陳社鵬 管繼東 劉學(xué)彬 姜修才 李?yuàn)S

中國(guó)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(xiàng)目為對(duì)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(yùn)行的前提下，使用自主開(kāi)發(fā)帶有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的水下開(kāi)孔機(jī)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(guó)海底管道不停輸開(kāi)孔封堵工藝研究提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)孔機(jī)；導(dǎo)向欄；開(kāi)孔結(jié)合器；塞柄；機(jī)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(yùn)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(jī)械三通，在閥門和三通組合成的局部密閉空間內(nèi)對(duì)管道進(jìn)行帶壓水平開(kāi)孔和安裝塞柄，實(shí)現(xiàn)不停輸連接新建管線的目的（圖 1）。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的海底管道開(kāi)孔機(jī)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行海底在役油氣管道水平開(kāi)孔作業(yè)，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算與機(jī)械數(shù)據(jù)讀取雙保險(xiǎn)，確保了海底管道開(kāi)孔的準(zhǔn)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(yuǎn)程操作開(kāi)孔和水下監(jiān)控開(kāi)孔。開(kāi)孔機(jī)的動(dòng)力設(shè)備和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)均設(shè)置在作業(yè)船甲板上，技術(shù)人員在遠(yuǎn)程控制終端操作水下開(kāi)孔機(jī)實(shí)施開(kāi)孔作業(yè)，由開(kāi)孔總負(fù)責(zé)執(zhí)行作業(yè)過(guò)程調(diào)控。作業(yè)船上的液壓站通過(guò)臍帶纜為開(kāi)孔機(jī)提供動(dòng)力，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)電纜采集并輸出信號(hào)。

與此同時(shí)，潛水人員潛入水下輔助及監(jiān)控開(kāi)孔機(jī)作業(yè)，潛水監(jiān)督在潛水控制室通過(guò)實(shí)時(shí)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(kāi)孔總負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)對(duì)接并接收作業(yè)指令和發(fā)送作業(yè)指令，同時(shí)監(jiān)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(shè)備設(shè)施有開(kāi)孔機(jī)、球閥、機(jī)械三通、開(kāi)孔結(jié)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(yīng)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(cè)量管線壁厚盡量避開(kāi)腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域。確定開(kāi)孔點(diǎn)位置后清理水泥配重層及防腐層。

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

圖 3 設(shè)備整體吊裝

（3）設(shè)備定位安裝。提前做好安裝位置標(biāo)記，設(shè)備整體吊至水下作業(yè)點(diǎn)，安裝海底管道機(jī)械三通及閥門，然后由潛水員輔助安裝開(kāi)孔機(jī)整體裝置至機(jī)械三通和閥門上。開(kāi)孔機(jī)在水下與球閥連接完成后，需要對(duì)三通、閥門、開(kāi)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?dú)鈮毫��?yīng)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(xù)升壓至管道運(yùn)行壓力的1.1倍，穩(wěn)壓時(shí)間不低于1小時(shí)，以驗(yàn)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(shè)備，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操控開(kāi)孔機(jī)作業(yè)，通過(guò)系統(tǒng)終控機(jī)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(jiān)控鉆孔時(shí)的壓力情況，鉆孔轉(zhuǎn)速不易過(guò)快，確認(rèn)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(jìn)行切削開(kāi)孔作業(yè)。當(dāng)開(kāi)孔機(jī)切削至預(yù)定尺寸后，由專業(yè)人員確認(rèn)孔是否完全開(kāi)透。開(kāi)孔作業(yè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，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(duì)開(kāi)孔機(jī)進(jìn)行水下監(jiān)控。

（5）拆卸設(shè)備。關(guān)閉閥門，緩慢打開(kāi)開(kāi)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(shí)，檢查閥門關(guān)閉是否嚴(yán)密。之后打開(kāi)結(jié)合器排水閥，使海水進(jìn)入結(jié)合器以排出剩余氣體。潛水員負(fù)責(zé)在水下拆除開(kāi)孔機(jī)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(jī)與閥門之間的位置關(guān)系，臍帶纜連同開(kāi)孔機(jī)、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(dǎo)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(jī)進(jìn)給馬達(dá)并保持較低速度，主軸帶著塞柄進(jìn)給到指定尺寸。伸軸過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)給馬達(dá)壓力，潛水員查看開(kāi)孔機(jī)計(jì)數(shù)器數(shù)值并上報(bào)確認(rèn)，旋松機(jī)械三通上的六角絲堵將六角板手插入到機(jī)械三通卡環(huán)螺孔內(nèi)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)已標(biāo)記圈數(shù)，直至所有卡環(huán)螺孔的旋合圈數(shù)達(dá)到要求后，表示機(jī)械三通卡環(huán)機(jī)構(gòu)鎖緊塞柄。由開(kāi)孔機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行卡環(huán)機(jī)構(gòu)驗(yàn)證。開(kāi)孔機(jī)控制臺(tái)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(dá)轉(zhuǎn)速為1 r/min～2 r/min，觀察行程回縮200 mm時(shí)說(shuō)明導(dǎo)向欄解脫成功，提高進(jìn)給馬達(dá)轉(zhuǎn)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(jī)吊裝出水。開(kāi)孔機(jī)吊裝出水后應(yīng)立即檢查其整體狀況，并用清水沖洗后拆解。對(duì)開(kāi)孔機(jī)進(jìn)行全面保養(yǎng)，防止關(guān)鍵部件腐蝕。

3  結(jié)語(yǔ)

水下管道水平開(kāi)孔工藝是中國(guó)石油管道應(yīng)急搶險(xiǎn)中心積累30多年科研工作和工程施工經(jīng)驗(yàn)的一次綜合展示。通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)壓力15.5 MPa，運(yùn)行壓力5.5 MPa）實(shí)施管道嫁接支線（圖 5），實(shí)現(xiàn)了我國(guó)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(fù)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(shè)備上進(jìn)行周密設(shè)計(jì)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(jí)，以滿足海底管道維搶修作業(yè)需求，保障管道安全運(yùn)行。

圖 5 施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳社鵬，1979年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工機(jī)械專業(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。