用于运行管线连接的不停输开孔技术用于运行管线连接的不停输开孔技术USING HOT TAPS FOR USING HOT TAPS FOR IN SERVICE PIPELININ SERVICE PIPELINE CONNECTIONS E CONNECTIONS 1 1 内容提要 内容提要 天然气运输和分配公司一年中要多次连接新管线以扩大或改造现有系统。为保证有一个安全的管线连接环境，必须关停一部分系统并将天然气排放到大气中。这个被称为管线停工接线的过程会引起甲烷排放、产品和销售损失，偶尔还会引起用户的不便、损失部分相关费用（与抽空现有管线系统有关的费用） 。 不停输开孔技术是在管线处于运行状态、天然气带压流动时连接新管线的一种方法。不停输开孔过程包括：在运行管线外面连接支线和阀门，然后在支线内切开管线壁，通过阀门移去管壁部分。不停输开孔技术可避免产品损失、甲烷排放以及中断客户服务。 虽然不停输开孔技术并不是一种新的做法，但近期的结构改进降低了操作者在过去遇到的复杂性和不确定性。几个天然气 STAR 运输和分配合作伙伴声称，他们经常使用不停输开孔技术基本上每天都要进行小型的接线工作，每年会进行 2 到 3 次较大的不停输开孔作业（大于 12 英寸） 。 通过应用不停输开孔技术，天然气 STAR 合作伙伴实现了甲烷减排并增加了收入。气体节省量足以证明在运行管线上利用不停输开孔技术来连接所有新管线是合理的。使用不停输开孔技术通常可以立即收回投资。 减少气减少气体损体损失的方失的方法 法 天然气天然气节省节省体体积积（千立（千立方英方英尺/尺/年） 年） 节省天节省天然气然气的价值 的价值 （美元（美元/年/年） ） 其他节其他节省费省费用 用 （美元（美元） ） 投资成投资成本 本 （美元（美元） ） 其他费其他费用用4 4 （美元（美元/年/年） ） 投资 投资 回收期 回收期 （月） （月） 不停输开孔连接1 24 400 73 3202 6 8403 36 200 43 000 12 1 年度节省和费用按平均每年应用 320 次不停输开孔技术（不同尺寸）计算。 2 假设天然气价格按 3 美元/千立方英尺计算。 3 其他节省费用是惰性气体的节省费用。 4 其他费用包括操作维护费用和合同服务费用。2 2 技术背景 技术背景 在天然气运输和分配系统中，经常需要更改或扩展现有管线、安装新阀门或维修旧阀门、安装新支线、实施维修保养或在紧急事件期间使用管线。为保证管线连接作业的安全，以前惯用的做法是在管线更换期间关掉一部分系统、将隔离出来的管线中的气体排放到大气中、用惰性气体吹扫管线。 进行管线停工接线的过程随系统压力的不同而稍微有所不同。在高压系统中，关闭周围阀门以隔离出管线部分，在靠近阀门处放置塞子（插入式塞子）以防止天然气泄漏并改善管线互连场地周围的安全条件。在低压系统中，要关闭的管线长度一般较短。采用的方法不是关闭周围阀门，而是用塞子在开孔区域周围直接将管线部分隔离出来。在这两种情况下，都要排放出隔离管段中的气体，并且要吹扫管线。 1 进行管线停工接线对经济和环境均有影响。从隔离管段排出气体将导致天然气产品的损失，同时也会增加甲烷气体的排放。此外，从处于运行状态的系统中移去一段管线通常会中断客户供气服务。例如，在一条钢质管线上进行管线停工接线作业，要求管线停止工作 13 天或者更多天数，除了向大气中释放甲烷以外，还可能中断天然气运输。 不停输开孔技术是一种替代技术，它允许在不关停系统和不将气体排放到大气的情况下进行管线连接。不停输开孔技术也被称为管线分接、压力分接、压力切割和侧向切割。该过程包括在不中断气体流动、无气体释放或天然气产品损失的情况下，在运行管线上连接支线和开孔。不停输开孔技术允许将新管线连接到现有系统上、将设备插入到气流中、连接永久性的或临时性的支线，它是用可膨胀的、临时性的气球管塞（塞子）来堵塞管线的准备阶段。 目前已有适合于天然气运输和分配系统中各种管线尺寸、管道材料和压力等级的不停输开孔设备。典型的不停输开孔装置的主要设备包括一个打孔机、一个分支接头和一个阀门。不停输开孔设备描述如下（见图 1 所示） 。 图图 1 1 不 不停输停输开开孔设备孔设备剖面剖面示示意图 意图 打孔打孔机。机。打孔机通常由一个机械驱动的控制切削工具的可伸缩钻杆组成。切削工具用来在管壁上钻一个定位孔以保持开孔锯条居中，该开孔锯条锯开“切片”或切断管壁弯曲部分。 接头。接头。在接头内部将新管线连接到现有管线上，小尺寸管线（例如 1 英寸）连接到较大尺寸管线上时，该接头可以是一个简单的焊接短节；当支线尺寸与母体管线尺寸一样大小时，需要一个全环绕的对开管套三通作为额外支撑。三通完全缠绕在管线周围，焊接时，三通为支线和工作管提供机械加固。 阀门阀门。不停输开孔连接管线上的阀门对于新连接来讲可以是截断阀或者是控制阀，阀门必须确2 保在完成切削操作后能够将切片（打孔机切下的管壁部分）移取出来。合适的阀门包括一个球阀或闸阀，而不是塞阀或者蝶形阀。 图 2 给出了不停输开孔工艺流程的示意图。进行不停输开孔作业的基本步骤如下： （1）利用焊接（钢铁） 、螺栓连接（铸铁）或者粘接（塑料）技术将接头连接到现有管道上并安装阀门。 （2）通过固定阀门安装不停输开孔机。 （3）经由开口阀门，通过管线切割金属片，进行不停输开孔作业。一个特殊的设备在不停输开孔作业后夹住“金属片” 。通过阀门取出金属片，然后关闭阀门。 （4）移去开孔机，连接支路管线。吹扫氧气，打开阀门，将新管线投入运行。 图图 2 2 不 不停输停输开开孔过程孔过程示意示意图 图 只要有足够的空间来安装阀门、接头和开孔机，就可以在垂直方向、水平方向或管线周围任意角度方向上进行不停输开孔作业。目前的开孔技术可用于所有类型的管线，可以在任何压力、直径和结构的管线上进行操作，甚至可以在旧管线上连接新管线。新的轻型开孔机允许一个操作人员就能进行不停输开孔作业，不需要更多的管线阻塞或支撑。 可以从美国石油学会（API） 、美国机械工程师学会（ASME）和其他组织获得在不同尺寸、不同流量和不同位置的运行管线上进行焊接作业的安全手册和操作指南。这些手册和指南提供了焊接过程中需要考虑的信息，包括防止焊穿、管线内流动、金属厚度、接头、焊缝焊后热处理、金属温度、不停输开孔连接和焊接设计以及管道和设备容量。 供货商手册和设备目录也可为确定最合适的设备尺寸和型号提供一个很好的参考。几个供货商发布了进行不停输开孔作业的综合性的大纲和指南，内容包括：在各种材料上进行开孔作业的信息、工作地点的评价和准备、接头和其他设备的选择和安装、安全措施。最重要的是，由于这是一项危险的作业，在实施各项工作以前，必须对各个不停输开孔作业进行逐个评估，并准备一个详细的书面操作说明，以确保正确、安全地实施所有步骤。 3 3 3 经济和环境效益 经济和环境效益 应用不停输开孔方法取代管线停工接线方法的主要的经济和环境效益包括： 系统连续运行避免了停工和中断服务。 没有天然气释放到大气中。 避免了管线部分的切割、重新组合和重新焊接。 减少了与规划协调、进度安排、文书工作、产量损失和直接维护等相关的费用。 提高了工作人员的安全性。 消除了通知客户停止供气服务的责任。进行不停输开孔作业时，确保采用最好的做法，这样能减少需要的作业时间以及减少潜在的气体排放量。 4 4 决策步骤 决策步骤 通过下面五个步骤，作业者可以评价使用不停输开孔方法取代管线停工接线方法的经济效益： 评价不评价不停输停输开开孔方法孔方法的经的经济济效益的效益的五个五个步步骤： 骤： （1）确定现有管线的实际工作条件。 （2）计算进行管线停工接线的费用。 （3）计算不停输开孔方法的费用。 （4）估计不停输开孔方法所节省天然气的经济效益。 （5）对比两种方案并确定不停输开孔方法的经济效益。第第 1 1 步：确步：确定现有管定现有管线线的实际工的实际工作作条件。条件。为确保一个安全的施工环境，在不停输开孔项目的准备阶段，作业者需要确定最大的工作压力（在开孔期间） 、管线材料类型（钢铁、铸铁或塑料）以及母体管线的状况（内/外腐蚀、管壁厚度） 。只有母体管线材料处于良好状态时，才能在管线上进行不停输开孔连接作业。其他需要评价的条件包括在意外事件中用来紧急隔离的附近阀门的位置、预计的开孔直径、接线周围的工作空间、其他管线焊接的位置以及缺陷或堵塞。作业者还须确定管线是否是“复线” ，因为许多天然气输送公司可通过将负荷转移到一条并行管线上的方式来避免中断管线运行。为确保对将来的接线能进行详尽和恰当的评价，制定并遵守书面计划是合理的。 第第 2 2 步：计步：计算进行管算进行管线线停工接线停工接线的的费用。费用。实际项目的费用包括直接费用，如材料和设备费用、焊接费用、质量控制费用、排气和吹扫费用、劳务费用、进度计划编制费用。额外的间接开支或“隐藏”费用可能包括：关闭阀门的费用、供气服务中断的通知费用、客户服务重新启动费用、塞子开挖费用以及接线清扫费用。建议作业者参考以前的历史数据来确定这些费用。 为便于分析，当分支接线的尺寸与管线尺寸相同时，假设停工接线方法中切割管线和焊接三通管线的材料和劳务费用与在接头上进行焊接和实施不停输开孔作业的费用相当。但管线停工接线方法却还有排放损失的天然气费用和吹扫管线的惰性气体费用。 确定管线停工接线费用的公式如表 3 所示。对于这些计算，小于 2 psig 的压力定义为低压。 为了进行比较，计算管线停工接线费用需要考虑多个工程方案。如果给定拥有和操作不停输开孔设备的投资费用以及一个给定年限内所需进行的接线作业次数，那么这种多个工程方案的做法会对项目有一个更全面的成本对比分析。表 4 给出了在多个接线方案评价过程中如何应用表 3 中的费用数据来进行计算的方法。给出的假设情形包括不同管线尺寸和压力的几个项目。然而，表 4 仅提供了一个 4 英寸管线方案的费用计算过程，而且仅涵盖了直接费用。 4 表表 3 3 计 计算管算管线线停工接停工接线的线的费费用用已知： 已知： D=管线直径（英寸） T=塞孔直径（英寸）低压管线停工，使用塞孔作为封堵器 L=塞孔间管线长度（英尺）高压管线停工 P=管线压力 (低压为 psia，高压为 psig) Ppgas=当前清洗气体市场价格（美元/千立方英尺） 假设为 4 美元/千立方英尺 Pg=当前天然气市场价格（美元/千立方英尺） 假设为 3 美元/千立方英尺 Ce=额外的开挖费用，使用公司记录数据（美元） Cp=清洗连接和开挖费用（美元） Cs=隐藏的停工开支费用，见附录（美元） Cf=配件费用， 见附录（美元） 塞孔处于打开状态的时间=来自以前的经验数据（分钟） 计算直计算直接费接费用： 用：（1）计算管线横截面积（平方英尺） A = 3.14 D2 平方英尺 D24 144 平方英寸 183（2）计算管道体积（千立方英尺） A L 千立方英尺Vp = 1000 立方英尺 （3）计算清洗气体的体积 Vpgas = Vp 2.2(停工恢复20%浪费) （4）计算氮气清洗气体的费用 Cpgas = Vpgas Ppgas （5）计算高压系统中损失天然气的体积： 2 L Vg(千立方英尺)= D P 1000 0.372 1000 计算低压系统中损失天然气的体积： Vg(千立方英尺)= T2 P 塞孔数量 塞孔处于打开状态的时间 小时60 分钟（6）计算损失天然气的费用（美元） Cg = Vg Pg 计算间计算间接费接费用用：（1）计算 Ce=为了连接管线而进行额外开挖的费用（美元） （2）计算 Cp=清洗管线连接的费用（美元） （3）计算 Cs=间接的停工开支费用（美元） （4）计算 Cf=配件费用（美元） （5）计算 Ci=间接费用（美元）=Ce+C