新型無源輸油管道清管器的可行性研究

徐引濤， 李垚， 蔣永亮， 徐小兵， 張善彪， 張慢來

（長江大學(xué)，湖北荊州434023）

新型無源輸油管道清管器的可行性研究

徐引濤， 李垚， 蔣永亮， 徐小兵， 張善彪， 張慢來

（長江大學(xué)，湖北荊州434023）

采用機(jī)械除蠟裝置進(jìn)行輸油管道清管時，由于管道的彎曲、扭曲及蠟層較厚等原因，發(fā)生清管器的卡堵是一種普遍現(xiàn)象。文中提出了一種新型的防卡堵裝置設(shè)計方案，包括尺寸、滾刀、流道、皮碗及排屑的設(shè)計，對高效清理作了驗證，并進(jìn)行了清管器可行性的理論分析。新型無源輸油管道清管器能夠滿足防卡堵和高效清理的要求。

清管器；卡堵；高效清理；可行性

0 引言

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，輸油管道常由于管道結(jié)蠟使得管道有效橫截面積減小，管道沿程阻力增大，嚴(yán)重時還會造成凝管事故，以致原油泄漏，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時還會給輸油管線周邊環(huán)境帶來污染［1］。為此，各國石油企業(yè)都投入了大量的資金來研發(fā)清管器。

由于管道鋪設(shè)環(huán)境非常復(fù)雜，在我國廣泛采用的是機(jī)械除蠟方式［2］。但由于現(xiàn)有的清管器不能夠離線工作，而且工作效率低，清管器發(fā)生卡堵的事故時有發(fā)生［3］。本文提出了一種新型的無源輸油管道清管器，它不僅能夠克服以往清管器的缺點，而且還可以離線工作，大大提高了清管效率，能給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用原油提供動力帶動葉輪旋轉(zhuǎn)從而帶動滾刀旋轉(zhuǎn)將管壁上附著的蠟旋切下來，切下的蠟屑在壓差作用下被原油帶出清管器。清管器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 清管器結(jié)構(gòu)圖

2 防卡堵設(shè)計

2.1 清管器長度與管道內(nèi)徑之比

清管器通過垂直彎道的過程如圖2，由于清管器太短則容易在彎頭處翻轉(zhuǎn)，太長則不能通過彎頭，為此選清管器長度是管道內(nèi)徑的1.2倍。硅膠導(dǎo)向碗具有良好的變形能力，故不考慮其厚度，去除導(dǎo)向碗后清管器長度約為原長的5/6。設(shè)管道內(nèi)徑為D，則清管器總長為1.2D，去除導(dǎo)向碗后長為D，由

圖2 清管器通過垂直彎道示意圖

則清管器中間截面（包含滾刀）最大外徑為0.9365D。而清管器大齒圈直徑約為管道內(nèi)徑的0.85倍，滿足垂直彎管的通過條件，且具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 螺旋滾刀處的柔韌性設(shè)計

考慮到清管器通過垂直彎道時滾刀會碰到管壁以及管道變形后滾刀也會碰到管壁，將滾刀以簡支梁的方式安裝于大齒圈上，如圖3。

滾刀與安裝槽無縫配合，避免刮削下的蠟屑進(jìn)入安裝槽內(nèi)卡住滾刀。滾刀能在安裝槽內(nèi)繞銷軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)滾刀遇到足夠大的徑向力時，滾刀向內(nèi)壓縮彈簧，避免滾刀與管壁剛性接觸時損害刀刃和管道，當(dāng)滾刀所受徑向力減弱時，滾刀恢復(fù)原位。滾刀的柔韌性設(shè)計對彈簧的要求較高，并且安裝具有一定難度。

圖3 滾刀處的設(shè)計

2.3 流道的設(shè)計

流道與管道的截面直徑比1∶4。通過控制葉輪轉(zhuǎn)速能較好地控制清管器的運行速度和滾刀的切削速度。當(dāng)前方遇到較厚蠟層時，前方硅膠碗向內(nèi)收縮以便清管器繼續(xù)前行，但前行速度減慢，此時通過流道的流量增大，葉輪的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速增大，滾刀切削力和切削速度也隨之增大，從而將厚蠟層切除下來；當(dāng)前方蠟層較薄時，清管器所受阻力較小，軸向運行速度相對較大，葉輪轉(zhuǎn)速相對較小，滾刀切削力較小。清管器工作時導(dǎo)向碗變化如圖4。

圖4 工作時導(dǎo)向碗變化圖

清管器軸向運行速度和滾刀切削力的自我調(diào)節(jié)能防止清管器發(fā)生卡堵事故。

2.4 導(dǎo)向碗型設(shè)計

當(dāng)前方遇較厚蠟層時，為使導(dǎo)向碗順利跨過蠟層，則與蠟層接觸面的碗型曲率半徑接近蠟塊大小，導(dǎo)向碗收縮內(nèi)側(cè)的碗型曲率較大且此處較薄，便于收縮變形。硅膠具有良好的耐熱耐寒耐油性，同時具有很好的耐磨性和柔軟性，因此硅膠導(dǎo)向碗能保證清管器與管道良好接觸，使清管器軸心始終與管道軸心重合，并且通過能力極強(qiáng)。

2.5 排屑設(shè)計

滾刀切削產(chǎn)生的碎屑如果不能及時排除清管器，容易導(dǎo)致滾刀不能旋轉(zhuǎn)，清管器不能正常工作以致發(fā)生卡堵事故。

圖5 壓力排屑過程

如圖5，原油流經(jīng)小截面流道時因收縮現(xiàn)象越過密封板處的排屑孔，左端排屑孔壓力較小，通過葉輪流道的原油在壓差的推動下從右端排屑孔進(jìn)入切削管道處，原油把切削下的碎屑從左端排屑孔帶出清管器內(nèi)部，由流道流到清管器前方隨原油流走。

3 高效清理

3.1 動力來源

清管器的動力來源于原油自身的流動，既避免了因離線清管帶來的巨額經(jīng)濟(jì)損失，又保障了動力的充足。待清理蠟層較厚時前進(jìn)速度減慢、動力加強(qiáng)；蠟層較薄時前進(jìn)速度加快，節(jié)約清理時間。

3.2 除蠟方式

螺旋滾刀切削時預(yù)留4 mm厚的保護(hù)蠟層，滾刀螺旋角30°，4個合金鋼滾刀從小刃到大刃層層切削，可將管壁上的蠟層一層一層切削下來。與鋼絲刷和刮刀等清洗工具相比，滾刀不損害管壁且效率較高。

3.3 葉輪的效率

清管器的動力來源是管道內(nèi)輸送的流體，葉輪的設(shè)計能從流體中獲得足夠的能量且以最大效率傳遞給滾刀實現(xiàn)切削過程。

4 可行性分析

選取內(nèi)徑為365 mm的管道為計算對象，計算時暫不考慮原油黏滯系數(shù)，取較大安全系數(shù)。清管器流道截面直徑90 mm，滾刀厚度2 mm。將管道沉積蠟切出后通過實驗得出：沉積蠟的剪切極限應(yīng)力為［σ］=275 Pa。選用安全系數(shù)為2，則需要清除掉管道中沉積蠟需要的最小應(yīng)力為550 Pa。

4.1 除蠟阻力矩

螺旋滾刀軸向長度L=180 mm，其中150 mm圓錐段用于切削，刃口半徑差Δd=15 mm，滾刀螺旋角β＝30°。則刀刃長度沉積蠟剪切極限σ=550Pa，假設(shè)每次除蠟厚度s=10 mm，除蠟所需扭矩

式中，Z為滾刀數(shù)，D′為刀刃中徑。得出M1=0.667 8 N·m。取安全系數(shù)20，則M1=13.356 N·m。

4.2 葉輪輸出轉(zhuǎn)矩

根據(jù)軸流式葉輪圓柱層間無關(guān)性假設(shè)，用r和r+dr兩個同心圓柱切割軸流式葉輪，將截取厚度為dr的圓柱層展開，得到一個平面直列葉柵。

圖6 平面直列葉柵

取v0=1.7 m/s，得流道內(nèi)流體流速vL=27.508 m/s。

代入數(shù)據(jù)，得轉(zhuǎn)矩M=1.460 N·m。

滾刀上面安裝4個刀片，則刮削下沉積蠟的扭矩M1= 0.3613 N·m。葉輪提供的扭矩足夠切下沉積蠟。

5 結(jié)語

通過對清管器防卡堵和高效清理的分析，清管器不僅可以順利通過彎管，而且還可以適應(yīng)復(fù)雜管道，除蠟效果和效率也有保證，可行性很高，具有廣泛的應(yīng)用前景。

［1］ 盛沙，戴波，謝祖榮，等.超聲波智能清管器信號處理技術(shù)研究［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2004（3）：38-41.

［2］ 王霞.大口徑高壓輸氣管道清管技術(shù)研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2009.

［3］ 劉剛，陳雷，張國忠，等.管道清管器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.油氣儲運，2011，30（9）：646-653.

［4］ 王志方.管內(nèi)石蠟沉積物的力學(xué)響應(yīng)特性研究［D］.青島：中國石油大學(xué)，2008.

（編輯昊 天）

Feasibility Study on a New Pipeline Pig Without Extra Dynamic

XU Yintao,LI Yao,JIANG Yongliang,XU Xiaobing,ZHANG Shanbiao,ZHANG Manlai
（Yangtze University,Jingzhou 434023,China）

Pipeline pig would not get through the pipeline when it is working under the special environment,which includes metabolic pipeline,thicker wax,etc.A new type of pig plugging device is designed,efficient cleaning are guaranteed,the feasibility analysis of wax removal is carried out.The design of new pipeline pig can meet the requirements of keeping working and effective cleaning wax.

pipeline pig;plugging up;effective cleaning;feasibility

TE 973

A

1002－2333（2014）05－0017－03

徐引濤（1990—），男，2010級本科學(xué)生，研究方向為過程裝備；徐小兵（1962—），男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事機(jī)械制造技術(shù)、電加工技術(shù)和模具設(shè)計的科研工作。

2014-03-06

全國大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目（201210489319）