摘要：帶壓密封技術(shù)的出現(xiàn)，在消除流程工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)裝置的跑、冒、滴、漏等安全隱患過程中發(fā)揮了重大的作用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文對(duì)帶壓密封技術(shù)的定義、特點(diǎn)及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、法律法規(guī)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。同時(shí)，從受力分析、安全評(píng)估、安全結(jié)構(gòu)等技術(shù)角度，對(duì)壓力管道泄漏的帶壓密封過程進(jìn)行了深入的探討，提出了確保施工安全的理論依據(jù)、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)踐做法。
關(guān)鍵詞：帶壓密封 壓力管道泄漏 受力分析 安全評(píng)估 安全措施
1、帶壓密封技術(shù)概述
1.1 技術(shù)定義
帶壓密封（堵漏）有廣義和狹義兩種定義。廣義而言，帶壓密封是指在連續(xù)生產(chǎn)過程中，當(dāng)裝置上某一部位出現(xiàn)流體介質(zhì)泄漏后，在不停止裝置運(yùn)行的情況下，對(duì)泄漏部位進(jìn)行有效封堵的“各種技術(shù)手段”。狹義的帶壓密封主要指“注劑式帶壓密封技術(shù)”。
圖1 注劑式帶壓密封原理示意圖
從學(xué)科分類角度，帶壓密封技術(shù)是采用特制夾具、頂壓器具、注劑工具、密封材料等，對(duì)正在發(fā)生的泄漏進(jìn)行快速止漏的特殊技術(shù)手段。它是涉及到力學(xué)、磁學(xué)、液壓技術(shù)、高分子材料學(xué)、無機(jī)材料學(xué)、金屬材料學(xué)、流變學(xué)等多學(xué)科的一門綜合應(yīng)用技術(shù)，是保證安全生產(chǎn)和公共安全不可或缺的應(yīng)急搶險(xiǎn)手段。
1.2 技術(shù)特點(diǎn)
（1）經(jīng)濟(jì)效益顯著
泄漏往往是引發(fā)其他重大事故的直接禍根，為避免發(fā)生更大的惡性事故，生產(chǎn)企業(yè)一般不得不采用停產(chǎn)的方法來消除泄漏。而“注劑式帶壓密封技術(shù)”消除泄漏的過程自始至終是在工藝生產(chǎn)照常進(jìn)行、任何工藝參數(shù)均不降低的情況下進(jìn)行的，這一點(diǎn)對(duì)于連續(xù)化生產(chǎn)的企業(yè)來說至關(guān)重要。一個(gè)中型企業(yè)停產(chǎn)一天將損失產(chǎn)值數(shù)百萬元，而一個(gè)大型企業(yè)停產(chǎn)一天將損失產(chǎn)值數(shù)千萬元甚至上億元。因此，采用“注劑式帶壓密封技術(shù)”來消除威脅安全生產(chǎn)的泄漏，所能避免的經(jīng)濟(jì)損失是十分可觀的。
（2）安全可靠
該技術(shù)是手工液壓操作整體修理技術(shù)，全部施工過程中可以做到不產(chǎn)生任何火花，這一點(diǎn)對(duì)于易燃易爆的流體介質(zhì)的泄漏尤為適用，因此在任何防火、防爆界區(qū)內(nèi)都可以放心地使用。另外，只要夾具的強(qiáng)度和剛度滿足要求，就可以保證新建立的密封結(jié)構(gòu)的可靠性。
（3）適用性廣
這項(xiàng)技術(shù)可以用于蒸汽、酸、堿、鹽、烴類、醇、醛、酮、醚、油品等200多種石油化工流體介質(zhì)泄漏的動(dòng)態(tài)密封，溫度從-198℃～900℃，壓力從真空到35.0 MPa。
（4）適應(yīng)性強(qiáng)
使用此項(xiàng)技術(shù)，在施工作業(yè)前無需對(duì)泄漏部位進(jìn)行處理、不破壞原有的密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)新建立的密封結(jié)構(gòu)對(duì)原失效的密封面或泄漏缺陷具有一定的保護(hù)作用，可以使其免遭泄漏介質(zhì)的繼續(xù)沖刷，為以后的修復(fù)工作創(chuàng)造了有利的條件。
（5）消除泄漏快
該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)時(shí)，從安裝夾具、注射密封注劑到泄漏停止，通常所需時(shí)間較短。例如，一個(gè)DN40的法蘭泄漏，可以在十分鐘內(nèi)消除；即使是直徑為1000mm以上的法蘭泄漏，也能在幾小時(shí)內(nèi)消除。操作時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于密封注劑的注射量，使用電動(dòng)工具則可有效地縮短作業(yè)時(shí)間。
（6）良好的可拆性
帶壓密封作業(yè)時(shí)，密封注劑被注射到夾具與泄漏部位外表面所形成的密封空腔內(nèi)，無論固化前還是固化后，密封注劑均不與泄漏部位和夾具粘合、易于去除，從而便于進(jìn)行以后的修復(fù)工作。
1.3 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)與法律法規(guī)
（1）國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
HG/T 20201—2007，《帶壓密封技術(shù)規(guī)范》
（2）國家標(biāo)準(zhǔn)
GB/T 26467—2011，《承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范》
GB/T 26468—2011，《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB/T 26556—2011，《承壓設(shè)備帶壓密封劑技術(shù)條件》
（3）相關(guān)法律法規(guī)
TSG D0001-2009 《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》（簡(jiǎn)稱）第五章第三節(jié)第115條， TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（簡(jiǎn)稱）第5.4條，規(guī)定了帶壓密封技術(shù)的使用條件：
“管道/壓力容器內(nèi)部有壓力時(shí)，一般不得對(duì)受壓元件進(jìn)行重大維修。
對(duì)于生產(chǎn)工藝過程特殊，需要帶溫帶壓緊固螺栓或者出現(xiàn)緊急情況采用帶壓密封堵漏作業(yè)時(shí)，使用單位應(yīng)當(dāng)制定有效的操作要求和防護(hù)措施，經(jīng)技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后，在安全管理人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督下實(shí)施。
實(shí)施帶壓密封堵漏的操作人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，持有相應(yīng)項(xiàng)目的《特種設(shè)備作業(yè)人員證》。
1.4 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
“帶壓密封技術(shù)”的誕生已經(jīng)有將近100年的歷史，自上世紀(jì)80年代引入我國后，在廣大工程技術(shù)人員的不斷研究、實(shí)踐下，已經(jīng)形成了具有中國特色的技術(shù)和工程體系。這項(xiàng)技術(shù)在消除流程工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)裝置的跑、冒、滴、漏等安全隱患過程中發(fā)揮了重大的作用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
近年來，在“注劑式帶壓密封技術(shù)”的基礎(chǔ)上，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)又研發(fā)了“橡膠磁快速堵漏工具”、“鋼絲繩鎖快速堵漏工具”等新型帶壓密封工器具，得到了包括應(yīng)急管理部在內(nèi)的國家相關(guān)部門的肯定和大力推廣，正在煉油、化工、能源、電力、危化品儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
但是不得不提到，在近期國內(nèi)重特大安全事故頻發(fā)、安全生產(chǎn)形式十分嚴(yán)峻的大環(huán)境下，某些部門、行業(yè)對(duì)帶壓密封技術(shù)的安全性提出了質(zhì)疑，甚至要限制這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。筆者認(rèn)為這種想法是十分片面的：正如不能把交通事故頻發(fā)歸因于汽車的出現(xiàn)一樣，也不能把由于違章實(shí)施帶壓密封操作產(chǎn)生的事故歸因于帶壓密封技術(shù)本身。因此，有必要從技術(shù)的角度，對(duì)影響帶壓密封技術(shù)實(shí)施過程中安全性的因素進(jìn)行分析，同時(shí)提出具體的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和解決辦法。
2、壓力管道帶壓密封部位受力分析
當(dāng)壓力管道需要帶壓密封作業(yè)時(shí)，在帶壓密封部位存在著四種作用力：
2.1 由內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力——拉伸應(yīng)力Rm
其受力情況由受內(nèi)壓的薄壁壓力容器計(jì)算公式來表達(dá)：
其中：
δ：管道壁厚，mm
P：管道內(nèi)流體壓力（應(yīng)選擇P max），MPa
D：管道內(nèi)徑，mm
[σ]t ：管道材料在使用溫度下的許用應(yīng)力，MPa
φ：焊接接頭系數(shù)，0.7～1。當(dāng)無焊縫時(shí)，φ＝1
在正常運(yùn)行條件下，δ實(shí)際≥δ計(jì)算
2.2 由內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力RA
在正常運(yùn)行條件下，RA＜[σ]t
2.3 帶壓密封操作對(duì)管壁產(chǎn)生的外部壓力P外
帶壓密封消除泄漏時(shí)，對(duì)管道外壁產(chǎn)生很大的外壓力P外（即P操＝P外）,
P操＝P＋5 MPa
在P外（P操）作用下將產(chǎn)生環(huán)向壓縮應(yīng)力Rc，與內(nèi)壓管道環(huán)向拉伸應(yīng)力Rm一樣，其值Rc＝Rm＝PD/2δ。但其破壞情況與受內(nèi)壓完全不同：當(dāng)Rc遠(yuǎn)低于材料屈服極限時(shí)，管壁會(huì)被突然壓癟。這種在外壓增大到某一值時(shí)，管壁逐步變形被壓癟的現(xiàn)象，稱為管道的失穩(wěn)。導(dǎo)致失穩(wěn)的外壓稱為臨界壓力（P臨）。
為保障外壓管道的穩(wěn)定和安全，其外部允許的壓力P允應(yīng)滿足：
P允≤P臨，也即 P操≤P臨／m
上式中m為穩(wěn)定系數(shù)，其值與計(jì)算方法準(zhǔn)確度和管道的質(zhì)量（例如初始橢圓度）有關(guān)，我國取m＝3。
可見問題的關(guān)鍵是找出帶壓密封管段的臨界壓力P臨。
根據(jù)對(duì)外壓圓筒穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，整理出的臨界壓力公式如下：
P臨＝2.2E（δ／D外）3
公式(3)
其中：
D外：管道外徑
E：管道所用材料的彈性模量（鋼材的E＝2×105 MPa）
其他材料的彈性模量E（包括有色金屬，玻璃，塑料，混凝土等）都比鋼材的小，其臨界壓力較低，帶壓密封時(shí)必須注意P臨的大小與壁厚成正比，壁厚減薄，P臨下降。P臨與外徑成反比，直徑增大，P臨下降。
2.4 彎曲應(yīng)力
在帶壓密封施工中，管道所受的彎曲應(yīng)力由夾在管道上夾具的體積和重量引起，它與管徑大小、壁厚以及固定點(diǎn)的距離有關(guān)。由彎曲應(yīng)力造成的管道彎曲或折斷破壞，大多發(fā)生在直徑較小的儀表管、測(cè)量管，以及部分管道壁厚減薄嚴(yán)重、孔洞巨大或橫向裂紋貫穿面較大的場(chǎng)合。
3、管壁出現(xiàn)非正常情況帶壓密封的安全評(píng)估
3.1 管壁穿孔
3.1.1. 成因
(1) 原來材料或焊縫的氣孔、砂眼；
(2) 流體流動(dòng)改變方向時(shí)的沖刷，如轉(zhuǎn)彎和T形接口；
(3) 整體管壁減薄后，局部出現(xiàn)泄漏孔。
3.1.2 需檢查測(cè)量?jī)?nèi)容
(1) 介質(zhì)、壓力、溫度；
(2) 材質(zhì)、外徑（內(nèi)徑）、壁厚，其中外徑、壁厚需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；
(3) 測(cè)量泄漏孔徑。如果為圓孔，則測(cè)量孔直徑；如果孔形狀不規(guī)則，則測(cè)量孔的縱向尺寸、橫向尺寸。
3.1.3 用上述測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算和評(píng)估
(1) 用實(shí)際數(shù)據(jù)代入公式（2），計(jì)算出軸向應(yīng)力：
其中：管截面外周長(zhǎng)＝π×D外
如果：RA＜[σ]t ，則安全（軸向）
RA＞[σ]t ，則不安全
(2) 如果管壁已經(jīng)減薄，則應(yīng)用檢測(cè)數(shù)據(jù)按公式（1）校核環(huán)向應(yīng)力。
如果：δ計(jì)算＜δ實(shí)際 ，則安全
δ計(jì)算＞δ實(shí)際 ，則不安全
(3) 如果管壁已經(jīng)減薄，則應(yīng)用檢測(cè)數(shù)據(jù)按公式（3）校核失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，其中有：
P允＝P臨／3
如果：P操≤P允 ，則安全
P操＞P允 ，則不安全
3.2 管壁減薄
3.2.1 成因
(1) 流體腐蝕（內(nèi)部），大氣腐蝕（外部）；
(2) 介質(zhì)流動(dòng)沖刷。
3.2.2 需檢測(cè)內(nèi)容
與3.1.2（1）、（2）相同。
3.2.3 計(jì)算和評(píng)估內(nèi)容
(1) 環(huán)向應(yīng)力的校核方法與3.1.3（2）相同。
(2) 失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的校核方法與3.1.3（3）相同。
(3) 軸向應(yīng)力的校核方法是，由公式（2）可推導(dǎo)出：
其中δs：管道減薄最小安全壁厚。
如果：δ實(shí)際≥δs ，則安全
δ實(shí)際＜δs ，則不安全
3.3 管壁裂紋
3.3.1 成因
(1) 管道鋼板在軋制中形成；
(2) 周期震動(dòng)；
(3) 應(yīng)力周期循環(huán)（如高壓—低壓反復(fù)出現(xiàn)）；
(4) 焊接處理不當(dāng)；
(5) 冷熱急劇變換。
3.3.2 裂紋的危害
(1) 裂紋是不安全的；
(2) 按方向分，裂紋有縱向裂紋和環(huán)向裂紋，而尤以環(huán)向裂紋危害最大；
(3) 裂紋最大的危害是發(fā)展迅速，使管道橫斷環(huán)面積快速減小的同時(shí)使軸向應(yīng)力快速增加，從而導(dǎo)致管道斷裂。
3.3.3 需檢查測(cè)量?jī)?nèi)容
(1) 介質(zhì)、壓力、溫度；
(2) 材質(zhì)、外徑（內(nèi)徑）、壁厚。其中外徑、壁厚需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；
(3) 測(cè)量裂紋尺寸，包括裂紋的縱向尺寸、環(huán)向尺寸。
3.3.4 計(jì)算和評(píng)估內(nèi)容
(1) 如果壁厚已減薄，應(yīng)按（2.2.3）進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估；
(2) 對(duì)于環(huán)向裂紋，應(yīng)用公式（2）可計(jì)算軸向應(yīng)力：
其中：管截面外周長(zhǎng)＝π×D外
—安全條件下，環(huán)向裂紋長(zhǎng)度占管道外周長(zhǎng)的百分比
則有：
如果：x實(shí)際＜x計(jì)算 ，則安全
x實(shí)際≥x計(jì)算 ，則不安全
4、管壁帶壓密封的安全結(jié)構(gòu)
當(dāng)管壁出現(xiàn)穿孔，壁厚減薄原因造成壁厚δ實(shí)際＜δ計(jì)算、軸向應(yīng)力RA＞[σ]t，注射壓力P操＞P臨等不安全因素時(shí)，則采用以下兩種加固安全結(jié)構(gòu)。
(1) 圖2、圖3是在夾具內(nèi)部加兩塊半圓形的加固板，其內(nèi)徑等于管道外徑。該加固板安裝前用螺栓與夾具內(nèi)連接，與夾具一起安裝覆蓋在孔洞和減薄部位上。緊固夾具后，使連接螺栓與加固板脫離，再用固定螺栓頂固加固板，即可按正常程序注入密封劑消除泄漏。為防止軸向應(yīng)力的破壞，夾具兩側(cè)應(yīng)與管道焊接成一體。
(2) 圖4的夾具加固板內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，不同的是不用將夾具與管道焊接，而是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，在兩對(duì)法蘭的外側(cè)加兩個(gè)圓盤，用拉桿連接起來，拉桿的總截面應(yīng)大于管道的環(huán)形截面。如果兩圓盤分別焊于夾具兩側(cè)，效果會(huì)更好。
(3) 如果管壁只出現(xiàn)裂紋，而沒有穿孔和減薄，則夾具內(nèi)不需用加固板，最好在裝夾具前采取一些防止裂紋擴(kuò)大的措施（例如裂紋兩端加鉆小孔等）。
(4) 通過以上的結(jié)構(gòu)，即使管壁已經(jīng)出現(xiàn)極端情況（管壁上的橫向裂紋貫穿了整個(gè)橫斷面、泄漏部位已沒有任何能力抵抗各種作用力），也不會(huì)出現(xiàn)管道的泄漏、斷裂和崩潰，從而保證安全運(yùn)行。
5、結(jié)論
在國內(nèi)三十多年來的理論研究與實(shí)踐操作的基礎(chǔ)上，隨著密封注劑產(chǎn)品的逐步發(fā)展、新型工器具的出現(xiàn)以及操作技術(shù)的不斷完善，大部分流體壓力介質(zhì)泄漏的部位都可以采用帶壓密封技術(shù)有效地進(jìn)行堵漏作業(yè)，達(dá)到重新密封的目的。但必須強(qiáng)調(diào)，在實(shí)施帶壓密封作業(yè)之前，應(yīng)該對(duì)泄漏裝置和部位進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，對(duì)實(shí)施帶壓密封作業(yè)的安全性進(jìn)行全面評(píng)估，在此基礎(chǔ)上再嚴(yán)格按照相關(guān)法律法規(guī)、行業(yè)和國家標(biāo)準(zhǔn)、安全操作規(guī)程的要求進(jìn)行帶壓密封施工，這樣才能使這項(xiàng)技術(shù)在保證相關(guān)行業(yè)安全、環(huán)保、節(jié)能地持續(xù)生產(chǎn)和長(zhǎng)期運(yùn)行上發(fā)揮越來越大的作用。
參考文獻(xiàn)：
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[5] GB/T 26467,26468,26556-2011，《承壓設(shè)備帶壓密封技術(shù)規(guī)范》、《承壓設(shè)備帶壓密封夾具設(shè)計(jì)規(guī)范》、《承壓設(shè)備帶壓密封劑技術(shù)條件》，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011
[6] TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布，2016
[7] 胡憶溈等著，《危險(xiǎn)化學(xué)品搶險(xiǎn)技術(shù)與器材》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016
作者簡(jiǎn)介：姚鵬，男，47歲，工學(xué)博士，2000年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院；工作單位：天津市江達(dá)揚(yáng)升工程技術(shù)有限公司；職務(wù)：副總經(jīng)理；通信地址：天津市濱海新區(qū)中塘鎮(zhèn)安達(dá)工業(yè)園區(qū)立達(dá)街248號(hào)。
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