应用防涨圈解决带压管道开孔卡刀问题

姜修才，陈社鹏，燕执国，王建伟，刘 博

1.中国石油天然气管道局维抢修分公司，河北廊坊 065001

2.大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江大庆 163113

应用防涨圈解决带压管道开孔卡刀问题

姜修才1，陈社鹏1，燕执国2，王建伟1，刘 博1

1.中国石油天然气管道局维抢修分公司，河北廊坊 065001

2.大庆油田有限责任公司第三采油厂，黑龙江大庆 163113

为了解决油气管道带压开孔过程中的卡刀问题，结合内应力释放变形的理论基础，以在开孔点预加刚性约束来减小变形的措施为切入点，研发了防涨圈装置来解决该问题。防涨圈主体设计为抗变形的“拱形桥”结构，再增加部分筋板、肋板，构成了完整的防涨圈装置。经试验和应用验证表明：带压开孔前在开孔位置焊接约束内应力释放变形的防涨圈，能够有效减小开孔过程中的鞍型切板变形，降低卡刀发生的几率，既经济又便捷，是解决带压开孔卡刀问题的一种有效手段。

带压开孔；筒状刀具；卡刀；应力释放；防涨圈

带压开孔是一种常见的油气管道维抢修、改造方法，可实现在不影响管道正常输送的情况下，加装支管、增引支线，或是为带压封堵[1]创造条件。带压开孔的工艺方法是在密闭状态下，借助于筒状刀具的伸缩旋转，以机械切削的方式在管道上加工出圆孔，在实际的带压开孔过程中，筒状刀具极易发生卡刀的现象。卡刀的原因主要有两种：一是开孔装备的自身原因，如开孔的动力液压站设定压力太小或排量太小；二是外部的客观环境原因，如管道应力释放、变形等，致使切削刀具“正常”卡住[2]。对于第一种原因只要增大液压站设定压力或排量就可以解决；对于第二种原因的解决措施通常是立即停机、手动退刀、再重新启机开孔，实际验证对开小孔的卡刀处理较有效，对开较大孔的卡刀处理效果则不够理想。由此，在GB/T28055-2011《钢质管道带压封堵技术规范》中，对开孔工艺附带了一句“开孔孔径大于DN500，宜加防涨圈”的说明，但关于防涨圈在规范标准中未做具体说明。以下结合实际案例对防涨圈进行了设计、应用，供相关设计人员参考。

1 防涨圈结构

1.1 防涨原理

在筒状刀具边缘与鞍型板切口受摩擦力约束的情况下，基于带压管道切削加工时自身残余内应力释放可致管道发生变形的理论[3]，应用有限元软件可模拟出鞍型切板应力释放发生位移的变形趋势，见图1，该位移变形是导致开孔过程中卡刀的主要原因，见图2。因此，提前给予鞍型切板以约束，则能有效减少鞍形板切割分离过程中的变形释放，降低开孔卡刀发生的几率。

另外，根据拱形结构能够抵抗内部向外的推力原理[4]（见图3），通过在切板位置预先骑焊仿拱形的防涨圈装置或可解决卡刀的问题，而具体的结构形式还需要设计与试验验证。

图1 鞍型切板的应力释放有限元位移/mm

图2 切板对筒刀的涨卡模拟示意

图3 拱形结构的抗推力形式示意

1.2 结构设计

以减小鞍型切板的膨胀变形为切入点，设计一种可以预先焊接于管道上的防涨圈装置，从而在开孔前就锁住鞍型切板的变形量，最大限度地减小开孔时分离的鞍型切板对筒状刀具的涨卡挤压，实现正常的开孔作业。

现将防涨圈装置的整体外形设计为“拱形桥”结构（见图4），包括两组平行的强化筋、平行双拱筋板、斜肋板及中心定位板。平行强化筋由两个平行的热轧角钢[5]组成，中心定位板内圆外方，其两端与平行强化筋的内侧两边焊接固定，平行双拱筋板的下方对应“拱形桥”的拱形结构，其拱形弧度与待开孔的管道外径弧度一致，其侧面上方与平行双拱筋板的下部两边焊接固定。该加强圈装置还包括两块结构相同的斜肋板，斜肋板左右端与平行双拱筋板的两个侧面固定焊接，斜肋板的上端与平行双拱筋板的端部固定焊接，斜肋板的下端与平行双拱筋板的两个侧面的拱形结构端相切，斜肋板与中心定位板的下平面夹角约为45°。加强圈的整体材料主要是Q345R钢板，以保证与常用开孔焊接管件材质相同，在带压焊接工艺评定时可以通用。

图4 防涨圈整体结构

防涨圈结构的设计尺寸根据筒状刀具来确定，以其内径边沿为基准，向内再缩进20mm形成的圆设定为防涨圈外边角的外接圆，应用时防涨圈的任何尺寸不会超出该圆圈，保证了防涨圈不剐蹭筒状刀具内壁，影响开孔作业；防涨圈宽幅可设计成介于筒状刀具内径的1/3～1/2。确定了防涨圈的外沿和宽度后，在投影图中可自然地生成防涨圈长度，具体尺寸采用圆整数据（见图5）。

图5 防涨圈与筒状刀具的投影尺寸关系

在应用防涨圈装置时，先将拱形弧骑跨于未开孔的管道上，其各结构尺寸满足不影响原有开孔机具的作业，将拱形弧面与管道接触的部位点焊固定，相当于对预切割的鞍型切板加了约束筋（见图6）。开孔过程中受防涨圈装置的约束，即使切板全部切下来也不会产生过大变形，乃至于发生卡刀现象，从而解决管道带压开孔卡刀的问题。此预期效果需要通过试验和应用验证。

图6 防涨圈与筒状刀具匹配应用模拟

1.3 试验

对准508～1 219mm、加压5～12MPa的管道进行带压开孔试验，统计数据见表1。

表1 准508～1219mm管道开孔用防涨圈统计

在应用了防涨圈的多次开孔试验中未出现无法退刀的致命卡刀现象，防涨圈单体质量普遍低于50 kg（只准1 219mm×26.4mm大口径、厚壁管道的防涨圈大于50 kg），占开孔鞍形板质量的25%～50%（只在准711mm×11.9mm和准813mm×10.3mm两种薄壁管道中略超50%）。应用了防涨圈的带压开孔试验，其鞍形板切割整齐（见图7），开孔的筒状刀具齿体与筒体磨损度均匀，极少出现崩齿现象，综合效果优于未添加防涨圈装置的开孔作业。

图7 带有防涨圈的鞍形切板

2 推广应用

近年来，中国石油天然气管道局维抢修分公司已在大量的带压开孔过程中应用了防涨圈装置（近三年累计应用项目超过150余项），凡是涉及到准500mm以上的开孔项目上都会用到防涨装置，成功地避免了油气管道带压开孔的卡刀问题。尤其在以西气东输一、二线为代表的大口径、高压力、高钢级管道的带压开孔改造中[8-9]（见图8），防涨圈是必备的装置，其对管道开孔的成功起着非常重要的作用。

图8 防涨圈在西气东输一线管道中成功应用

随着国内高压力、大口径油气管道建设的蓬勃发展，以及现有油气管道运营的时间不断增长，管道改扩建等需求不断增多，与之对应的管道带压开孔项目也逐年增多，防涨圈的出现及时解决了带压管道开孔的卡刀问题，提高了管道改造的施工安全性和成功率，是管道开孔的一件必备利器。在大量成功应用的基础上，管道径向开孔用防涨卡装置取得了相关专利[10]。

3 结论

针对带压油气管道开孔过程中的卡刀问题，利用预加约束减少应力释放变形的原理，设计了防涨圈装置，经过试验和现场应用的验证，可得出如下结论：

（1） 防涨圈对于抑制带压开孔过程中鞍型切板的变形作用显著，能够有效地减少高压、大口径管道开孔过程中卡刀现象发生的几率。

（2） 加装防涨圈的开孔，其一次开孔成功率相比没有加装防涨圈的显著增大，多数情况下不需要再进行卡刀应急处置了。

（3） 防涨圈结构简单，价格低廉，对开孔施工作业的成本增加较小，而且防涨圈可反复应用，其推广应用价值显著。

（4） 此类型防涨圈装置的设计和应用对于完善GB/T 28055-2011《钢质管道带压封堵技术规范》具有很好的借鉴意义。

[1]GB/T28055-2011，钢质管道带压封堵技术规范[S].

[2]朱荣国，吕正东，朱崇沈.管道带压开孔技术的应用注意事项[J].安徽建筑，2014（4）：95-96.

[3]刘胜永，万晓航，董兆伟.切削中残余应力释放对工件加工变形的影响[J].煤矿机械，2007，28（2）：105-107.

[4]干洪，王彦红.拱的结构分析[J].安徽工程科技学院学报，2008，23（2）：1-6.

[5]GB/T706-2008，热轧型钢[S].

[6]GB 713-2008，锅炉和压力容器用钢板[S].

[7]李超.天然气管道不停输带压改线焊接研究[D].天津：天津大学，2010：6.

[8]孙进.西气东输最大规模站场改扩建项目完成[N].中国石油报, 2011-07-06.

[9]洪慧敏.“西二线”昨在萧山成功“开孔”下月起向浙江供气[N].浙江在线-今日早报，2012-06-27.

[10]姜修才，肖春辉，任丽芝，等.管道径向开孔用防涨卡装置：中国，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，黑龙江东宁人，工程师，2005年毕业于吉林大学机械工程及自动化专业，现主要从事油气管道维抢修方面的研究工作。Email：jiang_xiucai@163.com.

2017-02-07

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.015