鄭亞飛1 賈永海2 李猛2 楊健3

1.中國石油天然氣管道工程有限公司； 2.西南管道昆明維搶修分公司；3.西南管道昆明輸油氣分公司

摘要：分析了對開式搶修卡具的結構和計算方法,提出了改進建議,并與傳統結構進行比較,對于大口徑、高壓力管道對開式搶修卡具的設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：對開式卡具；結構；計算；優化

據調研分析，中俄東線天然氣管道工程針對管線腐蝕、穿孔等大都采取搶修卡具作業。同時，漠河－大慶原油管道工程維搶修人員介紹了搶修卡具作業失敗案例，希望能夠提供相關解決措施和方案。為此，我們對常用的對開式搶修卡具進行了計算分析，對卡具傳統結構加以改進，對比分析了卡具傳統結構和優化結構相關參數，以期為卡具設計和應用提供參考。

1 卡具結構和計算方法

1.1 卡具結構

對開式搶修卡具結構主要由上殼體、下殼體、密封條、緊固螺栓螺母、吊耳、平衡孔、保護塊組成，詳見圖 1。上下殼體安裝到管道本體上，通過緊固螺栓螺母壓緊環向、橫向密封，實現管道泄漏區域的加緊密封，從而完成堵漏。

1.2 計算方法

（1）壁厚計算

卡具壁厚S 按式（1）計算：

式 中S 為 卡 具 壁 厚 （ 實 際 應 用 中 不 應 小 于 6mm）， mm； p 為卡具設計壓力， MPa； D 為卡具直徑（注劑式卡具為管道本體外徑+2倍注劑厚度），mm； φ 卡具接頭系數； pL為泄漏介質最高壓力，MPa； [δ]t為卡具材料的許用應力（泄漏介質溫度下）， MPa。

（2）耳板計算

耳板厚度按式（3）計算：

式中t 為卡具耳板厚度， mm； C 為卡具封閉空腔寬度， mm； L2為耳板雙螺栓孔中心至法蘭卡具外側面的距離， mm； α 為卡具耳板寬度， mm。

（3）螺栓計算

式中d1為最小螺紋直徑， mm，根據d1查取螺栓標準直徑； CK為預緊和剛度系數，取值1.5； n 為連接螺栓數量，個。

2 卡具結構分析與優化

2.1 傳統卡具結構分析

（1）傳統卡具使用缺陷。一是安裝完畢后需要進行焊接處理。對開式搶修卡具通過螺栓緊固上下殼體耳板，實現密封作用，由于其僅通過單側密封條密封，為防止發生泄漏，需要對環向、耳板側、螺栓螺母處進行密封焊。在泄漏帶壓情況下進行焊接，具有一定的危險性，同時其對溫度的敏感性使焊接質量難以保證，易產生焊接裂紋而造成再次泄漏。二是高壓力、大口徑對開式卡具厚而重。根據上述計算結果，其厚度和重量增大，導致加工制造困難和安裝不便，進而為后續焊接工作帶來困難。

（2）卡具失效原因。一是傳統卡具存在受力放大效應。 在一個小裂紋或泄漏點情況下，形成了一個大的封閉空間，造成卡具本身受力大，進而需要增大壁厚、螺栓直徑、整體質量，需要優化結構。二是自然環境溫度低的地區(如東北/西北地區冬季)，在焊接作業中未考慮管道本體對于焊接條件的要求，且卡具本身未預留焊接坡口，造成后期產生焊接裂紋。

2.2 卡具結構優化

（1）結構形式優化。傳統卡具多采用整體鍛造，結構為圓筒形，決定其成功與否的關鍵是密封變形量的控制，即剛度控制，建議采用增加筋板設置等措施，滿足剛度要求的同時，減輕卡具整體重量。

（2）密封結構優化。建議采用多腔密封結構以減少卡具整體受力面積。將卡具內部劃分為不同的密封區域，將泄漏點安裝至中心區域，其他區域采用注膠處理，使受力減少為一個中間密封腔內。通過注膠處理，將單純的條密封變為面密封，密封區域顯著增大，免除了在線安裝焊接的危險性，解決了焊接質量難以控制的問題。

2.3 兩種結構形式對比

以管徑D1 422 mm、壓力12 MPa、卡具材料16 MnⅢ為例，分別按照傳統結構和優化結構進行參數計算，結果見表 1。

對比結果可知，經過優化后的卡具壁厚、耳板厚度、螺栓直徑等均顯著減小，卡具重量比傳統卡具減少了約39%。

3 優化結構優點

（1）免于焊接。通過分腔注膠處理，在減少卡具本體受力的前提下，提高了卡具密封性能，免除與管道的焊接作業，提高了卡具應用的安全性。

（2）便于加工制造。減少了卡具壁厚、耳板厚度、重量等，便于加工制造，提高了產品的經濟性。

（3）有效控制密封空間內管體腐蝕。通過注膠處理，將密封空間內填充注劑，消除了管體繼續腐蝕的可能性。

4 結論

大口徑、高壓力管道對開式搶修卡具結構優化后，有效減少了卡具本體厚度和重量，提高了使用安全性。使用中需注意以下問題：一是雖然避免了焊接作業，但增加了分腔注膠作業工序；二是膠劑應滿足相應溫度、彈性、密封性要求，針對不同介質選擇相應的注劑；三是需要在卡具本體預留注劑孔和通氣孔，注劑結束后進行密封。

作者簡介：鄭亞飛， 1982年生，2007年畢業于吉林大學機械設計及理論專業，碩士研究生，高級工程師，目前主要從事壓力管道、壓力容器及維搶修設計工作。聯系方式： 0316-2072301， zhengyafei@cnpc.com.cn