油气管道管内封堵器密封结构研究进展.pdf

doi:10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2017. 02. 054 油气管道管内封堵器密封结构研究进展 李振北1,2, 胡铁华2, 张 菊1, 姜海洋1, 夏 征1 (1. 中油管道检测技术有限责任公司, 河北 廊坊 065000; 2. 机械科学研究总院, 北京 100000) 摘 要:概述油气管道管内封堵器及密封结构的发展情况。 介绍管内封堵器密封系统的构造及工作原理,对封堵器 密封结构的研究进展进行综合评述。 讨论了封堵器密封结构中各结构参数对密封可靠性的影响。 从国际先进水平 的管内封堵器密封结构的发展趋势和可靠性要求,对未来封堵器密封结构的技术发展远景进行了展望。 对于国内开 展同类技术研究具有深刻的指导意义。 关键词:油气管道;封堵器;密封结构;研究进展 中图分类号:TE931 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2017)02-0168-03 Research Progress on Sealing Structure of Oil and Gas Pipeline LI Zhen-bei1,2, HU Tie-hua2, ZHANG Ju1, JIANG Hai-yang1, XIA Zheng1 (1. China Petroleum Pipeline Inspection Technologies Co. , Ltd, Langfang Hebei 065000, China; 2. China Academy of Machinery Science and Technology, Beijing 100000, China) Abstract: In the article, development of the occluder and sealing structure of oil and gas pipeline is outlined. The structure and working principle of occluder sealing system are introduced, and comprehensive review of the research progress on the sealing structure is also conducted. The effect of structural parameters on the sealing reliability in the sealing structure is dis- cussed. According to the development trend and the reliability requirements of the occluder sealing structure in the internation- al advanced level, the future technical development prospect of the occluder seal structure was discussed. Thus it has a pro- found significance for the domestic research on similar technology. Key words: oil and gas pipeline; occluder; sealing structure; research progress 0 引 言 油气管道管内高压封堵器是一种集机电液及声 波通讯控制于一体的远程控制定点封堵工具1。 由 于其靠管道输送的介质驱动,可通过管道的发、收球 筒进出长输油气管道,到达管段上任意位置开展封堵 施工工艺。 现已成功应用于陆地及海洋油气管道的 维修、阀门更换、立管更换及管道压力测试等作业 中2。 目前国外的管内封堵技术已处于成熟应用阶 段,如 T. D. Williamson 公司和 STATS Group 公司是目 前世界范围内管内高压封堵技术最为成熟的两家商 业化公司,其生产的油气管道智能封堵器已经多次用 于国外和国内的陆地及海底油气管道封堵隔离作业 中3。 封堵密封结构作为管内封堵器的核心组件, 随着管内封堵器技术的不断发展,也在快速进行着功 能完善和结构优化。 1 管内封堵器封堵密封结构工作原理 油气管道管内封堵器执行封堵密封功能的部件 为封堵器上安装的橡胶筒结构,其材料选用经硫化处 理的耐油耐高温丁晴橡胶材料,并要求邵氏硬度介于 85 95 HD 之间,抗拉强度 10 15 MPa,最大密封耐 压能力不低于 35 MPa,耐温 120 以上,能在高压且 环境恶劣的管道内封堵过程中不被撕裂4。 利用橡 胶筒的橡胶材料体积不可压缩特性,通过封堵器在管 道轴线方向的双面刚性挤压变形,实现对封堵器与管 道环空之间的有效密封封隔5。 如图 1 所示为管内 封堵器上起密封作用的橡胶筒结构。 封堵器的密封过程是在封堵器完成锚定功能后, 液压缸执行机构继续驱动挤压盘,使其和承压盘之间 产生轴向压缩,挤压橡胶筒在管道内实现径向膨胀外 扩,密封封堵器和管道之间的环空。 图 2 所示为封堵 器在密封过程中橡胶筒被挤压过程。 图 1 封堵器上的密封 图 2 封堵器密封过程 橡胶筒结构示意图 封堵器橡胶筒结构设计中,橡胶筒外径,有效密 861 综 述 2017 年第 2 期 (第 30 卷,总第 148 期)机械研究与应用 收稿日期:2017-03-09 作者简介:李振北(1986-),男,内蒙古突泉人,工程师,主要从事管道内检测器和封堵器的结构设计方面的工作。 万方数据 封长度,径向厚度,挤压楔形角和封堵端圆角几个重 要设计参数对密封过程的成败起到了关键作用6。 图 3 所示为橡胶筒结构参数示意图,表 1 给出了各结 构参数的名称。 其中,橡胶筒外径和有效密封长度根 据被封隔管段管道外径和壁厚值,管内结垢、结蜡和 杂质情况共同决定。 外径尺寸既要求具备在直管变 形和弯头中具备一定的通过能力,又不能太小以免增 加执行机构的动作行程无法实现有效密封,通常取值 区间为管道内径的 90% 95%。 径向厚度根据承压 盘缸套外径进行设计,要满足橡胶材料的轴向密封条 件。 挤压楔形角及封堵端圆角值取值要保证在挤压 盘和承压盘高压作用下,橡胶筒能径向膨胀并与管道 内表面形成高压接触,起到密封管内介质的作用,满 足管道封堵的技术要求7。 图 3 橡胶筒结构参数 表 1 橡胶筒结构参数与对应名称 名称外径 有效密 封长度 径向 厚度 挤压楔 形角 封堵端 圆角 符号RLBR 2 密封结构的发展 20 世纪 90 年代挪威 PSI 公司(2005 年被 T. D. Williamson 公司收购)提出和开发的一种用于管内的 高压封堵技术8。 PSI 公司设计开发的双模块 762 mm(30 Inch)封堵器也是世界上首套管内高压封堵 装置,该封堵器具备能通过曲率半径为 1. 5 D 的弯 管;斜接角为 22. 5的斜管;有效隔离期大于 12 个 月9。 并于 1999 年 11 月初成功地实现安装在阿布 扎比海 Zakum 油田,实现对中部石油管线隔离封堵 清洗,待完成了至达斯岛(Das Island)长度为 80 km 的管线后顺利回收了该封堵器10。 如图 4 所示该封 堵器的封堵密封结构采用横截面为梯形的单筒橡胶 密封结构。 随着近年来国外和国内石油天然气管道行业的 飞速发展,高钢级大口径管道的不断投产运行。 尤其 是高压天然气管道及海底管道管内封堵工艺对封堵 器和密封结构提出了更为严格的使用要求。 管内封 堵器及其密封结构向着更加安全可靠的双密封结构 方向发展。 其中具有代表性的封堵器为 T. D. Wil- liamson 公司最新设计的搭载有 SmarttrackTM监控系 统的新一代 SmartPlug 管内高压封堵设备(如图 5 所 示)和 STATS Group 公司所设计的 Tecno Plug 系列管 内封堵设备11如图 6 所示。 图 4 PSI 公司的世界首套 图 5 T. D. Williamson 公司的 管内封堵器SmartPlug 管内高压 密封结构封堵设备 SmartPlug 系列管内高压封堵设备密封结构设 计上采用双节密封封隔模块串联设计,即利用两 节密封封隔模块上的橡胶筒同时进行密封,满足 高压天然气管道的封堵要求。 即当两节密封封隔 模块上的橡胶筒按照控制程序逐级进行密封封 隔,进而在原有基础上提高封堵的安全性。 如图 7 所示为双节串联密封封隔模块对管道完成密封封 隔示意图。 图 6 STATS Group 公司所设 图 7 双节串联密封封隔 计的 Tecno Plug 系列模块封堵器密封 管内封堵设备工作原理 与 T. D. Williamson 公司的 Smarttrack 系列封堵 器不同的是 STATS Group 公司的 Tecno Plug 系列封 堵器采用单模块双橡胶筒的密封结构形式(如图 8 所示)。 图 8 单模块双橡胶筒封堵器密封工作原理 961 机械研究与应用2017 年第 2 期 (第 30 卷,总第 148 期) 综 述 万方数据 即在一节密封封隔模块上同轴间隔装配两个密 封橡胶筒。 两个橡胶筒之间设置打压试压孔和压力 传感器等装置。 可在试压过程和现场作业过程中监 控两个密封胶筒封隔的三个环空管段内的压力数值 及变化情况。 为可能存在的泄漏安全隐患提供实时 安全预警,进而判断封堵是否成功及实时评估封堵的 安全可靠性。 3 密封结构对比分析 通过对 T. D. Williamson 公司 Smarttrack 系列和 STATS Group 公司 Tecno Plug 系列最新型管内封堵 器密封结构进行对比分析和研究,发现与早期的管内 封堵器相比,都具有如下优点: (1) 均采用双胶筒密封结构串联布置的形式,在 原有单橡胶筒密封基础上,提高了封堵过程的安全性 和可靠性 (2) 封堵过程中可实时监控双橡胶筒分隔的三 段管段内压力数值及压差变化情况,为判定是否封堵 成功提供技术保障,并可根据压力和压差变化情况为 封堵过程中可能存在的泄漏风险提供实时预警和判 断。 但两家公司不同的密封结构设计形式又具有其 各自独特的技术特点: (1) T. D. Williamson 公司 Smarttrack 系列管道智 能封堵器采用传统的双坐封封堵模块串联形式,方式 简单技术成熟。 但由于采用双节串联形式,成倍增加 了坐封,解封过程中的电能消耗,且控制信号的跨节 传输通畅与否直接关系到坐封和解封能否成功完成。 而且封堵器长度的增加可能会受制于封堵管段收发 球筒长度的限制而无法完成封堵施工。 (2) STATS Group 公司 TecnoPlugTM系列采用单 节锚定封堵模块带双橡胶筒设计形式,在没有显著增 大封堵器轴向尺寸条件下,执行机构一次执行动作就 可实现两道密封圈同时密封的功能,且全部功能高度 集成于一体,增加了封堵密封的安全性。 与单密封橡 胶筒结构相比,对执行机构控制和位移的精确性提出 了更高的技术要求。 4 结论与展望 通过对国外油气管道内封堵器及其密封结构发 展状况进行跟踪研究,介绍了管内封堵器橡胶筒密封 结构参数的设计理论。 同时基于对两种国外最新型 封堵器密封结构进行详细的对比分析,阐述其自个具 有的优势和特点。 明确了双橡胶筒封堵器密封结构 是油气管道封堵器未来的发展方向。 并随着机电液 一体技术及传感器控制技术的发展和人工智能的不 断完善,双橡胶筒密封封堵结构会是管道智能封堵器 设计的必然趋势。 这一目标的明确,对于国内该领域 的理论研究,试验分析和工业化应用具有重要的指导 意义。 参考文献: 1 樊文斌,张仕民,张 策,等. 管内高压智能封堵器设计J. 石 油机械,2008,36(9):213-215. 2 樊文斌. 管内高压封堵器封堵能