近年来，我国的城市化进程有了很大进展，城市燃气管道建设越来越多。对城市燃气管道进行带压不停气的维抢修、改造作业时，管道带气封堵是作业中的重要工序。文中首先分析管道封堵机器人工作原理，其次探讨带气封堵技术分析与比较，最后就城市燃气管道带气封堵技术发展展望进行研究，对城燃企业具有一定的参照意义。
引言
城镇燃气输配介质的变化，必然导致燃气管道的拆改，产生大量废弃管道。而天然气蓬勃发展至今，已30年有余，早期的钢质管道已达服役年限，存在安全隐患。近年来，中央政府持续推进城镇燃气管道老化更新整治工程，对达到或即将达到服役年限的管道，有计划的进行报废更新。
1 管道封堵机器人工作原理
当管道封堵机器人到达指定位置时，控制封堵模块上承载的卡瓦和橡胶筒轴向运动，卡瓦随着挤压碗运动径向伸出和管道接触，与管壁产生犁沟效应，将机器人固定在管道内实现坐封。同时，橡胶筒形变膨胀贴合管壁，与管壁产生接触应力。接触应力随着橡胶筒膨胀而增大，最终将管壁与机器人间的环形通道封住。
2 带气封堵技术分析与比较
2.1盘式封堵技术
盘式封堵技术，又名悬挂式封堵、皮碗式封堵，由一块或多块安装在封堵头上的、直径接近管道内径的橡胶盘或橡胶碗实现封堵功能。对于传统的盘式封堵器，其橡胶盘初始直径稍大于管道内径，安装在可在竖直平面内旋转的封堵头上。进行封堵时，需通过三通在管壁上钻孔，孔径等于或稍小于封堵头直径，一般稍小于管道内径。从三通处置入封堵器，封堵头接触管壁后绕销轴旋转弯折至轴线与管道走向平行。此时橡胶盘垂直于管壁，由于直径大于管道内径，收到管壁压迫变形，紧贴管壁，实现密封。盘式封堵器在国内油气管道维抢修作业中得到了广泛应用。盘式封堵器封堵过程不需要管内介质参与，对于管道介质种类适应性较强。其封堵处的承压能力可通过改变橡胶盘材料、几何尺寸等方式进行调节，可用于中高压管道的封堵。同时，使用盘式封堵器进行开孔封堵作业时，开孔直径小于管道外径，不截断管道，对管道机械性能损伤较小。但是，盘式封堵器中橡胶盘变形能力有限，对于较大管径和管内表面条件较差，如腐蚀严重、结垢较多的情况不适用。此外，大管径盘式封堵器的设计需要考虑到封堵机构的自身重力，避免橡胶盘与管道底部接触的部分在自重作用下发生较大形变，造成管道顶部封堵处出现缝隙，使封堵失效。
2.2锚定装置
封堵器在隔离管内的高压介质时,由于两侧存在压力差,封堵头存在沿管道轴向移动的趋势。同时,为保证封堵效果,应使封堵头与管道同轴。为此,设计了封堵器锚定装置,包括纵向定位板、横向限位块和锁紧螺母。横向限位块截面外周轮廓为直径略小于法兰三通内径的圆弧,使其能够与法兰三通内壁紧密贴合,将管道轴线方向的介质压力差传导至法兰三通。纵向定位板则与管道内壁相切,为封堵头在竖直方向提供定位,锁紧螺母避免了管道内压力较大时封堵器向上位移。锚定装置给封堵器提供了竖直方向和水平方向的位移约束。
2.3卡瓦坐封过程仿真模型
分析步选用显示动力学，为验证卡瓦能否有效坐封住管道封堵机器人，设有两条分析步，第一步为卡瓦的坐封仿真，第二步为验证坐封效果，具体设置为：在第一条分析步（Step1）中，根据计算的液压缸最小推力要求对挤压碗施加轴向载荷353.4kN，约束管道与挡板固定、挤压碗轴向移动自由、卡瓦轴向径向移动双自由。第二条分析步（Step2）为管道施加216.9kN轴向载荷以验证坐封可靠性的仿真分析，在Step1的基础上将管道设置为轴向移动自由。由于该有限元仿真模型有很多硬接触，且形状较为规则，模型各件均可设为六面体网格，在牙齿与管壁接触面处布置较为密集的种子。
3 城市燃气管道带气封堵技术发展展望
3.1现有技术的改进
针对现有带气封堵技术存在的缺陷，可以在现有封堵技术的基础上进行改进。对于传统盘式封堵器依靠橡胶盘自然弹性变形实现气密，封堵高压介质能力不足的问题，基于盘式封堵器封堵头有限元仿真结果，设计了一种双层封堵头，提高了封堵性能。除增加封堵头橡胶盘层数外，也可以对橡胶盘沿轴向加压的机构，增大其径向变形程度，以提高封堵耐压能力，减小开孔孔径。清华大学无损检测实验室研发了新型带气封堵设备，可由施工人员手动操作，利用偏心轮机构传动向橡胶盘轴向加压，使之胀径贴紧管壁，可在更高管内压力下保持密封。该装置在满足封堵设备轻量化、操作简便要求的基础上，提高封堵成功率、耐压能力，同时降低开孔成本和时间。3.2地上燃气管道及附属设施宜全部拆除位于政府规划出让土地红线内、市政施工整体开挖区域内，或通航河道下埋深不足的地下燃气管道应全部拆除。
3.3管内智能封堵技术
使用管内智能封堵器从施工环境相对理想的上游远端置入管道，封堵器随介质移动至封堵点，进行锚定及封堵。管内智能封堵技术无需在管道上开孔，所需支持设备少于冷冻封堵技术，解除了封堵作业施工地点的限制，是新一代封堵器研制过程中的重点研究方向。在进一步提高管内智能封堵设备国产率、缩小设备体积的基础上，将管内智能封堵技术引入城市燃气管道带气封堵施工，对于减小施工对管道损伤、提高封堵效率有积极意义。
结语
目前，城市燃气管网的维抢修及改造作业，越来越多地采用不停输带气作业的施工方式，显著地减小了管道施工作业对生产运行的影响。随着国内城市燃气管道建设的发展，成本更低、封堵效率更高的带气封堵技术的研发也更加重要。对现有的封堵技术进行改进，提高封堵装备的自动化、轻量化水平，降低施工所需人力、物力，并尝试引入目前未被应用于城市燃气管道带气封堵作业的不开孔封堵技术以填补部分场景技术空缺是非常必要的。
