输送管道泄漏段管内封堵装置及密封件设计_刘巨保.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 005输送管道泄漏段管内封堵装置及密封件设计刘巨保，罗天琦，杨明，王明(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆163318)摘要:针对管道输送介质泄漏段管外环境复杂、修复作业难度大、耗时长等问题，设计了一种全新的楔形扩张式管内封堵装置，以及由密封胶筒与支撑胶筒组成的密封件结构。采用有限元法，建立了由密封胶筒、锥体和自密封结构组成的密封件数值分析模型，通过对不同结构参数即锥体厚度、胶筒材料硬度、胶筒内径子厚度和倒角、胶筒外径子厚度和倒角、碗形半径和边缘厚度的分析计算，优选出可用于管输压力 2 5 MPa 的内封堵密封件。该装置能够快速实施泄漏段内封堵，避免管外清理作业，可用于热力管网、化工管道等管外环境复杂的泄漏事故应急处理。关键词:输送管道;内封堵装置;密封件;数值分析中图分类号:TH17文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0026 07在日常生产生活中经常会遇到管道泄漏问题，若管道安装在地下，只要管道有一处损坏，就需要对管道进行开挖修复，但开挖修复会造成输送管道的停产，工序复杂、耗时长，如何快速封堵输送管道的泄漏已成为管道工程关注的技术问题1。目前管道封堵主要采用沙袋封堵、MEG(甲基葡萄糖苷)封堵、气囊封堵等方式，在实际施工中存在一些问题，比如沙袋封堵不能完全克服渗漏问题;砖石砌堵养护时间较长，拆除较繁琐;机械式封堵设备质量较大;气囊封堵高水压时气囊较长，使用不方便2 6。这些封堵方式都会使管道处于完全封堵、停止介质输送的状态，存在维修时间过长、经济损失较大的缺点，且会对环境造成污染。为此，本文借鉴传统管道中的封堵技术和油田生产中的封隔器，设计出一种全新的管道内封堵装置及密封件，无需管外漏点的识别和清理，其在完成封堵作业后，仍能保持管道内介质输送，可用于热力管网、输水管道及化工厂输送管道等管外环境复杂的泄漏事故应急处理。1管道内封堵装置结构设计封堵装置不仅要起到管内封堵泄漏段的作用，还要承受管道内输送介质的压力，这对装置的密封性能和承压能力提出了一定要求。经过现有封堵工具的剖析和不同设计方案的对比分析，本文设计了一种楔形扩张式封堵装置，如图 1 所示，该封堵装置主要由密封部件、锚定部件和节流部件组成。密封部件由活塞套、锥体、隔环、胶筒和底座组成，保证管道内环形空间的密封，封隔管道漏点前、后两侧的空间。锚定部件由锚爪、弹簧、锚体组成，起到承受封堵结构轴向载荷的作用。节流部件由 1个迷宫内套与 4 个迷宫外套组成，可防止管道内流体冲击自密封结构。当密封部件完成坐封、胶筒与管道内壁完全接触后，自密封结构伸出。1上接头;2锚定部件中心管;3锚体;4挡板;5弹簧;6活塞帽;7限位套;8坐封销钉;9锁环;10活塞套;11锥体;12密封圈;13支撑胶筒;14密封部件中心管;15密封胶筒;16胶筒座;17解封销钉;18金属软管;19迷宫外套;20迷宫内套;21下接头图 1输送管道泄漏段管内封堵装置结构图收稿日期:2021 03 29基金项目:国家自然科学基金(11972114，51904075)作者简介:刘巨保(1963)，男，教授，博士，主要研究方向为井下工具设计及石油杆管柱力学分析，jslx2000163 com622023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6管内封堵装置坐封工艺为:将管内封堵装置连接软管，并由管道接口处下放至泄漏点，软管内注入流体介质，由中心管开口处流入密封部件活塞内的环形空间。当压力达到设计压力后，坐封销钉剪断，压力推动锥体下行，使密封胶筒向外扩张与管道内壁接触，自封结构伸出，支撑筒下行，当锥体运动到达指定位置后，锥体内锁环锁死，防止锥体回弹，完成第一阶段密封。管道内介质流入封堵装置与管道内壁形成的环形空间中，压力作用在自封结构上，挤压密封胶筒，完成第二阶段密封，将软管取出，完成封堵作业。管内封堵装置解封工艺为:由管道地面接口处下放提取机构与封堵装置上接头配合，上提封堵装置，当胶筒与套管壁间接触摩擦力达到解封力时，解封销钉发生断裂，密封胶筒失去支撑，回复原状，实现解封。2管内封堵装置密封部件有限元建模及结构优选2 1密封部件受力分析密封部件坐封过程可以分为两个阶段:1)坐封阶段，即密封胶筒受轴向载荷产生变形直到与管道内壁接触;2)承压阶段，即密封胶筒在管内介质压力作用下与管道内壁进一步挤压增加接触压力过程。当密封部件坐封完成后，会与管道内壁构成一个环形空间，如图 2 所示，将管道轴向前后两侧封隔开，形成密封。图 2密封部件受力分析图根据对密封部件进行受力分析，封堵装置完成密封的条件应满足7:Pk(0 8 1 0)P(1)式中:Pk为接触压力，MPa;P 为工作压差，MPa。封堵装置的接触压力 Pk为:Pk=Pkc+Pkn(2)式中:Pkc为初始阶段产生的接触压力，MPa;Pkn为承压阶段产生的接触压力，MPa。2 2密封部件有限元模型建立选取管内封堵装置密封部件与管道内壁为研究对象，将锥体、密封胶筒、支撑胶筒，以及支撑胶筒座和密封胶筒底座进行简化，只保留与密封胶筒接触部分8，简化结构如图 3 所示，几何参数见表1，材料参数见表 2。由于结构和载荷具有轴对称性，因此建立轴对称有限元模型进行数值计算。管道、锥体、支撑胶筒座和密封胶筒底座均设为刚性体，不考虑在计算过程中所产生的变形9。胶筒材料作为一种超弹性材料，具有良好的伸缩性，其本构关系采用 Mooney ivlin 模型10。固定管道上、下端面及管道外壁，限制锥体径向自由度，固定密封胶筒底部，锥体轴向位移 90 mm，支撑胶筒套轴向位移 47 mm。为保证计算的精准性，采用 AN-SYS Workbench 中的 Mesh 模块对密封部件进行网格划分，采用四边形网格，网格质量在 0 68 以上，数值模型网格节点8 739 个，网格单元2 628 个，所建有限元模型如图 4 所示。图 3封堵装置密封部件简化结构表 1封堵装置密封部件几何参数单位:mm零件名称密封胶筒支撑胶筒保护胶筒套管道锥体外径11011011013977内径55777712455长度1002730300300722023 年第 6 期刘巨保:输送管道泄漏段管内封堵装置及密封件设计表 2封堵装置密封部件材料参数硬度/IHD弹性模量/MPa材料常数C10C01604 4204910 246655 5406160 307706 9607740 387758 7509720 4868010 98122106108513 80153307679017 33192609639521 7724191209图 4封堵装置密封部件网格离散图2 3锥体厚度参数及材料硬度优选在封堵装置中，锥体厚度 H 及胶筒弹性模量对装置的密封性能具有一定的影响。通过查阅文献 11 可知，氢化丁腈橡胶具有较好的机械强度、耐磨性、耐老化以及耐高温等优点，因其性价比高在工程中应用广泛。因此，本文设计的密封件选取邵氏硬度在 60 95 的氢化丁腈橡胶材料12，密封胶筒与支撑胶筒分别选取邵氏硬度为 70 和 75、75和 80、80 和 85、85 和 90、90 和 95 的 5 组材料组合。锥体厚度 H 选取 15、16、17、18、19 mm 的 5 种尺寸。通过对这 25 种不同材料硬度组合和不同锥体厚度的有限元分析，可以得到密封胶筒分别与管道和锥体形成密封面的接触压力，以及密封胶筒的剪应力。其中，锥体厚度 H 为 19 mm 时，3 种材料硬度密封胶筒与管道和锥体接触压力云图分别如图 5、图 6 所示。图 53 种材料硬度的密封胶筒与管道内壁接触压力云图图 63 种材料硬度的密封胶筒与锥体接触压力云图由图 5 可知，密封胶筒与管道内壁接触压力随材料硬度增加而增大，密封胶筒最大接触压力面积也随之增加，最大接触压力位置逐渐向上移，最大接触压力为 3 336 MPa，能够对输送介质 3 0 MPa压差实施密封。由图 6 可知，密封胶筒与锥体接触压力随材料硬度增加也呈增大趋势;随着硬度的增加，最大接触压力位置逐渐上移，最后集中在密封胶筒内径倒角上，其最大值为 14 659 MPa，而在大于 6 5 MPa的接触区间有 1 mm 宽圆环，能够对输送介质 6 5MPa 压差实施密封。为了进一步分析，将不同锥体厚度、不同材料硬度下的密封胶筒与管道内壁和锥体接触压力，以及密封胶筒剪应力绘入图 7。由图7(a)可知，锥体厚度在15 19 mm 时，密封胶筒与管道内壁间最大接触压力分别为1 023、822023 年第 52 卷机械设计与制造工程图 7不同锥体厚度和材料硬度下的密封胶筒接触压力及剪应力分布1 726、2 129、2 692、3 335 MPa，平均接触压力为0 709、1 171、1 489、1 881、2 262 MPa，密封胶筒与管道内壁接触压力随锥体厚度增加呈增大趋势。由图 7(b)可知，密封胶筒与锥体间最大接触压力为 4 825、6 809、10 047、12 207、14 659 MPa，平均接触压力为 1 245、1 267、2 104、2 659、3 310MPa，密封胶筒与锥体接触压力随锥体厚度增加而增大。由图 7(c)可知，密封胶筒最大剪切应力随材料硬度增加呈增大趋势，当材料硬度组合选取90+95 时最大剪切应力达到 1 853 MPa;当密封胶筒材料硬度选取 70+75 与 75+80 时随锥体厚度的增加密封胶筒的最大剪切应力也呈增大的趋势，最大值出现在锥体厚度为 19 mm 时，最大剪切应力为 1 272 MPa 与 1 591 MPa;在密封胶筒材料硬度选取 80+85、95+90、90+95 时，密封胶筒最大剪切应力呈现先增大后减小再增大的变化，并且在锥体厚度为 17 mm 时产生最大剪切应力，最大剪切应力为 1 106、1 465、1 853 MPa。由此可见，锥体厚度越大、材料硬度越大时，密封胶筒的接触压力和剪切应力也应越大，从密封角度看，应优先选择锥体厚度 19 mm、材料硬度组合 90+95 的密封件;从强度角度来看，应优先选择锥体厚度 15 mm、材料硬度组合 70+75 的密封件;一般情况下，橡胶材料的强度若能够完全满足胶筒强度要求，应该优先考虑密封条件。因此，本文设计的密封件优选为锥体厚度 H=19 mm、胶筒材料硬度组合90+95。2 4密封胶筒内径倒角与子厚度参数优选针对优选出的锥体厚度和胶筒硬度组合，选取密封胶筒内径倒角 1为 55、60、65、70、75，内径子厚度 b1为 5、6、7、8、9 mm，其他参数不变。通过对这 25 种不同内径倒角与子厚度结构进行有限元分析，可以得到密封胶筒分别与管道和锥体形成密封面的接触压力，以及密封胶筒的剪应力。其中，内径子厚度为 5 mm 时，不同内径倒角结构与管道和锥体接触压力云图分别如图 8、图 9 所示。图 8不同内径倒角密封胶筒与管道内壁接触压力云图922023 年第 6 期刘巨保:输送管道泄漏段管内封堵装置及密封件设计图 9不同内径倒角密封胶筒与锥体接触压力云图由图 8 可见，密封胶筒与管道内壁接触压力值在子厚度一定的情况下，倒角角度越大接触压力越小，倒角由 55变为 75时，接触压力由 3 467 MPa下降到 3 254 MPa，下降率为 6 14%，由此可见，从密封胶筒与管道内壁接触密封来看，倒角应优先选择较小值。由图9 可见，倒角角度越大密封胶筒与锥体接触压力越小，随着倒角增大最大接触压力位置不断向下移动，在倒角为75时接触压力出现 2 处比较明显的峰值，由此可见，倒角也应优先选择较小值。不同内径倒角与子厚度的密封胶筒结构与管道内壁、锥体的接触压力，以及密封胶筒剪应力如图10 所示。图 10不同内径子厚度和倒角的密封胶筒接触压力及剪应力分布由图 10(a)、(b)可知，密封胶筒与管道内壁平均接触压力随着倒角 1增大而减小，随子厚度b1增大而减小。当内径子厚度为5 mm、倒角为55时，密封胶筒与管道内壁最大接触压力为 3 467MPa、平均接触压力为2 524 MPa，与锥体最大接触压力为 11 192 MPa、平均接触压力为 3 537 MPa，从密封角度来看，倒角和子厚度应优先选择最小值。通过图 10(c)可知，密封胶筒剪切应力随倒角的增大而减小，只有当子厚度为 5 mm、倒角为 55时，密封胶筒的剪切应力达到最大值 3 313 MPa，而其他参数下的剪切应力变化不显著。综合考虑密封胶筒的强度和密封性能，内径子厚度和倒角参数的优选值为 7 mm 和 55。2 5密封胶筒外径倒角和子厚度参数优选针对上述已优选的结构，选取封胶筒外径倒角2为20、30、40、50、60，外径子厚度 b2为6、7、8、9、10 mm，其他参数不变。通过这 25 种不同外径倒角与子厚度结构的有限元分析，可以得到密封胶筒分别与管道和锥体的接触压力，以及密封胶筒的剪应力。其中，胶筒外径子厚度为 10 mm 时，不032023 年第 52 卷机械设计与制造工程同外径倒角结构与管道和锥体接触压力云图分别如图 11、图 12 所示。由图 11 可见，密封胶筒与管道内壁接触压力在倒角角度由 20增大到 40时随角度增大而增大，在倒角角度由 40增大到 60时随角度增大而减小，倒角为40时接触压力最大，最大接触压力图 11不同外径倒角的密封胶筒与管道内壁接触压力云图图 12不同外径倒角的密封胶筒与锥体接触压力云图出现在密封胶筒外径倒角上，形成 2 mm 宽圆环。由图 12 可见，密封胶筒与锥体接触压力随倒角增大而逐渐减小。当倒角在 20和 40时最大接触压力在密封胶筒内径倒角上，当倒角达到 60时最大接触压力出现在锥体拐点处，形成 2 mm 宽圆环。不同密封胶筒外径倒角与子厚度与管道内壁、锥体接触压力，以及密封胶筒剪切应力如图13 所示。图 13不同外径子厚度和倒角的密封胶筒接触压力与剪切应力分布132023 年第 6 期刘巨保:输送管道泄漏段管内封堵装置及密封件设计由图 13(a)、(b)可知，当子厚度一定时，随着外径倒角 2增大，密封胶筒与管道内壁接触压力曲线呈抛物线型，当倒角为 40时密封胶筒与管道内壁接触压力最大;当密封胶筒外径子厚度为 10mm、倒角为 40时，密封胶筒达到最大接触压力5 247 MPa，密封胶筒与锥体接触压力为 12 387MPa。由图 13(c)可知，密封胶筒剪切应力呈先降后升的变化趋势，但整体呈下降趋势;当子厚度为9 mm、倒角为 30 时剪切应力最大达到 3 341MPa。;当密封胶筒子厚度为 10 mm、倒角为 40时，密封胶筒剪切应力值为 3 272 MPa。综合考虑密封胶筒与管道和锥体的密封条件，优选出的密封胶筒外径子厚度为 10 mm、外径倒角为 40。通过上述分析，优选出的密封件为:锥体厚度H=19 mm、胶筒硬度组合为 90+95，密封胶筒内径子厚度 b1=7 mm 和倒角 1=55、外径子厚度b2=10 mm 和倒角 2=40。3结束语本文设计了一种全新的楔形扩张式管内封堵装置，以及由密封胶筒与支撑胶筒组成的密封件结构。由于管道封堵技术具有难度高、作业风险大等特点，未来将会向大管径、高可靠性、智能化方向发展。目前国内该技术相对落后，还需科研人员不断努力。受限于作者研究能力和时间，本文所设计的封堵器结构仍停留在理论研究阶段，还没有进行加工与现场试验，距离工程应用还有大量的技术问题需解决，如管道变形或内壁沉积物对密封性能的影响、封堵器解封和回收的可靠性以及配套设备等，这些均是今后需要进一步研究的内容。参考文献:1李国军，李依擎，邱勇 园区供热管网泄漏工况建模及分析 J 东北大学学报(自然科学版)，2020，41(10):1402 1409 2孙爱军 工业园区事故风险评价研究D 天津:南开大学，2011 3刘培 石化储罐区多米诺事故预防与控制的研究与应用 D 天津:天津工业大学，2016 4王炜硕 化工园区管道泄漏量分析研究D 北京:中国石油大学，2018 5王灏，司金艳，姚嘉 分体楔合式管道堵水设备的应用研究 J 管线工程，2020，38(5):235 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model of sealing parts composed of seal-ing cylinder，cone and self sealing structure is established Through the analysis and calculation of differentstructural parameters such as the cone thickness，the material hardness of the rubber cylinder，the inner diameterthickness and chamfer of the rubber cylinder，the outer diameter thickness and chamfer of the rubber cylinder，the radius of the bowl and the edge thickness，it obtains the inner sealing parts for pipe transport pressure of 2 5MPa The device can quickly implement the inner sealing of the leakage section and avoid the cleaning operationoutside the pipe It can be used to deal with the complicated accident in the outer environment of the leakagesection，such as thermal pipe network and chemical pipelineKey words:conveying pipeline;internal plugging device;sealing parts;numerical analysis232023 年第 52 卷机械设计与制造工程