一種大口徑低壓管道帶壓開孔技術應用

楊向陽

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

某廠空分裝置空壓機組增壓機段間冷卻器采用浮頭式管式換熱器，2018 年底，在運行中發(fā)現(xiàn)循環(huán)水回水管道溫度、壓力超差嚴重，打開管道頂部排放閥門排出大量氣體，因此判斷換熱器管束內(nèi)漏導致高壓氣體泄漏進入回水管道內(nèi)，如修復或更換此換熱器需要全廠停車將損失巨大，通過研究決定采用循環(huán)水回水出口管線增加氣液分離罐排除泄漏氣體減少氣阻的方式臨時解決，該回水管道口徑DN 350，經(jīng)工藝計算需在線帶壓開口徑為DN 200 圓孔排出泄漏氣體，經(jīng)過與專業(yè)廠家對接，需專業(yè)設備進行，費用巨大、時間較長，為解決此問題，通過技術攻關提出一種效率高、清潔性好、費用小、易于操作、操作空間小、安全可控等優(yōu)點的方法，成功解決此問題，節(jié)約大量生產(chǎn)成本。

1 在線開孔結構及操作方法

傳統(tǒng)在線帶壓開孔需專業(yè)設備，配置電機、鉆頭等，采用鉆削加工，設備結構復雜，體積龐大、重量較大，本文介紹一種結構簡單、無需外接電機、設置鉆頭，并且材料普通，可根據(jù)不同工況進行制作。如圖1 所示。

主要操作步驟：

（1）首先對擬開孔部位計算最小壁厚，計算時要考慮厚度減薄附加量即加工開槽深度及材料厚度負偏差，具體計算過程見本文第3 節(jié)。

（2）依據(jù)實際口徑需求進行定位、劃線。

（3）使用超聲波測厚儀測量實際厚度后，將擬開孔定位線打磨至開孔最小壁厚。

圖1 帶壓開孔裝置結構簡圖Fig.1 Structure with pressure opening hole device

（4）選擇合適的短管口徑、長度、閥門、法蘭及配套螺栓墊片。

（5）將大螺桿焊接到主管上，必須適當加強，可采用焊接三角筋板或焊縫打坡口加固，防止在作業(yè)過程中大螺桿與主管脫落，導致開孔作業(yè)失敗。

（6）法蘭首先焊接到短管上，然后套入大螺桿并將一端垂直焊接固定在主管上的擬開孔位置的四周；

（7）將閥門的一端與上述短管的法蘭連接；

（8）依次將密封墊板、盲法蘭按照圖示連接，并保證大螺桿依次穿過所述封板、閥門的通道以及短管的中心。

（9）所有部件安裝完畢后，通過反復緊固大螺桿螺母、錘擊大螺桿，使擬開孔位置收到拉力及推力作業(yè)發(fā)生金屬疲勞，從而按照劃線、打磨減薄線斷裂直至脫落。

（10）將大螺桿拉至盲法蘭側，關閉閥門，拆開盲法蘭，取出大螺桿及脫落的金屬管壁，完成開孔作 業(yè)。

2 操作要點

（1）大螺桿可根據(jù)開孔口徑設置一根或多根。設置單根時，應使短管、大螺桿、盲法蘭的中心軸線與所述擬開孔位置的中心位置重合。設置多根大螺桿時，盡量均布在擬開孔部位，使開孔部位金屬管壁受力均勻，同時在螺栓緊固或錘擊時必須同步，防止變形。

（2）大螺桿與盲法蘭中心空間間隙為2 ～ 3 mm，同時墊板和盲法蘭之間設置密封墊，以保證螺桿與盲法蘭之間密封配合，防止開孔部位金屬斷裂時管內(nèi)介質泄漏。

（3）短管10 的口徑必須大于擬開孔口徑，以保證開孔后能夠取出大螺桿及開孔處脫落的管壁。

（4）閥門的1/2 通道長度大于開孔縱向長度，即L2＞L1，如必要時可在閥后增設短管，保證開孔成功后有足夠長度放置開孔部位斷裂后脫落下的金屬管壁，從而能夠順利關閉閥門。

（5）壁厚需要反復測量，可借助超聲波測厚儀、深度尺等測量儀器，防止破壞管道本體的承壓結構，導致管道結構失穩(wěn)泄漏。

（6）在線焊接時，金屬材料的強度隨著溫度的升高而急劇降低，管壁上已經(jīng)熔化的部分完全失去了承載能力，當該區(qū)域剩余壁厚不足以承受介質壓力和焊接應力的共同作用，就會發(fā)生燒穿。燒穿是由壁厚、熔深、操作壓力、流動狀態(tài)等等因素的綜合作用的結果。管道壁厚對在役焊接燒穿的發(fā)生有著不容忽視的作用。研究表明焊接熱輸人使得管道內(nèi)表面溫度達到982 ℃以上，易發(fā)生燒穿的危險，而當壁厚超過6.4 mm 時，采用低氫焊條進行正常焊接時，這一溫度很難達到，不會發(fā)生燒穿。對于壁厚超過12.8 mm的管道，燒穿不是主要問題。當管道壁厚小于6.4 mm，API RP2201 推薦第一個焊道宜使用2.4 mm 或更小直徑的焊條，來限制熱輸入量。如果金屬的厚度不超過12.8 mm，隨后的焊道焊接宜使用3.2 mm 或更小直徑的焊條。

（7）作業(yè)前必須依據(jù)管內(nèi)介質進行風險評估，制定各項安全措施后對作業(yè)人員進行安全交底及技術交底，確保作業(yè)整個過程安全受控。

3 壁厚計算過程

查循環(huán)水管道設計文件可知本次需開孔主管參數(shù)如下：

材質直縫埋弧焊鋼管相應參數(shù)為：DN350 SAW HG 20553（Ia） SCH20（8.0mm） L245 GB 9711.1，腐蝕裕度1.5mm。

介質循環(huán)水回水相應參數(shù)為：設計溫度 60 ℃，設計壓力0.7 MPa，使用溫度40 ℃，使用壓力0.35 MPa。

此管道按照使用性質工業(yè)金屬D 類流體范疇，因此計算壁厚需參照GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》，按照規(guī)范中第6 章金屬管道組成件耐壓強度計算章節(jié)6.2.1 承受內(nèi)壓直管的厚度計算應符合下列規(guī)定：“當直管計算厚度 小于管子外徑D的1/6 時”，即：

ts= 8 ＜355.6 / 6 = 59.26 mm

按照下式計算：

式中ts——直管計算厚度；

t——直管開孔厚度；

P——設計壓力；

D0——管子外徑；

C——厚度減薄附加量；

[σ]t——設計溫度下的材料許用應力；

Ej——焊接接頭系數(shù)；

Y——材料系數(shù)，按表選取。

具體數(shù)據(jù)見表1，把相關數(shù)據(jù)代入式中求得：

該管道為埋弧焊鋼管直縫鋼管，考慮到材料厚度負偏差及腐蝕情況，此處取厚度減薄附加量C為2 mm：

圓整為3.3 mm，確定加工最小壁厚后即可開始按照第1 節(jié)步驟進行作業(yè)。

表1 管道壁厚計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of pipe wall thickness

4 存在問題

盲法蘭與大螺桿間密封墊片尺寸確認及制作加工必須嚴謹，否則需開孔位置管壁金屬斷裂后，無法確保盲法蘭與大螺桿之間不泄漏或泄漏量可以控制，制約此開孔裝置的適用范圍，因此在易燃易爆、有毒介質使用時要慎重選擇此方法。

5 結束語

目前化工生產(chǎn)裝置均為連續(xù)生產(chǎn)，開停車損失巨大，費用均在百萬以上，但在實際生產(chǎn)過程中，往往因為種種問題需要在正在使用的管道上開孔，帶壓開孔技術應運而生。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的管道帶壓開孔技術，均采用專業(yè)開孔機切削開孔，存在設備體積大、運輸困難、專業(yè)性強、費用高、管道內(nèi)部易進入鐵屑雜物等問題，往往無法大規(guī)模使用，本文介紹帶壓開孔方法，具有效率高、清潔性好、費用小、易于操作、操作空間小、安全可控等優(yōu)點，在保證設備的安全穩(wěn)定運行的前提下采用，可創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。