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

關鍵詞：開孔機；導向欄；開孔結(jié)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用機械三通，在閥門和三通組合成的局部密閉空間內(nèi)對管道進行帶壓水平開孔和安裝塞柄，實現(xiàn)不停輸連接新建管線的目的（圖 1）。我國自主開發(fā)的海底管道開孔機能夠通過遠程控制系統(tǒng)進行海底在役油氣管道水平開孔作業(yè)，通過系統(tǒng)計算與機械數(shù)據(jù)讀取雙保險，確保了海底管道開孔的準確性。

圖 1 水下管道開孔原理示意圖

1  開孔作業(yè)流程

水下管道開孔作業(yè)由兩個部分同時配合完成，即遠程操作開孔和水下監(jiān)控開孔。開孔機的動力設備和遠程控制系統(tǒng)均設置在作業(yè)船甲板上，技術人員在遠程控制終端操作水下開孔機實施開孔作業(yè)，由開孔總負責執(zhí)行作業(yè)過程調(diào)控。作業(yè)船上的液壓站通過臍帶纜為開孔機提供動力，遠程控制系統(tǒng)通過電纜采集并輸出信號。

與此同時，潛水人員潛入水下輔助及監(jiān)控開孔機作業(yè)，潛水監(jiān)督在潛水控制室通過實時監(jiān)控系統(tǒng)與潛水員保持溝通并指揮潛水人員作業(yè)。潛水監(jiān)督與開孔總負責實時對接并接收作業(yè)指令和發(fā)送作業(yè)指令，同時監(jiān)控潛水人員動態(tài)。開孔作業(yè)流程及管控如圖 2所示。

圖 2 水下管道開孔作業(yè)控制過程

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

2  作業(yè)關鍵步驟

（1）開孔作業(yè)點選擇。開孔作業(yè)點應選擇在直管段上，盡量避開管道焊縫處。無法避開時適量打磨開孔刀切削部位的焊縫，中心鉆不能落在焊縫上，測量管線壁厚盡量避開腐蝕嚴重的區(qū)域。確定開孔點位置后清理水泥配重層及防腐層。

（2）設備整體吊裝。將開孔機、開孔結(jié)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(nèi)，與框架通過倒鏈柔性連接，下水前需將開孔機臍帶纜與開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，安裝海底管道機械三通及閥門，然后由潛水員輔助安裝開孔機整體裝置至機械三通和閥門上。開孔機在水下與球閥連接完成后，需要對三通、閥門、開孔結(jié)合器組成的腔體排水。為了保證腔體內(nèi)的水完全排出，腔體內(nèi)氮氣壓力應高于施工作業(yè)點水深壓力0.2 MPa～0.3 MPa。此時關閉排水閥并持續(xù)升壓至管道運行壓力的1.1倍，穩(wěn)壓時間不低于1小時，以驗證腔體連接部位密封良好。

（4）帶壓開孔作業(yè) 。啟動甲板上的液壓站及相關設備，通過遠程控制系統(tǒng)操控開孔機作業(yè)，通過系統(tǒng)終控機實時顯示作業(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。啟動開孔并實時監(jiān)控鉆孔時的壓力情況，鉆孔轉(zhuǎn)速不易過快，確認中心鉆鉆透管壁后繼續(xù)伸軸至筒刀刀尖距管壁25.4 mm（1 in）左右，進行切削開孔作業(yè)。當開孔機切削至預定尺寸后，由專業(yè)人員確認孔是否完全開透。開孔作業(yè)持續(xù)時間較長，潛水員需要分別在中心鉆鉆孔、筒刀切削、切削完成等三個階段對開孔機進行水下監(jiān)控。

（5）拆卸設備。關閉閥門，緩慢打開開孔結(jié)合器注氣閥，釋放結(jié)合器內(nèi)壓力至稍高于水深壓力，穩(wěn)壓1小時，檢查閥門關閉是否嚴密。之后打開結(jié)合器排水閥，使海水進入結(jié)合器以排出剩余氣體。潛水員負責在水下拆除開孔機與球閥之間的螺栓（注意不能拆除臍帶纜液壓接頭）。拆除過程中注意開孔機與閥門之間的位置關系，臍帶纜連同開孔機、結(jié)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，潛水員在水下進行作業(yè)并將操作情況實時傳回甲板潛水控制室。啟動開孔機進給馬達并保持較低速度，主軸帶著塞柄進給到指定尺寸。伸軸過程實時檢測進給馬達壓力，潛水員查看開孔機計數(shù)器數(shù)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(nèi)，順時針旋轉(zhuǎn)已標記圈數(shù)，直至所有卡環(huán)螺孔的旋合圈數(shù)達到要求后，表示機械三通卡環(huán)機構(gòu)鎖緊塞柄。由開孔機遠程控制系統(tǒng)進行卡環(huán)機構(gòu)驗證。開孔機控制臺控制液壓頂桿脫開油路，升高壓力至8 MPa～10 MPa，主軸縮軸時檢查進給馬達轉(zhuǎn)速為1 r/min～2 r/min，觀察行程回縮200 mm時說明導向欄解脫成功，提高進給馬達轉(zhuǎn)速至8 r/min～10 r/min，最終將主軸收回至0位。潛水員關閉球閥，完成塞柄安裝作業(yè)（圖 4）。

圖 4 組裝塞柄

（7）開孔機吊裝出水。開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。對開孔機進行全面保養(yǎng)，防止關鍵部件腐蝕。

3  結(jié)語

水下管道水平開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）實施管道嫁接支線（圖 5），實現(xiàn)了我國自主研發(fā)裝備水下開孔工藝零的突破。下一步要在水下復雜環(huán)境下像陸地管道那樣進行在役開孔封堵，還需要在整個工藝及設備上進行周密設計和技術創(chuàng)新，從灘海、淺近海、淺海直至深海等四個階段逐漸發(fā)展升級，以滿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(xiàn)場

參考文獻：

[1]張大勇，姚佳林.油氣管道維搶修技術進展[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[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進展[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(jié)能與環(huán)保，2008(12)：31-33.

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