曹邏煒 張 碩 邵珊珊 李光海

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)

（2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（特種設(shè)備安全與節(jié)能） 北京 101313)

壓力管道包括長(zhǎng)輸管道、工業(yè)管道和公用管道。截至2021年底，全國(guó)在冊(cè)壓力管道75.75萬(wàn)km[1]，關(guān)系著國(guó)家的能源輸送安全、化工園區(qū)安全和城市安全[2-4]。

長(zhǎng)輸管道在服役過(guò)程中會(huì)因?yàn)閮?nèi)外腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害、第三方盜油等一系列內(nèi)外因素導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的完整性受到破壞，造成管道破壞和油氣泄漏事故[5，6]，如“11·22”青島輸油管道爆炸（2013年，62人死亡，136人受傷）；工業(yè)管道和公用管道往往存在超溫超壓、腐蝕穿孔、環(huán)境開(kāi)裂、介質(zhì)燃爆和施工不當(dāng)?shù)任ｋU(xiǎn)，造成火災(zāi)、爆炸等事故[6]，如“6·13”湖北十堰燃?xì)獗ㄊ鹿剩?021年，26人死亡，138人受傷）。為保障壓力管道的持續(xù)安全運(yùn)行，同時(shí)也避免帶來(lái)更大的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，對(duì)損壞和泄漏管段進(jìn)行堵漏和維搶修等應(yīng)急處置至關(guān)重要。

壓力管道泄漏事故應(yīng)急維搶修主要包括開(kāi)孔封堵、卡／夾具堵漏、套筒、管道焊接、纖維復(fù)合材料修復(fù)等技術(shù)裝備[2，7，8]，但不同管道場(chǎng)景對(duì)技術(shù)裝備的要求各不相同。

1 帶壓堵漏技術(shù)

帶壓堵漏技術(shù)即在線密封，是在不改變泄漏介質(zhì)流量、壓力、溫度的條件下，對(duì)泄漏缺陷部位進(jìn)行的再密封作業(yè)[3]。帶壓堵漏技術(shù)的發(fā)展，得益于對(duì)封堵介質(zhì)特性的不斷研究、堵漏夾具的更新優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型密封材料的不斷開(kāi)發(fā)和機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展。新研發(fā)的夾具、密封材料、堵漏和修復(fù)裝備，不僅能承受更加苛刻的泄漏條件，更是逐漸形成了適應(yīng)管道不停輸、非開(kāi)挖甚至是特殊環(huán)境管道的帶壓堵漏與修復(fù)技術(shù)與裝備。

2 管道不停輸帶壓堵漏與修復(fù)裝備

管道不停輸帶壓堵漏與修復(fù)技術(shù)裝備除卡／夾具和套筒外，主要包括不停輸帶壓開(kāi)孔封堵裝備、管道在役焊接修復(fù)系統(tǒng)、管道內(nèi)襯修復(fù)裝備和管內(nèi)高壓智能封堵器等[9-15]。

2.1 不停輸帶壓開(kāi)孔封堵裝備

管道的不停輸帶壓開(kāi)孔封堵是指在需要維修的管道段邊上搭建一段臨時(shí)輸送管道，保證在維修過(guò)程中不會(huì)對(duì)油氣輸運(yùn)造成任何阻礙。管道不停輸帶壓開(kāi)孔封堵的主要裝備包括開(kāi)孔機(jī)、封堵器、切割機(jī)和焊接設(shè)備等[8]。

1）開(kāi)孔機(jī)[8，16]。壓力管道的封堵、換管、修復(fù)等作業(yè)，經(jīng)常需要對(duì)管道進(jìn)行在線帶壓開(kāi)孔（見(jiàn)圖1）。目前，國(guó)內(nèi)外研制出了大量可用于陸上管道的開(kāi)孔機(jī)，如液壓開(kāi)孔機(jī)最大可適應(yīng)1 422 mm口徑，而大口徑陸上管道高壓開(kāi)孔機(jī)最大適應(yīng)1 524 mm口徑，美國(guó)TDW公司設(shè)計(jì)制造了一系列用于壓力管道的帶壓開(kāi)孔設(shè)備，最大工作壓力10.2 MPa，開(kāi)孔范圍76.2～1 520 mm，壓力下操作溫度范圍-29～371℃。另外，我國(guó)在海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的研發(fā)，也取得了一定突破，如中海油的水下干式管道維修系統(tǒng)中的海底管道開(kāi)孔機(jī)打破了國(guó)際壟斷。這些先進(jìn)的開(kāi)孔機(jī)，在不停輸帶壓開(kāi)孔封堵、懸掛式封堵等作業(yè)中發(fā)揮重要作用。

圖1 水平開(kāi)孔機(jī)示意圖

2）封堵器[8，14，17-19]。20世紀(jì)80年代研發(fā)的擋板 -囊式管道封堵器，完全阻斷了壓力介質(zhì)的流動(dòng)，雖然實(shí)現(xiàn)了管道封堵，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)不停輸?shù)哪繕?biāo)。懸掛式封堵器（盤式封堵器，見(jiàn)圖2）的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了管道的不停輸封堵，如液動(dòng)盤式封堵器由封堵液壓缸、連接套筒、堵頭總承、密封皮碗等部件組成，可通過(guò)配合四點(diǎn)不停輸開(kāi)孔封堵技術(shù)完成管道封堵。但管道的橢圓度、結(jié)垢等都會(huì)對(duì)懸掛式封堵器的封堵效果造成較大影響，四點(diǎn)開(kāi)孔還會(huì)影響管道氣昂度。球狀雙封封堵器的研發(fā)，有效避免了開(kāi)孔刀的損壞及螺旋焊縫、管道橢圓度對(duì)封堵效果的影響。而美國(guó)STOPPLE Train封堵系統(tǒng)作為一種鏈?zhǔn)椒舛缕?，具備雙密封功能，只需進(jìn)行2次開(kāi)孔作業(yè)，部分克服了傳統(tǒng)四點(diǎn)開(kāi)孔技術(shù)的缺點(diǎn)。

圖2 懸掛式封堵器

3）切割機(jī)[8，20-23]。目前施工中有軌道式手搖式、磁力式、鏈條式和定位塊式管道切割機(jī)，而在長(zhǎng)輸管道野外切割施工時(shí)，以軌道式和鏈條式鋼管切割機(jī)應(yīng)用最為普遍。管道維搶修過(guò)程中，大口徑管線切割后需要對(duì)斷口進(jìn)行修口，常用切管設(shè)備包括切割坡口機(jī)（又稱分瓣式切割機(jī)，見(jiàn)圖3）和爬管式切割坡口機(jī)。

圖3 常用切管設(shè)備

2.2 管道在役焊接修復(fù)系統(tǒng)

長(zhǎng)輸油氣管道不斷向高鋼級(jí)、大口徑和高壓力方向發(fā)展，在役焊接管件的口徑和壁厚也不斷增大，維修焊接工作量急劇增大。采用手工電弧焊速度慢、焊接時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約施工效率和焊接質(zhì)量。管道在役自動(dòng)焊接系統(tǒng)是管道泄漏搶修的重要焊接修復(fù)裝備，具有修復(fù)時(shí)間短、速度快、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，一般適用于大口徑油氣管道的焊接修復(fù)（見(jiàn)圖4）。

圖4 管道在役焊接修復(fù)系統(tǒng)

油氣管道在役自動(dòng)焊接系統(tǒng)[8，15，24-26]主要包括焊接小車、控制系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)、電源、編碼器、軌道等。鑒于油氣管道的維搶修作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，高溫、高寒、高濕等惡劣環(huán)境要求自動(dòng)焊接系統(tǒng)具備輕便、快捷和可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。另外，管道焊接修復(fù)經(jīng)常需要管端坡口整形機(jī)與外自動(dòng)焊機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)管道自動(dòng)焊大流水高效修復(fù)作業(yè)。

2.3 管道內(nèi)襯修復(fù)裝備

利用內(nèi)襯材料進(jìn)行管道修復(fù)不破壞管道，可實(shí)現(xiàn)非開(kāi)挖作業(yè)（見(jiàn)圖5）。丹麥BJK Trading公司研發(fā)了Beaver局部維修設(shè)備，通過(guò)蒸汽壓力使得環(huán)氧樹(shù)脂+玻璃纖維內(nèi)襯層膨脹后與管內(nèi)壁緊貼，實(shí)現(xiàn)了管道破裂、錯(cuò)位和接頭開(kāi)縫以及支管損傷的快速維修[27]；英國(guó)PMP公司開(kāi)發(fā)的AMEX-10管道維修設(shè)備，由1個(gè)低輪廓橡膠密封圈和1對(duì)可膨脹的不銹鋼支撐環(huán)組成，通過(guò)水壓使得不銹鋼圈楔入橡膠密封圈形成永久性機(jī)械密封，適用于內(nèi)壓≤2MPa的壓力管道接頭和管道周向裂紋的非開(kāi)挖修復(fù)[28]。

圖5 利用內(nèi)襯材料進(jìn)行管道修復(fù)示意圖

2.4 管內(nèi)高壓智能封堵器

管內(nèi)高壓智能封堵器是管內(nèi)高壓智能封堵技術(shù)的核心裝備，主要由封堵機(jī)械結(jié)構(gòu)、微型液壓系統(tǒng)、通信與控制系統(tǒng)、應(yīng)急處理系統(tǒng)等組成，優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)時(shí)間短、無(wú)附加裝置、次生隱患小[29]。

1）國(guó)外智能封堵器[10，13，29]。全球管內(nèi)智能封堵器主要由美國(guó)、挪威和英國(guó)研發(fā)（見(jiàn)圖6）。美國(guó)TDW公司開(kāi)發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控定點(diǎn)封堵的Smart PlugTM系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要降低管道壓力或放空整個(gè)管道，另外一個(gè)遙控式封堵隔離系統(tǒng)由挪威PSI公司研制（已被TWD公司收購(gòu)）。Anus George Bowie發(fā)明了一種由牽引模塊、封堵模塊和拖船模塊組成的管內(nèi)封堵器，由管內(nèi)介質(zhì)壓差提供封堵動(dòng)力。英國(guó)STATS公司研發(fā)了雙向清管式封堵器Remote Tecno PlugTM，微型液壓系統(tǒng)為封堵工具提供所需的驅(qū)動(dòng)和控制動(dòng)力，最高封堵壓力可達(dá)20 MPa。

圖6 國(guó)外智能封堵系統(tǒng)

2）國(guó)內(nèi)智能封堵器。國(guó)內(nèi)的管內(nèi)智能封堵器研發(fā)才剛剛起步。張仕民等[13，29]從理論和試驗(yàn)2方面研究了管內(nèi)智能封堵器的結(jié)構(gòu)、錨定性能仿真和密封性能，搭建了管內(nèi)智能封堵與解堵的試驗(yàn)平臺(tái)；陳奕龍[29]研究了管內(nèi)智能封堵器的雙向通信系統(tǒng)，發(fā)明了一種管內(nèi)氣動(dòng)智能封堵器。

3 特殊環(huán)境管道維搶修技術(shù)裝備

高寒地區(qū)、海底、江河、沙漠、沼澤、生態(tài)保護(hù)區(qū)等特殊環(huán)境下的綜合維搶修，對(duì)技術(shù)裝備的要求極高。

3.1 海底管道維搶修裝備

海底管道常年承受腐蝕、波流沖刷、海床運(yùn)動(dòng)、臺(tái)風(fēng)甚至第三方破壞，容易造成海底管道局部失效。海管一旦失效，會(huì)造成巨大的油氣田停產(chǎn)和運(yùn)輸中斷等巨量經(jīng)濟(jì)損失和海洋污染，需及時(shí)修復(fù)。海底管道的維搶修一般分為水上維搶修、水下干式維搶修和水下濕式維搶修3種。其中，水下維搶修技術(shù)及裝備前景更好，主要包括海底挖掘機(jī)、高壓清洗機(jī)、水下海管切割裝備、水下開(kāi)孔機(jī)、焊接機(jī)器人、水下封堵器等。

1）海底管道搶修夾具[2，8，10，30]。海底管道搶修夾具國(guó)內(nèi)外研發(fā)比較成熟，主要用于海底管道和立管的維搶修（見(jiàn)圖7）。Furmanite公司對(duì)開(kāi)套管維修夾具廣泛應(yīng)用于在役管道泄漏修復(fù)和管體損傷維修；美國(guó)TDW公司研發(fā)的海底管道耦合式修復(fù)夾具采用單圈密封條密封，用于海底管道泄漏的永久性修復(fù)，適用范圍為工作壓力≤13.8 MPa和管徑≤1 219 mm；STATS公司的搶修夾具擁有雙密封條結(jié)構(gòu)，對(duì)維修管段形成軸向壓力密封，適用范圍為工作壓力≤30 MPa和管徑114～1 168 mm；Shidarian公司研發(fā)了Pipefit海底油氣管道維修夾具；Subsea Innovation公司設(shè)計(jì)制造的DNV-RP-113全自動(dòng)化深水管道夾具，可用于1 850 m深水作業(yè)；此外，TDW公司還開(kāi)發(fā)了一種海底管道卡具安裝裝備，能夠遠(yuǎn)程操控海底管道防泄漏卡具及其配件的安裝。

圖7 海底管道搶修夾具

2）深水管道應(yīng)急響應(yīng)維修系統(tǒng)[2，8，31，32]。國(guó)外油氣田及相關(guān)工程公司已建立深水管道應(yīng)急響應(yīng)維修系統(tǒng)，如挪威Statoil公司建立的RPRS、英國(guó)STATS公司的應(yīng)急管道維修系統(tǒng)、美國(guó)Oceaneering公司垂直連接和水平連接深水海管維修作業(yè)系統(tǒng)、意大利Saipem公司開(kāi)發(fā)的SiRCoS系統(tǒng)，這些深水管道應(yīng)急響應(yīng)維修系統(tǒng)已分別在相關(guān)海域獲得應(yīng)用。以STATS為例，其研發(fā)的應(yīng)急管道維修系統(tǒng)包括非侵入式內(nèi)部封堵器Tecno Plug、臨時(shí)管線封堵器BISEP、帶壓開(kāi)孔機(jī)Suretap、帶壓開(kāi)孔機(jī)配件、機(jī)械連接器、結(jié)構(gòu)修理夾等全套裝備。目前，我國(guó)已成功研制了高壓干式艙、金剛石繩鋸機(jī)、管道對(duì)口器、冷切割坡口機(jī)、水下開(kāi)孔封堵器、管端清理機(jī)具以及高壓焊機(jī)等新型技術(shù)裝備，基本具備了海面下300 m內(nèi)管道的自動(dòng)開(kāi)孔、封堵和焊接能力。

3）海底管道水下焊接系統(tǒng)[31，33，34]。挪威 Statoil研發(fā)了海底遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)，無(wú)須潛水員作業(yè)并準(zhǔn)備管件實(shí)現(xiàn)帶壓焊接（如圖8所示）；法國(guó)Saturnax研發(fā)了Saturnax Bug雙炬管道全位置自動(dòng)焊機(jī)，可用于海底管道的焊接作業(yè)；挪威的PRS系統(tǒng)TIG焊設(shè)計(jì)目標(biāo)是1 000 m水深，完成20多次維搶修任務(wù)，連續(xù)海底最長(zhǎng)工作4周；英國(guó)Cranfield已實(shí)現(xiàn)25 MPa高壓下的MIG焊接。國(guó)內(nèi)焦向東等人研發(fā)的遙操作干式高壓海底管道維修焊接機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)不同水深的海底管道高壓焊接維修。

圖8 挪威Statoil海底遠(yuǎn)程焊接系統(tǒng)操作步驟及對(duì)應(yīng)裝備

3.2 高寒區(qū)、山區(qū)跨越段和沼澤地等管道維搶修裝備

壓力管道可能需要穿越高寒區(qū)、山區(qū)和沼澤地，其維搶修裝備進(jìn)場(chǎng)前往往需要通過(guò)輔助裝備掃除維搶修障礙（見(jiàn)圖9）。

圖9 高寒區(qū)、山區(qū)跨越段和沼澤地等管道維搶修輔助裝備

針對(duì)高寒區(qū)，壓力管道在低溫下斷裂韌性大幅下降，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高。高寒區(qū)管道（如中俄東線管道）冬季平均溫度低于-30 ℃，常規(guī)管道維搶修裝備無(wú)法正常工作，通常需要配備履帶挖掘機(jī)、割冰機(jī)、水力沖擊機(jī)、吸泥器、水力噴射器等裝備進(jìn)行輔佐作業(yè)[35-37]。

山區(qū)跨越段管道維搶修的難點(diǎn)在于所需裝備的運(yùn)送問(wèn)題，當(dāng)前主要依賴于山區(qū)吊運(yùn)技術(shù)裝備，一般為桅桿式起吊裝備。但也有利用纜索系統(tǒng)進(jìn)行裝備運(yùn)送，如石蕾[38]就針對(duì)山區(qū)跨越段管道維搶修研發(fā)了一種拆裝模塊化纜索運(yùn)輸系統(tǒng)。

針對(duì)沼澤地等特殊環(huán)境的管道維搶修作業(yè)，主要考慮進(jìn)場(chǎng)路鋪設(shè)、構(gòu)筑修理平臺(tái)、開(kāi)挖作業(yè)坑、溢油控制回收等各方面因素[39]，保障吊車、挖掘機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，如中俄管道就配備了俄羅斯的沼澤地專用拼裝路面設(shè)備。

4 結(jié)論與展望

1）壓力管道堵漏和修復(fù)技術(shù)裝備迫切需要加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化。國(guó)內(nèi)壓力管道泄漏事故應(yīng)急處置技術(shù)逐漸成熟，各油氣田、石化公司及工程公司也逐漸建立起壓力管道堵漏和修復(fù)的技術(shù)與裝備能力，但相關(guān)技術(shù)與裝備的標(biāo)準(zhǔn)化國(guó)內(nèi)相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)尚缺乏壓力管道泄漏事故應(yīng)急處置裝備的系列國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2）壓力管道維修機(jī)器人帶動(dòng)帶壓堵漏的自動(dòng)化和智能化。管道維修大多為帶壓狀態(tài)，管道內(nèi)介質(zhì)多為液態(tài)或氣態(tài)的油氣或其他?；橘|(zhì)，目前管道帶壓堵漏裝備盡管自動(dòng)化程度大大提升，但仍需人工現(xiàn)場(chǎng)操作。國(guó)發(fā)〔2016〕68號(hào)文已經(jīng)取消了帶溫帶壓堵漏工的資格認(rèn)證，管道內(nèi)部或外部帶壓堵漏維修機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用，將進(jìn)一步替代該資格認(rèn)證取消帶來(lái)的工作缺口，提升帶壓堵漏高質(zhì)量發(fā)展并減少維搶修過(guò)程中的事故人員傷害。

3）壓力管道泄漏應(yīng)急處置裝備趨向模塊化和集成化。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道大多處于野外，甚至跨越河流、山區(qū)、沼澤、高寒區(qū)，路況復(fù)雜，且用于管道泄漏維搶修裝備及其附屬工具往往多達(dá)二十幾套，加之雨雪、泥濘等環(huán)境，促使壓力管道泄漏維搶修裝備趨向模塊化和集成化，形成多臺(tái)套設(shè)備組合的集裝車。