油气管道不停输带压开孔封堵器研究进展

谭凯文，张　勋

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)①



技术综述

油气管道不停输带压开孔封堵器研究进展

谭凯文，张勋

(中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249)①

摘要：油气管道一旦发生泄漏等事故，需对其进行及时的维护与维修。不停输带压开孔技术是油气管道维抢修中较为重要的一种方式，而封堵器是该技术的关键部件。综述了国内外油气管道不停输带压开孔封堵器的研究进展。介绍了国内外的在役封堵器，并分析了它们的技术优势和不足。结果表明：我国封堵器与国外相比还有一段差距，但是目前已经取得了很大进展。指出了油气管道不停输带压开孔封堵器正向着智能化和快捷化方向发展。

关键词：管道维修；封堵器；研究进展

石油天然气管道运输是我国油气资源的主要运输方式。据统计，我国目前已经修建了1.8 万km的成品油管道，2.2 万km的原油管道以及4.5 万km的天然气管道[1]。所以，油气管道建设与维护有着重要的意义。

我国现有油气管道中85%的管道“服役期”超过10 a，而62%的油气管道“服役期”在20 a以上。这使得我国的油气管道在外力干扰、腐蚀、材料缺陷等因素的作用下更易发生管道失效以及阀门损坏等故障，引发油气泄漏事故，对我国经济、安全、环境等方面产生严重影响[2]。所以，一方面需要对管道进行有计划的维护，另一方面要对在油气输送中出现的管道故障进行维抢修。在油气管道维护或维抢修中，通常采用封堵技术来封堵住油气管道内部的油气资源[3]，然后进行下一步作业。封堵器的可靠性将直接影响到后续作业的安全快速性，所以封堵器的性能对于管道封堵作业有着至关重要的作用[4]。本文首先介绍了国内的封堵器原理及其优缺点，然后介绍了一些国外的封堵器，旨在促进我国封堵器技术的发展，不断缩小与国外的差距。

1不停输带压开孔封堵技术

现有的石油天然气管道维抢修封堵技术主要有：不停输带压开孔封堵技术、管内高智能封堵技术以及冷冻封堵技术。国内外现阶段较为成熟的封堵技术是不停输带压开孔技术。

1929年，美国第1次提出了带压封堵技术。我国从20世纪80年代开始研究这项技术，至今已经取得了很大进展。该技术现已广泛用于现场实际操作。以前如果要对油气管道进行维抢修，就必须进行停产降压和管道置换，这不仅造成了一定的环境污染和经济损失，而且使管道运行存在一定的安全隐患。为有效解决上述问题，油气管道带压开孔封堵技术就应运而生了。这一技术只对待维抢修的局部管道区域进行开孔和封堵，再进行油气管道的局部维修，从而为整个油气管道施工作业提供有力的安全保证，这使得此技术得到了广泛的应用。

以前对管道进行维修时要求停输并且清空管道，或者只能采取一些临时性的补救措施，给油气管道的运行带来极大的安全隐患[5]，管道运输经济性损失巨大。管道带压开孔封堵原理的提出，使上述问题得到解决，该工艺不需要管道进行停产降压和管道置换，只需要对管道的待维修段进行开孔，并对局部区域进行有效封堵，然后进行局部维修，不但避免了不必要的经济损失和对环境的污染[6]，又为管道的施工作业提供了更安全的保证，这使得此技术得到广泛的应用。

所谓油气管道不停输带压开孔封堵技术指的是在保证油气管道正常运行的条件下，对待维修油气管道实施开孔封堵作业，并建立旁通的油气管道，从而将原油气输送管路系统和维修段管路分离开来，以使得在进行维抢修时不影响油气的输送[7]。根据旁通管道建立方式的不同，可以分为标准式和结合器旁通式2种[8]。

1)标准式。在待维抢修的油气管道上首先焊接封堵三通和旁通三通，对应地安装上封堵夹板阀和旁通夹板阀，然后凭借旁通夹板阀建立起旁通管道，以达到临时传输管道内部介质的目的。然后用封堵器封堵住主管道，即可对主管道进行维修和更换安装，维修工作完成后，安装法兰盲板，整套施工作业完成。如图1所示。

1—封堵器；2—封堵结合器；3—夹板阀；4—封堵头；5—压力平衡短节；6—维修管道；7—旁通三通；8—旁通夹板阀；9—旁通管道。

2)结合器旁通式。这一旁通管道的建立方式是基于结合器上的旁通法兰来架设旁通管道，所以有效地节约了旁通三通的安装成本，缩减了作业时间，但是对现场工作人员的熟练度有较高的要求。如图2。

1—封堵器；2—封堵结合器；3—夹板阀；4—封堵头；5—压力平衡短节；6—维修管道。

2国内现役带压开孔封堵器

基于不停输带压开孔封堵原理研制的油气管道封堵器，按其封堵头的机械手段不同可分为囊式封堵器、桶式封堵器、悬挂式封堵器 3种[9]。它们在不同工况下达到的封堵效果不相同，适用情况也有差别。所以，在实际作业时，应根据实际情况，选用不同的封堵器，以达到最佳的封堵效果。

2.1悬挂式封堵器

国内外现阶段油气管道不停输开孔封堵技术实际应用中，悬挂式封堵器(如图3)已得到了普遍的应用。悬挂式封堵器的工作原理，如图4。由封堵机将其置入开孔位置，通过封堵机将其送入带压管道内转向，利用管道介质压力膨胀皮碗，与管内径相配合，达到封堵效果。有2方面优点。

1)皮碗所受管道介质压力较大，因此在油气管道内部行进过程中能在很大程度上清理掉管道内部的杂质，使得悬挂式封堵器对管道清洁度要求不高。

2)其对管道介质压力也无限制，这极大地拓宽了悬挂式封堵器的应用范围，甚至可以进行高压封堵。

图3　悬挂式封堵器

图4　悬挂式封堵器封堵示意

但其也有缺点。使用悬挂式封堵器，首先要使管道上开出的孔与管道内径相等，这使得管道的强度受到影响，且刀具在施工中易损坏，封堵器的皮碗易被管道中的螺纹或焊缝割伤[10]。这使得悬挂式封堵器在现场使用时，时常出现封堵效果不佳甚至封堵不成功的现象，在很大程度上增加了施工的成本与时间。

2.2桶式封堵器

桶式封堵器如图5。工作原理如图6。先将整个封堵器送入到正在运行的带压油气管道，后利用这一封堵器的传动机械装置使膨胀桶有效膨胀，以使桶上的皮碗与管道内表面结合紧密，从而实现带压封堵。桶式封堵器切断了整个运行油气管道，所以能够适应具有变形严重或杂质较多等问题的管道，并且经常能取得好的预期效果。适用压力0～10 MPa，适应温度-30～260 ℃。

图5　桶式封堵器

图6　桶式封堵器封堵示意

由于这种封堵器需要利用四通进行整管切除，因此耗费的时间长，并且会使开孔处出现管道的危险点，破坏了管道的完整性。所以不建议采用该封堵器。

2.3囊式封堵器

20世纪80年代，我国自主开发研制了第1代囊式封堵器，并取得了一定的作业效果。囊式封堵器如图7。工作原理是先通过开孔机在运行中的油气管道上开孔，并且安装好囊式封堵器，后将由高分子材料制成的气袋送入到油气管道内部，并给气袋通气以使其膨胀，从而与油气管道内部结合紧密，以取得预期的封堵效果。囊式封堵器的优点是操作简便和携带容易，但其气袋的材质特性在很大程度上受到油气管道内表面的光洁度影响，并且其只适用于小管径、低压力的场合。

图7　囊式封堵器

管道模拟试验发现，单纯使用囊式封堵器进行油气封堵的效果不太理想，虽然可以勉强实现但可能发生失效。这是因为囊式封堵器囊体下游的管道内部压力已经降到零，所以只能靠囊体与管壁之间的摩擦力来平衡整个囊体所受的推力。但是原油能有效地对囊体的橡胶与管道内壁之间的界面进行润滑，使囊体与管壁之间摩擦因数很小，经试验测定仅为0.05～0.07。所以囊式封堵器(无挡板)的应用受到了很大的限制。

为有效地解决这一问题，人们对囊式封堵器进行优化设计和性能改良，并研制成功了挡板-囊式封堵器，即DNF型管道封堵器。相比普通的囊式封堵器，DNF型管道封堵器具有更为优良的性能。

DNF型管道封堵器的工作原理如图8。先在待维抢修的油气管道上下游带压开两组孔，分别在下游孔和上游孔中送入能充气胀大的密封囊体和展开后呈圆形的挡板，后上游孔中的囊体会通气膨胀，使其外表面的橡胶与管道内表面结合紧密，以有效阻断管道内部压力介质的流动。同时，下游孔中的挡板会抵住囊体的后端，使得挡板承受由管道内部压力引起并过囊体传递过来的推力，这种囊体与挡板相结合的封堵技术，取得了良好的应用效果。DNF型管道封堵器的优点是管件焊接量小，封堵设备简便、开孔时间短、开孔尺寸小，省去了旁通管道并且切断了管道内部压力介质的流动，所以在管道事故抢修作业中应用广泛。

图8　DNF型封堵器封堵示意

然而，DNF型管道封堵器的开孔尺寸小这一特点也产生了一些负面影响。一方面，开孔尺寸小会直接导致砥柱直径小，降低了砥柱承载力，进而降低了封堵压力。另一方面，开孔尺寸小也会导致贮囊筒内径小，使得囊头在囊体收取时容易出现拉伤问题，从而使得维抢修作业存在安全隐患[11]。

3国内不停输带压开孔封堵器研究进展

2008年，中国石油大学(北京)刘忠教授等[12]研制了一种新型的管道封堵器，此封堵器配有气压源，在送入装置将封堵器送入目标位置后，通过气压源向封堵器输入带压气体，带压气体进入封堵器内的气囊，使之膨胀，实现封堵。解压时，只需停止输气即可。该封堵器不仅实现了双向自解封，并可在距开孔1 m处实施封堵，增加了施工的安全性。

2008年，中国石油管道公司的刘罡对现役挡板-囊式管道封堵器进行了分析，根据现场施工的情况发现了一些缺点，并提出了改进的方法，提高了挡板-囊式封堵器的性能[13]。

2013年，中国石油大学(北京)张仕民教授等[14]研制了一种管道双级封堵器，该封堵器相对于传统封堵器而言，实现了双级封堵，前封堵皮碗还具有扫除管道中残留切屑或者其他杂质的功能，使后皮碗封堵效果更佳，从而实现一次性成功封堵。

2013年，西南石油大学刘佳良和李斌教授[15]在美国TDW公司的链式封堵器的基础上研制了一种只需开两个孔就可以实现封堵的新型链式管道封堵器。该封堵器同样采用了双级封堵，增加了封堵的成功率。

2014年，中国石油大学(北京)张仕民教授等[16]研制了一种球状双封封堵器，该封堵器采用球状一体化设计，在封堵球中部设计有两个密封胶筒，通过液压缸压缩胶筒，使之产生径向膨胀，实现封堵。此封堵器避免了开孔刀的损坏、螺旋焊缝和管道椭圆度对封堵效果的影响。

综上所述，我国的封堵器研究起步较晚。中国石油大学(北京)张仕民教授一直致力于管道封堵器的研究，取得了很多成果。近几年，我国封堵器的研究发展很快，目前，中国石油大学(北京)研究的封堵器取得突破进展，封堵效果有待观察。

4国外现役不停输带压开孔封堵器

国外对于封堵器的研究起步较早，技术相对成熟。对于这方面研究较多的有挪威的PSI公司[17]、美国的TDW公司、Oil-States Hydro Tech公司等。

4.1FURMANITE公司Folding Plugging

FURMANITE公司的Folding Plugging封堵器在20世纪70年代就运用于现场操作，如图9～10。经过40多a的发展，技术成熟。Folding Plugging的工作原理是，皮碗折叠后通过在管道上开的小孔进入管道，封堵器导向轮首先接触到管道下部内壁，封堵器在液压缸作用下开始边进入管道边张开，当底座端部的水平调整块接触到管道下部内壁后，左右折压板同时张开，封堵器就可以对管道进行密封。封堵器在斜拉杆作用下收紧，形成一个较小直径的收折体，这样封堵器就能从不等径孔进入管道中。这使得Folding Plugging所需的开孔直径小，能适应管道壁厚的变化，在大管径封堵中有很明显的优势[18]，节约成本，缩短作业时间。该公司的悬挂式封堵器最大封堵设计压力已达12.5 MPa，实现了1.5倍最大封堵压力，可作用于管径为1 372 mm的管道[19]。

图9　Folding Plugging封堵器

图10　Folding Plugging封堵示意

4.2美国TDW公司Double Block and Bleed Plugging

美国TDW公司推出了STOPPLE系列(STOPPLE Train)封堵系统[20-21]，如图11。该系统中的封堵器为链式封堵器[22]。该封堵器主要由封隔圈、钢丝轮、封堵头本体和导向轮等结构组成。该封堵器的独特之处在于有两个封堵头组成。

该封堵器的工作原理和传统封堵器工作原理大致相同，它是由封隔圈和封堵头本体在管内形成双级密封，不同的是，该封堵器相对于传统封堵器而言只需在管道上开两个孔就可以完成临时旁通管线的安装以及封堵器的下放和回收。但是传统的封堵器除了在管道上开两个孔用以完成封堵器的下落和回收外，还需多开两个孔，用来安装临时旁通管线。所以该封堵器的优点在于：开孔少，焊接面积减小，降低了油气泄漏的安全隐患，降低了对现场施工设备的要求，从而很大程度上降低了施工作业的成本，缩短了施工的时间；该封堵器有两个封堵头，可以实现双封堵，而且因加入了钢丝轮结构，这样在封堵器进入管道时可以对管道进行清污和除锈，提高了封堵能力。

图11　Double Block and Bleed Plugging封堵器

4.3Stats Group公司BISEP

Stats Group发明了一种双级封堵器—BISEP(Branch Installed Self-Energised Plug)。如图12所示，该封堵器有两个橡胶皮碗，故该封堵器有两个封堵结构。在开孔机开好孔后，送入机构将BISEP送入孔内，开启转动液压缸，封堵器头部开始转动，当转动到和送入机构垂直时，开启封堵液压缸，压缩橡胶，实现封堵(如图13)。封堵器头部有液压系统，可以控制两个橡胶皮碗进而实现封堵。因为该封堵器有两个封堵结构可以实现双级封堵，很大程度上提高了封堵成功率[23]。目前该封堵器能封堵的最大管径为914 mm，最大封堵压力为15 MPa。

图12　BISEP封堵器结构示意

图13　BISEP封堵成功示意

5结论

1)随着油气管道不停输带压开孔封堵技术的不断发展，需加强对封堵器的研究，以保证工作的安全性和可靠性。本文综述了国内外相关的研究内容，以帮助学者做更进一步的研究。

2)近年来，油气管道封堵器在管道维抢修中得到了很好的应用，降低了在维修管道中造成的经济损失。虽然国内封堵器的研究发展迅速，但是与国外相比仍有很大差距，还需要不断改进提高其水平。

3)油气管道的研究方向为：智能化，实现操作系统和封堵器的智能控制，提高封堵效率，控制封堵风险；快捷化，油气管道维抢修时间越久，经济损失越严重，快捷实现油气管道的封堵，可以减少经济损失。

4)未来我国管道里程将不断增加，新建管道的特点是：长距离、大口径、高压力和高流量，而且随着南海的深水油气资源开发，对于封堵器的需求和要求也会相应提高。但是，我国现役的封堵器不能满足海洋油气管道封堵作业要求。很有必要加强对其研究，以提高效率，保证安全性。

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文章编号：1001-3482(2016)07-0090-06

收稿日期：①2016-01-05

作者简介：谭凯文(1992-)，男，四川泸州人，硕士研究生，主要从事石油与天然气装备设计研究，E-mail：349461391@qq.com。

中图分类号：TE973

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.021

Research Progress of Plugging Device in Holing and Sealing on Non-stop Pressured Transportation Gas/Oil Pipeline

TAN Kaiwen，ZHANG Xun

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering，ChinaUniversityofPetroleum-Beijing，Beijing102249，China)

Abstract：Once leakage and other accidents happen，it should be maintained and repaired timely.Holing and sealing on non-stop pressured transportation technology is a significant method for the dimensional repair of gas/oil pipeline，and plugging device is a key component of the technology.The domestic and foreign research progress on the technology is reviewed.The advantages and disadvantages of existed plugging device are analyzed.The results show that there is still a gap between domestic and foreign，but domestic technology has made great progress.Further research orientation on the plugging device in holing and sealing on non-stop pressured transportation gas/oil pipeline is summarized as intelligence and high-speediness.

Keywords：pipeline maintenance；plugging device；study progress