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PE管不停输开孔封堵技术探讨

1 传统PE管封堵技术存在的局限性

随着城市燃气的不断发展,聚乙烯(PE)管道在城市燃气管网中得到了广泛的应用,欧洲人最早将PE管道用于低压燃气管网,如今PE管道逐步成为中压城市燃气管网的主要选择,因此对于PE管道不停输维修抢修新技术的需求也越来越迫切[1-3]

传统的PE管封堵技术存在以下局限性:

管道在改造或维抢修施工过程中,通常要先停输改造管段或事故管道,放空管道内的天然气,再实施改造或维抢修作业。即便是不采取放空管内天然气的改造或维修抢修方式,作业时也需将管内输送气体的压力降低到安全范围,采用阻气袋临时封堵后实施作业,以确保施工安全完成。无论是采取放空还是降低管道压力的作业方式,不仅造成了大量的资源浪费和环境污染,也会影响下游用户的正常生产和生活,给用户造成经济损失。

传统PE管夹扁封堵的方法仅适用于公称管径小于200mmPE管道。对于公称管径为250315mmPE管无法采用夹扁的方法,仍需要采取停气降压的方法进行作业。即便条件适合采用PE管夹扁方法进行施工作业,也需要将管内输送气体的压力降低到安全范围后,才能充分发挥夹扁器的夹扁作用,达到阻气的目的。另外,PE管夹扁作业对环境温度也是有要求的,环境温度低时不适合对PE管进行夹扁,因为环境温度低时,管材的延伸率降低,此时夹扁PE管道易发生脆裂,造成安全隐患,此现象在北方的冬季更加明显。

传统接支管的施工作业也可采取鞍形三通开孔的方法,即在带气运行的PE管道上提前焊接鞍形三通电熔管件与新建支管连接,再利用配置在鞍形三通内的刀头对带气管道开孔,为新建支管通气。采取这种方法虽然不用停输,但是由于开孔大小受到内置刀头直径的限制,所开孔径往往达不到新建支管的流量要求。为了满足流量的需求,只能采取对带气管道停气,断管加装三通的方法进行支管连接,这样不仅会造成资源浪费也会影响下游用户的用气。

同以上传统方法相比,应用PE管不停输开孔封堵技术在带气运行的PE管道上接支管、加装或更换阀门、更换管段、进行管道改线和改造,以及维修、抢修等作业,可以避免因施工作业停输造成的经济损失和对社会生活生产造成的不利影响,还可以满足流量的要求。

2 PE管不停输开孔封堵技术原理

PE管不停输开孔封堵过程主要是通过专用不停输开孔封堵设备来完成。它的基本原理是:在PE管道上进行施工作业时,在施工管段两端使用专业开孔封堵设备阻断该管段天然气的流通,作业过程中的不停输、不降压是通过开孔封堵设备上特设的旁通口实现的。在对施工管段两端进行封堵前,采用旁通管连接架设在施工管段两端的开孔封堵设备上的旁通口,使施工管段两端的天然气得以连通,对施工管段进行封堵后,也可保证天然气正常输送。

将相同规格的开孔机分别安装在机架上,与提前焊接在管段两端的专用PE电熔管件(PE封堵管件)连接,开孔机旋PE封堵管件内在待施工管道上方各开出一个孔。开孔完成后,卸下开孔机,安装封堵器执行封堵。封堵器将三折式皮碗封堵头下降通过已开好的孔进入施工管道,操纵进给手柄使封堵头张开与管道内壁贴合紧密,封堵头在施工管段两端同时张开,将天然气阻断。在实行封堵后,封堵头两端管道内的天然气可通过旁通管正常供给下游用户,达到不停输、不降压的目的。对图1A点与B点之PE管道进行维抢修、改造等施工作业。作业完毕后,堵塞PE封堵管件上方的孔,拆除机架等设备,恢复供气。PE管不停输开孔封堵技术原理见图1

 

3 PE管不停输开孔封堵设备的结构特点

机架

机架与PE封堵管件的连接见图2(黄色为施工管道,红色为PE封堵管件,其余均属机架)。机架主要由扇形闸板、上螺纹连接盘、密封法兰盘、两侧支撑板、变径卡环(2中被遮挡,无法显示)、平衡放散装置等部分组成,平衡放散装置包括放散球阀、压力表、平衡阀。

 

机架的作用是为开孔机、封堵器和下堵器提供支座,同时通过密封法兰盘与PE封堵管件连接并密封。在施工作业中,扇形闸板通过上板体表面的开、关指示牌,用六角专用扳手旋转至“开”或“关”档位,可实现闸板的打开和闭合,以便在置换作业设备时截断管内介质,防止外泄。机架利用两侧支撑板和变径卡环将不同管径的作业管道牢牢卡固,起支撑固定、管道矫圆的作用。

机架上的平衡放散装置的作用在于:当扇形闸板处于关闭状态时,通过放散球阀可放散掉闸板上腔的介质,然后更换作业设备;当扇形闸板需要打开时,按下平衡阀,平衡扇形闸板上下的压力,避免扇形闸板开启时单面受压。上螺纹连接盘可分别与开机、封堵器、下堵器相连接。密封法兰盘与PE封堵管件的连接套连接,密封法兰盘与连接套的连接配合采用插套式结构,可相对轴向移动。密封法兰盘的内孔中安装有两道0形密封圈,确保密封可靠,并方便与不同规格的PE封堵管件的连接套连接。

开孔机

开孔机的结构见图3。开孔过程中开孔机通过人工手动驱动,实现开孔刀套料切削、钻杆自动进给,无需外接电源。开孔刀主要由套料刀体、浮动护套、刀柄、中心钻等组成。开孔刀中心钻与刀柄用弹性销固定,中心钻尾柄与开孔机钻杆用弹性销固定连接,刀体柄部铣有凸台与开孔机钻杆端面凹槽配合,用于传递切削动力,开孔采用套料切削。开孔机操作简单,开孔速度快,施工作业时得到大幅度缩减。

 

封堵器

封堵器(见图4)由封堵杆、进给手柄、定位扳手、安全挡块、连箱、预紧装置、三折式皮碗封堵头(见图5,收合在连箱内)等零部件组成。封堵器是在开孔后实行封堵、截断管道介质流通的关键设备,它所实现的效果是PE管不停输开孔封堵技术的关键。用直插式连接销将封堵头连接到封堵杆底部,送开好的孔中,用定位扳手调节三折式皮碗封堵头朝向,封堵头正对来气方向后,通过进给手柄打开。管道中的压力推动三折式皮碗封堵头,致使封堵严密可靠,达到封堵作用。

 

 

下堵器

下堵器由操作手柄、主轴、定位装置、连接盘、内外卡钳等组成。其作用是在开孔和封堵后,在PE封堵管件的孔中塞入堵塞装置将其密封堵住。主轴由内外控制杆组成,内外卡钳分别安装在内轴和外轴上,可相对转动,通过操作定位手柄可使内外卡钳处于“下堵”、“定位”、“空位”三个档位,实现管件的下堵提堵、堵塞定位、堵塞与主轴脱离等操作,将堵塞装置固定在PE封堵管件中。

4 PE管不停输开孔封堵的作业流程

焊接PE封堵管件

根据现场施工条件,开挖开孔封堵作业坑,清理封堵位置及施工管段附近的土方,保证作业坑有多方向的安全畅通通道和足够的坡度,便于开展施工。确定施工管道(以下简称母管)上开孔封堵的位置,做好标记,安装并焊接封堵管件。在管件的上鞍座内弧面排布有电热丝,通过电熔焊机加热,当温度达到190230℃时上鞍座与母管配合面完全融合,冷却后成为一体。融合面强度可达到与母管同等要求。

PE封堵管件是一种专用材料,由防护帽、上鞍座、下托板、堵塞装置、联接板、固定螺钉等组成(见图67)

 

 

安装机架

将连接套旋紧在PE封堵管件上,打开机架内扇形闸板,将机架安放在母管上,将机架上的密封法兰盘与管件连接套对正插入配合。将机架两侧的支撑板插入机架下方,卡住管道,并用手轮螺钉拉紧连杆,使下托板夹紧在管道上,用蝶形螺母背紧固定好机架。机架上安装试压板或开孔机,通过机架上放散球阀向内部打空气,对封堵管件的电熔焊接质量和机架各安装连接处进行气密性测试,试验压力不大于施工管道内的介质压力。

开孔机的安装和钻孔

机与机架连接盘连接后,将开刀完全送入连接盘内腔中,启动平衡阀,打开机架上的扇形闸板,准备开。首先中心钻开孔定心后,顺时针旋转操作手柄,套料刀齿开始切削。切削时,浮动护套在开孑L前下移到齿尖,并随着开孔的进深上移,将切屑挡刀体内,可起到防止切屑外露的作用,从而避免刀体在PE管件内挤死,减小切削阻力。继续开孔直至阻力减小,转动轻松无阻力后,开孔完毕。按照相反的顺序将开孔刀提起,关闭扇形闸板,放散掉机架上腔气体,拆除开孔机,此时浮动护套防止屑条吊挂,从而造成扇形闸板不能完全闭合。

对管道进行封堵

选择与封堵管道相对应的三折式皮碗封堵头,采用直插式用连接销与封堵杆连接,将连接好的三折式皮碗封堵头收合进连箱内,安装连箱到机架上。启动平衡阀,打开扇形闸板,将三折式皮碗封堵头完全送入被封堵管道中,然后将固定卡和预紧装置锁死,再转动进给手柄通过螺母副使堵头通过四杆机构在管内全部打开,形成一个完整圆形,皮碗唇边与管道内壁贴合紧密,管道中的压力推动封堵头上的皮碗,致使封堵更加严密可靠,达到封堵作用。预紧装置的锁紧螺母通过压紧尼龙球体可锁紧传动轴,并防止管内介质外泄。三折式皮碗封堵头设计有通气孔,用胶管与封堵杆连通,封堵杆顶端安装有阀门,可以实现封堵管道内气体的放空。作业中,用临时旁通管将两端设备上的旁通口连通,实现不停输不降压,避免了大面积的停气,减少了经济损失。作业完毕后,连接机架上的放散球阀和封堵杆顶端阀门,在扇形闸板开启的状态下,可以对作业后的管道进行补气,以平衡封堵头两端的气体压力。

对管段进行施工

连通临时旁通管,放空施工管段内的剩余气体,根据需要对施工管段进行施工作业。作业完毕后,用硬质胶管连通机架上的放散球阀和封堵杆顶端阀门,在扇形闸板开启的状态下,对作业后的管道进行补气,以平衡封堵头两端的气体压力。确保施工后的管段不漏气后,反方向转动进给手柄使三折式皮碗封堵头收拢,气体在PE管道内流通。提起封堵杆,关闭扇形闸板,排空机架上腔和临时旁通管内的气体,拆掉临时旁通管,撤出封堵器。

下堵塞装置

下堵器安装在支架上,平衡压力后,开启支架上的扇形闸板。操纵下堵器将堵塞装置送管件孔中的槽内。下堵器主轴装置设有轴向移动和旋转移动,当轴向移动到位后,操纵手柄旋转90°。将堵塞装置卡紧在管件孔内的槽中,而后退出主轴,撤除下堵器。拆除机架及两侧支撑板和变径卡环,逆时针旋转退出机架与PE封堵管件的连接套,最后在PE封堵管件上部安装防护帽,并确认旋紧。堵塞装置留在PE封堵管件中,与密封圈、弹性卡板、压力平衡互锁弧板、防护帽组成堵塞密封装置,确保管件整体无气体泄漏。至此,整个PE管不停输开封堵作业全部结束。

5 PE管不停输开孔封堵的应用

该套设备使用范围宽泛,管道内介质压力不超过0.4MPa、管径不大于DN 315mmPE燃气管道上都可以进行不停输开孔封堵作业。结合包头地区燃气管网的实际情况,我公司将PE管道不停输开孔封堵设备应用在中压A燃气管网改造施工项目中,此段管道为DN 315mmPE管,运行压力为0.35MPa,涉及4户工业用户、7所学校以及1963户居民用户。施工作业采用该套设备,避免了用户停气,且在PE管道上封堵作业一次成功,缩短了施工时间,提高了工作效率,后期在多处燃气施工中采取封堵作业也非常成功。由于该设备的合理运用,施工工艺得到了改善与提高,既不影响燃气管道的正常输送,确保了用户安全用气,又能保证安全、高效、环保地施工。

聚乙烯(PE)管道不停输开孔封堵技术和设备的设计原理先进,应用方便简单,设备构造小巧精致、轻便,开孔机、封堵器和下堵器互相配合,易于置换和操作,实用性强,使用时安全可靠。通过该设备技术上的不断进步、完善,聚乙烯管不停输封堵技术将逐步取代传统PE管封堵作业方法,成为城市PE燃气管道带气作业的先进方法。

 

参考文献:

[1]史业腾.不停输管道的开孔封堵作业[J].煤气与热力,200323(2)86-88

[2]冯颖,彭国晟.皮碗式带压不停输封堵技术的改进[J].煤气与热力,200626(5)8-9

[3]李亚忠,耿付瑞,张善猛,等.新型封堵器在天然气支管阀门更换的应用[J].煤气与热力,200828(1)B48-B50

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