海底管道帶壓開孔的風(fēng)險(xiǎn)因素及控制措施探討

湯炳然，劉文濤，駱承樹，王海龍，吳業(yè)旺

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

海底管道帶壓開孔技術(shù)在管道維修過程中可實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)作業(yè)，降低下游產(chǎn)量損失，又可防止管道內(nèi)介質(zhì)外溢，避免海洋環(huán)境污染。同時(shí)考慮到投資成本等因素，新建海上油氣田接入輸油氣主干線開發(fā)方案也極具經(jīng)濟(jì)性，因此海底管道不停輸帶壓開孔技術(shù)的應(yīng)用也將更為廣泛[1]。

目前我國(guó)海域已完成多例海底管道帶壓開孔作業(yè)，但這些個(gè)案介紹主要以海底管道帶壓開孔成功案例應(yīng)用為主，較少涉及危險(xiǎn)因素的分析。由于石油化工裝置有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害的特點(diǎn)，并且海底管道水下環(huán)境復(fù)雜，因此帶壓開孔作業(yè)實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)極高。本文著重分析影響海底管道帶壓開孔過程的風(fēng)險(xiǎn)因素，并給出相應(yīng)的控制措施，確保該技術(shù)運(yùn)用過程的安全可控。

1 選型要求

帶壓開孔作業(yè)是指維持管線正常生產(chǎn)，在不停止輸送介質(zhì)、海管內(nèi)保持一定生產(chǎn)壓力的情況下，通過開孔機(jī)、隔離閥和機(jī)械三通組合體，在已有管線上進(jìn)行開孔，用于新管線的接入或已有管線維修。其施工方式一般有豎直帶壓開孔和水平帶壓開孔兩種，典型開孔機(jī)組合體如圖1 所示[2]。

圖1 典型垂直、水平開孔機(jī)組合體

圖2 垂直及水平帶壓開孔輔助工裝

海管帶壓開孔主要設(shè)備有機(jī)械三通、隔離閥和開孔機(jī)。

（1）機(jī)械三通用于海底管道開孔點(diǎn)包裹密封，提供開孔作業(yè)基座，選型時(shí)應(yīng)考慮：①海管各項(xiàng)參數(shù)，形成機(jī)械三通強(qiáng)度設(shè)計(jì)和螺栓拉伸設(shè)計(jì)；②密封性良好，保證開孔后海管內(nèi)介質(zhì)不泄漏，并設(shè)置排水口和試壓口；③與隔離閥法蘭連接界面適配。

（2）隔離閥用于海管開孔后介質(zhì)隔離，提供開孔機(jī)拆裝及海管調(diào)試條件，選型時(shí)應(yīng)考慮：①根據(jù)不同工況選取隔離閥型號(hào)，如海管接入時(shí)要求高可靠性一般采用球閥，而海管維修用于臨時(shí)封堵的可采用閘閥等，施工簡(jiǎn)便；②工作參數(shù)滿足要求，如壓力、法蘭連接界面等。

（3）開孔機(jī)用于管線開孔及切割馬鞍板回收，選型時(shí)需考慮：①開孔機(jī)設(shè)備認(rèn)證壓力滿足要求；②開孔機(jī)行程滿足要求，并可進(jìn)行調(diào)整；③開孔機(jī)水下拆裝、操控的可靠性；④與隔離閥等法蘭適配。

2 工作流程

帶壓開孔海管接入施工主要步驟包括陸地SIT（System Integration Test，系統(tǒng)集成測(cè)試）試驗(yàn)、陸地設(shè)備組裝、海管開孔點(diǎn)選擇及預(yù)調(diào)查、基坑處理、海管表面處理、開孔機(jī)組合體就位安裝、機(jī)械三通排水試壓、海管帶壓開孔作業(yè)、帶壓開孔設(shè)備回收、海管切口導(dǎo)向欄安裝、海管接入球閥短節(jié)安裝等。

2.1 陸地SIT 試驗(yàn)

帶壓開孔設(shè)備都是根據(jù)海管參數(shù)定制，具有唯一適配性，因此需驗(yàn)證各設(shè)備功能與可靠性，獲得設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，模擬水下帶壓開孔施工操作，為海上實(shí)際施工提供參考。SIT 試驗(yàn)要求管段內(nèi)壓力與實(shí)際施工作業(yè)壓力保持一致，并須包含以下內(nèi)容：①各連接位置螺栓拉伸數(shù)值；②機(jī)械三通壓緊法蘭頂緊后與主體之間間距；③機(jī)械三通各腔體壓力測(cè)試數(shù)據(jù)；④開孔機(jī)鉆孔時(shí)鉆桿行程，安裝導(dǎo)向欄時(shí)開孔機(jī)鉆桿行程及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；⑤各設(shè)備操作練習(xí)，確定施工所用工機(jī)具。

2.2 陸地設(shè)備組裝

由于重量大、水下潛水員操作困難等原因，開孔設(shè)備通常采用一套輔助工裝，用于開孔機(jī)組合體吊裝就位，陸地設(shè)備組裝的優(yōu)勢(shì)在于：①陸地環(huán)境簡(jiǎn)單，人力、設(shè)備資源充足，裝配效率高；②提前進(jìn)行組合體組裝測(cè)試，排查連接位置密封性；③提供水下操作平臺(tái)，提高安裝效率，減少海上作業(yè)船天。

2.3 海管開孔點(diǎn)選擇及預(yù)調(diào)查

根據(jù)海管數(shù)據(jù)，預(yù)先選擇海床土質(zhì)穩(wěn)定、剪切性適中，焊縫少、強(qiáng)度高的管段，并進(jìn)行預(yù)調(diào)查最終確定開孔點(diǎn)，開孔管段應(yīng)利于基坑開挖和開孔組合體安裝、操作。

2.4 基坑處理

海管開孔點(diǎn)底部基坑開挖，創(chuàng)造開孔機(jī)組合體安裝空間和潛水員作業(yè)空間，基坑大小、深度應(yīng)滿足要求，并且牢固不易塌陷。

2.5 海管表面處理

海管表面處理包括水泥配重層清理、涂層清理、海管表面拋光及縱焊縫打磨處理，海管表面處理后直線段、橢圓度、表面粗糙度應(yīng)滿足機(jī)械三通安裝密封要求，且機(jī)械三通安裝位置應(yīng)避開環(huán)焊縫。

2.6 開孔機(jī)組合體就位安裝

開孔機(jī)組合體吊裝入水，潛水員通過輔助工裝調(diào)整開孔機(jī)組合體就位，機(jī)械三通抱管調(diào)平后進(jìn)行螺栓安裝并拉伸預(yù)緊。

2.7 機(jī)械三通排水試壓

機(jī)械三通排水試壓就是對(duì)機(jī)械三通環(huán)空及腔體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，確保機(jī)械三通密封橡膠的密封性能，保證潛水員作業(yè)安全。如果出現(xiàn)泄漏，需再次拉伸機(jī)械三通的螺栓，然后重復(fù)試壓過程。試壓完畢后，打開隔離閥，對(duì)開孔機(jī)組合體注入N2（氮?dú)猓┎⑼ㄟ^機(jī)械三通排水口排水，避免開孔后海管進(jìn)入海水形成水合物。繼續(xù)注入N2至1.1 倍海管內(nèi)介質(zhì)壓力，對(duì)開孔機(jī)組合體進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，壓降值應(yīng)滿足要求。

2.8 海管帶壓開孔作業(yè)

開孔機(jī)組合體氣壓試驗(yàn)滿足要求后，將壓力降至略高于海管內(nèi)壓力（海管開孔后管內(nèi)壓力將不會(huì)進(jìn)入開孔設(shè)備內(nèi)，造成設(shè)備損傷），潛水員連接開孔機(jī)臍帶纜，輔助操作并觀察，根據(jù)陸地SIT 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過液壓控制開孔機(jī)行進(jìn)刀具，完成海管的帶壓開孔，回收刀具和切割馬鞍板至開孔機(jī)內(nèi)。

2.9 開孔機(jī)設(shè)備回收

關(guān)閉隔離閥，開孔機(jī)腔內(nèi)壓力泄放至環(huán)境壓力，壓力穩(wěn)定后保壓1 h，對(duì)隔離閥進(jìn)行泄漏測(cè)試，確保開孔后海管內(nèi)介質(zhì)不會(huì)泄漏至開孔機(jī)腔內(nèi)。泄漏測(cè)試合格后，潛水員打開開孔機(jī)注入閥和放空閥，進(jìn)行注水排氣，拆除并回收開孔機(jī)至甲板。

2.10 海管切口導(dǎo)向欄安裝

海管切口安裝導(dǎo)向欄，目的是將海管切口補(bǔ)全，防止后續(xù)異物或通球卡阻。甲板取出開孔機(jī)內(nèi)切割海管馬鞍板，將導(dǎo)向欄裝配至開孔機(jī)上，下放開孔機(jī)，潛水員完成開孔機(jī)與隔離閥法蘭連接、緊固，下放N2管，開孔機(jī)內(nèi)部注入N2完成氣壓試驗(yàn)，打開隔離閥，根據(jù)SIT 數(shù)據(jù)，潛水員輔助操作開孔機(jī)，將導(dǎo)向欄安裝并鎖緊至海管切口處，拆除并回收開孔機(jī)。

2.11 海管接入球閥短節(jié)安裝

通過吊裝工具下放海管接入短節(jié)，潛水員完成短節(jié)與隔離閥法蘭連接、緊固，下放N2/MEG 管線，對(duì)短節(jié)進(jìn)行排水注MEG（乙二醇），為后續(xù)管線接入和調(diào)試做準(zhǔn)備。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析及控制措施

3.1 陸地準(zhǔn)備過程

陸地SIT 試驗(yàn)及設(shè)備組裝過程，因設(shè)備重量、體積較大、組合形式較復(fù)雜，且涉及到高壓氣壓試驗(yàn)和臨時(shí)用電，因此該過程可能存在的風(fēng)險(xiǎn)因素有：①吊裝過程人員、設(shè)備擠傷受損；②人員觸電；③氣壓壓力傷人；④開孔機(jī)操作造成人員機(jī)械傷害。

控制措施如下：①選擇持證人員進(jìn)行吊裝、接電等操作，人員站位合理；②設(shè)置隔離帶，無關(guān)人員遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)，氣壓試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)禁在氣壓出口處；③嚴(yán)格按照設(shè)備操作手冊(cè)操作開孔機(jī)。

3.2 海上施工過程

海底管道帶壓開孔作業(yè)重點(diǎn)在于海上施工過程，涉及飽和潛水作業(yè)和海管帶壓開孔作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)性極高，施工過程可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施主要有以下12 項(xiàng)。

（1）人員不熟悉方案，設(shè)備工機(jī)具狀態(tài)不佳，造成人員傷害和工期延誤等損失?？刂拼胧┯校哼x擇經(jīng)驗(yàn)豐富具有相應(yīng)資質(zhì)的人員；核查設(shè)備工機(jī)具狀態(tài)良好并獲得檢驗(yàn)證書；對(duì)所有施工人員進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)安全交底。

（2）惡劣天氣，船舶位置失控，造成開孔機(jī)臍帶纜、N2注氣管線等損壞，甚至海管內(nèi)介質(zhì)泄漏等應(yīng)急情況。控制措施有：選擇性能良好的施工船舶，飽和潛水作業(yè)通常要求DP2（Dynamic Position）及以上船舶；參考權(quán)威天氣預(yù)報(bào)，根據(jù)施工計(jì)劃，為關(guān)鍵作業(yè)預(yù)留充分作業(yè)窗口。

（3）基坑坍塌，海床泥土掩埋開孔機(jī)組合體，威脅潛水員生命?？刂拼胧┯校焊鶕?jù)地質(zhì)勘探及海管調(diào)查情況，選擇海床土質(zhì)穩(wěn)定、剪切性適中的管段；基坑開挖寬度、深度滿足設(shè)計(jì)要求；放置開孔機(jī)組合體基座框架，提供穩(wěn)定的基坑支護(hù)和潛水員操作空間。

（4）海管表面清理時(shí)海管破損，海管內(nèi)介質(zhì)泄漏?？刂拼胧┯校哼x取焊縫少、強(qiáng)度高的管道，采用高壓水射槍清理水泥配重層而不傷害鋼管；規(guī)避環(huán)焊縫，制作輔助工裝，協(xié)助潛水員控制液壓打磨工具，清理縱焊縫及表面涂層，均勻打磨拋光海管表面，不產(chǎn)生海管表面切痕；用ACFM（Alternating Current Field Measurement，交流電磁場(chǎng)測(cè)量法）工具檢測(cè)海管是否有裂紋，確保海管強(qiáng)度。

（5）開孔機(jī)組合體吊裝下放至基座框架時(shí)，開孔機(jī)及機(jī)械三通碰撞基座框架，造成設(shè)備損傷。控制措施有：開孔機(jī)組合體設(shè)計(jì)可調(diào)式吊裝索具，SIT 時(shí)調(diào)整好索具長(zhǎng)度使組合體調(diào)平；基座框架設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置，便于組合體就位；組合體布置尾繩，潛水員輔助就位。

（6）開孔機(jī)組合體框架內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，潛水員作業(yè)極易發(fā)生潛水臍帶纏繞，甚至斷裂等風(fēng)險(xiǎn)，潛水員生命安全受威脅?？刂拼胧┯校簼撍鳂I(yè)前，施工船舶進(jìn)行漂流測(cè)試，測(cè)試船舶失去動(dòng)力情況下潛水員返回潛鐘時(shí)，船舶漂移的距離，設(shè)置相應(yīng)應(yīng)急程序；對(duì)潛水施工人員技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)交底，明確潛水員作業(yè)時(shí)進(jìn)退路線，保持潛水臍帶清爽；設(shè)置潛水員呼吸氣應(yīng)急供應(yīng)站，一旦發(fā)生臍帶斷裂情況，潛水員有足夠長(zhǎng)的時(shí)間等待救援。

（7）機(jī)械三通密封性差，不具備開孔條件，延誤工期?？刂拼胧┯校呵謇砗９鼙砻鏁r(shí)，應(yīng)嚴(yán)格測(cè)量確保直線段、橢圓度、表面粗糙度滿足機(jī)械三通密封要求；機(jī)械三通入水前，對(duì)內(nèi)部密封面進(jìn)行清理，避免雜物影響密封；吊裝框架上布置索具對(duì)機(jī)械三通抱管精就位，防止設(shè)備磕碰影響密封；根據(jù)SIT 數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械三通進(jìn)行螺栓拉伸緊固、水壓及氣壓試驗(yàn)，驗(yàn)證密封性能；配備足量密封橡膠、螺栓等備件，如密封性差則更換密封橡膠并重新安裝試壓。

（8）氣壓壓力傷人，設(shè)備損傷?？刂拼胧┯校哼M(jìn)行技術(shù)交底，嚴(yán)格按方案施工；作業(yè)船甲板設(shè)置隔離區(qū)，無關(guān)人員禁入，人員站位避讓泄放口；使用防脫鏈，加壓前檢查各接頭松緊；水下加壓期間，潛水員保持安全距離，主要由ROV（Remotely Operated Vehicle，遙控潛水器）觀察。

（9）帶壓開孔時(shí)開孔機(jī)刀具卡阻或無法回收。控制措施有：陸地SIT 試驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)證開孔機(jī)刀具轉(zhuǎn)數(shù)和最終行程，確定最佳開孔機(jī)液壓站壓力和刀具轉(zhuǎn)速；檢查刀具鉆桿是否偏心，若有需調(diào)整至中心位置；開孔機(jī)與隔離閥、機(jī)械三通法蘭連接時(shí)，法蘭間距誤差小于2 mm，保持組合體軸向?qū)χ?；如果卡阻，調(diào)整開孔機(jī)液壓站壓力，或停機(jī)手動(dòng)退刀，然后重新給刀切割。

（10）帶壓開孔時(shí)海管內(nèi)介質(zhì)發(fā)生泄漏。海管進(jìn)水分兩種情況，一是開孔過度，海管穿透；二是開孔機(jī)組合體密封不嚴(yán)。控制措施有：嚴(yán)格按照SIT 數(shù)據(jù)給進(jìn)刀具，杜絕穿透事故；機(jī)械三通、開孔機(jī)等各注、排放口堵頭、閥門采用質(zhì)量過硬產(chǎn)品，開孔前經(jīng)水壓、氣壓試驗(yàn)確保密封良好；確認(rèn)海管下游控制閥狀態(tài)，隨時(shí)做好關(guān)停下游供氣準(zhǔn)備。

（11）帶壓開孔時(shí)隔離閥密封失效，開孔機(jī)腔內(nèi)與海管內(nèi)介質(zhì)相通，無法拆除回收，影響后續(xù)工序，海管內(nèi)介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)極大?？刂拼胧┯校焊綦x閥選擇質(zhì)量好的成熟產(chǎn)品，產(chǎn)品應(yīng)具有注脂封堵口，保留應(yīng)急功能；選擇雙DPE（Double Piston Effect，雙向密封閥座）密封，兼顧生產(chǎn)和開孔工況需求，具備雙重密封保障；開孔機(jī)開孔完成后，先反轉(zhuǎn)1 min，利用海管內(nèi)介質(zhì)將切削碎屑沖走，防止碎屑研磨隔離閥密封面；開孔機(jī)具備泄壓接口，制定應(yīng)急預(yù)案，協(xié)調(diào)海管介質(zhì)降壓至較環(huán)境壓力略高，以便潛水員拆除回收開孔機(jī)。

（12）球閥短節(jié)內(nèi)進(jìn)海水，與海管內(nèi)介質(zhì)接觸形成水合物，堵塞隔離閥或海管?？刂拼胧┯校憾坦?jié)安裝結(jié)束后進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，保證密封良好，并注入MEG 置換海水。如果試壓過程發(fā)生泄漏問題，則應(yīng)重新液壓緊固法蘭后重新試壓和MEG 置換。

4 結(jié)束語

海底管道帶壓開孔作業(yè)雖然已有多起成功案例，但該作業(yè)環(huán)境工況十分復(fù)雜，具有較高的風(fēng)險(xiǎn)，施工過程中切不可掉以輕心。通過不斷規(guī)范和優(yōu)化作業(yè)流程，充分識(shí)別作業(yè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，采取對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)安全措施，根據(jù)海管規(guī)格和輸送介質(zhì)的壓力、溫度等參數(shù)選擇合適的作業(yè)工藝，能夠較好地控制帶壓開孔作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，避免因海管泄漏等造成設(shè)施停產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失。