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一種帶壓封堵試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)的設(shè)計(jì)

2020-07-27 12:15:44苗升
油氣與新能源 2020年4期
關(guān)鍵詞:氣路管段調(diào)節(jié)閥

苗升

(中石化勝利油建工程有限公司)

0 引言

由于管道服役年限增長(zhǎng)、腐蝕、外力干擾以及管道材料自身缺陷等諸多因素的影響,閥門失效和管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生。維搶修作業(yè)最常見(jiàn)的搶修任務(wù)就是在不停輸?shù)那闆r下進(jìn)行破漏搶修和更換管段等大型事故處理作業(yè)。由于油氣管道帶壓開(kāi)孔、封堵的施工風(fēng)險(xiǎn)很高,GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》、Q/SY 1592—2013《油氣管道管體修復(fù)技術(shù)規(guī)范》及GB 50540—2009《石油天然氣站內(nèi)工藝管道工程施工規(guī)范》等相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求管道壓力大于5 MPa或重點(diǎn)難點(diǎn)工程的封堵作業(yè)在施工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

帶壓封堵模擬試驗(yàn)是對(duì)管道帶壓開(kāi)孔、封堵裝備的性能進(jìn)行檢測(cè)和工藝方案驗(yàn)證的主要手段,也是驗(yàn)證相關(guān)研發(fā)裝備的可靠性和進(jìn)行裝備投用前的實(shí)用性預(yù)演的重要方法之一。模擬試驗(yàn)主要包括驗(yàn)證帶壓施焊、開(kāi)孔、封堵施工過(guò)程的可行性、安全性,監(jiān)控開(kāi)孔、封堵設(shè)備運(yùn)行過(guò)程并采集開(kāi)孔、封堵作業(yè)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù),從而評(píng)判施工方案的準(zhǔn)確性,保證帶壓封堵作業(yè)的安全。

目前,國(guó)內(nèi)唯一的油氣管道行業(yè)的國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室由中國(guó)石油管道工程有限公司承擔(dān)建設(shè)。近年來(lái),其旗下的維搶修實(shí)驗(yàn)室為帶壓封堵維搶修業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。

目前,國(guó)外開(kāi)展管道維搶修業(yè)務(wù)的知名公司有美國(guó)TDW(逖帝威廉森)公司、英國(guó)Mirage Machines(美亞機(jī)械)公司、State Group公司等。美國(guó)的TDW公司掌控著智能封堵技術(shù),而英國(guó)State Group公司擁有智能封堵設(shè)備。他們同全世界各大石油公司都有著密切的合作關(guān)系,對(duì)海底管道搶修具有非常成熟的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。這些公司都擁有自己的全工況模擬試驗(yàn)平臺(tái),具有較高的技術(shù)水平,能夠進(jìn)行各種復(fù)雜環(huán)境、多種類型的管道帶壓封堵模擬。通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)模擬驗(yàn)證后,采用的維搶修施工技術(shù)手段完善并能根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行施工技術(shù)創(chuàng)新。圖1為美國(guó)TDW公司模擬平臺(tái)圖片。

圖1 美國(guó)TDW公司模擬平臺(tái)圖片

本文介紹了一個(gè)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的帶壓封堵試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)系統(tǒng),為維搶修作業(yè)提供能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況的帶壓開(kāi)孔、封堵的試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)、實(shí)踐,積累大口徑、不停輸、特殊介質(zhì)等帶壓封堵施工經(jīng)驗(yàn),提高維搶修技術(shù)能力。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

建立適用管徑200~1 200 mm的輸油、輸氣管道,模擬工況壓力≤10 MPa的不停輸帶壓開(kāi)孔、封堵的試驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)一套,真實(shí)反映施工方案的可行性和安全性。模擬平臺(tái)包括管道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

管道系統(tǒng)模擬輸油和輸氣管道,實(shí)現(xiàn)輸油、輸氣管道不停輸工況時(shí),同等壓力下的帶壓開(kāi)孔、封堵試驗(yàn);

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、傳輸、監(jiān)控,由 PLC(可編程控制器)控制,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管道流量和壓力,并在工控機(jī)界面形象、友好地顯示出來(lái);

視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)設(shè)備作業(yè)過(guò)程,更好地了解開(kāi)孔、封堵時(shí)管道內(nèi)部情況。

圖2為三維設(shè)計(jì)模型示意圖。

圖2 平臺(tái)三維設(shè)計(jì)模型

1.2 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道系統(tǒng)包括液路模擬和氣路模擬,分別模擬輸油和輸氣管道。液路模擬系統(tǒng)和氣路模擬系統(tǒng)對(duì)稱布置,之間預(yù)留10 m的操作空間。設(shè)備管道安裝布置占地面積約為1 400 m2,長(zhǎng)度為55 m,寬度為25 m。

1.2.1 液路工藝流程設(shè)計(jì)

在對(duì)管道進(jìn)行封堵的過(guò)程中,要對(duì)發(fā)生泄漏的管道進(jìn)行開(kāi)孔,為保證工作的便利,開(kāi)孔多選在管道的直管段。在操作中,盡量使開(kāi)孔位置與焊接位置保持一定的距離[2]。

管路系統(tǒng)主要設(shè)備包括水罐、過(guò)濾器、多級(jí)離心泵、高壓柱塞泵、流量計(jì)、安全放散系統(tǒng)、試壓管段、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、排污閥、各類儀表等,通過(guò)管路連接,形成閉合回路。旁通的設(shè)置主要是模擬不停輸應(yīng)急搶修工況,即:穩(wěn)定在一定壓力下,介質(zhì)走臨時(shí)旁通管路,主管路進(jìn)行帶壓開(kāi)孔、封堵試驗(yàn)。

試驗(yàn)起始狀態(tài)為柱塞泵閥門關(guān)閉,安全放空系統(tǒng)閥門關(guān)閉,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,試壓管段閥門打開(kāi),旁通閥門打開(kāi),其余主管道閥門全開(kāi)。啟動(dòng)多級(jí)離心泵進(jìn)行充液,當(dāng)試壓管段閥門出水時(shí),關(guān)閉離心泵出口閥門和試壓管段放水閥。打開(kāi)柱塞泵閥門,啟動(dòng)柱塞泵進(jìn)行升壓。調(diào)整電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,直至達(dá)到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓。柱塞泵流量小,經(jīng)過(guò)計(jì)算,選擇較小口徑調(diào)節(jié)閥,以便于調(diào)節(jié)流量和壓力。圖3為液路系統(tǒng)工藝儀表流程圖。

圖3 液路系統(tǒng)工藝儀表流程

1.2.2 氣路工藝流程設(shè)計(jì)

圖4為氣路系統(tǒng)工藝儀表流程圖。主要設(shè)備包括空壓機(jī)、增壓機(jī)、流量計(jì)、安全放散系統(tǒng)、試壓管段、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、放空閥、各類儀表等,通過(guò)管路連接,并在管路末端設(shè)置高壓消音器,降低噪聲污染,調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在一定壓力下,進(jìn)行帶壓開(kāi)孔、封堵試驗(yàn)。試驗(yàn)起始狀態(tài)時(shí)安全放空系統(tǒng)閥門關(guān)閉,試壓管段閥門關(guān)閉,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。啟動(dòng)空壓機(jī)、增壓機(jī),進(jìn)行充氣,通過(guò)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量和壓力,直至達(dá)到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)定。增壓機(jī)流量小,經(jīng)過(guò)計(jì)算,選擇較小口徑調(diào)節(jié)閥,以便于調(diào)節(jié)流量和壓力。

圖4 氣路系統(tǒng)工藝儀表流程

1.3 試驗(yàn)管段支座和基礎(chǔ)連接板設(shè)計(jì)

試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)滿足管徑為200~1 200 mm的各種直徑的管段進(jìn)行試驗(yàn),不同直徑的試驗(yàn)管段支座大小不同。為實(shí)現(xiàn)支座和基礎(chǔ)連接的通用性,設(shè)計(jì)了連接板結(jié)構(gòu)。該連接板按照最大管徑1 200 mm的支座進(jìn)行設(shè)計(jì),并能滿足 200~1200 mm管徑的連接要求。為節(jié)省材料、方便安裝,設(shè)計(jì)混凝土基礎(chǔ)和連接板尺寸不變,連接板與混凝土基礎(chǔ)通過(guò)地腳螺栓連接。與不同管徑相配的支座無(wú)論尺寸大小,直接與連接板焊接即可。連接板采用長(zhǎng)1 280 mm、寬570 mm、厚12 mm的Q235A鋼板。連接板與鞍座底板進(jìn)行圓周連續(xù)焊接,鞍座底板開(kāi)坡口45°,焊高≥6 mm。圖5為連接板底板圖,圖6為基礎(chǔ)-連接板組裝示意圖。

圖5 連接板底板平面安裝圖

圖6 基礎(chǔ)-連接板組裝示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、模擬工況狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集處理、遠(yuǎn)程控制等。系統(tǒng)采集壓力、流量、開(kāi)孔行程等信號(hào),通過(guò)PLC采集、傳輸數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管道流量和壓力。在工控機(jī)界面,利用操作面板,遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)閥、空壓機(jī)、泵等動(dòng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖7。

圖7 數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)框架

液(氣)路自動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力、流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口壓力超限報(bào)警和調(diào)節(jié)閥故障報(bào)警及設(shè)備故障報(bào)警等,自動(dòng)生成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表。液路自動(dòng)控制視頻顯示見(jiàn)圖8,氣路自動(dòng)控制視頻顯示見(jiàn)圖9。

圖8 液路自動(dòng)控制視頻顯示圖

圖9 氣路自動(dòng)控制視頻顯示圖

1.5 管道內(nèi)視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一套管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備,直接觀察實(shí)際開(kāi)孔封堵施工中無(wú)法觀察到的管道內(nèi)部情況。管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備主要由高清攝像機(jī)、高清攝像頭、LED光源、特種高壓視窗(耐壓10 MPa)等組成,防護(hù)等級(jí)為IP65。視頻監(jiān)控裝備設(shè)置于試壓管段,能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)開(kāi)孔機(jī)、封堵頭作業(yè)過(guò)程,更好地了解開(kāi)孔封堵時(shí)管道內(nèi)部情況,采集開(kāi)孔、封堵作業(yè)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)。管道內(nèi)視頻監(jiān)控裝備的高壓視窗三維圖見(jiàn)圖10。

圖10 高壓視窗三維圖

2 模擬平臺(tái)應(yīng)用情況

該模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)建造完成后,如圖11,對(duì)整個(gè)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。分別對(duì)液路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)定壓力為9 MPa的試壓,試驗(yàn)平臺(tái)壓力穩(wěn)定、安全可靠,滿足進(jìn)一步進(jìn)行帶壓開(kāi)孔、封堵的試驗(yàn)條件。

圖11 模擬平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)

2.1 液路模擬系統(tǒng)應(yīng)用

某改線工程管道設(shè)計(jì)壓力10 MPa,帶壓封堵施工管道直徑為406.4 mm、壁厚9.5 mm,運(yùn)行介質(zhì)為成品油,封堵段管道運(yùn)行壓力 6.7 MPa。按 GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定要求,在項(xiàng)目開(kāi)工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)用于驗(yàn)證本工程所采用的停輸帶壓封堵工藝和相關(guān)設(shè)備的可靠性。

試驗(yàn)所采用的管道為管徑406.4 mm、壁厚9.5 mm,運(yùn)行介質(zhì)為水,運(yùn)行壓力6.7 MPa,管道材質(zhì)X60,長(zhǎng)度12 m。主要試驗(yàn)內(nèi)容為:(1)封堵管件帶壓焊接;(2)帶壓開(kāi)孔,驗(yàn)證開(kāi)孔是否合格;(3)模擬封堵,驗(yàn)證封堵效果;(4)試驗(yàn)完成后的系統(tǒng)打壓,驗(yàn)證作業(yè)在投產(chǎn)運(yùn)行后的可靠性。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,所設(shè)計(jì)的模擬平臺(tái)各系統(tǒng)運(yùn)行良好,壓力一直穩(wěn)定在6.7 MPa,保證了各個(gè)后續(xù)試驗(yàn)的安全、圓滿完成。

2.2 氣路模擬系統(tǒng)應(yīng)用

某高壓燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)壓力8 MPa,遷改工程施工管道直徑為 711 mm、壁厚 17.5 mm,管道材質(zhì)X65,運(yùn)行壓力4 MPa。根據(jù)作業(yè)管道的規(guī)格、運(yùn)行壓力等技術(shù)參數(shù),屬重點(diǎn)難點(diǎn)工程。按GB/T 28055—2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定要求,在項(xiàng)目開(kāi)工前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。本模擬試驗(yàn)用于驗(yàn)證工程所采用的不停輸(帶壓)封堵接駁工藝和相關(guān)設(shè)備的可靠性。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證材料設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)參數(shù)、性能能否滿足實(shí)際需要,確保實(shí)際作業(yè)的成功。

試驗(yàn)采用的管道直徑為711 mm、壁厚17.5 mm,運(yùn)行介質(zhì)為空氣,運(yùn)行壓力4 MPa,管道材質(zhì)L415M,長(zhǎng)度12 m。主要試驗(yàn)內(nèi)容為:(1)封堵管件帶壓焊接;(2)帶壓開(kāi)孔,驗(yàn)證開(kāi)孔是否合格;(3)模擬封堵,驗(yàn)證封堵效果;(4)管道修復(fù),驗(yàn)證修復(fù)效果;(5)試驗(yàn)完成后的系統(tǒng)打壓,驗(yàn)證系統(tǒng)在投產(chǎn)運(yùn)行后的可靠性。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,所設(shè)計(jì)的模擬平臺(tái)各系統(tǒng)運(yùn)行良好,壓力一直穩(wěn)定在4 MPa,保證了各個(gè)后續(xù)試驗(yàn)的安全、圓滿完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

帶壓封堵試驗(yàn)平臺(tái)采用可靠、安全的工藝設(shè)計(jì),模擬現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際工況,驗(yàn)證帶壓開(kāi)孔封堵作業(yè)方案的可行性。

(1)設(shè)置的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥可對(duì)試驗(yàn)管路進(jìn)行壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。液路采取閉合回路設(shè)計(jì),節(jié)約水資源。氣路末端設(shè)置高壓消音器,減小噪聲污染。

(2)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的全自動(dòng)控制,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守,保證安全。

(3)管道內(nèi)視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì),能夠視頻觀測(cè)到帶壓開(kāi)孔封堵的作業(yè)過(guò)程,并采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)。

(4)試驗(yàn)管段支座和基礎(chǔ)連接板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),適用管徑200~1 200 mm,便于安裝,使不同規(guī)格的試驗(yàn)管段更換方便快捷,節(jié)省材料。

該平臺(tái)能夠?qū)洪_(kāi)孔封堵施工工藝和施工裝備進(jìn)行可靠性和安全性驗(yàn)證,有利于設(shè)備的研發(fā)和新型施工技術(shù)的實(shí)施與推廣,有效提升公司在帶壓封堵及維搶修專業(yè)的技術(shù)能力,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

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