鄭亞飛1 賈永海2 李猛2 楊健3

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司； 2.西南管道昆明維搶修分公司；3.西南管道昆明輸油氣分公司

摘要：分析了對(duì)開(kāi)式搶修卡具的結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法,提出了改進(jìn)建議,并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,對(duì)于大口徑、高壓力管道對(duì)開(kāi)式搶修卡具的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：對(duì)開(kāi)式卡具；結(jié)構(gòu)；計(jì)算；優(yōu)化

據(jù)調(diào)研分析，中俄東線天然氣管道工程針對(duì)管線腐蝕、穿孔等大都采取搶修卡具作業(yè)。同時(shí)，漠河－大慶原油管道工程維搶修人員介紹了搶修卡具作業(yè)失敗案例，希望能夠提供相關(guān)解決措施和方案。為此，我們對(duì)常用的對(duì)開(kāi)式搶修卡具進(jìn)行了計(jì)算分析，對(duì)卡具傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，對(duì)比分析了卡具傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，以期為卡具設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 卡具結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法

1.1 卡具結(jié)構(gòu)

對(duì)開(kāi)式搶修卡具結(jié)構(gòu)主要由上殼體、下殼體、密封條、緊固螺栓螺母、吊耳、平衡孔、保護(hù)塊組成，詳見(jiàn)圖 1。上下殼體安裝到管道本體上，通過(guò)緊固螺栓螺母壓緊環(huán)向、橫向密封，實(shí)現(xiàn)管道泄漏區(qū)域的加緊密封，從而完成堵漏。

1.2 計(jì)算方法

（1）壁厚計(jì)算

卡具壁厚S 按式（1）計(jì)算：

式 中S 為 卡 具 壁 厚 （ 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 不 應(yīng) 小 于 6mm）， mm； p 為卡具設(shè)計(jì)壓力， MPa； D 為卡具直徑（注劑式卡具為管道本體外徑+2倍注劑厚度），mm； φ 卡具接頭系數(shù)； pL為泄漏介質(zhì)最高壓力，MPa； [δ]t為卡具材料的許用應(yīng)力（泄漏介質(zhì)溫度下）， MPa。

（2）耳板計(jì)算

耳板厚度按式（3）計(jì)算：

式中t 為卡具耳板厚度， mm； C 為卡具封閉空腔寬度， mm； L2為耳板雙螺栓孔中心至法蘭卡具外側(cè)面的距離， mm； α 為卡具耳板寬度， mm。

（3）螺栓計(jì)算

式中d1為最小螺紋直徑， mm，根據(jù)d1查取螺栓標(biāo)準(zhǔn)直徑； CK為預(yù)緊和剛度系數(shù)，取值1.5； n 為連接螺栓數(shù)量，個(gè)。

2 卡具結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)卡具結(jié)構(gòu)分析

（1）傳統(tǒng)卡具使用缺陷。一是安裝完畢后需要進(jìn)行焊接處理。對(duì)開(kāi)式搶修卡具通過(guò)螺栓緊固上下殼體耳板，實(shí)現(xiàn)密封作用，由于其僅通過(guò)單側(cè)密封條密封，為防止發(fā)生泄漏，需要對(duì)環(huán)向、耳板側(cè)、螺栓螺母處進(jìn)行密封焊。在泄漏帶壓情況下進(jìn)行焊接，具有一定的危險(xiǎn)性，同時(shí)其對(duì)溫度的敏感性使焊接質(zhì)量難以保證，易產(chǎn)生焊接裂紋而造成再次泄漏。二是高壓力、大口徑對(duì)開(kāi)式卡具厚而重。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，其厚度和重量增大，導(dǎo)致加工制造困難和安裝不便，進(jìn)而為后續(xù)焊接工作帶來(lái)困難。

（2）卡具失效原因。一是傳統(tǒng)卡具存在受力放大效應(yīng)。 在一個(gè)小裂紋或泄漏點(diǎn)情況下，形成了一個(gè)大的封閉空間，造成卡具本身受力大，進(jìn)而需要增大壁厚、螺栓直徑、整體質(zhì)量，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)。二是自然環(huán)境溫度低的地區(qū)(如東北/西北地區(qū)冬季)，在焊接作業(yè)中未考慮管道本體對(duì)于焊接條件的要求，且卡具本身未預(yù)留焊接坡口，造成后期產(chǎn)生焊接裂紋。

2.2 卡具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化。傳統(tǒng)卡具多采用整體鍛造，結(jié)構(gòu)為圓筒形，決定其成功與否的關(guān)鍵是密封變形量的控制，即剛度控制，建議采用增加筋板設(shè)置等措施，滿足剛度要求的同時(shí)，減輕卡具整體重量。

（2）密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化。建議采用多腔密封結(jié)構(gòu)以減少卡具整體受力面積。將卡具內(nèi)部劃分為不同的密封區(qū)域，將泄漏點(diǎn)安裝至中心區(qū)域，其他區(qū)域采用注膠處理，使受力減少為一個(gè)中間密封腔內(nèi)。通過(guò)注膠處理，將單純的條密封變?yōu)槊婷芊猓�密封區(qū)域顯著增大，免除了在線安裝焊接的危險(xiǎn)性，解決了焊接質(zhì)量難以控制的問(wèn)題。

2.3 兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

以管徑D1 422 mm、壓力12 MPa、卡具材料16 MnⅢ為例，分別按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表 1。

對(duì)比結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的卡具壁厚、耳板厚度、螺栓直徑等均顯著減小，卡具重量比傳統(tǒng)卡具減少了約39%。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)

（1）免于焊接。通過(guò)分腔注膠處理，在減少卡具本體受力的前提下，提高了卡具密封性能，免除與管道的焊接作業(yè)，提高了卡具應(yīng)用的安全性。

（2）便于加工制造。減少了卡具壁厚、耳板厚度、重量等，便于加工制造，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

（3）有效控制密封空間內(nèi)管體腐蝕。通過(guò)注膠處理，將密封空間內(nèi)填充注劑，消除了管體繼續(xù)腐蝕的可能性。

4 結(jié)論

大口徑、高壓力管道對(duì)開(kāi)式搶修卡具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，有效減少了卡具本體厚度和重量，提高了使用安全性。使用中需注意以下問(wèn)題：一是雖然避免了焊接作業(yè)，但增加了分腔注膠作業(yè)工序；二是膠劑應(yīng)滿足相應(yīng)溫度、彈性、密封性要求，針對(duì)不同介質(zhì)選擇相應(yīng)的注劑；三是需要在卡具本體預(yù)留注劑孔和通氣孔，注劑結(jié)束后進(jìn)行密封。

作者簡(jiǎn)介：鄭亞飛， 1982年生，2007年畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，碩士研究生，高級(jí)工程師，目前主要從事壓力管道、壓力容器及維搶修設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系方式： 0316-2072301， zhengyafei@cnpc.com.cn