何勇君1 林元茂1 張立芳1 鐘龍1 邢海賓1 魏伊梅1 鄧一杰1 鄧哲文1 孫麗名1 耿燕1 馬劍2 馬偉彥2

1.國家管網(wǎng)集團華南公司；2.北京華慧通能源科技有限公司

摘要：對于因管道變形、焊縫開(kāi)裂、凹陷等引起的泄漏，傳統堵漏設備（如剛性卡具、引流管帽、傳統柔性卡具）因設計、結構及材料局限，往往無(wú)法實(shí)現快速、有效封堵。開(kāi)發(fā)輕便高效的應急設備來(lái)處理嚴重變形管道泄漏事故，是當前管道維搶修領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵課題。本文介紹了針對管道凹陷變形、復雜裂縫泄漏及應急堵漏后需長(cháng)期使用情況下，新型柔性卡具如何進(jìn)行快速堵漏的研發(fā)成果與應用效果，并指明了未來(lái)柔性卡具標準化、多用途、全覆蓋、自動(dòng)化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：管道變形；環(huán)焊縫開(kāi)裂；凹陷圓度補償；輕便復合式柔性卡具；環(huán)氧保護罩

石油天然氣管道常因腐蝕、疲勞及第三方損壞，引發(fā)穿孔、彎曲、焊縫開(kāi)裂與凹陷變形等情況，導致泄漏。尤其在遭遇自然災害或嚴重人為損壞時(shí)，管道往往產(chǎn)生大面積不規則漏點(diǎn)，傳統剛性堵漏設備受限于結構與材料，難以有效貼合變形表面，常無(wú)法實(shí)現可靠、有效的封堵。傳統柔性卡具雖適用于腐蝕穿孔等小漏點(diǎn)，但對裂縫、焊縫開(kāi)裂及大創(chuàng )傷面泄漏則效果有限。目前國內外主要依賴(lài)停輸換管或帶壓封堵等方法應對，普遍存在作業(yè)周期長(cháng)、成本高、效率低等問(wèn)題，在山區等高落差地段實(shí)施尤為困難。為此，亟需研發(fā)新型輕便高效的柔性應急堵漏裝備，通過(guò)創(chuàng )新結構設計、擴大密封面積、整合多種封堵技術(shù)，形成能夠適應管道變形、補償凹陷并實(shí)現長(cháng)期密封的復合解決方案。該方向對突破現有維搶修技術(shù)瓶頸、提升管道安全運行水平具有重要的研發(fā)價(jià)值與實(shí)踐意義。

1  技術(shù)痛點(diǎn)分析及針對性解決方案

（1）傳統異形剛性?shī)A具或引流套筒因笨重、體積龐大，安裝時(shí)需依賴(lài)重型設備，導致施工周期長(cháng)、難度高。

解決方案：施力部分采用高強度柔韌的復合絲織纖維材料，顯著(zhù)減輕設備整體重量；運用模塊化設計，優(yōu)化流程，大幅提升施工效率；設計簡(jiǎn)單有效的施力結構，極大地簡(jiǎn)化安裝步驟。

（2）傳統異形剛性?shī)A具/引流套筒需事先預制完成，因其剛性結構缺乏形變適應能力，難以匹配千差萬(wàn)別的管道變形工況，常因精度不足導致封堵失效。傳統柔性卡具密封模塊需要管道圓度弧面的支撐，對于凹陷泄漏面，因缺乏施力支撐，造成密封效果不佳，甚至失效。

解決方案：研發(fā)柔性卡具的管道凹陷圓度補償模塊；針對管道曲率差異（含變形管曲率突變），優(yōu)化施力機構拓撲設計；采用搭接、拼插方式，使用性能優(yōu)異的復合材料增加結構整體性能，合理密布的小型區塊設計，使密封模塊所受壓力分布均勻合理。

（3）現有孔洞型柔性卡具在應對大面積開(kāi)裂泄漏事故時(shí)，如果裂縫尺寸較大，因傳統柔性卡具的密封模塊面積較小，會(huì )導致封堵失效的問(wèn)題。

解決方案：優(yōu)化密封堵漏模塊的設計結構、尺寸參數及材料性能，合理調整設計布局，提升密封模塊對裂縫泄漏面的容讓性與針對性。

（4）傳統柔性卡具因其設計、材料的原因，不適合長(cháng)期暴露在空氣、陽(yáng)光下，只能作為應急堵漏手段，不能作為長(cháng)期修復方式，但在某些生產(chǎn)需要的情況下（如冬季原油管道泄漏，避免停輸造成凝管事故等），需要應急堵漏后持續運行3～6個(gè)月。

解決方案：研發(fā)輕便復合式環(huán)氧鋼護罩，該設備主體由剛性龍骨與凱夫拉復合材料制成，兼具剛性、韌性、輕便易操作的特點(diǎn)，同時(shí)具備密封、注脂的功能，結合柔性卡具一同使用，大大延長(cháng)應急封堵的時(shí)間。

2  新型柔性卡具技術(shù)研發(fā)與現場(chǎng)應用測試

針對上述技術(shù)痛點(diǎn)及解決思路，華南公司與北京華慧通能源科技有限公司合作，開(kāi)展新型柔性卡具技術(shù)研發(fā)與攻關(guān)，并于2025年8月在中國船級社的見(jiàn)證下，由公司華南維搶修中心與華慧通公司一起進(jìn)行了現場(chǎng)應用測試，結果超出研發(fā)預期。

（1）柔性卡具（夾具）圓度/受力補償技術(shù)。

該圓度補償模塊材質(zhì)具有足夠硬度的同時(shí)，還要具備柔韌性特點(diǎn)，能夠承受很大的壓力，能隨著(zhù)凹陷區域的凹陷狀態(tài)發(fā)生變化，達到對凹陷變形處泄漏點(diǎn)的圓度/施力補償的目的。補償模塊預留插接件，通過(guò)凹凸插件的方式對每個(gè)獨立的模塊進(jìn)行搭接、擴展、疊加，以便適應凹陷變形處不同面積和深度變化的需求。

試驗管道為Φ406 mm鋼制彎頭，模擬鉤機、定向鉆或巖石砸出一個(gè)約50%的凹陷變形量，深約200 mm，面積400 mm×600 mm（約0.24 m²）的凹坑（圖 1），凹坑幾何中心位置出現一個(gè)約15 mm的泄漏孔洞。通過(guò)管道圓度補償模塊的使用，使柔性卡具堵漏模塊得到了有效的施力，安裝完成后逐步升壓1 MPa～2 MPa，每次升壓后保持5 min，無(wú)泄漏后繼續增加壓力直至達到10.5 MPa，保持5 min，未見(jiàn)發(fā)生壓降。

圖 1 管道凹陷變形泄漏及柔性卡具堵漏模塊應用 

（2）環(huán)向裂縫柔性卡具（夾具）。

針對管道管徑不同則表面曲率不同，以及變形管道的曲率變化特點(diǎn)，對柔性卡具的施力分布模塊的施力結構、尺寸參數及材質(zhì)材料進(jìn)行研究和優(yōu)化，在對不同管徑管道/變形管道的裂縫泄漏進(jìn)行封堵時(shí)，保證所施加在密封模塊的力分布均勻、合理。

針對裂縫泄漏進(jìn)行有效封堵，這需要對柔性卡具的宮格密封板的分布結構、尺寸參數及材質(zhì)材料進(jìn)行研究，以適應裂縫型泄漏的封堵。為了達到最佳裂縫泄漏密封的效果，同時(shí)匹配密封宮格板的各項技術(shù)參數，對柔性卡具密封膠墊的材質(zhì)、厚度、硬度等參數進(jìn)行優(yōu)化。

試驗管道為Φ406 mm鋼制彎頭，模擬管道環(huán)向開(kāi)裂了一個(gè)長(cháng)53 mm 、寬5 mm（約2.7 cm2）的泄漏口（圖 2），使用研發(fā)的環(huán)向裂縫堵漏密封模塊進(jìn)行封堵，新型裂縫式柔性卡具安裝后，逐步升壓1 MPa～2 MPa，每次升壓后保持5 min，最終達到10.0 MPa，保持5 min未見(jiàn)壓降及泄漏。

圖 2 管道環(huán)向裂縫及柔性卡具封堵應用 

（3）復雜大型泄漏柔性卡具（夾具）。

針對傳統柔性卡具密封面積小的劣勢（堵漏模塊尺寸僅50×100 mm）， 研發(fā)復雜大型泄漏柔性卡具（夾具），堵漏模塊面積（堵漏模塊尺寸150 mm×150 mm）相較于傳統柔性卡具密封面積提升了近5倍之多。

試驗管道為Φ406 mm鋼制彎頭，模擬管道出現大面積的泄漏面，環(huán)向85 mm×5 mm裂縫，同時(shí)軸向84 mm×2.5 mm裂縫，總面積為72 cm²（圖 3）。使用復雜大型泄漏柔性卡具(夾具)進(jìn)行封堵，初始壓力值增壓到2.0 MPa，隨后逐步升壓，每次升壓1 MPa后保持5 min，無(wú)泄漏后繼續增加壓力，最終達到6.0 MPa，保持5 min未見(jiàn)壓降及泄漏。

圖 3 管道大面積泄漏及復雜大型泄漏柔性卡具封堵應用 

（4） 復合式環(huán)氧護罩柔性卡具（夾具）。

為了延長(cháng)應急柔性卡具在特殊情況下的使用時(shí)間，需要研發(fā)輕便復合式環(huán)氧護罩對柔性卡具進(jìn)行保護隔離，該設備主體由剛性龍骨與凱夫拉復合材料制成，兼具剛性、韌性的特點(diǎn)，同時(shí)具備密封、注脂的功能，無(wú)需借助大型吊裝設備，Φ406 mm復合式環(huán)氧護罩重量不足十公斤，人工即可完成，輕便快捷，結合應急柔性卡具一同使用，可以大大延長(cháng)柔性卡具的有效封堵時(shí)間。

試驗管道為Φ406 mm鋼制彎頭，模擬管道管體出現一個(gè)10 mm的泄漏孔洞（圖4）。先用柔性卡具進(jìn)行應急封堵，然后用防爆冷打磨工具，在柔性卡具兩側分別處理出來(lái)一條寬20 mm左右的環(huán)向粗糙帶，在粗糙帶上纏繞復合密封材料，完成后再安裝復合式環(huán)氧護罩，通過(guò)護罩上方的注脂孔，注滿(mǎn)護罩專(zhuān)用的低溫密封膠（注意：不能使用普通樹(shù)脂，以免反應過(guò)程中產(chǎn)生高溫，影響密封橡膠性能），最后安裝密封螺帽對注脂孔、排氣孔進(jìn)行封堵。截至目前，管道封堵壓力10 MPa已保持3個(gè)多月，未發(fā)生泄漏，計劃再保持不低于3個(gè)月的觀(guān)察期。

圖 4 管道泄漏孔及應急柔性卡具和復合式環(huán)氧護罩應用

3  新型柔性卡具封堵技術(shù)的性能優(yōu)勢

（1）柔性卡具圓度/受力補償技術(shù)。 自適應形變與模塊化擴展，其柔性材質(zhì)能貼合不規則凹陷，模塊化設計允許現場(chǎng)快速拼裝以覆蓋任意大小的變形區域。解決了管道局部凹陷變形這一傳統剛性卡具難以處理的世界性難題，實(shí)現了對復雜幾何缺陷的有效密封。

（2）環(huán)向裂縫柔性封堵技術(shù)。 均勻施力分布與宮格化密封系統，通過(guò)優(yōu)化卡具結構和“宮格板+膠墊”的密封單元，確保了沿裂縫長(cháng)度方向的壓力均勻，避免局部應力不足導致的泄漏。針對線(xiàn)性裂縫密封的專(zhuān)精化設計，從根本上提升了對此類(lèi)最常見(jiàn)缺陷的封堵成功率和承壓能力。

（3）復雜大型泄漏柔性封堵技術(shù)。通過(guò)大大增加密封面積，降低了對密封膠墊和安裝精度的苛刻要求，提升了容錯率和通用性。提供了更通用、更可靠的解決方案，尤其適用于不確定性高的復雜裂縫或現場(chǎng)條件惡劣的情況，降低了操作門(mén)檻。

（4）復合式環(huán)氧護罩柔性封堵技術(shù)。 剛柔并濟的復合材料與“堵漏+補強”一體化，凱夫拉復合材料護罩在提供結構性補強的同時(shí)，通過(guò)注脂密封實(shí)現了永久性或半永久性修復。實(shí)現了從臨時(shí)應急到長(cháng)期穩固的革命性轉變。它不僅止漏，更修復了管體的強度，極大延長(cháng)了維護周期和安全冗余。

管道維搶修快速堵漏作業(yè)時(shí)，可根據管道變形和裂縫泄漏程度選擇適用的柔性卡具封堵技術(shù)（表 1）。

表 1 各種類(lèi)型柔性卡具的性能參數及適用范圍

4  結語(yǔ)

圍繞“管道應急快速堵漏”這一核心任務(wù)，針對不同缺陷類(lèi)型和工況，提供了高性能、高可靠性的解決方案，體現了應急方案從“被動(dòng)適應”到“主動(dòng)強化”，從“單一堵漏”到“復合修復”的跨越。綜合來(lái)看，新型柔性卡具融合了柔韌性材料科學(xué)、結構力學(xué)優(yōu)化和復合材料工程，覆蓋了凹陷變形、復雜裂縫、大面積復雜泄漏面等多種泄漏事故的快速處理，兼具臨時(shí)應急堵漏和長(cháng)期修復的能力，基本構成了目前泄漏管道柔性應急處置的技術(shù)體系，代表了該領(lǐng)域的尖端發(fā)展方向。中國船級社全程驗證了現場(chǎng)應用測試結果，并出具了專(zhuān)業(yè)的測試見(jiàn)證報告。

目前管道維搶修依然面臨諸多堵漏難題，比如缺乏管道支管焊縫處泄漏（如儀表閥支管段等）、水下管道泄漏、超高/低溫管道泄漏高效快捷的柔性封堵設備，以及管道泄漏事故現場(chǎng)靜壓較高（大于1 Mpa）情況下，如何使用自動(dòng)或半自動(dòng)化方式進(jìn)行柔性卡具的現場(chǎng)操作，以提高堵漏施工效率和操作人員的安全性。解決這些難題，并努力實(shí)現柔性卡具的標準化、多用途、全覆蓋、自動(dòng)化發(fā)展，也是管道維搶修工作下一步需要努力的方向。

作者簡(jiǎn)介：何勇君，1981年生，本科，高級工程師，現任職華南公司廣州維搶修中心經(jīng)理。主要研究方向包括成品油外管道管理、應急維搶修管理與通信管理。聯(lián)系方式：13808818866，heyj01@pipechina.com.cn。