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，使用自主開發帶有遠程控制系統的水下開孔機進行開孔和安裝塞柄，操控作業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對管道進行帶壓水平開孔和安裝塞柄，實現不停輸連接新建管線的目的（圖 1）。我國自主開發的海底管道開孔機能夠通過遠程控制系統進行海底在役油氣管道水平開孔作業，通過系統計算與機械數據讀取雙保險，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  開孔作業流程

水下管道開孔作業由兩個部分同時配合完成，即遠程操作開孔和水下監控開孔。開孔機的動力設備和遠程控制系統均設置在作業船甲板上，技術人員在遠程控制終端操作水下開孔機實施開孔作業，由開孔總負責執行作業過程調控。作業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控開孔機作業，潛水監督在潛水控制室通過實時監控系統與潛水員保持溝通并指揮潛水人員作業。潛水監督與開孔總負責實時對接并接收作業指令和發送作業指令，同時監控潛水人員動態。開孔作業流程及管控如圖 2所示。

圖 2 水下管道開孔作業控制過程

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

2  作業關鍵步驟

（1）開孔作業點選擇。開孔作業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點水深壓力0.2 MPa～0.3 MPa。此時關閉排水閥并持續升壓至管道運行壓力的1.1倍，穩壓時間不低于1小時，以驗證腔體連接部位密封良好。

（4）帶壓開孔作業 。啟動甲板上的液壓站及相關設備，通過遠程控制系統操控開孔機作業，通過系統終控機實時顯示作業狀態。下筒刀直至中心鉆尖距離管頂約25.4 mm（1 in）左右。啟動開孔并實時監控鉆孔時的壓力情況，鉆孔轉速不易過快，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，進行切削開孔作業。當開孔機切削至預定尺寸后，由專業人員確認孔是否完全開透。開孔作業持續時間較長，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控。

（5）拆卸設備。關閉閥門，緩慢打開開孔結合器注氣閥，釋放結合器內壓力至稍高于水深壓力，穩壓1小時，檢查閥門關閉是否嚴密。之后打開結合器排水閥，使海水進入結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螺孔內，順時針旋轉已標記圈數，直至所有卡環螺孔的旋合圈數達到要求后，表示機械三通卡環機構鎖緊塞柄。由開孔機遠程控制系統進行卡環機構驗證。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（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，防止關鍵部件腐蝕。

3  結語

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），實現了我國自主研發裝備水下開孔工藝零的突破。下一步要在水下復雜環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新，從灘海、淺近海、淺海直至深海等四個階段逐漸發展升級，以滿足海底管道維搶修作業需求，保障管道安全運行。

圖 5 施工作業現場

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].環境保護與循環經濟，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，畢業于西安石油大學化工機械專業，從事油氣管道維搶修技術及裝備開發工作。聯系方式：0316-5295990，shepengchen@sina.com。