海底管道帶壓開孔回接技術(shù)

王長濤，高岳松，邢廣闊

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

0 引 言

管道帶壓開孔技術(shù)用于在不停產(chǎn)的狀態(tài)下在生產(chǎn)管線上進(jìn)行開孔，形成新的管線支路。借助該技術(shù)可在已建管道不停產(chǎn)的條件下實(shí)施管線修復(fù)、改造和油氣的回接，避免因施工停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。海底管道帶壓開孔回接技術(shù)是將帶壓開孔技術(shù)應(yīng)用于新建海上油氣田或者油氣站的回接，該技術(shù)除了具備帶壓開孔技術(shù)自有的優(yōu)勢(shì)外，還可以實(shí)現(xiàn)油氣就近接入/接出已建管道，降低新建項(xiàng)目的工程建設(shè)費(fèi)用，具有很廣泛的應(yīng)用前景。目前海管帶壓開孔回接技術(shù)在國內(nèi)也開始應(yīng)用。張海波[1]闡述了海底管道帶壓開孔技術(shù)在渤海灣某一項(xiàng)目上的應(yīng)用，于洪旭[2]介紹了帶壓開孔回接技術(shù)在南海某項(xiàng)目上的應(yīng)用，均取得了良好的應(yīng)用效果。得益于帶壓開孔回接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及邊小海上油氣田的開發(fā)需求，采用海管帶壓開孔方式進(jìn)行油氣回接的需求也越來越多。針對(duì)這種需求，對(duì)海底管道帶壓開孔回接技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為開孔工機(jī)具國內(nèi)產(chǎn)化及帶壓開孔回接技術(shù)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用提供參考。

1 帶壓開孔三通

帶壓開孔三通是管道帶壓開孔施工所需要的主要設(shè)備，用于在已建管線上形成盲支管，為開孔作業(yè)和作業(yè)密封提供基礎(chǔ)。帶壓開孔三通主要有焊接安裝三通、機(jī)械抱卡三通、注劑式三通等。每種方案各有特點(diǎn)，施工時(shí)可根據(jù)需要選擇。

焊接安裝三通是通過焊接的方式將帶有法蘭的開孔支管安裝到待開孔的海管上，并根據(jù)需要在開孔的位置補(bǔ)強(qiáng)。焊接安裝的帶壓開孔三通有多種形式，其中一種由2片三通半瓦和法蘭組成，如圖1所示。

圖1 焊接安裝的帶壓開孔三通

安裝三通時(shí)，首先將2片三通半瓦合抱在待開孔的海管上，對(duì)焊成完整的三通，然后將三通兩端通過環(huán)焊縫焊接到海管上，完成三通與海管的固定，最后再把法蘭焊接在完整三通的支管上。經(jīng)焊縫檢驗(yàn)和三通壓力試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。焊接帶壓開孔三通結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，連接可靠，在陸地上應(yīng)用非常廣泛。由于需要進(jìn)行焊接操作，在海管上進(jìn)行應(yīng)用時(shí)需要將三通與海水隔離。灘海區(qū)域可以采用圍堰抽水實(shí)現(xiàn)，但在水下應(yīng)用則需要在干式艙內(nèi)才能進(jìn)行焊接工作，而且施工人員需要同時(shí)具備潛水員和焊工資質(zhì)。高額的設(shè)備費(fèi)用和嚴(yán)格的人員資質(zhì)要求，限制了其在較深水帶壓開孔的應(yīng)用。由于采用焊接方式，焊接的高溫會(huì)降低管道局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為避免造成事故，需要海管壓力降低到可焊接的壓力以下再進(jìn)行焊接，在焊接過程中要嚴(yán)格控制焊接溫度和焊接質(zhì)量。

機(jī)械抱卡三通主要由上下半瓦、卡瓦及鎖緊機(jī)構(gòu)、軸向和環(huán)向密封、半瓦開合和鎖緊機(jī)構(gòu)和法蘭等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械抱卡帶壓開孔三通

機(jī)械抱卡三通安裝時(shí)，上下半瓦張開，使開孔海管落入上下半瓦開口中，閉合上下半瓦，通過鎖緊兩側(cè)上下半瓦抱緊螺栓完成上下半瓦的連接，擰緊三通兩端的卡瓦鎖緊螺栓，使卡瓦的卡齒和管道外管壁抱緊鎖死，防止機(jī)械三通移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。在抱緊上下半瓦和鎖緊卡瓦的同時(shí)，機(jī)械三通的軸向和環(huán)向密封也受到擠壓變形，形成機(jī)械抱卡三通在開孔部位軸向和環(huán)向的密封。經(jīng)壓力試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行開孔作業(yè)。安裝機(jī)械抱卡三通不需要進(jìn)行焊接施工，無需干式艙即可進(jìn)行作業(yè)，施工簡(jiǎn)單，但是機(jī)械抱卡三通自身的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量較大且價(jià)格高，并且對(duì)海管表面處理的要求較高，限制了其在大管徑海管帶壓開孔上的應(yīng)用。

注劑式三通通常由上下半瓦、固定在上下半瓦上的密封圈、半瓦抱緊螺栓、上半瓦上的法蘭等零部件組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。注劑式三通安裝時(shí)，首先將2片三通半瓦合抱在待開孔的海管上，通過緊固半瓦抱緊螺栓將三通抱緊在海管上，同時(shí)將密封圈壓緊到海管上，完成三通與海管之間的固定和密封。密封圈的存在，使三通與海管之間形成環(huán)空。待環(huán)空的密封性檢查合格后，通過下半瓦的注入孔向環(huán)空注入專用的環(huán)氧樹脂或者其他可以達(dá)到固化強(qiáng)度和密封要求的流體，直至環(huán)空內(nèi)注滿樹脂。待環(huán)氧樹脂固化達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并且三通壓力試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。注劑式三通同樣不需要進(jìn)行焊接施工，無需干式艙，相比機(jī)械抱卡三通結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，但是需要進(jìn)行水下的環(huán)氧樹脂灌注作業(yè)并等待樹脂固化，因此施工時(shí)間比機(jī)械抱卡三通略長。

圖3 注劑式帶壓開孔三通[3]

2 帶壓開孔施工

雖然有多種不同的帶壓開孔三通的形式，但是開孔的流程類似。下面以應(yīng)用比較廣泛的機(jī)械抱卡三通為例，介紹開孔流程。

在做好前期準(zhǔn)備工作且天氣條件滿足施工條件的情況下，先進(jìn)行預(yù)調(diào)查，清除影響清理作業(yè)的障礙物，然后開挖帶壓開孔作業(yè)的基坑，以滿足作業(yè)的空間要求。海管鋼管表面通常帶有配重的混凝土層和防腐涂層，需要將混凝土和防腐涂層去除，才能進(jìn)行后續(xù)的作業(yè)。為了確保機(jī)械三通安裝的密封性，需要將卷板管焊縫磨平，并用測(cè)量卡子、移動(dòng)規(guī)測(cè)量開孔管線的直線度與橢圓度，在通過海管的表觀檢查、無損探傷后方可進(jìn)行帶壓開孔設(shè)備的安裝。

對(duì)于機(jī)械抱卡三通，通常采用與開孔機(jī)和開孔閥門組裝后整體吊裝的方式安裝（如圖4）。在機(jī)械三通可靠安裝到海管并通過密封性測(cè)試后，進(jìn)行開孔作業(yè)。開孔前，先打開帶壓開孔閥門，進(jìn)行開孔設(shè)備壓力測(cè)試，測(cè)試整個(gè)開孔系統(tǒng)的密封性。待密封性確認(rèn)后，開啟先導(dǎo)鉆頭鉆穿海管，再啟動(dòng)開孔鉆進(jìn)行開孔，待鉆進(jìn)深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度后停止開孔作業(yè)。待確認(rèn)完全切割完成后，將開孔刀具連同切割下的鞍形板一同退回到開孔機(jī)內(nèi)，關(guān)閉開孔球閥，平衡開孔機(jī)內(nèi)外壓力后，拆除開孔機(jī)。待開孔機(jī)回收至水面以后，檢查測(cè)量鞍形板尺寸，對(duì)開孔效果進(jìn)行研判。

3 管線回接和預(yù)調(diào)試

新建海管的鋪設(shè)與帶壓開孔的施工工作是獨(dú)立進(jìn)行的，因此新建海管需要通過膨脹彎回接到帶壓開孔閥門。由于帶壓開孔閥門在投產(chǎn)前都處于關(guān)閉狀態(tài)，在海管端部形成盲端，新接入的海管不能按照常規(guī)方法進(jìn)行整條海管的一次性預(yù)調(diào)試。此問題可通過分段預(yù)調(diào)試的方法解決。為此，對(duì)于采用帶壓開孔回接方案的新建海管，通常在帶壓開孔端設(shè)置1臺(tái)可通球的清管三通撬，用于新建海管的預(yù)調(diào)試。撬內(nèi)三通管件可通球的一支用于清管，回接膨脹彎則連接帶壓開孔三通和清管三通撬的非清管端口（如圖5）。如果回接膨脹彎在安裝過程中進(jìn)入海水，需要進(jìn)行充分的排水干燥，或者采用乙二醇對(duì)海水進(jìn)行置換，避免在管道內(nèi)部形成水合物。也可以采用可降解的乙二醇凝膠填充膨脹彎，避免海水進(jìn)入[4]。為了提高帶壓開孔連接的安全性，可以考慮在回接膨脹彎上設(shè)置加固結(jié)構(gòu)，以及在回接膨脹彎上設(shè)置壓力平衡安全節(jié)點(diǎn)、單向閥等設(shè)備[5]，以提高帶壓開孔連接的強(qiáng)度，并防止管道受損的情況下介質(zhì)的大量泄漏。

圖4 帶壓開孔三通和開孔機(jī)吊裝

圖5 海管帶壓開孔回接基本方案

4 帶壓開孔回接的注意事項(xiàng)

帶壓開孔回接方案有較高的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但是也有其適用范圍和注意事項(xiàng)。

1）帶壓開孔目標(biāo)海管的選擇。海管開孔后，管道的局部強(qiáng)度受到影響，需要對(duì)管道開孔后的局部強(qiáng)度進(jìn)行校核，以判斷是否可以進(jìn)行帶壓開孔。對(duì)于壁厚減薄嚴(yán)重的海管，要慎重實(shí)施帶壓開孔。海管帶壓開孔后，海管的外層將暴露于介質(zhì)，如果海管輸送的是腐蝕性介質(zhì)，且海管的承壓層為碳鋼材質(zhì)的海管，需要考慮腐蝕對(duì)海管強(qiáng)度的影響。開孔位置應(yīng)避開焊縫位置。

2）帶壓開孔三通材料選擇。帶壓開孔后，帶壓開孔三通的內(nèi)壁及三通與海管之間的密封件也將暴露于介質(zhì)，選擇三通本體和密封件材料時(shí)要考慮材料與輸送介質(zhì)的相容性，包括金屬材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性，非金屬材料與介質(zhì)的相容性（與介質(zhì)接觸后不發(fā)生溶脹、軟化、硬化等變化）、溫度適用性、抗老化性能等，以滿足帶壓開孔的功能需求和設(shè)計(jì)年限。

3）帶壓開孔位置的選擇。選擇帶壓開孔的位置時(shí)，應(yīng)以減少回接距離和開挖工作量為目標(biāo)，以降低工程費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)要注意檢查目標(biāo)開孔位置處管道的橢圓度和局部腐蝕情況，確保帶壓開孔的成功實(shí)施。

4）開孔海管和機(jī)具要可靠支撐。作業(yè)坑開挖的尺寸要滿足帶壓開孔作業(yè)的需要，在開孔前要進(jìn)行三通與海管之間、閥門與三通、開孔機(jī)之間及整個(gè)開孔系統(tǒng)的密封測(cè)試，避免作業(yè)過程中出現(xiàn)泄漏情況。由于帶壓開孔三通比較重，加上帶壓開孔閥門和機(jī)具，更惡化了處于懸空狀態(tài)的海管的受力情況。因此在開孔時(shí)要對(duì)開孔位置進(jìn)行有效可靠的支撐，并且在開孔后進(jìn)行開挖區(qū)域的回填，確保開孔位置海管的穩(wěn)定性，避免海管和開孔設(shè)備懸空導(dǎo)致海管結(jié)構(gòu)受損，進(jìn)而發(fā)生事故。

5）帶壓開孔的防腐。注意帶壓開孔主管、支管及帶壓開孔三通之間陰保系統(tǒng)的兼容性，避免陰保系統(tǒng)之間的相互影響，甚至導(dǎo)致某一方陽極被過度消耗。

6）帶壓開孔后的保護(hù)。機(jī)械帶壓開孔三通與海管之間的連接比較脆弱，對(duì)位于漁業(yè)區(qū)、航道區(qū)的場(chǎng)址需要進(jìn)行落物、漁網(wǎng)、錨的防護(hù)。在項(xiàng)目投產(chǎn)后要進(jìn)行定期的觀察和維護(hù)。

5 結(jié) 語

海管帶壓開孔回接是一種經(jīng)濟(jì)高效的海上油氣管道回接技術(shù)，目前國內(nèi)已經(jīng)有多項(xiàng)海管帶壓開孔回接的成功應(yīng)用案例。而且海管帶壓開孔三通、水下帶壓開孔機(jī)及混凝土和防腐涂層剝離設(shè)備的國產(chǎn)化也正在順利推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成，海管帶壓開孔回接在國內(nèi)有廣闊的應(yīng)用前景?？紤]到帶壓開孔三通的購置和安裝費(fèi)用仍然比較高，因此在設(shè)計(jì)外輸干線海管時(shí)，建議考慮預(yù)先在海管上設(shè)置帶壓開孔三通管件，這樣可以在不大幅增加工程初期投入的情況下，有效降低后期帶壓開孔回接的費(fèi)用，使帶壓開孔這一優(yōu)良的技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。