壓力管道泄漏事故應急維搶修裝備技術進展

曹邏煒 張 碩 邵珊珊 李光海

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

（2.國家市場監管重點實驗室（特種設備安全與節能） 北京 101313)

壓力管道包括長輸管道、工業管道和公用管道。截至2021年底，全國在冊壓力管道75.75萬km[1]，關系著國家的能源輸送安全、化工園區安全和城市安全[2-4]。

長輸管道在服役過程中會因為內外腐蝕、地質災害、第三方盜油等一系列內外因素導致其結構的完整性受到破壞，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）；工業管道和公用管道往往存在超溫超壓、腐蝕穿孔、環境開裂、介質燃爆和施工不當等危險，造成火災、爆炸等事故[6]，如“6·13”湖北十堰燃氣爆炸事故（2021年，26人死亡，138人受傷）。為保障壓力管道的持續安全運行，同時也避免帶來更大的環境污染和能源浪費，對損壞和泄漏管段進行堵漏和維搶修等應急處置至關重要。

壓力管道泄漏事故應急維搶修主要包括開孔封堵、卡／夾具堵漏、套筒、管道焊接、纖維復合材料修復等技術裝備[2，7，8]，但不同管道場景對技術裝備的要求各不相同。

1 帶壓堵漏技術

帶壓堵漏技術即在線密封，是在不改變泄漏介質流量、壓力、溫度的條件下，對泄漏缺陷部位進行的再密封作業[3]。帶壓堵漏技術的發展，得益于對封堵介質特性的不斷研究、堵漏夾具的更新優化設計、新型密封材料的不斷開發和機械自動化技術的不斷發展。新研發的夾具、密封材料、堵漏和修復裝備，不僅能承受更加苛刻的泄漏條件，更是逐漸形成了適應管道不停輸、非開挖甚至是特殊環境管道的帶壓堵漏與修復技術與裝備。

2 管道不停輸帶壓堵漏與修復裝備

管道不停輸帶壓堵漏與修復技術裝備除卡／夾具和套筒外，主要包括不停輸帶壓開孔封堵裝備、管道在役焊接修復系統、管道內襯修復裝備和管內高壓智能封堵器等[9-15]。

2.1 不停輸帶壓開孔封堵裝備

管道的不停輸帶壓開孔封堵是指在需要維修的管道段邊上搭建一段臨時輸送管道，保證在維修過程中不會對油氣輸運造成任何阻礙。管道不停輸帶壓開孔封堵的主要裝備包括開孔機、封堵器、切割機和焊接設備等[8]。

1）開孔機[8，16]。壓力管道的封堵、換管、修復等作業，經常需要對管道進行在線帶壓開孔（見圖1）。目前，國內外研制出了大量可用于陸上管道的開孔機，如液壓開孔機最大可適應1 422 mm口徑，而大口徑陸上管道高壓開孔機最大適應1 524 mm口徑，美國TDW公司設計制造了一系列用于壓力管道的帶壓開孔設備，最大工作壓力10.2 MPa，開孔范圍76.2～1 520 mm，壓力下操作溫度范圍-29～371℃。另外，我國在海底油氣管道開孔機的研發，也取得了一定突破，如中海油的水下干式管道維修系統中的海底管道開孔機打破了國際壟斷。這些先進的開孔機，在不停輸帶壓開孔封堵、懸掛式封堵等作業中發揮重要作用。

圖1 水平開孔機示意圖

2）封堵器[8，14，17-19]。20世紀80年代研發的擋板 -囊式管道封堵器，完全阻斷了壓力介質的流動，雖然實現了管道封堵，但無法實現不停輸的目標。懸掛式封堵器（盤式封堵器，見圖2）的研發，實現了管道的不停輸封堵，如液動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，可通過配合四點不停輸開孔封堵技術完成管道封堵。但管道的橢圓度、結垢等都會對懸掛式封堵器的封堵效果造成較大影響，四點開孔還會影響管道氣昂度。球狀雙封封堵器的研發，有效避免了開孔刀的損壞及螺旋焊縫、管道橢圓度對封堵效果的影響。而美國STOPPLE Train封堵系統作為一種鏈式封堵器，具備雙密封功能，只需進行2次開孔作業，部分克服了傳統四點開孔技術的缺點。

圖2 懸掛式封堵器

3）切割機[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，而在長輸管道野外切割施工時，以軌道式和鏈條式鋼管切割機應用最為普遍。管道維搶修過程中，大口徑管線切割后需要對斷口進行修口，常用切管設備包括切割坡口機（又稱分瓣式切割機，見圖3）和爬管式切割坡口機。

圖3 常用切管設備

2.2 管道在役焊接修復系統

長輸油氣管道不斷向高鋼級、大口徑和高壓力方向發展，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、焊接時間長，嚴重制約施工效率和焊接質量。管道在役自動焊接系統是管道泄漏搶修的重要焊接修復裝備，具有修復時間短、速度快、技術成熟等特點，一般適用于大口徑油氣管道的焊接修復（見圖4）。

圖4 管道在役焊接修復系統

油氣管道在役自動焊接系統[8，15，24-26]主要包括焊接小車、控制系統、送絲機構、電源、編碼器、軌道等。鑒于油氣管道的維搶修作業環境比較復雜，高溫、高寒、高濕等惡劣環境要求自動焊接系統具備輕便、快捷和可操作性強等優點。另外，管道焊接修復經常需要管端坡口整形機與外自動焊機配合使用，實現管道自動焊大流水高效修復作業。

2.3 管道內襯修復裝備

利用內襯材料進行管道修復不破壞管道，可實現非開挖作業（見圖5）。丹麥BJK Trading公司研發了Beaver局部維修設備，通過蒸汽壓力使得環氧樹脂+玻璃纖維內襯層膨脹后與管內壁緊貼，實現了管道破裂、錯位和接頭開縫以及支管損傷的快速維修[27]；英國PMP公司開發的AMEX-10管道維修設備，由1個低輪廓橡膠密封圈和1對可膨脹的不銹鋼支撐環組成，通過水壓使得不銹鋼圈楔入橡膠密封圈形成永久性機械密封，適用于內壓≤2MPa的壓力管道接頭和管道周向裂紋的非開挖修復[28]。

圖5 利用內襯材料進行管道修復示意圖

2.4 管內高壓智能封堵器

管內高壓智能封堵器是管內高壓智能封堵技術的核心裝備，主要由封堵機械結構、微型液壓系統、通信與控制系統、應急處理系統等組成，優點是作業時間短、無附加裝置、次生隱患小[29]。

1）國外智能封堵器[10，13，29]。全球管內智能封堵器主要由美國、挪威和英國研發（見圖6）。美國TDW公司開發了能夠實現遠程遙控定點封堵的Smart PlugTM系統，該系統的優點是不需要降低管道壓力或放空整個管道，另外一個遙控式封堵隔離系統由挪威PSI公司研制（已被TWD公司收購）。Anus George Bowie發明了一種由牽引模塊、封堵模塊和拖船模塊組成的管內封堵器，由管內介質壓差提供封堵動力。英國STATS公司研發了雙向清管式封堵器Remote Tecno PlugTM，微型液壓系統為封堵工具提供所需的驅動和控制動力，最高封堵壓力可達20 MPa。

圖6 國外智能封堵系統

2）國內智能封堵器。國內的管內智能封堵器研發才剛剛起步。張仕民等[13，29]從理論和試驗2方面研究了管內智能封堵器的結構、錨定性能仿真和密封性能，搭建了管內智能封堵與解堵的試驗平臺；陳奕龍[29]研究了管內智能封堵器的雙向通信系統，發明了一種管內氣動智能封堵器。

3 特殊環境管道維搶修技術裝備

高寒地區、海底、江河、沙漠、沼澤、生態保護區等特殊環境下的綜合維搶修，對技術裝備的要求極高。

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、海床運動、臺風甚至第三方破壞，容易造成海底管道局部失效。海管一旦失效，會造成巨大的油氣田停產和運輸中斷等巨量經濟損失和海洋污染，需及時修復。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，水下維搶修技術及裝備前景更好，主要包括海底挖掘機、高壓清洗機、水下海管切割裝備、水下開孔機、焊接機器人、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內外研發比較成熟，主要用于海底管道和立管的維搶修（見圖7）。Furmanite公司對開套管維修夾具廣泛應用于在役管道泄漏修復和管體損傷維修；美國TDW公司研發的海底管道耦合式修復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，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構，對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公司研發了Pipefit海底油氣管道維修夾具；Subsea Innovation公司設計制造的DNV-RP-113全自動化深水管道夾具，可用于1 850 m深水作業；此外，TDW公司還開發了一種海底管道卡具安裝裝備，能夠遠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）深水管道應急響應維修系統[2，8，31，32]。國外油氣田及相關工程公司已建立深水管道應急響應維修系統，如挪威Statoil公司建立的RPRS、英國STATS公司的應急管道維修系統、美國Oceaneering公司垂直連接和水平連接深水海管維修作業系統、意大利Saipem公司開發的SiRCoS系統，這些深水管道應急響應維修系統已分別在相關海域獲得應用。以STATS為例，其研發的應急管道維修系統包括非侵入式內部封堵器Tecno Plug、臨時管線封堵器BISEP、帶壓開孔機Suretap、帶壓開孔機配件、機械連接器、結構修理夾等全套裝備。目前，我國已成功研制了高壓干式艙、金剛石繩鋸機、管道對口器、冷切割坡口機、水下開孔封堵器、管端清理機具以及高壓焊機等新型技術裝備，基本具備了海面下300 m內管道的自動開孔、封堵和焊接能力。

3）海底管道水下焊接系統[31，33，34]。挪威 Statoil研發了海底遠程焊接系統，無須潛水員作業并準備管件實現帶壓焊接（如圖8所示）；法國Saturnax研發了Saturnax Bug雙炬管道全位置自動焊機，可用于海底管道的焊接作業；挪威的PRS系統TIG焊設計目標是1 000 m水深，完成20多次維搶修任務，連續海底最長工作4周；英國Cranfield已實現25 MPa高壓下的MIG焊接。國內焦向東等人研發的遙操作干式高壓海底管道維修焊接機器人，可以實現不同水深的海底管道高壓焊接維修。

圖8 挪威Statoil海底遠程焊接系統操作步驟及對應裝備

3.2 高寒區、山區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、山區和沼澤地，其維搶修裝備進場前往往需要通過輔助裝備掃除維搶修障礙（見圖9）。

圖9 高寒區、山區跨越段和沼澤地等管道維搶修輔助裝備

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

山區跨越段管道維搶修的難點在于所需裝備的運送問題，當前主要依賴于山區吊運技術裝備，一般為桅桿式起吊裝備。但也有利用纜索系統進行裝備運送，如石蕾[38]就針對山區跨越段管道維搶修研發了一種拆裝模塊化纜索運輸系統。

針對沼澤地等特殊環境的管道維搶修作業，主要考慮進場路鋪設、構筑修理平臺、開挖作業坑、溢油控制回收等各方面因素[39]，保障吊車、挖掘機等大型設備進場，如中俄管道就配備了俄羅斯的沼澤地專用拼裝路面設備。

4 結論與展望

1）壓力管道堵漏和修復技術裝備迫切需要加強標準化。國內壓力管道泄漏事故應急處置技術逐漸成熟，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的技術與裝備能力，但相關技術與裝備的標準化國內相對落后，國內尚缺乏壓力管道泄漏事故應急處置裝備的系列國家和行業標準。

2）壓力管道維修機器人帶動帶壓堵漏的自動化和智能化。管道維修大多為帶壓狀態，管道內介質多為液態或氣態的油氣或其他?；橘|，目前管道帶壓堵漏裝備盡管自動化程度大大提升，但仍需人工現場操作。國發〔2016〕68號文已經取消了帶溫帶壓堵漏工的資格認證，管道內部或外部帶壓堵漏維修機器人的研發和應用，將進一步替代該資格認證取消帶來的工作缺口，提升帶壓堵漏高質量發展并減少維搶修過程中的事故人員傷害。

3）壓力管道泄漏應急處置裝備趨向模塊化和集成化。國內長輸油氣管道大多處于野外，甚至跨越河流、山區、沼澤、高寒區，路況復雜，且用于管道泄漏維搶修裝備及其附屬工具往往多達二十幾套，加之雨雪、泥濘等環境，促使壓力管道泄漏維搶修裝備趨向模塊化和集成化，形成多臺套設備組合的集裝車。