管道泄漏及带压堵漏夹具设计

学术论文 2018-07-31 10:58:46
  1 概述 
  随着现代化学工业生产的发展,新技术装备的生产装置以及高水平管理方法逐渐应用于化工生产中,但受到流体介质腐蚀、振动、冲刷、温度、压力、密封材料以及焊接缺陷等因素影响,“跑、冒、滴、漏”现象依然较为常见。注剂式带压密封技术是现阶段管道泄漏带压堵漏技术中最为主要的一种,其选择合适的夹具安装在泄漏区域,泄漏区域外表面和夹具之间形成密封空腔,密封剂在压力作用下注入密封空腔,密封剂在短时间内固化,新的密封结构形成,从而发挥快速堵漏的作用。一般常用的密封注剂分为热固化密封注剂和非热固化密封注剂两类,前者在常温环境下处于固体状态,需要在一定温度状态下方可从塑料体向弹性体转化;后者在低温、常温和高温环境下用于动态密封操作,该类密封注剂一般制备为双组分腻状材料或者棒状固体,装入高压注枪备用,其填充性与注射工艺性在一定压力环境下较为突出,且可保持阀门开关功能。要想保证堵漏工作质量,操作人员不仅应严格遵循操作工艺,同时还应采用密封夹具,这也是注剂式带压密封技术操作中不可或缺的一部分,其加装于泄漏缺陷外部或者泄漏区域外表面,重新形成密封空腔,其作为一种金属受压元件直接承受注射密封剂压力以及泄漏介质压力,并用于包容密封剂。本文笔者着眼于密封夹具设计以及管道泄漏处理方面,探讨了带压堵漏夹具的设计。 
  2 密封夹具设计 
  在设计密封夹具时应结合泄漏环境以及具体条件,参考介质的压力与温度,选择相应的材料并合理确定结构。 
  2.1 选择密封夹具材质 
  应结合泄漏工况合理选定密封夹具材质,对泄漏介质、材料基本性能、泄漏温度以及泄漏压力等多种因素加以综合考量。通常无特殊要求时以普通碳素钢为主,该型材料具有良好的塑性和强度,二者配合较好,且特定温度下可保持优良的机械性能,满足夹具材质要求。常规碳素钢材质适应范围较广,切削加工较为简便,价格相对低廉,且具有优异的焊接性能。对于强酸强碱等一部分具有强烈腐蚀性的介质,夹具本体仅在注入密封剂的瞬间才与介质接触,以Q235钢材料为主的夹具亦可保持优良的机械性能。所以在制作密封夹具时可选择Q235钢这一较为常见的普通碳素钢,符合大多数介质泄漏情况下密封夹具的制作要求。对于高温泄漏介质而言,选择密封夹具时一般应考虑具有优异耐高温性能的同类设备材质以及不锈钢材质,以免金属受到高温作用或者应力因素影响而出现蠕变现象。 
  2.2 设计夹具结构 
  2.2.1 设计人员在设计密封夹具时应对如下四个因素予以充分的考虑:(1)夹具强度,通常情况下耳板焊缝强度、夹紧螺栓强度以及夹具本体强度是关系夹具整体强度的重要影响因素;(2)夹具刚度。密封夹具不仅应保持足够强度,同时还应具备一定刚度性能,以确保堵漏操作的有效性,延长夹具的使用寿命,确保夹具在高温高压状态下不会发生形变问题。通常来说,夹具设计厚度数值为强度计算厚度数值的2~4倍;(3)温度因素。高温效应下引发热膨胀,往往会导致夹具几何尺寸发生变化,因此高温环境下的密封夹具应注意尺寸设计,严格控制加工余量;(4)压力因素。一旦发生高温介质泄漏,在补救过程中应注意强化夹具封闭性能,例如选择在夹具卡环与法兰外边缘交接部分设置密封槽等。 
  2.2.2 夹具设计应符合如下条件:(1)密封夹具强度与刚度性能应达标;(2)泄漏区域和夹具之间应形成密闭空腔,并具备良好的封闭性能;(3)密封夹具应属于不少于2块的分体装置,以便于快速组合安装;(4)密封夹具上应设置内螺纹注剂孔,应合理设置孔的位置,保证足够的数量,确保密封注剂能够充填整个密封腔;(5)泄漏区域和密封夹具之间应保持适度间隙,一般以密封剂不外溢为准,精确数值应不超过0.3mm。 
  3 管道泄漏与应对策略 
  一般情况下管道泄漏多见于相邻管道连接区域、流体转向区域以及焊接部位,其中以法兰以及直管等典型部位最容易出现泄漏问题。 
  3.1 法兰泄漏与应对方法 
  3.1.1 钢丝围堵法。该方法适用于低压力的泄漏介质、间隙量均匀以及间隙较小的2个法兰的带压堵漏,可选择直接将螺栓专用注剂接头安放在拆下的螺栓上,其数量通常控制在2个以上。安装注剂接头时首先松开其中一枚螺母,妥善安装后快速拧紧螺母,然后开始安装另一注剂接头,不可同时松开两枚接头螺母,以免垫片密封比发生变化,引发泄漏量增加等不良问题,甚至会导致泄漏介质对外部压力过大而吹/冲走垫片,最终造成难以控制的严重后果。对于严重泄漏情况,可采取G形夹子方案,以保持均衡的密封比压。完成注剂螺栓安装工作后取铜丝(直径略小于法兰间隙)嵌入法兰间隙,然后将法兰外缘冲出唇口,从而良好地固定法兰间隙内的铜丝,进而形成新密封腔。上述操作完成后即可与高压注剂枪相连接并开展动态密封作业,从泄漏区域相反处开始依次注剂,泄漏点附近为注剂终点。 
  3.1.2 钢带围堵法。对于间隙略大且≤8mm的两个法兰,且介质压力<2.5MPa的情况下,可选择钢带围堵法开展动态密封作业,该操作对2个法兰同轴度要求相对较高,但并未严格要求法兰间隙均匀程度。通常情况下选择钢带的厚度和宽度保持在1.5~3.0mm、20~30mm,制作方法以焊接为主或者选择铆接方式亦可,2个接头下方应注意加设过渡垫片,同时应结合法兰尺寸确定所装注剂接头的具体数量。钢带安装操作时应在2个法兰间隙部位设置钢带,稍拧紧连接螺栓后将过渡垫片加入,确认完全包裹法兰间隙后将螺栓拧紧,完整密封空腔形成,此时即可开始动态密封操作,如图1所示:
1.jpg
   3.1.3 凸形夹具堵法。一旦泄漏法兰间隙超过8mm,同时介质压力超过2.5MPa,所用法兰夹具应具备耐高压性能、加工尺寸精确且具有良好的整体密封性能。该技术的应用较为广泛,用于动态密封作业具有较高的成功率。作业开始前应将旋塞阀安装在夹具上,旋塞阀应保持开启状态,作业人员选择在上风口进行操作,尽量避免与泄漏介质有过多接触。如果泄漏流量或者介质压力相对较大,则应采用压缩空气吹扫泄漏介质至一侧,亦可选择将长杆连接至夹具来间接操作,尽量避免操作过程中作业人员与泄漏介质的非必要性接触。夹具安装时注剂孔位置为2个法兰连接螺栓的中部,泄漏区域周围部分应设置若干注剂孔,其中注剂孔不可直接与螺栓对准,以免注剂浸入导致阻力升高。夹具螺栓应拧紧固定,法兰和夹具之间间隙数值最高不宜超过0.5mm。通常情况下应从距离泄漏事故点最远处开始逐次注入注剂,逐渐靠近泄漏区域,直至介质泄漏停止。该操作同样适用于管道带压堵漏。 
  3.2 直管泄漏与应对方法 
  直管泄漏位置一般位于对接两管的环向焊缝区域,其发生泄漏的原因主要为气孔、未焊透、夹渣或者裂纹等一系列焊接缺陷。而管壁也会因为流体介质振动、金属内部缺陷、介质腐蚀冲刷等各类因素影响而出现薄弱环节,进而发生腐蚀穿孔和泄漏的问题。该部分的密封夹具结构设计如图2所示:
2.jpg
  3.2.1 直管卡具。一般情况下对于公称直径不超过DN50的泄漏管道,同时泄漏介质具有较强的渗透性以及较高的压力,泄漏量较大,可考虑通过小直径直管卡具完成堵漏操作。 
  3.2.2 直管焊制夹具。对于公称直径超过DN50的泄漏管道,可直接利用直管焊制夹具进行堵漏,其结构类似于凹形法兰夹具,二者仅存在尺寸差别。 
  4 结语 
  (1)带压堵漏作业环境相对恶劣,劳动强度较高且作业时间长,操作过程中存在诸多不确定因素,而且作业风险较大,所以安全准备工作极为必要,充分分析作业中已存在的和可能发生的问题,切实落实安全保护措施;(2)带压堵漏具有极强的专业性,作业人员应具备充分的现场应变能力,并掌握扎实的机械专业知识,要求熟练应用带压堵漏各类工具,总而言之,带压堵漏对作业人员操作水平以及专业素质有较高的要求;(3)带压堵漏是特定条件和特定环境下的一项应急修补技术,对漏点进行带压堵漏处理也仅仅是临时应对方案,其操作难以避免地带有一定局限性和时效性。实际情况允许时作业人员应全面、彻底检修泄漏部位,将事故发生点“跑、冒、滴、漏”等现象予以彻底消除,才能从根本上改善设备运行质量,保障设备健康水平,这就要求我们合理制定检修计划,并不断提高设备检修维护技术与工艺水平;(4)作为一项新技术,带压堵漏方案有待于持续改进、逐步完善,带压堵漏并非适用于所有介质泄漏问题,因为造成泄漏的原因千差万别,单一方案无法做到全面应对。夹具设计质量直接影响着堵漏操作成功率以及夹具自身使用寿命,虽然我们已结合泄漏的实际情况和特点来设计出功能型式多样化的堵漏夹具,但应用于实践中依然难以避免地会遇到其他复杂情况。该项技术接触的介质以及泄漏部位存在较大差异,所以密封夹具设计合理性与堵漏作业成效之间有着密切的关联。我们应结合泄漏情况的差异来设计相应的夹具结构,同时还应进一步研究更复杂的情况,不断总结实践经验,改进和完善堵漏夹具结构,使之得到更广泛的应用。
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