中低压油水管道带压开孔装置的设计.docx

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中低压油水管道带压开孔装置的设计

中低压油水管道带压开孔装置的设计

摘要：

随着采油厂输油管线状况的持续老化，类似输油管线加接支线、增设或检修阀门、管路改线或更换某一被腐蚀破坏的管线等施工日益增多，（这种施工停井时间长，涉及环节多，劳动强度大，安全性差，造成的污染严重，油田生产损失大），为避免原油产量损失和原油放空污染，实现输油管道不开孔效益和社会效益最大化，迫切需要开发管道不停输开孔技术与装置，以满足油田生产和原油管道输送。

为此我们所设计的带压开孔装置，采用机械切削方式开孔，模拟机械加工中钻铣床的工作状况，在输油介质对管壁保持侧压的情况下，使开孔刀具（钻头或铣刀）在进给丝杠作用下，对管壁金属实施切割钻进，实现开孔。

开孔装置结构简单，操作可靠便于携带，能够满足油田施工的需要。

目录：

前言：

油田生产中经常遇到输油管线加接支线、增设或检修阀门、管路改线或更换某一被腐蚀破坏的管线等作业，这些作业的首道工序是在管壁上开孔，施工时需要对所涉及的油井停产，油泵停输，管线放空卸压，使用压风机扫线并防火防爆，再使用火焰切割的工艺在管壁上开孔，然后焊接阀门管接、法兰等。

这种施工方法停井时间长，涉及环节多，劳动强度大，安全性差，造成的污染严重，油田生产损失大，在干线或输送稠油等易凝原油时，往往还因停输时间长，管线堵塞而增加额外的工作量，严重的造成整个管线报废。

根据临盘采油厂输油科、综合大队和各个矿的统计，2004年此类施工51次，累计停井51，245小时，影响原油产量1306.33吨，施工费用120万元，清污费用9.2万元。

随着采油厂战线的不断扩大和输油管线状况的持续老化恶劣，管线加接、改线、更换管线等施工日益增多，为避免原油产量损失和原油放空污染，实现输油管道不开孔效益和社会效益最大化，迫切需要开发管道不停输开孔技术与装备，以满足油田生产和原油管道输送。

第一章：

输油管道不停输开孔技术

考虑油田野外施工中动力源、施工效率、安全性、污染等诸多因素，详细统计分析输油干线和支线的管道壁厚、压力、温度、介质状况，采油队井站的施工特点和输油管道中阀门规格型号，连接方式，改变原火焰切割开孔中先放空开孔，再焊接法兰管接，安装阀门的工艺方法，确定了“中低压管道上焊接法兰管接，安装铸钢法兰闸阀，使用带压开孔机，实施带压开孔”的新技术，包括：

1.1管道输油介质研究：

对管道输送油、气、水三相介质及混合物分别研究高温（160℃）及压力（1.6MPa）粘度、运动特征、压缩性、爆炸极限等物理、化学性能。

1.2流体侧流力学研究：

管道开孔位置为与管道正交的侧面，需要对流体的研究和正交管接中流体的运动进行研究。

1.2.1加接管道中流速和压力确定：

由流体力学伯努利方程

Z+P/γ+υ2/2g=常数

式中：

Z：

流体所具有的位能

γ：

流体重度γ=gρ

ρ：

流体密度

g：

重力加速度

υ：

流体流速

可确定两管线相交时的运动情况。

1.2.2开孔时流体对管壁作用力确定：

由不可压缩流体做定常流动时的动量方程：

ρQ（α02υ2-α01υ1）=∑F

式中：

ρ：

流体密度

Q：

流量

α01α02：

动量修正系数取为1.02-1.05

υ1υ2：

有效截面的平均流速

得弯管作用力方程：

E=2A（ρυ2+p）sinΘ

式中：

E：

反作用力

A：

流体截面积

ρ：

流体密度

υ：

流速

p：

压力

Θ：

弯管角度

带压开孔中，两管道正交Θ=90°

则反作用力E=2A（ρυ2+p）

1.2.3输油介质惯性力和粘性力影响：

由临界雷诺数Rec=ρdVc/µ

式中：

Rec：

临界雷诺数

Vc：

流速

d：

管子内径

Vc：

流体密度

µ：

动力粘度

得Rec=惯性力/粘性力=ρυ2l2/Mυl

由此确定原油输送过程中两种力在管壁上的影响。

1.3管壁管接焊接技术：

管道的焊接是开孔施工中的准备，要求满足强度和开孔中的切割。

1.3.1输油管道通常使用20号优质碳素结构钢，强度υb=411MPa，硬度HB156，焊接性能良好，焊接中应执行相应国家标准。

1.3.2焊条使用E5015低氢钠型焊条，干燥处理，防止氢脆，电流选择应减少穿透度，防止焊穿，满足强度σb=490MPa

1.3.3焊接准备：

1.3.3.1检查准备安装管件部位的管路，彻底清理管路外壁并检查管子的腐蚀状况及，若不圆度超过1/8寸（3.175mm）则要圆整。

1.3.3.2清理管件焊接边缘，不得有油漆，脏物，锈、油污和其他杂物。

1.3.3.3干燥管件表面及焊条。

1.3.3.4管件就位时应将旁通管件垂直地置于管道上，使管件中心与管路中心成正交，并于焊接前打磨管件使环向焊缝留有不大于1/8寸的环向间隙。

1.3.4焊接程序：

1.3.4.1完成两条纵向对接焊缝，使管件能保留适当的对管子的压紧力，建议采用很小的运条横摆施焊成叠珠焊缝。

1.3.4.2在管件的一端完成环向填角焊。

1.3.4.3完成管件另一端的环向填角焊。

1.3.4.4为避免开孔困难，焊接时不得焊入管线内部，即管件内部不得有焊瘤。

1.4焊缝检查与圆整：

管道介质的高速流动使焊缝冷却速度加快，使焊缝和热影响区产生裂纹的危险增加。

1.4.1肉眼检查焊缝裂纹，无焊透和咬边。

1.4.2检查硬度，达到HB170-205，防止焊缝存在裂纹。

1.4.3碳粉或漆色渗透法检查填角焊缝。

1.4.4必要时进行压力实验。

1.5带压开孔技术：

使用带压开孔机，模拟机械加工中钻铣床的工作状况，在输油介质对管壁保持侧压的情况下，使开孔刀具（钻头或铣刀）在进给丝杠作用下，对管壁金属实施切割钻进，实现开孔。

1.6压力密封技术：

1.6.1法兰端面使用δ2mm石棉板+平面密封胶密封。

1.6.2钻具接头使用锥管螺纹+丝扣密封胶密封。

1.6.3钻杆与介质间使用耐油橡胶石棉盘根，轴向密封。

1.7流程配套技术：

1.7.1管道旁路开孔时开孔直径小于管道内径，形成节流，流速、流量、压力发生相应变化，流程中应设有相应装置，防止憋压或紊流不畅。

1.7.2带压开孔中，为保证钻具轴向进给和开孔后切断介质，应安装使用闸板阀，使钻具能够通透，并保证提过闸板后关闭.

1.8安全防喷泄技术与安全防火防爆技术：

1.8.1施工过程中,管道压力降到1.6MPa以下,温度降到160℃,防止高温高压下焊接、开孔时的泄露和爆炸。

1.8.2开孔中钻杆转速低于25转/分，防止高转速下金属切削过程中产生高温和火花。

1.8.3开孔前进行密封件强度实验，防止开孔中失效。

第二章、带压开孔机的研制

2.1结构与性能

开发的轻便式带压开孔机有KKJ100和KKJ32两种机型，分别适用于法兰连接闸阀和丝扣连接闸阀，各有8种系列不同孔径刀具，可在—40——+150℃，1.6MPa压力下的各种输油管道上开直径12—100mm（1/2—4寸）通孔。

图1为KKJ100带压开孔机的结构简图。

1—钻头2—变径套3—钻杆4—连接套5—盘根压板

6—盘根7—盘根压帽8—压套9—手柄杆10—平面轴承11—轴承压帽12—紧固螺钉13—压帽

图1KKJ—100型开孔机结构图

2.2工作原理

使用丝扣或法兰将进给固定丝杠与焊接在管道上的正交旁通管路连接，进给固定丝杠上装有与之配合的内螺纹压套。

压套通过连接机构与钻杆连成一体，在固定丝杠上做轴向进给，使固定在钻杆头部的钻具切割管壁金属实现开孔，开孔机中设有密封元件，防止介质泄露。

其设计包括：

2.2.1刀具结构材料：

开孔ø56mm以下使用标准钻头，材料：

高速工具钢WPCr4V2，双圆弧连接，尖高1.5mm，刀尖角40度，内刃锋角110度。

开孔ø56-ø100mm时，使用自制盘铣刀，结构为铣刀圆盘焊接4件硬质合金切刀块，材料YT15,为减小切削刀,使用前角α=25°，后角β=8°副后角β1=2°-3°副偏角ø1=2°。

2.2.2进结机构设计：

开孔机的进给分为两个部分，主切削运动为钻杆的轴向进给，压套在固定丝杠上的进给产生预压力，两种进给通过压帽上的连接销钉固定在钻杆上的环槽内实现。

钻杆为不完全定位：

法兰或丝扣连接限制X轴位移、X轴旋转、Y轴位移、Y轴旋转四个自由度，销钉限制Z轴位移一个自由度，并随压套一同进给。

2.2.3法兰（丝扣）连接机构：

开孔机以法兰或丝扣方式连接在闸阀法兰或丝扣上，并形成密封。

2.2.4压力密封机构：

密封分为三处，

2.2.4.1法兰端面使用δ2mm石棉板+平面密封胶密封，丝扣连接使用密封胶带。

2.2.4.2钻具接头使用锥管螺纹+丝扣密封胶密封。

2.2.4.3钻杆与介质间使用耐油橡胶石棉盘根，轴向密封。

2.2.5减速与润滑：

压套在固定丝杠上形成预压力后，静摩擦力增大，转动困难，需在压套与压帽之间加装平面轴承，实现转动灵活。

2.2.6孔径系列的设置：

为减少钻进阻力和适应法兰连接闸阀与丝扣连接闸阀的不同需要，钻孔孔径设置分为12-32mm，32-100mm两个系列，并在钻杆头部安装莫式锥度变径套，以方便地更换不同直径的钻孔刀具。

2.2.7卡钻保险机构：

为防止卡钻，刀具尾部使用锥度钻柄，并留有扁尾，固定在变径套内，防止卡钻。

2.2.8传动力矩计算：

计算钻杆的切削力和切削功率。

取用：

钻杆转速n1，每转进给量f1，压套转速n2，每转进给量f2

f1=f2/（n1/n2）

①切削厚度h1=f1sinkτ

式中：

kτ：

刀尖角，度；f1：

每转进给量，mm/转

②材料切削率Q：

Q=1/4×πd2f1×n1

式中：

d：

钻具直径，mm；f1：

每转进给量，mm/转，n1：

转速

③由①②查相应图表得材料切除率的切削功率Pc

④切削功率P1=Pc×Q

⑤切削速度υc=πdn1/1000

式中：

d：

钻具直径，mm；n1：

转速

⑥切削力Fc=60000Pc/υc切削力由钻杆头部加专用扳手实现。

2.3应用方法

带压开孔机采用机械切削方式开孔，结构如图1所示，适用于连续输送油、水介质的中低压管路作业。

使用时先在管道上焊接闸阀短节法兰，安装闸阀如图2。

安装闸阀法兰接头如图3，使用石棉垫密封。

连接套4安装在闸阀法兰接头上，实现密封和预紧，压套8在手柄杆部的作用下，在连接套上通过三角螺纹传动旋转进给，钻杆3通过压帽13和紧固螺钉12与压套8连接在一起，完成进刀，钻杆3底部焊接变径套2，通过1—5号莫氏锥套的更换调整钻具尺寸，达到不同孔径开孔的要求，顶部铣成六方，通过专用扳手转动转杆传递动力。

盘根压帽7，盘根压板5，将管道盘根6，紧固在钻杆3上，满足防泄露要求。

主要性能参数：

开孔能力：

φ12-φ100mm

管道压力：

≤1.6Mpa（常温）

钻杆行程：

500mm

钻杆进给方式：

手动，每转进1.5mm

最大扭矩：

2600N.m

动力：

手动，可配其他动力

外形尺寸：

KKJ-32型，φ50×800mmKKJ-100型，φ70×1350mm

适用环境温度：

-40℃—+150℃

自重：

15.5Kg

开孔机结构简单，操作可靠便于携带，能够满足油田施工的需要。

图2闸阀

图3法兰接头

第三章、输油管道不停输开孔技术工艺规程的编定

为使管道带压开孔作业标准化，项目组在多次实验的基础上，编定了“输油管道不停输开孔技术”工艺规程，详细制定了每一工步的技术规范，包括：

（1）管道规格检测；

（2）输油介质检测；

（3）操作空间要求；

（4）泄露应急预案；

（5）焊接清理与预热；

（6）焊接技术规范与金属补强；

（7）焊缝处理与检测；

（8）闸阀安装技术要求；

（9）KKJ系列带压开孔机操作规程与技术规范；

（10）防火防爆应急预案。

工艺规程的编定，进一步落实了研究的技术领域，明确了研究的执行范围，提高了带压开孔施工的安全可靠性和综合经济效益。

结论：

1、中低压油水管道不停输带压开孔系列技术成熟实用，安全可靠，综合效益高。

2002—2003年在胜利油田一些生产单位应用79井次，避免原油损失3248吨。

2、输油管道不停输开孔技术与装备虽然工作原理简单，但它所涉及的工业技术面很广，包括机床、刀具、阀门、管件、压力容器、密封、流体等众多领域，许多特殊技术问题是过去很少研究或目前尚未有明确结论的问题，如：

盘铣刀在空间曲面上干涉和切削力的设计计算；薄壁压力管道环向焊缝金属固化应力补强与检测等，通过此项研究进行了一定深度的探讨，提高了研究的科技含量和技术领先性。