清管器清管作業(yè)分析與研究

王俊穎，畢 權(quán)

（中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室， 北京 102249）

清管作業(yè)一直是管道系統(tǒng)中必不可少的過程。如今管道完整性管理的理念在石油管道行業(yè)越來越深入人心，作為其中尤為重要的環(huán)節(jié)管道清管作業(yè)越來越受到重視，不同類型和功能的清管器的發(fā)展也越來越迅速，清管器作業(yè)越來越傾向于智能化。

1 清管器類型簡介

1.1 清掃型清管器

1.1.1 普通心軸式清管器

心軸式清管器就是指含有一根心軸主體并在其軸向分布多個圓板或皮碗的清管器[1]。對于這種清管器，皮碗與圓板相比皮碗在流體的壓差作用下會產(chǎn)生一種向四周擴(kuò)散的張力，這種張力使得清管器與管壁能形成良好的密封。而圓板在管道中運行的過程中可能因為磨損與管壁間產(chǎn)生縫隙，因而密封性沒有皮碗的好。

1.1.2 剛體式皮碗清管器

皮碗清管器主要包括鋼制軸和橡膠皮碗，還可以根據(jù)不同的清管目的在鋼軸上加不同的部件比如鋼絲刷等。皮碗清管器在管內(nèi)運行時能保持固定的方向，可以攜帶各種檢測儀器和裝置。皮碗清管器特點為在通過曲率半徑大于2D或2.5D的90°彎頭、擋條正交異徑三通時不易停滯（D為管道彎頭的曲率半徑）。但是剛體式皮碗清管器存在的缺點是鋼制軸不能形變所以為了順利通過彎頭此類清管器不能過長。

皮碗清管器中的磁性皮碗清管器為在普通清管器上安裝了永久性強(qiáng)磁體。這款清管器可以利用強(qiáng)磁體的磁性將管道內(nèi)的鐵屑鐵絲吸附在強(qiáng)磁體上帶出。

皮碗清管器皮碗邊裙對管道的過盈量為 1%~4%。

1.1.3 射流清管器

射流清管器工作原理是當(dāng)兩端壓力超過某一設(shè)定值時，閥板打開使清管器后端壓力高的流體噴射而出。當(dāng)清管器兩端的壓力差減小時清管器的彈性主體彈簧拉伸，使得清管器和管道內(nèi)壁的摩阻減小，可以加速清管器的運行[2]。除此之外，噴射出的流體還可以沖散清管器前端積累的污垢，可以用于管道結(jié)垢嚴(yán)重的情況。

1.1.4 液壓動力清管器

液壓動力清管器由三個單元組成：制動單元、密封單元、清洗頭。液壓動力清管器不需要清管器接觸管道，當(dāng)清管器遇到運行阻力的時候，清管器中制動單元就會開孔使清管器的運行速度遠(yuǎn)低于流體流速，通過巨大的流體流速差將污垢洗清。這種清管器最大的優(yōu)勢為能迅速沖散污垢避免卡堵。

1.1.5 可變徑清管器

可變徑清管器適用于管徑形狀特殊或是有變徑管情況的管道，它的工作原理是當(dāng)管徑變小的時候，清管器上的鋼刷所受的壓力增加并通過傳感器控制使彈簧壓縮，使得圓盤直徑減少，可通過更小管徑的管道。同理當(dāng)清管器通過較大管徑的管道時圓盤的直徑增加[3]。

1.2 隔離型清管器

1.2.1 聚氨酯清管器

聚氨酯清管器可以與管壁形成多個密封面，具有刮掃、密封、隔離作用。這種清管器的優(yōu)點是質(zhì)量輕柔性好通過能力強(qiáng)，能通過曲率半徑較小的彎頭。并且因為清管器柔性好對管道的沖擊比較小。但是缺點是磨損大壽命短，還有可能一次報廢。

1.2.2 傳統(tǒng)清管球

傳統(tǒng)的清管球主要用耐腐蝕的橡膠制作成。清管球可以按照大小分成空心和實心兩種，公稱直徑小于或等于100 mm的為實心球，公稱直徑大于100 mm的為空心球。公稱直徑比較大的空心球一般要充水使用。并且在溫度較低的地方使用空心清管球還要在充水中加入例如甘醇的防凍劑以防凍結(jié)。傳統(tǒng)清管器通過充液來控制過盈量，雖然密封效果好，能較好的分割介質(zhì)，但是清管效果并不理想。同時由于傳統(tǒng)清管球與管壁只有一個接觸密封面常容易在三通處發(fā)生卡球。

1.2.3 凝膠體隔離清管器

凝膠體隔離清管器可以充滿管道具有很好的密封性，而且彈性變形特性良好，能夠順利通過彎頭、閥門或者是管道變徑的地方。而且在經(jīng)過泵、閥等元件之后，凝膠清管器能快速恢復(fù)，保證其整體性不受到破壞。

1.3 檢測型清管器

1.3.1 磁通漏失清管器

磁通漏失檢測清管器原理是鋼管的磁導(dǎo)率高于鋼管缺陷處的磁導(dǎo)率，當(dāng)鋼管在外加磁場的磁化作用下，磁力線均勻分布且大部分通過鋼管，當(dāng)管道存在缺陷時，磁力線彎曲并且部分磁力線漏出鋼管表面。

1.3.2 磁通漏失清管器

超聲波檢測清管器利用發(fā)送器發(fā)射脈波，脈波遇到管道的內(nèi)壁和外壁會將信號反射回接收器，根據(jù)這兩種信號接收的時間差可以計算管壁的殘余壁厚并判斷有無缺陷。但是超聲波清管器的缺點是超聲波在空氣中的衰減很快，需要在均相液體中傳播，所以如果輸送的流體中存在較多氣泡或固相蠟塊等物質(zhì)會影響超聲波的傳播，因而超聲波清管器不適用于多相流管道中。

1.3.3 智能清管器

智能清管器不同于以上介紹的目的在于清掃管道內(nèi)雜物或積水積蠟的清管器清管球，智能清管器的功能是收集并記錄管道內(nèi)部情況。通過這些數(shù)據(jù)我們可以分析出管道內(nèi)部有關(guān)腐蝕程度、管徑變化的狀況。智能皮碗型清管器在皮碗上裝上各種皮碗和傳感器，能夠收集管道內(nèi)溫度、壓力和破損位置等信息[4]。

1.4 管道維護(hù)型清管器

1.4.1 堵漏清管器

智能清管器不同于以上介紹的目的在于清掃管道內(nèi)雜物或積水積蠟的清管器清管球，智能清管器的功能是收集并記錄管道內(nèi)部情況。通過這些數(shù)據(jù)我們可以分析出管道內(nèi)部有關(guān)腐蝕

1.4.2 疏通清管器

當(dāng)管道中有清管器堵塞時，可以發(fā)射疏通清管器將卡堵的清管器推出，這類清管器為確保有足夠的動量將卡堵清管器推出一般都比較重。

2 清管器技術(shù)的發(fā)展趨勢

各種不同功能的清管器可以起到如清掃雜物、除蠟除水的效果，為保障原油、成品油、天然氣管道的正常安全運行起到關(guān)鍵的作用。但是在利用清管器清管作業(yè)的過程中會遇到各種威脅管道運行安全的問題，解決這些問題以使管道更安全的清管就成為今后清管器發(fā)展的趨勢。

首先對于清管器清管技術(shù)最需要避免是清管器卡堵問題。造成清管器卡堵主要原因是清管器為了清掃管壁積蠟或雜物一般都要求對管道有一定的過盈量，且密封性要好。但是當(dāng)清管器通過彎頭時如果彎頭的曲率半徑比較小清管器主軸彎曲性又不夠好的情況下，一旦清管器前聚集了較多的沉積物，清管器就容易卡堵在彎頭處。在這種情況下一般要加大輸送流體的流量將卡堵的清管器沖出，但是也有可能產(chǎn)生整條管道堵塞的嚴(yán)重后果。

其次清管器清管的效果與清管器在管道內(nèi)運行的速度息息相關(guān)，清管器的運行速度如若過快會影響其清管效果，而清管器的運行速度又取決于清管器前后兩端的壓差[5]。如何保持前后兩端合適的壓差以控制清管器的速度成為還需繼續(xù)深入的課題。

再次泡沫型清管器和凝膠型清管器由于有較好的柔性和彈性所以不易在管道中卡堵，但是由于這兩種材料在運行中易因磨損而消耗，所以今后還需研發(fā)耐磨又不易卡堵的新型清管器材料。

最后，雖然清管器的種類和功能在不斷的擴(kuò)展，但是不論對哪種清管器都缺乏能判斷其在管道內(nèi)運行狀態(tài)的工具。目前清管器的跟蹤和檢測都是利用設(shè)置幾個固定點對清管器到達(dá)時間進(jìn)行核對的方法。即一般在截斷閥室附近易于巡線的地方設(shè)置幾個監(jiān)測點用來記錄清管器到達(dá)的時間，通過計算可以得到清管器到達(dá)設(shè)置的幾個檢測點的時間，再根據(jù)清管器實際到達(dá)該監(jiān)測點的時間來判斷清管器的運行狀態(tài)是否正常，有無卡堵的可能性，如果超過應(yīng)達(dá)到監(jiān)測點的計算時間過長就該考慮是否存在卡堵的可能性。因此建立科學(xué)的理論體系描述清管器的運行，為清管器的選用提供科學(xué)的理論依據(jù)依舊是清管器發(fā)展的重要方向之一。

3 不同輸送介質(zhì)管道的清管特點

3.1 清管作業(yè)目的

對于新建管道要進(jìn)行清管作業(yè)，因為新建管道在施工過程中會遺留下較多的施工物，對于新建管道的清管目的主要在于掃除這些施工時在管道內(nèi)的遺留物。在對新建管道掃除工作結(jié)束之后可以發(fā)射測徑清管器和模擬清管器來檢查管道的通過能力。對運行管道的清管主要目的是清除天然氣管道積水、含蠟原油管道的積蠟，從而提高天然氣管道輸送的品質(zhì)、降低含蠟原油管道的運行成本。

除了可以掃除雜物、清除積水積蠟，對管道發(fā)射智能清管器還可以對管道進(jìn)行檢測，檢測包括管道是否腐蝕、是否有裂紋、是否有變形，對管道發(fā)射智能清管器可以對管道提供維護(hù)和維修。清管器對管道的清管維護(hù)作業(yè)意義重大，但同時要對清管器進(jìn)行定期維護(hù)。因為清管器在運行工作時會造成磨損，例如軸向不均勻磨損和周向不均勻磨損。

3.2 原油管道

相同條件下清管器在原油管道上的磨損要遠(yuǎn)小于在氣管道中的磨損[6]。原油管道的清管主要是含蠟原油管道要定期進(jìn)行清管工作。對含蠟原油管道進(jìn)行清管工作主要是為了將管壁上沉積的蠟清除。管壁上沉積的蠟會使管道的有效流通面積減小，使管道油品流通直徑減小，這樣會增加站間能量的消耗。嚴(yán)重情況下有可能會造成凝管。所以為了保證管道的正常安全運行，對于含蠟原油管道要定期清管。清除含蠟原油管道主要采用軟質(zhì)清管器和機(jī)械清管器。給含蠟原油管道發(fā)射清管球的先后順序為先放軟質(zhì)清管器再放機(jī)械清管器。

對于結(jié)蠟嚴(yán)重的原油管道應(yīng)當(dāng)采用不同管徑的清管器清除積蠟，按先后順序先發(fā)射直徑較小的清管器，當(dāng)直徑較小的清管器順利清管后，再發(fā)射直徑較大的清管器，這樣可以安全有效逐步的完成清管工作。

3.3 天然氣管道

天然氣管道清管主要目的是除去管道中的水。因為天然氣中一般會含有H2S和CO2等酸性氣體，容易形成水合物，使得管道堵塞。為了除去管道中的水應(yīng)當(dāng)采用密封性較好的直板清管器。

天然氣管道清管不同于輸油管道的特點是對于長距離大管徑的輸氣管道輸氣壓力一般在約 10 MPa，氣體流速能達(dá)到10 m/s左右并且由于天然氣可壓縮性強(qiáng)所以氣體流速的波動范圍較大。但是根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)清管器在管道中運行速度越穩(wěn)定清管效果越好，如果速度過快則會影響清管效果[7]。而如果為了保持清管器的速度降低輸氣流量又會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。并且對于不同管徑的管道應(yīng)設(shè)計不同合適速度的清管器來提高清管效果。所以根據(jù)天然氣管道清管這一特點就需要設(shè)計能控制速度的清管器。目前主要通過旁通閥的調(diào)速裝置來控制清管器的實時速度。

國外對清管器調(diào)速裝置的動力學(xué)模型研究比較深入，主要有韓國Nguyen T T等在假設(shè)清管器旁通孔內(nèi)天然氣不可壓縮的條件下，實現(xiàn)了清管器旁通流量與速度控制[8]。巴西的Azevedo L F A等[8]通過對旁通孔徑對清管器動力學(xué)的影響得到瞬態(tài)停滯/滑移模型。俄羅斯科學(xué)院的Podgorbunskikh A M等研究了內(nèi)檢測器調(diào)速的設(shè)計方法、旁通閥調(diào)速機(jī)理和旁通閥控制電路[9]，設(shè)計了帶旁通閥的內(nèi)檢測器自動調(diào)速裝置。通過旁通閥來調(diào)節(jié)清管器的速度雖然有效但是也存在一定的技術(shù)難點，比如這種調(diào)速裝置只對一定流速的天然氣起到理想的效果，若天然氣的流速過快由于旁通孔徑的數(shù)量有限這種減速效果就會降低。并且這種調(diào)速裝置需要在清管器上裝直流電機(jī)等元件，當(dāng)清管器在管道中清管作業(yè)時需要保證這些元件的運行安全，例如要耐壓和防爆。同時需要保證提供電力的電池元件蓄電能力足夠長。解決以上這些技術(shù)難點可以使帶有自動調(diào)速功能的清管器清管效率更高安全性更好。

天然氣管道清管作業(yè)過程中存在風(fēng)險及對策為天然氣管道由于輸送介質(zhì)為氣體，清管器要求密封性很好，否則容易發(fā)生清管器的竄氣。使得清管器前后壓差減小使工作時間超出正常工作時間。對于這個問題的解決對策就是及時更換維修清管器，防止其因為使用年限過長或維修不及時而磨損嚴(yán)重發(fā)生清管器竄氣。對于天然氣管道清管器卡堵問題的解決對策為加大清管器后方的壓強(qiáng)以迫使清管器通過卡堵的地點。若清管器卡堵情況嚴(yán)重就要對清管器周圍的天然氣進(jìn)行放空，截取卡堵管段、取出清管器。若清管器破裂，停止運行，需要再發(fā)一個清管器將破裂的清管器推出。

3.4 多相流管道

影響多相流管道清管效果主要因素有管線中的氣液比、管線中積聚的液量、氣液混合物在管道中允許的壓降和流速、管線的總斷面形狀。對于一般輸送多相流的海底管道，管道運行一段時間之后由于結(jié)蠟積液等因素必然造成輸送效率降低，所以必須定期清管保證海底管道運行安全。

4 清管器清管工藝

4.1 清管器的工作原理

清管器的工作原理是將清管器放入管道中從而形成密封，利用管輸介質(zhì)前后形成的壓差推動清管器的前進(jìn)，由于清管器對管道的直徑有一定的過盈量，達(dá)到清除管內(nèi)雜物和積水積蠟的目的。

4.2 清管時間或周期

管道清管可以保證管道運行的安全和經(jīng)濟(jì)，但是頻繁的清管也會帶來不必要的人力物力浪費和作業(yè)風(fēng)險。清管周期的確定需要一般通過輸氣效率的計算來確定。例如蘇里格氣田輸氣管道的清管周期利用潘漢特爾公式計算得到輸氣效率,當(dāng)輸氣效率低于90%的時候就進(jìn)行清管處理。而榆林-濟(jì)南天然氣管道在輸氣效率低于95%時就需要進(jìn)行清管作業(yè)。

4.3 輸油管道清管工藝流程

4.3.1 清管器發(fā)射流程

圖1 清管器發(fā)射流程Fig.1 The pig launch process

如圖1，清管器發(fā)射的初始條件為閥門B打開，閥門A和C關(guān)閉。將清管器放入發(fā)球筒后，關(guān)閉快開盲板，換開閥門C，打開閥門D排氣，當(dāng)見到油花后關(guān)閉閥門D。打開閥門A，再緩開閥門B，當(dāng)清管器在流體壓力的推動下進(jìn)入管道并被指示儀檢測到后，記錄發(fā)射時間。當(dāng)確定清管器進(jìn)入主管道后全開閥門B并關(guān)閉閥門C和A。打開閥門D進(jìn)行泄壓，再打開閥門F抽出發(fā)球筒中的油。

4.3.2 清管器收球流程

如圖2，緩開閥門C同時打開閥門D排氣。排氣后打開閥門A，關(guān)閉閥門B以推動清管器進(jìn)入收球筒中。當(dāng)指示儀檢測到清管器進(jìn)入收球筒后打開閥門B。關(guān)閉閥門A和C，再打開閥門D進(jìn)行泄壓。打開閥門F抽油，再打開快開盲板以取出清管器。

為保證通球作業(yè)過程的安全性可采用“二次收球”作業(yè)方法。即在清管器發(fā)出前就在收球站場做好收球準(zhǔn)備，對比于“一次收球”，即在清管器約距收球站場一千米的地點再打開收球閥做收球準(zhǔn)備，“二次收球”的優(yōu)點在于無需在收球筒中裝收球籠，減小了對收球設(shè)備的損壞。

圖2 清管器收球流程Fig.2 Pigging ball collecting process

5 結(jié)束語

總之，清管器在趨向智能化的過程中仍然面臨各種有待解決的問題。對于不同流體介質(zhì)的管道根據(jù)不同的清管作業(yè)要求，所需的清管器類型也不同，應(yīng)根據(jù)具體管道和具體清管作業(yè)要求來選擇合適的清管器。

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［5］ Jayawardena S,Dykhno L,Hudson J.Challenges in pigging of sub-sea gas flowlines[C]. SPE77576,2002.

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