法兰封堵卡具的设计与计算

李　凯，王传磊（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

法兰封堵卡具的设计与计算

李凯，王传磊
（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海洋平台上的法兰泄漏问题一直是生产过程中面对的棘手问题，泄漏问题不仅对平台的生产带来安全隐患，而且威胁操作人员安全。针对实际法兰泄漏问题，设计了一套相对应的封堵卡具，并对其施工安装过程作了介绍，最后列举了卡具使用的相应案例的作业步骤，并对其维修技术特点进行了归纳，对以后可能遇到的泄漏维抢修工程提供借鉴参考。

法兰泄漏；封堵卡具；卡具设计

海洋平台上各种设备高度集中，加之受复杂海洋环境、局限性空间等各方面因素的影响，使平台上的维抢修工作面临着诸多困难。平台上常规法兰、阀门等泄漏更是时有发生，且其损坏形式又是多种多样。因此，如何尽快解决泄漏问题，成为人们关注的焦点。快速应对泄漏事故的能力，是进行维抢修工程的关键所在。近年来，采用封堵卡具技术，对法兰、海管发生穿孔泄漏等问题进行封堵，取得了比较好的效果。下面从某工程项目介绍封堵卡具设计与计算。

1　泄漏问题处理

对于海洋平台上的法兰泄漏，一旦发现应及时采取相应的措施，法兰泄漏大都是由于法兰的密封垫片破坏，或者压紧力不足导致，虽然可以通过更换密封垫片或者更换法兰来解决泄漏问题，但对于不间断生产的输送过程，需要对管路进行带压开孔设置旁路，这就大大增加了维修成本。

现在比较常用的法兰堵漏卡具具有经济性，安装方便等优点，近几年对于法兰泄漏问题的处理，一般选用堵漏卡具来处理。

法兰夹具一般设计成卡环式夹具，考虑到法兰连接螺栓，必须避免介质从法兰的螺栓口渗出。因此，夹具上的注剂孔设计是否合理，会直接影响堵漏效果。注剂孔的数量应和被堵漏法兰的螺栓孔数量相同，每个注剂孔的分布应在两螺栓孔之间。常采用如下两种结构型式的法兰夹具。

1.1凸形法兰夹具

当泄漏法兰的连接间隙大于8mm，泄漏介质压力大于2.5MPa，并且泄漏量较大时，应使用凸形法兰夹具。这种法兰夹具中间有一定位凸台，其宽度可根据法兰间隙而定。该夹具的加工尺寸较为精确，安装在泄漏法兰上后，整体封闭性能好，堵漏作业的成功率高。

1.2凹形法兰夹具

当泄漏法兰的连接间隙小于2mm以下，可以采用凹形法兰夹具法进行作业，以适应这类小间隙法兰泄漏的特殊情况。凹形法兰夹具中间有一凹槽，形成一个密封腔，用于填充密封注剂。

为防止流体从连接法兰的螺栓中流出，法兰卡具一般要求注入固化剂，对于输送原油的管道，固化剂可选用S-220，S-600等。

其中，密封夹具的设计要依据泄漏的条件和环境，介质的温度和压力合理地选材和确定其结构。密封夹具的材质也应根据具体泄漏工况来选定，综合考虑各种材料的基本性能等因素。

2　卡具在法兰泄漏中的实际应用

为应对现场可能出现的突发性油气泄漏情况，需设计制作一套管线堵漏工具，已对泄漏的法兰进行封堵。

2.1卡具的设计与计算

（1）设计条件

操作温度最高气温50℃，最低气温-20℃；泄漏流体最高压力6.0MPa；卡具基本尺寸：Φ=900mm，H=940mm；筒体材质Q345R；屈服强度345MPa；设计压力6.0MPa；卡具配合间隙≤0.2mm。

（2）计算模型

对筒形结构参照规范进行校核，并使用有限元软件进行局部应力校核。根据GB150规范，50℃下Q345钢材的许用应力为：

基本荷载为卡具设计压力P=6.0MPa

（3）卡具结构校核

①卡具筒体壁厚计算：

其中，设计压力P=6.0MPa；Ф为焊接接头系数，卡具为整体结构，取为1.0；卡具直径D=900mm；[σ]t=181 MPa，为泄漏介质温度（50℃）下卡具材料的许用应力。

经计算，卡具计算壁厚15.2mm，卡具设计壁厚为20mm，满足要求。

②卡具连接最小螺栓直径d1

其中：预紧和刚度系数CK=1.5；

卡具封闭空腔宽度C=780mm；

其中D取筒体厚度和两倍的注入剂厚度之和，在这取200-300之间

螺栓数量n=36；

经计算，卡具螺栓选为M18，材料35#钢，满足实际要求。

③卡具耳板厚度t

其中：耳板螺栓孔中心至卡具外壁与耳板连接出距离L=18mm；

卡具耳板长度b=940mm；

设计卡具耳板厚度为40mm，满足要求。

2.2ANSYS模拟

计算采用数值分析方法，考虑对称性，取卡具的1/4模型分析。利用有限元软件ansys，网格划分采用8节点二次壳单元进行校核。

载荷及边界条件：1）端板简支；2）筒体侧边固支；3）对内壁施加6MPa内压。

最大等效应力（VON-MISES）为156MPa＜[σ]t=181 MPa，满足要求。

经相应设计计算，卡具指标符合要求。

2.4现场施工步骤

（1）管道、法兰清理

先用干布擦拭法兰及管道，将油污、灰尘等擦拭干净，再用丙酮擦拭，将油污等彻底擦干。

（2）堵漏卡具安装

①利用倒链将半片卡具提起，与泄漏管道外壁贴合；

②安装另外一半卡具，检查密封胶条状态，确保完整且无偏离；

③预紧螺栓；

④安装卡具支架，利用L75角钢支撑起整个卡具，确保支架牢固可靠；

⑤将螺栓再次紧固，注意均匀紧固；

⑥安装完成后，将管卡上部2寸法兰，安装阀门，并用盲板盲死。

用封堵卡具对破损部位进行修复，不仅快速而且效果很好，能永久性封堵住泄露点，国外有封堵卡具使用五十年的记录。

3　结论

本文主要分析了卡具设计的要点，包括卡具材质的选择，垫片材质的选择。卡具设计满足足够的强度、刚度要求，并考虑了温度压力的影响。

就当前技术而言，封堵卡具密封还存在其自身的局限性。尤其在密封材料的选择方面，还有待于进一步地研究和试验。此外，泄露问题一般是突发性的，要求我们在平时在做好应对这些突发情况的准备，要对相关的泄漏卡具做封堵实验，来检验产品是不是真的做到封堵的万无一失。

Design and Calculation of Flange Sealing Gig

Li Kai，Wang Chuan-lei

Flange leaks on offshore platforms has been a thorny issue facing the production process，leakage problem not only for the production of platform security risk，and threaten the safety of operators.Actual flange leakage problem，design a corresponding block fixture，and its construction and installation process introduced last job step fixture lists used in the respective cases，and the maintenance of its technical characteristics induction of the future may encounter leak dimensional repair project to provide reference information.

flange leak；plugging fixture；fixture design

TE973.8

A

1003-6490（2016）03-0088-02

2016-02-10

李凯（1985—），男，河北人，助理工程师，主要研究方向为海洋石油油气集输。