国内城市燃气钢质管道应急抢修封堵技术进展_祁丽荣.pdf

综述93NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION国内城市燃气钢质管道应急抢修封堵技术进展祁丽荣1 张诚1*付凯2 黄文尧1 邢琳琳1 孙德芝1（1.北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035；2.北京天兴燃气工程有限公司，北京 100071）摘要：燃气管道受地下环境、第三方施工破坏、管道施工质量、服役年限等多种因素影响，容易发生管道腐蚀泄漏和外力创伤泄漏事故。详细阐述管道的停输和不停输应急抢修技术研究进展。其中，停输应急抢修技术包括快速阻断装置和翻转内衬修复技术；不停输应急抢修技术包括膨胀筒式封堵技术、传统塞式封堵技术、快速堵漏技术以及环氧树脂套筒修复技术等，着重对比分析新塞式封堵技术的特点和优势。此外，对智能封堵技术的发展与研究现状进行分析和总结。在总结我国抢修技术设备的基础上，提出城市燃气管道抢修技术的未来发展方向。关键词：城市燃气；管道抢修；不停输封堵；停输封堵；应急抢修中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2023）05-0093-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.05.025Status on emergency repair and plugging technology of domestic urban gas pipelinesQI Li-rong ZHANG Cheng FU Kai HUANG Wen-yao XING Lin-lin SUN De-zhiAbstract：Gas pipelines are affected by various factors such as underground environment,third-party construction damage,pipeline construction quality,service life and other factors,and are prone to pipeline corrosion leakage and external trauma leakage accidents.Progress of pipeline shutdown and non-stop emergency repair technology was introduced.The emergency repair of the stop transmission introduced the rapid blocking device and the repair technology of the flip liner,and the non-stop emergency repair technology introduces expansion cylinder sealing technology,traditional plug plugging technology,rapid leakage plugging technology and epoxy resin sleeve repair technology.Focus on the analysis and comparison of the characteristics and advantages of the new plug sealing technology.In addition,the development of intelligent blocking technology with technical prospects and rapid development is analyzed and explained.On the basis of the summary of the progress of domestic emergency repair technology and equipment,the future development trend of urban gas pipeline emergency repair technology is proposed.Key words:urban gas;pipeline repair;non-stop plugging;stop plugging;emergency repairs引言城镇燃气管网安全运营对保障工业、市政以及人民日常生产生活均具有重要意义。根据最新公布统计数据1，截至2020年底，我国城市与县级燃气管网总里程超过103104 km，其中，城市燃气管网总里程已经超过86104 km。由于燃气管网覆盖率高、涉及地域面广，存在燃气管道“老化”与腐蚀、建设工程施工损坏以及部分施工质量问题、运营管理人员与技术等多方面因素，导致燃气管道可能产生不同程度泄漏风险2-3。发生燃气管道泄漏后，必须进行抢修和封堵。首先采用有效的检测方法4完成泄漏检测，确定泄漏位置，对泄漏位置开展应急抢修。针对不同压力、不同管道材质、不同管径，需要采用适当的抢修封堵技术、封堵设备以及施工工艺。从管道燃气停输与不停输两种类型出发，阐述我国城市燃气管道应急抢修封堵技术进展，在此基础上对智能封堵技术进展进行分析综述，提出城市燃气管道抢修技术未来发展趋势和方向。1停输封堵技术1.1低压管道快速阻断装置低压管道快速阻断是低压管道快速应急抢修的典型作者简介：祁丽荣（1982），女，博士，研究员，研究方向为能源环境及科研管理、科技成果转化等。通信作者：张诚（1977），男，本科，高级工程师，研究方向为城市燃气安全运行保障和智慧燃气关键技术。基金项目：北京燃气集团科技计划（项目编号：20JK001）收稿日期：2022-09-16引用本文：祁丽荣，张诚，付凯，等.国内城市燃气钢质管道应急抢修封堵技术进展 J.节能，2023，42（5）：93-96.综述94节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023方法之一。高健5等研发一种阻断器，采用液压挤压的方式，将中压以下燃气钢质管道沿径向挤压至闭合，实现快速封堵。低压管道快速阻断装置便携性强，且在封堵过程中不需要对管道开孔放散，可以实现快速抢修，尤其在特殊地区，采用该设备可以快速地阻断漏气，抢占时机，等条件具备后实施修复。但是经过作业现场的实际应用，发现该设备在使用上存在一定的局限性。管道经过挤压变形后，管道壁厚会变薄1/3，从安全的角度分析，作业人员会在变形管道上焊接“保护套”，由此增加焊接量。1.2翻转内衬修复翻转内衬修复技术6-7采用“管中管”的形式，利用压缩空气将浸渍了黏合剂（环氧或不饱和树脂）的复合纤维增强软管，翻转推进燃气管道中，黏合剂常温固化后，软管会紧贴在燃气管道内壁，实现管道修复，翻转内衬修复原理如图1所示。北京市燃气集团有限责任公司和协作施工单位通过多年实际施工验证，总结翻转内衬修复技术的特点和优势为：（1）只需开挖较小的工作坑（6 m3 m），能够对跨桥、地铁、保护区、交通密集等不宜明挖修复的地区进行快速抢修；（2）过弯头能力强，能够连续通过多个45 和90 弯头；（3）可以修复压力2.5 MPa、DN20 mm到DN1 200 mm的管道；（4）经测试，翻转内衬修复后，流量无损失，可以延长管道寿命。2不停输封堵技术不停输封堵技术在带压燃气管道上，利用专业的开孔、封堵设备，对泄漏管道的两侧实施封堵，并放空泄漏管道中的燃气，在泄漏管道的两侧实施带气接切线作业。目前在用的不停输封堵技术主要包括膨胀筒式封堵、传统塞式封堵、不停输快速堵漏装置、环氧树脂套筒修复以及新塞式不停输封堵。2.1膨胀筒式封堵膨胀筒式封堵8在施工管道上焊接四通管件，安装夹板阀，进行贯通式等径开孔，将表面覆有橡胶层、径向可收缩/放大的膨胀筒安装于断管中，封堵时，膨胀筒胀开，橡胶层与管道切口面紧密贴合，实现封堵。结束封堵时，膨胀筒收缩，封堵器可上提收回。代表性产品是江西泰达长林的EXP300筒式封堵器，适用于6.4 MPa以下的DN200 mmDN350 mm管道。传统的膨胀筒封堵工艺将膨胀筒的开口对着气流方向，需要等下游气体放散干净后，判断封堵是否成功，等待放散的时间较长。金文皓8等对膨胀筒式封堵器的关键密封工艺进行改进，下堵工作原理及封堵位置如图2所示。膨胀筒的开口垂直于气流方向，在膨胀筒内打入压力比天然气管道内压力较大的外接气源（氮气），监测膨胀筒内压力变化。压力无变化时，判断封堵成功，进而提高了封堵作业效率。2.2传统塞式封堵传统塞式封堵在施工管道上焊接三通管件，安装夹板阀，进行单边开孔，将表面覆有橡胶皮碗、可转向的活塞头安装于管道中，封堵时，橡胶皮碗与管道内壁紧密贴合，从而实现封堵。结束封堵时，活塞头可上提收回。塞式封堵对变形管道的封堵效果较差，容易造成气体泄漏，由于塞式封堵依靠封堵橡胶皮碗与管道内壁的过盈配合，封堵皮碗不宜重复使用，增加了维修和更换橡胶皮碗的成本9。美国TDW公司的STOPPLE液压塞式带压封堵器，可以适应所有直径、壁厚和材料的管道，但价格昂贵。江西泰达长林的FD300塞式封堵器，封堵管径219325 mm，适应介质压力10.0 MPa，液压驱动，在国内应用较多，同样需要吊装机械辅助施工。2.3快速堵漏装置针对中压管道少量的点状泄漏、沙眼及开裂等不需要换管的情况，可以采用快速堵漏的办法。为了弥补传统堵漏方式的不足，罗强10等研发一种链式快速堵漏装置，结构如图3所示。图1翻转内衬修复原理图2下堵工作原理及封堵位置图3链式快速堵漏装置结构综述95NO.05 2023节能 ENERGY CONSERVATION链式快速堵漏装置将带有双密封圈、导流阀和密封球的堵漏板（泄漏气体可从导流阀中排出），放置于泄漏孔处，安装用于固定链条的卡具，收紧链条，使堵漏板与管道紧密贴合，在堵漏板周边实施焊接作业。焊接完成后，将卡具、链条撤去，关闭导流，实施防腐，完成封堵。链式快速堵漏装置的优点是不降压、不换管、带气、快速封堵漏气，不影响下游用户用气；具有导流装置，可以排出泄漏气体，保障了焊接作业的安全；安装灵活、操作方便，对操作空间要求较小。2.4环氧树脂套筒修复环氧树脂套筒修复技术最早从国外引进，应用于长输油气管道的缺陷修复，后经技术改进，开始应用于国内的城镇燃气管道抢修与修复。环氧树脂套筒修复技术将两个半圆柱形钢质套筒壳体，安装在管道漏气处，通过法兰、螺栓、密封剂将套筒的两端密封，采用真空泵抽出套筒和管壁之间的空气，将环氧树脂注入套筒与管道外壁形成的空腔内，环氧树脂固化后，对套筒表面和管道外壁做防腐处理。环氧树脂套筒修复如图4所示。庞平11等对环氧树脂材料的固化时间进行改进，实现-30 固化12 h，国际上同类产品在同样温度条件下需要固化68 h。该技术满足不停输、非焊接、永久性快速修复的要求。2.5新塞式不停输封堵技术孙德芝12等研发一种新的塞式封堵形式，将配套的预制管件、开孔机、夹板阀、下堵器、封堵头等部件，整体进行小型化、轻量化设计，不需要吊车等大型机械设备辅助；封堵头直径设计为小于管道直径，相应的开孔尺寸是管径的90%左右，开半孔、不断管；通过外部驱动装置和转向装置，将封堵器导入水平带气管道中，挤压带有橡胶的封堵头发生变形，径向膨胀与管道内壁紧密贴合，从而实现封堵。新塞式封堵技术如图5所示。新塞式封堵技术设备适用于低压、中压钢质管道DN50 mm至DN600 mm，燃气带气抢修抢险作业的临时封堵、燃气带气切接改线作业。为了进一步减小施工过程中的开孔大小，降低开孔难度，祁丽荣13等正在对封堵头的结构进行改进。新塞式封堵与传统膨胀筒、塞式封堵技术的比较如表1所示。3智能封堵技术张仕民14等介绍管内高压智能封堵关键技术、智能封堵系统结构、主要原理及应用前景。刘华洁15等研制智能封堵机器人，并进行了相关试验，智能封堵机器人试验样机利用超低频电磁波无线远程控制技术，在型式试验中成功封堵，压力20 MPa，超低频电磁波穿透管壁图5新塞式封堵技术图4环氧树脂套筒修复表1新塞式封堵与传统膨胀筒、塞式封堵的比较项目设备重量预制和作业时间对管道强度的影响预制管件经济优势新塞式封堵体积小、轻，整体为铝合金材质，两人便可搬抬，无须吊装。预制时间约30 min作业时间约58 min单侧开孔，开孔尺寸为管径的90%。安装简单：管件对中安置在管道上。焊接量小：仅需焊接一道相贯线焊缝。预制人员少：1人。封堵橡胶经久耐用，可使用多次，无须频繁更换。母管口径越大，经济效益越显著。膨胀筒式封堵体积大、重，主体为钢材质，需要吊装。预制时间约120 min作业时间约175 min管道整体切断安装复杂：四通管件需用螺栓逐步对角勒紧。焊接量大：需焊接4道焊缝。预制人员多：对角安装，需2人以上。需吊装换筒，由于封堵筒的外部结构采用胶黏接皮筒，封堵换胶皮，清洗与黏接工艺繁杂，重复使用次数低。传统塞式封堵体积较大、较重，主体为钢质，需要吊装。预制时间约120 min作业时间约120 min单侧开孔，开孔尺寸为管径的100%。安装复杂：四通管件需用螺栓逐步对角勒紧。焊接量大：至少需焊接4道焊缝。预制人员多：对角安装，需2人以上。塞式封堵橡胶比较耐用，但需要吊装进行更换。综述96节能 ENERGY CONSERVATIONNO.05 2023距离为5 m。王炎16等开展1 016 mm油气管道管内智能封堵器的设计。张康17等基于管内智能封堵技术，在不停输带压开孔封堵技术工作环境下，采用容积法将管内智能封堵器投送至管内指定位置，采用管道内外通信的方式完成管外指令下达传输及管内封堵器状态反馈，从而实现油气管道的高压封堵。完成封堵后将维修过程中机械三通或焊接三通切除，保证管道的完整性与可靠性。除了智能封堵技术和应用的研究外，智能封堵机器本身也是研究热点。焦彪彪18开展封堵机器人的设计研究工作。马健强19对智能封堵机器人开展运动特性和仿真分析。闫宏伟20等、袁飞21开展埋地管道封堵装置与机器人的相关研究。田阳22等开展智能封堵机器人的锚定装置研究。韩传军23等设计一种可快速封堵和导流的轮式机器人，开展内封堵智能封堵机器人结构和工作流场分析。以上研究丰富了我国油气输运抢修和封堵技术，为智能封堵装备提供了技术与理论基础。城市燃气管网与长输油气管道的结构及特点不同，现有智能封堵技术和封堵设备在城市燃气管网的抢修、维护及封堵中的应用尚不多见，有待进一步结合城市燃气管网特点（管径、作业空间、管网复杂等）开展装置研制与应用研究。4结语燃气管道的稳定可靠运行对保障人民正常的生产生活具有重要意义，研发新技术、新设备对于保障燃气输配系统正常稳定运行具有重要价值。燃气应急抢修技术的主要发展方向如下：（1）不停输应急抢修技术是城市燃气应急抢修的主流方向，保障了泄漏位置下游用户的正常生产与生活不受影响。因此，城市燃气应急抢修技术、相关施工工艺以及封堵设备研发等均将围绕不停输的目标开展。（2）在不停输的基础上，如何降低开挖难度、缩短修复周期也是应急抢修技术追求的目标之一。因此，非焊接管道内外（抢）维修技术与装备、管道带压焊接堵漏技术与装备是燃气管道抢修技术的重要发展方向之一。（3）随着信息技术、通信技术以及传感器技术等飞速发展，国内外管道智能化内检测技术与智能封堵机器人技术在长输油气管道上有了长足的发展。因此，智能化内检测技术与智能封堵机器人技术在城市燃气管道抢修与修复的研究与应用是城市燃气管道智能化抢修的发展趋势之一。参考文献1 中华人民共和国住房和城乡建设部.中国城乡建设统计年鉴2020M.北京：中国统计出版社，2021.2 李峰.碳中和背景下“十四五”时期燃气行业发展趋势 J.油气储运，2022，41（3）：256-263，301.3 王杰，李旭，崔斌，等.城镇燃气管网安全运营的问题及解决措施研究J.科技资讯，2022，20（15）：137-139.4 祁丽荣，邢琳琳，刘瑶，等.天然气泄漏检测技术及量化方法研究进展J.城市燃气，2022（4）：9-13.5 高健，孙德芝，温海立.燃气抢险管道快速阻断器 J.城市燃气，2018（2）：25-27.6 田胜.北京市燃气翻转内衬工艺实施优化研究 D.北京：北京建筑大学，2014.7 张芳，曹国权，陈凡.1.2 MPa承压能力翻转内衬标准和质量检验 J.煤气与热力，2017，37（12）：38-46.8 金文皓，张士大，何良元.膨胀筒式不停输带压封堵施工技术的改进J.上海煤气，2018（2）：16-18，23.9 史记.高压燃气管道带压不停输封堵改管技术研究 J.大众标准化，2022（5）：70-72.10 罗强，廖如超，张海涛，等.燃气管道导流焊接式带压堵漏装置的研究J.煤气与热力，2015，35（10）：26-31.11 庞平，董绍华.钢质套筒环氧补强缺陷修复技术开发与应用研究 J.管道技术与设备，2019（4）：44-48.12 孙德芝，单晔，张燃，等.燃气管道封堵装置设计与应用 J.城市燃气，2020（3）：31-34.13 祁丽荣，左熠，许彤，等.一种双密封管道封堵器：CN114526395A P.2022-05-24.14 张仕民，李彦民，马永明，等.管内高压智能封堵技术 J.油气储运，2009，28（6）：59-61，79，87.15 刘华洁，张策，张仕民，等.管内高压智能封堵机器人 J.石油机械，2013，41（6）：115-118.16 王焱，张仕民，张行，等.1 016 mm油气管道管内智能封堵器的设计J.管道技术与设备，2015（1）：27-29，48.17 张康，张仕民，朱霄霄，等.基于管内智能封堵技术的新型管道维修技术 J.石油机械，2017，45（1）：114-119.18 焦彪彪.基于油气管道泄漏的内封堵机器人设计与研究 D.太原：中北大学，2018.19 马建强.管道内封堵机器人的运动特性与仿真分析研究 D.太原：中北大学，2019.20 闫宏伟，袁飞，李亚杰，等.埋地管道泄漏内封堵装置设计与研究 J.石油机械，2020，48（4）：142-148.21 袁飞.埋地管道泄漏自行式应急封堵装置设计及研究 D.太原：中北大学，2020.22 田阳，李海连，罗春阳，等.管道封堵机器人锚定装置设计与分析 J.北华大学学报：自然科学版，2021，22（3）：399-404.23 韩传军，费一栗，张芹芹，等.管道内封堵导流机器人结构设计及流场分析 J.石油机械，2021，49（12）：141-148.