王振洪中石化天然气川气东送管道分公司，湖北武汉430020



不停输带压更换高压球阀装置

王振洪
中石化天然气川气东送管道分公司，湖北武汉430020

摘要：天然气长输管道在运行过程中，各类旁通和支管上的高压球阀容易出现阀体泄漏、阀门内漏、无法注脂保养等一系列问题，为了妥善解决这类问题，依据此类阀门一端可以泄压放空的特点，研制了一套从阀门一端进行轴向封堵、更换阀门的装置。该装置主要由封堵头、操作杆、高压密封仓、分瓣式横梁、连接螺杆、环形卡箍等部分组成。在高压密封仓的封闭状态下，通过分瓣式横梁和操作杆把穿过待更换阀门的封堵头推送到管道内的封堵位置，而后旋转操作杆使封堵头受到挤压膨胀，实现对管道的压力封堵，然后更换下有问题的阀门。该装置按照DN50球阀的尺寸进行设计并制作出实物后，在现场进行试验，成功地完成了带压更换阀门的工作。该装置优点在于不用停输干线，不用焊接动火，可以在线带压更换与干线相连的旁通和支管上的球阀。

关键词：天然气长输管道；不停输；带压更换；高压球阀；装置

天然气长输管道在旁通流程和支管上经常用到各类高压缩径球阀，在长时间运行过程中，这些阀门经常出现阀体泄漏、阀门内漏、砂眼、法兰泄漏、无法注脂保养等一系列问题，现场除了采取临时措施暂时缓解这些问题外，还需彻底解决这类阀门处的安全隐患，就需要更换新的阀门。由于这类阀门一般都与天然气长输管道主干线直接相连，承受的压力高，且管道内气体又属于易燃、易爆介质，因此为了确保作业安全，传统的方法是停输干线，放空、置换后更换新的阀门。这样做不但严重影响管道的正常运行，而且还势必造成大量的资源浪费，特别是高压天然气管道，一次这样的操作至少需要放空几十万立方米的天然气。虽然目前也有一种带压开孔、封堵的技术［1- 2］，可以实现不停输带压更换阀门，但是对于这类旁通阀门，往往存在压力高、管壁薄、阀门缩径、作业空间狭窄、直管段长度小、没有开孔封堵位置等问题，无法进行带压开孔、封堵作业。不过此类阀门也有一个特点，就是与天然气管道干线相连的一端始终带压，而另一端一般都可以泄压放空。根据这个特点研制了这套从阀门一端进行轴向封堵、更换阀门的装置，该装置可以在不用停输、放空干线，也不用动火焊接的情况下，在线带压更换与干线相连的旁通和支管上的球阀。装置全部采用机械原理，具有安全可靠、密封点少、安装方便、操作简单、效率高、作业周期短等特点，而且不会影响干线的正常运行，更重要的是装置采取在外部间接固定封堵头的方式解决了阀门内径小、缩径造成的封堵头无法在管道内部牢固卡堵的问题，使操作更加安全、可靠［3］。

1　装置结构和工作原理

整个装置［4］主要包括封堵头、操作杆、高压密封仓、分瓣式横梁、连接螺杆、环形卡箍等，详细结构和实物照片如图1和图2所示。高压密封仓通过高压法兰与需要更换的缩径球阀连接起来，连接螺杆的一端通过环形卡箍上的耳翼始终与待更换阀门前面的管道紧固连接，另一端用来安装固定分瓣式横梁和操作杆，并通过操作杆把封堵头推送到封堵位置进行封堵和固定。

图1　带压更换阀门装置结构示意

图2　带压更换阀门装置实物照片

封堵头是一种专门为更换缩径球阀研制的新型封堵结构，见图3。封堵原理是在操作杆的推动下，封堵头被移送到需要更换阀门前面的管道处，然后转动操作杆，使封堵头挤压膨胀实现对管道的压力封堵，该封堵头可以在挤压作用下变细，从而顺利通过内径较细的缩径阀门，又可以在挤压下膨胀变粗封堵住内径较粗的管道。

图3　封堵头结构示意

高压密封仓有上下两个腔体，如图4所示，下部腔体用来容纳封堵头，上部腔体用来安装高压机械密封组件，最上端设置有密封压盖，在上部腔体上设置有一个用来注密封脂的注脂嘴，在下部腔体上设置有一个带阀门的放空口，整个高压密封仓轴向可以穿插安装操作杆。高压机械密封组件由两个高压油封和一根弹簧组成，依靠注射的密封脂增强高压密封仓与操作杆之间的密封性能。高压密封仓通过高压法兰与需要更换的缩径球阀连接起来，主要用来隔绝高压天然气，使之不外泄，同时又能够确保操作杆既可以轴向移动，又可以环向旋转。

图4　高压密封仓结构示意

操作杆的形状为逐步变细的台阶型，见图5，下端有一段是空心的，而且通过内丝与封堵头连接在一起，中间部分穿过高压密封仓，上端与分瓣式横梁通过推力轴承相连，上端部分有一段外丝，可以安装螺帽，最上端有一段截面形状为正六边形，方便扳手等工具卡住转动操作杆。

图5　操作杆结构示意

分瓣式横梁有两根，见图6，每根上均设置有三个大孔，中间孔穿操作杆，两边的二个孔穿连接螺杆，三个孔均采取间隙配合，横梁侧面设置有一对用来组装用的小孔，两根分瓣式横梁均沿中间剖开分为两半，使用时再用螺栓穿起来组装到一起。另一根分瓣式横梁的中间圆孔与操作杆的中间部分直径配套，其主要用途是在阀门拆卸后，放置在阀门与管道法兰之间，二次固定住操作杆，起到安全防护作用。

图6　分瓣式横梁结构示意

环形卡箍依据阀门前面的管道外径设置，主要是通过连接螺杆把封堵头、操作杆、分瓣式横梁等与管道牢固连接。环形卡箍剖分为两个半环，见图7。每个半环的两边都有一个带径向螺栓孔的连接耳翼，使用时把两个半环抱在管道上，用螺栓扭紧固定。另外，在每个半环中间还设置有一个带轴向圆孔的耳翼，连接螺杆穿过该轴向圆孔，并通过两端螺帽与耳翼牢固连接。

连接螺杆有两根，其一端通过环形卡箍上的耳翼与待更换阀门前面的管道紧固连接，另一端通过螺帽与分瓣式横梁相连接，在螺帽和分瓣式横梁之间设置有推力轴承，通过扭动螺帽来推动分瓣式横梁移动，从而带动操作杆和封堵头轴向移动。

图7　环形卡箍结构示意

2　装置使用方法

利用该套装置进行阀门带压更换作业前，先要制订安全技术方案措施，办理相应的作业票据，准备好通风设备、正压式空气呼吸器等。现场作业人员要熟练掌握装置的使用方法和步骤，现场作业过程要注意不得磕碰，以避免产生火花，操作时人员严禁站在装置的正前方。详细的操作步骤如下：

第一步，安装装置。在放空、泄压的前提下拆卸掉待更换阀门未与干线相连一侧的法兰和管道，把组装好的装置安装到位，高压密封仓与阀门法兰连接，环形卡箍牢固地卡在待更换阀门前面的管道上，封堵头处于高压密封仓下部腔体内。

第二步，进行封堵。关闭装置放空口上的阀门，缓慢打开待更换的旧阀门，直到阀门完全处于开启状态，用棘轮扳手扳动连接螺杆上的螺帽，推动分瓣式横梁向前移动，从而带动操作杆和封堵头也向前移动，当封堵头被移送到需要更换阀门前面的管道处，操作杆下端面与管道上的法兰面平齐时，就停止扳动连接螺杆上的螺帽，一般可以通过测量操作杆移动的距离和现场阀门实际尺寸来判断二者是否平齐。然后用扳手转动操作杆，挤压封堵头使之膨胀，实现对管道压力的封堵。

第三步，拆卸旧阀门。待压力被封堵住后，打开放空口上的控制阀门进行放空、泄压，观察5 min，确认已经彻底封堵住没有泄漏后，拆开待更换阀门与管道的法兰连接，把法兰垫片和阀门一起从管道法兰上移开，同时在此空隙处安装上另外一根分瓣式横梁，确保该分瓣式横梁卡住操作杆下端的凸台，并用连接螺杆上的备用螺帽紧固住该分瓣式横梁，从而确保操作杆和封堵头被该分瓣式横梁支撑固定牢固。

第四步，更换新阀门。卸掉装置末端的分瓣式横梁，把旧法兰垫片、旧阀门、以及高压密封仓一起从操作杆上抽出，见图8。然后再依次把新垫片、新阀门、以及高压密封仓重新穿到操作杆上，重新把分瓣式横梁安装上，支撑固定好操作杆。拆卸掉装置前端的分瓣式横梁，紧固好新阀门两端与管道法兰和高压密封仓的法兰连接。

图8　旧阀门完全拆除后的照片

第五步，解堵。关闭放空口上的阀门，用扳手反方向转动操作杆，使封堵头不再挤压膨胀，彻底解除对管道的封堵后，再用棘轮扳手反方向扳动连接螺杆上的螺帽，在管道内压的作用下，封堵头、操作杆、分瓣式横梁会一起向后退，当封堵头完全进入高压密封仓下部腔体后，关闭换上去的新球阀。

最后，拆除装置，恢复流程。打开放空口上的控制阀门进行放空、泄压，拆除全部装置，把新阀门未与干线相连一侧的法兰和管道重新安装恢复原状。

3　装置的特点

（1）装置全部采用机械结构，可靠性高，安全风险低。

（2）密封点少，作业过程介质泄漏的风险小。

（3）整个装置固定在待更换阀门的前面，在管道法兰的阻挡下，作业过程相对安全。

（4）封堵头始终由两根分瓣式横梁交替支撑固定，能够保证封堵头不会从管道中滑出。

（5）利用该装置带压更换阀门，不需要停输大量放空油气资源，经济和社会效益可观。

（6）装置结构尺寸小巧，非常适用于小口径、作业现场空间狭窄时使用。

（7）采用轴向封堵技术，避免了带压开孔动火焊接的安全风险。

（8）采取在外部固定封堵头的方式解决了封堵头无法在内部牢固卡堵的问题。

4　试验应用情况

该装置按照DN50缩径球阀的尺寸设计制作出实物，然后模拟现场实际情况搭设了试验平台，依次进行了不带压试用、装置强度试验、封堵后升压检验的静态试验、逐级带压试验等，最终在8.2 MPa压力下成功地带压更换了阀门。从试验情况来看，作业过程操作简单，安全可靠，而且不需要停输、放空，也不用动火，作业在1 h以内可以完成。在试验条件下该装置的封堵压差可以达到10 MPa以上；封堵压差在8 MPa时，经过24 h的稳压观察，封堵效果良好，没有出现任何的泄漏和明显的位移变形。

5　结束语

研究开发的这套带压更换阀门装置，经过实际带压试验获得成功，充分证明了该装置在带压更换阀门上是完全可行的，能够较好地解决油气长输管道旁通和支管上各类高压球阀出现的阀体泄漏、阀门内漏、砂眼、法兰泄漏、无法注脂保养等一系列问题，装置具有操作简单、性能安全可靠等优点。从装置设计和制作成本来看也比较经济，只有几千元，更重要的是目前国内还没有类似的装备可供使用，技术有创新性。从试验情况来看，目前虽然只在8.2 MPa压力下进行成功的试验，但从技术原理角度来看，完全可以在10 MPa条件下使用，不但可以在输气管道上应用，也可以在输油管道上应用。

参考文献

［1］尚万宁，田建峰，杨东.不压井更换闸阀技术在气井维护中的应用［J］.天然气工业，2006，26（1）：98- 100.

［2］李莲明，谭中国，龙运辉，等.带压更换天然气井口采气树主控制阀新技术［J］.钻采工艺，2007，30（3）：93- 95.

［3］王振洪，全恺，卢彦博，等.一种不停输带压更换高压缩径球阀的装置：中国，201520123737.2［P］.2015- 09- 02.

［4］郝木明.机械密封技术及应用［M］.北京：中国石化出版社，2010.

Device for Replacing High Pressure Ball Valve Under Non- stop Gas Transmission

WANG Zhenhong
Sinopec Sichuan to Eastern China Gas Transmission Pipeline Company，Wuhan 430020，China

Abstract：During pipeline operation process，a series of problems is easily to occur in high- pressure ball valves of kinds of branch pipelines and bypasses，such as valve leakage and being unable to inject grease for maintenance. According to the feature that the pressure of one end of the ball valve can be discharged，a device to block and replace ball valve in axial direction from the end of the valve is developed. The device consists of a blockage head，an operational rod，a high pressure seal chamber，split type beams，connection bolts，a ring clamp，etc. In the sealing state of the seal chamber，the blockage head is pushed through the needed replaced valve into the blockage position of the pipe by the operational rod. Next，rotating the operational rod squeezes the blockage head causing it expanding to block the pipe. Then the valve can be replaced. The device is designed and manufactured according to DN50 ball valve dimension，and its field test is successful. This device has the advantages such as non- stop transmission of trunk pipeline and no welding and ignition work needed. It can be applied to replace ball valves in branch pipeline and bypass under the pipeline operation condition in high pressure.

Keywords：long- distance natural gas pipeline；non- stop transmission；replacement under high pressure；high pressure ballvalve；device

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.020

作者简介：

王振洪（1974-），男，河南渑池人，一级建造师，1996年毕业于西南石油学院油气储运专业，目前主要从事天然气长输管道维抢修工作。Email：wzh740903@163.com

收稿日期：2015- 12- 24