通過有限元仿真確定橡膠內(nèi)膽內(nèi)置凹槽與內(nèi)端面之間的距離,保證密封管在預壓初密封時不被擠出內(nèi)膽凹槽;并根據(jù)所確定的橡膠內(nèi)膽凹槽位置與柔性套袖主動密封結構,建立2種密封位置下的密封仿真模型,驗證充壓式主動密封的可行性。

3.1 橡膠內(nèi)膽凹槽位置仿真分析

根據(jù)柔性套袖充壓式主動密封結構建立內(nèi)膽-內(nèi)膽之間和內(nèi)膽-管壁之間凹槽位置有限元仿真模型,如圖6所示。

圖6 橡膠內(nèi)膽凹槽位置仿真模型Fig.6 Simulation model of groove position of the rubber liner

建模時設置密封管內(nèi)部壓力為p,選取不同的L長度進行仿真計算,然后處理仿真結果,記錄橡膠內(nèi)膽和密封管最大拉應力。橡膠內(nèi)膽和密封管所選材料為丁腈橡膠,其拉伸強度取10 MPa。在初密封的過程中,當橡膠內(nèi)膽和密封管最大拉應力小于10 MPa時,可保證密封管不被擠出凹槽,實現(xiàn)有效初始密封。

分別取L為15、20和25 mm,記錄橡膠內(nèi)膽和密封管在不同密封管初始壓力p下的最大拉應力,如表1所示。由表1可知,當內(nèi)膽凹槽與內(nèi)端面之間距離為25 mm時,對密封管內(nèi)部充入3.0 MPa以下初始壓力,可保證密封管不被擠出內(nèi)膽凹槽,實現(xiàn)有效初密封。

表1 不同密封管內(nèi)部壓力下密封管及內(nèi)膽的最大拉應力Table 1 Maximum tensile stress of the sealing tube and liner under different internal pressures of the sealing tube

3.2 密封管密封仿真分析

基于所設計的橡膠內(nèi)膽凹槽位置和充壓式主動密封結構,建立內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封和內(nèi)膽-管壁之間密封有限元仿真模型,如圖7所示。圖7中各部件標注名稱同圖6。設置管道泄漏壓力為p1,密封管內(nèi)壓力為p2,仿真計算密封管外圈最大接觸應力。當密封管外圈最大接觸應力大于管道泄漏壓力時,可實現(xiàn)密封。

圖7 密封管密封仿真模型Fig.7 Simulation model of sealing tube sealing

設置管道泄漏壓力p1為10 MPa,通過改變密封管內(nèi)部壓力p2,記錄密封管外圈最大接觸應力。以橫坐標為密封管內(nèi)部壓力,縱坐標為密封管外圈最大接觸應力,繪制10 MPa管道泄漏壓力下密封管內(nèi)部壓力與密封管外圈最大接觸應力關系折線圖,如圖8所示。

由圖8可知:當密封管內(nèi)部壓力在9 MPa以上時,內(nèi)膽-管壁接觸面之間密封管外圈最大接觸應力大于10 MPa,可實現(xiàn)內(nèi)膽-管壁接觸面之間有效密封;當密封管內(nèi)部壓力在11 MPa以上時,內(nèi)膽-內(nèi)膽接觸面之間密封管外圈最大接觸應力大于10 MPa,可實現(xiàn)內(nèi)膽-內(nèi)膽接觸面之間有效密封。由此可知,充壓式密封管能夠實現(xiàn)柔性套袖對10 MPa泄漏壓力的密封,驗證了充壓式主動密封的可行性。

圖8 密封管內(nèi)部壓力與密封管外圈最大接觸應力關系折線圖Fig.8 Line chart of the relationship between the internal pressure of the sealing tube and the maximum contact stress of the outer ring of the sealing tube

4 充壓式主動密封原理及密封性能試驗驗證

為進一步論證充壓式主動密封在柔性套袖中密封的可行性和可靠性,根據(jù)柔性套袖中充壓式主動密封結構設計密封原理試驗,并研制柔性套袖原理樣機進行密封性能試驗。

4.1 密封原理試驗

依據(jù)柔性套袖第1種密封位置設計內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗裝置,如圖9a所示。上、下內(nèi)膽由2個留有凹槽的橡膠盤代替,密封管置于上、下內(nèi)膽凹槽內(nèi),外接充液嘴;外部是由上下法蘭和擋圈形成的剛性空腔,其中上法蘭中間留有加壓口,整個裝置通過12個螺栓進行緊固。依據(jù)柔性套袖第2種密封位置設計內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗裝置,如圖9b所示。管道外壁由一個鋼板代替,其基本結構與內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗裝置類似,只需將下內(nèi)膽換成外壁即可。

圖9 密封原理試驗裝置Fig.9 Sealing principle test device

為驗證充壓式主動密封的可行性,試驗中分別采用O形圈和密封管進行試驗。圖10a為內(nèi)膽-內(nèi)膽之間O形圈密封原理試驗裝置。試驗過程中將O形圈置于上下內(nèi)膽凹槽內(nèi),通過緊固螺栓將其壓緊貼合上下內(nèi)膽,然后對加壓口進行加壓10 MPa,觀察是否發(fā)生泄漏,并通過加壓口外接壓力表觀察內(nèi)部壓力變化。圖10b為內(nèi)膽-管壁之間密封管密封原理試驗裝置。為驗證密封管的最優(yōu)對接方式,分別將密封管以3種對接方式進行粘接,后置于上下內(nèi)膽凹槽內(nèi)。試驗過程中首先通過充液嘴對密封管進行預加壓,形成初密封,然后對加壓口加壓10 MPa,觀察并記錄壓力表示數(shù)。把內(nèi)膽-內(nèi)膽之間密封原理試驗裝置中的下內(nèi)膽換成鋼板以代替管道管壁,按相同的步驟進行內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗。

圖10 O形圈和密封管密封原理試驗Fig.10 Sealing principle test of O-shape ring and sealing tube

試驗結果表明,當采用O形圈密封時,內(nèi)膽-內(nèi)膽之間、內(nèi)膽-管壁之間密封原理試驗中均發(fā)生泄漏,密封失效,因此采用O形圈密封的設計方案無法滿足密封要求。當采用充壓式主動密封時,分別以3種對接方式粘接的密封管進行密封原理試驗,記錄試驗數(shù)據(jù),如表2所示。從表2可以看出:梯形對接和斜對接均發(fā)生泄漏,無法保壓;錐面對接24 h內(nèi)基本無泄漏,有較好的保壓效果。在密封管進行對接時采用的快干膠818,粘接時間1個月沒有發(fā)生開膠現(xiàn)象,滿足快速粘接施工要求,驗證了密封管密封的可行性以及錐面對接方式的最優(yōu)性。

表2 密封原理試驗數(shù)據(jù)Table 2 Sealing principle test data

4.2 密封性能試驗

基于柔性套袖三維結構及其密封管密封原理,設計柔性套袖密封性能試驗裝置,如圖11所示。由柔性套袖原理樣機和模擬試驗臺組成,用以驗證充壓式主動密封在柔性套袖實際堵漏工作中的有效性。

圖11 柔性套袖原理樣機及模擬試驗臺示意圖Fig.11 Schematic diagram of the principle prototype of flexible sleeve and the simulation test device

試驗過程中,首先將所研制的柔性套袖原理樣機安裝于模擬試驗臺,然后通過充液嘴對密封管進行充壓,實現(xiàn)初密封;隨后通過加壓口對模擬試驗臺內(nèi)部進行加壓,保壓60 min后觀察是否發(fā)生泄漏,并通過壓力表記錄密封管內(nèi)部壓力和試驗臺內(nèi)部壓力。試驗結果表明,試驗過程中外部無泄漏,且試驗臺內(nèi)部壓力保持不變。充分驗證了充壓式密封管在柔性套袖中密封的有效性。

5 結論及認識

(1)當柔性套袖橡膠內(nèi)膽內(nèi)置凹槽與內(nèi)端面之間距離L為25 mm時,可保證密封管在初始壓力小于3.0 MPa時不被擠出內(nèi)膽凹槽,實現(xiàn)有效初密封。

(2)以錐面對接方式進行粘接的充壓式密封管能夠實現(xiàn)柔性套袖對10 MPa管道泄漏壓力堵漏的有效密封,而O形圈密封則無法滿足密封要求。

(3)充分驗證了充壓式主動密封作為一種新的密封方式應用于油氣管道堵漏機具中的可行性和有效性,對后期充壓式主動密封在其他堵漏機具中的應用提供了參考依據(jù)。