郑亚飞1 贾永海2 李猛2 杨健3

1.中国石油天然气管道工程有限公司； 2.西南管道昆明维抢修分公司；3.西南管道昆明输油气分公司

摘要：分析了对开式抢修卡具的结构和计算方法,提出了改进建议,并与传统结构进行比较,对于大口径、高压力管道对开式抢修卡具的设计具有一定的参考价值。

关键词：对开式卡具；结构；计算；优化

据调研分析，中俄东线天然气管道工程针对管线腐蚀、穿孔等大都采取抢修卡具作业。同时，漠河－大庆原油管道工程维抢修人员介绍了抢修卡具作业失败案例，希望能够提供相关解决措施和方案。为此，我们对常用的对开式抢修卡具进行了计算分析，对卡具传统结构加以改进，对比分析了卡具传统结构和优化结构相关参数，以期为卡具设计和应用提供参考。

1 卡具结构和计算方法

1.1 卡具结构

对开式抢修卡具结构主要由上壳体、下壳体、密封条、紧固螺栓螺母、吊耳、平衡孔、保护块组成，详见图 1。上下壳体安装到管道本体上，通过紧固螺栓螺母压紧环向、横向密封，实现管道泄漏区域的加紧密封，从而完成堵漏。

1.2 计算方法

（1）壁厚计算

卡具壁厚S 按式（1）计算：

式 中S 为 卡 具 壁 厚 （ 实 际 应 用 中 不 应 小 于 6mm）， mm； p 为卡具设计压力， MPa； D 为卡具直径（注剂式卡具为管道本体外径+2倍注剂厚度），mm； φ 卡具接头系数； pL为泄漏介质最高压力，MPa； [δ]t为卡具材料的许用应力（泄漏介质温度下）， MPa。

（2）耳板计算

耳板厚度按式（3）计算：

式中t 为卡具耳板厚度， mm； C 为卡具封闭空腔宽度， mm； L2为耳板双螺栓孔中心至法兰卡具外侧面的距离， mm； α 为卡具耳板宽度， mm。

（3）螺栓计算

式中d1为最小螺纹直径， mm，根据d1查取螺栓标准直径； CK为预紧和刚度系数，取值1.5； n 为连接螺栓数量，个。

2 卡具结构分析与优化

2.1 传统卡具结构分析

（1）传统卡具使用缺陷。一是安装完毕后需要进行焊接处理。对开式抢修卡具通过螺栓紧固上下壳体耳板，实现密封作用，由于其仅通过单侧密封条密封，为防止发生泄漏，需要对环向、耳板侧、螺栓螺母处进行密封焊。在泄漏带压情况下进行焊接，具有一定的危险性，同时其对温度的敏感性使焊接质量难以保证，易产生焊接裂纹而造成再次泄漏。二是高压力、大口径对开式卡具厚而重。根据上述计算结果，其厚度和重量增大，导致加工制造困难和安装不便，进而为后续焊接工作带来困难。

（2）卡具失效原因。一是传统卡具存在受力放大效应。 在一个小裂纹或泄漏点情况下，形成了一个大的封闭空间，造成卡具本身受力大，进而需要增大壁厚、螺栓直径、整体质量，需要优化结构。二是自然环境温度低的地区(如东北/西北地区冬季)，在焊接作业中未考虑管道本体对于焊接条件的要求，且卡具本身未预留焊接坡口，造成后期产生焊接裂纹。

2.2 卡具结构优化

（1）结构形式优化。传统卡具多采用整体锻造，结构为圆筒形，决定其成功与否的关键是密封变形量的控制，即刚度控制，建议采用增加筋板设置等措施，满足刚度要求的同时，减轻卡具整体重量。

（2）密封结构优化。建议采用多腔密封结构以减少卡具整体受力面积。将卡具内部划分为不同的密封区域，将泄漏点安装至中心区域，其他区域采用注胶处理，使受力减少为一个中间密封腔内。通过注胶处理，将单纯的条密封变为面密封，密封区域显著增大，免除了在线安装焊接的危险性，解决了焊接质量难以控制的问题。

2.3 两种结构形式对比

以管径D1 422 mm、压力12 MPa、卡具材料16 MnⅢ为例，分别按照传统结构和优化结构进行参数计算，结果见表 1。

对比结果可知，经过优化后的卡具壁厚、耳板厚度、螺栓直径等均显著减小，卡具重量比传统卡具减少了约39%。

3 优化结构优点

（1）免于焊接。通过分腔注胶处理，在减少卡具本体受力的前提下，提高了卡具密封性能，免除与管道的焊接作业，提高了卡具应用的安全性。

（2）便于加工制造。减少了卡具壁厚、耳板厚度、重量等，便于加工制造，提高了产品的经济性。

（3）有效控制密封空间内管体腐蚀。通过注胶处理，将密封空间内填充注剂，消除了管体继续腐蚀的可能性。

4 结论

大口径、高压力管道对开式抢修卡具结构优化后，有效减少了卡具本体厚度和重量，提高了使用安全性。使用中需注意以下问题：一是虽然避免了焊接作业，但增加了分腔注胶作业工序；二是胶剂应满足相应温度、弹性、密封性要求，针对不同介质选择相应的注剂；三是需要在卡具本体预留注剂孔和通气孔，注剂结束后进行密封。

作者简介：郑亚飞， 1982年生，2007年毕业于吉林大学机械设计及理论专业，硕士研究生，高级工程师，目前主要从事压力管道、压力容器及维抢修设计工作。联系方式： 0316-2072301， zhengyafei@cnpc.com.cn