海底管道帶壓開孔回接技術

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

管道帶壓開孔技術用于在不停產的狀態下在生產管線上進行開孔，形成新的管線支路。借助該技術可在已建管道不停產的條件下實施管線修復、改造和油氣的回接，避免因施工停產造成的經濟損失。海底管道帶壓開孔回接技術是將帶壓開孔技術應用于新建海上油氣田或者油氣站的回接，該技術除了具備帶壓開孔技術自有的優勢外，還可以實現油氣就近接入/接出已建管道，降低新建項目的工程建設費用，具有很廣泛的應用前景。目前海管帶壓開孔回接技術在國內也開始應用。張海波[1]闡述了海底管道帶壓開孔技術在渤海灣某一項目上的應用，于洪旭[2]介紹了帶壓開孔回接技術在南海某項目上的應用，均取得了良好的應用效果。得益于帶壓開孔回接技術的優勢及邊小海上油氣田的開發需求，采用海管帶壓開孔方式進行油氣回接的需求也越來越多。針對這種需求，對海底管道帶壓開孔回接技術進行了系統的闡述，為開孔工機具國內產化及帶壓開孔回接技術在國內的推廣應用提供參考。

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備，用于在已建管線上形成盲支管，為開孔作業和作業密封提供基礎。帶壓開孔三通主要有焊接安裝三通、機械抱卡三通、注劑式三通等。每種方案各有特點，施工時可根據需要選擇。

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，并根據需要在開孔的位置補強。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，首先將2片三通半瓦合抱在待開孔的海管上，對焊成完整的三通，然后將三通兩端通過環焊縫焊接到海管上，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。經焊縫檢驗和三通壓力試驗檢驗合格后，方可進行后續作業。焊接帶壓開孔三通結構簡單，操作方便，連接可靠，在陸地上應用非常廣泛。由于需要進行焊接操作，在海管上進行應用時需要將三通與海水隔離。灘海區域可以采用圍堰抽水實現，但在水下應用則需要在干式艙內才能進行焊接工作，而且施工人員需要同時具備潛水員和焊工資質。高額的設備費用和嚴格的人員資質要求，限制了其在較深水帶壓開孔的應用。由于采用焊接方式，焊接的高溫會降低管道局部的結構強度，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行焊接，在焊接過程中要嚴格控制焊接溫度和焊接質量。

機械抱卡三通主要由上下半瓦、卡瓦及鎖緊機構、軸向和環向密封、半瓦開合和鎖緊機構和法蘭等零部件組成，結構如圖2所示。

圖2 機械抱卡帶壓開孔三通

機械抱卡三通安裝時，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，防止機械三通移動和旋轉。在抱緊上下半瓦和鎖緊卡瓦的同時，機械三通的軸向和環向密封也受到擠壓變形，形成機械抱卡三通在開孔部位軸向和環向的密封。經壓力試驗檢驗合格后，方可進行開孔作業。安裝機械抱卡三通不需要進行焊接施工，無需干式艙即可進行作業，施工簡單，但是機械抱卡三通自身的機構復雜，質量較大且價格高，并且對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，結構如圖3所示。注劑式三通安裝時，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空。待環空的密封性檢查合格后，通過下半瓦的注入孔向環空注入專用的環氧樹脂或者其他可以達到固化強度和密封要求的流體，直至環空內注滿樹脂。待環氧樹脂固化達到設計強度并且三通壓力試驗檢驗合格后，方可進行后續作業。注劑式三通同樣不需要進行焊接施工，無需干式艙，相比機械抱卡三通結構簡單，質量輕，但是需要進行水下的環氧樹脂灌注作業并等待樹脂固化，因此施工時間比機械抱卡三通略長。

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。下面以應用比較廣泛的機械抱卡三通為例，介紹開孔流程。

在做好前期準備工作且天氣條件滿足施工條件的情況下，先進行預調查，清除影響清理作業的障礙物，然后開挖帶壓開孔作業的基坑，以滿足作業的空間要求。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，才能進行后續的作業。為了確保機械三通安裝的密封性，需要將卷板管焊縫磨平，并用測量卡子、移動規測量開孔管線的直線度與橢圓度，在通過海管的表觀檢查、無損探傷后方可進行帶壓開孔設備的安裝。

對于機械抱卡三通，通常采用與開孔機和開孔閥門組裝后整體吊裝的方式安裝（如圖4）。在機械三通可靠安裝到海管并通過密封性測試后，進行開孔作業。開孔前，先打開帶壓開孔閥門，進行開孔設備壓力測試，測試整個開孔系統的密封性。待密封性確認后，開啟先導鉆頭鉆穿海管，再啟動開孔鉆進行開孔，待鉆進深度達到設計深度后停止開孔作業。待確認完全切割完成后，將開孔刀具連同切割下的鞍形板一同退回到開孔機內，關閉開孔球閥，平衡開孔機內外壓力后，拆除開孔機。待開孔機回收至水面以后，檢查測量鞍形板尺寸，對開孔效果進行研判。

3 管線回接和預調試

新建海管的鋪設與帶壓開孔的施工工作是獨立進行的，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前都處于關閉狀態，在海管端部形成盲端，新接入的海管不能按照常規方法進行整條海管的一次性預調試。此問題可通過分段預調試的方法解決。為此，對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置1臺可通球的清管三通撬，用于新建海管的預調試。撬內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入海水，需要進行充分的排水干燥，或者采用乙二醇對海水進行置換，避免在管道內部形成水合物。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置加固結構，以及在回接膨脹彎上設置壓力平衡安全節點、單向閥等設備[5]，以提高帶壓開孔連接的強度，并防止管道受損的情況下介質的大量泄漏。

圖4 帶壓開孔三通和開孔機吊裝

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

帶壓開孔回接方案有較高的經濟優勢，但是也有其適用范圍和注意事項。

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

2）帶壓開孔三通材料選擇。帶壓開孔后，帶壓開孔三通的內壁及三通與海管之間的密封件也將暴露于介質，選擇三通本體和密封件材料時要考慮材料與輸送介質的相容性，包括金屬材料的力學性能和耐腐蝕性，非金屬材料與介質的相容性（與介質接觸后不發生溶脹、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計年限。

3）帶壓開孔位置的選擇。選擇帶壓開孔的位置時，應以減少回接距離和開挖工作量為目標，以降低工程費用和風險。同時要注意檢查目標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施。

4）開孔海管和機具要可靠支撐。作業坑開挖的尺寸要滿足帶壓開孔作業的需要，在開孔前要進行三通與海管之間、閥門與三通、開孔機之間及整個開孔系統的密封測試，避免作業過程中出現泄漏情況。由于帶壓開孔三通比較重，加上帶壓開孔閥門和機具，更惡化了處于懸空狀態的海管的受力情況。因此在開孔時要對開孔位置進行有效可靠的支撐，并且在開孔后進行開挖區域的回填，確保開孔位置海管的穩定性，避免海管和開孔設備懸空導致海管結構受損，進而發生事故。

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的兼容性，避免陰保系統之間的相互影響，甚至導致某一方陽極被過度消耗。

6）帶壓開孔后的保護。機械帶壓開孔三通與海管之間的連接比較脆弱，對位于漁業區、航道區的場址需要進行落物、漁網、錨的防護。在項目投產后要進行定期的觀察和維護。

5 結 語

海管帶壓開孔回接是一種經濟高效的海上油氣管道回接技術，目前國內已經有多項海管帶壓開孔回接的成功應用案例。而且海管帶壓開孔三通、水下帶壓開孔機及混凝土和防腐涂層剝離設備的國產化也正在順利推進，產業鏈逐步形成，海管帶壓開孔回接在國內有廣闊的應用前景。考慮到帶壓開孔三通的購置和安裝費用仍然比較高，因此在設計外輸干線海管時，建議考慮預先在海管上設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用，使帶壓開孔這一優良的技術得到更廣泛的應用。