帶壓開孔封堵技術應用及探討

程習剛 沈志恒

中國石油天然氣第七建設公司山東青島266061

帶壓開孔技術是一種工藝先進的管道、設備改造以及工程搶修技術,它解決了裝置連續生產的難題,能帶來巨大的經濟效益和社會效益。該技術能在不停產的情況下進行帶壓在線開孔接點,全過程在密閉空間內進行，既不影響裝置的正常運行，又能保證安全、高效、環保地完成管線碰頭或預留接口的任務，在實踐中得到了越來越多的成功運用。

本文以遼陽石化公司汽油質量升級項目污油線帶壓開孔為例，通過帶壓開孔原理、帶壓開孔工藝流程、開孔方法、過程控制的歸納總結，闡明了帶壓開孔的技術要領。特別是在該項目中成功使用了橡膠軟管泄壓和自制手動軋管刀割管工藝，大大減少了焊接工作量，安全方便快捷，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 項目概況

在遼陽石化公司汽油升級項目實施中，因現場有兩條DN250污油線影響基礎施工需拆除，但供一氣分的污油主線上無隔斷閥無法停輸。工程部決定在MTBE裝置北側污油主線上，不停輸加閥門，以利切斷其后的管線。

2 帶壓開孔原理

在管道不停輸的情況下，利用特殊對開三通法蘭短節、閥門連接在需要開孔的管線（設備）上，采用機械和手動開孔工具實現在線開孔。開孔機在開孔過程中是在完全封閉的空腔內進行的,刀具切削過程與空氣隔絕,無著火、爆炸的可能性。由于封閉開孔、無泄漏,有毒有害介質不能排放到大氣中,因此對環境無污染。帶壓開孔原理圖如圖1所示。

圖1 帶壓開孔原理圖

2 工藝流程

帶壓開孔加閥流程圖如圖2所示。

圖2 帶壓開孔加閥流程圖

3 施工前的準備工作

3.1 技術準備工作

3.1.1 帶壓開孔施焊要求

認真審查原有施工圖紙及相應技術規范，通過計算確定開孔管道是否允許帶壓施焊。

（1）開孔短管焊接管道壓力要求

管道允許帶壓施焊的壓力計算如下：式中：

P——設備、管道允許帶壓施焊的壓力，Mpa；

σs——設備、管道母材的最小屈服極限，Mpa；

t——焊接處管道、設備實際厚度，mm;

c——因焊接引起的壁厚修正量，mm（通常為2.4mm）;

D——設備、管道外徑，mm。

F——安全系數（水、氮氣等非可燃、有毒介質取0.6；有毒可燃介質取0.5）

將本項目中相應的數據代入上式，得出P=2.99Mpa＞1.6Mpa（管線操作壓力），故污油管道滿足外部施焊要求。

（2）焊接管道內介質流速要求

查流量計顯示280m3/h。根據計算公式，可得其中的流速為1.585m/s＜5m/s，滿足焊接要求，同時流速小于2.5m/s，可以直接封堵。

3.1.2 帶壓開孔技術措施制定

針對開孔、封堵、焊接等編制專業施工技術措施和相應的質量檢驗措施，并對施工現場平面、空間提前做好勘查。技術措施要求切實可行，可控性強。要健全壓力管道安裝質量保證體系。此外，需要完成的工作還包括：圖紙會審與設計交底工作；技術標準規范收集；向施工作業人員技術交底；對特殊施工作業人員起重工、電焊工、檢測工進行資質審查，焊接工藝評定的制作與審核，所有交工技術文件、表格準備就位。

3.2 物資準備

施工前所有機械設備齊全并調試運轉正常。施工用管子、管件表面無裂紋、縮孔、夾渣、重皮等缺陷，無超過壁厚負偏差的銹蝕或凹陷；密封材料不應有氣孔、雜質、飛邊、毛刺、裂紋等缺陷；帶特殊法蘭的對開三通等材料應有材料材質單、產品合格證及標識齊全，閥門還應有試壓記錄。

物資準備主要是開孔機、封堵器及開孔用刀具堵頭的準備，專用閥門及對開式三通的定制、臨時旁路線的提前預制。

3.3 開孔作業點選擇

開孔作業點宜選擇在寬敞位置，并應核對圖紙，將開孔點選擇在業主指定位置附近。

剝離被開孔管道防腐層，開孔點不能選擇在焊縫上。如實際位置在焊縫上則應與設計和業主商量更換位置。

兩條污油線開孔點前后錯開，留出施工空間。

利用測厚儀對被開孔管道的開孔點進行壁厚測量并記錄數據。通過測厚儀檢測施焊處的實際壁厚，以滿足施焊要求。

3.4 現場準備

聯合作業坑和動火作業坑的開挖應有足夠的操作空間且滿足安全逃生要求。作業區外設置安全警戒區，并設置明顯的安全標識

4 帶壓開孔的施工過程

首先在設備、管道帶壓焊接一個帶特殊法蘭對開三通，在法蘭上方安裝一臺夾板閥。把開孔機與法蘭閥門連接，并打開閥門。把開孔機刀具通過閥門接觸到需要開孔設備和管道，然后在該短管、閥門、鉆機連箱刀具放置空間里面按被開孔管道的設計壓力做好試壓及氣密工作，試壓合格后轉動刀具在設備、管道上開孔。開孔成功后退出刀具和開孔留下的鐵塊，退出到閥門以外的鉆機連箱的空間中，然后關閉閥門，鉆機連箱泄壓并拆去開孔機，帶壓開孔成功。

4.1 對開三通組對及焊接

對開三通組對尺寸要求嚴格。選定開孔位置后，先用一個帶特殊法蘭的對開三通（半圓管）扣在待開孔的污油線上，其正下方配對另一半對開三通，確定能全部包住主管且尺寸合適，將兩片對開三通點焊固定。

對開三通護板和管道焊接是帶壓開孔的關鍵環節。對開三通護板縱向焊縫采用兩名焊工同時對稱施焊；縱向焊縫完成后，兩名焊工對兩道環向角焊縫再分別對稱施焊。在環向角焊縫焊接過程中，采用容易控制的手工鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面，焊接過程中采用小電流、快速焊、手把傾斜等方法降低線能量，從而降低溫度和熔池深度。在氬弧焊焊接過程中，熔池深度（深入需開孔管道、設備側）在2mm左右。由于開孔過程是在操作條件下進行的，所以必須保證管道內壁溫度不可過高，一般內壁溫度不超過100℃。環向角焊縫焊接形式結構如下圖3所示。焊接完成后采用PT和MT對焊道進行無損檢測。

圖3 環向角焊縫焊接形式結構圖

4.2 對開三通法蘭封堵

在對開三通特殊法蘭口外側，采用配套螺絲擰入法蘭外側的四個小孔孔中，推動小孔內的圓弧形的“鍵”推出堵盤以完成法蘭封閉。

4.3 管線開孔

4.3.1 將夾板閥和壓力平衡閥安裝就位

夾板閥水平安裝在對開三通法蘭上方，并加正式墊片密封良好。在開孔的污油線下游采用電動小開孔機鉆開一個平衡泄壓小孔，帶有球閥的平衡孔短節在開孔完成的同時留在接管上，待小開孔刀縮回后關閉球閥，卸下小開孔機。

4.3.2 組裝開孔機

組裝過程中應該檢查開孔刀和鉆機連箱同心度是否符合要求。測量開孔刀頭的初始位置，并在開孔機軸標尺處做好記錄，方便確認刀具進入狀況。把開孔機和閥門連接，墊片螺栓適用準確。確認閥門尺寸，確保有足夠的內徑讓開孔刀順利通過。調整開孔行程，確保開孔行程不超過開孔機的最大行程，且滿足開孔要求，開孔機組裝及調整圖見圖4。

圖4 鉆孔設備組裝及調整圖

4.3.3 開孔設備水壓及氣密試驗

開孔前對焊接在管道上的管件和組裝在管道上的閥門、開孔機等部件進行整體試壓，試驗壓力選擇管道操作壓力1.6MPa。強度試驗合格后用氮氣進行整體氣密。氣密過程也是置換過程，把連箱和短管內空氣置換成惰性氣體。氣密檢驗采用在法蘭及接口噴肥皂水的方式。確認檢驗無滲漏后，打開連箱放空閥，為放凈連箱和短管內的氣體準備。

4.3.4 帶壓開孔

帶壓開孔開始，用力要均勻。中心鉆頭鉆透管壁時，介質會充滿連箱和短管，等里面氣體全部放出后，關閉放空閥。隨著開孔刀開始切割管壁，可以聽到刀具切割噪音。開孔時要注意鉆機的轉速，確保開孔機轉速穩定。開孔完畢后，切割噪聲會降低或停止，動力液壓也會降低，且開孔機和動力裝置將更穩定，同時檢查軸標尺，是否已經達到深度。完成開孔。

為確認是否完成開孔，改用手搖柄調節鉆桿行程，只需將刀具在用手動進入5-6圈，如能順利進入，表明開孔已經完成，如不能進入，說明還需繼續開孔。鉆頭鉆通管皮后繼續下行，鉆頭上“Π”形鋼絲隨之進到管皮下，因偏心自重而倒下擋住管皮，等鉆桿上提時管皮被帶出，鉆頭上有2道這樣的鋼絲，雙保險。開孔完畢后退回刀具到連箱內。完全關閉閥門。開啟放空閥，釋放連箱內的壓力。把開孔機從閥門上拆除。作業完成。

4.4 管線封堵加閥

開孔作業完成后，調整連桿行程到夾板閥上方，關閉法蘭及夾板閥，拆除開孔機更換為封堵機。接管連通平衡泄壓孔與封堵機，待封堵碗兩側壓力平衡時，啟動封堵機將主管封堵嚴密。管線封堵結構圖如下圖5所示。

圖5 管線封堵結構圖

封堵完后卸下與封堵機聯箱一側的耐壓橡膠軟管，改連通管為泄壓管將污油線泄壓，觀察泄壓管的壓力大小，等泄壓管壓力在0.2Mpa以下時用手動軋管刀（比鋼鋸割管節省了時間，同時由于軋管刀力臂大，用力要求較小，也降低了帶壓介質噴出傷人的可能性）切斷管線（如圖6所示）加閥。

圖6 管線泄壓、手動軋管刀割管圖

4.5 拆除封堵

加閥完成后封堵機完成任務，關閉夾板閥，為方便拆除封堵，再次接通連通管，在封堵碗兩側壓力平衡時，提起封堵頭，待封堵頭提到夾板閥上方時，關閉法蘭，拆吊夾板閥。

4.6 加盲蓋

在平衡泄壓小孔上擰上管帽。需要指出的是，平衡泄壓小孔開完后，仍由小開孔機裝上一個有外螺紋的小堵盤，擰在橘黃色球閥下面帶內螺紋的管上，堵住管口再擰上帶螺紋的管帽，也是雙保險，最后卸下施工用的特殊球閥。在對開三通法蘭上方安裝密封墊片及法蘭蓋。帶壓開孔、加閥施工完成圖見圖7。

圖7 管線帶壓開孔、加閥施工完成圖

4.7 防腐及地貌恢復

管道開孔和加閥作業完成后，將更改的管道、管件等按照設計圖紙要求進行防腐。待防腐層固化后在加閥位置制作并安裝兩個閥門井，其余位置進行土方回填，并做好地貌的恢復。地貌恢復完成后在地面上設置埋設標志樁。標志樁內容包括封堵點管道里程、埋深、法蘭短接數量。

5 帶壓開孔過程控制

帶壓開孔是在管線不泄壓的情況下完成，其鉆孔準備工作和鉆孔過程要求非常嚴格

5.1 對開三通組對焊接控制

（1）兩條污油線開孔位置是錯開的，便于施工；

（2）對開三通和在一起后尺寸能夠全部包住主管，且對開三通護板與管道間隙不大于2mm；

（3）對開三通法蘭沿管道軸線方向的兩端到管頂的距離差不應大于1mm，對開三通法蘭中軸線與其所在位置管道軸線間距不應大于1.5mm；

（4）管件的焊接嚴禁使用氣焊。對開三通護板角焊縫焊接時采用小電流，保證焊接溫度在100℃以下，防止燒穿母管。

5.2 鉆孔及封堵過程控制

（1） 夾板閥應在關閉狀態下下吊裝；

（2）注意測量夾板閥內孔與對開三通內孔的同軸度，控制在1mm以內；

（3）開孔機與開孔結合器、封堵器與封堵結合器應豎直安裝和拆卸；

（4）液壓油站鉆孔施工時油壓控制在7～8MPa，用手搖柄調節鉆桿行程,確保鉆孔過程平衡；

（5）封堵前確認封堵頭堵盤帶的O 型密封膠圈外形完好，防止密封不嚴；

（6）封堵機封堵和拆除封堵時，都要確保封堵位置前后管以聯通并達到壓力平衡，進而保證封堵的壓密性和堵拆輕便。

6 工期效益分析

傳統的施工方法是待裝置有機會停工或具備臨時停工時，吹掃開孔管段，進行常規的動火切割作業。采用不停輸帶壓開孔，能在不停輸情況下帶壓開孔，使裝置同時維持正常運行，減少停產損失。

6.1 工期分析

利用帶壓開孔技術，只用了2d時間，就把DN250的2臺閘閥架設完畢，如果按正常的停車、吹掃、開孔、開車程序，最起碼需要15d，起到了快速有效的作用。

6.2 效益分析

7 帶壓開孔技術擴展

表1 帶壓開孔與停車施工效益分析表

帶壓開孔，是一種安全、環保、經濟、高效的在線管線維搶修技術，適用于原油、成品油、化工介質、天然氣等多種介質管線的正常維修改造和突發事故的搶修。本文主要介紹了帶壓開孔在不停輸的情況下加閥門以利切斷其后的管線的一種情況，實際生產中用到帶壓開孔的情況還很多。在新舊管線碰頭、設備增加接管，管線擴徑、增加旁路，或在裝置的運行中，因管線泄漏、堵塞、腐蝕等，需要旁路維持生產并處理故障管線段等，這些都需要帶壓開孔作業。其原理都是相同的，過程比較復雜的是故障管線段更換，其工藝示意圖如圖8所示。

圖8 故障管段帶壓更換工藝示意圖

帶壓開孔封堵技術近年來已經被廣泛的認可和使用，其開孔方法和過程控制還有待不斷地完善和成熟。本文中介紹的連通管和泄壓管采用耐高壓橡膠軟管代替鋼管減少了動火焊接工作量，降低了易燃易爆介質燃燒爆炸的可能性；采用自制手動軋管刀割管安全快捷，具有不錯的實用性。熟悉帶壓開孔封堵原理，在實踐中配合使用新材料、新設備、新工藝，在提高安全性、降低成本、環保科學等優勢的前提下，不斷完善帶壓開孔封堵技術，相信這一技術在管道搶維修中能夠得到更多的采納和應用。

1 曹崇珍，劉格非，賈志方。《鋼制管道封堵技術規程》[M]；Ⅱ版；北京；石油工業出版社；2011.7

2 夏節文，關一卓，趙喜平。《現場設備、工業管道焊接工程施工質量驗收規范》[M]；北京；中國計劃出版社，2011.2

3 張西庚，張桂紅，單承家。《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》[M]；Ⅳ版；北京；中國石化出版社；2011.5