周順榮，王克克，晏和帥，李 劍，汪 珍，霍士峰

(國家管網(wǎng)集團西南管道有限責任公司 昆明維搶修分公司，云南 昆明 650000)

1 油氣管道開孔簡介

在油氣管道運行過程中，管道腐蝕、地震或滑坡等自然災(zāi)害、第三方破壞等因素均可能影響管道的安全平穩(wěn)運行。由于管內(nèi)輸送的原油、成品油或天然氣均屬于易燃易爆物質(zhì)，及時對存在安全隱患的管段進行維修改造是保障管道安全運行、防止管輸介質(zhì)泄漏，造成環(huán)境污染或燃燒爆炸造成人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要措施。

油氣管道施工中，必須將管內(nèi)介質(zhì)排盡，并經(jīng)氮氣置換后方可對管段實施維修改造。為消除大量排放管內(nèi)介質(zhì)帶來的安全隱患，通常在待維修管段兩側(cè)實施開孔封堵工藝配合施工，以保障管道動火安全(圖1)。油氣管道開孔封堵工藝是在管道無介質(zhì)外泄的狀態(tài)下，通過專用開孔設(shè)備以機械切削方式在管道上加工出圓形孔，然后使用專用封堵設(shè)備從開孔處將封堵裝置送入管道，從而阻斷管道內(nèi)介質(zhì)的流動并實現(xiàn)密封，以配合某一管段的維修改造工作。

圖1 管道封堵工藝示意圖

在管道開孔過程中使用的專用設(shè)備主要包括開孔機、聯(lián)箱、夾板閥、筒刀、中心鉆、三通等。開孔時，在開孔機主軸上組裝有中心鉆和筒刀，中心鉆在開孔時起定位和導向作用，中心鉆上安裝的U形卡環(huán)可在開孔結(jié)束后取出切割下的鞍形板；筒刀帶有多個刀齒，是開孔時用于切割管道的專用刀具，如圖2。

圖2 管道開孔示意圖

2 油氣管道開孔關(guān)鍵要素分析與控制

優(yōu)質(zhì)、高效地完成管道開孔是提高封堵嚴密性并為后續(xù)動火工序爭取時間的關(guān)鍵。在油氣管道開孔過程中，開孔位置選取不當、施工設(shè)備“帶病運行”、設(shè)備組裝精度不高、設(shè)備操作不當?shù)纫蛩鼐赡苡绊懯┕べ|(zhì)量，從而導致開孔刀具損壞、重復開孔、鞍型板掉落、封堵泄漏等事故的發(fā)生。為此，施工中必須細化檢查內(nèi)容、規(guī)范操作流程，以確保施工質(zhì)量，最大限度降低事故發(fā)生率。

2.1 管道開孔作業(yè)點的選取

合理選擇開孔作業(yè)點是有效降低管道開孔卡刀率、防止開孔刀具損傷、提高封堵嚴密性的必要前提。

1)作業(yè)管段的選擇

選擇開孔作業(yè)管段時應(yīng)避開管道應(yīng)力集中區(qū)。作業(yè)點不宜設(shè)置在管道大角度轉(zhuǎn)彎或連續(xù)轉(zhuǎn)彎處，山區(qū)管道應(yīng)避開大落差管段附近，以防止管道開孔時應(yīng)力釋放而導致頻繁卡刀或損傷開孔刀具。由于管道開孔設(shè)備的各法蘭連接面均采用螺栓緊固方式，為便于設(shè)備組裝并保障開孔質(zhì)量，應(yīng)盡量在水平管段處設(shè)置管道開孔點。

2)開孔方式的選擇

為便于施工，在條件允許情況下宜優(yōu)先采用垂直于管道豎直安裝開孔機的方式實施管道開孔作業(yè)。若因作業(yè)空間受限或特殊需求而必須采取水平、傾斜、倒立等方式進行管道開孔時，由于設(shè)備安裝難度較大，組裝精度不易控制且開孔難度較高，為確保施工安全、保障施工質(zhì)量，應(yīng)結(jié)合實際情況細化施工方案并編制專項吊裝方案。

當垂直于管道水平開孔或在傾斜管道上開孔時，為避免開孔刀具重量引起主軸彈性變形最終導致開孔偏斜，應(yīng)在管道開孔中心設(shè)置中心鉆定位塊以確保其定位精度；若需將開孔機與管道置于傾斜狀態(tài)下進行開孔，則應(yīng)選擇專用斜三通和開孔刀具。開孔機在開孔過程中，機械切割時設(shè)備振動較大，法蘭連接位置的螺栓承受較大的剪切應(yīng)力，為保障作業(yè)安全，應(yīng)對開孔設(shè)備進行穩(wěn)定支撐。

3)開孔位置的選擇

為保障開孔封堵質(zhì)量，管道開孔處應(yīng)為直管段且不應(yīng)有凸起、凹陷等缺陷，開孔位置管段橢圓度誤差不應(yīng)大于管外徑的1%且最大不超過 3 mm，以避免開孔時損傷刀具或影響封堵嚴密性。由于管道原焊道及熱影響區(qū)硬度相較母材要高，在選擇三通安裝位置時應(yīng)保證中心鉆和筒刀切削位置避開原管道本體焊道或?qū)诤傅?，以降低卡刀率；同時，中心鉆切割圓弧焊道還可能導致其定位偏斜，繼而出現(xiàn)筒刀切割三通內(nèi)壁或開孔不正等情況，最終可能導致開孔失敗或影響封堵質(zhì)量。

2.2 施工設(shè)備的檢查

施工設(shè)備性能良好，避免設(shè)備“帶病運行”是開孔作業(yè)順利實施的必要保障，作業(yè)前期應(yīng)對設(shè)備進行試運轉(zhuǎn)，確認性能滿足需求后再投用。

1)液壓動力站

在油氣管道施工中，由于管輸介質(zhì)均具有易燃易爆性，其作業(yè)設(shè)備通常匹配液壓動力系統(tǒng)。若使用電驅(qū)液壓動力站時，需確保發(fā)電設(shè)備可提供穩(wěn)定電壓。若發(fā)電設(shè)備運轉(zhuǎn)過程中電壓不穩(wěn)將直接造成液壓系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)或液壓動力不足，從而影響開孔設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。在施工前還需根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境選擇對應(yīng)標號的燃油和液壓油，油品加注時避免雜質(zhì)污染或混水乳化；若液壓油混入雜質(zhì)則易造成液壓閥組堵塞失靈，乳化后的液壓油將可能影響液壓動力。

液壓油在較大溫差條件下，其黏度特征會發(fā)生一定變化。在低溫環(huán)境下，液壓油黏度變大，油泵自吸能力下降、液壓系統(tǒng)壓力損失增加，高黏度下還可能造成液壓系統(tǒng)不能正常啟動或無法正常工作。此時，應(yīng)采取適當?shù)脑鰷卮胧簤合到y(tǒng)啟動后應(yīng)延長預(yù)熱時間，待系統(tǒng)油溫回升后再進行開孔作業(yè)。而在高溫環(huán)境時，液壓油的黏度降低，液壓系統(tǒng)效率下降，則易導致液壓系統(tǒng)動力不足。在高溫環(huán)境下長時間進行開孔作業(yè)時，液壓站宜增設(shè)液壓油冷卻系統(tǒng)；短期、臨時性作業(yè)時可將液壓站放置在通風處運行或采取強制通風措施，液壓管應(yīng)分散擺放并可在外部輔助冷卻，以防止液壓系統(tǒng)過熱。

2)開孔機及開孔配件

開孔機是管道開孔的主要設(shè)備。開孔機通過液壓系統(tǒng)提供動力，經(jīng)蝸桿蝸輪減速后帶動機體內(nèi)驅(qū)動套筒旋轉(zhuǎn)，并將動力傳遞給主軸從而帶動主軸旋轉(zhuǎn)；同時通過差動機構(gòu)實現(xiàn)主軸與絲杠的差動進給，即開孔機主軸每旋轉(zhuǎn)一圈可自動進給一定距離。開孔機主軸的旋轉(zhuǎn)帶動刀具切割管壁，主軸的進給為刀具提供切削進給量，從而配合完成管道開孔作業(yè)。

開孔機在使用前應(yīng)檢查主軸跳動量以確定主軸有無變形或變形量是否在設(shè)計要求范圍內(nèi)；拆卸檢查機體端部支撐銅套有無過度磨損并試運轉(zhuǎn)檢查開孔機主軸回轉(zhuǎn)精度。開孔機主軸端部設(shè)置的驅(qū)動環(huán)是傳遞扭矩的主要部件，驅(qū)動環(huán)不應(yīng)有變形、裂紋等缺陷且鎖緊螺釘應(yīng)緊固到位。連接主軸和開孔刀具的結(jié)合器應(yīng)能保證穩(wěn)定連接，開孔所用刀具包括筒刀和中心鉆，選取刀具時刀齒應(yīng)完好無損傷且不可存在虛焊等缺陷，可拆卸式中心鉆刀片的鎖緊螺栓應(yīng)緊固無松動，懸掛鞍型板的U形環(huán)應(yīng)靈活可靠。

管道開孔刀具的規(guī)格應(yīng)根據(jù)管徑、壁厚等參數(shù)選擇。一般情況下，封堵孔所用筒刀外徑宜等于管道內(nèi)徑，筒刀深度應(yīng)滿足切削弦高需求。封堵孔所用中心鉆長度應(yīng)確保鉆尾完全進入管道內(nèi)壁并為筒刀預(yù)留 10 mm 左右的運動空間，選擇中心鉆時應(yīng)根據(jù)掉板弦高預(yù)測鞍型板懸掛位置，避免鞍型板掉落時長距離運動剪切U形環(huán)或鞍型板掉落后外露筒刀過長而影響筒刀切削。筒刀和中心鉆排屑槽高度應(yīng)大于管壁厚度的2倍，以利于排出切割下的鐵屑；中心鉆螺紋連接部位的尼龍棒在每次使用后都應(yīng)重新更換，以防止中心鉆在切割過程中松動。

2.3 開孔設(shè)備的組裝

嚴格控制開孔設(shè)備組裝精度，將誤差值控制在允許范圍內(nèi)并盡量縮小偏差是確保安全、高效完成開孔作業(yè)的基礎(chǔ)。

1)三通組對安裝精度

三通是管道開孔的平臺，將通過焊接方式固定于管道上。組對三通時，三通法蘭在管道軸線的垂直方向應(yīng)保持水平且法蘭與管道的平行度誤差不應(yīng)大于 1 mm，三通法蘭中軸線與管道軸線間距不應(yīng)大于 1.5 mm，以將開孔中心置于管道軸線正上方且垂直于管道軸線進行開孔作業(yè)，確保在執(zhí)行封堵操作時封堵頭導向輪處于管底中心直線行走。調(diào)整三通組對間隙時，不可使用焊條等堅硬材料在三通內(nèi)腔撐墊，以防止開孔時損傷刀具。在三通焊接前應(yīng)嚴格復測組對安裝精度，確認符合要求后再施焊，三通焊接時應(yīng)嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程相關(guān)要求，確保焊接質(zhì)量。

在管道開孔直徑大于DN500時，需在管外壁焊接防脹圈配合開孔，以防止筒刀切割時鞍型板因應(yīng)力釋放而擴張導致卡刀。防脹圈的高度應(yīng)滿足掉板前筒刀切割需求，避免防脹圈剪切刀具結(jié)合器的連接螺栓，防脹圈應(yīng)調(diào)整至與三通內(nèi)腔同心后再焊接。當開孔直徑為DN900及以上的垂直開孔、DN700及以上的大行程垂直開孔、DN500及以上水平和傾斜開孔時，應(yīng)設(shè)置與中心鉆相匹配的定位塊，定位塊應(yīng)調(diào)整至與三通內(nèi)腔同心后再焊接。

2)夾板閥安裝精度

夾板閥安裝時閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)下吊裝，以保持閥門重心平衡；閥門吊裝至三通正上方后，應(yīng)將閥門法蘭調(diào)整至與三通法蘭平行后緩慢安裝，避免損傷連接螺紋。在傾斜管道上安裝閥門或開孔設(shè)備時，均需要使用手拉葫蘆配合調(diào)整角度。閥門安裝后閥腔與三通內(nèi)腔的同心度誤差應(yīng)小于 1 mm，并將法蘭的圓周間隙調(diào)整均勻后按照“米”字型對稱緊固連接螺栓，螺栓緊固時建議使用扭矩扳手或液壓扳手定力矩緊固。

3)開孔機和刀具組裝精度

組裝開孔機與開孔聯(lián)箱時應(yīng)優(yōu)先采取豎直組裝方式。連接開孔機主軸與筒刀的刀具結(jié)合器在安裝后不應(yīng)有任何松動，安裝定位銷后應(yīng)再次緊固標尺桿鎖緊刀具結(jié)合器。固定筒刀的螺栓應(yīng)配合使用彈簧墊圈和防松螺母，以防止開孔振動造成螺栓松動。組裝后的筒刀與聯(lián)箱內(nèi)孔的同軸度誤差應(yīng)控制在 1 mm 以內(nèi)，以防止筒刀長距離伸出后與中心線偏移量過大而切割三通內(nèi)腔。

在長距離懸空管道上開孔時，應(yīng)在管道下方設(shè)置多點穩(wěn)定支撐，防止開孔時振動過大導致卡刀。使用大型開孔設(shè)備時可在三通底部設(shè)置硬化支撐，以減輕管道承受的壓力。

2.4 管道開孔操作

管道開孔過程中，應(yīng)重點關(guān)注開孔參數(shù)的調(diào)節(jié)和啟停機的控制。開孔時應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)、開孔參數(shù)以及不同開孔階段合理設(shè)定液壓系統(tǒng)的壓力、流量等參數(shù)值。一般在中心鉆開孔初段、筒刀切割初段應(yīng)保持低轉(zhuǎn)速開孔，防止開孔刀具未完全定位時高速切削損傷刀齒；筒刀切割至接近掉板及后續(xù)的清根階段時，筒刀切削量較大且中心鉆已失去定位功能，應(yīng)適當降低開孔轉(zhuǎn)速。在調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)流量時，宜采用容積式控制方式調(diào)整系統(tǒng)流量，若長時間采用節(jié)流式控制方式，易造成液壓系統(tǒng)油溫升高而影響液壓動力。開孔過程中如需調(diào)整液壓系統(tǒng)的流量、壓力等參數(shù)，應(yīng)將開孔機置于停機狀態(tài)下操作。

筒刀切割過程中，管道應(yīng)力釋放擠壓筒刀、液壓系統(tǒng)動力不足、筒刀刀齒損傷、開孔轉(zhuǎn)速調(diào)整不當?shù)纫蛩鼐赡軐е隆翱ǖ丁?。如遇卡刀?yīng)立即停機，上提主軸5～10 mm 掛擋繼續(xù)開孔；若開孔時頻繁卡刀則應(yīng)檢查液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定是否合理、液壓系統(tǒng)運行是否正常，同時可通過筒刀切削聲音輔助判斷刀齒情況。如果在同一位置多次卡刀而無法繼續(xù)開孔，此時筒刀刀齒可能已嚴重損傷，需考慮更換刀具繼續(xù)開孔。在開孔機長時間工作時，每開孔2～3 h 應(yīng)停機緊固標尺桿，防止開孔振動導致刀具結(jié)合器松動。開孔機在開孔時的每次停機都應(yīng)執(zhí)行卡刀操作程序。

2.5 大管徑、厚壁管道開孔

在DN900及以上的大管徑、厚壁管道上開孔時，應(yīng)重點關(guān)注開孔刀具排屑槽高度是否滿足需求，避免開孔過程中排屑不暢造成卡刀或刀具損壞。由于大管徑開孔必然造成開孔機主軸行程較長，為提高開孔精度，需在管外壁設(shè)置中心鉆定位塊，避免開孔偏斜而影響管道封堵操作。在選擇中心鉆前應(yīng)計算掉板弦高，盡量縮短掉板時鞍型板與中心鉆U型卡環(huán)的距離，防止鞍型板和防脹圈掉落瞬間產(chǎn)生的沖擊力切斷U型卡環(huán)。

3 結(jié)語

隨著管道開孔封堵技術(shù)的日趨成熟，該項技術(shù)已在世界各地的油氣管道維修改造和搶險工作中得到廣泛應(yīng)用。在當前社會經(jīng)濟高速發(fā)展的大背景下，油氣資源需求量不斷攀升，在役油氣管道普遍處于高壓持續(xù)輸送狀態(tài)。在規(guī)定時間內(nèi)高質(zhì)量完成隱患管段的維修改造是保障管道安全運行和油氣資源穩(wěn)定供應(yīng)的關(guān)鍵。

管道開孔是油氣管道維搶修中的一項關(guān)鍵工序，是提高封堵嚴密性、保障動火安全的基礎(chǔ)。而開孔過程中面臨著頻繁卡刀影響施工進度、開孔刀具損壞導致開孔失敗、鞍型板掉落造成施工事故、開孔質(zhì)量不高而影響封堵嚴密性等諸多困難。為此，必須嚴格把控作業(yè)點選取、設(shè)備投用前檢查、設(shè)備組裝精度控制及現(xiàn)場操作等各階段中的關(guān)鍵要素，對施工中的關(guān)鍵工序設(shè)立復核確認制度，以確保管道開孔質(zhì)量，提高油氣管道維搶修效率，保障能源動脈的安全、平穩(wěn)運行。