大口徑煤氣管道帶壓開孔的實(shí)踐

郭鵬志

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

前言

帶壓開孔技術(shù)是一種在介質(zhì)管道正常輸送情況下的開孔技術(shù)。該技術(shù)開孔時(shí)，不動(dòng)火，不停輸，不降壓，避免了因管道停輸或減量對(duì)正常生產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。尤其對(duì)易燃易爆有毒的煤氣，杜絕了動(dòng)火作業(yè)的安全隱患，降低了對(duì)原有設(shè)施與環(huán)境的影響。

該技術(shù)最早由中國(guó)石油天然氣管道局在20世紀(jì)80年代中期從國(guó)外引進(jìn)，應(yīng)用于國(guó)內(nèi)油氣管道行業(yè)。受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，開孔參數(shù)限制于常溫、孔徑小于DN300、壓力小于1.0 MPa。隨著技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用范圍從油氣管道行業(yè)延伸至煉油、化工、冶金、市政等領(lǐng)域，開孔技術(shù)參數(shù)提升至-60℃至250 ℃、DN2600、6.4 MPa。

近幾年，隨著鋼鐵企業(yè)煤氣管道的檢修、擴(kuò)容與更換的需求不斷增加，大口徑煤氣管道的帶壓開孔逐漸增多。本案需在不影響正常生產(chǎn)的情況下從DN3200高爐煤氣主管接出2根DN2000接口再匯1根DN2800支管。

1 不安全因素

本案帶壓開孔的具有以下特點(diǎn)：易燃、易爆、有毒、10～15 kPa低壓、DN2000大口徑、相距4 m間距小、母管腐蝕減薄。相對(duì)而言，此次開孔工藝復(fù)雜，條件苛刻，風(fēng)險(xiǎn)較高，需防止煤氣泄漏、燃燒、爆炸、中毒、機(jī)械故障等不安全因素。

（1）選擇合適的開孔位置。開孔應(yīng)選擇在母管的固定支架處或兩側(cè)，減少母管對(duì)開孔閘閥的熱位移與熱應(yīng)力，有利于管系的布置。盡可能縮小短節(jié)長(zhǎng)度，避免筒刀進(jìn)刀過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生的懸臂下垂量，影響開孔質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)易發(fā)生卡刀。

（2）監(jiān)控煤氣的氧含量。在焊接和開孔時(shí)，在管道上游實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)煤氣的氧含量，以防止包管焊接、短節(jié)焊接與開孔時(shí)溫度達(dá)到燃點(diǎn)而引發(fā)爆炸事故。

（3）母管包管。原D3220×12母管受高爐煤氣腐蝕發(fā)生壁厚減薄，經(jīng)測(cè)量最薄處約8 mm。現(xiàn)場(chǎng)采用12 mm鋼板對(duì)母管進(jìn)行包管，焊縫避開嚴(yán)重腐蝕區(qū)域，且以小電流淺熔深的焊接方式，以防止焊穿母管造成煤氣泄漏。

（4）整體氣密性試驗(yàn)。開孔設(shè)備安裝完畢后，短節(jié)、法蘭、閘閥、開孔機(jī)須進(jìn)行整體氣密性試驗(yàn)，以防止漏點(diǎn)在開孔后造成煤氣泄漏人員中毒。

（5）一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警。開孔區(qū)域設(shè)置多點(diǎn)一氧化碳濃度報(bào)警儀，以監(jiān)測(cè)煤氣泄漏，及時(shí)報(bào)警撤離人員。

（6）筒刀進(jìn)刀監(jiān)測(cè)。帶壓開孔時(shí)，需實(shí)時(shí)監(jiān)控開孔機(jī)進(jìn)刀的情況，監(jiān)聽切削聲音有無(wú)異響，以防筒刀卡刀造成筒刀刀齒損壞。若開孔機(jī)未設(shè)置過(guò)力矩保護(hù)，卡刀時(shí)不及時(shí)停機(jī)，可能造成母管管壁撕裂而引起的煤氣泄漏。

2 開孔步驟

根據(jù)帶壓開孔的不安全因素，事先編制帶壓開孔的操作步驟，主要分準(zhǔn)備、實(shí)施、檢查三個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)又細(xì)分若干步驟。

2.1 開機(jī)準(zhǔn)備工作

（1）選擇開孔點(diǎn)；

（2）搭建操作平臺(tái)；

（3）焊接包管、短節(jié)與法蘭；

（4）測(cè)量最大進(jìn)刀尺寸；

（5）安裝閘閥；

（6）閘閥全程啟閉的動(dòng)作測(cè)試；

（7）閘閥的泄漏試驗(yàn)；

（8）安裝開孔機(jī)；

（9）打開閘閥，整體嚴(yán)密性試驗(yàn)；

（10）準(zhǔn)備工作結(jié)束。

帶壓開孔的開孔機(jī)，見圖1。準(zhǔn)備工作完成后的帶壓開孔設(shè)備安裝，見圖2。

圖1 帶壓開孔機(jī)

圖2 準(zhǔn)備工作完成后的帶壓開孔設(shè)備安裝圖

2.2 開孔作業(yè)步驟

（1）短節(jié)、閘閥與開孔機(jī)內(nèi)部空間的氮?dú)庵脫Q；

（2）檢驗(yàn)煤氣含氧量小于1%；

（3）啟動(dòng)液壓站，開孔機(jī)進(jìn)刀；

（4）開孔機(jī)中心鉆接觸母管，直至鉆透母管；

（5）開孔機(jī)筒刀接觸母管，開始筒刀切削；

（6）開孔機(jī)中心鉆打開回卡；

（7）開孔機(jī)筒刀鉆透母管，鞍板與母管完全脫離；

（8）開孔機(jī)開始回刀，中心鉆回卡帶回鞍板，直至回刀到位；

（9）關(guān)閉閘閥；

（10）開孔機(jī)內(nèi)部空間的氮?dú)庵脫Q；

（11）拆除開孔機(jī)，閘閥后堵盲板；

（12）開孔作業(yè)結(jié)束。

2.3 檢查工作

（1）檢查短節(jié)、法蘭、閘閥與盲板等各部位有無(wú)煤氣泄漏；

（2）檢查鞍板切口是否順滑，有無(wú)撕裂；

（3）檢查開孔機(jī)中心鉆與筒刀有無(wú)斷齒損壞；（4）檢查工作結(jié)束，帶壓開孔全部結(jié)束。

3 筒刀發(fā)生卡刀情況

前一個(gè)DN2000帶壓開孔作業(yè)時(shí)，前期進(jìn)展順利，筒刀開始切削母管，中心鉆回卡已經(jīng)打開。筒刀繼續(xù)進(jìn)刀切削時(shí)，轉(zhuǎn)速開始降低直至卡死，開孔機(jī)隨后緊急停機(jī)。從進(jìn)刀尺寸測(cè)算，此刻筒刀距離全部鉆透母管大約還有200 mm，鞍板已經(jīng)切削了約56%。

卡刀的處理措施，開孔機(jī)先短程退刀，然后繼續(xù)進(jìn)刀，若再次卡刀則再短程退刀，以此反復(fù)十余次最終鉆透母管。其間，因多次退刀損壞了中心鉆的回卡，導(dǎo)致未能將切削下的鞍板帶出母管。拆下開孔機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)筒刀內(nèi)壁明顯劃痕，個(gè)別刀齒斷裂，見圖3。主軸與齒輪盤完好，但主軸軸承滾子損壞嚴(yán)重，見圖4。

圖3 開孔機(jī)筒刀刀齒斷裂

圖4 開孔機(jī)主軸軸承損壞

4 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)帶壓開孔處的DN3200母管背負(fù)了一些小口徑的介質(zhì)管道。由此推斷，母管承受外部載荷具有較大的內(nèi)應(yīng)力。筒刀進(jìn)刀切削時(shí)，鞍板逐步從母管分離進(jìn)入筒刀內(nèi)部，其內(nèi)應(yīng)力逐漸釋放而發(fā)生擴(kuò)張性的變形還原，增加了筒刀的切削阻力。當(dāng)阻力增大至一定程度時(shí)便發(fā)生了卡刀。

此外，母管上部直接承受外部載荷，存在一定程度的管道癟塌變形而趨于橢圓形。下部受支座的支撐與加固，變形量小于上部，可近視于圓形。當(dāng)筒刀進(jìn)刀時(shí)，起初下部切削量大于上部，切削阻力相應(yīng)也大于上部。隨著筒刀進(jìn)刀，下部切削余量逐步減少，切削阻力逐步降低，最終下部鉆透僅剩下上部切削，阻力完全來(lái)自上部。上部與下部切削量與阻力的不對(duì)稱與變化，不利于筒刀切削進(jìn)刀的穩(wěn)定性。

本次卡刀的主要原因?yàn)槟腹苌蠙E下圓的變形與鞍板應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形還原。

5 預(yù)防措施

第二次DN2000帶壓開孔，針對(duì)母管變形與鞍板應(yīng)力釋放的因素，為避免筒刀再次卡刀，采取了三項(xiàng)預(yù)防措施：

（1）取消開孔處母管的外部載荷，其上所背負(fù)的管道、電纜橋架等另作支撐。

（2）鞍板處制作井字撐以防止鞍板內(nèi)應(yīng)力釋放后的還原變形。

（3）復(fù)核開孔機(jī)主軸強(qiáng)度，增加開孔機(jī)輸出功率。

6 結(jié)語(yǔ)

采取預(yù)防措施后，筒刀切削較為平穩(wěn)，未發(fā)生卡刀現(xiàn)象，且中心鉆回卡帶出的鞍板切口平滑無(wú)撕裂痕跡。理論結(jié)合實(shí)踐，充分證明了原因分析的正確性與預(yù)防措施的可靠性，為帶壓開孔在鋼鐵行業(yè)大口徑煤氣管道的技術(shù)成熟提供了有力支撐，具有深遠(yuǎn)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)意義。

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