大口径管道封堵三通塞柄优化设计及应用

张吉昌，袁会赞，陶伟莉

(中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司，河北廊坊 065001)

0 引言

在管道不停输开孔封堵作业中，完成封堵后要移去开孔机和阀门。此时封堵三通主要通过塞柄结构实现承压密封，完成加盖盲板作业。为保证施工安全，塞柄结构至关重要。开孔封堵作业时要保持内外压力平衡,通常利用开孔机顶轴顶开钢珠实现塞柄上下贯通。Φ914 mm及以上封堵三通要采用1200型长行程开孔机实现开孔作业。1200型长行程开孔机顶轴直径大，伸出高度短。由于开孔机顶轴直径变大，利用原有内旁通结构，从加工工艺上，加工较短大尺寸螺纹孔难以实现，这样导致开孔机主轴不能通过上端螺纹孔并顶开密封钢球实现上下连通，为此需要对塞柄内旁通结构优化。

基于以上情况，根据配套设备的使用情况，主要针对Φ914 mm及以上规格管线封堵三通塞柄结构进行优化设计。设计的封堵三通塞柄满足长行程开孔机作业需要，提高了长行程开孔机的适用性，结构简单，便于加工，能够实现塞柄结构的多样化设计。

1 管道开孔封堵设备与施工工艺

管道不停输开孔封堵作业采用的主要设备有封堵头、封堵三通、夹板阀、封堵接合器、开孔筒刀、开孔机等。其主要施工工序为：管道测厚→焊接封堵三通管件→安装夹板阀和开孔机→设备试压→开孔→安装封堵器进行封堵作业→管道放空→割管连头→新管道置换→启封投产→下塞堵→拆阀门、装盲板→旧管道拆除[1]。

开孔机开孔完成后，需要提起筒刀，将封堵头通过结合器、夹板阀、三通等设备对管道进行封堵作业[2-3](图1)。该过程中，封堵三通塞柄是实现承压密封、加盖盲板的关键部件。

1—封堵接合器；2—夹板阀；3—封堵头;4—封堵三通

2 封堵三通塞柄的结构与工作原理

常用的封堵三通塞柄机构主要由塞柄、塞柄密封圈、塞柄上丝堵、球垫、钢珠、塞柄弹簧、塞柄下丝堵、塞柄接管等部分组成。封堵三通塞柄结构工作原理是在封堵完成后，利用开孔机将三通塞柄放置在三通法兰部位的腔体内，通过卡环结构固定三通塞柄的位置，并通过塞柄密封圈实现密封承压无泄漏，利用开孔机主轴顶住塞柄结构内的钢珠，压紧塞柄弹簧，从而实现塞柄上下连通，保证作业过程中上下压力平衡[4]。塞柄的另一个功能是实现开孔管道的完整性，塞柄下放到指定位置后，塞柄接管下端焊接开孔切割下来的油气管道上的鞍型板，鞍型板的位置要保证不能凸出到管线内部，防止管道检测时发生卡球故障。常规塞柄结构如图2所示。

1—塞柄；2—塞柄上丝堵；3—球垫；4—钢球； 5—塞柄弹簧；6—塞柄下丝堵；7—塞柄接管

3 大口径封堵三通塞柄优化设计

3.1 技术方案

封堵三通管线管径较小时,采用860/760型及以下规格开孔机进行作业,塞柄结构利用钢球顶住聚四氟乙烯垫实现密封。 作业时采用开孔机顶轴推动钢珠压缩弹簧实现上、下空间的连通,Φ914 mm及以上规格三通所用开孔机顶轴直径变大,伸出长度变短,需要原有塞柄上丝堵孔扩大才能使顶轴通过。而加工工艺很难实现短距离大尺寸密封螺纹孔的加工，需要设计新型结构来实现塞柄上下连通，在整个过程中实现塞柄密封和利用弹簧实现预定压缩为关键技术。

在以往施工作业中会出现拆除开孔机后管线介质在钢球处发生密封不严的泄漏现象，分析泄漏主要原因发现钢球发生锈蚀或加工质量问题导致钢球与密封垫之间不能实现紧密贴合。为解决泄漏问题，通过对塞柄结构功能分析，设计了锥面丝堵结构进行密封，然后对大口径塞柄结构从加工工艺、吊装、焊接等方面进行综合优化设计。设计锥面丝堵、压缩弹簧和密封垫片相配合实现密封，在上端增加塞柄压盖和吊耳，同时下端塞柄接管采用分体式与塞柄利用螺栓进行连接(图3)，解决了塞柄接管焊接过程中精准定位的难题。

1—塞柄；2—塞柄吊耳；3—塞柄压盖；4—塞柄弹簧；5—压盖螺栓；6—塞柄接管；7—塞柄接管连接螺栓

3.2 密封设计

塞柄内旁通的密封结构主要利用弹性密封实现封堵腔体内压力平衡，锥面丝堵密封设计代替钢珠压紧密封垫片。实现可调节密封，同时为保证长时间运行后密封垫片失效，在上端增加塞柄压盖实现双重保障。优化设计后的塞柄密封结构如图4所示。

1—塞柄压盖；2—压盖螺栓；3—压盖密封圈； 4—密封垫片；5—锥面丝堵；6—塞柄弹簧；7—塞柄丝堵

锥面丝堵上端采用斜面压紧密封垫，锥面丝堵下端套入弹簧内圈，实现弹簧的定位。弹簧的设计要保证一定的强度和稳定性，弹簧压紧力越大，密封效果越好，锥面丝堵如图5所示[5-6]。工作过程中能够确保顶轴压下锥面丝堵时，弹簧能够实现稳定压缩。

图5 锥面丝堵示意图

端面压盖结构通过O型密封圈实现密封，密封圈压缩比要保证承压与管线内介质压力一致，通过螺栓实现压盖与塞柄的固定。密封端盖下部中心为空腔，保证锥面丝堵上部能够进入其中，端面压盖通过螺栓与塞柄实现固定连接(图6)。

1—端面压盖；2—紧固螺栓；3—密封圈

3.3 塞柄与塞柄接管设计为螺栓连接

通常情况，为保证管道完整性，需要设计塞柄接管，用于将开孔作业时切下的鞍型板放置回管线开孔位置。

塞柄接管设计为带孔圆盘和接管构成的一体式焊接结构。在圆盘圆周方向设计螺栓孔，并在塞柄相同圆周上加工螺栓孔。塞柄接管结构和塞柄利用螺栓进行连接，避免焊接过程不能实现精准定位，且拆卸安装方便，能够实现快速安装(图7)。

1—塞柄；2—连接螺栓；3—塞柄接管

3.4 增加吊耳结构

大口径塞柄的质量随着管径和压力增大而增大，利用原有螺栓孔不能保证吊装过程的安全操作，为此在塞柄上端面增加了吊耳。 采用上述技术方案，加工了Φ914 mm封堵三通塞柄(图8)。

图8 Φ914 mm封堵三通

4 现场应用

2018年，优化设计后的三通塞柄在内蒙古大唐国际长输管道隐患整改项目中应用(图9)。该管线直径Φ914 mm，属于山区石方段施工，山高坡险，此技术的应用在保证工期和安全方面起到了积极的作用。按照要求完成了3.5 km管线安装和新旧管线不停输链接的任务。

图9 封堵三通塞柄现场应用

该结构优化完成后能够实现大口径三通的封堵开孔，并进行了系列化设计。此种塞柄结构的适用范围广，可应用于Φ914 mm及以上规格管径塞柄结构设计。

5 结束语

优化设计后的封堵三通塞柄满足了长行程开孔机作业的需要，提高了长行程开孔机的适用性。塞柄结构在满足内旁通的要求同时，能够实现塞柄的可靠密封。加工工艺简单，密封效果良好，已经实现了塞柄的系列化，为大口径三通的封堵开孔作业提供了设备保证。