近年來，我國的城市化進程有了很大進展，城市燃氣管道建設越來越多。對城市燃氣管道進行帶壓不停氣的維搶修、改造作業(yè)時，管道帶氣封堵是作業(yè)中的重要工序。文中首先分析管道封堵機器人工作原理，其次探討帶氣封堵技術分析與比較，最后就城市燃氣管道帶氣封堵技術發(fā)展展望進行研究，對城燃企業(yè)具有一定的參照意義。

引言

城鎮(zhèn)燃氣輸配介質(zhì)的變化，必然導致燃氣管道的拆改，產(chǎn)生大量廢棄管道。而天然氣蓬勃發(fā)展至今，已30年有余，早期的鋼質(zhì)管道已達服役年限，存在安全隱患。近年來，中央政府持續(xù)推進城鎮(zhèn)燃氣管道老化更新整治工程，對達到或即將達到服役年限的管道，有計劃的進行報廢更新。

1 管道封堵機器人工作原理

當管道封堵機器人到達指定位置時，控制封堵模塊上承載的卡瓦和橡膠筒軸向運動，卡瓦隨著擠壓碗運動徑向伸出和管道接觸，與管壁產(chǎn)生犁溝效應，將機器人固定在管道內(nèi)實現(xiàn)坐封。同時，橡膠筒形變膨脹貼合管壁，與管壁產(chǎn)生接觸應力。接觸應力隨著橡膠筒膨脹而增大，最終將管壁與機器人間的環(huán)形通道封住。

2 帶氣封堵技術分析與比較

2.1盤式封堵技術

盤式封堵技術，又名懸掛式封堵、皮碗式封堵，由一塊或多塊安裝在封堵頭上的、直徑接近管道內(nèi)徑的橡膠盤或橡膠碗實現(xiàn)封堵功能。對于傳統(tǒng)的盤式封堵器，其橡膠盤初始直徑稍大于管道內(nèi)徑，安裝在可在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的封堵頭上。進行封堵時，需通過三通在管壁上鉆孔，孔徑等于或稍小于封堵頭直徑，一般稍小于管道內(nèi)徑。從三通處置入封堵器，封堵頭接觸管壁后繞銷軸旋轉(zhuǎn)彎折至軸線與管道走向平行。此時橡膠盤垂直于管壁，由于直徑大于管道內(nèi)徑，收到管壁壓迫變形，緊貼管壁，實現(xiàn)密封。盤式封堵器在國內(nèi)油氣管道維搶修作業(yè)中得到了廣泛應用。盤式封堵器封堵過程不需要管內(nèi)介質(zhì)參與，對于管道介質(zhì)種類適應性較強。其封堵處的承壓能力可通過改變橡膠盤材料、幾何尺寸等方式進行調(diào)節(jié)，可用于中高壓管道的封堵。同時，使用盤式封堵器進行開孔封堵作業(yè)時，開孔直徑小于管道外徑，不截斷管道，對管道機械性能損傷較小。但是，盤式封堵器中橡膠盤變形能力有限，對于較大管徑和管內(nèi)表面條件較差，如腐蝕嚴重、結(jié)垢較多的情況不適用。此外，大管徑盤式封堵器的設計需要考慮到封堵機構的自身重力，避免橡膠盤與管道底部接觸的部分在自重作用下發(fā)生較大形變，造成管道頂部封堵處出現(xiàn)縫隙，使封堵失效。

2.2錨定裝置

封堵器在隔離管內(nèi)的高壓介質(zhì)時,由于兩側(cè)存在壓力差,封堵頭存在沿管道軸向移動的趨勢。同時,為保證封堵效果,應使封堵頭與管道同軸。為此,設計了封堵器錨定裝置,包括縱向定位板、橫向限位塊和鎖緊螺母。橫向限位塊截面外周輪廓為直徑略小于法蘭三通內(nèi)徑的圓弧,使其能夠與法蘭三通內(nèi)壁緊密貼合,將管道軸線方向的介質(zhì)壓力差傳導至法蘭三通。縱向定位板則與管道內(nèi)壁相切,為封堵頭在豎直方向提供定位,鎖緊螺母避免了管道內(nèi)壓力較大時封堵器向上位移。錨定裝置給封堵器提供了豎直方向和水平方向的位移約束。

2.3卡瓦坐封過程仿真模型

分析步選用顯示動力學，為驗證卡瓦能否有效坐封住管道封堵機器人，設有兩條分析步，第一步為卡瓦的坐封仿真，第二步為驗證坐封效果，具體設置為：在第一條分析步（Step1）中，根據(jù)計算的液壓缸最小推力要求對擠壓碗施加軸向載荷353.4kN，約束管道與擋板固定、擠壓碗軸向移動自由、卡瓦軸向徑向移動雙自由。第二條分析步（Step2）為管道施加216.9kN軸向載荷以驗證坐封可靠性的仿真分析，在Step1的基礎上將管道設置為軸向移動自由。由于該有限元仿真模型有很多硬接觸，且形狀較為規(guī)則，模型各件均可設為六面體網(wǎng)格，在牙齒與管壁接觸面處布置較為密集的種子。

3 城市燃氣管道帶氣封堵技術發(fā)展展望

3.1現(xiàn)有技術的改進

針對現(xiàn)有帶氣封堵技術存在的缺陷，可以在現(xiàn)有封堵技術的基礎上進行改進。對于傳統(tǒng)盤式封堵器依靠橡膠盤自然彈性變形實現(xiàn)氣密，封堵高壓介質(zhì)能力不足的問題，基于盤式封堵器封堵頭有限元仿真結(jié)果，設計了一種雙層封堵頭，提高了封堵性能。除增加封堵頭橡膠盤層數(shù)外，也可以對橡膠盤沿軸向加壓的機構，增大其徑向變形程度，以提高封堵耐壓能力，減小開孔孔徑。清華大學無損檢測實驗室研發(fā)了新型帶氣封堵設備，可由施工人員手動操作，利用偏心輪機構傳動向橡膠盤軸向加壓，使之脹徑貼緊管壁，可在更高管內(nèi)壓力下保持密封。該裝置在滿足封堵設備輕量化、操作簡便要求的基礎上，提高封堵成功率、耐壓能力，同時降低開孔成本和時間。3.2地上燃氣管道及附屬設施宜全部拆除位于政府規(guī)劃出讓土地紅線內(nèi)、市政施工整體開挖區(qū)域內(nèi)，或通航河道下埋深不足的地下燃氣管道應全部拆除。

3.3管內(nèi)智能封堵技術

使用管內(nèi)智能封堵器從施工環(huán)境相對理想的上游遠端置入管道，封堵器隨介質(zhì)移動至封堵點，進行錨定及封堵。管內(nèi)智能封堵技術無需在管道上開孔，所需支持設備少于冷凍封堵技術，解除了封堵作業(yè)施工地點的限制，是新一代封堵器研制過程中的重點研究方向。在進一步提高管內(nèi)智能封堵設備國產(chǎn)率、縮小設備體積的基礎上，將管內(nèi)智能封堵技術引入城市燃氣管道帶氣封堵施工，對于減小施工對管道損傷、提高封堵效率有積極意義。

結(jié)語

目前，城市燃氣管網(wǎng)的維搶修及改造作業(yè)，越來越多地采用不停輸帶氣作業(yè)的施工方式，顯著地減小了管道施工作業(yè)對生產(chǎn)運行的影響。隨著國內(nèi)城市燃氣管道建設的發(fā)展，成本更低、封堵效率更高的帶氣封堵技術的研發(fā)也更加重要。對現(xiàn)有的封堵技術進行改進，提高封堵裝備的自動化、輕量化水平，降低施工所需人力、物力，并嘗試引入目前未被應用于城市燃氣管道帶氣封堵作業(yè)的不開孔封堵技術以填補部分場景技術空缺是非常必要的。