油氣管道維搶修密封卡具的安全檢測與應(yīng)用

梁愛國，蔣華義，史建英，王玉龍，李 麗

(1.克拉瑪依紅山油田責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 3.西安石油大學(xué) 陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；4.新疆油田采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

油田日常生產(chǎn)運(yùn)行過程中，由于油、氣管道內(nèi)壁腐蝕或結(jié)垢等容易導(dǎo)致管道破損，對此采取的應(yīng)急維搶修技術(shù)主要是注劑式帶壓密封技術(shù)。該技術(shù)是采用特制密封卡具，在泄漏部位上重建1個(gè)新的密封結(jié)構(gòu)，迅速地彌補(bǔ)泄漏缺陷，達(dá)到阻止介質(zhì)外泄，實(shí)現(xiàn)良好密封的目的。該方法[1-5]適用介質(zhì)溫度和壓力范圍較廣，封堵操作較為簡便，已在國內(nèi)外得到廣泛推廣和應(yīng)用。

在注劑式帶壓密封技術(shù)施工應(yīng)用時(shí)，密封卡具承受的內(nèi)壓是泄漏到密封空腔內(nèi)的系統(tǒng)壓力和完成密封的密封劑擠壓力的合力，而管道會(huì)承受到來自卡具注膠槽內(nèi)密封劑擠壓力及管道本體和系統(tǒng)壓力的共同作用。其中，系統(tǒng)壓力是以均布載荷作用在卡具上，密封擠壓力是通過多個(gè)注劑孔注入到密封空腔內(nèi)，每個(gè)注劑孔附近承受密封劑流動(dòng)、填滿、壓實(shí)全過程，所表現(xiàn)的擠壓力是不同的。如果注劑的外部推力過大，或者控制不當(dāng)，則對管道和卡具產(chǎn)生極大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致管道或卡具發(fā)生形變，造成不可修復(fù)的破壞[6-10]。此外，卡具與泄漏部位外表面即管道的配合間隙的大小，也是影響密封作業(yè)成功率的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)場施工要求配合間隙越小越好，但泄漏結(jié)構(gòu)尺寸測量的準(zhǔn)確程度、卡具制造尺寸偏差、熱膨脹量計(jì)算的準(zhǔn)確性等因素都會(huì)使間隙量偏大，而過大的配合間隙，當(dāng)泄漏系統(tǒng)壓力過高、溫度過低時(shí)，會(huì)造成密封空腔內(nèi)的密封劑泄漏，造成密封作業(yè)失敗。

目前，國內(nèi)已對金屬卡具的設(shè)計(jì)及承壓能力進(jìn)行了大量的研究，并且分析了管道在圓形、方形、雙點(diǎn)、多點(diǎn)等多種破損缺陷形式下的承壓能力，同時(shí)對管道經(jīng)過帶壓焊接、帶壓纏繞、非金屬材料補(bǔ)強(qiáng)、密封卡具等方法補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)后的承壓能力進(jìn)行了評價(jià)[11-16]。而國外一些研究學(xué)者則對非金屬材料的密封卡具進(jìn)行了設(shè)計(jì)加工、承壓能力、材料性能等方面的分析。Sum，Djukic等[17-19]提出了1種使用非金屬復(fù)合材料制作密封卡具的新方法，并在室內(nèi)對破損的金屬管道進(jìn)行了注劑修復(fù)(樹脂密封劑)；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測試了管道修復(fù)后在短時(shí)間(修復(fù)后幾小時(shí))和長時(shí)間(1 000 h)的卡具耐壓、耐濕熱條件下的性能，以及夾板厚度、密封硬度、配合間隙等對卡具受力的影響，并對修復(fù)后管道在有流動(dòng)內(nèi)壓下的受力等情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了所設(shè)計(jì)卡具的強(qiáng)度和可靠性；Shamsuddoha, Islam 等[20-24]也對非金屬復(fù)合材料在油氣、地下、水下管線中修復(fù)的可行性和適用性進(jìn)行了分析，并對其修復(fù)后的力學(xué)性能及熱性能進(jìn)行了評價(jià)。

然而，國內(nèi)外大多數(shù)研究均集中在管道修復(fù)后對卡具的力學(xué)性能及密封性評價(jià)方面，對注劑密封施工過程中管道及卡具承壓能力的評價(jià)有待探討，對已加工的密封卡具，在施工前也缺乏完整的安全施工壓力、強(qiáng)度等穩(wěn)定性檢測以及密封性能測試環(huán)節(jié)，無法確?，F(xiàn)場施工過程中卡具的安全穩(wěn)定及作業(yè)成功率，存在一定的安全隱患，但這是在密封卡具加工出廠后、施工前必須要考慮的問題。

為此，本文提出了1種注劑式密封卡具的安全檢測方案，通過所設(shè)計(jì)的檢測平臺(tái)對密封卡具進(jìn)行出廠強(qiáng)度檢驗(yàn)、密封性能測試以及安全施工壓力測試，以解決現(xiàn)有技術(shù)中密封卡具存在安全隱患的問題，可有效避免因密封卡具安全性能不達(dá)標(biāo)而導(dǎo)致的密封作業(yè)失敗，為提高帶壓密封作業(yè)的成功率、確保施工安全可靠提供技術(shù)支撐。

1 密封卡具安全檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

1.1 檢測平臺(tái)結(jié)構(gòu)

本文提出的密封卡具安全檢測平臺(tái)，主要由管段夾持裝置、密封卡具組件、實(shí)驗(yàn)管段、液壓注劑系統(tǒng)以及壓力測量系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。平臺(tái)正常使用時(shí)，通過管段夾持裝置固定實(shí)驗(yàn)管段，在實(shí)驗(yàn)管段上安裝密封卡具，并接入液壓注劑系統(tǒng)和壓力測量系統(tǒng)，通過注劑觀察并測量實(shí)驗(yàn)管段及卡具受力變形情況，據(jù)此對卡具的密封性能、承壓性能、安全施工壓力等進(jìn)行測試。

管段夾持裝置如圖2所示，主要包括支撐部、容納部、防滑部和夾持部。支撐部，即支撐平臺(tái)；夾持部，分多個(gè)間隔地設(shè)置于支撐平臺(tái)上；容納部，容納實(shí)驗(yàn)管線以將實(shí)驗(yàn)管線固定在夾持部上；防滑部，設(shè)置于容納部內(nèi)以防止實(shí)驗(yàn)管線滑動(dòng)。通過夾持裝置固定實(shí)驗(yàn)管段，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。液壓注劑系統(tǒng)由注劑槍、高壓膠管、壓力表、液壓油泵及銜接部件等組成，主要作用是完成對整個(gè)系統(tǒng)密封劑的注入。壓力測量系統(tǒng)由壓力測量系統(tǒng)-1和壓力測量系統(tǒng)-2這2部分組成，主要作用是測量管道在不同形變壓力下的受力。壓力測量系統(tǒng)-1如圖3所示，是環(huán)向圍繞卡具密封空腔設(shè)置壓力傳感器而近似測量管壁壓力的測量系統(tǒng)，壓力傳感器分布均勻、安裝在密封空腔外側(cè)。該系統(tǒng)主要作用是測量密封空腔內(nèi)的壓力變化。壓力測量系統(tǒng)-2如圖4所示，是通過在管道內(nèi)壁與密封空腔對應(yīng)位置粘貼電阻應(yīng)變片來測量管道形變大小的測量系統(tǒng)，通過1個(gè)加裝攝像頭的機(jī)械臂完成對管道內(nèi)壁的定位打磨和貼片。該系統(tǒng)主要作用是測量管道內(nèi)壁的形變，結(jié)合壓力測量系統(tǒng)-1測量管道在不同形變下的環(huán)向壓力。

圖2 管段夾持裝置示意Fig.2 The diagram of pipe clamping device

圖3 壓力測試系統(tǒng)-1分布示意Fig.3 The diagram of pressure measurement system-1

圖4 壓力測試系統(tǒng)-2分布示意Fig.4 The diagram of pressure measurement system-2

1.2 檢測方法及原理

密封卡具安全檢測平臺(tái)的主要功能有：密封卡具出廠強(qiáng)度檢驗(yàn)、密封性能測試以及安全施工壓力測試，可以對所用密封卡具的各項(xiàng)性能提供可靠的檢驗(yàn)手段。

密封卡具出廠檢驗(yàn)包括外觀檢驗(yàn)和強(qiáng)度檢驗(yàn)。首先，對所加工密封卡具的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，使用游標(biāo)卡尺、千分尺測量輔助工具等對根據(jù)泄漏部位的現(xiàn)場勘測情況而設(shè)計(jì)加工的密封卡具的生產(chǎn)材料、各項(xiàng)尺寸(卡具內(nèi)徑、外徑、注劑孔距、槽寬、槽深等，不同類型卡具尺寸規(guī)格不同)等參數(shù)進(jìn)行外觀檢驗(yàn)；然后，對所加工密封卡具的耐壓強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試；將完好無損的實(shí)驗(yàn)管線固定放置于管線夾持裝置上，將待檢驗(yàn)密封卡具設(shè)置于實(shí)驗(yàn)管段上，連接液壓注劑系統(tǒng)，向密封空腔內(nèi)注入密封劑，分次(轉(zhuǎn)換注劑孔)勻速緩慢注入直至注滿為止，持續(xù)提高注劑壓力至密封卡具設(shè)計(jì)壓力的1.5～2倍并持續(xù)3～5 min，觀察卡具是否出現(xiàn)裂紋、變形等破壞，對卡具進(jìn)行耐壓試驗(yàn)測試；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和耐壓試驗(yàn)的測試結(jié)果，對比卡具設(shè)計(jì)要求，確定卡具性能是否合格。耐壓強(qiáng)度測試示意圖如圖5所示。

圖5 密封卡具耐壓強(qiáng)度測試示意Fig.5 The diagram of strength test of sealing clamp

卡具密封性能測試是在密封卡具完成檢測準(zhǔn)備操作之后，將有缺陷的實(shí)驗(yàn)管段的兩端分別用擋板進(jìn)行密封，使用卡具、液壓注劑系統(tǒng)對缺陷部位進(jìn)行注劑密封作業(yè)，以使實(shí)驗(yàn)管段的內(nèi)部形成密閉的密封空間；通過注液系統(tǒng)將水(油或其他適宜作為加壓介質(zhì)的液體)充滿密封空間，在密封管段內(nèi)持續(xù)施加高于管段最高使用壓力的試驗(yàn)壓力并維持20～30 min，檢查密封管段在試驗(yàn)壓力下是否有滲漏及明顯的變形或其他缺陷，確定卡具的密封性能。測試示意圖如圖6所示。

圖6 密封卡具密封性能測試示意Fig.6 The diagram of seal performance of sealing clamp

安全施工壓力測試是對密封注劑過程中管道所能承受的最大彈性壓力進(jìn)行測試，通過在實(shí)驗(yàn)管段和密封卡具上設(shè)置壓力監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測實(shí)驗(yàn)管段和密封卡具的壓力變化情況。將壓力測試系統(tǒng)-1和壓力測試系統(tǒng)-2與待測管段(帶有裂縫、圓孔等缺陷的管段)連接，用液壓注劑系統(tǒng)持續(xù)向密封空腔注劑，通過壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡接收數(shù)據(jù)信號(hào)，完成對注劑過程中測試點(diǎn)的壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集、分析運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果分析確定管段失效(管段內(nèi)壁應(yīng)變片產(chǎn)生臨界變形或管段破損)的臨界情況，確定不同管線材質(zhì)、管徑、裂縫及穿孔等缺陷下安全施工壓力的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)中的注劑過程如圖7所示，實(shí)驗(yàn)管段的應(yīng)變片布置方案如圖8所示。

圖7 安全施工壓力實(shí)驗(yàn)?zāi)M注劑過程示意Fig.7 The diagram of injecting sealant process of safety injection stress experiment

圖8 實(shí)驗(yàn)管段泄露缺陷的應(yīng)變片布置方案示意Fig.8 The diagram of strain gauge arrangement plan of experimental pipe with crack fault

2 檢驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 室內(nèi)檢驗(yàn)

2017年10月，新疆克拉瑪依油田采油一廠的1段集油管線發(fā)生泄漏，經(jīng)現(xiàn)場勘測，發(fā)生泄漏的管段管道外徑是273 mm,壁厚為7 mm，泄漏缺陷為腐蝕產(chǎn)生的直徑約40 mm的不規(guī)則圓孔。根據(jù)情況，需要及時(shí)進(jìn)行帶壓密封作業(yè)對泄漏管線進(jìn)行維搶修。在設(shè)計(jì)加工了合適的密封卡具之后，依據(jù)所提出密封卡具安全檢測方法及平臺(tái)，在室內(nèi)對該卡具進(jìn)行了安全性能檢驗(yàn)。

2.1.1 密封卡具的外觀及強(qiáng)度檢驗(yàn)

首先，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對該卡具的外觀、尺寸等參數(shù)進(jìn)行了校核；其次，依據(jù)檢測原理，按照圖5所示連接相關(guān)設(shè)備；然后，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成對該密封卡具的耐壓強(qiáng)度測試。注滿密封劑后提高注劑壓力至卡具設(shè)計(jì)壓力的1.5倍并持續(xù)5 min，卡具并未出現(xiàn)裂紋、變形等破壞，確定卡具安全質(zhì)量合格。結(jié)果如表1所示。

2.1.2 卡具的密封性能測試

依據(jù)檢測原理對所用密封卡具的密封性能進(jìn)行測試，如圖6。首先，根據(jù)管徑大小將實(shí)驗(yàn)管段中間部分均勻鉆開2～4個(gè)圓形螺紋式開口，管段兩端用擋板焊接牢固，一側(cè)擋板有開口并用較小管徑的管線連接，兩側(cè)

表1 密封卡具外觀及強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of appearance and strength test of sealing clamp

分別安裝壓力儀表與出水管線；其次，將待測密封卡具安裝在準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)管段上，通過液壓注劑系統(tǒng)向卡具內(nèi)注入密封劑，使密封劑完全充滿注膠倉，注滿膠倉后，拆去液壓注劑系統(tǒng)；然后，按照圖6連接各管線及閥門，進(jìn)行加壓測試，關(guān)閉閥-1，打開閥-2、閥-3，向密封管段內(nèi)注水，直到出水口有水溢出時(shí)，關(guān)閉閥-3、閥-2，同時(shí)開啟閥-1，用液壓油泵勻速緩慢升壓至最高工作壓力，確認(rèn)無泄漏后繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力，保持壓力30 min，隨后降到最高工作壓力下進(jìn)行檢查，檢查期間壓力保持不變；最后，經(jīng)過水壓試驗(yàn)后，確定卡具各部位無滲漏、無可見異常變形，試驗(yàn)過程中無異常的響聲，確定所用卡具的密封性能合格。

2.1.3 安全施工壓力測試

依據(jù)檢測原理對所用密封卡具的安全施工壓力進(jìn)行測試，現(xiàn)場照片如圖9所示。首先，使用工具在實(shí)驗(yàn)管段上開1個(gè)與現(xiàn)場勘測一致的圓孔(直徑40 mm)，并根據(jù)布置方案在管道內(nèi)外壁對應(yīng)區(qū)域粘貼應(yīng)變片(應(yīng)變片布置方案如圖8所示)，連接壓力測試系統(tǒng)-2(如圖4所示)；其次，將帶有傳感器開口的試驗(yàn)管段使用管段夾持裝置固定在試驗(yàn)平臺(tái)上，并在管段和卡具的對應(yīng)位置安裝平膜壓力傳感器，連接壓力測試系統(tǒng)-1(如圖3所示)，然后，使用液壓注劑系統(tǒng)注劑，直至密封劑完全注滿密封空腔(如圖7所示)，記錄注劑過程中密封注劑作用力及測試點(diǎn)的應(yīng)變片形變情況，測量管道外壁在一定密封注劑作用下的應(yīng)變值，計(jì)算Von Mises等效應(yīng)力，繪制密封注劑作用力與等效應(yīng)力的關(guān)系曲線(如圖10所示)；最后，確定缺陷管段失效的臨界情況，確定安全施工壓力。由于該管材的常溫屈服強(qiáng)度為342 MPa，因此有任何方向的應(yīng)力值超過該值，即視為管段失效；從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，該工況下管道可承受的最大密封注劑壓力為22 MPa，即安全施工壓力為22 MPa。

圖9 安全施工壓力測試現(xiàn)場Fig.9 Safety injection stress test

圖10 密封注劑作用力與等效應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.10 The equivalent stress under injection sealant pressure

2.2 現(xiàn)場應(yīng)用

通過對該密封卡具的室內(nèi)檢驗(yàn)，確定該卡具加工的安全質(zhì)量滿足現(xiàn)場使用的要求。遂對現(xiàn)場泄漏管段按照GB/T 26467—2011《承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施帶壓密封[25]，注劑壓力最大不超過22 MPa。施工結(jié)束后，該管道連續(xù)運(yùn)行24 h未再次發(fā)生泄漏事故。之后，每個(gè)月對管道定期巡檢，截止2018年9月，未出現(xiàn)任何泄漏情況，密封效果良好。

3 結(jié)論

1)依據(jù)注劑式密封技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，對油田現(xiàn)場發(fā)生泄漏的集油管線進(jìn)行了帶壓密封作業(yè)，結(jié)果表明所加工密封卡具的強(qiáng)度、密封性能可靠，現(xiàn)場安全注劑壓力不超過22 MPa，管道未發(fā)生二次破壞，且密封效果良好。

2)所提出的密封卡具安全檢測方案及建立的檢測平臺(tái)，滿足注劑式不動(dòng)火帶壓密封技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠?yàn)槊芊饪ň叩某鰪S安全質(zhì)量提供可靠的檢測手段，可以有效地確保施工過程中卡具的安全穩(wěn)定性及密封作業(yè)成功率。

3)工程上應(yīng)用時(shí)可考慮針對常見的易泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行密封卡具的應(yīng)急儲(chǔ)備，提前加工并質(zhì)檢相應(yīng)的密封卡具，以提高事故響應(yīng)效率，減少泄漏所造成的損失。