全生命周期天然氣管道清管技術(shù)分析

孟虎林 黨麗 李年杰 楊雪 馬偉平

（1.中國石油青海油田分公司管道輸油處；2.中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計(jì)所；3.中國石油西南管道南寧輸油氣分公司；4.中國石油管道科技研究中心）

全生命周期天然氣管道清管技術(shù)分析

孟虎林1黨麗2李年杰3楊雪2馬偉平4

（1.中國石油青海油田分公司管道輸油處；2.中國石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院地面工程設(shè)計(jì)所；3.中國石油西南管道南寧輸油氣分公司；4.中國石油管道科技研究中心）

目前天然氣管道清管作業(yè)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在清管器選型、清管器參數(shù)確定等方面無明確規(guī)定。通過介紹國內(nèi)天然氣管道清管廣泛應(yīng)用的清管器類型，以及其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，提出了天然氣管道清管器選型應(yīng)參考的技術(shù)依據(jù)。結(jié)合國內(nèi)天然氣管道運(yùn)行管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別針對新建管道、在役運(yùn)行管道以及管道內(nèi)檢測等，提出了清管關(guān)鍵技術(shù)要求和指標(biāo)參數(shù)，對于規(guī)范天然氣管道清管作業(yè)規(guī)程具有指導(dǎo)意義。

天然氣管道；清管器；清管技術(shù)；內(nèi)檢測

清管是管道投產(chǎn)前或運(yùn)行中的一項(xiàng)重要工作，對于保證管道安全、降低管道能耗具有重要意義。目前國內(nèi)天然氣管道清管的問題是清管效果不理想；清管器跟蹤裝置丟失；清管器在管道中運(yùn)行振動大；清管器偏磨嚴(yán)重等[1]。天然氣管道清管尚未形成專門、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在清管器選型、清管器性能參數(shù)確定等方面進(jìn)行明確規(guī)定。隨著油氣管道逐漸向大口徑、高壓力方向發(fā)展，對油氣管道清管技術(shù)提出了更高的要求，需要耐高壓、耐磨、能夠穩(wěn)定運(yùn)行、能夠自解堵、適合不同管徑、功能多樣化的清管器。

1 清管器類型和選型依據(jù)

1.1 清管器類型

長輸天然氣管道常用清管器有清管球、聚氨酯泡沫清管器、機(jī)械清管器、測徑清管器、智能清管器（漏磁檢測清管器），以及用于減少順序輸送混油的隔離型清管器。

1.1.1 清管球

清管球由氯丁橡膠制成，中空，壁厚為管徑10%（30～95 mm），通過清管球上注水排氣孔的單向閥控制注入水量，進(jìn)而控制清管球過盈量。清管球主要清除管內(nèi)積液和分隔介質(zhì)，包括油品順序輸送中不同油品的隔離，管道水壓試驗(yàn)中排除管內(nèi)空氣等。清管球缺點(diǎn)是清除塊狀物和粉塵能力較差，如支線管道直徑大于干線管道直徑1/2的三通，或采用等徑三通，同時沒有防護(hù)擋條，容易造成卡球故障。

1.1.2 聚氨酯泡沫清管器

聚氨酯泡沫清管器長度為管徑1.75～2倍，過盈量一般為25 mm或管徑的5%～10%，具有較高的彈性、韌性和一定的耐磨性能，變形量超過50%。泡沫清管器通過能力強(qiáng)，易于通過彎管，即使發(fā)生卡堵也可以依靠其高變形性能通過，或者提高壓力使其破裂，自行解除堵管，不會發(fā)生憋壓事故。泡沫清管器的泡沫碎屑對管道內(nèi)壁無任何損傷，適用于清掃具有內(nèi)壁涂層的管道。缺點(diǎn)是清除雜物能力一般，主要用于管道吸水、清污，只能一次性使用，運(yùn)行距離較短。

1.1.3 機(jī)械清管器

機(jī)械清管器不僅能清除管內(nèi)積液，還能清除固體雜質(zhì)，根據(jù)需要安裝鋼刷和刮板等增強(qiáng)清管效果。機(jī)械清管器使用壽命長，一般可運(yùn)行800～1000 km，可安裝跟蹤設(shè)備、測徑板、磁鐵等。缺點(diǎn)是通過性稍差，不適用于多彎頭、閥門和有較大變形的管道。國內(nèi)管道應(yīng)用的機(jī)械清管器主要是碟型皮碗清管器和雙向直板清管器。碟型皮碗清管器

過盈量一般為管徑的3%～5%，通過能力優(yōu)于雙向直板清管器。皮碗清管器在管道內(nèi)運(yùn)行保持固定方向，主要用于清除管道內(nèi)積液、粉塵等污物。雙向直板清管器清除能力優(yōu)于皮碗清管器，特別是能有效清除管道內(nèi)懸浮污物。相對碟型皮碗磨損更快，運(yùn)行距離較短，短距離管段內(nèi)有較好清管效率。直板清管器可以雙向運(yùn)動，在管道投產(chǎn)或運(yùn)行管道長期不清管情況下，如發(fā)生堵塞可反吹解堵。

1.1.4 測徑清管器

測徑清管器測量管道幾何形狀、橢圓度、凹凸不平度和焊縫焊透性等參數(shù)，可提供管道狀況原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為管道維修和清管提供依據(jù)。測徑清管器直徑約為管徑的60%，皮碗柔性好，可通過縮孔15%的孔洞。測徑清管器的關(guān)鍵技術(shù)是速度控制、檢測精度、可靠性以及后期數(shù)據(jù)處理分析。在智能清管前（管道內(nèi)檢測）應(yīng)先發(fā)射測徑清管器，確定管道內(nèi)部狀況，檢測管道通過能力。

1.1.5 智能清管器

智能清管器由數(shù)據(jù)采集傳感器、支撐系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、皮碗（鋼刷）、探頭、電源系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成，其長度是普通清管器的4～5倍。為使管道內(nèi)檢測順利進(jìn)行，在發(fā)射智能清管器前先發(fā)射普通清管器對管道進(jìn)行清理，然后再發(fā)射測徑清管器，確定管道內(nèi)部狀況和通過能力。智能清管器采集確定的管道信息包括管道幾何變形測量，管道凹痕、起皺、橢圓度、彎曲半徑等信息；管道金屬損失、蠟沉積以及腐蝕程度；管道裂紋缺陷位置、面積和嚴(yán)重程度。

1.2 清管器選型依據(jù)

清管器選型是一個多目標(biāo)、多因素的決策問題，主要確定清管器的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、吸附性、管道中輸送介質(zhì)的反應(yīng)性以及通過能力，具體如下：

1）清管目標(biāo)。管道清理的是液體還是固體雜質(zhì)污物，預(yù)測污物的數(shù)量。如預(yù)計(jì)泥沙雜質(zhì)較多，天然氣管道可選帶泄流孔的清管器，通過泄流孔氣體將沙子吹起，避免堵塞。

2）管道生命周期階段。新建管道是清理殘?jiān)⒊醪綔y量、試壓、干燥、試運(yùn)行。運(yùn)行管道是清理蠟沉積和污物、介質(zhì)隔離、抑制腐蝕。管道停運(yùn)報(bào)廢是介質(zhì)清除、填充惰性氣體。

3）確定清管的驅(qū)動介質(zhì)（油、水、氣）特性。

4）清管器過盈量。考慮管道的最小彎曲半徑與彎曲角度、最小與最大內(nèi)徑、分支管道連接、沿線高程變化，以及沿線閥門/三通/彎頭的類型、位置、尺寸等。

5）清管過程。管道提供的驅(qū)動壓力范圍值（管道最大允許操作壓力、管道運(yùn)行壓力、溫度參數(shù)變化），以及清管器運(yùn)行的可能速度值范圍和清管器需運(yùn)行的最大距離。

6）清管器安裝的鋼刷和刮板尺寸。根據(jù)管道內(nèi)蠟沉積物的厚度和驅(qū)動力范圍綜合考慮。

7）清管器的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性能以及與管道中介質(zhì)接觸的反應(yīng)性。

清管器發(fā)展趨勢是適應(yīng)長距離站間距清管要求，對清管器的皮碗配置、皮碗強(qiáng)度和發(fā)射機(jī)質(zhì)量等要求更高。以中亞天然氣管道為例，管線全長1833 km，管徑1067 mm，設(shè)計(jì)壓力9.81 MPa，設(shè)計(jì)輸量300×108m3/a，清管站間距分別為201 km和250 km，管道投產(chǎn)后首次清管選用了結(jié)構(gòu)輕便、通過能力強(qiáng)的兩直四碟型皮碗清管器，主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)：支撐皮碗和碟型皮碗均由聚氨酯材料制成，邵氏硬度分別為85HA和80HA；清管器工作壓力大于12 MPa，溫度范圍-30～100℃，過盈量3%；清管器質(zhì)量0.6 t，在管道內(nèi)運(yùn)行最低壓差0.2 MPa，可持續(xù)運(yùn)行的最長距離大于300 km；可通過最小彎頭曲率半徑為3D（D為管道外徑）以及最大變形不超過管徑25%的管道；可安裝跟蹤裝置，一旦發(fā)生卡堵能夠及時發(fā)現(xiàn)并定位卡堵位置。

2 新建和運(yùn)行管道清管技術(shù)要求

2.1 新建管道

新建管道清管是清除管道施工的遺留物、固體雜質(zhì)和試壓殘留水，例如天然氣管道殘余水可能加速管道腐蝕，形成水合物堵塞管道干線。固體雜質(zhì)可能堵塞下游過濾器、閥門等。新建管道投產(chǎn)前清管程序如下：

1）首次清管選擇清管球，清除管道內(nèi)積水。

2）根據(jù)水量多少發(fā)送直板清管器（最好設(shè)置跟蹤器）或者直板清管器/清管球組合，清除管道內(nèi)固體物質(zhì)。如果卡阻可以反吹解堵，發(fā)送清管器組合可提高清管效果。

3）直板清管器通過后，可選擇密封性能較好的蝶型皮碗清管器（最好設(shè)置跟蹤器），如管內(nèi)殘存鐵銹、焊渣等固體物，可選帶鋼刷的清管器。

4）發(fā)送測徑清管器。如條件允許，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)檢測智能清管，確定管道投產(chǎn)期固有缺陷，為管道完整性管理和腐蝕速率計(jì)算提供原始數(shù)據(jù)。

2.2 運(yùn)行管道

管道運(yùn)行過程中清管目的主要是清除管道內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物、氣體管道內(nèi)的液態(tài)烴以及輸油管道的蠟沉積物，同時用于管道在線智能監(jiān)測和缺陷評價。在役運(yùn)行管道應(yīng)定期清管，以保證管道安全。天然氣管道可選聚氨酯泡沫清管器和單向運(yùn)行皮碗清管器組合清管，每個管段清管前發(fā)送泡沫清管器進(jìn)行試驗(yàn)性通球。收球后，根據(jù)其表面痕跡、清出物情況，確定是否發(fā)送皮碗清管器。天然氣管道清管質(zhì)量評價指標(biāo)主要有：流量和輸氣效率提高程度，運(yùn)行壓力的下降幅度；天然氣氣質(zhì)改善程度，包括清管器進(jìn)入管道后，下游分離器收集的粉塵量；清管器清潔程度和磨損情況；壓縮機(jī)節(jié)能狀況，以及管道腐蝕速率降低程度等。

3 管道內(nèi)檢測前清管技術(shù)

長距離油氣管道在投產(chǎn)運(yùn)行3年內(nèi)應(yīng)進(jìn)行全面檢測。通過內(nèi)檢測獲得管道可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為管道完整性評估提供基礎(chǔ)資料，保障管道安全長效運(yùn)行。管道內(nèi)檢測主要確定管道中制造和安裝缺陷、腐蝕、機(jī)械損傷或其他原因所致的金屬損失，以及管道設(shè)備、管路附件和除金屬損失以外的管體異常等。因此有必要對管道專門實(shí)施內(nèi)檢測前的清管作業(yè)以清除管道雜質(zhì)，檢驗(yàn)管道通過能力，降低管道內(nèi)檢測作業(yè)卡堵風(fēng)險，保證內(nèi)檢測過程中幾何檢測和漏磁檢測能夠采集到高質(zhì)量的檢測數(shù)據(jù)。

3.1 工程實(shí)例

天然氣管道內(nèi)檢測前清管宜依次選擇聚氨酯泡沫清管器、蝶型皮碗清管器和雙向直板清管器進(jìn)行清管。川氣東送管道黃梅-安慶管段內(nèi)檢測前的清管作業(yè)[2]，泡沫清管器過盈量選擇5%～7%，碟型皮碗清管器過盈量選擇3%～4%，雙向直板清管器過盈量選擇4%。為驗(yàn)證管道通過能力，碟型皮碗清管器加1塊管徑85%的測徑板，雙向直板清管器加1塊管徑90%的測徑板。雙向直板清管器安裝大于密封盤約10 mm尼龍刷清除管道內(nèi)較堅(jiān)硬的污物，無內(nèi)涂層管段選擇鋼刷。清管工藝為：首先發(fā)送泡沫清管器，清除管道污液和檢驗(yàn)管道通過能力；其次發(fā)送碟型皮碗清管器，清除管道污物，再發(fā)送1個安裝測徑板的碟型皮碗清管器，根據(jù)測徑板損傷情況初步判斷管道變形情況；若管道內(nèi)污物較少，且測徑板變形較小，在依次發(fā)送雙向直板清管器、安裝測徑板的雙向直板清管器、安裝尼龍刷/鋼刷的雙向直板清管器，以及安裝磁鐵的雙向直板清管器，清除管道污物和金屬條。

3.2 技術(shù)要求

川氣東送管道黃梅-安慶管段內(nèi)檢測前的清管作業(yè)各階段質(zhì)量合格指標(biāo)如下：

1）泡沫清管器清管。收球后泡沫清管器相對完整、無破損、無大的變形、無嚴(yán)重劃傷，未發(fā)現(xiàn)大量污液和塊狀污物。

2）碟型皮碗清管器。清管器順暢通過，清出污物在20 kg以下，無大塊污物，可發(fā)送安裝測徑板的碟型皮碗清管器。

3）雙向直板清管器。清管器通過能力良好，未出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，可發(fā)送安裝測徑板的雙向直板清管器，測徑板未出現(xiàn)斷裂、15°以上彎曲等重大損傷，可發(fā)送安裝尼龍刷/鋼刷的雙向直板清管器，以及安裝磁鐵的雙向直板清管器。

4）為了保證管道內(nèi)檢測能夠采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行安裝磁鐵的雙向直板清管器清管過程中，清管器順暢通過，推出管道內(nèi)雜質(zhì)無塊狀物質(zhì)，污物少于5 kg，金屬焊條少于10根，且無長于10 cm的金屬物，無污液，內(nèi)檢測前的清管作業(yè)即為合格。

4 結(jié)論

通過分析比較各常用清管器的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于清管目標(biāo)、管道生命周期階段、管道運(yùn)行特性的清管器選型基本原則。針對新建管道、在役運(yùn)行管道和進(jìn)行內(nèi)檢測管道的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)清管技術(shù)要求，新建天然氣管道在管道內(nèi)條件不明情況下建議進(jìn)行試探性清管，采用多種清管器的組合，根據(jù)清管效果選擇后續(xù)清管器；在役運(yùn)行天然氣管道清管建議使用聚氨酯泡沫清管器與皮碗清管器組合的方式；管道內(nèi)檢測前清管建議使用安裝測徑板、鋼刷、磁鐵的皮碗清管器和直板清管器的組合方式。

[1]朱喜平.天然氣長輸管道清管技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2005，31（3）：12-16.

[2]陳傳勝.天然氣長輸管道在線內(nèi)檢測前的清管技術(shù)[J].天然氣與石油，2013，31（5）：1-4.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.007

2016-08-02

（編輯 王古月）

孟虎林，工程師，2001年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（油氣儲運(yùn)專業(yè)），從事長距離油氣管道技術(shù)管理工作，E-mail：66827781@qq.com，地址：青海省格爾木市管道輸油處大烏斯站，816000。