應(yīng)用防漲圈解決帶壓管道開孔卡刀問題

姜修才，陳社鵬，燕執(zhí)國，王建偉，劉 博

1.中國石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶 163113

應(yīng)用防漲圈解決帶壓管道開孔卡刀問題

姜修才1，陳社鵬1，燕執(zhí)國2，王建偉1，劉 博1

1.中國石油天然氣管道局維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠，黑龍江大慶 163113

為了解決油氣管道帶壓開孔過程中的卡刀問題，結(jié)合內(nèi)應(yīng)力釋放變形的理論基礎(chǔ)，以在開孔點預(yù)加剛性約束來減小變形的措施為切入點，研發(fā)了防漲圈裝置來解決該問題。防漲圈主體設(shè)計為抗變形的“拱形橋”結(jié)構(gòu)，再增加部分筋板、肋板，構(gòu)成了完整的防漲圈裝置。經(jīng)試驗和應(yīng)用驗證表明：帶壓開孔前在開孔位置焊接約束內(nèi)應(yīng)力釋放變形的防漲圈，能夠有效減小開孔過程中的鞍型切板變形，降低卡刀發(fā)生的幾率，既經(jīng)濟又便捷，是解決帶壓開孔卡刀問題的一種有效手段。

帶壓開孔；筒狀刀具；卡刀；應(yīng)力釋放；防漲圈

帶壓開孔是一種常見的油氣管道維搶修、改造方法，可實現(xiàn)在不影響管道正常輸送的情況下，加裝支管、增引支線，或是為帶壓封堵[1]創(chuàng)造條件。帶壓開孔的工藝方法是在密閉狀態(tài)下，借助于筒狀刀具的伸縮旋轉(zhuǎn)，以機械切削的方式在管道上加工出圓孔，在實際的帶壓開孔過程中，筒狀刀具極易發(fā)生卡刀的現(xiàn)象。卡刀的原因主要有兩種：一是開孔裝備的自身原因，如開孔的動力液壓站設(shè)定壓力太小或排量太?。欢峭獠康目陀^環(huán)境原因，如管道應(yīng)力釋放、變形等，致使切削刀具“正?！笨ㄗ2]。對于第一種原因只要增大液壓站設(shè)定壓力或排量就可以解決；對于第二種原因的解決措施通常是立即停機、手動退刀、再重新啟機開孔，實際驗證對開小孔的卡刀處理較有效，對開較大孔的卡刀處理效果則不夠理想。由此，在GB/T28055-2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》中，對開孔工藝附帶了一句“開孔孔徑大于DN500，宜加防漲圈”的說明，但關(guān)于防漲圈在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中未做具體說明。以下結(jié)合實際案例對防漲圈進行了設(shè)計、應(yīng)用，供相關(guān)設(shè)計人員參考。

1 防漲圈結(jié)構(gòu)

1.1 防漲原理

在筒狀刀具邊緣與鞍型板切口受摩擦力約束的情況下，基于帶壓管道切削加工時自身殘余內(nèi)應(yīng)力釋放可致管道發(fā)生變形的理論[3]，應(yīng)用有限元軟件可模擬出鞍型切板應(yīng)力釋放發(fā)生位移的變形趨勢，見圖1，該位移變形是導(dǎo)致開孔過程中卡刀的主要原因，見圖2。因此，提前給予鞍型切板以約束，則能有效減少鞍形板切割分離過程中的變形釋放，降低開孔卡刀發(fā)生的幾率。

另外，根據(jù)拱形結(jié)構(gòu)能夠抵抗內(nèi)部向外的推力原理[4]（見圖3），通過在切板位置預(yù)先騎焊仿拱形的防漲圈裝置或可解決卡刀的問題，而具體的結(jié)構(gòu)形式還需要設(shè)計與試驗驗證。

圖1 鞍型切板的應(yīng)力釋放有限元位移/mm

圖2 切板對筒刀的漲卡模擬示意

圖3 拱形結(jié)構(gòu)的抗推力形式示意

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以減小鞍型切板的膨脹變形為切入點，設(shè)計一種可以預(yù)先焊接于管道上的防漲圈裝置，從而在開孔前就鎖住鞍型切板的變形量，最大限度地減小開孔時分離的鞍型切板對筒狀刀具的漲卡擠壓，實現(xiàn)正常的開孔作業(yè)。

現(xiàn)將防漲圈裝置的整體外形設(shè)計為“拱形橋”結(jié)構(gòu)（見圖4），包括兩組平行的強化筋、平行雙拱筋板、斜肋板及中心定位板。平行強化筋由兩個平行的熱軋角鋼[5]組成，中心定位板內(nèi)圓外方，其兩端與平行強化筋的內(nèi)側(cè)兩邊焊接固定，平行雙拱筋板的下方對應(yīng)“拱形橋”的拱形結(jié)構(gòu)，其拱形弧度與待開孔的管道外徑弧度一致，其側(cè)面上方與平行雙拱筋板的下部兩邊焊接固定。該加強圈裝置還包括兩塊結(jié)構(gòu)相同的斜肋板，斜肋板左右端與平行雙拱筋板的兩個側(cè)面固定焊接，斜肋板的上端與平行雙拱筋板的端部固定焊接，斜肋板的下端與平行雙拱筋板的兩個側(cè)面的拱形結(jié)構(gòu)端相切，斜肋板與中心定位板的下平面夾角約為45°。加強圈的整體材料主要是Q345R鋼板，以保證與常用開孔焊接管件材質(zhì)相同，在帶壓焊接工藝評定時可以通用。

圖4 防漲圈整體結(jié)構(gòu)

防漲圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸根據(jù)筒狀刀具來確定，以其內(nèi)徑邊沿為基準(zhǔn)，向內(nèi)再縮進20mm形成的圓設(shè)定為防漲圈外邊角的外接圓，應(yīng)用時防漲圈的任何尺寸不會超出該圓圈，保證了防漲圈不剮蹭筒狀刀具內(nèi)壁，影響開孔作業(yè)；防漲圈寬幅可設(shè)計成介于筒狀刀具內(nèi)徑的1/3～1/2。確定了防漲圈的外沿和寬度后，在投影圖中可自然地生成防漲圈長度，具體尺寸采用圓整數(shù)據(jù)（見圖5）。

圖5 防漲圈與筒狀刀具的投影尺寸關(guān)系

在應(yīng)用防漲圈裝置時，先將拱形弧騎跨于未開孔的管道上，其各結(jié)構(gòu)尺寸滿足不影響原有開孔機具的作業(yè)，將拱形弧面與管道接觸的部位點焊固定，相當(dāng)于對預(yù)切割的鞍型切板加了約束筋（見圖6）。開孔過程中受防漲圈裝置的約束，即使切板全部切下來也不會產(chǎn)生過大變形，乃至于發(fā)生卡刀現(xiàn)象，從而解決管道帶壓開孔卡刀的問題。此預(yù)期效果需要通過試驗和應(yīng)用驗證。

圖6 防漲圈與筒狀刀具匹配應(yīng)用模擬

1.3 試驗

對準(zhǔn)508～1 219mm、加壓5～12MPa的管道進行帶壓開孔試驗，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 準(zhǔn)508～1219mm管道開孔用防漲圈統(tǒng)計

在應(yīng)用了防漲圈的多次開孔試驗中未出現(xiàn)無法退刀的致命卡刀現(xiàn)象，防漲圈單體質(zhì)量普遍低于50 kg（只準(zhǔn)1 219mm×26.4mm大口徑、厚壁管道的防漲圈大于50 kg），占開孔鞍形板質(zhì)量的25%～50%（只在準(zhǔn)711mm×11.9mm和準(zhǔn)813mm×10.3mm兩種薄壁管道中略超50%）。應(yīng)用了防漲圈的帶壓開孔試驗，其鞍形板切割整齊（見圖7），開孔的筒狀刀具齒體與筒體磨損度均勻，極少出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，綜合效果優(yōu)于未添加防漲圈裝置的開孔作業(yè)。

圖7 帶有防漲圈的鞍形切板

2 推廣應(yīng)用

近年來，中國石油天然氣管道局維搶修分公司已在大量的帶壓開孔過程中應(yīng)用了防漲圈裝置（近三年累計應(yīng)用項目超過150余項），凡是涉及到準(zhǔn)500mm以上的開孔項目上都會用到防漲裝置，成功地避免了油氣管道帶壓開孔的卡刀問題。尤其在以西氣東輸一、二線為代表的大口徑、高壓力、高鋼級管道的帶壓開孔改造中[8-9]（見圖8），防漲圈是必備的裝置，其對管道開孔的成功起著非常重要的作用。

圖8 防漲圈在西氣東輸一線管道中成功應(yīng)用

隨著國內(nèi)高壓力、大口徑油氣管道建設(shè)的蓬勃發(fā)展，以及現(xiàn)有油氣管道運營的時間不斷增長，管道改擴建等需求不斷增多，與之對應(yīng)的管道帶壓開孔項目也逐年增多，防漲圈的出現(xiàn)及時解決了帶壓管道開孔的卡刀問題，提高了管道改造的施工安全性和成功率，是管道開孔的一件必備利器。在大量成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，管道徑向開孔用防漲卡裝置取得了相關(guān)專利[10]。

3 結(jié)論

針對帶壓油氣管道開孔過程中的卡刀問題，利用預(yù)加約束減少應(yīng)力釋放變形的原理，設(shè)計了防漲圈裝置，經(jīng)過試驗和現(xiàn)場應(yīng)用的驗證，可得出如下結(jié)論：

（1） 防漲圈對于抑制帶壓開孔過程中鞍型切板的變形作用顯著，能夠有效地減少高壓、大口徑管道開孔過程中卡刀現(xiàn)象發(fā)生的幾率。

（2） 加裝防漲圈的開孔，其一次開孔成功率相比沒有加裝防漲圈的顯著增大，多數(shù)情況下不需要再進行卡刀應(yīng)急處置了。

（3） 防漲圈結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，對開孔施工作業(yè)的成本增加較小，而且防漲圈可反復(fù)應(yīng)用，其推廣應(yīng)用價值顯著。

（4） 此類型防漲圈裝置的設(shè)計和應(yīng)用對于完善GB/T 28055-2011《鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范》具有很好的借鑒意義。

[1]GB/T28055-2011，鋼質(zhì)管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范[S].

[2]朱榮國，呂正東，朱崇沈.管道帶壓開孔技術(shù)的應(yīng)用注意事項[J].安徽建筑，2014（4）：95-96.

[3]劉勝永，萬曉航，董兆偉.切削中殘余應(yīng)力釋放對工件加工變形的影響[J].煤礦機械，2007，28（2）：105-107.

[4]干洪，王彥紅.拱的結(jié)構(gòu)分析[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報，2008，23（2）：1-6.

[5]GB/T706-2008，熱軋型鋼[S].

[6]GB 713-2008，鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

[7]李超.天然氣管道不停輸帶壓改線焊接研究[D].天津：天津大學(xué)，2010：6.

[8]孫進.西氣東輸最大規(guī)模站場改擴建項目完成[N].中國石油報, 2011-07-06.

[9]洪慧敏.“西二線”昨在蕭山成功“開孔”下月起向浙江供氣[N].浙江在線-今日早報，2012-06-27.

[10]姜修才，肖春輝，任麗芝，等.管道徑向開孔用防漲卡裝置：中國，ZL201420301560.6[P].2014-12-03.

Application of restraining device to solve cutter stuck during hot tapping on in-service pipeline

JIANG Xiucai1，CHEN Shepeng1，YAN Zhiguo2，WANG Jianwei1，LIU Bo1
1.Maintenance and Repair Branch of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065001，China
2.No.3 OilProduction Plant of Daqing Oifield，Daqing 163113，China

In order to solve cutter stuck problem during hot tapping on in-service pipeline，a restraining device is developed based on the theory of internal stress relief distortion and the measure of exerting pre-stiff restraining at the hot tapping place.The restraining device consists of a main arched bridge structure and some stiffened and ribbed slabs.The test and application verify that the restraining device welded at the tapping place before hot tapping can effectively reduce the distortion of the saddle form cut and the risk of occurrence of cutter stuck during the hot tapping.The restraining device is an economical，convenient and effective means to solve tapping cutter stuck problem.

hot tapping；cylindricalcutter；cutter stuck；stress relief；restraining device

姜修才（1983-），男，黑龍江東寧人，工程師，2005年畢業(yè)于吉林大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣管道維搶修方面的研究工作。Email：jiang_xiucai@163.com.

2017-02-07

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.015