陳社鵬 管繼東 劉學(xué)彬 姜修才 李奡

中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司

摘要：以海底油氣管道開(kāi)孔項目為對象，研究水下在役油氣管道水平開(kāi)孔工藝。在不影響管道正常運行的前提下，使用自主開(kāi)發(fā)帶有遠程控制系統的水下開(kāi)孔機進(jìn)行開(kāi)孔和安裝塞柄，操控作業(yè)步驟完全在工程船甲板上進(jìn)行。為下一步我國海底管道不停輸開(kāi)孔封堵工藝研究提供了基礎。

關(guān)鍵詞：開(kāi)孔機；導向欄；開(kāi)孔結合器；塞柄；機械三通；水下油氣管道

海底管道易受海水腐蝕、微生物腐蝕、海流海浪沖擊、地震、船錨剮蹭等因素的影響，造成運行能力降低甚至發(fā)生本體失效[1-5]。為了不影響正常輸送，需要在水下管道上安裝專(zhuān)用機械三通，在閥門(mén)和三通組合成的局部密閉空間內對管道進(jìn)行帶壓水平開(kāi)孔和安裝塞柄，實(shí)現不停輸連接新建管線(xiàn)的目的（圖 1）。我國自主開(kāi)發(fā)的海底管道開(kāi)孔機能夠通過(guò)遠程控制系統進(jìn)行海底在役油氣管道水平開(kāi)孔作業(yè)，通過(guò)系統計算與機械數據讀取雙保險，確保了海底管道開(kāi)孔的準確性。

圖 1 水下管道開(kāi)孔原理示意圖

1  開(kāi)孔作業(yè)流程

水下管道開(kāi)孔作業(yè)由兩個(gè)部分同時(shí)配合完成，即遠程操作開(kāi)孔和水下監控開(kāi)孔。開(kāi)孔機的動(dòng)力設備和遠程控制系統均設置在作業(yè)船甲板上，技術(shù)人員在遠程控制終端操作水下開(kāi)孔機實(shí)施開(kāi)孔作業(yè)，由開(kāi)孔總負責執行作業(yè)過(guò)程調控。作業(yè)船上的液壓站通過(guò)臍帶纜為開(kāi)孔機提供動(dòng)力，遠程控制系統通過(guò)電纜采集并輸出信號。

與此同時(shí)，潛水人員潛入水下輔助及監控開(kāi)孔機作業(yè)，潛水監督在潛水控制室通過(guò)實(shí)時(shí)監控系統與潛水員保持溝通并指揮潛水人員作業(yè)。潛水監督與開(kāi)孔總負責實(shí)時(shí)對接并接收作業(yè)指令和發(fā)送作業(yè)指令，同時(shí)監控潛水人員動(dòng)態(tài)。開(kāi)孔作業(yè)流程及管控如圖 2所示。

圖 2 水下管道開(kāi)孔作業(yè)控制過(guò)程

水下開(kāi)孔作業(yè)主要設備設施有開(kāi)孔機、球閥、機械三通、開(kāi)孔結合器、筒刀及中心鉆、塞柄等。

2  作業(yè)關(guān)鍵步驟

（1）開(kāi)孔作業(yè)點(diǎn)選擇。開(kāi)孔作業(yè)點(diǎn)應選擇在直管段上，盡量避開(kāi)管道焊縫處。無(wú)法避開(kāi)時(shí)適量打磨開(kāi)孔刀切削部位的焊縫，中心鉆不能落在焊縫上，測量管線(xiàn)壁厚盡量避開(kāi)腐蝕嚴重的區域。確定開(kāi)孔點(diǎn)位置后清理水泥配重層及防腐層。

（2）設備整體吊裝。將開(kāi)孔機、開(kāi)孔結合器、筒刀及中心鉆組裝后，與球閥、機械三通等整體吊裝在引導框架內，與框架通過(guò)倒鏈柔性連接，下水前需將開(kāi)孔機臍帶纜與開(kāi)孔機連接并固定到框架上一同入水（圖 3）。

圖 3 設備整體吊裝

（3）設備定位安裝。提前做好安裝位置標記，設備整體吊至水下作業(yè)點(diǎn)，安裝海底管道機械三通及閥門(mén)，然后由潛水員輔助安裝開(kāi)孔機整體裝置至機械三通和閥門(mén)上。開(kāi)孔機在水下與球閥連接完成后，需要對三通、閥門(mén)、開(kāi)孔結合器組成的腔體排水。為了保證腔體內的水完全排出，腔體內氮氣壓力應高于施工作業(yè)點(diǎn)水深壓力0.2 MPa～0.3 MPa。此時(shí)關(guān)閉排水閥并持續升壓至管道運行壓力的1.1倍，穩壓時(shí)間不低于1小時(shí)，以驗證腔體連接部位密封良好。

（4）帶壓開(kāi)孔作業(yè) 。啟動(dòng)甲板上的液壓站及相關(guān)設備，通過(guò)遠程控制系統操控開(kāi)孔機作業(yè)，通過(guò)系統終控機實(shí)時(shí)顯示作業(yè)狀態(tài)。下筒刀直至中心鉆尖距離管頂約25.4 mm（1 in）左右。啟動(dòng)開(kāi)孔并實(shí)時(shí)監控鉆孔時(shí)的壓力情況，鉆孔轉速不易過(guò)快，確認中心鉆鉆透管壁后繼續伸軸至筒刀刀尖距管壁25.4 mm（1 in）左右，進(jìn)行切削開(kāi)孔作業(yè)。當開(kāi)孔機切削至預定尺寸后，由專(zhuān)業(yè)人員確認孔是否完全開(kāi)透。開(kāi)孔作業(yè)持續時(shí)間較長(cháng)，潛水員需要分別在中心鉆鉆孔、筒刀切削、切削完成等三個(gè)階段對開(kāi)孔機進(jìn)行水下監控。

（5）拆卸設備。關(guān)閉閥門(mén)，緩慢打開(kāi)開(kāi)孔結合器注氣閥，釋放結合器內壓力至稍高于水深壓力，穩壓1小時(shí)，檢查閥門(mén)關(guān)閉是否嚴密。之后打開(kāi)結合器排水閥，使海水進(jìn)入結合器以排出剩余氣體。潛水員負責在水下拆除開(kāi)孔機與球閥之間的螺栓（注意不能拆除臍帶纜液壓接頭）。拆除過(guò)程中注意開(kāi)孔機與閥門(mén)之間的位置關(guān)系，臍帶纜連同開(kāi)孔機、結合器、筒刀、鞍形板整體吊裝出水。

（6）安裝塞柄。海吊吊起引導框，連同臍帶纜一同入水，潛水員在水下進(jìn)行作業(yè)并將操作情況實(shí)時(shí)傳回甲板潛水控制室。啟動(dòng)開(kāi)孔機進(jìn)給馬達并保持較低速度，主軸帶著(zhù)塞柄進(jìn)給到指定尺寸。伸軸過(guò)程實(shí)時(shí)檢測進(jìn)給馬達壓力，潛水員查看開(kāi)孔機計數器數值并上報確認，旋松機械三通上的六角絲堵將六角板手插入到機械三通卡環(huán)螺孔內，順時(shí)針旋轉已標記圈數，直至所有卡環(huán)螺孔的旋合圈數達到要求后，表示機械三通卡環(huán)機構鎖緊塞柄。由開(kāi)孔機遠程控制系統進(jìn)行卡環(huán)機構驗證。開(kāi)孔機控制臺控制液壓頂桿脫開(kāi)油路，升高壓力至8 MPa～10 MPa，主軸縮軸時(shí)檢查進(jìn)給馬達轉速為1 r/min～2 r/min，觀(guān)察行程回縮200 mm時(shí)說(shuō)明導向欄解脫成功，提高進(jìn)給馬達轉速至8 r/min～10 r/min，最終將主軸收回至0位。潛水員關(guān)閉球閥，完成塞柄安裝作業(yè)（圖 4）。

圖 4 組裝塞柄

（7）開(kāi)孔機吊裝出水。開(kāi)孔機吊裝出水后應立即檢查其整體狀況，并用清水沖洗后拆解。對開(kāi)孔機進(jìn)行全面保養，防止關(guān)鍵部件腐蝕。

3  結語(yǔ)

水下管道水平開(kāi)孔工藝是中國石油管道應急搶險中心積累30多年科研工作和工程施工經(jīng)驗的一次綜合展示。通過(guò)對南海某天然氣海管（管徑 711 mm，壁厚 17.1 mm，材質(zhì)X65直縫管，設計壓力15.5 MPa，運行壓力5.5 MPa）實(shí)施管道嫁接支線(xiàn)（圖 5），實(shí)現了我國自主研發(fā)裝備水下開(kāi)孔工藝零的突破。下一步要在水下復雜環(huán)境下像陸地管道那樣進(jìn)行在役開(kāi)孔封堵，還需要在整個(gè)工藝及設備上進(jìn)行周密設計和技術(shù)創(chuàng )新，從灘海、淺近海、淺海直至深海等四個(gè)階段逐漸發(fā)展升級，以滿(mǎn)足海底管道維搶修作業(yè)需求，保障管道安全運行。

圖 5 施工作業(yè)現場(chǎng)

參考文獻：

[1]張大勇，姚佳林.油氣管道維搶修技術(shù)進(jìn)展[J].化工設計通訊，2018，44(05)：55.

[2]鞠世雄，謝磊，李燦.油氣管道管道搶修技術(shù)[J].化工管理，2013(14)：92.

[3]張仕民，梅旭濤，王國超，李亨濤，王宏生.油氣管道維搶修方法及技術(shù)進(jìn)展[J].油氣儲運，2014，33(11)：1180-1186.

[4]趙華.海底油氣管道泄漏的原因及防范[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2014，34(05)：12-15.

[5]趙華.海底油氣管道的泄漏及預防[J].節能與環(huán)保，2008(12)：31-33.

作者簡(jiǎn)介：陳社鵬，1979年生，碩士研究生，高級工程師，畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工機械專(zhuān)業(yè)，從事油氣管道維搶修技術(shù)及裝備開(kāi)發(fā)工作。聯(lián)系方式：0316-5295990，shepengchen@sina.com。