油氣管道清管器的通過(guò)性能設(shè)計(jì)

中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司

我國(guó)的長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)里程已經(jīng)超過(guò)13 萬(wàn)公里，清管器在埋地長(zhǎng)輸油氣管道的日常維護(hù)中起到越來(lái)越重要的作用。輸油管道內(nèi)壁附著蠟層的清理，輸氣管道內(nèi)雜質(zhì)、水合物的清理，新建管道焊條焊渣等雜物的清掃，試壓后的推水、干燥等工序都需要用管道清管器來(lái)清掃、清除管道內(nèi)雜質(zhì)，清管不僅可以提高輸送介質(zhì)清潔程度，而且還能大幅提升管道輸送效率[1-5]。

目前，從事管道清管器設(shè)計(jì)制造的企業(yè)有很多，一部分企業(yè)并不具有專業(yè)的清管器設(shè)計(jì)人員，僅是簡(jiǎn)單地仿照或者是簡(jiǎn)單地改造行為；對(duì)于一款具體的清管器，不懂得計(jì)算方法，旦不能給出其精確的通過(guò)性能參數(shù)。在這種大環(huán)境下，作為清管器的使用者，管道業(yè)主在采購(gòu)清管器的時(shí)候，也無(wú)法甄別哪款清管器適用于自己的管道工況參數(shù)，尤其是無(wú)法判斷清管器通過(guò)凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門(mén)、彎頭變形等復(fù)雜工況下的安全性能；或者有的管道業(yè)主在采購(gòu)時(shí)根本不知道應(yīng)該關(guān)心清管器的哪些重要參數(shù)。

因此，本文將著重討論清管器在凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門(mén)、彎頭中的通過(guò)性能。通過(guò)做圖推演，給出具體的計(jì)算方法和公式，以幫助清管器的設(shè)計(jì)者和采購(gòu)者掌握清管器基本的通過(guò)性能計(jì)算方法，避免由于清管器通過(guò)性能不適用管道工況而發(fā)生清管器停球和卡堵事件，給管道運(yùn)營(yíng)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 通過(guò)性能指標(biāo)

目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用的清管器包括泡沫清管器和機(jī)械清管器兩大類，而機(jī)械清管器按結(jié)構(gòu)形式分為直皮碗清管器、蝶皮碗清管器、鋼刷清管器、直碟刷混合搭配清管器、特殊功能清管器（如帶數(shù)據(jù)采集功能的智能清管器）等，圖1 為常用的直皮碗清管器、碟皮碗清管器、直碟刷混合清管器[6-11]結(jié)構(gòu)示意圖。

長(zhǎng)輸油氣管道在役投運(yùn)清管器進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，管道業(yè)主最為關(guān)心的問(wèn)題除了清管效果的好壞外，還有一個(gè)重要的問(wèn)題就是清管器能否安全地到達(dá)收球筒，尤其是新采購(gòu)的管道清管器進(jìn)行首次的清管投運(yùn)工作。因?yàn)榍骞芷髟谕ㄟ^(guò)凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門(mén)、彎頭等特征部件時(shí)，需要考驗(yàn)清管器在設(shè)計(jì)上的通過(guò)性能指標(biāo)，有時(shí)會(huì)發(fā)生清管器停球、憋壓甚至卡堵現(xiàn)象，嚴(yán)重的后果可能導(dǎo)致管線停輸，封堵和斷管取球[12-18]。

正確應(yīng)用管道清管器掌握主要通過(guò)性能指標(biāo)是關(guān)鍵，其主要通過(guò)性能參數(shù)指標(biāo)包括：適用管道外徑OD，皮碗最大密封間距L1，允許直管段凹陷變形的最小孔徑D凹陷，允許管道縮徑的最小直徑D縮徑，允許90°彎頭的最小曲率半徑R(R=n×OD)。

這幾項(xiàng)指標(biāo)決定了管道清管器在凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門(mén)、彎頭內(nèi)部的通過(guò)性能。

2 直管段通過(guò)性能

清管器在直管道中的通過(guò)性能主要表現(xiàn)在通過(guò)局部凹陷變形直管段的能力，圖2 為直皮碗清管器在通過(guò)有局部凹陷變形的直管段的示意圖。

管道清管器的各種皮碗都是聚氨酯彈性體，鋼刷采用的是彈簧鋼絲材料，因此當(dāng)管道清管器通過(guò)局部凹陷變形直管段時(shí)，皮碗和鋼刷等接觸部件都會(huì)向管道中心折彎，最后順利通過(guò)凹陷變形直管段，實(shí)現(xiàn)一定的通過(guò)能力。清管器在通過(guò)凹陷變形直管段時(shí)的通過(guò)能力指標(biāo)是允許直管段局部凹陷變形的最小直徑（D凹陷）。其允許的最小凹陷變形直徑是清管器能通過(guò)的最大凹陷變形時(shí)的管道最小內(nèi)徑值，該值為清管器的極限通過(guò)能力，在該種情況下，清管器上厚度值最大的部件被變形缺陷擠壓折彎到極限，并緊貼于清管器最大法蘭上。因此，D凹陷的最小值就是該清管器在允許最大局部凹陷變形缺陷下的最大不可壓縮直徑，其直徑大小由清管器的最大鋼法蘭直徑D1與清管器上單一部件的最大軸向厚度A1決定。

允許直管段凹陷變形的最小孔徑D凹陷=D1+2A1。

圖1 幾種普通機(jī)械清管器Fig.1 Several common mechanical pigs

圖2 清管器通過(guò)凹陷變形直管道的示意圖Fig.2 Schematic diagram of pig passing through dent deformation straight pipeline

在清管器的最小孔徑下，對(duì)應(yīng)于該清管器允許的直管段最大凹陷變形百分比計(jì)算式見(jiàn)式（1）。因此，已知清管器的最小凹陷直徑，就能夠計(jì)算出該清管器在直管段中的通過(guò)能力。

式中：X為允許直管段的最大變形量（即通過(guò)能力），%；OD為管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；D1為清管器最大鋼法蘭直徑，mm；A1為清管器單個(gè)部件軸向厚度的最大值，mm。

3 管道三通通過(guò)性能

管道三通在長(zhǎng)輸油氣管道上經(jīng)常用到，主要是起到介質(zhì)分流、分輸?shù)淖饔?。清管器通過(guò)三通示意圖見(jiàn)圖3，當(dāng)清管器前部皮碗進(jìn)入到三通腔體后，介質(zhì)已繞道泄流，介質(zhì)在該部分的皮碗前后無(wú)法形成壓差，因此前部的皮碗就不能起到密封驅(qū)動(dòng)的作用了，此時(shí)只能依靠還在直管段中的后部的皮碗密封來(lái)驅(qū)動(dòng)清管器設(shè)備前進(jìn)。由此推理，如果清管器的兩端部皮碗的最大密封間距L1小于三通的開(kāi)孔尺寸，那么清管器將因?yàn)榻橘|(zhì)泄流失去驅(qū)動(dòng)力而停在管道三通處。因此，管道清管器要想能順利通過(guò)三通，在設(shè)計(jì)上其兩端部的皮碗最大密封間距的值至少要大于三通開(kāi)孔長(zhǎng)度。

圖3 管道清管器通過(guò)三通示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipeline pig passing through tee

按照管道上的三通最大開(kāi)孔尺寸為等徑三通的原則，因此，清管器的皮碗最大密封間距L1要大于OD。

一般在設(shè)計(jì)上為了獲得可靠的三通通過(guò)性能，依據(jù)大量的實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得到如下公式

式中：L1為清管器的皮碗最大密封間距，mm；OD為管道外徑，mm；k為密封間距系數(shù)，推薦1.2≤k≤1.8。

4 管道厚壁及閥門(mén)通過(guò)性能

管道的厚壁及閥門(mén)處的管道內(nèi)徑相比正常管段內(nèi)徑要小，因此可以歸類于管道的內(nèi)徑發(fā)生整圓周縮徑現(xiàn)象，通過(guò)能力取決于清管器允許管道縮徑的最小直徑。清管器通過(guò)管道正常和極限縮徑管道的情況如圖4 所示。相當(dāng)于清管器通過(guò)有大壁厚的直管段，清管器上的皮碗、鋼刷等部件都會(huì)受到整個(gè)圓周方向的擠壓，從而整體向后發(fā)生折彎形變。因此，其通過(guò)性能的計(jì)算原理同樣適用于采用清管器的最大不可壓縮直徑。但是，雖然都是發(fā)生擠壓形變，在縮徑管道內(nèi)是清管器的各部件整圓周都同時(shí)發(fā)生形變，前一個(gè)部件發(fā)生形變后可能會(huì)疊加到后一個(gè)部件上，在計(jì)算通過(guò)縮徑情況下的清管器最大不可壓縮直徑的部件厚度值A(chǔ)需要考慮疊加因素，如圖4 的通過(guò)極限縮徑管道情況，A值就應(yīng)該取A1與A2之和。大部分的清管器各部件間隔一般不超過(guò)折彎長(zhǎng)度，因此通常都會(huì)是疊加情況。

終上所述，清管器允許管道縮徑的最小孔徑

5 通過(guò)管道彎頭性能

清管器通過(guò)彎頭的性能主要是指清管器能通過(guò)90°彎頭的最小曲率半徑，一般4～12 in（1 in=25.4 mm）小口徑管道的彎頭最小曲率半徑為1.5OD，14～32 in 中等口徑管道的彎頭最小曲率半徑為2.5OD或3OD，而36～56 in 大口徑管道的彎頭最小曲率半徑為5OD及以上。

圖4 清管器通過(guò)正常管道和極限縮徑管道的示意圖Fig.4 Schematic diagram of pig passing through common pipeline and exterme reducing pileline

圖5 和圖6 分別為32 in 管道清管器通過(guò)32 in 管道1.5OD彎頭和3OD彎頭的情況示意圖。由圖可見(jiàn)，90°彎頭的曲率半徑越小，對(duì)清管器的最大不可壓縮直徑D2以及對(duì)應(yīng)的清管器兩端不可壓縮直徑的總長(zhǎng)度L2的值要求越高。而且這兩個(gè)值有一定的反約束關(guān)系，在同樣的彎頭曲率半徑下，最大不可壓縮直徑越大，那么筒體的最大長(zhǎng)度值就需要越??；否則，通過(guò)性能得不到保障。

圖5 32 in 清管器通過(guò)1.5OD 彎頭的示意圖Fig.5 Schematic diagram of 32 in pig passing through 1.5OD bend

圖6 32 in 清管器通過(guò)3OD 彎頭的示意圖Fig.6 Schematic diagram of 32 in pig passing through 3OD bend

清管器通過(guò)90°彎頭的最小曲率半徑的倍數(shù)n，其計(jì)算關(guān)系式同樣要在清管器通過(guò)彎頭內(nèi)徑時(shí)發(fā)生折彎形變情況下進(jìn)行推導(dǎo)。圖7 是清管器在彎頭內(nèi)發(fā)生極限折彎后的形變示意圖，同樣，在極限通過(guò)下，皮碗等部件發(fā)生折彎形變并相互疊加。

將其按最大不可壓縮直徑D2=D1+2(A1+A2)簡(jiǎn)化后，得到圖8 所示的簡(jiǎn)化示意圖。

圖7 清管器在彎頭內(nèi)發(fā)生極限折彎后的形變示意圖Fig.7 Deformation diagram of pig after extreme bending in elbow

圖8 清管器在彎頭內(nèi)極限折彎時(shí)的簡(jiǎn)化示意圖Fig.8 Simplified diagram of pig in elbow with extreme bending

在圖中，兩個(gè)直角三角形OAB和OCD分別按照勾股定理得到

而直線OBD 上

因此得到

另外，在彎頭中有如下關(guān)系式

將上面四個(gè)等式代入公式（4），得到

式中：OD為管道外徑，mm；ID為彎頭內(nèi)徑，ID=OD-2t，mm；t為彎頭壁厚，mm；n為90°彎頭的曲率半徑倍數(shù)；R為90°彎頭的曲率半徑，R=nOD，mm；L2為清管器的兩端不可壓縮的總長(zhǎng)度，mm；L3為清管器的一端不可壓縮的長(zhǎng)度，mm；D1為清管器的最大鋼體法蘭直徑，mm；D2為清管器的最大不可壓縮直徑，D2=D1+2(A1+A2)，mm。

公式（5）建立了L2與D2和L3極限值的方程式關(guān)系。

在清管器的設(shè)計(jì)中，一般先確定清管器的結(jié)構(gòu)以及皮碗、鋼制法蘭的零件尺寸，這樣D2和L3的值就可以確定了，然后根據(jù)實(shí)際工程管道情況，了解現(xiàn)場(chǎng)管道的90°彎頭的曲率半徑R值，代入公式中，就可以計(jì)算得到清管器的前后端不可壓縮直徑的總長(zhǎng)度L2的極限值。

一般在實(shí)際的設(shè)計(jì)中都要考慮一定的通過(guò)安全系數(shù)，因此，在計(jì)算得到清管器L2的極限值后，實(shí)際取值不應(yīng)大于95%L2，以保障清管器通過(guò)彎頭的能力。

6 實(shí)例

某清管作業(yè)工程現(xiàn)場(chǎng)工況條件為：40 in 天然氣管道，有等徑三通，直管道壁厚14.6 mm，彎頭壁厚27 mm，彎頭曲率半徑為5OD，管道厚壁處的最小縮徑為948 mm。需要設(shè)計(jì)一種兩直四碟混合皮碗清管器，要求清管器通過(guò)直管道凹陷變形的能力大于10%，可以通過(guò)5OD彎頭，可以通過(guò)等徑三通，可以通過(guò)948 mm 的最小縮徑。

根據(jù)工況條件得知：

清管器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

根據(jù)皮碗結(jié)構(gòu)，確定直皮碗厚度A1=65 mm，蝶皮碗厚度A2=54 mm，壓緊皮碗的鋼法蘭直徑D1=693 mm。

根據(jù)兩直四碟端面結(jié)構(gòu)，確定清管器一端不可壓縮直徑的長(zhǎng)度L3=320 mm。

通過(guò)上面的公式（1），可以計(jì)算得到清管器通過(guò)直管段凹陷變形的能力為：

因此清管器滿足通過(guò)直管道凹陷變形的能力大于10%的設(shè)計(jì)要求。

由于直皮碗厚度大于蝶皮碗厚度，所以此處A1應(yīng)取65 mm。

通過(guò)上面的公式（2），可以計(jì)算得到清管器的最大密封間距L1的取值區(qū)間為：

通過(guò)公式（3），可以計(jì)算得到清管器允許管道厚壁及閥門(mén)處縮徑的最小值為：

931mm 小于管道的實(shí)際縮徑尺寸948 mm，因此清管器通過(guò)縮徑性能設(shè)計(jì)滿足要求。

根據(jù)上面的公式（4）和（5），計(jì)算清管器的前后端面不可壓縮直徑的最大長(zhǎng)度L2值。

其中參數(shù)D2=D1+2(A1+A2)=931 mm、彎頭ID=962 mm、R=5 080 mm、L3=320 mm，將參數(shù)代入公式（5）中，可以計(jì)算得到L2的極限最大值為1 516 mm，為保證安全，并結(jié)合公式（2）計(jì)算得到的清管器皮碗最大密封間距L1的取值范圍，實(shí)際取L2=1 401 mm，此時(shí)L1=1 484 mm，皮碗間距系數(shù)k≈1.46，滿足管道設(shè)計(jì)需求。

最終該清管器的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖9 所示。

圖9 清管器主要設(shè)計(jì)參數(shù)示意圖Fig.9 Schematic diagram of main design parameters of the pig

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)清管器在直管段凹陷變形、三通、厚壁及閥門(mén)、彎頭的通過(guò)姿態(tài)的分析，對(duì)具體的影響通過(guò)性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出清管器在設(shè)計(jì)中需要遵循的計(jì)算公式，并給出了一些具體參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值。從分析中看出，影響清管器通過(guò)性能的最重要的兩個(gè)參數(shù)分別是清管器最大不可壓縮直徑和對(duì)應(yīng)的清管器端面長(zhǎng)度。

管道清管器良好的通過(guò)性能參數(shù)是業(yè)主選擇和采購(gòu)管道清管器的重要指標(biāo)。同時(shí)，這個(gè)指標(biāo)也對(duì)管道清管器的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)，既要保證清管器的清管效果，更要保障清管器有良好的通過(guò)性能，保障清管器作業(yè)安全平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)管道運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。