油气管道开孔关键要素分析与控制

周顺荣，王克克，晏和帅，李 剑，汪 珍，霍士峰

(国家管网集团西南管道有限责任公司 昆明维抢修分公司，云南 昆明 650000)

1 油气管道开孔简介

在油气管道运行过程中，管道腐蚀、地震或滑坡等自然灾害、第三方破坏等因素均可能影响管道的安全平稳运行。由于管内输送的原油、成品油或天然气均属于易燃易爆物质，及时对存在安全隐患的管段进行维修改造是保障管道安全运行、防止管输介质泄漏，造成环境污染或燃烧爆炸造成人员伤亡和财产损失的重要措施。

油气管道施工中，必须将管内介质排尽，并经氮气置换后方可对管段实施维修改造。为消除大量排放管内介质带来的安全隐患，通常在待维修管段两侧实施开孔封堵工艺配合施工，以保障管道动火安全(图1)。油气管道开孔封堵工艺是在管道无介质外泄的状态下，通过专用开孔设备以机械切削方式在管道上加工出圆形孔，然后使用专用封堵设备从开孔处将封堵装置送入管道，从而阻断管道内介质的流动并实现密封，以配合某一管段的维修改造工作。

图1 管道封堵工艺示意图

在管道开孔过程中使用的专用设备主要包括开孔机、联箱、夹板阀、筒刀、中心钻、三通等。开孔时，在开孔机主轴上组装有中心钻和筒刀，中心钻在开孔时起定位和导向作用，中心钻上安装的U形卡环可在开孔结束后取出切割下的鞍形板；筒刀带有多个刀齿，是开孔时用于切割管道的专用刀具，如图2。

图2 管道开孔示意图

2 油气管道开孔关键要素分析与控制

优质、高效地完成管道开孔是提高封堵严密性并为后续动火工序争取时间的关键。在油气管道开孔过程中，开孔位置选取不当、施工设备“带病运行”、设备组装精度不高、设备操作不当等因素均可能影响施工质量，从而导致开孔刀具损坏、重复开孔、鞍型板掉落、封堵泄漏等事故的发生。为此，施工中必须细化检查内容、规范操作流程，以确保施工质量，最大限度降低事故发生率。

2.1 管道开孔作业点的选取

合理选择开孔作业点是有效降低管道开孔卡刀率、防止开孔刀具损伤、提高封堵严密性的必要前提。

1)作业管段的选择

选择开孔作业管段时应避开管道应力集中区。作业点不宜设置在管道大角度转弯或连续转弯处，山区管道应避开大落差管段附近，以防止管道开孔时应力释放而导致频繁卡刀或损伤开孔刀具。由于管道开孔设备的各法兰连接面均采用螺栓紧固方式，为便于设备组装并保障开孔质量，应尽量在水平管段处设置管道开孔点。

2)开孔方式的选择

为便于施工，在条件允许情况下宜优先采用垂直于管道竖直安装开孔机的方式实施管道开孔作业。若因作业空间受限或特殊需求而必须采取水平、倾斜、倒立等方式进行管道开孔时，由于设备安装难度较大，组装精度不易控制且开孔难度较高，为确保施工安全、保障施工质量，应结合实际情况细化施工方案并编制专项吊装方案。

当垂直于管道水平开孔或在倾斜管道上开孔时，为避免开孔刀具重量引起主轴弹性变形最终导致开孔偏斜，应在管道开孔中心设置中心钻定位块以确保其定位精度；若需将开孔机与管道置于倾斜状态下进行开孔，则应选择专用斜三通和开孔刀具。开孔机在开孔过程中，机械切割时设备振动较大，法兰连接位置的螺栓承受较大的剪切应力，为保障作业安全，应对开孔设备进行稳定支撑。

3)开孔位置的选择

为保障开孔封堵质量，管道开孔处应为直管段且不应有凸起、凹陷等缺陷，开孔位置管段椭圆度误差不应大于管外径的1%且最大不超过 3 mm，以避免开孔时损伤刀具或影响封堵严密性。由于管道原焊道及热影响区硬度相较母材要高，在选择三通安装位置时应保证中心钻和筒刀切削位置避开原管道本体焊道或对口焊道，以降低卡刀率；同时，中心钻切割圆弧焊道还可能导致其定位偏斜，继而出现筒刀切割三通内壁或开孔不正等情况，最终可能导致开孔失败或影响封堵质量。

2.2 施工设备的检查

施工设备性能良好，避免设备“带病运行”是开孔作业顺利实施的必要保障，作业前期应对设备进行试运转，确认性能满足需求后再投用。

1)液压动力站

在油气管道施工中，由于管输介质均具有易燃易爆性，其作业设备通常匹配液压动力系统。若使用电驱液压动力站时，需确保发电设备可提供稳定电压。若发电设备运转过程中电压不稳将直接造成液压系统无法正常运转或液压动力不足，从而影响开孔设备的正常运转。在施工前还需根据现场作业环境选择对应标号的燃油和液压油，油品加注时避免杂质污染或混水乳化；若液压油混入杂质则易造成液压阀组堵塞失灵，乳化后的液压油将可能影响液压动力。

液压油在较大温差条件下，其黏度特征会发生一定变化。在低温环境下，液压油黏度变大，油泵自吸能力下降、液压系统压力损失增加，高黏度下还可能造成液压系统不能正常启动或无法正常工作。此时，应采取适当的增温措施，液压系统启动后应延长预热时间，待系统油温回升后再进行开孔作业。而在高温环境时，液压油的黏度降低，液压系统效率下降，则易导致液压系统动力不足。在高温环境下长时间进行开孔作业时，液压站宜增设液压油冷却系统；短期、临时性作业时可将液压站放置在通风处运行或采取强制通风措施，液压管应分散摆放并可在外部辅助冷却，以防止液压系统过热。

2)开孔机及开孔配件

开孔机是管道开孔的主要设备。开孔机通过液压系统提供动力，经蜗杆蜗轮减速后带动机体内驱动套筒旋转，并将动力传递给主轴从而带动主轴旋转；同时通过差动机构实现主轴与丝杠的差动进给，即开孔机主轴每旋转一圈可自动进给一定距离。开孔机主轴的旋转带动刀具切割管壁，主轴的进给为刀具提供切削进给量，从而配合完成管道开孔作业。

开孔机在使用前应检查主轴跳动量以确定主轴有无变形或变形量是否在设计要求范围内；拆卸检查机体端部支撑铜套有无过度磨损并试运转检查开孔机主轴回转精度。开孔机主轴端部设置的驱动环是传递扭矩的主要部件，驱动环不应有变形、裂纹等缺陷且锁紧螺钉应紧固到位。连接主轴和开孔刀具的结合器应能保证稳定连接，开孔所用刀具包括筒刀和中心钻，选取刀具时刀齿应完好无损伤且不可存在虚焊等缺陷，可拆卸式中心钻刀片的锁紧螺栓应紧固无松动，悬挂鞍型板的U形环应灵活可靠。

管道开孔刀具的规格应根据管径、壁厚等参数选择。一般情况下，封堵孔所用筒刀外径宜等于管道内径，筒刀深度应满足切削弦高需求。封堵孔所用中心钻长度应确保钻尾完全进入管道内壁并为筒刀预留 10 mm 左右的运动空间，选择中心钻时应根据掉板弦高预测鞍型板悬挂位置，避免鞍型板掉落时长距离运动剪切U形环或鞍型板掉落后外露筒刀过长而影响筒刀切削。筒刀和中心钻排屑槽高度应大于管壁厚度的2倍，以利于排出切割下的铁屑；中心钻螺纹连接部位的尼龙棒在每次使用后都应重新更换，以防止中心钻在切割过程中松动。

2.3 开孔设备的组装

严格控制开孔设备组装精度，将误差值控制在允许范围内并尽量缩小偏差是确保安全、高效完成开孔作业的基础。

1)三通组对安装精度

三通是管道开孔的平台，将通过焊接方式固定于管道上。组对三通时，三通法兰在管道轴线的垂直方向应保持水平且法兰与管道的平行度误差不应大于 1 mm，三通法兰中轴线与管道轴线间距不应大于 1.5 mm，以将开孔中心置于管道轴线正上方且垂直于管道轴线进行开孔作业，确保在执行封堵操作时封堵头导向轮处于管底中心直线行走。调整三通组对间隙时，不可使用焊条等坚硬材料在三通内腔撑垫，以防止开孔时损伤刀具。在三通焊接前应严格复测组对安装精度，确认符合要求后再施焊，三通焊接时应严格执行焊接工艺规程相关要求，确保焊接质量。

在管道开孔直径大于DN500时，需在管外壁焊接防胀圈配合开孔，以防止筒刀切割时鞍型板因应力释放而扩张导致卡刀。防胀圈的高度应满足掉板前筒刀切割需求，避免防胀圈剪切刀具结合器的连接螺栓，防胀圈应调整至与三通内腔同心后再焊接。当开孔直径为DN900及以上的垂直开孔、DN700及以上的大行程垂直开孔、DN500及以上水平和倾斜开孔时，应设置与中心钻相匹配的定位块，定位块应调整至与三通内腔同心后再焊接。

2)夹板阀安装精度

夹板阀安装时阀门应处于关闭状态下吊装，以保持阀门重心平衡；阀门吊装至三通正上方后，应将阀门法兰调整至与三通法兰平行后缓慢安装，避免损伤连接螺纹。在倾斜管道上安装阀门或开孔设备时，均需要使用手拉葫芦配合调整角度。阀门安装后阀腔与三通内腔的同心度误差应小于 1 mm，并将法兰的圆周间隙调整均匀后按照“米”字型对称紧固连接螺栓，螺栓紧固时建议使用扭矩扳手或液压扳手定力矩紧固。

3)开孔机和刀具组装精度

组装开孔机与开孔联箱时应优先采取竖直组装方式。连接开孔机主轴与筒刀的刀具结合器在安装后不应有任何松动，安装定位销后应再次紧固标尺杆锁紧刀具结合器。固定筒刀的螺栓应配合使用弹簧垫圈和防松螺母，以防止开孔振动造成螺栓松动。组装后的筒刀与联箱内孔的同轴度误差应控制在 1 mm 以内，以防止筒刀长距离伸出后与中心线偏移量过大而切割三通内腔。

在长距离悬空管道上开孔时，应在管道下方设置多点稳定支撑，防止开孔时振动过大导致卡刀。使用大型开孔设备时可在三通底部设置硬化支撑，以减轻管道承受的压力。

2.4 管道开孔操作

管道开孔过程中，应重点关注开孔参数的调节和启停机的控制。开孔时应根据管道材质、开孔参数以及不同开孔阶段合理设定液压系统的压力、流量等参数值。一般在中心钻开孔初段、筒刀切割初段应保持低转速开孔，防止开孔刀具未完全定位时高速切削损伤刀齿；筒刀切割至接近掉板及后续的清根阶段时，筒刀切削量较大且中心钻已失去定位功能，应适当降低开孔转速。在调节液压系统流量时，宜采用容积式控制方式调整系统流量，若长时间采用节流式控制方式，易造成液压系统油温升高而影响液压动力。开孔过程中如需调整液压系统的流量、压力等参数，应将开孔机置于停机状态下操作。

筒刀切割过程中，管道应力释放挤压筒刀、液压系统动力不足、筒刀刀齿损伤、开孔转速调整不当等因素均可能导致“卡刀”。如遇卡刀应立即停机，上提主轴5～10 mm 挂挡继续开孔；若开孔时频繁卡刀则应检查液压系统参数设定是否合理、液压系统运行是否正常，同时可通过筒刀切削声音辅助判断刀齿情况。如果在同一位置多次卡刀而无法继续开孔，此时筒刀刀齿可能已严重损伤，需考虑更换刀具继续开孔。在开孔机长时间工作时，每开孔2～3 h 应停机紧固标尺杆，防止开孔振动导致刀具结合器松动。开孔机在开孔时的每次停机都应执行卡刀操作程序。

2.5 大管径、厚壁管道开孔

在DN900及以上的大管径、厚壁管道上开孔时，应重点关注开孔刀具排屑槽高度是否满足需求，避免开孔过程中排屑不畅造成卡刀或刀具损坏。由于大管径开孔必然造成开孔机主轴行程较长，为提高开孔精度，需在管外壁设置中心钻定位块，避免开孔偏斜而影响管道封堵操作。在选择中心钻前应计算掉板弦高，尽量缩短掉板时鞍型板与中心钻U型卡环的距离，防止鞍型板和防胀圈掉落瞬间产生的冲击力切断U型卡环。

3 结语

随着管道开孔封堵技术的日趋成熟，该项技术已在世界各地的油气管道维修改造和抢险工作中得到广泛应用。在当前社会经济高速发展的大背景下，油气资源需求量不断攀升，在役油气管道普遍处于高压持续输送状态。在规定时间内高质量完成隐患管段的维修改造是保障管道安全运行和油气资源稳定供应的关键。

管道开孔是油气管道维抢修中的一项关键工序，是提高封堵严密性、保障动火安全的基础。而开孔过程中面临着频繁卡刀影响施工进度、开孔刀具损坏导致开孔失败、鞍型板掉落造成施工事故、开孔质量不高而影响封堵严密性等诸多困难。为此，必须严格把控作业点选取、设备投用前检查、设备组装精度控制及现场操作等各阶段中的关键要素，对施工中的关键工序设立复核确认制度，以确保管道开孔质量，提高油气管道维抢修效率，保障能源动脉的安全、平稳运行。