姜修才，陳社鵬，燕執(zhí)國(guó)，王建偉，劉 博

1.中國(guó)石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶 163113

應(yīng)用防漲圈解決帶壓管道開(kāi)孔卡刀問(wèn)題

姜修才1，陳社鵬1，燕執(zhí)國(guó)2，王建偉1，劉 博1

1.中國(guó)石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶 163113

為了解決油氣管道帶壓開(kāi)孔過(guò)程中的卡刀問(wèn)題，結(jié)合內(nèi)應(yīng)力釋放變形的理論基礎(chǔ)，以在開(kāi)孔點(diǎn)預(yù)加剛性約束來(lái)減小變形的措施為切入點(diǎn)，研發(fā)了防漲圈裝置來(lái)解決該問(wèn)題。防漲圈主體設(shè)計(jì)為抗變形的“拱形橋”結(jié)構(gòu)，再增加部分筋板、肋板，構(gòu)成了完整的防漲圈裝置。經(jīng)試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證表明：帶壓開(kāi)孔前在開(kāi)孔位置焊接約束內(nèi)應(yīng)力釋放變形的防漲圈，能夠有效減小開(kāi)孔過(guò)程中的鞍型切板變形，降低卡刀發(fā)生的幾率，既經(jīng)濟(jì)又便捷，是解決帶壓開(kāi)孔卡刀問(wèn)題的一種有效手段。

帶壓開(kāi)孔；筒狀刀具；卡刀；應(yīng)力釋放；防漲圈

帶壓開(kāi)孔是一種常見(jiàn)的油氣管道維搶修、改造方法，可實(shí)現(xiàn)在不影響管道正常輸送的情況下，加裝支管、增引支線，或是為帶壓封堵[1]創(chuàng)造條件。帶壓開(kāi)孔的工藝方法是在密閉狀態(tài)下，借助于筒狀刀具的伸縮旋轉(zhuǎn)，以機(jī)械切削的方式在管道上加工出圓孔，在實(shí)際的帶壓開(kāi)孔過(guò)程中，筒狀刀具極易發(fā)生卡刀的現(xiàn)象?？ǖ兜脑蛑饕袃煞N：一是開(kāi)孔裝備的自身原因，如開(kāi)孔的動(dòng)力液壓站設(shè)定壓力太小或排量太??；二是外部的客觀環(huán)境原因，如管道應(yīng)力釋放、變形等，致使切削刀具“正?！笨ㄗ2]。對(duì)于第一種原因只要增大液壓站設(shè)定壓力或排量就可以解決；對(duì)于第二種原因的解決措施通常是立即停機(jī)、手動(dòng)退刀、再重新啟機(jī)開(kāi)孔，實(shí)際驗(yàn)證對(duì)開(kāi)小孔的卡刀處理較有效，對(duì)開(kāi)較大孔的卡刀處理效果則不夠理想。由此，在GB/T28055-2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中，對(duì)開(kāi)孔工藝附帶了一句“開(kāi)孔孔徑大于DN500，宜加防漲圈”的說(shuō)明，但關(guān)于防漲圈在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中未做具體說(shuō)明。以下結(jié)合實(shí)際案例對(duì)防漲圈進(jìn)行了設(shè)計(jì)、應(yīng)用，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

1 防漲圈結(jié)構(gòu)

1.1 防漲原理

在筒狀刀具邊緣與鞍型板切口受摩擦力約束的情況下，基于帶壓管道切削加工時(shí)自身殘余內(nèi)應(yīng)力釋放可致管道發(fā)生變形的理論[3]，應(yīng)用有限元軟件可模擬出鞍型切板應(yīng)力釋放發(fā)生位移的變形趨勢(shì)，見(jiàn)圖1，該位移變形是導(dǎo)致開(kāi)孔過(guò)程中卡刀的主要原因，見(jiàn)圖2。因此，提前給予鞍型切板以約束，則能有效減少鞍形板切割分離過(guò)程中的變形釋放，降低開(kāi)孔卡刀發(fā)生的幾率。

另外，根據(jù)拱形結(jié)構(gòu)能夠抵抗內(nèi)部向外的推力原理[4]（見(jiàn)圖3），通過(guò)在切板位置預(yù)先騎焊仿拱形的防漲圈裝置或可解決卡刀的問(wèn)題，而具體的結(jié)構(gòu)形式還需要設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 鞍型切板的應(yīng)力釋放有限元位移/mm

圖2 切板對(duì)筒刀的漲卡模擬示意

圖3 拱形結(jié)構(gòu)的抗推力形式示意

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以減小鞍型切板的膨脹變形為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可以預(yù)先焊接于管道上的防漲圈裝置，從而在開(kāi)孔前就鎖住鞍型切板的變形量，最大限度地減小開(kāi)孔時(shí)分離的鞍型切板對(duì)筒狀刀具的漲卡擠壓，實(shí)現(xiàn)正常的開(kāi)孔作業(yè)。

現(xiàn)將防漲圈裝置的整體外形設(shè)計(jì)為“拱形橋”結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），包括兩組平行的強(qiáng)化筋、平行雙拱筋板、斜肋板及中心定位板。平行強(qiáng)化筋由兩個(gè)平行的熱軋角鋼[5]組成，中心定位板內(nèi)圓外方，其兩端與平行強(qiáng)化筋的內(nèi)側(cè)兩邊焊接固定，平行雙拱筋板的下方對(duì)應(yīng)“拱形橋”的拱形結(jié)構(gòu)，其拱形弧度與待開(kāi)孔的管道外徑弧度一致，其側(cè)面上方與平行雙拱筋板的下部?jī)蛇吅附庸潭āＴ摷訌?qiáng)圈裝置還包括兩塊結(jié)構(gòu)相同的斜肋板，斜肋板左右端與平行雙拱筋板的兩個(gè)側(cè)面固定焊接，斜肋板的上端與平行雙拱筋板的端部固定焊接，斜肋板的下端與平行雙拱筋板的兩個(gè)側(cè)面的拱形結(jié)構(gòu)端相切，斜肋板與中心定位板的下平面夾角約為45°。加強(qiáng)圈的整體材料主要是Q345R鋼板，以保證與常用開(kāi)孔焊接管件材質(zhì)相同，在帶壓焊接工藝評(píng)定時(shí)可以通用。

圖4 防漲圈整體結(jié)構(gòu)

防漲圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)筒狀刀具來(lái)確定，以其內(nèi)徑邊沿為基準(zhǔn)，向內(nèi)再縮進(jìn)20mm形成的圓設(shè)定為防漲圈外邊角的外接圓，應(yīng)用時(shí)防漲圈的任何尺寸不會(huì)超出該圓圈，保證了防漲圈不剮蹭筒狀刀具內(nèi)壁，影響開(kāi)孔作業(yè)；防漲圈寬幅可設(shè)計(jì)成介于筒狀刀具內(nèi)徑的1/3～1/2。確定了防漲圈的外沿和寬度后，在投影圖中可自然地生成防漲圈長(zhǎng)度，具體尺寸采用圓整數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5）。

圖5 防漲圈與筒狀刀具的投影尺寸關(guān)系

在應(yīng)用防漲圈裝置時(shí)，先將拱形弧騎跨于未開(kāi)孔的管道上，其各結(jié)構(gòu)尺寸滿足不影響原有開(kāi)孔機(jī)具的作業(yè)，將拱形弧面與管道接觸的部位點(diǎn)焊固定，相當(dāng)于對(duì)預(yù)切割的鞍型切板加了約束筋（見(jiàn)圖6）。開(kāi)孔過(guò)程中受防漲圈裝置的約束，即使切板全部切下來(lái)也不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大變形，乃至于發(fā)生卡刀現(xiàn)象，從而解決管道帶壓開(kāi)孔卡刀的問(wèn)題。此預(yù)期效果需要通過(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用驗(yàn)證。

圖6 防漲圈與筒狀刀具匹配應(yīng)用模擬

1.3 試驗(yàn)

對(duì)準(zhǔn)508～1 219mm、加壓5～12MPa的管道進(jìn)行帶壓開(kāi)孔試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)508～1219mm管道開(kāi)孔用防漲圈統(tǒng)計(jì)

在應(yīng)用了防漲圈的多次開(kāi)孔試驗(yàn)中未出現(xiàn)無(wú)法退刀的致命卡刀現(xiàn)象，防漲圈單體質(zhì)量普遍低于50 kg（只準(zhǔn)1 219mm×26.4mm大口徑、厚壁管道的防漲圈大于50 kg），占開(kāi)孔鞍形板質(zhì)量的25%～50%（只在準(zhǔn)711mm×11.9mm和準(zhǔn)813mm×10.3mm兩種薄壁管道中略超50%）。應(yīng)用了防漲圈的帶壓開(kāi)孔試驗(yàn)，其鞍形板切割整齊（見(jiàn)圖7），開(kāi)孔的筒狀刀具齒體與筒體磨損度均勻，極少出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，綜合效果優(yōu)于未添加防漲圈裝置的開(kāi)孔作業(yè)。

圖7 帶有防漲圈的鞍形切板

2 推廣應(yīng)用

近年來(lái)，中國(guó)石油天然氣管道局維搶修分公司已在大量的帶壓開(kāi)孔過(guò)程中應(yīng)用了防漲圈裝置（近三年累計(jì)應(yīng)用項(xiàng)目超過(guò)150余項(xiàng)），凡是涉及到準(zhǔn)500mm以上的開(kāi)孔項(xiàng)目上都會(huì)用到防漲裝置，成功地避免了油氣管道帶壓開(kāi)孔的卡刀問(wèn)題。尤其在以西氣東輸一、二線為代表的大口徑、高壓力、高鋼級(jí)管道的帶壓開(kāi)孔改造中[8-9]（見(jiàn)圖8），防漲圈是必備的裝置，其對(duì)管道開(kāi)孔的成功起著非常重要的作用。

圖8 防漲圈在西氣東輸一線管道中成功應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)高壓力、大口徑油氣管道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，以及現(xiàn)有油氣管道運(yùn)營(yíng)的時(shí)間不斷增長(zhǎng)，管道改擴(kuò)建等需求不斷增多，與之對(duì)應(yīng)的管道帶壓開(kāi)孔項(xiàng)目也逐年增多，防漲圈的出現(xiàn)及時(shí)解決了帶壓管道開(kāi)孔的卡刀問(wèn)題，提高了管道改造的施工安全性和成功率，是管道開(kāi)孔的一件必備利器。在大量成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，管道徑向開(kāi)孔用防漲卡裝置取得了相關(guān)專利[10]。

3 結(jié)論

針對(duì)帶壓油氣管道開(kāi)孔過(guò)程中的卡刀問(wèn)題，利用預(yù)加約束減少應(yīng)力釋放變形的原理，設(shè)計(jì)了防漲圈裝置，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：

（1） 防漲圈對(duì)于抑制帶壓開(kāi)孔過(guò)程中鞍型切板的變形作用顯著，能夠有效地減少高壓、大口徑管道開(kāi)孔過(guò)程中卡刀現(xiàn)象發(fā)生的幾率。

（2） 加裝防漲圈的開(kāi)孔，其一次開(kāi)孔成功率相比沒(méi)有加裝防漲圈的顯著增大，多數(shù)情況下不需要再進(jìn)行卡刀應(yīng)急處置了。

（3） 防漲圈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，對(duì)開(kāi)孔施工作業(yè)的成本增加較小，而且防漲圈可反復(fù)應(yīng)用，其推廣應(yīng)用價(jià)值顯著。

（4） 此類型防漲圈裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)于完善GB/T 28055-2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》具有很好的借鑒意義。

[1]GB/T28055-2011，鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范[S].

[2]朱榮國(guó)，呂正東，朱崇沈.管道帶壓開(kāi)孔技術(shù)的應(yīng)用注意事項(xiàng)[J].安徽建筑，2014（4）：95-96.

[3]劉勝永，萬(wàn)曉航，董兆偉.切削中殘余應(yīng)力釋放對(duì)工件加工變形的影響[J].煤礦機(jī)械，2007，28（2）：105-107.

[4]干洪，王彥紅.拱的結(jié)構(gòu)分析[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，23（2）：1-6.

[5]GB/T706-2008，熱軋型鋼[S].

[6]GB 713-2008，鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[7]李超.天然氣管道不停輸帶壓改線焊接研究[D].天津：天津大學(xué)，2010：6.

[8]孫進(jìn).西氣東輸最大規(guī)模站場(chǎng)改擴(kuò)建項(xiàng)目完成[N].中國(guó)石油報(bào), 2011-07-06.

[9]洪慧敏.“西二線”昨在蕭山成功“開(kāi)孔”下月起向浙江供氣[N].浙江在線-今日早報(bào)，2012-06-27.

[10]姜修才，肖春輝，任麗芝，等.管道徑向開(kāi)孔用防漲卡裝置：中國(guó)，ZL201420301560.6[P].2014-12-03.

Application of restraining device to solve cutter stuck during hot tapping on in-service pipeline

JIANG Xiucai1，CHEN Shepeng1，YAN Zhiguo2，WANG Jianwei1，LIU Bo1
1.Maintenance and Repair Branch of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065001，China
2.No.3 OilProduction Plant of Daqing Oifield，Daqing 163113，China

In order to solve cutter stuck problem during hot tapping on in-service pipeline，a restraining device is developed based on the theory of internal stress relief distortion and the measure of exerting pre-stiff restraining at the hot tapping place.The restraining device consists of a main arched bridge structure and some stiffened and ribbed slabs.The test and application verify that the restraining device welded at the tapping place before hot tapping can effectively reduce the distortion of the saddle form cut and the risk of occurrence of cutter stuck during the hot tapping.The restraining device is an economical，convenient and effective means to solve tapping cutter stuck problem.

hot tapping；cylindricalcutter；cutter stuck；stress relief；restraining device

姜修才（1983-），男，黑龍江東寧人，工程師，2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道維搶修方面的研究工作。Email：jiang_xiucai@163.com.

2017-02-07

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.015