管道絕緣接頭應(yīng)用及安全事項(xiàng)
目前，多種類型的絕緣接頭廣泛用于我國油、氣、水、礦漿、蒸氣等介質(zhì)管道輸送的陰極保護(hù)系統(tǒng)中，并且已基本取代了絕緣法蘭。但由于廠家對其不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用條件的設(shè)計(jì)及計(jì)算的方法欠妥，加之焊接方法不當(dāng)?shù)龋霈F(xiàn)了密封失效、絕緣性能破壞、甚至隱含強(qiáng)度隱患等問題。當(dāng)規(guī)格較大、操作壓力較高的絕緣接頭出現(xiàn)問題時(shí)，常造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至直接影響管道投運(yùn)。為此，針對常用介質(zhì)油氣用絕緣接頭易出現(xiàn)問題提出設(shè)計(jì)方案，以確保絕緣接頭在應(yīng)用中的安全。
一、不同結(jié)構(gòu)絕緣接頭的設(shè)計(jì)方案
1、高絕緣性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)絕緣法蘭低絕緣性的根本原因是螺栓與法蘭孔間的絕緣套管壁厚。而絕緣套管壁厚又受到兩方面的條件限制，一是絕緣套管管壁過厚必然會引起法蘭孔過大，為此，需增法蘭外徑及其螺栓孔中心圓直徑和法蘭厚度，減少螺孔數(shù)量。若提高螺栓直徑，既不經(jīng)濟(jì)，又會影響密封的可靠性；二是套入螺栓的絕緣套管，產(chǎn)品規(guī)格比較薄，例如，特制加厚管在材質(zhì)較軟時(shí)絕緣法蘭受彎矩時(shí)會產(chǎn)生徑向錯(cuò)位，破壞密封，使其失效。若絕緣套筒材質(zhì)過硬，在絕緣法蘭承受彎矩時(shí)，由于法蘭結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型近乎鉸接，不可均勻的整體承受彎矩，而是主要加載到上下螺栓孔上，產(chǎn)生較高應(yīng)力，破壞絕緣套及其整體絕緣性。絕緣接頭消除了螺栓結(jié)構(gòu)，采用的絕緣隔離套裝密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在法蘭上被主、次絕緣板和上、下填充料及內(nèi)襯高絕緣性的主絕緣件所包圍，將介質(zhì)隔絕于外，而且主、次絕緣板和上、下填充料比較厚，加之主、次絕緣板和上、下填充料及右法蘭套裝成一體，絕緣接頭承受彎矩時(shí)，是由具有較大的截面模數(shù)的左、右法蘭圓筒完成，變形甚微，因此確保了較高的絕緣性，絕緣值的高低*由厚度可調(diào)的主、次絕緣板和上、下填充料確定。當(dāng)介質(zhì)為導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，可用增加件內(nèi)襯的厚度及長度的方式來滿足特定的絕緣性要求。
2、良好的密封性絕緣接頭的良好密封性是由其自身的結(jié)構(gòu)決定的，即絕緣接頭的兩個(gè)密封圈是采用自緊式密封原理，壓力越高密封效果越好。密封圈的右側(cè)有兩個(gè)較長的迷宮形絕緣填料環(huán)（上下填充料），這樣可阻止?jié)B漏的介質(zhì)到達(dá)體外。密封圈被剛性很強(qiáng)的左法蘭和連接環(huán)經(jīng)環(huán)向焊縫將主、次絕緣板件和右法蘭緊緊壓合在一起，即使在水壓試驗(yàn)時(shí)承受彎矩，使管道產(chǎn)生0.72σs（管材的屈服極限）時(shí)也不會造成密封圈滲漏，因此在正常操作壓力下可確保密封。而絕緣法蘭卻不能承受上述彎矩，也就不能保證在工作狀態(tài)下承受彎矩時(shí)的密封性。
3、較高的剛性絕緣接頭的較高剛性不僅體現(xiàn)在由左法蘭、連接環(huán)組焊后形成的遠(yuǎn)大于管道的抗彎截面模數(shù)，而且也體現(xiàn)在良好的制造工藝上，它是在水壓強(qiáng)度試驗(yàn)加彎矩時(shí)，其合成軸向應(yīng)力達(dá)到管道管壁產(chǎn)生0.72σs（管材的屈服極限），密封合格后才加灌冷固型高絕緣環(huán)氧樹脂（上、下填充料）。這種物質(zhì)與鋼件粘結(jié)力強(qiáng)，抗壓強(qiáng)度大，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了絕緣接頭的整體剛性。
4、高壽命及零維修費(fèi)用過去應(yīng)用的絕緣法蘭因螺栓的絕緣套較易老化，又在裝配及應(yīng)用中受到局部高應(yīng)力的影響，絕緣性易失效，所以必須考慮檢修。將它放在觀察井內(nèi)，或?qū)ＴO(shè)一個(gè)觀察維修間，一般5年左右要檢修一次，尤其發(fā)生密封失效時(shí)，更換密封圈管道被迫停輸，造成巨大損失。而絕緣接頭由于結(jié)構(gòu)確保了密封性，密封圈材質(zhì)選用了高抗老化的氟橡膠，因而在管道壽命內(nèi)是可靠的。國外已有30年以上的使用經(jīng)驗(yàn)，我國的絕緣接頭首先在輪庫線上應(yīng)用，也有十幾年的歷史。因?yàn)樗恍枰S修，所以可將它埋入地下，無需專門設(shè)置觀察井，因此被稱之為零維修費(fèi)的管件。
二、絕緣接頭的結(jié)構(gòu)要求
絕緣接頭的結(jié)構(gòu)是在克服了絕緣法蘭的缺點(diǎn)后而設(shè)計(jì)的，應(yīng)具備如下要求。
（1）較高的絕緣性。
（2）良好的密封性。
（3）較高的剛性。絕緣接頭在安裝和使用中，除隨著浸泡時(shí)間的延長，基材在不同的溶劑配方中達(dá)到大溶脹率后，不會繼續(xù)隨浸泡時(shí)間發(fā)生變化，終溶劑配方應(yīng)符合gb16927-96《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。研制的不加熱收縮帶，其材料的各項(xiàng)性能均達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足埋地管道補(bǔ)口對材料的技術(shù)要求。2004年8月，不加熱收縮補(bǔ)口材料通過了由中國石油天然氣總公司科技發(fā)展部組織的專家鑒定。內(nèi)壓外還要承受較大的彎矩，因而整體剛性是十分重要的，這對保證良好的密封性至關(guān)重要。
（4）壽命長，零維修費(fèi)用。絕緣法蘭的維修周期大約為5年左右，在役期間不必維修。
三、絕緣接頭制造安裝中應(yīng)注意的問題
1、結(jié)構(gòu)類型的選擇絕緣接頭的品種甚多，分類原則主要考慮承載能力及加工的經(jīng)濟(jì)性。承載能力較高的為整體型，其左右法蘭及連接環(huán)皆由鍛鋼整體加工而成，成本較高，危險(xiǎn)斷面較大，可承受較大的內(nèi)壓及彎矩。承載能力較低的為組焊形，其鋼件由鋼板及鋼管組焊而成，不需鍛鋼，周期較短，主體材料損耗量較少，成本較低。但危險(xiǎn)斷面較小，而且焊縫不易用超聲波或射線檢查，其內(nèi)在質(zhì)量較本體材料較差，加之標(biāo)準(zhǔn)管件及鋼板厚度受限，因而不可承受高壓及較大彎矩。如果設(shè)計(jì)類型選擇不當(dāng)，將會造成較大的事故。
2、非導(dǎo)電介質(zhì)用絕緣接頭內(nèi)襯（或涂層）設(shè)置
（1）內(nèi)襯長度由陰極保護(hù)要求計(jì)算而得到，與介質(zhì)的導(dǎo)電率及管道規(guī)格有關(guān)。
（2）內(nèi)襯采用涂層時(shí)，應(yīng)分層涂之，并在每層干固后方可涂下一層。
（3）應(yīng)將右法蘭整個(gè)表面，除右端留出100mm施焊影響區(qū)外皆涂改性環(huán)氧樹脂0.4mm以上，這樣可防止一旦內(nèi)襯受清管器作業(yè)損傷，導(dǎo)電介質(zhì)不能導(dǎo)通左右法蘭，影響絕緣性。
3、密封槽與密封圈的尺寸配合
絕緣接頭的密封性主要取決于絕緣接頭的剛性及密封件的設(shè)計(jì)。密封圈外徑距密封槽外徑尺寸過大，會增加密封圈的周長，降低密封圈的斷面直徑尺寸，降低了設(shè)計(jì)的合理壓縮量，從而產(chǎn)生滲漏。當(dāng)密封圈外徑距密封槽外徑尺寸過小時(shí)，又會在兩法蘭壓合時(shí)使密封圈外部壓入法蘭間的貼合面上，使密封失效。
4、組焊工藝控制在左法蘭與連接環(huán)的環(huán)焊縫焊接時(shí)，應(yīng)在焊前用500～3000v搖表測量絕緣接頭電阻，電阻值應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。環(huán)縫焊接時(shí)應(yīng)采用小電流，并在次絕緣板上方的筒體上測其溫度，應(yīng)小于100℃，以保護(hù)絕緣板。
5、上下填充料的注入時(shí)機(jī)上下填充料為液態(tài)冷固型改性環(huán)氧樹脂，它對保證絕緣接頭的絕緣性及密封性至關(guān)重要。該材料有較強(qiáng)的抗壓能力，但拉伸強(qiáng)度隨其厚度的增加而降低，它有十分優(yōu)良的絕緣性和抗老化性。根據(jù)其特點(diǎn)，它必須在絕緣接頭完成水壓強(qiáng)度試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、水壓強(qiáng)度試驗(yàn)加彎矩試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)以及致密性試驗(yàn)（當(dāng)介質(zhì)為氣相時(shí)）之后方可注入。一方面可防止因變形而可能造成固化的填充料的破壞，另一方面是便于測試。
6、絕緣接頭與管道安裝時(shí)應(yīng)注意的問題
（1）嚴(yán)禁用火焰燒烤絕緣接頭。因?yàn)閮?nèi)腔的絕緣板、涂層、填料、密封圈等非金屬件在溫度超過120℃時(shí)性能下降，甚至失效。
（2）絕緣接頭與管道安裝前必須使用500～3000v搖表搖測兩端的絕緣性，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的不能與管道組焊。
（3）絕緣接頭安裝時(shí)內(nèi)腔不能有水膜，以免降低其絕緣性。
（4）絕緣接頭不能設(shè)置在管道走向的低洼處，以免降低其絕緣性。
（5）絕緣接頭組焊時(shí)，焊把與導(dǎo)線定位鐵應(yīng)在絕緣接頭的同一端，不能跨接絕緣接頭，以防焊機(jī)高啟動(dòng)電流破壞絕緣。
（6）絕緣接頭與管道連接死口的距離應(yīng)大于200m，并應(yīng)在當(dāng)日氣溫較低時(shí)焊接死口，以便使絕緣接頭處于預(yù)壓狀態(tài)。
絕緣接頭首先是被應(yīng)用于輪庫線的非導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)時(shí)受結(jié)構(gòu)、材料、工藝等條件限制，絕緣性僅能達(dá)到2мω ，雷擊電壓近10000v。之后，根據(jù)生產(chǎn)需要及材料工藝的推進(jìn)，多次改進(jìn)設(shè)計(jì)，至今絕緣值已經(jīng)達(dá)到10мω，雷擊電壓高于15000。還適時(shí)設(shè)計(jì)了礦漿、污水、高溫蒸汽等介質(zhì)管道的絕緣接頭和絕緣短管，目前，我國生產(chǎn)的有dn50～dn1200、pn1～pn30幾十種規(guī)格，數(shù)量達(dá)到幾千套，很好的滿足了生產(chǎn)需要。
當(dāng)前，我國的絕緣板規(guī)格寬度較小，對dn>800mm的絕緣接頭雖沒有現(xiàn)成的板材，但有的廠家已準(zhǔn)備模壓和澆制絕緣環(huán)，澆制型絕緣環(huán)其性能已可滿足任意規(guī)格絕緣接頭的要求。大型高壓（dn>1000mm、pn>10 mpa）絕緣接頭設(shè)計(jì)在技術(shù)上已經(jīng)成熟，可以大幅度減少大型絕緣接頭的進(jìn)口。