法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置和施工方法与流程

本技术涉及市政管道施工与检测，特别涉及一种法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置和施工方法。

背景技术：

1、传统的管道闭水试验封堵方式主要依据管径大小进行选择：对于小口径管道，通常采用气囊封堵，操作相对简便；但对于大口径（内径2米以上）钢筋混凝土管道，受限于气囊与管壁摩擦力不足以抵抗高水头下的巨大水压推力，行业内普遍采用砖砌封堵的方式，即在管道两端用砖和砂浆砌筑堵头进行封堵。

2、然而，对于市政工程中的大口径管道闭水试验，砖砌封堵存在明显的局限性：一方面，砖砌筑及后期拆除的施工周期长、人工投入大，单处封堵往往需要数日工期，严重制约整体施工进度；另一方面，封堵材料无法重复利用，每处试验均需重新砌筑和拆除，造成大量材料浪费和建筑垃圾产生，既不经济也不环保。

3、为此，已有多项涉及管道闭水试验封堵装置的现有技术方案被提出。

4、现有技术一：中国专利cn223179698u公开了一种闭水试验装置。该装置包括升降组件、第一储水盒、第一连通管、称重组件、第二储水盒、第二连通管以及抽水动力件。其工作原理为：第一储水盒和试验管道之间的水位保持一致，当试验管道水位下降时第一储水盒内的水位也随之下降，抽水动力件将第二储水盒内的水抽取至第一储水盒内进行补水；当第一储水盒内的水位高度高于第二连通管的高度时，多余的水通过第二连通管回流至第二储水盒内；最终通过称重组件称量第二储水盒的水的重量变化得出试验结果。该装置无需人工补水，可对闭水试验进行全过程自动测量和自动补水。然而，该装置主要涉及闭水试验过程中的自动补水测量系统，未涉及管道端部的具体密封封堵结构，对大口径管道的封堵适用性较差。

5、现有技术二：中国专利cn120426469a公开了一种无压管道闭水试验封堵装置及试验方法。该封堵装置包括可膨胀或收缩以封闭或解封管道的气囊、设于气囊一侧的至少一个压力传感器及连接于气囊另一侧的支撑装置，支撑装置被配置成可向外扩张或收缩以支撑固定于或脱离管道内壁。该装置通过支撑装置的扩张实现气囊在管道内的定位与封堵。然而，该装置的支撑装置采用“撑开顶死”的结构，对于大口径管道，在高水头工况下支撑装置能否承受巨大的水压力缺乏可靠保障，封堵可靠性存疑；同时，支撑装置向外扩张时可能对管道内壁造成局部损伤。

6、现有技术三：中国专利cn221004282u公开了一种污水管道闭水试验封堵装置。该封堵装置包括封堵单元、调节单元和密封单元，封堵单元连接在底座上，调节单元安装在封堵单元上并与底座连接，密封单元连接在封堵单元上。使用时，通过转动调节单元带动封堵单元在底座表面滑动，直至封堵单元外表面接触管道内壁；封堵单元滑动过程中带动密封单元膨胀，直至密封单元接触管道内壁实现封堵。然而，该装置设备较为笨重，对于大口径管道的适应性较差；且采用刚性胀开结构实现封堵，可能损伤大口径混凝土管内壁，刚性结构与混凝土管壁的贴合密封性也难以保证。

7、综上所述，现有的大口径管道闭水试验封堵技术中，砖砌封堵存在施工周期长、材料不可重复利用的问题；上述现有封堵装置则分别存在未涉及具体密封结构、支撑结构可靠性不足、大口径适应性差及易损伤管壁等缺陷。因此，亟需一种能够实现大口径管道高水头闭水试验安全可靠封堵、且可重复使用的封堵装置及施工方法。

技术实现思路

1、鉴于上述状况，本技术的主要目的是为了提出一种法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置和施工方法，以解决上述技术问题。

2、本技术提出了一种法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置，包括：

3、第一封堵气囊与第二封堵气囊，所述第一封堵气囊和所述第二封堵气囊均为圆柱形橡胶气囊，第一封堵气囊和第二封堵气囊的一端端部均通过硫化工艺一体成型地固定设置有第一金属法兰盘，所述第一金属法兰盘上沿圆周方向开设有若干个螺栓连接孔；

4、刚性连接钢管，所述刚性连接钢管为金属材质，其两端分别固定设置有第二金属法兰盘，所述第二金属法兰盘上开设有与所述第一金属法兰盘一一对应的螺栓连接孔；

5、其中，所述第一封堵气囊端部的第一金属法兰盘与所述刚性连接钢管一端的第二金属法兰盘通过高强度螺栓紧固连接，所述第二封堵气囊端部的第一金属法兰盘与所述刚性连接钢管另一端的第二金属法兰盘通过高强度螺栓紧固连接，且各所述第一金属法兰盘与相应所述第二金属法兰盘之间均设有密封垫片，从而将所述第一封堵气囊和所述第二封堵气囊通过所述刚性连接钢管连为一体；

6、所述刚性连接钢管上设置有气阀通道，所述气阀通道用于同时为所述第一封堵气囊和所述第二封堵气囊充气和放气。

7、通过采用上述技术方案，在进行大口径管道闭水试验封堵作业时，首先于地面将刚性连接钢管两端的第二金属法兰盘分别与第一封堵气囊端部的第一金属法兰盘和第二封堵气囊端部的第一金属法兰盘通过高强度螺栓紧固连接，并在法兰盘之间设置密封垫片，完成装置的整体预组装；然后将组装完成的整体装置通过吊装设备从检查井或管口整体放入待测管道内部，利用刚性连接钢管的固定长度，使第一封堵气囊恰好位于待测管道上游端口、第二封堵气囊恰好位于待测管道下游端口，无需在井下反复调整定位；随后通过刚性连接钢管上设置的气阀通道对第一封堵气囊和第二封堵气囊同时进行充气，两个气囊同步膨胀后外壁与管道内壁紧密贴合，形成两道可靠的密封屏障；最后向两个气囊之间的管道封闭段内注入试验用水至设计试验水头，进行闭水试验；试验完成后，通过气阀通道释放气囊内气压，将装置整体从管道内取出，拆卸后可重复使用；装置整体可拆卸回收，重复利用于不同管道的闭水试验，相比传统砖砌封堵方式大幅降低了材料消耗和人工成本，避免了砌筑和拆除产生的建筑垃圾，具有良好的经济性和环保效益。

8、在一个具体的可实施方案中，所述第一金属法兰盘嵌入所述封堵气囊的端部，且所述第一金属法兰盘与所述封堵气囊的橡胶本体通过所述硫化工艺硫化为一体并形成气密性封闭的刚性连接端面。

9、通过采用上述技术方案，第一金属法兰盘嵌入封堵气囊的端部并通过硫化工艺与橡胶本体硫化为一体，形成嵌入式的刚性连接端面，使法兰盘与封堵气囊本体的结合面积大幅增加，且橡胶分子在高温高压条件下与法兰盘表面的胶粘剂涂层发生化学交联反应，产生牢固的化学键合，同时橡胶本体填充于法兰盘根部的环形凹槽等锚固结构中形成机械锁合，从而在法兰盘与气囊之间建立起化学键合与机械锁合的复合连接，远高于常规胶粘剂粘接或机械卡箍固定的连接强度，从根本上避免了传统绑扎或粘接方式中法兰盘与气囊连接节点因受力集中而发生脱落的隐患，确保了封堵气囊在高水压工况下的连接可靠性和安全性；同时，该硫化一体成型的刚性连接端面本身具有优异的密封性能，橡胶与法兰盘之间的界面被完全密封，配合法兰盘与刚性连接钢管之间的密封垫片，形成双重密封屏障，可有效防止高压气体或水从法兰连接处泄漏，保证气囊在长时间保压试验过程中维持稳定的工作压力，进一步提高闭水试验的准确性和可靠性。

10、在一个具体的可实施方案中，所述第一封堵气囊和第二封堵气囊均采用橡胶与纤维织物复合制成，具有高强度和良好的气密性。

11、通过采用上述技术方案，橡胶与纤维织物复合制成的气囊兼具有橡胶的高弹性和气密性以及纤维织物的高抗拉强度和抗撕裂性能，使气囊在高压充气状态下能够保持稳定的结构形态，不易发生局部鼓包或破裂，同时纤维织物层作为增强骨架有效限制了橡胶的蠕变变形，大幅提高了气囊的承压能力和循环使用寿命，确保封堵装置在反复多次的闭水试验中保持可靠的密封性能，降低了气囊的更换频率和维护成本。

12、在一个具体的可实施方案中，所述刚性连接钢管的长度与待测管道的长度相适配，使得所述第一封堵气囊位于待测管道的上游端口位置、所述第二封堵气囊位于待测管道的下游端口位置。

13、通过采用上述技术方案，刚性连接钢管的长度根据待测管道长度定制，安装时无需测量定位，两个气囊即可准确就位于上下游端口，避免了传统施工中反复调整气囊位置的繁琐操作，大幅缩短了井下作业时间；同时，精确的端口定位确保了两个气囊之间的封闭段长度与设计试验段一致，提高了闭水试验的测试精度和可靠性，且同一装置可适配同规格不同长度的管道，通过更换不同长度的刚性连接钢管即可快速适应多种工况，增强了装置的通用性和适用范围。

14、在一个具体的可实施方案中，所述刚性连接钢管为q345b碳素结构钢材质。

15、通过采用上述技术方案，q345b碳素结构钢具有较高的屈服强度和良好的塑性韧性，能够在保证刚性连接钢管具有足够结构强度的同时兼顾一定的抗冲击性能，有效抵抗闭水试验中水压推力产生的轴向压力和弯曲力矩，避免钢管在受力时发生屈曲变形或断裂；同时该材质焊接性能优异，确保了第二金属法兰盘与钢管本体之间焊接节点的连接强度和疲劳耐久性，且在长期反复使用和吊装作业中保持稳定的结构形态，延长了装置的整体使用寿命。

16、本技术还提出一种法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置的施工方法，使用上述任一技术方案中的法兰连接大口径管道闭水试验双气囊封堵装置，所述施工方法包括如下步骤：

17、步骤1、地面预组装：检查待测管道内壁是否平整光滑，并清除管道内壁的尖锐物；将刚性连接钢管两端的第二金属法兰盘分别与第一封堵气囊端部的第一金属法兰盘和第二封堵气囊端部的第一金属法兰盘对准，在法兰盘之间放置密封垫片，并通过高强度螺栓紧固连接，以完成装置的整体组装；

18、步骤2、整体安装就位：将组装完成的装置通过吊装设备从检查井或管口整体放入混凝土管道内部，使第一封堵气囊位于混凝土管道上游端口、第二封堵气囊位于混凝土管道下游端口；

19、步骤3、充气封堵：通过进出气管将气泵与气阀通道连通，以对第一封堵气囊和第二封堵气囊同时进行充气，使两个封堵气囊膨胀后外壁与混凝土管道内壁紧密贴合，形成两道密封屏障；

20、步骤4、注水试验：向混凝土管道的封闭段内注入试验用水至设计试验水头，进行闭水试验；

21、步骤5、拆卸回收：试验完成后，通过气阀通道释放气囊内气压，待气囊完全收缩后将装置整体从混凝土管道内拖出，拆卸各法兰连接节点后回收各部件，以备重复使用。

22、通过采用上述技术方案，设计的地面预组装、整体吊装就位、同步充气封堵、注水试验及拆卸回收的施工方法，全部法兰连接作业在地面完成，避免了传统施工中在井下进行法兰安装或砌筑作业的高风险操作，井下作业时间能显著缩短，大幅提升了施工安全性；同时，利用刚性连接钢管的固定长度实现两个气囊的精准定位，无需在井下反复测量和调整，简化了安装流程，单次封堵作业时间由传统砖砌封堵的数日缩短至数小时，显著提高了施工效率；此外，试验完成后通过气阀通道集中排气卸压，两个气囊同步收缩，装置整体可顺利取出，全部连接均为可拆卸的法兰螺栓结构，拆卸后可整体回收并重复使用于不同管道的闭水试验，避免了传统砖砌封堵砌筑和拆除产生的材料浪费与建筑垃圾，降低了施工成本且具有良好的环保效益。

23、在一个具体的可实施方案中，在所述步骤1中，所述第一封堵气囊和所述第二封堵气囊分别通过各自端部的第一金属法兰盘与所述刚性连接钢管两端的第二金属法兰盘刚性连接后，所述刚性连接钢管将闭水试验中水压对位于上游的所述第一封堵气囊产生的轴向推力传递至位于下游的所述第二封堵气囊，由所述第一封堵气囊与管道内壁的摩擦力和所述第二封堵气囊与管道内壁的摩擦力共同平衡所述轴向推力。

24、通过采用上述技术方案，刚性连接钢管将第一封堵气囊和第二封堵气囊连为一体，使第一封堵气囊承受的水压推力通过钢管直接传递至第二封堵气囊，由第一封堵气囊和第二封堵气囊与管壁的摩擦力共同承担，实现了双封堵气囊摩擦力的协同叠加，有效抵抗了高水头作用下产生的巨大轴向推力，从根本上解决了大口径管道高水头闭水试验中气囊易滑移失效的行业技术难题，确保了封堵装置在高压工况下的工作稳定性和可靠性。

25、在一个具体的可实施方案中，在所述步骤3中，充气过程中配备压力控制装置及泄压装置，控制充气压力在预设范围内。

26、通过采用上述技术方案，压力控制装置能够实时监测并自动调节充气压力，避免因充气压力过高导致封堵气囊过度膨胀而破裂或因压力不足导致封堵气囊与管壁贴合不紧密而封堵失效，同时泄压装置可在紧急情况下快速泄压，防止意外超压对管道或封堵气囊造成损坏，确保充气过程安全可控；此外，通过将充气压力控制在预设范围内，使两个封堵气囊始终保持一致的膨胀状态，避免了因压力不均导致两个封堵气囊摩擦力差异过大而影响抗滑移效果，提高了封堵装置的可靠性和闭水试验的安全性。

27、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

28、1、本技术通过在两个封堵气囊端部预制金属法兰盘，并经刚性连接钢管法兰连接为一体，使第一封堵气囊承受的水压推力通过刚性连接钢管完整传递至第二封堵气囊，由两个气囊与管壁的摩擦力共同抵抗水压推力；这一“推力传递、协同抵抗”的技术构思彻底改变了传统气囊“各自为战、仅靠自身摩擦力”的工作模式，使得气囊封堵技术能够突破大口径高水头的应用限制，无需借助支撑装置或外部锚固即可实现稳定封堵，为替代砖砌封堵提供了根本性的技术路径；经计算验证，对于内径2.2m、试验水头10m的管道，单气囊封堵的安全系数仅为1.16，安全余量严重不足，而本方案双气囊联合封堵的安全系数可达2.32，抗滑移能力提升一倍以上，从根本上解决了传统单气囊在大口径管道高水头工况下因摩擦力不足而易发生滑移失效的问题；

29、2、气囊法兰盘与橡胶本体硫化为一体，确保了高水压工况下连接节点的可靠性；传统方式中，气囊与外部构件的连接多采用绑扎或粘接方式，连接强度有限，难以承受大口径管道的轴向推力，存在节点脱落的风险；本技术在气囊出厂时即通过硫化工艺将金属法兰盘与橡胶本体一体成型，形成嵌入式刚性连接端面，金属法兰盘与气囊之间建立起化学键合与机械锁合相结合的复合连接，确保连接节点在高水压反复作用下仍保持结构完整，从根本上解决了连接节点强度不足的行业痛点；

30、3、整体式结构配合可拆卸连接，实现了大口径封堵装置的高效施工与循环利用；传统砖砌封堵施工周期长、拆除困难、材料一次性消耗，而现场临时安装的气囊封堵方案又需要在井下进行复杂操作，定位困难且效率低下；本技术将两个气囊通过刚性连接钢管集成为一个整体，全部连接均采用法兰螺栓的可拆卸方式，既可在地面整体预组装后一次吊装就位、无需井下复杂操作，又可在试验完成后整体取出并拆卸回收，实现了封堵装置的高效安装与重复利用；这一兼具“整体性”与“可拆性”的结构设计，在保证施工便捷性的同时兼顾了经济环保需求，克服了传统方案在施工效率与资源利用方面的双重缺陷。