不停輸帶壓更換高壓球閥裝置

王振洪中石化天然氣川氣東送管道分公司，湖北武漢430020

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不停輸帶壓更換高壓球閥裝置

王振洪
中石化天然氣川氣東送管道分公司，湖北武漢430020

摘要：天然氣長輸管道在運行過程中，各類旁通和支管上的高壓球閥容易出現(xiàn)閥體泄漏、閥門內(nèi)漏、無法注脂保養(yǎng)等一系列問題，為了妥善解決這類問題，依據(jù)此類閥門一端可以泄壓放空的特點，研制了一套從閥門一端進行軸向封堵、更換閥門的裝置。該裝置主要由封堵頭、操作桿、高壓密封倉、分瓣式橫梁、連接螺桿、環(huán)形卡箍等部分組成。在高壓密封倉的封閉狀態(tài)下，通過分瓣式橫梁和操作桿把穿過待更換閥門的封堵頭推送到管道內(nèi)的封堵位置，而后旋轉(zhuǎn)操作桿使封堵頭受到擠壓膨脹，實現(xiàn)對管道的壓力封堵，然后更換下有問題的閥門。該裝置按照DN50球閥的尺寸進行設計并制作出實物后，在現(xiàn)場進行試驗，成功地完成了帶壓更換閥門的工作。該裝置優(yōu)點在于不用停輸干線，不用焊接動火，可以在線帶壓更換與干線相連的旁通和支管上的球閥。

關鍵詞：天然氣長輸管道；不停輸；帶壓更換；高壓球閥；裝置

天然氣長輸管道在旁通流程和支管上經(jīng)常用到各類高壓縮徑球閥，在長時間運行過程中，這些閥門經(jīng)常出現(xiàn)閥體泄漏、閥門內(nèi)漏、砂眼、法蘭泄漏、無法注脂保養(yǎng)等一系列問題，現(xiàn)場除了采取臨時措施暫時緩解這些問題外，還需徹底解決這類閥門處的安全隱患，就需要更換新的閥門。由于這類閥門一般都與天然氣長輸管道主干線直接相連，承受的壓力高，且管道內(nèi)氣體又屬于易燃、易爆介質(zhì)，因此為了確保作業(yè)安全，傳統(tǒng)的方法是停輸干線，放空、置換后更換新的閥門。這樣做不但嚴重影響管道的正常運行，而且還勢必造成大量的資源浪費，特別是高壓天然氣管道，一次這樣的操作至少需要放空幾十萬立方米的天然氣。雖然目前也有一種帶壓開孔、封堵的技術［1- 2］，可以實現(xiàn)不停輸帶壓更換閥門，但是對于這類旁通閥門，往往存在壓力高、管壁薄、閥門縮徑、作業(yè)空間狹窄、直管段長度小、沒有開孔封堵位置等問題，無法進行帶壓開孔、封堵作業(yè)。不過此類閥門也有一個特點，就是與天然氣管道干線相連的一端始終帶壓，而另一端一般都可以泄壓放空。根據(jù)這個特點研制了這套從閥門一端進行軸向封堵、更換閥門的裝置，該裝置可以在不用停輸、放空干線，也不用動火焊接的情況下，在線帶壓更換與干線相連的旁通和支管上的球閥。裝置全部采用機械原理，具有安全可靠、密封點少、安裝方便、操作簡單、效率高、作業(yè)周期短等特點，而且不會影響干線的正常運行，更重要的是裝置采取在外部間接固定封堵頭的方式解決了閥門內(nèi)徑小、縮徑造成的封堵頭無法在管道內(nèi)部牢固卡堵的問題，使操作更加安全、可靠［3］。

1　裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

整個裝置［4］主要包括封堵頭、操作桿、高壓密封倉、分瓣式橫梁、連接螺桿、環(huán)形卡箍等，詳細結(jié)構(gòu)和實物照片如圖1和圖2所示。高壓密封倉通過高壓法蘭與需要更換的縮徑球閥連接起來，連接螺桿的一端通過環(huán)形卡箍上的耳翼始終與待更換閥門前面的管道緊固連接，另一端用來安裝固定分瓣式橫梁和操作桿，并通過操作桿把封堵頭推送到封堵位置進行封堵和固定。

圖1　帶壓更換閥門裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2　帶壓更換閥門裝置實物照片

封堵頭是一種專門為更換縮徑球閥研制的新型封堵結(jié)構(gòu)，見圖3。封堵原理是在操作桿的推動下，封堵頭被移送到需要更換閥門前面的管道處，然后轉(zhuǎn)動操作桿，使封堵頭擠壓膨脹實現(xiàn)對管道的壓力封堵，該封堵頭可以在擠壓作用下變細，從而順利通過內(nèi)徑較細的縮徑閥門，又可以在擠壓下膨脹變粗封堵住內(nèi)徑較粗的管道。

圖3　封堵頭結(jié)構(gòu)示意

高壓密封倉有上下兩個腔體，如圖4所示，下部腔體用來容納封堵頭，上部腔體用來安裝高壓機械密封組件，最上端設置有密封壓蓋，在上部腔體上設置有一個用來注密封脂的注脂嘴，在下部腔體上設置有一個帶閥門的放空口，整個高壓密封倉軸向可以穿插安裝操作桿。高壓機械密封組件由兩個高壓油封和一根彈簧組成，依靠注射的密封脂增強高壓密封倉與操作桿之間的密封性能。高壓密封倉通過高壓法蘭與需要更換的縮徑球閥連接起來，主要用來隔絕高壓天然氣，使之不外泄，同時又能夠確保操作桿既可以軸向移動，又可以環(huán)向旋轉(zhuǎn)。

圖4　高壓密封倉結(jié)構(gòu)示意

操作桿的形狀為逐步變細的臺階型，見圖5，下端有一段是空心的，而且通過內(nèi)絲與封堵頭連接在一起，中間部分穿過高壓密封倉，上端與分瓣式橫梁通過推力軸承相連，上端部分有一段外絲，可以安裝螺帽，最上端有一段截面形狀為正六邊形，方便扳手等工具卡住轉(zhuǎn)動操作桿。

圖5　操作桿結(jié)構(gòu)示意

分瓣式橫梁有兩根，見圖6，每根上均設置有三個大孔，中間孔穿操作桿，兩邊的二個孔穿連接螺桿，三個孔均采取間隙配合，橫梁側(cè)面設置有一對用來組裝用的小孔，兩根分瓣式橫梁均沿中間剖開分為兩半，使用時再用螺栓穿起來組裝到一起。另一根分瓣式橫梁的中間圓孔與操作桿的中間部分直徑配套，其主要用途是在閥門拆卸后，放置在閥門與管道法蘭之間，二次固定住操作桿，起到安全防護作用。

圖6　分瓣式橫梁結(jié)構(gòu)示意

環(huán)形卡箍依據(jù)閥門前面的管道外徑設置，主要是通過連接螺桿把封堵頭、操作桿、分瓣式橫梁等與管道牢固連接。環(huán)形卡箍剖分為兩個半環(huán)，見圖7。每個半環(huán)的兩邊都有一個帶徑向螺栓孔的連接耳翼，使用時把兩個半環(huán)抱在管道上，用螺栓扭緊固定。另外，在每個半環(huán)中間還設置有一個帶軸向圓孔的耳翼，連接螺桿穿過該軸向圓孔，并通過兩端螺帽與耳翼牢固連接。

連接螺桿有兩根，其一端通過環(huán)形卡箍上的耳翼與待更換閥門前面的管道緊固連接，另一端通過螺帽與分瓣式橫梁相連接，在螺帽和分瓣式橫梁之間設置有推力軸承，通過扭動螺帽來推動分瓣式橫梁移動，從而帶動操作桿和封堵頭軸向移動。

圖7　環(huán)形卡箍結(jié)構(gòu)示意

2　裝置使用方法

利用該套裝置進行閥門帶壓更換作業(yè)前，先要制訂安全技術方案措施，辦理相應的作業(yè)票據(jù)，準備好通風設備、正壓式空氣呼吸器等?，F(xiàn)場作業(yè)人員要熟練掌握裝置的使用方法和步驟，現(xiàn)場作業(yè)過程要注意不得磕碰，以避免產(chǎn)生火花，操作時人員嚴禁站在裝置的正前方。詳細的操作步驟如下：

第一步，安裝裝置。在放空、泄壓的前提下拆卸掉待更換閥門未與干線相連一側(cè)的法蘭和管道，把組裝好的裝置安裝到位，高壓密封倉與閥門法蘭連接，環(huán)形卡箍牢固地卡在待更換閥門前面的管道上，封堵頭處于高壓密封倉下部腔體內(nèi)。

第二步，進行封堵。關閉裝置放空口上的閥門，緩慢打開待更換的舊閥門，直到閥門完全處于開啟狀態(tài)，用棘輪扳手扳動連接螺桿上的螺帽，推動分瓣式橫梁向前移動，從而帶動操作桿和封堵頭也向前移動，當封堵頭被移送到需要更換閥門前面的管道處，操作桿下端面與管道上的法蘭面平齊時，就停止扳動連接螺桿上的螺帽，一般可以通過測量操作桿移動的距離和現(xiàn)場閥門實際尺寸來判斷二者是否平齊。然后用扳手轉(zhuǎn)動操作桿，擠壓封堵頭使之膨脹，實現(xiàn)對管道壓力的封堵。

第三步，拆卸舊閥門。待壓力被封堵住后，打開放空口上的控制閥門進行放空、泄壓，觀察5 min，確認已經(jīng)徹底封堵住沒有泄漏后，拆開待更換閥門與管道的法蘭連接，把法蘭墊片和閥門一起從管道法蘭上移開，同時在此空隙處安裝上另外一根分瓣式橫梁，確保該分瓣式橫梁卡住操作桿下端的凸臺，并用連接螺桿上的備用螺帽緊固住該分瓣式橫梁，從而確保操作桿和封堵頭被該分瓣式橫梁支撐固定牢固。

第四步，更換新閥門。卸掉裝置末端的分瓣式橫梁，把舊法蘭墊片、舊閥門、以及高壓密封倉一起從操作桿上抽出，見圖8。然后再依次把新墊片、新閥門、以及高壓密封倉重新穿到操作桿上，重新把分瓣式橫梁安裝上，支撐固定好操作桿。拆卸掉裝置前端的分瓣式橫梁，緊固好新閥門兩端與管道法蘭和高壓密封倉的法蘭連接。

圖8　舊閥門完全拆除后的照片

第五步，解堵。關閉放空口上的閥門，用扳手反方向轉(zhuǎn)動操作桿，使封堵頭不再擠壓膨脹，徹底解除對管道的封堵后，再用棘輪扳手反方向扳動連接螺桿上的螺帽，在管道內(nèi)壓的作用下，封堵頭、操作桿、分瓣式橫梁會一起向后退，當封堵頭完全進入高壓密封倉下部腔體后，關閉換上去的新球閥。

最后，拆除裝置，恢復流程。打開放空口上的控制閥門進行放空、泄壓，拆除全部裝置，把新閥門未與干線相連一側(cè)的法蘭和管道重新安裝恢復原狀。

3　裝置的特點

（1）裝置全部采用機械結(jié)構(gòu)，可靠性高，安全風險低。

（2）密封點少，作業(yè)過程介質(zhì)泄漏的風險小。

（3）整個裝置固定在待更換閥門的前面，在管道法蘭的阻擋下，作業(yè)過程相對安全。

（4）封堵頭始終由兩根分瓣式橫梁交替支撐固定，能夠保證封堵頭不會從管道中滑出。

（5）利用該裝置帶壓更換閥門，不需要停輸大量放空油氣資源，經(jīng)濟和社會效益可觀。

（6）裝置結(jié)構(gòu)尺寸小巧，非常適用于小口徑、作業(yè)現(xiàn)場空間狹窄時使用。

（7）采用軸向封堵技術，避免了帶壓開孔動火焊接的安全風險。

（8）采取在外部固定封堵頭的方式解決了封堵頭無法在內(nèi)部牢固卡堵的問題。

4　試驗應用情況

該裝置按照DN50縮徑球閥的尺寸設計制作出實物，然后模擬現(xiàn)場實際情況搭設了試驗平臺，依次進行了不帶壓試用、裝置強度試驗、封堵后升壓檢驗的靜態(tài)試驗、逐級帶壓試驗等，最終在8.2 MPa壓力下成功地帶壓更換了閥門。從試驗情況來看，作業(yè)過程操作簡單，安全可靠，而且不需要停輸、放空，也不用動火，作業(yè)在1 h以內(nèi)可以完成。在試驗條件下該裝置的封堵壓差可以達到10 MPa以上；封堵壓差在8 MPa時，經(jīng)過24 h的穩(wěn)壓觀察，封堵效果良好，沒有出現(xiàn)任何的泄漏和明顯的位移變形。

5　結(jié)束語

研究開發(fā)的這套帶壓更換閥門裝置，經(jīng)過實際帶壓試驗獲得成功，充分證明了該裝置在帶壓更換閥門上是完全可行的，能夠較好地解決油氣長輸管道旁通和支管上各類高壓球閥出現(xiàn)的閥體泄漏、閥門內(nèi)漏、砂眼、法蘭泄漏、無法注脂保養(yǎng)等一系列問題，裝置具有操作簡單、性能安全可靠等優(yōu)點。從裝置設計和制作成本來看也比較經(jīng)濟，只有幾千元，更重要的是目前國內(nèi)還沒有類似的裝備可供使用，技術有創(chuàng)新性。從試驗情況來看，目前雖然只在8.2 MPa壓力下進行成功的試驗，但從技術原理角度來看，完全可以在10 MPa條件下使用，不但可以在輸氣管道上應用，也可以在輸油管道上應用。

參考文獻

［1］尚萬寧，田建峰，楊東.不壓井更換閘閥技術在氣井維護中的應用［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（1）：98- 100.

［2］李蓮明，譚中國，龍運輝，等.帶壓更換天然氣井口采氣樹主控制閥新技術［J］.鉆采工藝，2007，30（3）：93- 95.

［3］王振洪，全愷，盧彥博，等.一種不停輸帶壓更換高壓縮徑球閥的裝置：中國，201520123737.2［P］.2015- 09- 02.

［4］郝木明.機械密封技術及應用［M］.北京：中國石化出版社，2010.

Device for Replacing High Pressure Ball Valve Under Non- stop Gas Transmission

WANG Zhenhong
Sinopec Sichuan to Eastern China Gas Transmission Pipeline Company，Wuhan 430020，China

Abstract：During pipeline operation process，a series of problems is easily to occur in high- pressure ball valves of kinds of branch pipelines and bypasses，such as valve leakage and being unable to inject grease for maintenance. According to the feature that the pressure of one end of the ball valve can be discharged，a device to block and replace ball valve in axial direction from the end of the valve is developed. The device consists of a blockage head，an operational rod，a high pressure seal chamber，split type beams，connection bolts，a ring clamp，etc. In the sealing state of the seal chamber，the blockage head is pushed through the needed replaced valve into the blockage position of the pipe by the operational rod. Next，rotating the operational rod squeezes the blockage head causing it expanding to block the pipe. Then the valve can be replaced. The device is designed and manufactured according to DN50 ball valve dimension，and its field test is successful. This device has the advantages such as non- stop transmission of trunk pipeline and no welding and ignition work needed. It can be applied to replace ball valves in branch pipeline and bypass under the pipeline operation condition in high pressure.

Keywords：long- distance natural gas pipeline；non- stop transmission；replacement under high pressure；high pressure ballvalve；device

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.020

作者簡介：

王振洪（1974-），男，河南澠池人，一級建造師，1996年畢業(yè)于西南石油學院油氣儲運專業(yè)，目前主要從事天然氣長輸管道維搶修工作。Email：wzh740903@163.com

收稿日期：2015- 12- 24