油气集输系统法兰免动火柔性带压注胶封堵技术研究与应用

于 淼，窦 超，张建兵，祁 鹏，陈 萍，史 涛

(1.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；2.新疆润霖新能源技术有限公司，新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

在油气集输工艺流程中，法兰是管线、容器、储罐等各单元之间连接的主要组成部分，因法兰密封失效导致介质泄漏，可严重影响集输工艺流程的正常运行，甚至造成非计划停产检修[1-6]；特别是石油天然气化工类危化品生产流程，易燃易爆介质因法兰密封失效发生泄漏后，采用传统焊接维修或全系统停产检修，极易引发着火爆炸和介质泄漏等安全环保风险，且成本较高。因此，实现法兰不动火带压封堵应急维修是目前研究的主要方向[7-10]。为此，开展柔性卡具设计、耐温耐压密封胶筛选、性能评价等相关研究，开发了法兰免动火柔性带压注胶封堵技术，并在油气生产集输工艺流程中成功应用，为油气集输工艺中法兰泄露的高效堵漏提供了技术借鉴和参考。

1 工艺原理及结构

法兰泄漏主要是2个法兰面密封圈失效，造成介质泄漏。法兰免动火柔性带压注胶封堵技术(简称法兰柔性封堵技术)主要由柔性卡具和耐温耐压密封胶组成。其工艺技术原理为：在发生泄漏的法兰片外部，通过柔性卡具与2个法兰面的紧固结合，使柔性卡具与法兰片缝隙之间形成一个新密封腔体结构；然后通过柔性卡具自身配置的注胶孔，注入密封胶。在外力作用下，胶体完全填充至新的密封腔体结构中，在已发生泄漏的密封面外围，重新封固形成一个完整的密封胶体，从而实现免动火带压密封堵漏。

1.1 柔性卡具

柔性卡具[11]主要由柔性卡环和紧固构件等组成(图1)。柔性卡环主要由柔性卡环主体、对接口、注胶孔、注胶孔封堵螺栓等组成。紧固构件主要由拉紧固定环、紧固定销、紧固螺栓等组成。柔性卡环设有对接口，在安装时，紧固螺栓也可拆除，此时，柔性卡环为开放状态，方便扣接包裹在法兰片外围。然后通过紧固螺栓将柔性卡环主体收紧，对接口对接合拢，形成完整的环形结构，重新构建密封腔体。柔性卡环紧固对接完成后，通过柔性卡环主体中部沿圆周设置的注胶孔向密封腔内注入密封胶(图2)。注胶时，一般通过其中部分注胶孔注入密封胶，其他注胶孔的封堵螺栓为拆除状态。在注入压力的作用下，密封胶将密封腔体内的泄露介质通过开放的注胶孔驱替出来，并逐步充满整个密封腔体，完成堵漏操作。

图1 柔性注胶免动火法兰带压密封柔性卡具结构示意图Fig.1 The structure diagram of flexible clamp for hotwork-free online flange leak sealing with sealant injection

图2 柔性卡具带压注胶密封过程示意图Fig.2 The schematic diagram of online leak sealing with sealant injection by flexible clamp

柔性卡环主体采用Q235扁钢或不锈钢钢带加工制作，其厚度可根据集输系统的压力等级调整。利用扁钢或钢带具有的良好韧性，在紧固力作用下产生塑性变型的原理，通过调整柔性卡环主体的位置和紧固螺栓的紧固角度和紧固力，使柔性卡环与法兰外平面紧密结合，在集输系统正常运行的情况下，形成新建密封腔体。

柔性卡环主体的主要工艺参数：抗拉强度为400 MPa，屈服强度与抗拉强度的比值为0.6，在满足柔性卡环主体结构零件可靠性的同时具有较好韧性，便于在维修紧固过程中塑型；可适用法兰规格为DN50—DN1000。

1.2 耐温耐压密封胶体

耐温耐压密封胶体是实现免动火带压封堵的主要材料，是密封结构实现密封的关键因素。现阶段国内外生产和使用的密封胶大约有40余种，根据受热受压后的性状变化主要可分为2类[12-22]。一类是遇热塑性形变密封胶，其主要由聚四氟乙烯、二硫化钼、羟基丁二烯胶等组成，和不同耐温等级的溶剂材料混合后进行压制成型。该类密封胶在泄漏介质自身温度下，注入密封结构的胶体产生不可逆塑性变型，形成具有一定弹性的密封胶体，在新建的密封结构内，形成稳定的不固定形状密封填料，实现密封。另一类是弹性非塑性密封胶，主要由耐压耐温高分子材料(氟橡胶、芳纶纤维以及铁粉、石墨等)和丙酮、耐温润滑脂等进行混合压制，形成棒状胶体，可在新建的密封结构中形成稳定的弹性胶体，主要针对气体介质、低温介质以及运行压力波动较大的设施进行带压封堵。

油气集输系统法兰柔性封堵技术主要应用于原油、污水、蒸汽、有机溶剂、导热油和气态物料的低压输送工艺流程。在调研上述各类密封胶性能特点的基础上，根据长期现场施工经验和现场工况，在保持高分子合成橡胶和高分子合成树脂基胶不变的情况下，复配氟橡胶、石墨、铁粉、铜粉、固化剂等物质，最终形成了可满足现场工况的4类密封胶，主要成分及性能特点见表1。

表1 密封胶成分及性能特点Table 1 The composition and performance characteristics of the sealant

1.3 技术特点

(1)工艺适应性强、适用范围广。新建立的密封结构在外围建立密封的同时，可对泄漏点予以增强保护，且新建立的密封结构性能不低于原密封设计要求；通过液压工具快速注入耐温耐压封堵胶，可实现密封腔体内无死角填充，并可依据实际生产需求，根据温度、压力等系统运行参数，优选柔性卡具及密封胶体，满足不同工况需求，适应于不同介质和工况的应急维修。

(2)操作安全、施工风险低。实施应急抢修全程可免动火带压作业，特别是对于油、气等易燃易爆介质，免动火带压作业可有效消除传统动火焊接等维修带来的安全风险，具有较高的安全性。

(3)施工简便、经济高效。柔性卡具可快速安装，降低维修难度、缩短维修时间，能有效解决现有法兰泄漏维修工艺费时费力和维修成本高的问题，提高法兰泄漏抢修的有效性和经济性。

2 性能评价

为评价法兰柔性封堵技术的适用性，选用DN300法兰，按照油气集输流程连接实验管线，依据GB/T13927—2008《工业阀门 压力试验》相关流程评价其密封强度和气密性。

2.1 密封强度评价

实验条件：压力源为离心泵；实验温度为20 ℃时，实验介质为水；实验压力缓慢升至1.6 MPa，稳压20 min，然后升压至2.5 MPa，稳压20 min。观察管线压力变化，实验数据见图3。

由图3可知：当压力缓慢升至1.6 MPa后，稳压20 min过程中曲线平直，未出现压力波动。然后在10 min内将压力平缓提升至2.5 MPa，压力提升过程中，压力平缓上升无拐点或折点，后续稳压20 min内，压力曲线平直无拐点。实验结果说明，柔性卡具耐压性能稳定。

图3 密封强度实验曲线Fig.3 The curve of sealing strength test

2.2 气密性评价

实验条件：压力源为空压机；实验温度为20℃时，实验介质为空气；实验压力为2.5 MPa，稳压30 min。观察管线压力变化，实验数据见图4。

图4 气密性实验曲线Fig.4 The curve of air-tightness test

由图4可知：30 min内气体压力由0.0 MPa缓慢升压至2.5 MPa，升压过程中压力平缓上升，稳压30 min内，压力曲线平直无拐点。实验结果说明密封胶密封效果良好，无泄漏发生。

3 现场应用

截至目前，法兰柔性封堵技术在新疆克拉玛依油田油气集输管网、导热油掺热系统、供水供热系统等各类工艺系统中进行了现场应用，应急堵漏维修20余次，成功率为100%。传统堵漏维修需要停产放空，若在油气防爆区动火维修作业，还需消防车、工程车、电焊车等设备，一般耗时不低于24 h，全工艺流程需要15～20人配合。法兰柔性封堵工艺堵漏维修仅需要2～3人操作，1～2 h即可完成封堵作业，人力节约80%以上，维修费用仅为传统维修的10%；同时降低劳动强度和环保风险，具有很好的经济效益和社会效益。

新疆油田某集输处理站，3 000 m3调储罐进口法兰密封泄露，系统工作压力为1.2 MPa，温度为85 ℃，输送介质为含水原油，泄漏法兰外径为840 mm。采用法兰柔性封堵技术进行封堵，柔性法兰卡具选用8 mm厚卡具，密封胶选用RL1密封胶。现场安装卡具后，通过注胶工具匀速注入密封胶体，胶体在液压挤压力作用下完全填充至新建立的密封腔体，形成稳定的密封填充体，封堵成功。施工全过程仅需3名专业技术人员，施工时间为2 h，维修费用为1.2×104元。如采用传统维修，从发现泄漏后系统停产至维修后恢复正常运行，至少需要30 h；全过程需要8人3个班组配合完成施工作业；系统停输、原油泄漏、蒸汽外溢、维修物料、人工等费用至少需要12.5×104元。与传统维修作业相比，该技术大幅缩短了作业时间，节约费用90.4%，环保风险大幅降低。

4 结 论

(1)法兰免动火柔性注胶带压封堵工艺利用柔性卡具和法兰配合构建新的密封腔体，通过密封胶形成密封体，完成对法兰密封失效的封堵。该工艺具有适应性强、适用范围广、操作安全、施工风险低、简便高效的特点，可在不停产状态下免动火作业，具有很好的经济效益和环保效益。

(2)目前该技术能够解决低压集输工艺中的法兰泄漏问题，但对中、高压流程中法兰泄漏，柔性卡具耐压性能和密封胶的密封能力有待提升。下步研究重点是提高柔性卡具和密封胶的耐压性能。