大口径煤气管道带压开孔的实践

2018-07-05郭鹏志

冶金动力 2018年7期

郭鹏志

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122）

前言

带压开孔技术是一种在介质管道正常输送情况下的开孔技术。该技术开孔时，不动火，不停输，不降压，避免了因管道停输或减量对正常生产造成的经济损失。尤其对易燃易爆有毒的煤气，杜绝了动火作业的安全隐患，降低了对原有设施与环境的影响。

该技术最早由中国石油天然气管道局在20世纪80年代中期从国外引进，应用于国内油气管道行业。受到当时技术水平的限制，开孔参数限制于常温、孔径小于DN300、压力小于1.0 MPa。随着技术进步，应用范围从油气管道行业延伸至炼油、化工、冶金、市政等领域，开孔技术参数提升至-60℃至250 ℃、DN2600、6.4 MPa。

近几年，随着钢铁企业煤气管道的检修、扩容与更换的需求不断增加，大口径煤气管道的带压开孔逐渐增多。本案需在不影响正常生产的情况下从DN3200高炉煤气主管接出2根DN2000接口再汇1根DN2800支管。

1 不安全因素

本案带压开孔的具有以下特点：易燃、易爆、有毒、10～15 kPa低压、DN2000大口径、相距4 m间距小、母管腐蚀减薄。相对而言，此次开孔工艺复杂，条件苛刻，风险较高，需防止煤气泄漏、燃烧、爆炸、中毒、机械故障等不安全因素。

（1）选择合适的开孔位置。开孔应选择在母管的固定支架处或两侧，减少母管对开孔闸阀的热位移与热应力，有利于管系的布置。尽可能缩小短节长度，避免筒刀进刀过长而产生的悬臂下垂量，影响开孔质量，严重时易发生卡刀。

（2）监控煤气的氧含量。在焊接和开孔时，在管道上游实时监控管道内煤气的氧含量，以防止包管焊接、短节焊接与开孔时温度达到燃点而引发爆炸事故。

（3）母管包管。原D3220×12母管受高炉煤气腐蚀发生壁厚减薄，经测量最薄处约8 mm。现场采用12 mm钢板对母管进行包管，焊缝避开严重腐蚀区域，且以小电流浅熔深的焊接方式，以防止焊穿母管造成煤气泄漏。

（4）整体气密性试验。开孔设备安装完毕后，短节、法兰、闸阀、开孔机须进行整体气密性试验，以防止漏点在开孔后造成煤气泄漏人员中毒。

（5）一氧化碳浓度监测报警。开孔区域设置多点一氧化碳浓度报警仪，以监测煤气泄漏，及时报警撤离人员。

（6）筒刀进刀监测。带压开孔时，需实时监控开孔机进刀的情况，监听切削声音有无异响，以防筒刀卡刀造成筒刀刀齿损坏。若开孔机未设置过力矩保护，卡刀时不及时停机，可能造成母管管壁撕裂而引起的煤气泄漏。

2 开孔步骤

根据带压开孔的不安全因素，事先编制带压开孔的操作步骤，主要分准备、实施、检查三个环节，每个环节又细分若干步骤。

2.1 开机准备工作

（1）选择开孔点；

（2）搭建操作平台；

（3）焊接包管、短节与法兰；

（4）测量最大进刀尺寸；

（5）安装闸阀；

（6）闸阀全程启闭的动作测试；

（7）闸阀的泄漏试验；

（8）安装开孔机；

（9）打开闸阀，整体严密性试验；

（10）准备工作结束。

带压开孔的开孔机，见图1。准备工作完成后的带压开孔设备安装，见图2。

图1 带压开孔机

图2 准备工作完成后的带压开孔设备安装图

2.2 开孔作业步骤

（1）短节、闸阀与开孔机内部空间的氮气置换；

（2）检验煤气含氧量小于1%；

（3）启动液压站，开孔机进刀；

（4）开孔机中心钻接触母管，直至钻透母管；

（5）开孔机筒刀接触母管，开始筒刀切削；

（6）开孔机中心钻打开回卡；

（7）开孔机筒刀钻透母管，鞍板与母管完全脱离；

（8）开孔机开始回刀，中心钻回卡带回鞍板，直至回刀到位；

（9）关闭闸阀；

（10）开孔机内部空间的氮气置换；

（11）拆除开孔机，闸阀后堵盲板；

（12）开孔作业结束。

2.3 检查工作

（1）检查短节、法兰、闸阀与盲板等各部位有无煤气泄漏；

（2）检查鞍板切口是否顺滑，有无撕裂；

（3）检查开孔机中心钻与筒刀有无断齿损坏；（4）检查工作结束，带压开孔全部结束。

3 筒刀发生卡刀情况

前一个DN2000带压开孔作业时，前期进展顺利，筒刀开始切削母管，中心钻回卡已经打开。筒刀继续进刀切削时，转速开始降低直至卡死，开孔机随后紧急停机。从进刀尺寸测算，此刻筒刀距离全部钻透母管大约还有200 mm，鞍板已经切削了约56%。

卡刀的处理措施，开孔机先短程退刀，然后继续进刀，若再次卡刀则再短程退刀，以此反复十余次最终钻透母管。其间，因多次退刀损坏了中心钻的回卡，导致未能将切削下的鞍板带出母管。拆下开孔机进行检查，发现筒刀内壁明显划痕，个别刀齿断裂，见图3。主轴与齿轮盘完好，但主轴轴承滚子损坏严重，见图4。

图3 开孔机筒刀刀齿断裂

图4 开孔机主轴轴承损坏

4 原因分析

现场发现带压开孔处的DN3200母管背负了一些小口径的介质管道。由此推断，母管承受外部载荷具有较大的内应力。筒刀进刀切削时，鞍板逐步从母管分离进入筒刀内部，其内应力逐渐释放而发生扩张性的变形还原，增加了筒刀的切削阻力。当阻力增大至一定程度时便发生了卡刀。

此外，母管上部直接承受外部载荷，存在一定程度的管道瘪塌变形而趋于椭圆形。下部受支座的支撑与加固，变形量小于上部，可近视于圆形。当筒刀进刀时，起初下部切削量大于上部，切削阻力相应也大于上部。随着筒刀进刀，下部切削余量逐步减少，切削阻力逐步降低，最终下部钻透仅剩下上部切削，阻力完全来自上部。上部与下部切削量与阻力的不对称与变化，不利于筒刀切削进刀的稳定性。

本次卡刀的主要原因为母管上椭下圆的变形与鞍板应力释放导致的变形还原。