油气管道折叠封堵头结构设计及现场试验

姜 芳，葛汉林，吴 明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

油气管道折叠封堵头结构设计及现场试验

姜 芳，葛汉林，吴 明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

折叠封堵头是油气管道折叠封堵技术的关键设备。文章概述了油气管道不停输封堵换管的一般原理，阐述了折叠封堵技术的优势和主要应用领域，详细介绍了折叠封堵头的结构组成和工作原理。通过对720管径、529管径的现场封堵试验，验证了折叠封堵头的可行性，测定了封堵压力。

油气管道；带压封堵；折叠式；封堵头；维抢修

油气管道带压开孔—封堵技术就是指管道在密闭状态下，以机械切削方式在管道上加工出圆形孔，然后从开孔处将封堵头送入管道并密封管道，从而阻止管道内的油气流动[1]。它可完成管道在不停输状态下的更换管段等维抢修作业[2-4]。管道带压开孔—封堵技术按封堵头分类，分为囊式封堵头、盘式封堵头、折叠封堵头和筒式封堵头[5]。我们对折叠封堵技术与设备做了有意义的探索，并研制出商品化的折叠封堵头。

1 油气管道带压封堵技术简介

1.1 管道不停输封堵工艺的一般原理

管道不停输封堵工艺是指对于不允许停输的管道维抢修改造工作，在管道上带压焊接旁通三通并开旁通孔、建立旁通管路，达到不停输封堵的目的。它的一般工作原理是：首先是封堵管件的组对与焊接，在维修改造管段的上下游，焊接旁通三通和封堵三通。在旁通三通和封堵三通上吊装夹板阀（专用阀，也称三明治阀），夹板阀上吊装开孔联箱和开孔机，这样三通、夹板阀、开孔联箱、开孔机就形成了一个封闭腔体。开孔用的圆形筒刀安装在开孔机主轴上。其次进行开孔作业，开孔机有液压、气压、电动等动力源型式，开孔时应确认孔完全被开透，方可上提刀具并随刀具带出切割下的鞍形板，从而完成带压开孔过程。开孔完成后关闭夹板阀，卸放压力，排出开孔联箱内的介质，拆卸开孔联箱和开孔机。再次是旁通管线投用，在旁通处夹板阀上安装旁通管线，用运行管道内的介质导通旁通管路，从而实现干线与旁通线同时输送介质。接着进行封堵作业，把封堵联箱和液压封堵缸吊装到封堵处夹板阀上，封堵头安装在封堵缸的活塞杆上，利用液压封堵缸把封堵头送入管道内，以机械手段按规程封堵并进行封堵效果的验证，实现干线全部介质走旁通管路、将维修改造管段隔离出来的目的。接下来是进行断管和管道改造作业。最后封堵隔离管段施工完成投用、解除封堵、拆除旁通管路、管道防腐及地貌恢复等。

管道不停输封堵换管的原理如图1所示[6]。

1.2 折叠封堵技术的优势

折叠封堵的优点是：①无需在管道上开等径孔（封堵管径DN720，封堵孔直径只需¢500 mm）；②开孔数少，单侧除了开旁通孔外，只需开一个封堵孔；③封堵设计压力达到1.0 MPa。

由于挡板—囊式封堵的特点：封堵压力不超过0.2 MPa，单侧除了开旁通孔外，需要开送囊孔和挡板孔，对开孔质量要求高，若开孔边缘有毛刺将极易划破橡胶囊等[7,8]。所以在低压封堵领域，折叠封堵取代挡板—囊式封堵具有广阔的市场应用前景。

图1 管道在线封堵的原理Fig.1 Principles of the online plugging

2 折叠封堵头的结构设计

2.1 折叠封堵头的结构组成

折叠封堵头是油气管道折叠封堵技术的关键设备。它通过管道上所开的不等径孔插入管道中而临时堵塞一条管道的介质流动，充当一个切断阀的作用。

折叠封堵头主要由后左（右）侧折压板、斜拉杆部件、导向轮部件、后中间固定压板、封堵头座身、封堵头水平调整块、摇臂、前中间固定压板、前左（右）侧折压板、销轴、封堵皮碗等组成[9]。

压板分为前、后两组，每组由三块组成。中间固定板成上下两端为圆弧的板块形。左右两侧的折压板成月牙形，与中间固定压板组成转动副，在斜拉杆部件的作用下可以收折起来。前压板可形成一个相对管道内径略小的圆盘平面。压板的作用是装夹封堵皮碗。由于左右两侧折压板可以收折和展开，夹在中间的橡胶皮碗自然就跟着收折和展开。

两组斜拉杆部件的前端通过拉钉将前左（右）侧折压板和后左（右）侧折压板夹皮碗连接，后端通过销轴与封堵头座身转动副连接。斜拉杆部件的作用是收折或展开两侧的折压板。

上下两根摇臂的前端通过销轴与后中间固定压板转动副连接，后端通过销轴与封堵头座身转动副连接。摇臂的作用是支撑整个封堵头前部的压板与封堵皮碗。

导向轮部件安装在前中间固定压板的中轴线上下方。导向轮部件的作用是其上的滚轮与管道内壁接触，引导整个封堵头在管道内移动，减小摩擦。

封堵头水平调整块安装在封堵头座身的底部，位置可调以适应不同的管道壁厚。它的作用是保证封堵头下落到极限位置时，整个压板平面与管道轴线是垂直的，即压板平面既不前倾也不后仰。当封堵头在管道内下落直到水平调整块触到管道内下壁时，压板与皮碗完全展开成一个平面，在管道内形成严密的封堵。

封堵皮碗被装夹在前后压板之间。皮碗边缘与管道内壁的摩擦、挤压、贴合，来完全阻断介质的流动。

折叠封堵头的结构简图，如图2所示。

图2 折叠封堵头的结构简图Fig.2 Structure diagram of the folding p lugging head

折叠封堵头的三维模型及外形,如图3所示。

图3 折叠封堵头三维模型和外形Fig.3Three-dimensional model and shape of the folding p lugging head

2.2 折叠封堵头的工作原理

装夹皮碗的压板设计为由三块组成，左右两侧的折压板可以收折，便解决开小孔下入管道的关键问题。在管道封堵作业时，折叠封堵头安装在液压封堵缸的活塞杆上。封堵联箱、液压封堵缸、折叠封堵头安装成一体，在封堵现场被称为封堵设备。吊装此封堵设备到封堵处夹板阀时，由于重力作用，折叠封堵头前部的压板及皮碗下落，在斜拉杆作用下使左右两侧压板收折，封堵头收紧形成一个较小直径的收折体，如图4(a)所示。

开动液压动力源，液压封堵缸的活塞杆慢慢伸出，使折叠封堵头从封堵孔中慢慢下入管道。因为封堵头的上下2个摇臂、后中间固定压板、封堵头座身形成一个平行四边形机构，而平行四边形机构的特点是连杆作平移运动，所以整个封堵头压板可上下平动，且能保证前后固定压板平面与管道轴线始终垂直。折叠封堵头在慢慢放入管道的过程中，下部导向轮首先接触到管道内壁。液压封堵缸活塞杆的不断伸出，封堵头座身继续下落，同时封堵头在导向轮引导下慢慢沿管道内壁推向前方，且左右折压板同时也在慢慢张开，如图4(b)所示。当封堵头座身端部的封堵头水平调整块最终抵到管道下部内壁内，此时左右两侧折压板完全张开，皮碗与管道内壁贴合，封堵头就将管道严密的封堵，如图4(c)所示。

图4 折叠封堵头工作原理Fig.4 The working principle of the folding plugging head

2.3 封堵皮碗的结构设计

封堵皮碗被装夹在封堵头前后两组压板之间。皮碗成圆锥体外形，有小端面和大端面。其中，小端面直径与管道内径相同，大端面直径大于管道内径，如图5(a)所示。当封堵头进入管道时，由于管道内壁尺寸限制，皮碗受摩擦挤压作用，发生弹性变形。在回弹力和管道压力的双重作用下，皮碗边缘紧贴在管道内壁上，实现管道的封堵，如图5(b)所示。

由于皮碗需要收折，所以皮碗材料硬度必须适中，而且皮碗材料必须完全是橡胶，中间不能含有抗拉体（线）。这就是折叠封堵只能适用于低压封堵的根本原因。

图5 皮碗封堵管道的示意Fig.5 Diagram of the sealing cup plugging pipeline

3 现场封堵试验

设计参数：设计封堵压力1.0 MPa，试验压力1.5 MPa。

试验一：封堵管径DN720 mm，管道壁厚9～12 mm，开孔直径¢500 mm；

试验二、封堵管径DN529 mm，管道壁厚9～12 mm，开孔直径¢376 mm。

折叠封堵头进入进行封堵的现场动作过程，如图6所示。

图6 折叠封堵头的封堵动作过程Fig.6 The action process of the folding plugging head

4 结 论

我们研制的折叠封堵头是折叠封堵技术的关键设备。

它在重力作用下能收紧而形成一个较小直径的收折体，这样就能从小于管道内径的开孔中下入管道。在放入管道的过程中，封堵头慢慢沿管道内壁推向前方，同时慢慢张开，当封堵头水平调整块接触到管道下部内壁时，封堵头完全张开，封堵皮碗发生弹性变形。在回弹力和管道压力的双重作用下，皮碗边缘紧贴在管道内壁上，就将管道严密封堵。

折叠封堵的优势在于开孔直径小，封堵设计压力达到1.0 MPa。在低压封堵领域，折叠封堵取代挡板—囊式封堵有广阔的市场应用前景。

［1］GB/T28055-2011.钢质管道带压封堵技术规范[S].北京：中国标准出版社，2012.

［2］王喜娟，马春稳，马国华.油气田大管径管道封堵技术研究[J].石油化工应用，2011，30（5）：80-92.

［3］林猛，牛迎战.带压封堵技术在成品油管道的应用[J].化工设备与管道，2011，48（4）：52-54.

［4］刘忠，赵宏林，房晓明.一种新型的管道封堵器[J].石油化工应用，2006，34（1）：49-51.

［5］江龙强.管道封堵抢修技术现状及发展[J].内蒙古石油化工，2011（2）：100-103.

［6］中国石油管道兰州输气分公司.长输油气管道抢修手册[M].兰州：兰州大学出版社，2005-12.

［7］SY/T 6150.2-2003.钢制管道封堵技术规程第2部分：挡板—囊式封堵[S].北京：石油工业出版社，2003.

［8］高维民，孙建斌.输气管道囊式封堵需注意的问题[J].油气储运，2002，21（7）：38-39.

［9］葛汉林，姜芳，吴明. 油气管道带压不停输折叠式封堵技术及设备的研究设计[J].机械设计与制造，2014（4）：209-211.

Structure Design and Experiment of Oil and Gas Pipeline Folding Plugging Head

JIANG Fang，GE Han-lin，WU Ming
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The folding plugging head is the key equipment to plugging technology. In this paper, the basic principle of plugging technology with pressure conveying for the pipeline was summarized, advantages of the folded plugging technology and its main application fields were expounded, and the structural composition and working principle of the folding plugging head were introduced in detail. Through field plugging tests of DN 720 and DN529 pipes, the feasibility of folding plugging head was verified, and the plugging pressure was determined.

Oil/gas pipeline; Under-pressure plugging; Folding; Plugging head; Maintenance and repair

TH 137

： A

： 1671-0460（2015）02-0389-03

2014-08-16

姜芳（1976-），女，辽宁锦州人，讲师，硕士，2005年毕业于沈阳工业大学机械制造及其自动化专业，研究方向：从事化工容器设计，管道维抢修设备研究工作。E-mail：508jf@163.com。