大口徑煤氣管道帶壓開孔的實踐

郭鵬志

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122）

前言

帶壓開孔技術是一種在介質管道正常輸送情況下的開孔技術。該技術開孔時，不動火，不停輸，不降壓，避免了因管道停輸或減量對正常生產造成的經濟損失。尤其對易燃易爆有毒的煤氣，杜絕了動火作業的安全隱患，降低了對原有設施與環境的影響。

該技術最早由中國石油天然氣管道局在20世紀80年代中期從國外引進，應用于國內油氣管道行業。受到當時技術水平的限制，開孔參數限制于常溫、孔徑小于DN300、壓力小于1.0 MPa。隨著技術進步，應用范圍從油氣管道行業延伸至煉油、化工、冶金、市政等領域，開孔技術參數提升至-60℃至250 ℃、DN2600、6.4 MPa。

近幾年，隨著鋼鐵企業煤氣管道的檢修、擴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：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。相對而言，此次開孔工藝復雜，條件苛刻，風險較高，需防止煤氣泄漏、燃燒、爆炸、中毒、機械故障等不安全因素。

（1）選擇合適的開孔位置。開孔應選擇在母管的固定支架處或兩側，減少母管對開孔閘閥的熱位移與熱應力，有利于管系的布置。盡可能縮小短節長度，避免筒刀進刀過長而產生的懸臂下垂量，影響開孔質量，嚴重時易發生卡刀。

（2）監控煤氣的氧含量。在焊接和開孔時，在管道上游實時監控管道內煤氣的氧含量，以防止包管焊接、短節焊接與開孔時溫度達到燃點而引發爆炸事故。

（3）母管包管。原D3220×12母管受高爐煤氣腐蝕發生壁厚減薄，經測量最薄處約8 mm。現場采用12 mm鋼板對母管進行包管，焊縫避開嚴重腐蝕區域，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。開孔設備安裝完畢后，短節、法蘭、閘閥、開孔機須進行整體氣密性試驗，以防止漏點在開孔后造成煤氣泄漏人員中毒。

（5）一氧化碳濃度監測報警。開孔區域設置多點一氧化碳濃度報警儀，以監測煤氣泄漏，及時報警撤離人員。

（6）筒刀進刀監測。帶壓開孔時，需實時監控開孔機進刀的情況，監聽切削聲音有無異響，以防筒刀卡刀造成筒刀刀齒損壞。若開孔機未設置過力矩保護，卡刀時不及時停機，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，主要分準備、實施、檢查三個環節，每個環節又細分若干步驟。

2.1 開機準備工作

（1）選擇開孔點；

（2）搭建操作平臺；

（3）焊接包管、短節與法蘭；

（4）測量最大進刀尺寸；

（5）安裝閘閥；

（6）閘閥全程啟閉的動作測試；

（7）閘閥的泄漏試驗；

（8）安裝開孔機；

（9）打開閘閥，整體嚴密性試驗；

（10）準備工作結束。

帶壓開孔的開孔機，見圖1。準備工作完成后的帶壓開孔設備安裝，見圖2。

圖1 帶壓開孔機

圖2 準備工作完成后的帶壓開孔設備安裝圖

2.2 開孔作業步驟

（1）短節、閘閥與開孔機內部空間的氮氣置換；

（2）檢驗煤氣含氧量小于1%；

（3）啟動液壓站，開孔機進刀；

（4）開孔機中心鉆接觸母管，直至鉆透母管；

（5）開孔機筒刀接觸母管，開始筒刀切削；

（6）開孔機中心鉆打開回卡；

（7）開孔機筒刀鉆透母管，鞍板與母管完全脫離；

（8）開孔機開始回刀，中心鉆回卡帶回鞍板，直至回刀到位；

（9）關閉閘閥；

（10）開孔機內部空間的氮氣置換；

（11）拆除開孔機，閘閥后堵盲板；

（12）開孔作業結束。

2.3 檢查工作

（1）檢查短節、法蘭、閘閥與盲板等各部位有無煤氣泄漏；

（2）檢查鞍板切口是否順滑，有無撕裂；

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

3 筒刀發生卡刀情況

前一個DN2000帶壓開孔作業時，前期進展順利，筒刀開始切削母管，中心鉆回卡已經打開。筒刀繼續進刀切削時，轉速開始降低直至卡死，開孔機隨后緊急停機。從進刀尺寸測算，此刻筒刀距離全部鉆透母管大約還有200 mm，鞍板已經切削了約56%。

卡刀的處理措施，開孔機先短程退刀，然后繼續進刀，若再次卡刀則再短程退刀，以此反復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，導致未能將切削下的鞍板帶出母管。拆下開孔機進行檢查，發現筒刀內壁明顯劃痕，個別刀齒斷裂，見圖3。主軸與齒輪盤完好，但主軸軸承滾子損壞嚴重，見圖4。

圖3 開孔機筒刀刀齒斷裂

圖4 開孔機主軸軸承損壞

4 原因分析

現場發現帶壓開孔處的DN3200母管背負了一些小口徑的介質管道。由此推斷，母管承受外部載荷具有較大的內應力。筒刀進刀切削時，鞍板逐步從母管分離進入筒刀內部，其內應力逐漸釋放而發生擴張性的變形還原，增加了筒刀的切削阻力。當阻力增大至一定程度時便發生了卡刀。

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。當筒刀進刀時，起初下部切削量大于上部，切削阻力相應也大于上部。隨著筒刀進刀，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，阻力完全來自上部。上部與下部切削量與阻力的不對稱與變化，不利于筒刀切削進刀的穩定性。

本次卡刀的主要原因為母管上橢下圓的變形與鞍板應力釋放導致的變形還原。

5 預防措施

第二次DN2000帶壓開孔，針對母管變形與鞍板應力釋放的因素，為避免筒刀再次卡刀，采取了三項預防措施：

（1）取消開孔處母管的外部載荷，其上所背負的管道、電纜橋架等另作支撐。

（2）鞍板處制作井字撐以防止鞍板內應力釋放后的還原變形。

（3）復核開孔機主軸強度，增加開孔機輸出功率。

6 結語

采取預防措施后，筒刀切削較為平穩，未發生卡刀現象，且中心鉆回卡帶出的鞍板切口平滑無撕裂痕跡。理論結合實踐，充分證明了原因分析的正確性與預防措施的可靠性，為帶壓開孔在鋼鐵行業大口徑煤氣管道的技術成熟提供了有力支撐，具有深遠的技術與經濟意義。

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