闫宏伟，焦彪彪，崔子梓，马建强
（中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051）
摘 要：流程工业中危险化学物料在储运过程中的泄漏事故频发，对漏点快速有效的处理处置至关重要。针对大型管道与储罐焊缝等复杂曲面区域的泄漏工况，提出一种采用磁力安装定位，以连杆推进机构提供动力，通过环形腔体内部液体的流动特性适应复杂曲面的封堵工况，可对封堵工况进行实时监测和自动修正的新型液囊外封堵装置。对其相应封堵模型的有限元分析表明，该封堵装置通过导流可有效降低封堵操作过程中由于泄漏流体压力引起封堵设备安装阻力，对泄漏流体进行有效的回收，减少物料流失。环形液囊结构将推进机构加载在钢性壳体的集中载荷，转化为流体内部压力以垂直于封堵面的法向方向均匀的加载在密封垫圈的外侧，改善密封垫圈的受载环境，使封堵面的压力均匀分布，有效避免了垫圈局部应力集中现象，对凹凸起伏的不规则曲面有很强的自适应性能。相对于气囊封堵具有机构简单、易操作、成本低、无需配套充气设备的特点，在温度的变化的工况具有更强的适应能力。
关键词：泄漏自适应导流液囊封堵复杂曲面的封堵安装阻力
随着化工生产规模发展和不断扩大，管网和设备运行压力不断提高。由于自身缺陷、环境因素和人为因素造成的泄露事故时有发生，造成人员伤亡和环境污染及能源浪费[1-2]。管道及设备泄漏的封堵工作成为了现代石油化工生产和储运过程中非常重要的环节，迫切需要快速、有效、安全的封堵设备来实施对事故管道和储罐等设备进行处理，从而有效的对危险源进行控制，减小因泄露带来的人员伤亡和环境污染[3，5]。管道建设的迅猛崛起，管道输送逐渐趋于高强度、大口径、高压力等级、输送物料多元化。针对泄漏而进行的应急封堵与处理处置的关键技术研究至关重要，对于压力管道和储罐泄漏的自适应封堵方法的研究具有紧迫性[4-9]。
近年来，国内出现了一些应急封堵方法，根据压力管道或储罐等压力容器泄漏机理，将封堵技术划分为粘接封堵技术、顶压焊封堵技术和注剂式带压封堵技术。现有的封堵方法主要有捆绑式封堵、粘贴式封堵、注入式封堵、卡具阀门封堵、气囊封堵等[10]。由于物料本身的理化性质和泄漏方式种类繁多，现阶段化工物料储运过程中泄漏事故的应急处理处置存在诸多技术问题尚未解决。针对大型管道和储罐的孔洞和裂缝泄漏的封堵问题，提出了一种磁力安装定位，利用内部填充液体的液囊结构适应不规则封堵工作面，并可对漏点封堵效果自动检测的智能封堵装置。
智能封堵装置主要结构包括永磁模块、万向铰链，横梁，推进机构和封堵组件；封堵装置的安装定位和固定采用磁力吸附的方式，即利用两台永磁模块产生的强磁力将设备安装固定在工作面上，实现封堵装置的快速安装定位；永磁模块通过万向铰链与横梁连接共同组成了封堵装置的静承载结构；两台推进机构安装在横梁与封堵组件之间，以自身电机为动力产生推力将封堵组件压紧在漏点处的封堵工作面上实施封堵作业，如图1所示。
图1 封堵装置模型示意图
Fig.1 Schematic Diagram of the Plugging Device Model
1.永磁模块 2.万向铰链 3.横梁 4.推进机构 5.封堵组件
2.1 推进机构
封堵装置中搭载有两台连杆式推进机构，其两端分别与横梁和封堵组件连接；利用电机和减速器驱动中间的丝杠改变四连杆机构的形态，将动力以推力的形式输出；具有反应时间短，推力大，结构简单和成本低等特点，可为封堵装置的封堵作业提供可靠稳定的推力。其结构，如图2所示。
图2 推进机构示意图
Fig.2 Schematic of Propulsion Mechanism
1.电机 2.丝杠 3.四连杆机构
2.2 封堵组件构成
封堵组件包括快速接头、壳体、复合橡胶腔体、流体物料、导流通道和压力传感器等。壳体和复合橡胶腔体通过环形槽相互配合形成封堵组件的主体，内部形成的环形内腔内充满了半固体状态的流体物料（体积不可压缩），封堵过程中利用腔内物料的流动特性将推进机构加载在壳体上的集中推力载荷转化为加载在封堵工作面密封材料上的流体压力载荷。环形壳体中部设置有半径渐变的倒流通道，用与降低封堵过程中的安装阻力和回收泄漏物料减少流失；在导流通道的出口处安装了快插接头，用于和导流管道、阀门和相应传感器等装置的扩展连接；在壳体上安装有一个压力传感器对腔内压力进行监测防止压力过载，其结构，如图3所示。
图3 封堵组件装配示意图
Fig.3 Schematic Diagram of the Sealing Assembly
1.快速接头 2.壳体 3.复合橡胶腔体 4.流体物料5.导流通道 6.压力传感器
2.3 工作原理
智能液囊自适应外封堵装置主要由封堵执行机构和泄漏监测系统两部分构成。封堵装置的封堵对象主要是低温亲磁大型管道、储罐或反应设备因腐蚀、自身缺陷以及机械伤害导致的局部孔洞或裂纹泄漏工况。确定漏点的形态或位置后，首先通过开关关闭两台永磁模块的磁力，将封堵组件的导流通道入口对准漏点，通过调节万向铰链上的螺杆使永磁模块找到适合的安装位置；然后依次开启两台永磁模块的磁力，使其吸附在漏点周围的管壁上使封堵装置静承载机构安装固定；最后启动两台推进装置（根据封堵工况有同步启动或不同步两种启动方式）将封堵组件推向封堵工作面。
封堵装置密封面与管壁接触的自适应过程中，利用环形腔内流体物料的流动和传递压力的特性，将推进机构加载在壳体上是集中载荷转化为腔内流体的内部压力以垂直于封堵密封面的法向方向均匀的传递到密封橡胶垫层上，实现封堵面封堵压力载荷的均匀分布，避免常规顶压封堵技术中因封堵面不规则的凹凸起伏使密封垫层局受到部挤压导致的应力集中现象。
封堵装置可对腔内的流体的压力进行监测，达到预定的封堵压力后推进机构停止推进，并通过自身的丝杠进行自锁维持稳定的封堵压力。此时泄漏的有害物料通与过导流通道连接的应急导流管道中，也可在扩展接口处安装电磁阀，待封操作完成后将阀门关闭完成封堵作业。封堵完成后再扩展接口处安装有声波采集器（可监测细小泄漏）对管内流体的流动状态和封堵其封堵状态进行实时监测。当封堵其发生失效时，可通过流体中的声波信号特征对泄漏的形态进行判断，并通控制器向推进机构发出执行命令，实施推进增加封堵压力实现再次封堵操作。
通过建立管道和储罐泄漏事故中常见的孔洞泄漏和裂缝泄漏模型，对该装置的安装和实施封堵的工作过程进行了分析研究。
3.1 安装与定位
液囊自适应外封堵装置，采用类似永磁起重器的永磁模块实现安装定位，在封堵过程中提供足够的磁力防以止因泄漏流体内部压力波动导致的封堵装置脱落现象。在安装过程中不需要螺栓固定，不受泄漏管道或储罐外壁曲率半径的约束，对大曲率半径容器泄漏情况的具有很好的适应性能。
当管道或储罐因物料腐蚀或受到外力冲击发生生破裂出现穿孔或裂纹发生泄漏事故后，必须马上进行应急处理处置。首先必须对漏点进行封堵处理。由于多数漏点处泄漏的物料内部压力较高，具有很高的能量密度。由伯努利方程，如式（1）所示。
式中：C—流体的单位体积的能量；
p—流体的压强；
ρ—流体的密度；
v—流体的速度；
z—相对于基准水平面的铅垂高度；
g—重力加速度。
可知理想流体内压力是影响流体内部能量密度的重要因素，封堵主要是在漏点处对流体的状态进行处理，不会涉及到很大的重力方向上的位移，势能变化对流体内部的能量密度影响很小可，计算过程中将其忽略不计，即式（1）中的流体势能ρgz可略去得到如下关系：
封堵过程中流体的能量密度直接影响的着封堵作业的难易程度，现有的外封堵技术是将密封材料压紧在漏点处实现封堵操作。以顶压封堵为例，在封堵过程中封堵装置的密封面逐渐靠近漏点的过程中，泄漏物料的流动形态被迫放生变化。垂直与器壁喷出的流体进入了封堵其密封面和器壁形成的夹缝中，通过不断变窄的夹缝阻碍流体的流动，漏点物料流量不断下降直至为零。此过程中伴随有流体内部的不规则流动导致内部摩擦的能量损失，由于物料内部热量此时，式（2）可改写为：设备密封面表面的几何形态决定；
（3）封堵装置的密封面的面积大小。封堵方式中漏点喷射出的物料与不断靠近的密封面撞击，在撞击区域动能转化为静压力迫使物料进入夹缝中。随着，夹缝厚度减小不断增大，使物料的流速不断下降。将漏点处的静压区域扩散到夹缝中，形成了已漏点为中心的不同梯度的环形静压区，导致安装阻力的大幅度的升高。
针对上述问题本中的封堵器采用了先安装，然后通过阀门（安装在导流管道上）封堵的导流安装方式，以降低封堵设备的安装阻力使其更容易准确安装定位实施封堵作业。
在安装过程中漏点喷射出的流体物料很大一部分保持了原有的流动状态从封堵其的倒流通道流出，如图3所示。只有部分流体进入了夹缝中，泄漏的流体在漏点出口处只有少部分撞击封堵装置的密封面；有效克制流体物料内部动能向压力能的转化，进入夹缝中的体的流速和静压大幅度下降，最终降低封堵其密封面的载荷。
裂纹泄露在管道和储罐漏形式中最为普遍，现以孔洞（直径50mm）和裂纹（宽4mm，长100mm的S型裂纹）两种不同的漏点模型对以上两种封堵方法的安装过程进行仿真分析。两种泄漏模型均建立在半径φ=3000mm的圆柱形储罐的基础上，罐内物料为压力1.0MPa气态甲烷，外部压力为0.1Mpa，封堵其密封面为φ=190mm的圆形区域，倒流通道φ=40mm，无导流封堵装置安装过程中密封面与储罐外壁间隙为4mm的流场，如图4所示。
式中：Q—单位体积流体流动过程中摩擦产生的热量（假设热量
不传递）。
由于影响封堵设备安装中阻力的主要因素是流体作用在封堵装置上的静压力F=pS，由式（3）得：
式中：F—安装阻力；
C0—泄漏物料原始能量密度；
S—封堵装置的密封面的面积；
p0—为容器内原始流体的压强；
v0—为容器内原始流体的速度；
λ—流体物料摩擦系数。
由式（4）可知决定封堵装置安装的阻力的因素主要有：
（1）原始泄漏物料本身的能量密度，即压强和流速；
（2）泄露的流体物料的流动摩擦系数，由漏点的形态和封堵
图4 无导流封堵装置夹缝为4mm时流场矢量图
Fig.4 Flow Field Vector in the Case of No Diversion Plugging Device 4mm
泄漏的流体物料全部从夹缝中流出，在裂缝的两侧形成了流速较高的流场区域（110m/s）。具有导流通道在相同条件下只有部少分流体相对以较低的流速（56m/s）从夹缝中流出，大部分物料通过导流通道，这不仅可在封堵过程中通过导流通道回收部分物料，减少罐内物料的泄漏总量，而且降低了夹缝中流体的喷射速度，从而减少了流体喷射对封堵作业的影响，如图5所示。
图5 导流封堵装置夹缝为4mm时流场矢量图
Fig.5 Flow Field Vector Graph of the Diversion and Closure Device with 4mm
随之以两种模型密封面与管壁间形成的圆饼间隙的厚度（步长2mm）为变量对两种不同封堵装置在安装过程中的安装阻力进行了仿真分析得到如下结果，如图6所示。
图6 裂缝泄露模型封堵过程安装阻力对比图
Fig.6 Comparison of the Resistance in the Process of Crack Leakage Model
在封堵装置安装的过程中安装阻力的在密封面与罐壁距离较远（≥30mm）时两种封堵方式没有明显的差别，此时通过导流通道的流体物料比例很小对整体流场的影响较小。两种封堵其安装阻力变化基本相同。当距离继续减小，夹缝中流体运动阻力增加，迫使导流通道内的物料流量增加；流场和压力场开始出现差异，使两装置的安装阻力出现差值。最终，导流通道将安装阻力的峰值降低了近36%，如图6所示。对孔洞泄漏模型也做了相同了分析得到了类似的结果，安装阻力的峰值降低了近53%，如图7所示。由此可见导流功能收到不同漏点的几何形状的影响，需要针对具体的泄漏形式设计与其对应的导流通道，以适应导流的需要。将液态水替换气体后的泄露模型也得到了类似的结果。
图7 孔洞泄露模型封堵过程安装阻力对比图
Fig.7 Comparison of the Resistance of the Hole Leakage Model
3.2 封堵面接触分析
大型管道和压力容器的泄漏以焊缝处发生小孔泄漏或裂纹的情况最为常见，具有一定程度的代表性。因此，分析封堵装置在焊缝泄漏处封堵工作面的接触应力分布，对封堵装置的设计和研究十分重要。现有的大型储罐封堵多采用顶压式封堵方式，是通过刚体上施加载荷将柔性复合橡胶压紧在封堵工作面上形成封堵区域。在对焊缝等不规则曲面实施封堵的过程密封橡胶垫片必须利用自身的形变来适应曲面的起伏变化。在非线性的大变形过程中橡胶材料可近视看作体积不可压缩，故在变形过程中必然会出现材料内部的局部流动。橡胶元件在压缩变形时内部存在如下应力关系。
式中：σ—橡胶元件的内应力；
Ea—橡胶元件的弹性模量；
ε—橡胶元件的应变；
f—橡胶元件的变形量；
h—橡胶元件的厚度。
封橡胶材料利用自身的形变来适应曲面的起伏变化过程中导致了ε的不均匀变化，将使材料内部应力出现了不均的现象，同时在材料被压缩过程中存在横向流动，产生平行于封堵面的剪应力阻止材料流动。外部的材料为内部材料提供了约束，增强了纵向承载能力进一步促使应力不均匀现象的产生。为了避免这种情况的发生文中的封堵方式采用流体压力的加载方式，封堵过程，如图8所示。
图8 液囊的加载封堵方式示意图
Fig.8 Schematic Diagram of Loading and Sealing of the Liquid Bag
通过建立储罐焊缝裂纹泄漏模型（外壁半径φ=3000mm，焊缝高度h=5mm，焊缝宽度L=40mm，裂纹长度l=100mm，封堵压力载荷P=1.0MPa，密封垫片采用丁腈橡胶）对以上两种封堵方式进行了有限元仿真分析，两种封堵方法在上述泄漏模型的计算结果密封接触面压力分布情况，如图9、图10所示。由于常规的封堵方法由于仅利用橡胶材料自身的变形去适应封堵面的凹凸起伏，使内部产生了局部不均匀应变，导致在焊缝突起部位产生了较为集中的高应力区域，压力峰值达到了3.6MPa，这对泄漏罐体的稳定构成了严重威胁；而在除焊缝以外的环形区域也出现了大范围的低压区域。而在液囊封堵方法中密封垫片在裂缝周围的环形区域内形成了压力较为均与的接触密封区域。
图9 常规封堵方法密封面压力云图
Fig.9 Sealing Surface Pressure of Conventional Sealing Method
图10 液囊封堵方法密封面压力云图
Fig.10 Pressure of the Sealing Surface of the Liquid Reservoir Sealing Method
对两种封堵方式密封面的压力分布情况进行统计，接触面的压力分布是影响封堵其工作的重要因素，若取封堵载荷的90%（0.9MPa）以上为有效封堵压力区域；则常规封堵方法接触面上的出现了大量的低压（小于0.9MPa）区域，达到了总面积的近56%，有效封堵面仅有44%左右。而在液囊封堵方法中有效密封区域达到了近90%，有效封堵压力主要分布在了（0.9～1.2）MPa之间，将载荷均匀的传递到了封堵工作面。
封堵过程中密封垫的厚底也是影响密封垫对封堵面适应能力关键因数，因此在以上模型分析的基础上以密封垫的厚度为变量，对相同情况下对两种封堵方法进行了进一步的仿真分析研究，得到了结果，如图11所示。
图11 不同的密封面厚度下形成有效封堵面积比例曲线分布
Fig.11 Product Ratio Curve Distribution of Effective Sealing Surface Under Different Sealing Surface Thickness
常规封堵方法利用橡胶垫的自身厚度方向上的受载形变来适应漏点周围凹凸起伏的不规则密封面。当厚度比较小时密封垫的自适应能力很差，形成的有效密封面比例很低。随着厚度的增加密封垫的自适应能力逐渐增强，形成的有效密封面比例也随之增加。厚度为24mm达到了峰值（76%）。由于垫片圆柱侧面缺乏相应约束橡胶材料从侧面流出，导致环形封堵区域外侧橡胶材料承载能力下降出现低应力现象。随着厚度加大这种现象越发明显形成有效压力区域的比例也随之缓慢下降。而液囊封堵方法利用腔内液体流动将壳体上的载荷转为流体压力加载在密封垫层上，在适应封堵面的过程中垫片厚度方向的变形较为均匀，克服了常规封堵方法中垫片厚度对封堵其自适应性能的限制。形成的有效压力区域比例有较大幅度提高，在厚度lt;8mm的范围内比例达到了90%以上，但随之厚度加大，液囊封堵方法都出现了相同的比例下降的现象。随后，在不同压力下的仿真分析中也得到了类似结果。
通过对封堵模型的有限元分析研究得出中液囊封堵结构相对于常规封堵方法具有如下优点：
（1）封堵装置特有的导流通道结构可有效降低封堵操作过程中由于泄漏流体压力引起封堵设备安装阻力，同时通过倒流通道将泄漏流体进行有效的回收，减少物料流失。
（2）封堵组件中特有的环形液囊结构将推进机构加载在钢性壳体的集中载荷转化为流体内部压力，以垂直于封堵面的法向方向均匀的加载在密封垫圈的外侧，改善了密封垫圈的受载环境，使封堵面的压力均匀分布。有效避免了垫圈局部应力集中现象，对凹凸起伏的不规则曲面有很强的自适应性能。相对于气囊封堵，机构简单、易操作、成本低不再需要配套的充气设备，在温度的变化的工况具有更强的适应能力。
（3）封堵装置具有智能闭环反馈调节控制系统，能够通过对腔内压力、管内压力和流体内的声波信号进行实时监测判断封堵其的工作状态并自行调整。在一定程度上实现了封堵装置的智能化，进一步提高了设备对环境变化的自适应能力。
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Performance Analysis of a New Type of Liquid Reservoir Plugging Device
YAN Hong-wei，JIAO Biao-biao，CUI Zi-zi，MA Jian-qiang
（School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Shanxi Taiyuan 030051，china）
Abstract：In the process industry，the leakage of hazardous chemicals is frequently in the process of storage and transportation，so it is very important to handling and disposal the leaks the quickly and effectively.For leakage conditions of large pipeline and tank weld and other complex surface area，this paper introduced a new liquid extracapsular plugging device which magnetic installing positioning and got power provided by the connecting rod pushing mechanism.This device based on real-time monitoring and automatically modifying for plugging conditions adapted the complex surface conditions through the flow characteristics of the annular cavity inside the fluid.The finite element analysis of the corresponding plugging model shows that the plugging device can effectively reduce plugging installation resistance caused by the pressure of leakage in the operation process.Also，this device can recycle leaking fluid effectively and reduce material loss.The annular liquid bag structure will make propulsive mechanism load in the concentrated load of steel shell which is converted into the internal pressure of fluid perpendicular to the normal line of the plugging surface.The annular liquid bag structure improves the loaded environment of the sealing washer and keeps the pressure uniform distribution on the plugging surface.It avoids the problem of the local stress concentration of washer and has a very strong adaptive performance on the irregular concave convex surface.Compared with the airbag plugging，the mechanism has many characteristics，such as simple structure，easy operation，low cost，without supporting inflatable equipment，etc.，at the same time，this structure shows stronger adaptability in the condition of temperature changes.
KeyWords：Leakage；Self-Adaption；LiquidGuidance；LiquidBagSealing；CurvedSurfaceSealing；ResistanceofInstallation
中图分类号：TH16；TD714
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）11-0173-05
来稿日期：2017-05-20
基金项目：山西省重点研发计划社会发展资助项目（201603D321117）；山西省自然科学基金基础研究资助项目（2013011026-2）
作者简介：闫宏伟，（1969-），男，山西太原人，博士研究生，副教授，主要研究方向：危险源泄漏与快速封堵技术研究；
焦彪彪，（1986-），男，山西晋城人，硕士研究生，主要研究方向：安全生产灾害防治技术及设备研究
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