城市燃气管道带气封堵技术现状与展望.pdf

2023 年 第 4 期Pipeline Technique and Equipment53 收稿日期:2022-04-27城市燃气管道带气封堵技术现状与展望张 诚1,邢琳琳1,黄文尧1,张 博1,沈1,康宇翔2,韩赞东2(1.北京市燃气集团有限责任公司,北京 100035;2.清华大学机械工程系,北京 100084)摘要:对城市燃气管道进行带压不停气的维抢修、改造作业时,管道带气封堵是作业中的重要工序。文中介绍了现有燃气管道带气作业的施工流程及盘式封堵、筒式封堵、折叠式封堵、囊式封堵 4 种常见封堵技术,并从改进现有技术和引进其他目前未应用在城市燃气管道的带气封堵技术两方面对城市燃气管道带气封堵技术的发展进行展望。关键词:燃气管道;带气封堵;开孔封堵;管内智能封堵中图分类号:TE973 文献标识码:A 文章编号:1004-9614(2023)04-0053-05Current Situation and Prospect of On-line Plugging Technique of Urban Gas PipelinesZHANG Cheng1,XING Linlin1,HUANG Wenyao1,ZHANG Bo1,SHEN Ying1,KANG Yuxiang 2,HAN Zandong2(1.Beijing Gas Group Company Limited,Beijing 100035,China;2.Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:When carrying out maintenance and renovation operations with pressure on urban gas pipelines,pipeline on-line plugging is an important process in operation.This paper introduced the process of on-line operation of urban gas pipelines and four common plugging techniques including disk-type plugging,barrel-type plugging,foldable plugging and airbag plugging.By improving the existing techniques and the introduction of on-line plugging techniques which has not been applied in urban gas pipeline,the development of on-line plugging technique of urban gas pipelines was prospected.Keywords:gas pipeline;on-line plugging;drilling and plugging;in-pipe smart plugging0 引言截至 2020 年,全国城市燃气管道总长度已达86.4 万 km1。随着运行时间增长和管网规模扩大,管道设备腐蚀老化等导致的日常维抢修及技改项目逐渐递增,配合建筑物的新建或改扩建作业更加频繁。为降低燃气管网维抢修作业的影响,对燃气管道作业在不停气、不降压、快速抢修等方面提出了更高的要求。目前,燃气管道维抢修及更新改造中传统作业方式为停输作业,即停止燃气输送后,以降压、放散、吹扫等方式排清燃气,后由工人使用乙炔焰切割等动火方式对管道进行切割开孔作业2。这种方法技术成熟,适用于焊接中低压以下燃气管道的带气作业。但这种作业方式影响用户用气,且在作业过程中会涉及多个作业点、多管径管线或多人员配合管网降压,同时作业可控性较低,容易发生安全生产问题。为解决停输作业的问题,在管道维抢修及改造作业中引入不停输带气作业,如图 1 所示3-4。施工时,首先在待维修管段上下游焊接旁通三通、封堵三通,在三通上安装夹板阀,在夹板阀上安装开孔机对管道进行开孔。完成开孔后,在两旁通三通之间搭建临时旁通管道,以确保维修泄漏管段时管道内介质的正常运输。在封堵三通处安装封堵器,将封堵头通过夹板阀置入管道内部,在泄漏管段的上下游分别进行封堵,对管段内介质进行隔离。完成封堵后,即可对泄漏管段泄压,并在泄漏处进行切割、焊接等作业,完成新管段的安装。在完成对泄漏管段的维修后,即可取出封堵头取消封堵,使介质重新经过主管道流动,并拆卸封堵器和旁路管道,在各开孔处安装塞堵,即完成整个管道维修作业流程。54 第 4 期图 1 管道带气作业示意图相对停输作业,不停输作业的成本较高,但是能适用于不同压力管道的带气作业,安全性高,且对终端用户影响较小,故在城市燃气管道施工中得到了广泛应用。但是,燃气管道的带气开孔封堵作为其中的重要工序,目前在封堵效率、开孔尺寸、对作业环境要求等方面仍然需要改进和完善。因此,研发更快速高效、安全可靠的带气封堵设备,对于降低燃气管道维抢修及改造作业工作量、人力物力投入等方面有重要意义。本文综述现有带气封堵技术的分类及特点,并对新的带气封堵技术进行展望,为新型带气封堵设备的研发提供参考。1 带气封堵技术分析与比较在进行燃气管道带气封堵时,封堵设备的封堵头通过管道上所开孔伸入管道进行封堵。根据封堵头封堵原理,带气封堵技术可分为盘式封堵、筒式封堵、折叠式封堵、囊式封堵5。不同封堵技术各有特点,在实际施工时,应根据管内介质种类、管径、施工空间大小、时间紧迫程度等因素综合选择合适的封堵技术进行封堵。1.1 盘式封堵技术盘式封堵技术,又名悬挂式封堵、皮碗式封堵,由一块或多块安装在封堵头上的、直径接近管道内径的橡胶盘或橡胶碗实现封堵功能6-7,如图 2 所示。图 2 盘式封堵技术示意图对于传统的盘式封堵器,其橡胶盘初始直径稍大于管道内径,安装在可在竖直平面内旋转的封堵头上。进行封堵时,需通过三通在管壁上钻孔,孔径等于或稍小于封堵头直径,一般稍小于管道内径。从三通处置入封堵器,封堵头接触管壁后绕销轴旋转弯折至轴线与管道走向平行。此时橡胶盘垂直于管壁,由于直径大于管道内径,收到管壁压迫变形,紧贴管壁,实现密封。盘式封堵器在国内油气管道维抢修作业中得到了广泛应用8。盘式封堵器封堵过程不需要管内介质参与,对于管道介质种类适应性较强。其封堵处的承压能力可通过改变橡胶盘材料、几何尺寸等方式进行调节,可用于中高压管道的封堵9。同时,使用盘式封堵器进行开孔封堵作业时,开孔直径小于管道外径,不截断管道,对管道机械性能损伤较小。但是,盘式封堵器中橡胶盘变形能力有限,对于较大管径和管内表面条件较差,如腐蚀严重、结垢较多的情况不适用。此外,大管径盘式封堵器的设计需要考虑到封堵机构的自身重力10,避免橡胶盘与管道底部接触的部分在自重作用下发生较大形变,造成管道顶部封堵处出现缝隙,使封堵失效。1.2 筒式封堵技术筒式封堵技术使用可变形的、附有橡胶层的开缝钢筒实现密封11,封堵钢筒直径大于管道外径,如图3 所示。使用筒式封堵器进行开孔封堵作业时,需要在管道外焊接四通,并使用打孔机通过四通在管道上开通孔,钻孔方向需要与管道直径位于同一平面,并在四通的一个管口安装法兰盲板。之后,通过留出的四通口置入封堵钢筒,使其开口正对管内介质来流方向,并扩张封堵钢筒,使钢筒外壁橡胶层在管内介质压力作用下与管壁通孔的马鞍形曲线紧密贴合,实现密封。图 3 筒式封堵原理筒式封堵技术对管线焊缝分布、椭圆度以及管道内壁洁净程度要求较低,在管道条件较差时依然有较好的封堵性能,在国内燃气管道带压维抢修施工中得到应用。文献12介绍了上海港城路浦东北路燃气管道的改造工程中,采用新型筒式封堵器进 第 4 期张诚等:城市燃气管道带气封堵技术现状与展望55 行带压开孔封堵及施工,保障了沿线用户燃气的连续供应。同时,中空的膨胀筒结构支持其与带气作业中的旁路管道共享同一管道开口,便于设计封堵、旁通一体设备13。但是,在安装与拆卸筒式封堵器时,密封筒两侧存在气压差,导致其与管壁开孔边缘产生较强摩擦,表面附着的橡胶层易被金属管道边缘划伤,造成封堵失效,不利于封堵器的重复使用。此外,筒式封堵器工作所需的开孔直径大于管径,将管道完全截断,施工成本较高,对管道的机械性能破坏也较大。1.3 折叠式封堵技术折叠式封堵技术通过可展开的、外周包裹橡胶类密封材料的折叠机构实现密封,封堵原理与盘式封堵相似,如图 4 所示14。折叠封堵技术的特点是在管道上钻孔的孔径显著小于管道内径,只需大于折叠状态下封堵头外径即可。封堵时,从开孔处置入封堵头,并在管内展开,使封堵头上橡胶材料与管道内壁贴紧,实现封堵。(a)完全收折(b)部分收折(c)完全打开图 4 一种折叠式封堵头折叠过程示意图对于大管径管道的封堵施工,折叠式封堵器展现出非常好的封堵性能并得到广泛应用。文献15采用折叠式封堵器对 DN2600 的超大管径管道进行带压封堵,解决了新煤气管道接点及旧管道停运时需停产的问题。同时,其开孔直径一般仅为管径的 2/3,显著降低开孔工序的施工难度和成本。但是,折叠式封堵器结构比其他带压开孔封堵装置明显复杂,增加了制造成本和故障率。此外,由于折叠机构难以承受高压介质产生的巨大压力,折叠式封堵器一般仅用于低压气体介质的封堵。1.4 囊式封堵技术囊式封堵技术使用可膨胀的橡胶囊实现管道封堵功能16-18,如图 5 所示。通过管道开孔置入封堵头后,向橡胶囊充入气体或液体,使之膨胀挤压管壁,实现封堵。此时,管道内壁限制气囊继续膨胀,使两者之间产生压力,从而产生摩擦力以对抗管道内介质的压力。图 5 囊式封堵技术示意图囊式封堵器具有结构简单、使用简便、成本低的优点。使用其进行管道带压封堵施工时,在管道上钻孔直径与橡胶囊未膨胀直径相同,小于管道内径,降低开孔工序的施工难度和成本。但是,由于橡胶囊耐压能力有限,当管内介质压力达到临界值时,用以产生足够摩擦力阻止封堵囊随介质流动的充气压力会超过封堵囊的极限载荷。同时,管内可能存在的铁屑、垢块、焊缝等对密封的安全性、可靠性构成影响。2 城市燃气管道带气封堵技术发展展望2.1 现有技术的改进针对现有带气封堵技术存在的缺陷,可以在现有封堵技术的基础上进行改进。对于传统盘式封堵器依靠橡胶盘自然弹性变形实现气密,封堵高压介质能力不足的问题,文献19基于盘式封堵器封堵头有限元仿真结果,设计了一种双层封堵头,提高了封堵性能。除增加封堵头橡胶盘层数外,也可以对橡胶盘沿轴向加压的机构,增大其径向变形程度,以提高封堵耐压能力,减小开孔孔径。清华大学无损检测实验室研发了新型带气封堵设备,可由施工人员手动操作,利用偏心轮机构传动向橡胶盘轴向加压,使之胀径贴紧管壁,可在更高管内压力下保持密封,如图 6 所示。该装置在满足封堵设备轻量化、操作简便要求的基础上,提高封堵成功率、耐压能力,同时降低开孔成本和 56 第 4 期时间。(a)初始状态(b)橡胶盘受压胀径,贴紧管壁图 6 新型盘式封堵设备工作示意图2.2 其他带气封堵技术的引入目前,在城市燃气管道带气维抢修及改造施工中广泛使用的带气封堵技术,均为开孔封堵技术。而在油气运输领域中,除开孔封堵外,还有以冷冻封堵技术和管内智能封堵技术为代表的不开孔封堵技术。冷冻封堵技术是管道内部注入可冻结的流体,待流体充满管道需封堵部分后,通过在管外包覆降温衬套,充入冷冻介质使管内流体降温凝固实现封堵的工艺,如图 7 所示20-21。冷冻封堵技术具有不必在管道上开孔的优点,可以大幅度降低作业时间。在解决冷冻介质制造所需设备的成本、重量问题的基础上,将冷冻封堵技术引入城市燃气管道带气封堵施工,对于降低施工成本、提高作业效率有积极意义。图 7 冷冻封堵技术示意图管内智能封堵技术,使用管内智能封堵器从施工环境相对理想的上游远端置入管道,封堵