陈社鹏 管继东 刘学彬 姜修才 李奡

中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司

摘要：以海底油气管道开孔项目为对象，研究水下在役油气管道水平开孔工艺。在不影响管道正常运行的前提下，使用自主开发带有远程控制系统的水下开孔机进行开孔和安装塞柄，操控作业步骤完全在工程船甲板上进行。为下一步我国海底管道不停输开孔封堵工艺研究提供了基础。

关键词：开孔机；导向栏；开孔结合器；塞柄；机械三通；水下油气管道

海底管道易受海水腐蚀、微生物腐蚀、海流海浪冲击、地震、船锚剐蹭等因素的影响，造成运行能力降低甚至发生本体失效[1-5]。为了不影响正常输送，需要在水下管道上安装专用机械三通，在阀门和三通组合成的局部密闭空间内对管道进行带压水平开孔和安装塞柄，实现不停输连接新建管线的目的（图 1）。我国自主开发的海底管道开孔机能够通过远程控制系统进行海底在役油气管道水平开孔作业，通过系统计算与机械数据读取双保险，确保了海底管道开孔的准确性。

图 1 水下管道开孔原理示意图

1  开孔作业流程

水下管道开孔作业由两个部分同时配合完成，即远程操作开孔和水下监控开孔。开孔机的动力设备和远程控制系统均设置在作业船甲板上，技术人员在远程控制终端操作水下开孔机实施开孔作业，由开孔总负责执行作业过程调控。作业船上的液压站通过脐带缆为开孔机提供动力，远程控制系统通过电缆采集并输出信号。

与此同时，潜水人员潜入水下辅助及监控开孔机作业，潜水监督在潜水控制室通过实时监控系统与潜水员保持沟通并指挥潜水人员作业。潜水监督与开孔总负责实时对接并接收作业指令和发送作业指令，同时监控潜水人员动态。开孔作业流程及管控如图 2所示。

图 2 水下管道开孔作业控制过程

水下开孔作业主要设备设施有开孔机、球阀、机械三通、开孔结合器、筒刀及中心钻、塞柄等。

2  作业关键步骤

（1）开孔作业点选择。开孔作业点应选择在直管段上，尽量避开管道焊缝处。无法避开时适量打磨开孔刀切削部位的焊缝，中心钻不能落在焊缝上，测量管线壁厚尽量避开腐蚀严重的区域。确定开孔点位置后清理水泥配重层及防腐层。

（2）设备整体吊装。将开孔机、开孔结合器、筒刀及中心钻组装后，与球阀、机械三通等整体吊装在引导框架内，与框架通过倒链柔性连接，下水前需将开孔机脐带缆与开孔机连接并固定到框架上一同入水（图 3）。

图 3 设备整体吊装

（3）设备定位安装。提前做好安装位置标记，设备整体吊至水下作业点，安装海底管道机械三通及阀门，然后由潜水员辅助安装开孔机整体装置至机械三通和阀门上。开孔机在水下与球阀连接完成后，需要对三通、阀门、开孔结合器组成的腔体排水。为了保证腔体内的水完全排出，腔体内氮气压力应高于施工作业点水深压力0.2 MPa～0.3 MPa。此时关闭排水阀并持续升压至管道运行压力的1.1倍，稳压时间不低于1小时，以验证腔体连接部位密封良好。

（4）带压开孔作业 。启动甲板上的液压站及相关设备，通过远程控制系统操控开孔机作业，通过系统终控机实时显示作业状态。下筒刀直至中心钻尖距离管顶约25.4 mm（1 in）左右。启动开孔并实时监控钻孔时的压力情况，钻孔转速不易过快，确认中心钻钻透管壁后继续伸轴至筒刀刀尖距管壁25.4 mm（1 in）左右，进行切削开孔作业。当开孔机切削至预定尺寸后，由专业人员确认孔是否完全开透。开孔作业持续时间较长，潜水员需要分别在中心钻钻孔、筒刀切削、切削完成等三个阶段对开孔机进行水下监控。

（5）拆卸设备。关闭阀门，缓慢打开开孔结合器注气阀，释放结合器内压力至稍高于水深压力，稳压1小时，检查阀门关闭是否严密。之后打开结合器排水阀，使海水进入结合器以排出剩余气体。潜水员负责在水下拆除开孔机与球阀之间的螺栓（注意不能拆除脐带缆液压接头）。拆除过程中注意开孔机与阀门之间的位置关系，脐带缆连同开孔机、结合器、筒刀、鞍形板整体吊装出水。

（6）安装塞柄。海吊吊起引导框，连同脐带缆一同入水，潜水员在水下进行作业并将操作情况实时传回甲板潜水控制室。启动开孔机进给马达并保持较低速度，主轴带着塞柄进给到指定尺寸。伸轴过程实时检测进给马达压力，潜水员查看开孔机计数器数值并上报确认，旋松机械三通上的六角丝堵将六角板手插入到机械三通卡环螺孔内，顺时针旋转已标记圈数，直至所有卡环螺孔的旋合圈数达到要求后，表示机械三通卡环机构锁紧塞柄。由开孔机远程控制系统进行卡环机构验证。开孔机控制台控制液压顶杆脱开油路，升高压力至8 MPa～10 MPa，主轴缩轴时检查进给马达转速为1 r/min～2 r/min，观察行程回缩200 mm时说明导向栏解脱成功，提高进给马达转速至8 r/min～10 r/min，最终将主轴收回至0位。潜水员关闭球阀，完成塞柄安装作业（图 4）。

图 4 组装塞柄

（7）开孔机吊装出水。开孔机吊装出水后应立即检查其整体状况，并用清水冲洗后拆解。对开孔机进行全面保养，防止关键部件腐蚀。

3  结语

水下管道水平开孔工艺是中国石油管道应急抢险中心积累30多年科研工作和工程施工经验的一次综合展示。通过对南海某天然气海管（管径 711 mm，壁厚 17.1 mm，材质X65直缝管，设计压力15.5 MPa，运行压力5.5 MPa）实施管道嫁接支线（图 5），实现了我国自主研发装备水下开孔工艺零的突破。下一步要在水下复杂环境下像陆地管道那样进行在役开孔封堵，还需要在整个工艺及设备上进行周密设计和技术创新，从滩海、浅近海、浅海直至深海等四个阶段逐渐发展升级，以满足海底管道维抢修作业需求，保障管道安全运行。

图 5 施工作业现场

参考文献：

[1]张大勇，姚佳林.油气管道维抢修技术进展[J].化工设计通讯，2018，44(05)：55.

[2]鞠世雄，谢磊，李灿.油气管道管道抢修技术[J].化工管理，2013(14)：92.

[3]张仕民，梅旭涛，王国超，李亨涛，王宏生.油气管道维抢修方法及技术进展[J].油气储运，2014，33(11)：1180-1186.

[4]赵华.海底油气管道泄漏的原因及防范[J].环境保护与循环经济，2014，34(05)：12-15.

[5]赵华.海底油气管道的泄漏及预防[J].节能与环保，2008(12)：31-33.

作者简介：陈社鹏，1979年生，硕士研究生，高级工程师，毕业于西安石油大学化工机械专业，从事油气管道维抢修技术及装备开发工作。联系方式：0316-5295990，shepengchen@sina.com。