油氣管道維搶修專用夾板閥的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

袁會(huì)贊 張寶強(qiáng) 宋錦 夏國(guó)發(fā) 王媛媛

1中國(guó)石油管道局工程有限公司維搶修分公司

2中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司

管道不停輸開孔封堵是一種常見的管道維搶修施工方法，它能在不間斷管道介質(zhì)輸送的情況下完成對(duì)管道的更換、移位、換閥及增加支線的作業(yè)，也可以在管道發(fā)生泄漏時(shí)，對(duì)事故段進(jìn)行快速、安全的搶修[1-2]。在管道不停輸開孔封堵施工中要使用專用閥門，專用閥門的作用是用于連接管道開孔接合器、封堵結(jié)合器和封堵三通，利用閥門的啟閉實(shí)現(xiàn)開孔機(jī)和封堵器的安裝和拆除。該閥門在水平和垂直管線均可安裝使用。

1 管道維搶修工藝

管道不停輸開孔封堵施工方法廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道維搶修和管道改造工程中。所采用的主要設(shè)備有封堵頭、封堵三通、夾板閥、封堵接合器、開孔結(jié)合器、開孔筒刀、開孔機(jī)等[3]。主要施工工序?yàn)椋汗艿罍y(cè)厚→焊接封堵三通管件→安裝夾板閥和開孔機(jī)→設(shè)備試壓→開孔→安裝封堵器進(jìn)行封堵作業(yè)→管道放空→割管連頭→新管道置換→啟封投產(chǎn)→下塞堵→拆閥門、裝盲板→舊管道拆除[4]。

在開孔封堵工藝中，開孔完成后，利用開孔機(jī)將開孔筒刀取出，并利用封堵器將封堵頭送入開孔的管線內(nèi)，阻斷管線內(nèi)介質(zhì)流通。此過(guò)程中利用結(jié)合器、夾板閥、三通等實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)接，從而完成對(duì)管道的封堵作業(yè)（圖1），作業(yè)過(guò)程中需要各零部件尺寸相互配合，才能確保封堵頭對(duì)管道實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏封堵[5]。

圖1 開孔封堵作業(yè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of holing and plugging operation

2 專用夾板閥的設(shè)計(jì)

管道維搶修專用夾板閥的設(shè)計(jì)可分為主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，這兩部分的有機(jī)結(jié)合才能保證夾板閥的主要功能和密封效果。

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾板閥是封堵過(guò)程中的專用閥門，夾板閥利用閘閥的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)開孔封堵過(guò)程中介質(zhì)的阻斷，閥芯關(guān)閉時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)密封并承受介質(zhì)的壓力。閥門關(guān)閉后，才可以移除開孔機(jī)、封堵器等設(shè)備。

夾板閥通常由上、中、下三片閥體和閥芯、絲杠等主要部件組成，也稱為三明治閥門（圖2）。其中，中閥體開孔位置和尺寸要保證封堵過(guò)程中筒刀和封堵頭的順利通過(guò)。

上、中、下三片閥體利用螺栓連接并實(shí)現(xiàn)壓緊密封，利用絲杠旋進(jìn)和旋出拉動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)中閥體與上下閥體的貫通，從而實(shí)現(xiàn)閥體的開啟和關(guān)閉。閥門絲杠利用液壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)有旁通壓力平衡閥組件。當(dāng)閥門開啟或關(guān)閉時(shí)，首先打開旁通壓力平衡閥，使得閥門進(jìn)、出端壓力達(dá)到平衡，這樣開啟或關(guān)閉閥門時(shí)更輕松，省力。旁通壓力平衡閥組件選用標(biāo)準(zhǔn)配件可直接更換。限位導(dǎo)向板采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)，該浮動(dòng)限位導(dǎo)向板具有兩種功能：當(dāng)閥門在水平安裝使用時(shí)，閘板開啟過(guò)程中承載閘板的質(zhì)量而避免閘板的重力作用在閥桿上而降低閥門使用壽命，同時(shí)對(duì)閘板起導(dǎo)向作用；當(dāng)閘板開啟時(shí)，限制閥座在彈簧預(yù)緊力的作用下產(chǎn)生位移而脫離閥座孔。

圖2 夾板閥的主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of main structure of splint valve

2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上、中、下閥體應(yīng)用長(zhǎng)螺栓和螺母緊固連接，閥體之間利用密封圈密封，閥芯在中閥體的長(zhǎng)圓形空腔內(nèi)移動(dòng)，完成閥門開啟和關(guān)閉的功能。由于夾板閥的這種密封結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式在開啟與關(guān)閉時(shí)最易損傷閥芯的密封圈，夾板閥維護(hù)保養(yǎng)程序復(fù)雜，耗時(shí)耗力。針對(duì)此種情況對(duì)夾板閥的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在上、下閥體上的密封采用了壓片壓緊式新型密封結(jié)構(gòu)形式[6-7]。

設(shè)計(jì)閥門密封結(jié)構(gòu)時(shí)，其中最關(guān)鍵的步驟之一是確定閥門結(jié)構(gòu)中三片閥體之間的間隙配合。由于三片閥體靠壓緊密封圈實(shí)現(xiàn)整體密封無(wú)泄漏，三者之間的間隙尤為重要，要保證閥體在三種工作狀態(tài)下密封壓縮量達(dá)到15%～25%之間，這三種狀態(tài)下密封圈的壓縮量隨間隙的調(diào)整而不同。

（1）工作狀態(tài)夾板閥開啟，腔內(nèi)無(wú)壓力，此時(shí)閥芯收回至閥體內(nèi)，上、下密封圈的壓縮量?jī)H考慮閥體之間間隙和閥體質(zhì)量即可，此時(shí)的極限位置閥體間間隙偏差全部集中到下閥體與中閥體之間，二者之間壓縮量最大，約25%，間隙最小。

（2）工作狀態(tài)夾板閥關(guān)閉，考慮此時(shí)的極限狀態(tài)，此時(shí)下閥體腔內(nèi)充滿壓力，利用閥芯的密封阻斷介質(zhì)，此時(shí)中閥體與上閥體之間間隙最小，閥體的間隙偏差全部集中到上閥體和中閥體上，精準(zhǔn)控制密封槽加工精度，從而保證密封圈的壓縮量。

（3）工作狀態(tài)是帶壓狀態(tài)時(shí)，夾板閥開啟，上、下閥體內(nèi)充滿介質(zhì)，此時(shí)密封圈的壓縮量和第一種狀態(tài)相同。

3 夾板閥主要部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 閥芯厚度的計(jì)算

管道維搶修夾板閥主要用于管道的帶壓封堵作業(yè)，是一種非標(biāo)閥件。需根據(jù)夾板閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作狀態(tài)，選擇合適的計(jì)算方法和計(jì)算公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

分析夾板閥的工作場(chǎng)合，根據(jù)夾板閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，夾板閥的閥芯厚度計(jì)算可參考受內(nèi)壓或外壓的無(wú)孔或有孔已被加強(qiáng)的平蓋設(shè)計(jì)[8]，夾板閥屬于有孔的長(zhǎng)圓形平蓋結(jié)構(gòu)，閥芯厚度按照?qǐng)A形平蓋公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，公式如下：

式中：Dc為平蓋計(jì)算直徑，mm；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，具體查GB150—1998 中表7-7；pc為計(jì)算壓力，取10 MPa；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)。

利用上式分別計(jì)算設(shè)計(jì)壓力和試驗(yàn)壓力兩種狀態(tài)閥芯的厚度，取較大值。

3.2 中閥體內(nèi)徑和長(zhǎng)度的計(jì)算

夾板閥閥孔內(nèi)徑要保證封堵頭和筒刀及三通塞柄的順利通過(guò)，不能劃傷封堵頭皮碗和塞柄密封圈，閥體內(nèi)腔不能由明顯凸出和尖角棱線，一般大于三通通徑約10～15 mm。綜合幾個(gè)配套設(shè)備的外徑尺寸確定夾板閥的閥孔內(nèi)徑，用閥孔內(nèi)徑與密封面及閥芯外徑的關(guān)系確定閥芯外徑。根據(jù)閥體的工作特點(diǎn)，閥體與三通法蘭連接，閥體的連接螺栓和中心距與三通法蘭選取相同規(guī)格、壓力等級(jí)的即可。

（1）綜合考慮筒刀、封堵頭和塞柄部分的尺寸，先初步確定閥腔半圓部分φ閥腔，根據(jù)夾板閥的工作特點(diǎn)，夾板閥使用過(guò)程中打開閥門狀態(tài)時(shí)要保證閥芯完全收入中閥體的腔內(nèi)，夾板閥的直邊部分要有足夠的空間容納閥芯，從而確定直邊長(zhǎng)度，兩側(cè)半圓可采用相同尺寸。

（2）中閥體承受內(nèi)壓時(shí)從受力狀態(tài)分析直邊段是整個(gè)閥體的最薄弱位置，目前尚無(wú)長(zhǎng)圓厚度設(shè)計(jì)模型可以參考計(jì)算，厚度可參照閥芯計(jì)算厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。夾板閥屬于有孔的長(zhǎng)圓形壓力容器，可參照長(zhǎng)圓形截面容器進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，容器側(cè)板厚度需相等，兩半圓厚度也需相等。對(duì)設(shè)計(jì)完成后的中閥體結(jié)構(gòu)分別對(duì)半圓部分和直側(cè)板的薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和總應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算。

（3）上、下閥體的厚度可參照三通法蘭相同規(guī)格壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)要校核直邊段，保證閥芯能夠完全收回至中閥體空腔內(nèi)，滿足使用要求的同時(shí)盡量減少直邊段的長(zhǎng)度。

3.3 閥板開啟力與絲杠直徑確定

當(dāng)閥芯受內(nèi)壓力時(shí)，絲杠拉動(dòng)閥芯開啟所需要的開啟力計(jì)算公式為

式中：Q為閥體密封狀態(tài)的開啟力，N；φ為上、下閥體貫通部位開孔直徑，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa。

絲杠直徑的計(jì)算公式為

式中：d為絲桿直徑，mm；[σ]為絲桿的許用應(yīng)力，MPa；F為絲桿承受的軸向力，N。

此外，需要注意的是絲杠材料強(qiáng)度應(yīng)低于閥芯材料，避免二者發(fā)生咬緊，旋出困難，過(guò)度磨損絲杠。絲杠長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要保證在閥板最大旋合長(zhǎng)度完成規(guī)定動(dòng)作，最小旋合長(zhǎng)度至少1 倍絲杠直徑，保證絲杠旋出到最外距離時(shí)不脫扣。

4 有限元分析

對(duì)大口徑φ1 016 mm 夾板閥利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，同時(shí)考慮密封變形，要保證閥體的剛性，通過(guò)多次厚度調(diào)整，最終確定閥體的厚度[9-10]。

通過(guò)理論分析得知，選用鍛件35CrMo 材質(zhì)，上、下閥體壁厚為160 mm，中閥體壁厚為130 mm，即可滿足強(qiáng)度要求。但由于閥體厚度的減小導(dǎo)致夾板閥剛度難以保證，從分析結(jié)果可以看出最大變形量為2.4 mm，導(dǎo)致閥體的密封失效，無(wú)法保證應(yīng)用和安全性。對(duì)閥體逐步加厚進(jìn)行多次有限元結(jié)構(gòu)分析，當(dāng)上、下閥體厚度增加到200 mm，中閥體厚度增至170 mm 時(shí)，夾板閥的整體強(qiáng)度和剛度滿足工作壓力10 MPa 的要求，整體變形量為0.066 mm，滿足密封要求。圖3 和圖4 為ANSYS 有限元分析的等效應(yīng)力圖和位移圖。

圖3 1/4 模型等效應(yīng)力圖Fig.3 Diagram of Von Mises stress of 1/4 model

圖4 1/4 模型位移圖Fig.4 Displacement diagram of 1/4 model

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用此設(shè)計(jì)方法已完成了168 mm～1 016 mm等全系列夾板閥的設(shè)計(jì)，并成功應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)。工作壓力10 MPa、管徑1 016 mm 的夾板閥已在西氣東輸輪南壓氣站帶壓開孔動(dòng)火連頭工程和其他管道維搶修工程中多次得到應(yīng)用（圖5），成為管道維搶修開孔封堵作業(yè)中的標(biāo)配設(shè)備。工程實(shí)踐證明，采用該夾板閥維修和維護(hù)非常方便，即節(jié)約了維修和維護(hù)的費(fèi)用，降低了現(xiàn)場(chǎng)吊裝夾板閥的施工成本，又節(jié)省了人力和物力，提高了工作效率，體現(xiàn)了維搶修工藝應(yīng)急搶險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)，有較大的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 夾板閥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.5 On-site application of splint valve

6 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)油氣管道開孔封堵的施工工藝要求設(shè)計(jì)的油氣管道維搶修專用閥門，能夠滿足管道帶壓開孔封堵的需要，且使用維護(hù)方便，得到了廣泛應(yīng)用。

（2）由于夾板閥結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建議現(xiàn)場(chǎng)先將管內(nèi)介質(zhì)降壓至5 MPa 以下，減少壓力過(guò)高對(duì)螺栓、閥體變形的影響，從而避免密封泄露。

（3）夾板閥使用之前對(duì)全部螺栓和密封圈進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，并模擬現(xiàn)場(chǎng)旋進(jìn)絲杠時(shí)確保絲杠拉動(dòng)閥門閥芯過(guò)程中運(yùn)用靈活。