油氣管道開孔關鍵要素分析與控制

周順榮，王克克，晏和帥，李 劍，汪 珍，霍士峰

(國家管網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害、第三方破壞等因素均可能影響管道的安全平穩運行。由于管內輸送的原油、成品油或天然氣均屬于易燃易爆物質，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、防止管輸介質泄漏，造成環境污染或燃燒爆炸造成人員傷亡和財產損失的重要措施。

油氣管道施工中，必須將管內介質排盡，并經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介質帶來的安全隱患，通常在待維修管段兩側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外泄的狀態下，通過專用開孔設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備從開孔處將封堵裝置送入管道，從而阻斷管道內介質的流動并實現密封，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備主要包括開孔機、聯箱、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形卡環可在開孔結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 油氣管道開孔關鍵要素分析與控制

優質、高效地完成管道開孔是提高封堵嚴密性并為后續動火工序爭取時間的關鍵。在油氣管道開孔過程中，開孔位置選取不當、施工設備“帶病運行”、設備組裝精度不高、設備操作不當等因素均可能影響施工質量，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生。為此，施工中必須細化檢查內容、規范操作流程，以確保施工質量，最大限度降低事故發生率。

2.1 管道開孔作業點的選取

合理選擇開孔作業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)作業管段的選擇

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

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。若因作業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、保障施工質量，應結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，應在管道開孔中心設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下進行開孔，則應選擇專用斜三通和開孔刀具。開孔機在開孔過程中，機械切割時設備振動較大，法蘭連接位置的螺栓承受較大的剪切應力，為保障作業安全，應對開孔設備進行穩定支撐。

3)開孔位置的選擇

為保障開孔封堵質量，管道開孔處應為直管段且不應有凸起、凹陷等缺陷，開孔位置管段橢圓度誤差不應大于管外徑的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硬度相較母材要高，在選擇三通安裝位置時應保證中心鉆和筒刀切削位置避開原管道本體焊道或對口焊道，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，繼而出現筒刀切割三通內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量。

2.2 施工設備的檢查

施工設備性能良好，避免設備“帶病運行”是開孔作業順利實施的必要保障，作業前期應對設備進行試運轉，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，由于管輸介質均具有易燃易爆性，其作業設備通常匹配液壓動力系統。若使用電驅液壓動力站時，需確保發電設備可提供穩定電壓。若發電設備運轉過程中電壓不穩將直接造成液壓系統無法正常運轉或液壓動力不足，從而影響開孔設備的正常運轉。在施工前還需根據現場作業環境選擇對應標號的燃油和液壓油，油品加注時避免雜質污染或混水乳化；若液壓油混入雜質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，其黏度特征會發生一定變化。在低溫環境下，液壓油黏度變大，油泵自吸能力下降、液壓系統壓力損失增加，高黏度下還可能造成液壓系統不能正常啟動或無法正常工作。此時，應采取適當的增溫措施，液壓系統啟動后應延長預熱時間，待系統油溫回升后再進行開孔作業。而在高溫環境時，液壓油的黏度降低，液壓系統效率下降，則易導致液壓系統動力不足。在高溫環境下長時間進行開孔作業時，液壓站宜增設液壓油冷卻系統；短期、臨時性作業時可將液壓站放置在通風處運行或采取強制通風措施，液壓管應分散擺放并可在外部輔助冷卻，以防止液壓系統過熱。

2)開孔機及開孔配件

開孔機是管道開孔的主要設備。開孔機通過液壓系統提供動力，經蝸桿蝸輪減速后帶動機體內驅動套筒旋轉，并將動力傳遞給主軸從而帶動主軸旋轉；同時通過差動機構實現主軸與絲杠的差動進給，即開孔機主軸每旋轉一圈可自動進給一定距離。開孔機主軸的旋轉帶動刀具切割管壁，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。

開孔機在使用前應檢查主軸跳動量以確定主軸有無變形或變形量是否在設計要求范圍內；拆卸檢查機體端部支撐銅套有無過度磨損并試運轉檢查開孔機主軸回轉精度。開孔機主軸端部設置的驅動環是傳遞扭矩的主要部件，驅動環不應有變形、裂紋等缺陷且鎖緊螺釘應緊固到位。連接主軸和開孔刀具的結合器應能保證穩定連接，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緊固無松動，懸掛鞍型板的U形環應靈活可靠。

管道開孔刀具的規格應根據管徑、壁厚等參數選擇。一般情況下，封堵孔所用筒刀外徑宜等于管道內徑，筒刀深度應滿足切削弦高需求。封堵孔所用中心鉆長度應確保鉆尾完全進入管道內壁并為筒刀預留 10 mm 左右的運動空間，選擇中心鉆時應根據掉板弦高預測鞍型板懸掛位置，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重新更換，以防止中心鉆在切割過程中松動。

2.3 開孔設備的組裝

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

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保持水平且法蘭與管道的平行度誤差不應大于 1 mm，三通法蘭中軸線與管道軸線間距不應大于 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，確保在執行封堵操作時封堵頭導向輪處于管底中心直線行走。調整三通組對間隙時，不可使用焊條等堅硬材料在三通內腔撐墊，以防止開孔時損傷刀具。在三通焊接前應嚴格復測組對安裝精度，確認符合要求后再施焊，三通焊接時應嚴格執行焊接工藝規程相關要求，確保焊接質量。

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力釋放而擴張導致卡刀。防脹圈的高度應滿足掉板前筒刀切割需求，避免防脹圈剪切刀具結合器的連接螺栓，防脹圈應調整至與三通內腔同心后再焊接。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，應設置與中心鉆相匹配的定位塊，定位塊應調整至與三通內腔同心后再焊接。

2)夾板閥安裝精度

夾板閥安裝時閥門應處于關閉狀態下吊裝，以保持閥門重心平衡；閥門吊裝至三通正上方后，應將閥門法蘭調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備時，均需要使用手拉葫蘆配合調整角度。閥門安裝后閥腔與三通內腔的同心度誤差應小于 1 mm，并將法蘭的圓周間隙調整均勻后按照“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箱時應優先采取豎直組裝方式。連接開孔機主軸與筒刀的刀具結合器在安裝后不應有任何松動，安裝定位銷后應再次緊固標尺桿鎖緊刀具結合器。固定筒刀的螺栓應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。組裝后的筒刀與聯箱內孔的同軸度誤差應控制在 1 mm 以內，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腔。

在長距離懸空管道上開孔時，應在管道下方設置多點穩定支撐，防止開孔時振動過大導致卡刀。使用大型開孔設備時可在三通底部設置硬化支撐，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，應重點關注開孔參數的調節和啟停機的控制。開孔時應根據管道材質、開孔參數以及不同開孔階段合理設定液壓系統的壓力、流量等參數值。一般在中心鉆開孔初段、筒刀切割初段應保持低轉速開孔，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，應適當降低開孔轉速。在調節液壓系統流量時，宜采用容積式控制方式調整系統流量，若長時間采用節流式控制方式，易造成液壓系統油溫升高而影響液壓動力。開孔過程中如需調整液壓系統的流量、壓力等參數，應將開孔機置于停機狀態下操作。

筒刀切割過程中，管道應力釋放擠壓筒刀、液壓系統動力不足、筒刀刀齒損傷、開孔轉速調整不當等因素均可能導致“卡刀”。如遇卡刀應立即停機，上提主軸5～10 mm 掛擋繼續開孔；若開孔時頻繁卡刀則應檢查液壓系統參數設定是否合理、液壓系統運行是否正常，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開孔，此時筒刀刀齒可能已嚴重損傷，需考慮更換刀具繼續開孔。在開孔機長時間工作時，每開孔2～3 h 應停機緊固標尺桿，防止開孔振動導致刀具結合器松動。開孔機在開孔時的每次停機都應執行卡刀操作程序。

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，應重點關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。在選擇中心鉆前應計算掉板弦高，盡量縮短掉板時鞍型板與中心鉆U型卡環的距離，防止鞍型板和防脹圈掉落瞬間產生的沖擊力切斷U型卡環。

3 結語

隨著管道開孔封堵技術的日趨成熟，該項技術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用。在當前社會經濟高速發展的大背景下，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輸送狀態。在規定時間內高質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定供應的關鍵。

管道開孔是油氣管道維搶修中的一項關鍵工序，是提高封堵嚴密性、保障動火安全的基礎。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，必須嚴格把控作業點選取、設備投用前檢查、設備組裝精度控制及現場操作等各階段中的關鍵要素，對施工中的關鍵工序設立復核確認制度，以確保管道開孔質量，提高油氣管道維搶修效率，保障能源動脈的安全、平穩運行。