海底管道带压开孔的风险因素及控制措施探讨

汤炳然，刘文涛，骆承树，王海龙，吴业旺

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

海底管道带压开孔技术在管道维修过程中可实现不停产作业，降低下游产量损失，又可防止管道内介质外溢，避免海洋环境污染。同时考虑到投资成本等因素，新建海上油气田接入输油气主干线开发方案也极具经济性，因此海底管道不停输带压开孔技术的应用也将更为广泛[1]。

目前我国海域已完成多例海底管道带压开孔作业，但这些个案介绍主要以海底管道带压开孔成功案例应用为主，较少涉及危险因素的分析。由于石油化工装置有易燃易爆、高温高压、有毒有害的特点，并且海底管道水下环境复杂，因此带压开孔作业实施的风险极高。本文着重分析影响海底管道带压开孔过程的风险因素，并给出相应的控制措施，确保该技术运用过程的安全可控。

1 选型要求

带压开孔作业是指维持管线正常生产，在不停止输送介质、海管内保持一定生产压力的情况下，通过开孔机、隔离阀和机械三通组合体，在已有管线上进行开孔，用于新管线的接入或已有管线维修。其施工方式一般有竖直带压开孔和水平带压开孔两种，典型开孔机组合体如图1 所示[2]。

图1 典型垂直、水平开孔机组合体

图2 垂直及水平带压开孔辅助工装

海管带压开孔主要设备有机械三通、隔离阀和开孔机。

（1）机械三通用于海底管道开孔点包裹密封，提供开孔作业基座，选型时应考虑：①海管各项参数，形成机械三通强度设计和螺栓拉伸设计；②密封性良好，保证开孔后海管内介质不泄漏，并设置排水口和试压口；③与隔离阀法兰连接界面适配。

（2）隔离阀用于海管开孔后介质隔离，提供开孔机拆装及海管调试条件，选型时应考虑：①根据不同工况选取隔离阀型号，如海管接入时要求高可靠性一般采用球阀，而海管维修用于临时封堵的可采用闸阀等，施工简便；②工作参数满足要求，如压力、法兰连接界面等。

（3）开孔机用于管线开孔及切割马鞍板回收，选型时需考虑：①开孔机设备认证压力满足要求；②开孔机行程满足要求，并可进行调整；③开孔机水下拆装、操控的可靠性；④与隔离阀等法兰适配。

2 工作流程

带压开孔海管接入施工主要步骤包括陆地SIT（System Integration Test，系统集成测试）试验、陆地设备组装、海管开孔点选择及预调查、基坑处理、海管表面处理、开孔机组合体就位安装、机械三通排水试压、海管带压开孔作业、带压开孔设备回收、海管切口导向栏安装、海管接入球阀短节安装等。

2.1 陆地SIT 试验

带压开孔设备都是根据海管参数定制，具有唯一适配性，因此需验证各设备功能与可靠性，获得设备运行数据，模拟水下带压开孔施工操作，为海上实际施工提供参考。SIT 试验要求管段内压力与实际施工作业压力保持一致，并须包含以下内容：①各连接位置螺栓拉伸数值；②机械三通压紧法兰顶紧后与主体之间间距；③机械三通各腔体压力测试数据；④开孔机钻孔时钻杆行程，安装导向栏时开孔机钻杆行程及旋转圈数；⑤各设备操作练习，确定施工所用工机具。

2.2 陆地设备组装

由于重量大、水下潜水员操作困难等原因，开孔设备通常采用一套辅助工装，用于开孔机组合体吊装就位，陆地设备组装的优势在于：①陆地环境简单，人力、设备资源充足，装配效率高；②提前进行组合体组装测试，排查连接位置密封性；③提供水下操作平台，提高安装效率，减少海上作业船天。

2.3 海管开孔点选择及预调查

根据海管数据，预先选择海床土质稳定、剪切性适中，焊缝少、强度高的管段，并进行预调查最终确定开孔点，开孔管段应利于基坑开挖和开孔组合体安装、操作。

2.4 基坑处理

海管开孔点底部基坑开挖，创造开孔机组合体安装空间和潜水员作业空间，基坑大小、深度应满足要求，并且牢固不易塌陷。

2.5 海管表面处理

海管表面处理包括水泥配重层清理、涂层清理、海管表面抛光及纵焊缝打磨处理，海管表面处理后直线段、椭圆度、表面粗糙度应满足机械三通安装密封要求，且机械三通安装位置应避开环焊缝。

2.6 开孔机组合体就位安装

开孔机组合体吊装入水，潜水员通过辅助工装调整开孔机组合体就位，机械三通抱管调平后进行螺栓安装并拉伸预紧。

2.7 机械三通排水试压

机械三通排水试压就是对机械三通环空及腔体进行水压试验，确保机械三通密封橡胶的密封性能，保证潜水员作业安全。如果出现泄漏，需再次拉伸机械三通的螺栓，然后重复试压过程。试压完毕后，打开隔离阀，对开孔机组合体注入N2（氮气）并通过机械三通排水口排水，避免开孔后海管进入海水形成水合物。继续注入N2至1.1 倍海管内介质压力，对开孔机组合体进行气压试验，压降值应满足要求。

2.8 海管带压开孔作业

开孔机组合体气压试验满足要求后，将压力降至略高于海管内压力（海管开孔后管内压力将不会进入开孔设备内，造成设备损伤），潜水员连接开孔机脐带缆，辅助操作并观察，根据陆地SIT 实测数据，通过液压控制开孔机行进刀具，完成海管的带压开孔，回收刀具和切割马鞍板至开孔机内。

2.9 开孔机设备回收

关闭隔离阀，开孔机腔内压力泄放至环境压力，压力稳定后保压1 h，对隔离阀进行泄漏测试，确保开孔后海管内介质不会泄漏至开孔机腔内。泄漏测试合格后，潜水员打开开孔机注入阀和放空阀，进行注水排气，拆除并回收开孔机至甲板。

2.10 海管切口导向栏安装

海管切口安装导向栏，目的是将海管切口补全，防止后续异物或通球卡阻。甲板取出开孔机内切割海管马鞍板，将导向栏装配至开孔机上，下放开孔机，潜水员完成开孔机与隔离阀法兰连接、紧固，下放N2管，开孔机内部注入N2完成气压试验，打开隔离阀，根据SIT 数据，潜水员辅助操作开孔机，将导向栏安装并锁紧至海管切口处，拆除并回收开孔机。

2.11 海管接入球阀短节安装

通过吊装工具下放海管接入短节，潜水员完成短节与隔离阀法兰连接、紧固，下放N2/MEG 管线，对短节进行排水注MEG（乙二醇），为后续管线接入和调试做准备。

3 风险分析及控制措施

3.1 陆地准备过程

陆地SIT 试验及设备组装过程，因设备重量、体积较大、组合形式较复杂，且涉及到高压气压试验和临时用电，因此该过程可能存在的风险因素有：①吊装过程人员、设备挤伤受损；②人员触电；③气压压力伤人；④开孔机操作造成人员机械伤害。

控制措施如下：①选择持证人员进行吊装、接电等操作，人员站位合理；②设置隔离带，无关人员远离作业区，气压试验时严禁在气压出口处；③严格按照设备操作手册操作开孔机。

3.2 海上施工过程

海底管道带压开孔作业重点在于海上施工过程，涉及饱和潜水作业和海管带压开孔作业，风险性极高，施工过程可能存在的风险及控制措施主要有以下12 项。

（1）人员不熟悉方案，设备工机具状态不佳，造成人员伤害和工期延误等损失。控制措施有：选择经验丰富具有相应资质的人员；核查设备工机具状态良好并获得检验证书；对所有施工人员进行详细技术安全交底。

（2）恶劣天气，船舶位置失控，造成开孔机脐带缆、N2注气管线等损坏，甚至海管内介质泄漏等应急情况。控制措施有：选择性能良好的施工船舶，饱和潜水作业通常要求DP2（Dynamic Position）及以上船舶；参考权威天气预报，根据施工计划，为关键作业预留充分作业窗口。

（3）基坑坍塌，海床泥土掩埋开孔机组合体，威胁潜水员生命。控制措施有：根据地质勘探及海管调查情况，选择海床土质稳定、剪切性适中的管段；基坑开挖宽度、深度满足设计要求；放置开孔机组合体基座框架，提供稳定的基坑支护和潜水员操作空间。

（4）海管表面清理时海管破损，海管内介质泄漏。控制措施有：选取焊缝少、强度高的管道，采用高压水射枪清理水泥配重层而不伤害钢管；规避环焊缝，制作辅助工装，协助潜水员控制液压打磨工具，清理纵焊缝及表面涂层，均匀打磨抛光海管表面，不产生海管表面切痕；用ACFM（Alternating Current Field Measurement，交流电磁场测量法）工具检测海管是否有裂纹，确保海管强度。

（5）开孔机组合体吊装下放至基座框架时，开孔机及机械三通碰撞基座框架，造成设备损伤。控制措施有：开孔机组合体设计可调式吊装索具，SIT 时调整好索具长度使组合体调平；基座框架设计导向装置，便于组合体就位；组合体布置尾绳，潜水员辅助就位。

（6）开孔机组合体框架内环境复杂，潜水员作业极易发生潜水脐带缠绕，甚至断裂等风险，潜水员生命安全受威胁。控制措施有：潜水作业前，施工船舶进行漂流测试，测试船舶失去动力情况下潜水员返回潜钟时，船舶漂移的距离，设置相应应急程序；对潜水施工人员技术风险交底，明确潜水员作业时进退路线，保持潜水脐带清爽；设置潜水员呼吸气应急供应站，一旦发生脐带断裂情况，潜水员有足够长的时间等待救援。

（7）机械三通密封性差，不具备开孔条件，延误工期。控制措施有：清理海管表面时，应严格测量确保直线段、椭圆度、表面粗糙度满足机械三通密封要求；机械三通入水前，对内部密封面进行清理，避免杂物影响密封；吊装框架上布置索具对机械三通抱管精就位，防止设备磕碰影响密封；根据SIT 数据，对机械三通进行螺栓拉伸紧固、水压及气压试验，验证密封性能；配备足量密封橡胶、螺栓等备件，如密封性差则更换密封橡胶并重新安装试压。

（8）气压压力伤人，设备损伤。控制措施有：进行技术交底，严格按方案施工；作业船甲板设置隔离区，无关人员禁入，人员站位避让泄放口；使用防脱链，加压前检查各接头松紧；水下加压期间，潜水员保持安全距离，主要由ROV（Remotely Operated Vehicle，遥控潜水器）观察。

（9）带压开孔时开孔机刀具卡阻或无法回收。控制措施有：陆地SIT 试验时，验证开孔机刀具转数和最终行程，确定最佳开孔机液压站压力和刀具转速；检查刀具钻杆是否偏心，若有需调整至中心位置；开孔机与隔离阀、机械三通法兰连接时，法兰间距误差小于2 mm，保持组合体轴向对中；如果卡阻，调整开孔机液压站压力，或停机手动退刀，然后重新给刀切割。

（10）带压开孔时海管内介质发生泄漏。海管进水分两种情况，一是开孔过度，海管穿透；二是开孔机组合体密封不严。控制措施有：严格按照SIT 数据给进刀具，杜绝穿透事故；机械三通、开孔机等各注、排放口堵头、阀门采用质量过硬产品，开孔前经水压、气压试验确保密封良好；确认海管下游控制阀状态，随时做好关停下游供气准备。

（11）带压开孔时隔离阀密封失效，开孔机腔内与海管内介质相通，无法拆除回收，影响后续工序，海管内介质泄漏风险极大。控制措施有：隔离阀选择质量好的成熟产品，产品应具有注脂封堵口，保留应急功能；选择双DPE（Double Piston Effect，双向密封阀座）密封，兼顾生产和开孔工况需求，具备双重密封保障；开孔机开孔完成后，先反转1 min，利用海管内介质将切削碎屑冲走，防止碎屑研磨隔离阀密封面；开孔机具备泄压接口，制定应急预案，协调海管介质降压至较环境压力略高，以便潜水员拆除回收开孔机。

（12）球阀短节内进海水，与海管内介质接触形成水合物，堵塞隔离阀或海管。控制措施有：短节安装结束后进行气压试验，保证密封良好，并注入MEG 置换海水。如果试压过程发生泄漏问题，则应重新液压紧固法兰后重新试压和MEG 置换。

4 结束语

海底管道带压开孔作业虽然已有多起成功案例，但该作业环境工况十分复杂，具有较高的风险，施工过程中切不可掉以轻心。通过不断规范和优化作业流程，充分识别作业过程中的安全风险，采取对应的各项安全措施，根据海管规格和输送介质的压力、温度等参数选择合适的作业工艺，能够较好地控制带压开孔作业的风险，避免因海管泄漏等造成设施停产的经济损失。