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带压密封技术及其在压力管道堵漏应用中的安全评估

发表时间: 2021-01-04 15:16:34

作者: 姚鹏

来源: 天津市江达扬升工程技术有限公司

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摘要:带压密封技术的出现,在消除流程工业领域生产装置的跑、冒、滴、漏等安全隐患过程中发挥了重大的作用,产生了巨大的经济和社会效益。本文对带压密封技术的定义、特点及相关国家标准、行业标准、法律法规进行了简要介绍。同时,从受力分析、安全评估、安全结构等技术角度,对压力管道泄漏的带压密封过程进行了深入的探讨,提出了确保施工安全的理论依据、评判标准及实践做法。

关键词:带压密封  压力管道泄漏  受力分析  安全评估  安全措施

1、带压密封技术概述

1.1 技术定义

带压密封(堵漏)有广义和狭义两种定义。广义而言,带压密封是指在连续生产过程中,当装置上某一部位出现流体介质泄漏后,在不停止装置运行的情况下,对泄漏部位进行有效封堵的“各种技术手段”。狭义的带压密封主要指“注剂式带压密封技术”。

图1 注剂式带压密封原理示意图

从学科分类角度,带压密封技术是采用特制夹具、顶压器具、注剂工具、密封材料等,对正在发生的泄漏进行快速止漏的特殊技术手段。它是涉及到力学、磁学、液压技术、高分子材料学、无机材料学、金属材料学、流变学等多学科的一门综合应用技术,是保证安全生产和公共安全不可或缺的应急抢险手段。

1.2 技术特点

(1)经济效益显著

泄漏往往是引发其他重大事故的直接祸根,为避免发生更大的恶性事故,生产企业一般不得不采用停产的方法来消除泄漏。而“注剂式带压密封技术”消除泄漏的过程自始至终是在工艺生产照常进行、任何工艺参数均不降低的情况下进行的,这一点对于连续化生产的企业来说至关重要。一个中型企业停产一天将损失产值数百万元,而一个大型企业停产一天将损失产值数千万元甚至上亿元。因此,采用“注剂式带压密封技术”来消除威胁安全生产的泄漏,所能避免的经济损失是十分可观的。 

(2)安全可靠

该技术是手工液压操作整体修理技术,全部施工过程中可以做到不产生任何火花,这一点对于易燃易爆的流体介质的泄漏尤为适用,因此在任何防火、防爆界区内都可以放心地使用。另外,只要夹具的强度和刚度满足要求,就可以保证新建立的密封结构的可靠性。

(3)适用性广

这项技术可以用于蒸汽、酸、碱、盐、烃类、醇、醛、酮、醚、油品等200多种石油化工流体介质泄漏的动态密封,温度从-198℃~900℃,压力从真空到35.0 MPa。

(4)适应性强

使用此项技术,在施工作业前无需对泄漏部位进行处理、不破坏原有的密封结构,同时新建立的密封结构对原失效的密封面或泄漏缺陷具有一定的保护作用,可以使其免遭泄漏介质的继续冲刷,为以后的修复工作创造了有利的条件。

(5)消除泄漏快

该项技术在现场实际作业时,从安装夹具、注射密封注剂到泄漏停止,通常所需时间较短。例如,一个DN40的法兰泄漏,可以在十分钟内消除;即使是直径为1000mm以上的法兰泄漏,也能在几小时内消除。操作时间的长短主要取决于密封注剂的注射量,使用电动工具则可有效地缩短作业时间。

(6)良好的可拆性

带压密封作业时,密封注剂被注射到夹具与泄漏部位外表面所形成的密封空腔内,无论固化前还是固化后,密封注剂均不与泄漏部位和夹具粘合、易于去除,从而便于进行以后的修复工作。

1.3 相关国家标准与法律法规

(1)国家行业标准

    HG/T 20201—2007,《带压密封技术规范》

(2)国家标准

    GB/T 26467—2011,《承压设备带压密封技术规范》

    GB/T 26468—2011,《承压设备带压密封夹具设计规范》

    GB/T 26556—2011,《承压设备带压密封剂技术条件》

(3)相关法律法规

TSG D0001-2009 《压力管道安全技术监察规程—工业管道》(简称<管规>)第五章第三节第115条, TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》(简称<大容规>)第5.4条,规定了带压密封技术的使用条件:

  • “管道/压力容器内部有压力时,一般不得对受压元件进行重大维修。

  • 对于生产工艺过程特殊,需要带温带压紧固螺栓或者出现紧急情况采用带压密封堵漏作业时,使用单位应当制定有效的操作要求和防护措施,经技术负责人批准后,在安全管理人员现场监督下实施。

  • 实施带压密封堵漏的操作人员应当经过专业培训,持有相应项目的《特种设备作业人员证》。

1.4 技术现状及发展趋势

“带压密封技术”的诞生已经有将近100年的历史,自上世纪80年代引入我国后,在广大工程技术人员的不断研究、实践下,已经形成了具有中国特色的技术和工程体系。这项技术在消除流程工业领域生产装置的跑、冒、滴、漏等安全隐患过程中发挥了重大的作用,产生了巨大的经济效益和社会效益。

近年来,在“注剂式带压密封技术”的基础上,国内相关企业又研发了“橡胶磁快速堵漏工具”、“钢丝绳锁快速堵漏工具”等新型带压密封工器具,得到了包括应急管理部在内的国家相关部门的肯定和大力推广,正在炼油、化工、能源、电力、危化品储运等行业得到越来越广泛的应用。

但是不得不提到,在近期国内重特大安全事故频发、安全生产形式十分严峻的大环境下,某些部门、行业对带压密封技术的安全性提出了质疑,甚至要限制这项技术的应用。笔者认为这种想法是十分片面的:正如不能把交通事故频发归因于汽车的出现一样,也不能把由于违章实施带压密封操作产生的事故归因于带压密封技术本身。因此,有必要从技术的角度,对影响带压密封技术实施过程中安全性的因素进行分析,同时提出具体的评估标准和解决办法。

2、压力管道带压密封部位受力分析

当压力管道需要带压密封作业时,在带压密封部位存在着四种作用力:

2.1 由内压引起的环向应力——拉伸应力Rm

其受力情况由受内压的薄壁压力容器计算公式来表达:

其中:

δ:管道壁厚,mm

P:管道内流体压力(应选择P max),MPa

D:管道内径,mm

[σ]t :管道材料在使用温度下的许用应力,MPa

φ:焊接接头系数,0.7~1。当无焊缝时,φ=1

在正常运行条件下,δ实际≥δ计算

2.2 由内压引起的轴向应力RA

在正常运行条件下,RA<[σ]t

2.3 带压密封操作对管壁产生的外部压力P外

带压密封消除泄漏时,对管道外壁产生很大的外压力P外(即P操=P外),

P=P+5 MPa

在P外(P操)作用下将产生环向压缩应力Rc,与内压管道环向拉伸应力Rm一样,其值Rc=Rm=PD/2δ。但其破坏情况与受内压完全不同:当Rc远低于材料屈服极限时,管壁会被突然压瘪。这种在外压增大到某一值时,管壁逐步变形被压瘪的现象,称为管道的失稳。导致失稳的外压称为临界压力(P临)。

为保障外压管道的稳定和安全,其外部允许的压力P允应满足:

P允≤P临,也即 P操≤P临/m

上式中m为稳定系数,其值与计算方法准确度和管道的质量(例如初始椭圆度)有关,我国取m=3。

可见问题的关键是找出带压密封管段的临界压力P临。

根据对外压圆筒稳定性试验结果,整理出的临界压力公式如下:

P临=2.2E(δ/D)3  

公式(3)

其中:

D外:管道外径

E:管道所用材料的弹性模量(钢材的E=2×105 MPa)

其他材料的弹性模量E(包括有色金属,玻璃,塑料,混凝土等)都比钢材的小,其临界压力较低,带压密封时必须注意P临的大小与壁厚成正比,壁厚减薄,P临下降。P临与外径成反比,直径增大,P临下降。

2.4 弯曲应力

在带压密封施工中,管道所受的弯曲应力由夹在管道上夹具的体积和重量引起,它与管径大小、壁厚以及固定点的距离有关。由弯曲应力造成的管道弯曲或折断破坏,大多发生在直径较小的仪表管、测量管,以及部分管道壁厚减薄严重、孔洞巨大或横向裂纹贯穿面较大的场合。

3、管壁出现非正常情况带压密封的安全评估

3.1 管壁穿孔

3.1.1. 成因

(1) 原来材料或焊缝的气孔、砂眼;

(2) 流体流动改变方向时的冲刷,如转弯和T形接口;

(3) 整体管壁减薄后,局部出现泄漏孔。

3.1.2 需检查测量内容

(1) 介质、压力、温度;

(2) 材质、外径(内径)、壁厚,其中外径、壁厚需要现场测量;

(3) 测量泄漏孔径。如果为圆孔,则测量孔直径;如果孔形状不规则,则测量孔的纵向尺寸、横向尺寸。

3.1.3 用上述测量的实际数据计算和评估  

(1) 用实际数据代入公式(2),计算出轴向应力:

   

其中:管截面外周长=π×D外

如果:RA<[σ]t ,则安全(轴向)

      RA>[σ]t ,则不安全

(2) 如果管壁已经减薄,则应用检测数据按公式(1)校核环向应力。

如果:δ计算<δ实际 ,则安全

      δ计算>δ实际 ,则不安全

(3) 如果管壁已经减薄,则应用检测数据按公式(3)校核失稳风险,其中有:

P允=P临/3

如果:P操≤P允 ,则安全

      P操>P允 ,则不安全

3.2 管壁减薄

3.2.1 成因

(1) 流体腐蚀(内部),大气腐蚀(外部);

(2) 介质流动冲刷。

3.2.2 需检测内容

与3.1.2(1)、(2)相同。

3.2.3 计算和评估内容

(1) 环向应力的校核方法与3.1.3(2)相同。

(2) 失稳风险的校核方法与3.1.3(3)相同。

(3) 轴向应力的校核方法是,由公式(2)可推导出:

其中δs:管道减薄最小安全壁厚。

    如果:δ实际≥δs ,则安全

          δ实际<δs ,则不安全

3.3 管壁裂纹

3.3.1 成因

(1) 管道钢板在轧制中形成;

(2) 周期震动;

(3) 应力周期循环(如高压—低压反复出现);

(4) 焊接处理不当;

(5) 冷热急剧变换。

3.3.2 裂纹的危害

(1) 裂纹是不安全的;

(2) 按方向分,裂纹有纵向裂纹和环向裂纹,而尤以环向裂纹危害最大;

(3) 裂纹最大的危害是发展迅速,使管道横断环面积快速减小的同时使轴向应力快速增加,从而导致管道断裂。

3.3.3 需检查测量内容

(1) 介质、压力、温度;

(2) 材质、外径(内径)、壁厚。其中外径、壁厚需要现场测量;

(3) 测量裂纹尺寸,包括裂纹的纵向尺寸、环向尺寸。

3.3.4 计算和评估内容

(1) 如果壁厚已减薄,应按(2.2.3)进行计算和评估;

(2) 对于环向裂纹,应用公式(2)可计算轴向应力:

       

其中:管截面外周长=π×D外

—安全条件下,环向裂纹长度占管道外周长的百分比

则有:

          

如果:x实际<x计算 ,则安全

          x实际≥x计算 ,则不安全

4、管壁带压密封的安全结构

当管壁出现穿孔,壁厚减薄原因造成壁厚δ实际<δ计算、轴向应力RA>[σ]t,注射压力P操>P临等不安全因素时,则采用以下两种加固安全结构。

(1) 图2、图3是在夹具内部加两块半圆形的加固板,其内径等于管道外径。该加固板安装前用螺栓与夹具内连接,与夹具一起安装覆盖在孔洞和减薄部位上。紧固夹具后,使连接螺栓与加固板脱离,再用固定螺栓顶固加固板,即可按正常程序注入密封剂消除泄漏。为防止轴向应力的破坏,夹具两侧应与管道焊接成一体。

(2) 图4的夹具加固板内部结构相同,不同的是不用将夹具与管道焊接,而是根据现场的情况,在两对法兰的外侧加两个圆盘,用拉杆连接起来,拉杆的总截面应大于管道的环形截面。如果两圆盘分别焊于夹具两侧,效果会更好。

(3) 如果管壁只出现裂纹,而没有穿孔和减薄,则夹具内不需用加固板,最好在装夹具前采取一些防止裂纹扩大的措施(例如裂纹两端加钻小孔等)。

(4) 通过以上的结构,即使管壁已经出现极端情况(管壁上的横向裂纹贯穿了整个横断面、泄漏部位已没有任何能力抵抗各种作用力),也不会出现管道的泄漏、断裂和崩溃,从而保证安全运行。

5、结论

在国内三十多年来的理论研究与实践操作的基础上,随着密封注剂产品的逐步发展、新型工器具的出现以及操作技术的不断完善,大部分流体压力介质泄漏的部位都可以采用带压密封技术有效地进行堵漏作业,达到重新密封的目的。但必须强调,在实施带压密封作业之前,应该对泄漏装置和部位进行详细的现场勘测,对实施带压密封作业的安全性进行全面评估,在此基础上再严格按照相关法律法规、行业和国家标准、安全操作规程的要求进行带压密封施工,这样才能使这项技术在保证相关行业安全、环保、节能地持续生产和长期运行上发挥越来越大的作用。

参考文献:

[1] 王扬昇编著,《带压堵漏》,天津科学技术出版社,2002

[2] 胡忆沩,带压密封工程泄漏现场勘测方法研究,《润滑与密封》,2006,(6):38~40

[3] HG/T 20201-2007 《带压密封技术规范》,北京:中国计划出版社,2007

[4] TSG D0001-2009,《压力管道安全技术监察规程—工业管道》,国家质量监督检验检疫总局颁布,2009

[5] GB/T 26467,26468,26556-2011,《承压设备带压密封技术规范》、《承压设备带压密封夹具设计规范》、《承压设备带压密封剂技术条件》,北京:中国标准出版社,2011

[6] TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》,国家质量监督检验检疫总局颁布,2016

[7] 胡忆沩等著,《危险化学品抢险技术与器材》,北京:化学工业出版社,2016

作者简介:姚鹏,男,47岁,工学博士,2000年毕业于北京化工大学化学工程学院;工作单位:天津市江达扬升工程技术有限公司;职务:副总经理;通信地址:天津市滨海新区中塘镇安达工业园区立达街248号。

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