大口径原油管道带压开孔方案研究

刘晓艳，程浩力，王海峰，张晓海，李晓娜 ，王 铎

(1.中国石油工程建设有限公司北京设计分公司，北京 100085；2.长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 716000；3.国家管网集团油气调控中心，北京 100028)

0 引言

带压热开孔技术是将管件或机件连接到在役的管道或设备上，并通过在管件或机件内钻孔或切割，使在役管道开口的技术[1-2]，它具有不停输的特点，广泛应用于石油工业。针对伊拉克某外输大口径原油管道带压开孔改造的情况，介绍了开孔补强计算理论并对项目可行性进行了计算分析。

1 开孔补强计算理论

关于开孔补强计算方法，很多学者做了研究。于斐[3]研究了GB 150—1998《钢制压力容器》中关于压力容器的开孔补强的规定，分析得出等面积法、极限分析法、压力面积法等不适用于有疲劳强度要求的开孔补强计算。魏化中[4]等采用ANSYS软件对补强圈与容器壳体的接触进行了模拟并分析，发现有接触的有限元可以更好地预测补强圈与容器壳体间的应力场分布。赵广森等[5]对SY/T 0518—1992《油气管道钢制对焊管件设计规定》中开孔补强计算进行了分析并对焊缝系数等参数给出了建议。李小瑜等[6]按照 ASME B31.8规范的要求对科威特集气站项目工程干线输气管道进行了热开孔补强计算。

海外输油气管道工程项目中执行广泛的规范是ASME B31.4—2019《液体和泥浆用管道输送系统》[7]和ASME B31.8—2018《输气和配气管道系统》[8]。

对于管道开孔补强的要求，在ASME B31.4—2019第404.3 节“支管连接”及ASME B31.8—2018第831.4节“焊接式支管连接的补强”有详细规定。支管补强示意图见图1。

图1 支管补强示意图

输油管道的三通补强根据ASME B31.4—2019第404.3节计算。需要的补强面积AR=dth，可用于补强的面积为A1+A2+A3。补强是否满足要求的判断标准为

A1+A2+A3>AR

(1)

式中：A1为(Th-th)d，mm2；A2为2(Tb-tb)L，mm2；A3为外加补强面积，mm2；d为集管(护板)管壁上开孔的长度(支管内径)，mm；L为2.5Th或2.5Tb+M中的较小值，mm；M为补强厚度，mm；Tb为支管公称壁厚，mm；tb为设计支管壁厚，mm；Th为集管(护板)公称壁厚，mm；th为设计集管(护板)壁厚，mm。

2 原油管道带压开孔计算

伊拉克某油田原油外输管道随着产能的提高，面临着扩建的压力，根据管道运营业主要求，计划在省际交界处增加交界计量功能的站场。管道管径1 067 mm，设计压力8 MPa，设计温度80 ℃，管线钢采用X70钢材(最小屈服强度485 MPa)，钢管壁厚14.27 mm。为了不影响现有原油的外运操作，采用带压开孔封堵施工方案(见图2)。两处带压开孔的施工位置在新建站场的上下游，距离拟站场围墙外约200 m。完成带压开孔和封堵作业后，需要设置临时旁通管线，确保管线正常运行。在新建管线投产完毕，移除临时旁通管线。

图2 带压开孔施工方案示意图

2.1 带压开孔技术

带压开孔面临着动火作业问题，针对高压、大口径及易燃易爆的油气管道的带压开孔，在施工前，进行方案的可行性研究是有必要的。带压开孔封堵方案的可行性主要从以下两部分进行研究：三通在线焊接可施焊压力计算；封堵三通补强计算。

2.2 三通在线焊接可施焊压力计算

根据剩余壁厚和拟开孔管道的参数，由壳牌标准DEP 31.38.60.10的第3.3.3节的公式1[9]计算三通在线焊接时运行中的管道的可施焊压力。

(2)

式中：p为最大允许可施焊压力，MPa；S为管道的最小屈服强度，MPa；t为管道最小实际壁厚与焊接熔深的差值，m；F为强度设计系数，对于原油管道取0.8；E为焊缝系数，取1；T为温度折减系数，取0.65；D为钢管外径，m。

将管道的相关参数代入式(2)，计算可得三通在线焊接最大允许可施焊压力在没有壁厚损失的情况下为5.327 MPa。即在焊接对开三通时，应保证管道内压力小于5.327 MPa，本工程实际带压开孔时管道运行压力降至5.0 MPa。

2.3 封堵三通补强计算

DN 1050封堵三通的参数如表1所示。

表1 封堵三通参数

当管道内压力为5.327 MPa时，根据式(2)计算，集管(护板)的最小设计壁厚th为17.13 mm，支管的最小设计壁厚tb为16.73 mm。

A1=(Th-th)d=(40-17.13)×1 047=23 944.9 mm2A2=2(Tb-tb)L=2×(40-16.73)×2.5×40=4 654.0 mm2

A3=0

总的补强面积为

A1+A2+A3=28 598.9 mm2

开孔需要的补强面积:

AR=dth=1 047×17.13=17 935.1 mm2

A1+A2+A3>AR，因此可以满足补强强度要求。

3 结论

根据以上计算结果，可以得出初步的结论，热开孔三通补强可以满足要求，该大口径管线可以采用带压开孔封堵的施工方案。另外需要注意的是，临时旁通线过长时，需要对旁通管线能否满足负荷及稳定性进行计算，以判断管线扰动是否影响旁通管线的稳定运行。