海底管道帶壓開孔的風險因素及控制措施探討

湯炳然，劉文濤，駱承樹，王海龍，吳業旺

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

海底管道帶壓開孔技術在管道維修過程中可實現不停產作業，降低下游產量損失，又可防止管道內介質外溢，避免海洋環境污染。同時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方案也極具經濟性，因此海底管道不停輸帶壓開孔技術的應用也將更為廣泛[1]。

目前我國海域已完成多例海底管道帶壓開孔作業，但這些個案介紹主要以海底管道帶壓開孔成功案例應用為主，較少涉及危險因素的分析。由于石油化工裝置有易燃易爆、高溫高壓、有毒有害的特點，并且海底管道水下環境復雜，因此帶壓開孔作業實施的風險極高。本文著重分析影響海底管道帶壓開孔過程的風險因素，并給出相應的控制措施，確保該技術運用過程的安全可控。

1 選型要求

帶壓開孔作業是指維持管線正常生產，在不停止輸送介質、海管內保持一定生產壓力的情況下，通過開孔機、隔離閥和機械三通組合體，在已有管線上進行開孔，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，典型開孔機組合體如圖1 所示[2]。

圖1 典型垂直、水平開孔機組合體

圖2 垂直及水平帶壓開孔輔助工裝

海管帶壓開孔主要設備有機械三通、隔離閥和開孔機。

（1）機械三通用于海底管道開孔點包裹密封，提供開孔作業基座，選型時應考慮：①海管各項參數，形成機械三通強度設計和螺栓拉伸設計；②密封性良好，保證開孔后海管內介質不泄漏，并設置排水口和試壓口；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隔離，提供開孔機拆裝及海管調試條件，選型時應考慮：①根據不同工況選取隔離閥型號，如海管接入時要求高可靠性一般采用球閥，而海管維修用于臨時封堵的可采用閘閥等，施工簡便；②工作參數滿足要求，如壓力、法蘭連接界面等。

（3）開孔機用于管線開孔及切割馬鞍板回收，選型時需考慮：①開孔機設備認證壓力滿足要求；②開孔機行程滿足要求，并可進行調整；③開孔機水下拆裝、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，系統集成測試）試驗、陸地設備組裝、海管開孔點選擇及預調查、基坑處理、海管表面處理、開孔機組合體就位安裝、機械三通排水試壓、海管帶壓開孔作業、帶壓開孔設備回收、海管切口導向欄安裝、海管接入球閥短節安裝等。

2.1 陸地SIT 試驗

帶壓開孔設備都是根據海管參數定制，具有唯一適配性，因此需驗證各設備功能與可靠性，獲得設備運行數據，模擬水下帶壓開孔施工操作，為海上實際施工提供參考。SIT 試驗要求管段內壓力與實際施工作業壓力保持一致，并須包含以下內容：①各連接位置螺栓拉伸數值；②機械三通壓緊法蘭頂緊后與主體之間間距；③機械三通各腔體壓力測試數據；④開孔機鉆孔時鉆桿行程，安裝導向欄時開孔機鉆桿行程及旋轉圈數；⑤各設備操作練習，確定施工所用工機具。

2.2 陸地設備組裝

由于重量大、水下潛水員操作困難等原因，開孔設備通常采用一套輔助工裝，用于開孔機組合體吊裝就位，陸地設備組裝的優勢在于：①陸地環境簡單，人力、設備資源充足，裝配效率高；②提前進行組合體組裝測試，排查連接位置密封性；③提供水下操作平臺，提高安裝效率，減少海上作業船天。

2.3 海管開孔點選擇及預調查

根據海管數據，預先選擇海床土質穩定、剪切性適中，焊縫少、強度高的管段，并進行預調查最終確定開孔點，開孔管段應利于基坑開挖和開孔組合體安裝、操作。

2.4 基坑處理

海管開孔點底部基坑開挖，創造開孔機組合體安裝空間和潛水員作業空間，基坑大小、深度應滿足要求，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、表面粗糙度應滿足機械三通安裝密封要求，且機械三通安裝位置應避開環焊縫。

2.6 開孔機組合體就位安裝

開孔機組合體吊裝入水，潛水員通過輔助工裝調整開孔機組合體就位，機械三通抱管調平后進行螺栓安裝并拉伸預緊。

2.7 機械三通排水試壓

機械三通排水試壓就是對機械三通環空及腔體進行水壓試驗，確保機械三通密封橡膠的密封性能，保證潛水員作業安全。如果出現泄漏，需再次拉伸機械三通的螺栓，然后重復試壓過程。試壓完畢后，打開隔離閥，對開孔機組合體注入N2（氮氣）并通過機械三通排水口排水，避免開孔后海管進入海水形成水合物。繼續注入N2至1.1 倍海管內介質壓力，對開孔機組合體進行氣壓試驗，壓降值應滿足要求。

2.8 海管帶壓開孔作業

開孔機組合體氣壓試驗滿足要求后，將壓力降至略高于海管內壓力（海管開孔后管內壓力將不會進入開孔設備內，造成設備損傷），潛水員連接開孔機臍帶纜，輔助操作并觀察，根據陸地SIT 實測數據，通過液壓控制開孔機行進刀具，完成海管的帶壓開孔，回收刀具和切割馬鞍板至開孔機內。

2.9 開孔機設備回收

關閉隔離閥，開孔機腔內壓力泄放至環境壓力，壓力穩定后保壓1 h，對隔離閥進行泄漏測試，確保開孔后海管內介質不會泄漏至開孔機腔內。泄漏測試合格后，潛水員打開開孔機注入閥和放空閥，進行注水排氣，拆除并回收開孔機至甲板。

2.10 海管切口導向欄安裝

海管切口安裝導向欄，目的是將海管切口補全，防止后續異物或通球卡阻。甲板取出開孔機內切割海管馬鞍板，將導向欄裝配至開孔機上，下放開孔機，潛水員完成開孔機與隔離閥法蘭連接、緊固，下放N2管，開孔機內部注入N2完成氣壓試驗，打開隔離閥，根據SIT 數據，潛水員輔助操作開孔機，將導向欄安裝并鎖緊至海管切口處，拆除并回收開孔機。

2.11 海管接入球閥短節安裝

通過吊裝工具下放海管接入短節，潛水員完成短節與隔離閥法蘭連接、緊固，下放N2/MEG 管線，對短節進行排水注MEG（乙二醇），為后續管線接入和調試做準備。

3 風險分析及控制措施

3.1 陸地準備過程

陸地SIT 試驗及設備組裝過程，因設備重量、體積較大、組合形式較復雜，且涉及到高壓氣壓試驗和臨時用電，因此該過程可能存在的風險因素有：①吊裝過程人員、設備擠傷受損；②人員觸電；③氣壓壓力傷人；④開孔機操作造成人員機械傷害。

控制措施如下：①選擇持證人員進行吊裝、接電等操作，人員站位合理；②設置隔離帶，無關人員遠離作業區，氣壓試驗時嚴禁在氣壓出口處；③嚴格按照設備操作手冊操作開孔機。

3.2 海上施工過程

海底管道帶壓開孔作業重點在于海上施工過程，涉及飽和潛水作業和海管帶壓開孔作業，風險性極高，施工過程可能存在的風險及控制措施主要有以下12 項。

（1）人員不熟悉方案，設備工機具狀態不佳，造成人員傷害和工期延誤等損失?？刂拼胧┯校哼x擇經驗豐富具有相應資質的人員；核查設備工機具狀態良好并獲得檢驗證書；對所有施工人員進行詳細技術安全交底。

（2）惡劣天氣，船舶位置失控，造成開孔機臍帶纜、N2注氣管線等損壞，甚至海管內介質泄漏等應急情況。控制措施有：選擇性能良好的施工船舶，飽和潛水作業通常要求DP2（Dynamic Position）及以上船舶；參考權威天氣預報，根據施工計劃，為關鍵作業預留充分作業窗口。

（3）基坑坍塌，海床泥土掩埋開孔機組合體，威脅潛水員生命。控制措施有：根據地質勘探及海管調查情況，選擇海床土質穩定、剪切性適中的管段；基坑開挖寬度、深度滿足設計要求；放置開孔機組合體基座框架，提供穩定的基坑支護和潛水員操作空間。

（4）海管表面清理時海管破損，海管內介質泄漏。控制措施有：選取焊縫少、強度高的管道，采用高壓水射槍清理水泥配重層而不傷害鋼管；規避環焊縫，制作輔助工裝，協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，不產生海管表面切痕；用ACFM（Alternating Current Field Measurement，交流電磁場測量法）工具檢測海管是否有裂紋，確保海管強度。

（5）開孔機組合體吊裝下放至基座框架時，開孔機及機械三通碰撞基座框架，造成設備損傷?？刂拼胧┯校洪_孔機組合體設計可調式吊裝索具，SIT 時調整好索具長度使組合體調平；基座框架設計導向裝置，便于組合體就位；組合體布置尾繩，潛水員輔助就位。

（6）開孔機組合體框架內環境復雜，潛水員作業極易發生潛水臍帶纏繞，甚至斷裂等風險，潛水員生命安全受威脅。控制措施有：潛水作業前，施工船舶進行漂流測試，測試船舶失去動力情況下潛水員返回潛鐘時，船舶漂移的距離，設置相應應急程序；對潛水施工人員技術風險交底，明確潛水員作業時進退路線，保持潛水臍帶清爽；設置潛水員呼吸氣應急供應站，一旦發生臍帶斷裂情況，潛水員有足夠長的時間等待救援。

（7）機械三通密封性差，不具備開孔條件，延誤工期?？刂拼胧┯校呵謇砗９鼙砻鏁r，應嚴格測量確保直線段、橢圓度、表面粗糙度滿足機械三通密封要求；機械三通入水前，對內部密封面進行清理，避免雜物影響密封；吊裝框架上布置索具對機械三通抱管精就位，防止設備磕碰影響密封；根據SIT 數據，對機械三通進行螺栓拉伸緊固、水壓及氣壓試驗，驗證密封性能；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，設備損傷?？刂拼胧┯校哼M行技術交底，嚴格按方案施工；作業船甲板設置隔離區，無關人員禁入，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）帶壓開孔時開孔機刀具卡阻或無法回收?？刂拼胧┯校宏懙豐IT 試驗時，驗證開孔機刀具轉數和最終行程，確定最佳開孔機液壓站壓力和刀具轉速；檢查刀具鉆桿是否偏心，若有需調整至中心位置；開孔機與隔離閥、機械三通法蘭連接時，法蘭間距誤差小于2 mm，保持組合體軸向對中；如果卡阻，調整開孔機液壓站壓力，或停機手動退刀，然后重新給刀切割。

（10）帶壓開孔時海管內介質發生泄漏。海管進水分兩種情況，一是開孔過度，海管穿透；二是開孔機組合體密封不嚴?？刂拼胧┯校簢栏癜凑誗IT 數據給進刀具，杜絕穿透事故；機械三通、開孔機等各注、排放口堵頭、閥門采用質量過硬產品，開孔前經水壓、氣壓試驗確保密封良好；確認海管下游控制閥狀態，隨時做好關停下游供氣準備。

（11）帶壓開孔時隔離閥密封失效，開孔機腔內與海管內介質相通，無法拆除回收，影響后續工序，海管內介質泄漏風險極大?？刂拼胧┯校焊綦x閥選擇質量好的成熟產品，產品應具有注脂封堵口，保留應急功能；選擇雙DPE（Double Piston Effect，雙向密封閥座）密封，兼顧生產和開孔工況需求，具備雙重密封保障；開孔機開孔完成后，先反轉1 min，利用海管內介質將切削碎屑沖走，防止碎屑研磨隔離閥密封面；開孔機具備泄壓接口，制定應急預案，協調海管介質降壓至較環境壓力略高，以便潛水員拆除回收開孔機。

（12）球閥短節內進海水，與海管內介質接觸形成水合物，堵塞隔離閥或海管。控制措施有：短節安裝結束后進行氣壓試驗，保證密封良好，并注入MEG 置換海水。如果試壓過程發生泄漏問題，則應重新液壓緊固法蘭后重新試壓和MEG 置換。

4 結束語

海底管道帶壓開孔作業雖然已有多起成功案例，但該作業環境工況十分復雜，具有較高的風險，施工過程中切不可掉以輕心。通過不斷規范和優化作業流程，充分識別作業過程中的安全風險，采取對應的各項安全措施，根據海管規格和輸送介質的壓力、溫度等參數選擇合適的作業工藝，能夠較好地控制帶壓開孔作業的風險，避免因海管泄漏等造成設施停產的經濟損失。