CN107091391B - 一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，包括套筒、化学药剂，所述套筒套在冻结管接头处，其两个端部与冻结管通过紧固密封组件实现紧固密封，套筒的内径大于冻结管接头外径，套筒的内壁与冻结管接头外表面之间形成一个封闭的环形空腔，化学药剂储存于该环形空腔内。冻结管正常使用期，该装置内的化学药剂不受外部泥浆、水及管内盐水影响；冻结管接头断裂后，装置内的化学药剂遇到盐水发生化学反应，生成具有低温弹性的胶粘性物质并快速固化，从而发挥自动堵漏功能。该装置适用于冻结法凿井等各类地层冻结工程，能对冻结管接头的断裂实施自动快速堵漏，避免盐水泄漏融化冻结壁甚至诱发淹井事故，具有重要的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，属于地层冻结工程领域。
背景技术
冻结管断裂始终是威胁人工地层冻结法施工(如冻结凿井)安全的关键，至令尚未很好解决。冻结管一旦断裂将造成盐水泄漏、冻结壁融化，甚至酿成淹井事故。国内外冻结凿井史上，断管事故始终相伴，曾屡次诱发淹井。
实践证明冻结管断裂大多出现在管道接头处，并且总是在盐水发生大量泄漏甚至涌入工作面后才发现，这时已造成重大的安全危害和经济损失。长期以来，针对冻结管接头处容易发生断裂的难题，众多研究人员进行了不懈探索努力，包括研制新型接头形式来改善冻结管接头强度及变形能力，以期避免断管事故，其中取得良好效果的新型接头形式如内衬管对焊接头。
然而，实践表明：虽然采用新型接头，完善施工方法可减少断管事故，但仍无法彻底杜绝断管事故。随着我国冻结法凿井穿过的冲积层深度越来越大，冻结管接头由于抗拉、变形能力有限，正面临越来越大的断管风险。
鉴于此，本发明通过在接头处安装断裂后自动堵漏装置，及时封堵断裂处的盐水，以消除冻结管接头断裂带来的巨大安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，降低甚至消除冻结管断管威胁，改变以往接头发生断裂无法进行及时弥补修复，导致盐水大量泄漏，危及冻结法施工的现状，从而保证工程施工的安全。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，包括套筒、化学药剂，所述套筒套在冻结管接头处，其两个端部通过套筒紧固密封组件与冻结管紧固密封，套筒的内径大于冻结管接头外径，套筒的内壁与冻结管接头外表面之间形成一个封闭的环形空腔，化学药剂储存于该环形空腔内。
所述套筒由非金属材料制成，或者为金属柱筒结构；其中，非金属材料包括硅胶、热塑基复合材料、聚碳酸酯材料，金属柱筒结构包括轴向可伸缩的金属波纹管，或铝合金、镁合金、304不锈钢卷材等材质的卷筒。
所述套筒紧固密封组件包括两种形式，第一种为：所述套筒紧固密封组件包括套箍、弹性密封圈，其中，弹性密封圈的横截面形状为上下等厚的圆环形，其设置于套筒的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍紧固于套筒的端部外壁上，该种形式紧固密封组件适用于非金属套筒。第二种为：所述套筒紧固密封组件包括套箍、弹性锥/楔形密封圈、挡圈，其中，弹性锥/楔形密封圈为横截面形状为上下不等厚的锥或楔形环，其设置于套筒的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍紧固于套筒的端部外壁上，挡圈焊接在冻结管上，且位于弹性锥/楔形密封圈外侧，并与其紧靠，此种形式紧固密封组件适用于金属套筒。
所述套箍为非金属闭合式或者金属非闭合式，其中，非金属闭合式套箍的材质为塑料或橡胶等，金属非闭合式套箍的材质为钢、铜或铝合金等；金属非闭合式套箍为圆环单开口套箍或者半圆环对接装配套箍，并通过卡扣或螺栓安装紧固。
所述弹性密封圈和弹性锥/楔形密封圈的材质为硅橡胶、氢化丁腈橡胶等。
所述化学药剂是在-40℃～60℃环境下性能长期稳定、具有活性，遇0～-40℃的低温盐水后能发生快速固化反应，生成具有或不具有膨胀性的弹性止水材料且能与管接头本体材料良好粘结的化学材料。
所述化学药剂包括水溶性聚氨酯密封止水剂、耐盐型遇水膨胀止水橡胶或者在0～-40℃的低温下能够快速固化的改性环氧树脂。
有益效果：本发明提供了一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，通过安装该装置，可以有效避免因冻结管接头断裂引起盐水大量泄漏带来的安全事故。一旦冻结管接头发生断裂，该型装置可以及时有效产生胶黏物质进行堵漏止水，保证管接头不继续开裂泄漏，从而保证冻结壁乃至冻结法施工工程的安全。
附图说明
图1-a、图1-b分别是实施例1的轴向截面、径向截面(A-A)示意图；
图2-a、图2-b分别是实施例2的轴向截面、径向截面(B-B)示意图；
图3-a、图3-b分别是实施例3的轴向截面、径向截面(C-C)示意图；
图4-a、图4-b分别是实施例4的轴向截面、径向截面(D-D)示意图；
图5-a、图5-b分别是实施例5的轴向截面、径向截面(E-E)示意图；
图中，1、套筒；2、套筒紧固密封组件；3、化学药剂；4、套箍；5、弹性密封圈；6、弹性锥/楔形密封圈；7、挡圈；8、螺栓；9、角焊缝；10、对接焊缝；11、上部冻结管；12、下部冻结管；13、内衬管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图所示，本发明提供了一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，包括套筒1、化学药剂3，套筒1套在冻结管接头处，其两个端部与冻结管紧固密封，套筒1的内径大于冻结管接头外径，套筒1的内壁与冻结管接头外表面之间形成一个封闭的环形空腔，化学药剂3储存于该环形空腔内。
套筒1可采用具有较高弹性与强度，隔水性及耐低温性能良好的橡胶材料，包括但不限于硅胶、热塑基复合材料(TPU)、聚碳酸酯材料(PC)；也可以采用金属柱筒结构，金属柱筒可以采用轴向可伸缩的金属波纹管，也可以采用高韧性、轴向易变形的薄壁(皮)卷筒，其材质包括具有高强高韧性能的铝合金或镁合金，304不锈钢卷材等。套筒1的两个端部通过套筒紧固密封组件2与冻结管紧固密封，或者直接焊接于冻结管上。套筒1的横截面形状应与冻结管截面形状相适应，既可以是圆形，也可以是非圆形截面；套筒1的长度要满足填充化学药剂3的有效高度及两端安装套筒紧固密封组件2的要求；套筒壁厚按能承受冻结管下沉过程中的侧向挤压、不致于发生破损而定。
套筒紧固密封组件2包含两种形式，第一种形式为：套筒紧固密封组件2包括套箍4、弹性密封圈5，其中，弹性密封圈5的横截面形状为上下等厚的圆环形，其设置于套筒1的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍4紧固于套筒1的端部外壁上。第二种形式为：套筒紧固密封组件2包括套箍4、弹性锥/楔形密封圈6、挡圈7，其中，弹性锥/楔形密封圈6为横截面形状为上下不等厚的锥或楔形环，其设置于套筒1的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍4紧固于套筒1的端部外壁上，挡圈7焊接在冻结管上，且位于弹性锥/楔形密封圈6外侧，并与其紧靠。
套箍4为非金属闭合式或者金属非闭合式。对于非金属闭合式套箍可以采用塑料套箍、橡胶套箍等，其安装紧固方式，既可利用热缩性质实现自紧固，如PE热缩套箍、PVC热缩套箍或PET热缩套箍等；该套箍也可采用具有冷缩性能的材料达到自紧固，如硅橡胶或三元乙丙橡胶。对于金属非闭合式套箍可以采用钢套箍、铜套箍、铝合金套箍等，其结构形式既可是圆环单开口套箍(如喉箍)，也可是半圆环对接装配套箍，其安装紧固方式，可通过卡扣、螺栓进行安装紧固。
弹性密封圈5安装于套筒1的上下端部与冻结管外表面之间，其横截面形状为上下等厚的圆环形，其上下长度需大于套箍4的高度，以便于紧固密封套筒1。弹性密封圈5的作用一方面是用来紧固密封套筒1，另一方面将橡胶等非金属套筒撑开，保证套筒1与冻结管接头之间有足够的环形空间来填充化学药剂3，起到支撑作用。弹性密封圈5的材质需满足高低温下(-40℃～60℃)弹性较大、密封性能良好，如硅橡胶、氢化丁腈橡胶等。
弹性锥/楔形密封圈6与弹性密封圈5基本相同，区别在于其横截面形状为上下不等厚的圆环形，以便紧密挤入到套筒1的上下两端与冻结管外表面之间的空隙中。
挡圈7焊接在冻结管上，且位于弹性锥/楔形密封圈6的上下端，并与其紧靠使之轴向抵紧固定密封圈，从而保证弹性锥/楔形密封圈6与金属套筒1紧固密封在冻结管外表面，不发生滑动，其材质为具有较高强度与刚度的金属材料，外径需大于套筒1的外径。
化学药剂3是填充在套筒1与冻结管接头外表面之间的环形空腔内，高、低温环境下(-40℃～60℃)性能稳定、活性良好，遇低温盐水后能发生快速固化反应，生成具有或不具有膨胀性的弹性止水材料且能与管接头本体材料良好粘结，从而具有良好封堵性能的化学材料；包括但不限于水溶性聚氨酯密封止水剂、耐盐型遇水膨胀止水橡胶、低温快速固化的改性环氧树脂等。
具体安装施工方法：
冻结管对焊前，首先把套筒1套在管接头部位的下方；管接头对焊完毕并适当降温后，把套筒1上移至冻结管接头部位，使套筒上、下端分别位于冻结管接头的上、下方。然后，采用至少一件套筒紧固密封组件2把套筒1下端固定在管接头下方的冻结管上；进而，向套筒与管结构之间的环形空腔内均匀充填化学药剂3；最后，安装上端套筒紧固密封组件2，使套筒的上端固定在上方的冻结管上。套筒1的上、下端与冻结管之间需安装紧固，并确保封水性；为保证封水性的安全可靠，在套筒端部与密封圈之间、密封圈与冻结管之间可涂抹耐低温的密封胶；对于橡胶或塑料等柔性材质套筒，还可对环形腔体做抽真空处理。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
如图1a和1b，本实施例的冻结管接头的断裂自动堵漏装置，包括套筒1、套筒紧固密封组件2、化学药剂3，套筒1套在冻结管接头处，其两个端部通过套筒紧固密封组件2与冻结管紧固密封，套筒1的内径大于冻结管接头外径，套筒1的内壁与冻结管接头外表面之间形成一个封闭的环形空腔，化学药剂3储存于该环形空腔内。其中，套筒紧固密封组件2包括套箍4、弹性密封圈5，弹性密封圈5的横截面形状为上下等厚的圆环形，其设置于套筒1的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍4紧固于套筒1的端部外壁上，套箍4采用非金属闭合式。
安装施工方法：
(1)在进行冻结管对焊连接前，按照从外向内依次为：套箍4、套筒1、弹性密封圈5的顺序分别套在下段冻结管上，注意要套在接头稍远处，以防焊接高温破坏橡胶套和套箍。
(2)待焊接适当冷却降温后，首先，将两件弹性密封圈5分别上移至冻结管接头上下方的指定位置，其次，把套筒1上移至冻结管接头部位，使套筒1的上、下端分别位于弹性矩形密封圈5的外侧，利用下端套箍4把套筒1下端固定在管接头下方的冻结管上。套箍4若采用的是热缩型套箍，利用电吹风等方式加热套箍达到热缩密封效果；若采用的是冷缩型套箍，这种套箍一般预先扩张在可抽支撑管上，使用时只需将套箍4在套筒1上下端定位准确后抽去支撑管即可，利用其径向收缩力形成严密的包裹，起到防水、防尘、密封作用。
(3)在保证橡胶套内部干燥清洁的条件下，向套筒1与冻结管外表面之间的环形空腔内充填化学药剂3，使之沿周向均匀分布。
(4)利用和下端套箍相同方式对上端套箍4进行紧固，使之通过压紧弹性矩形密封圈5来将套筒1上端固定在管接头上方的冻结管上。
施工过程中需要保持套筒1内部与管接头处干燥清洁，以防待填充的化学药剂3被污染，影响效果。为保证封水性的安全可靠，可涂抹耐低温的密封胶对套筒1的上下端口、套筒与密封圈之间进行密封；另外还可对橡胶套和冻结管之间的腔体做抽真空处理。
实施例2：
如图2a和2b，本实施例的装置的结构基本同实施例1，区别在于：套筒紧固密封组件2中的套箍4采用的是圆环单开口套箍。
安装方法基本同实施例1，区别在于：圆环单开口套箍采用螺栓8进行紧固；为保证封水性的安全可靠，套筒1上下端可分别采用多个圆环单开口套箍进行紧固。
实施例3：
如图3a和3b，本实施例的装置的结构基本同实施例1，区别在于：套筒紧固密封组件2中的套箍4采用的是半圆环对接装配式套箍。
安装方法基本同实施例1，区别在于：半圆环对接装配式套箍不需要事先套在套筒外，可以在套筒安装定位准确后，再利用半圆对接式套箍通过螺栓8进行紧固；为保证封水性的安全可靠，套筒上下端可分别采用多个半圆环对接装配式套箍进行紧固。
实施例4：
如图4a和4b，本实施例的装置的结构基本同实施例1，区别在于：套筒1采用的是金属波纹管；套筒紧固密封组件2包括套箍4、弹性锥/楔形密封圈6、挡圈7，其中，弹性锥/楔形密封圈6为横截面形状为上下不等厚的锥或楔形环，其设置于套筒1的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍4紧固于套筒1的端部外壁上，挡圈7焊接在冻结管上，且位于弹性锥/楔形密封圈6外侧，并与其紧靠。其中套箍4采用的半圆环对接装配式套箍。
安装方法基本同实施例1，区别在于：定位安装好弹性锥/楔形密封圈6与套筒1后，将挡圈7焊接紧固在冻结管接头下方的指定位置，利用下端挡圈7来轴向抵住压紧下端弹性锥/楔形密封圈6，然后利用下端套箍4环向压紧套筒1；待从上端填充完化学药剂3后，利用与下端套筒相同的紧固方式，对上端套筒进行紧固密封。
实施例5：
如图5a和5b，本实施例的装置的结构基本同实施例4，区别在于：套筒1采用的是高韧型金属薄壁柱筒，套筒紧固密封组件2中的套箍4采用的是圆环单开口套箍。
安装方法基本同实施例4，区别在于：圆环单开口套箍需要在安装套筒1的同时，将套箍事先套在套筒外部，一起套在冻结管接头附近的外表面，其余步骤同实施例4。为保证封水性的安全可靠，套筒上下端可分别采用多个套箍进行紧固，同时可采用耐低温金属密封胶对套筒上下端口进行密封。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种冻结管接头的断裂自动堵漏装置，其特征在于：包括套筒（1）、套筒紧固密封组件（2）、化学药剂（3），所述套筒（1）套在冻结管接头处，其两个端部通过套筒紧固密封组件（2）与冻结管紧固密封或者直接焊接于冻结管上，套筒（1）的内径大于冻结管接头外径，套筒（1）的内壁与冻结管接头外表面之间形成一个封闭的环形空腔，化学药剂（3）储存于该环形空腔内；
所述套筒（1）由非金属材料制成，或者为金属柱筒结构；其中，非金属材料包括硅胶、热塑基复合材料、聚碳酸酯材料，金属柱筒结构包括轴向可伸缩的金属波纹管，或铝合金、镁合金、304不锈钢卷材材质的卷筒；
所述套筒紧固密封组件（2）包括套箍（4）、弹性密封圈（5），其中，弹性密封圈（5）的横截面形状为上下等厚的圆环形，其设置于套筒（1）的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍（4）紧固于套筒（1）的端部外壁上；或者，所述套筒紧固密封组件（2）包括套箍（4）、弹性锥/楔形密封圈（6）、挡圈（7），其中，弹性锥/楔形密封圈（6）为横截面形状为上下不等厚的锥或楔形环，其设置于套筒（1）的端部内壁与冻结管外表面之间，套箍（4）紧固于套筒（1）的端部外表面上，挡圈（7）焊接在冻结管上，且位于弹性锥/楔形密封圈（6）的上下端，并与其紧靠；
所述化学药剂（3）是在-40℃~60℃环境下性能长期稳定、具有活性，遇0～-40℃的低温盐水后能发生快速固化反应，生成具有或不具有膨胀性的弹性止水材料且能与管接头本体材料良好粘结的化学材料；
所述套箍（4）为非金属闭合式或者金属非闭合式，其中，非金属闭合式套箍的材质为塑料或橡胶，金属非闭合式套箍的材质为钢、铜或铝合金；金属非闭合式套箍为圆环单开口套箍或者半圆环对接装配套箍，并通过卡扣或螺栓安装紧固。
2.根据权利要求1所述的冻结管接头的断裂自动堵漏装置，其特征在于：所述弹性密封圈（5）和弹性锥/楔形密封圈（6）的材质为硅橡胶、氢化丁腈橡胶。
3.根据权利要求1所述的冻结管接头的断裂自动堵漏装置，其特征在于：所述化学药剂（3）包括水溶性聚氨酯密封止水剂、耐盐型遇水膨胀止水橡胶或者在0～-40℃的低温下能够快速固化的改性环氧树脂。
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