架空管道清管通球案例分析

水潔惠

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

架空管道清管通球案例分析

水潔惠

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以上海某油庫(kù)庫(kù)外一根油品管道清管吹掃為案例，針對(duì)敷設(shè)于化工園區(qū)公共管廊上的管道采用清管通球時(shí)遇到的問(wèn)題，具體分析了管道通球需要注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。對(duì)清管器的適用性進(jìn)行了比較，并分析了清管作業(yè)時(shí)的處理措施，從而保證了清管通球的順利進(jìn)行，為相關(guān)工作提供參考。

公共管廊；通球；清管閥；清管器

清管通球技術(shù)是對(duì)管道清潔和維護(hù)的一種方式，其作用是多方面的，增加流量、減少內(nèi)部腐蝕、實(shí)現(xiàn)管線多物料輸送、延長(zhǎng)管道使用壽命等。對(duì)于長(zhǎng)距離、架空管道來(lái)說(shuō)，管線在清管過(guò)程中不僅受環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，同時(shí)管道的敷設(shè)路徑、管架的設(shè)計(jì)亦有很大影響。本文希望能通過(guò)優(yōu)化清管方案，優(yōu)選清管設(shè)備，使清管通球工作即經(jīng)濟(jì)又安全地完成。

1 概述

上海某油庫(kù)項(xiàng)目中，庫(kù)外有一根燃料油管道（φ406×8），由油庫(kù)界區(qū)輸送至園區(qū)碼頭，全程敷設(shè)于化工園區(qū)公共管廊上，庫(kù)外管道長(zhǎng)1 900 m，管道設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度75 ℃，管線兩端設(shè)置清管閥。該管道自建成投用后一直安全運(yùn)行，現(xiàn)計(jì)劃對(duì)管道進(jìn)行清管通球以實(shí)現(xiàn)一根管道的多油品輸送，在采用“氮?dú)忭斠骸狈桨竿ㄇ虼祾邥r(shí)，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)管道產(chǎn)生較大位移，管托已滑出管架橫梁，后因及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施，故未造成嚴(yán)重后果。圖1為現(xiàn)場(chǎng)管道產(chǎn)生的位移。

該燃料油管道出庫(kù)區(qū)后架設(shè)于公共管廊，管道途中經(jīng)過(guò)8個(gè)管架翻高跨，最大翻越高度14.7 m，且管道全程設(shè)置了18套立體補(bǔ)償彎。本文主要分析清管通球技術(shù)對(duì)管道設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。

2 工程技術(shù)分析

2.1 清管通球操作所產(chǎn)生的沖擊力影響

圖1 管道的局部位移Fig.1 Pipeline displacement

管線清管通球技術(shù)采用的是活塞在氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)的原理。清管閥發(fā)射清管器后，清管器在管道內(nèi)緊貼管內(nèi)壁，形成一個(gè)密封的、具有一定硬度的球形活塞。當(dāng)清管器后的氣體壓力大于清管器前的液體壓力時(shí)，清管器在壓差作用下克服與管壁之間的摩擦阻力和管內(nèi)液體阻力后，才能向前運(yùn)動(dòng)。

本案例中，燃料油管線在清管時(shí)以氮?dú)庾鳛闅庠矗捎谩暗獨(dú)?清管器頂液”的工藝方案。

圖2所示為“氣頂液”清管通球設(shè)備系統(tǒng)，管道兩側(cè)均設(shè)置收發(fā)球裝置（清管閥），發(fā)球裝置發(fā)射清管器后，用氣體推送清管器向前頂管內(nèi)液體，最終至管道另一側(cè)收球裝置接收到清管器為止，清管通球吹掃完成。

該燃料油管道采用“氮?dú)忭斠骸贝祾叻桨?，?duì)管道內(nèi)部流體沖擊的分析如下：

一方面，清管器和流體在經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)會(huì)對(duì)彎頭產(chǎn)生作用力，清管器在通過(guò)公共管廊的翻高跨越道路及管道的π型補(bǔ)償彎時(shí)，由于高程變化會(huì)產(chǎn)生加速或減速，當(dāng)清管器速度增大時(shí)，會(huì)增加對(duì)管壁的擠壓以及內(nèi)部流體動(dòng)量變化誘導(dǎo)的沖擊力，這種內(nèi)部沖擊力的積聚會(huì)對(duì)管道位移產(chǎn)生一定作用。由于燃料油管道翻越高差較大且設(shè)置了多個(gè)補(bǔ)償器，管道內(nèi)氣體存在壓縮性，壓力的傳遞性較差，尤其在管道轉(zhuǎn)彎處會(huì)伴有一定沖擊力影響通球。

圖2 清管通球設(shè)備布置 [1]Fig.2 Pigging equipment layout

另一方面，清管過(guò)程中隨著操作壓強(qiáng)和流量的增大，清管器經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)氮?dú)饪赡軙?huì)滲透至清管器的運(yùn)行前方，導(dǎo)致管內(nèi)存在氣、液兩相流，不僅影響后續(xù)清管工作效果，同時(shí)還會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生水錘沖擊傷害，這種沖擊力對(duì)管系穩(wěn)定存在一定影響。

對(duì)于抑制管內(nèi)形成多相流的問(wèn)題可以采用在管道彎頭處添加放空閥的方法解決。在管道翻高或π型補(bǔ)償器的立管頂部設(shè)置放空閥，緩解管道內(nèi)部壓力，避免氣體在管道內(nèi)部持續(xù)加壓，加劇管內(nèi)流體的紊亂。

2.2 清管器的選用

清管器的種類(lèi)較多，有皮碗、清管球、泡沫清管器、全聚氨酯組合型清管器等。案例中燃料油管道清管器選用了三層皮碗，本文就三層皮碗和清管球兩種型式清管器，分析其與管道的適用性。

2.2.1 三層皮碗式清管器對(duì)清管的影響

相比其他型式清管器，皮碗式清管器的清潔效果更好，推出管道積液的同時(shí)，推出固體雜質(zhì)效果遠(yuǎn)比清管球好。但在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)皮碗式清管器的皮碗磨損很大，而且若皮碗的長(zhǎng)度選用不合適，在曲率半徑小的彎頭處容易發(fā)生卡堵。在清管過(guò)程中，皮碗的磨損與其摩擦力直接相關(guān)。清管器運(yùn)行速度快則產(chǎn)生更多摩擦熱量，使皮碗溫度迅速升高，皮碗材質(zhì)變軟，加劇了皮碗磨損量。三層皮碗的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。[2]

圖3 三層皮碗結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Leather cap type pig

本案例燃料油管道采用了三層皮碗清管，皮碗在水平管段運(yùn)行過(guò)程中，整體壓力分布較均勻。當(dāng)清管器通過(guò)1.5 DN彎頭瞬間，氮?dú)庥汕骞芷髋c管道之間的縫隙快速進(jìn)入液相區(qū)，清管器與1.5 DN彎頭適應(yīng)性存在一定的問(wèn)題，即漏氣現(xiàn)象。

如圖4、圖5所示，當(dāng)皮碗通過(guò)2.5 DN彎頭，清管器與水平方向呈45°時(shí)，清管器密封性相比1.5 DN彎頭更佳。因此，對(duì)于本案例燃料油管道設(shè)計(jì)的1.5 DN彎頭，三層皮碗通過(guò)彎頭時(shí)存在密封不嚴(yán)、漏氣的問(wèn)題。漏氣后使清管器前方管道內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜多變，氮?dú)馀c液體的交變會(huì)引起清管體系不穩(wěn)定。

圖4 皮碗轉(zhuǎn)彎示意（1.5 DN）Fig.4 Leather cap through the 1.5 DN elbow

圖5 皮碗轉(zhuǎn)彎示意（2.5 DN彎頭）Fig.5 Leather cap through the 2.5 DN elbow

2.2.2 清管球?qū)η骞艿挠绊?/h4>

清管球應(yīng)用于油品管道的清管作業(yè)已有多年。清管球外層材料為耐磨耐油的氯丁橡膠。清管球通過(guò)彎頭的性能較好，其通過(guò)能力強(qiáng)，易于控制，制造和使用都比較方便。當(dāng)管道公稱(chēng)直徑小于等于DN 100時(shí)采用實(shí)心球；大于DN 100時(shí)采用內(nèi)腔注液的空心球。相關(guān)文獻(xiàn)表明，清管球的運(yùn)行速度控制在3 ～ 5 km / h效果最佳。[3]圖6為清管球通過(guò)DN400管道彎頭（1.5 DN）時(shí)的示意，相對(duì)三層皮碗結(jié)構(gòu)，清管球與彎頭的密封效果更佳。

圖6 清管球通過(guò)1.5 DN彎頭示意Fig.6 Pig through the 1.5 DN elbow

本案例中已建的DN 400燃料油管道，采用1.5 DN彎頭，相比使用皮碗式清管器，清管球?qū)濐^的適用性更佳。[4]通過(guò)清管球過(guò)盈量公式計(jì)算，保證球與管內(nèi)壁達(dá)到緊密密封。DN 400管道的清管球有常用規(guī)格可供選擇，也可通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)清管球外徑的適用性。一般清管球過(guò)盈量控制在2 % ～ 4 %較為合理。清管球過(guò)盈量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

δ=（球徑-管內(nèi)徑）/管內(nèi)徑×100% （1）

根據(jù)式（1），DN 400管道（φ406.4×8）可以采用直徑408 mm的清管球，此時(shí)清管球的過(guò)盈量為2.4 %，較為合適。

3 管道的設(shè)計(jì)

3.1 彎頭曲率半徑對(duì)清管器的影響

案例中燃料油管道全線采用了1.5 DN彎頭。在清管過(guò)程中，皮碗式清管器通過(guò)1.5 DN彎頭的效果不佳，在彎頭處清管器通過(guò)速度慢，管道內(nèi)部氮?dú)鈮毫Ψe聚，容易形成氣、液兩相流，造成管內(nèi)流體不穩(wěn)定。皮碗式清管器與2.5 DN彎頭的適用性更佳。

但該管道敷設(shè)距離長(zhǎng)、彎頭設(shè)置多，如將已建成1.5 DN彎頭改為2.5 DN彎頭，其費(fèi)用投入和工程量都較大，從經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā)并不合適。

3.2 管道熱膨脹對(duì)清管系統(tǒng)的影響

案例中燃料油管道設(shè)計(jì)溫度為75 ℃，全程設(shè)置了18套立型補(bǔ)償結(jié)構(gòu)及8處翻高自然補(bǔ)償，管線設(shè)計(jì)足夠緩解熱膨脹位移，因此管道的熱膨脹對(duì)清管過(guò)程沒(méi)有產(chǎn)生影響。

3.3 防止管道支架脫落

由圖1可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)燃料油管道采用的是卡箍型滑動(dòng)管托。卡箍型滑動(dòng)管托一般是管托底部與管架之間的摩擦面，對(duì)于位移量較大的位置，如管道翻高、管道補(bǔ)償彎前后管段，可以考慮將管托底板與管架焊接、卡箍與管道預(yù)留3 mm滑動(dòng)間隙，以改變滑動(dòng)接觸面的方式，這種管托安裝方式可以防止因位移過(guò)大引起管托滑出管架的事故發(fā)生。

如圖7所示，管托底部與管架焊接，管托與管架是相對(duì)固定的，當(dāng)管道產(chǎn)生位移時(shí)，卡箍與管道留有3 mm間隙，給予管道位移的充分空間，同時(shí)滿足管托此處為活動(dòng)點(diǎn)的應(yīng)力要求。該情況下，可以避免管托脫落的安全事故發(fā)生。

4 結(jié)論

本文以上海某油庫(kù)項(xiàng)目庫(kù)區(qū)外燃料油管道采用“氮?dú)?清管閥頂液”通球改造為案例，從現(xiàn)場(chǎng)的清管工藝、清管器的選用進(jìn)行具體分析，提出了清管優(yōu)化方案，確保管道順利通球。同時(shí)對(duì)防止管道發(fā)生滑落給出了優(yōu)化方案，分析結(jié)論如下。

（1）管道保留原“氮?dú)?清管器頂液”通球方案，在管道翻高管段設(shè)置放空閥，緩解清管器通過(guò)彎頭引起的氣液兩相流沖擊。

圖7 管托示意Fig.7 Pipe support drawing

（2）根據(jù)本文分析，相較于原方案的三層皮碗式清管器，清管球與1.5 DN彎頭的適用性更佳。改三層皮碗式清管器為清管球，能有效減小管道轉(zhuǎn)彎處管內(nèi)壁的沖擊力。

（3）該管系設(shè)計(jì)時(shí)已通過(guò)應(yīng)力計(jì)算，且運(yùn)行中管道位移量在設(shè)計(jì)允許范圍，故管道熱膨脹位移并不是本次管道清掃過(guò)程產(chǎn)生位移的重要因素。

（4）在管道順利通球后，本文也建議對(duì)于局部管段，可優(yōu)化活動(dòng)管托的型式，對(duì)于解決管廊上管道位移大的問(wèn)題具有一定可行性。

[1]于曉民 .淺談長(zhǎng)輸管道試壓與清通技術(shù)[J].管道與通風(fēng)空調(diào)安裝技術(shù)，2005（7）：30.

[2]戴斌，陶志鈞.皮碗式清管器的磨損和長(zhǎng)度特性研究[J].上海煤氣，2008（2）：6.

[3]張連翠.石油與天然氣管道清管器及其應(yīng)用[J].勝利油田職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：70.

[4]陳欣，余國(guó)核，王茜.清管器的設(shè)計(jì)與選用[J].清洗世界，2011（3）：20-21.

Case Analysis of Using Pigging in Cleansing Elevated Pipeline

Shui Jiehui

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Exampled with one pipeline which was cleansed and located at outer one oil depot, and with respect to the problem in using pigging in cleansing process, the key points were analyzed and the applicability of using pigging was compared. The measure for treating the problems in pigging process was analyzed, which may ensure the process smoothly performed.

public utility tunnel; pigging; pigging valve; pipe cleaner

TQ 055.8+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-817X（2017）05-0017-004

2017-07-17

水潔惠（1983—），女，工程師，主要從事儲(chǔ)運(yùn)及外管的管道設(shè)計(jì)工作。