何勇君1 林元茂1 张立芳1 钟龙1 邢海宾1 魏伊梅1 邓一杰1 邓哲文1 孙丽名1 耿燕1 马剑2 马伟彦2

1.国家管网集团华南公司；2.北京华慧通能源科技有限公司

 

摘要：对于因管道变形、焊缝开裂、凹陷等引起的泄漏，传统堵漏设备（如刚性卡具、引流管帽、传统柔性卡具）因设计、结构及材料局限，往往无法实现快速、有效封堵。开发轻便高效的应急设备来处理严重变形管道泄漏事故，是当前管道维抢修领域亟待攻克的关键课题。本文介绍了针对管道凹陷变形、复杂裂缝泄漏及应急堵漏后需长期使用情况下，新型柔性卡具如何进行快速堵漏的研发成果与应用效果，并指明了未来柔性卡具标准化、多用途、全覆盖、自动化的发展方向。

关键词：管道变形；环焊缝开裂；凹陷圆度补偿；轻便复合式柔性卡具；环氧保护罩

 

石油天然气管道常因腐蚀、疲劳及第三方损坏，引发穿孔、弯曲、焊缝开裂与凹陷变形等情况，导致泄漏。尤其在遭遇自然灾害或严重人为损坏时，管道往往产生大面积不规则漏点，传统刚性堵漏设备受限于结构与材料，难以有效贴合变形表面，常无法实现可靠、有效的封堵。传统柔性卡具虽适用于腐蚀穿孔等小漏点，但对裂缝、焊缝开裂及大创伤面泄漏则效果有限。目前国内外主要依赖停输换管或带压封堵等方法应对，普遍存在作业周期长、成本高、效率低等问题，在山区等高落差地段实施尤为困难。为此，亟需研发新型轻便高效的柔性应急堵漏装备，通过创新结构设计、扩大密封面积、整合多种封堵技术，形成能够适应管道变形、补偿凹陷并实现长期密封的复合解决方案。该方向对突破现有维抢修技术瓶颈、提升管道安全运行水平具有重要的研发价值与实践意义。

1  技术痛点分析及针对性解决方案

（1）传统异形刚性夹具或引流套筒因笨重、体积庞大，安装时需依赖重型设备，导致施工周期长、难度高。

解决方案：施力部分采用高强度柔韧的复合丝织纤维材料，显著减轻设备整体重量；运用模块化设计，优化流程，大幅提升施工效率；设计简单有效的施力结构，极大地简化安装步骤。

（2）传统异形刚性夹具/引流套筒需事先预制完成，因其刚性结构缺乏形变适应能力，难以匹配千差万别的管道变形工况，常因精度不足导致封堵失效。传统柔性卡具密封模块需要管道圆度弧面的支撑，对于凹陷泄漏面，因缺乏施力支撑，造成密封效果不佳，甚至失效。

解决方案：研发柔性卡具的管道凹陷圆度补偿模块；针对管道曲率差异（含变形管曲率突变），优化施力机构拓扑设计；采用搭接、拼插方式，使用性能优异的复合材料增加结构整体性能，合理密布的小型区块设计，使密封模块所受压力分布均匀合理。

（3）现有孔洞型柔性卡具在应对大面积开裂泄漏事故时，如果裂缝尺寸较大，因传统柔性卡具的密封模块面积较小，会导致封堵失效的问题。

解决方案：优化密封堵漏模块的设计结构、尺寸参数及材料性能，合理调整设计布局，提升密封模块对裂缝泄漏面的容让性与针对性。

（4）传统柔性卡具因其设计、材料的原因，不适合长期暴露在空气、阳光下，只能作为应急堵漏手段，不能作为长期修复方式，但在某些生产需要的情况下（如冬季原油管道泄漏，避免停输造成凝管事故等），需要应急堵漏后持续运行3～6个月。

解决方案：研发轻便复合式环氧钢护罩，该设备主体由刚性龙骨与凯夫拉复合材料制成，兼具刚性、韧性、轻便易操作的特点，同时具备密封、注脂的功能，结合柔性卡具一同使用，大大延长应急封堵的时间。

2  新型柔性卡具技术研发与现场应用测试

针对上述技术痛点及解决思路，华南公司与北京华慧通能源科技有限公司合作，开展新型柔性卡具技术研发与攻关，并于2025年8月在中国船级社的见证下，由公司华南维抢修中心与华慧通公司一起进行了现场应用测试，结果超出研发预期。

（1）柔性卡具（夹具）圆度/受力补偿技术。

该圆度补偿模块材质具有足够硬度的同时，还要具备柔韧性特点，能够承受很大的压力，能随着凹陷区域的凹陷状态发生变化，达到对凹陷变形处泄漏点的圆度/施力补偿的目的。补偿模块预留插接件，通过凹凸插件的方式对每个独立的模块进行搭接、扩展、叠加，以便适应凹陷变形处不同面积和深度变化的需求。

试验管道为Φ406 mm钢制弯头，模拟钩机、定向钻或岩石砸出一个约50%的凹陷变形量，深约200 mm，面积400 mm×600 mm（约0.24 m²）的凹坑（图 1），凹坑几何中心位置出现一个约15 mm的泄漏孔洞。通过管道圆度补偿模块的使用，使柔性卡具堵漏模块得到了有效的施力，安装完成后逐步升压1 MPa～2 MPa，每次升压后保持5 min，无泄漏后继续增加压力直至达到10.5 MPa，保持5 min，未见发生压降。

图 1 管道凹陷变形泄漏及柔性卡具堵漏模块应用 

（2）环向裂缝柔性卡具（夹具）。

针对管道管径不同则表面曲率不同，以及变形管道的曲率变化特点，对柔性卡具的施力分布模块的施力结构、尺寸参数及材质材料进行研究和优化，在对不同管径管道/变形管道的裂缝泄漏进行封堵时，保证所施加在密封模块的力分布均匀、合理。

针对裂缝泄漏进行有效封堵，这需要对柔性卡具的宫格密封板的分布结构、尺寸参数及材质材料进行研究，以适应裂缝型泄漏的封堵。为了达到最佳裂缝泄漏密封的效果，同时匹配密封宫格板的各项技术参数，对柔性卡具密封胶垫的材质、厚度、硬度等参数进行优化。

试验管道为Φ406 mm钢制弯头，模拟管道环向开裂了一个长53 mm 、宽5 mm（约2.7 cm2）的泄漏口（图 2），使用研发的环向裂缝堵漏密封模块进行封堵，新型裂缝式柔性卡具安装后，逐步升压1 MPa～2 MPa，每次升压后保持5 min，最终达到10.0 MPa，保持5 min未见压降及泄漏。

图 2 管道环向裂缝及柔性卡具封堵应用 

（3）复杂大型泄漏柔性卡具（夹具）。

针对传统柔性卡具密封面积小的劣势（堵漏模块尺寸仅50×100 mm）， 研发复杂大型泄漏柔性卡具（夹具），堵漏模块面积（堵漏模块尺寸150 mm×150 mm）相较于传统柔性卡具密封面积提升了近5倍之多。

试验管道为Φ406 mm钢制弯头，模拟管道出现大面积的泄漏面，环向85 mm×5 mm裂缝，同时轴向84 mm×2.5 mm裂缝，总面积为72 cm²（图 3）。使用复杂大型泄漏柔性卡具(夹具)进行封堵，初始压力值增压到2.0 MPa，随后逐步升压，每次升压1 MPa后保持5 min，无泄漏后继续增加压力，最终达到6.0 MPa，保持5 min未见压降及泄漏。

图 3 管道大面积泄漏及复杂大型泄漏柔性卡具封堵应用 

（4） 复合式环氧护罩柔性卡具（夹具）。

为了延长应急柔性卡具在特殊情况下的使用时间，需要研发轻便复合式环氧护罩对柔性卡具进行保护隔离，该设备主体由刚性龙骨与凯夫拉复合材料制成，兼具刚性、韧性的特点，同时具备密封、注脂的功能，无需借助大型吊装设备，Φ406 mm复合式环氧护罩重量不足十公斤，人工即可完成，轻便快捷，结合应急柔性卡具一同使用，可以大大延长柔性卡具的有效封堵时间。

试验管道为Φ406 mm钢制弯头，模拟管道管体出现一个10 mm的泄漏孔洞（图4）。先用柔性卡具进行应急封堵，然后用防爆冷打磨工具，在柔性卡具两侧分别处理出来一条宽20 mm左右的环向粗糙带，在粗糙带上缠绕复合密封材料，完成后再安装复合式环氧护罩，通过护罩上方的注脂孔，注满护罩专用的低温密封胶（注意：不能使用普通树脂，以免反应过程中产生高温，影响密封橡胶性能），最后安装密封螺帽对注脂孔、排气孔进行封堵。截至目前，管道封堵压力10 MPa已保持3个多月，未发生泄漏，计划再保持不低于3个月的观察期。

图 4 管道泄漏孔及应急柔性卡具和复合式环氧护罩应用

3  新型柔性卡具封堵技术的性能优势

（1）柔性卡具圆度/受力补偿技术。 自适应形变与模块化扩展，其柔性材质能贴合不规则凹陷，模块化设计允许现场快速拼装以覆盖任意大小的变形区域。解决了管道局部凹陷变形这一传统刚性卡具难以处理的世界性难题，实现了对复杂几何缺陷的有效密封。

（2）环向裂缝柔性封堵技术。 均匀施力分布与宫格化密封系统，通过优化卡具结构和“宫格板+胶垫”的密封单元，确保了沿裂缝长度方向的压力均匀，避免局部应力不足导致的泄漏。针对线性裂缝密封的专精化设计，从根本上提升了对此类最常见缺陷的封堵成功率和承压能力。

（3）复杂大型泄漏柔性封堵技术。通过大大增加密封面积，降低了对密封胶垫和安装精度的苛刻要求，提升了容错率和通用性。提供了更通用、更可靠的解决方案，尤其适用于不确定性高的复杂裂缝或现场条件恶劣的情况，降低了操作门槛。

（4）复合式环氧护罩柔性封堵技术。 刚柔并济的复合材料与“堵漏+补强”一体化，凯夫拉复合材料护罩在提供结构性补强的同时，通过注脂密封实现了永久性或半永久性修复。实现了从临时应急到长期稳固的革命性转变。它不仅止漏，更修复了管体的强度，极大延长了维护周期和安全冗余。

管道维抢修快速堵漏作业时，可根据管道变形和裂缝泄漏程度选择适用的柔性卡具封堵技术（表 1）。

表 1 各种类型柔性卡具的性能参数及适用范围

 

4  结语

围绕“管道应急快速堵漏”这一核心任务，针对不同缺陷类型和工况，提供了高性能、高可靠性的解决方案，体现了应急方案从“被动适应”到“主动强化”，从“单一堵漏”到“复合修复”的跨越。综合来看，新型柔性卡具融合了柔韧性材料科学、结构力学优化和复合材料工程，覆盖了凹陷变形、复杂裂缝、大面积复杂泄漏面等多种泄漏事故的快速处理，兼具临时应急堵漏和长期修复的能力，基本构成了目前泄漏管道柔性应急处置的技术体系，代表了该领域的尖端发展方向。中国船级社全程验证了现场应用测试结果，并出具了专业的测试见证报告。

目前管道维抢修依然面临诸多堵漏难题，比如缺乏管道支管焊缝处泄漏（如仪表阀支管段等）、水下管道泄漏、超高/低温管道泄漏高效快捷的柔性封堵设备，以及管道泄漏事故现场静压较高（大于1 Mpa）情况下，如何使用自动或半自动化方式进行柔性卡具的现场操作，以提高堵漏施工效率和操作人员的安全性。解决这些难题，并努力实现柔性卡具的标准化、多用途、全覆盖、自动化发展，也是管道维抢修工作下一步需要努力的方向。

作者简介：何勇君，1981年生，本科，高级工程师，现任职华南公司广州维抢修中心经理。主要研究方向包括成品油外管道管理、应急维抢修管理与通信管理。联系方式：13808818866，heyj01@pipechina.com.cn。