國內外油氣管道清管技術現狀

代曉東，劉江波，黨 麗，石玉輝

1.中國石油大學勝利學院，山東東營 257061

2.中國石油工程建設公司，北京 100120

3.中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆鄯善 838202

4.中國石油華北油田公司第四采油廠，河北廊坊 065001

國內外油氣管道清管技術現狀

代曉東1，劉江波2，黨 麗3，石玉輝4

1.中國石油大學勝利學院，山東東營 257061

2.中國石油工程建設公司，北京 100120

3.中國石油吐哈油田分公司工程技術研究院，新疆鄯善 838202

4.中國石油華北油田公司第四采油廠，河北廊坊 065001

清管是新建管道投產和管道運行中的重要工作。國內管道清管存在清管效果不理想，未制訂專門、統一的標準規范等問題。分別從清管器類型、清管器選型原則、清管質量控制、清管周期、清管器速度控制和預測、清管器跟蹤定位、清管器卡阻以及清管作業安全區域等方面，闡述了國內外管道清管技術新進展，特別指出應用凝膠-機械式清管器，研發適用于長距離站間距的高可靠性清管器，基于旁通閥調速機理的清管器實施控制技術等。還介紹了俄羅斯管道清管標準的先進性，包括新建管道清管質量控制措施，在役原油管道基于輸送能力下降到一定程度時的緊急清管方法，聘用專業化清管器跟蹤定位服務商，以及劃定清管作業安全區域等。借鑒國外清管技術的先進性，對于提高我國管道清管技術水平以及制訂清管標準規范具有重要意義。

管道；清管技術；清管器；選型；調速；監測；卡堵

清管是管道投產前或運行中的一項重要工作，對于保證管道安全、降低管道能耗具有重要意義。目前國內清管存在效果不夠理想的問題，特別是對于大落差管道，清管器跟蹤預測精度低且清管器卡阻時有發生[1]。另外，國內未制訂統一的清管標準規范，行業標準SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》和SY/T 5536-2004《原油管道運行規程》側重于制訂清管方案、清管器發送/接收操作程序和清管安全措施，對管道清管技術要求闡述得較少，不能完全指導管道清管作業。

本文介紹了國內外管道清管技術進展和發展趨勢，以及俄羅斯管道清管標準的先進經驗和推薦做法。借鑒國外先進的清管技術，對于提高我國管道清管技術水平以及制訂清管標準規范具有重要意義。

1 清管器類型

國內外管道廣泛應用的清管器有清管球、聚氨酯泡沫清管器、機械清管器、測徑清管器、智能清管器（漏磁檢測清管器）、凝膠清管器，以及用于減少順序輸送混油的隔離型清管器。

1.1 清管球

清管球由橡膠制成，中空，壁厚為管徑的10%，通過清管球上注水排氣孔的單向閥控制注水量，進而控制清管球過盈量。清管球主要用于清除管內積液或分隔介質，清除塊狀物能力較差。

1.2 聚氨酯泡沫清管器

聚氨酯泡沫清管器具有較高的彈性、韌性和耐磨性，過盈量為管徑的5%～10%，變形量大于50%。通過能力強，即使發生卡堵也能依靠其高變形性克服，或提高壓力使其破裂自行解堵。泡沫清管器適用于清掃內壁帶涂層的管道；缺點是一次性使用，運行距離短，清除雜物能力一般。

1.3 機械清管器

機械清管器不僅能清除管內積液，還能清除固體雜質，可根據需要安裝鋼刷和刮板等增強清管效果。機械清管器使用壽命長，運行距離一般可達800～1 000 km，可安裝跟蹤設備、測徑板、磁鐵等；缺點是通過性稍差，不適用于多彎頭、閥門和有較大變形的管道。國內管道常用的機械清管器主要是碟型皮碗清管器和雙向直板清管器。

1.3.1 碟型皮碗清管器

碟型皮碗過盈量一般為管徑的3%～5%，通過能力優于雙向直板清管器，碟型皮碗清管器主要用于清除管道內積液、粉塵等污物。

1.3.2 雙向直板清管器

雙向直板清管器清除能力優于碟型皮碗清管器，特別是能有效清除管道內懸浮污物；可以雙向運動，在管道投產或長期運行不清管情況下，如發生堵塞可反吹解堵。相比碟型皮碗清管器，其磨損更快、運行距離較短，短距離管段內有較好清管效率。

1.4 測徑清管器

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。測徑清管器測量管道橢圓度、凹凸不平度和焊縫焊透性，可提供管道狀況原始基礎數據。

1.5 智能清管器

智能清管器包括漏磁檢測MFL、超聲導波UT、電磁檢測EMAT等類型，長度是普通清管器的4～5倍，可采集管道信息包括：

管道幾何變形測量，包括管道凹痕、起皺、橢圓度、彎曲半徑等；管道金屬損失、蠟沉積以及腐蝕程度；管道裂紋缺陷位置、面積和嚴重程度。

1.6 凝膠清管器

凝膠清管器在俄羅斯和北美管道公司有應用[2-3]，可用于管道沉積物清除、順序輸送兩種油品隔離、管道投產油（氣）水隔離等，優點是適用于各種直徑管道，在較長運行距離內具有良好密封性和彈性變形，可攜帶大量碎屑而不堵塞管道。

關于凝膠清管器技術參數文獻較少涉及，俄羅斯標準PД153-39.4p-118-2002《現役干線石油管道線路壓力試驗規程》推薦使用凝膠（溶劑）-機械隔離式清管器，溶劑是汽油和二乙烯乙醇混合液，凝膠塞長度取決于清管管段長度和管內徑，在該標準附錄H中有計算方法。該標準還規定了凝膠制作工藝和注入管道方法等。

2 清管器選型原則

清管器選型是一個多目標（安全、有效、經濟）、多因素（清管目標、管道系統特性、介質屬性、清管器性能）的決策問題，主要由清管器的機械強度、耐磨性、吸附性與管道中輸送介質的反應性以及通過能力等決定。隨著油氣管道向大口徑、高壓力方向發展，需要耐高壓、耐磨損、穩定運行、自解堵、適合于不同管徑、功能多樣化的清管器[4]。特別是適應長距離站間距清管要求，俄羅斯標準 PД-16.01-74.20.00-KTH-058-1-2005《東西伯利亞-太平洋干線輸油管道設計與施工專用標準》規定干線輸油管道的清管站距離不超過280 km。以中亞天然氣管道為例，管道全長1 833 km，管徑1 067 mm，設計壓力9.81 MPa，設計輸量300億m3/a，清管站間距分別為201 km和250 km。

3 清管質量控制

國內管道清管存在的主要問題是清管效果不夠理想，特別是對于大落差管道。針對清管質量控制，國內標準比較簡略，例如GB 50251-2003《輸氣管道工程設計規范》規定新建管道壓力試驗前應至少進行2次清管；GB 50369-2006《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》規定，管道清管作業以管道末端不排出雜質為驗收合格。

俄羅斯標準在新建管道清管質量控制方面具有相應標準，如俄羅斯標準OP-16.01-60.30.00-KTH -2004《石油管道建筑安裝工程竣工后清管以及強度、密封性試驗》規定：新建管道清管在管道發送第一個清管器前，應向管道內充入0.1%～0.15%管段體積的水，以便濕潤和沖刷污染物，必須通過過濾器進行注水，防止泥沙、異物進入管道；要求管道分段清管，管段長度不應超過40 km；清管器到達收球筒無損壞，且推出的液流中不含泥土、沙子等雜質，才視為清管質量合格。

4 管道清管周期

4.1 原油管道

行業標準SY/T 5536-2004《原油管道運行規程》規定管道輸送效率低于95%時進行清管。輸送效率是管道實際輸量與計算輸量的比值，根據輸送效率決定是否進行清管具有一定局限性。國內原油管道由于油源調整、煉廠選址等原因，存在低輸量運行的情形，例如任京輸油管道由于華北煉廠和燕山石化產量調整，最低輸量接近200萬t/a，遠遠低于1 000萬t/a設計輸量。黃啟玉等[4]綜合比選了國外 Burger、Weingarten、Housa等結蠟模型的優缺點，提出了含蠟原油管道普適性結蠟預測模型，指出由于結蠟層保溫作用，管道存在最優結蠟厚度和經濟清管周期。建議高含蠟原油管道應綜合考慮管道結蠟狀況、管道能耗狀況以及管道低輸量安全性等因素，確定經濟清管周期。

此外俄羅斯標準PД 153-39.4-056-2000《干線輸油管道運行技術規程》中規定應根據油品物性參數和管道運行狀況確定清管周期，每3個月清管作業不少于1次。如3個月內管道輸送能力下降3%及以上時，應進行緊急清管。該標準適用于輸送輕質原油的管道系統，原油黏度小，由于管道結蠟原因導致管徑變化和壓力變化的影響比較靈敏。建議輕質油品管道宜根據管道運行特性制訂周期性清管計劃和特殊工況條件下的緊急清管方法。

4.2 天然氣管道

行業標準SY/T 5922-2012《天然氣管道運行規范》規定天然氣管道應根據氣質組成、管道輸送效率和輸送壓差確定合理的清管周期，管道輸送效率小于95%時宜進行清管。管道輸送效率是實際輸氣量與設計輸氣量的比值，國內輸氣管道由于前期規劃、氣田產量限制、下游用戶分輸等原因，很多管道實際輸量低于管道設計輸量，因此以輸氣效率作為清管周期的依據實際難以執行。根據對美國Alliance管道、Rockies Express管道、 Alaska NG管道、Texas Eastern Transmission Corp管道以及俄羅斯西伯利亞的輸氣管道系統的調研結果，國外天然氣管道無固定的清管周期，且清管周期均較長，一般為3～5年，最短清管周期也在1年左右，原因是油田上游企業和下游管道運行商簽訂嚴格的氣質準入條件，由于管道氣質原因造成管道冰堵堵塞的情形較少。針對在役運行的天然氣管道，考慮經濟性因素，不建議進行周期性清管，天然氣管道應根據氣體質量監測結果，確定合理經濟的清管周期，并考慮氣質條件出現冰堵的可能性[6]。

5 清管器速度控制和預測

我國近年來建設運營了西氣東輸、陜京線、川氣東送等大型天然氣管道工程，這類管道具有大管徑（1 016～1 219 mm）、高壓力（10～12 MPa）和高流速（10～20 m/s）特點，清管存在清管器速度過快且不穩定的問題，例如西氣東輸管道清管器速度可達10 m/s，甚至接近20 m/s[7]。清管器速度過快產生的問題有[8]：

（1）清管效果差。清管器上下游發生竄漏氣，不能完全清除積液。

（2）高速清管器攜帶機械雜質的摩擦作用，可能破壞管道內壁環氧樹脂涂層。

（3）清管器高速運行對彎頭、通球指示器和收球筒產生巨大沖擊，存在安全隱患。

（4）清管器速度過高造成清管器機械損傷，螺栓松動、皮碗或直板脫落，甚至骨架斷裂。

5.1 國內清管器速度控制技術現狀

根據清管器工作原理，常規方法是控制清管器前后壓差，例如機械清管器皮碗或鋼刷上開泄流孔，調節清管器壓差和泄流量，進而調節清管器運行速度。但該方法對清管器速度控制作用有限。耿岱等[9]提出了速度可控清管器設計方案，由普通清管器、電子倉、信息輪、電機倉、直流伺服電機、轉閥、旁通殼體電機倉等組成，但未進行工業管道現場試驗驗證效果。國內長輸天然氣管道清管器的速度控制，主要通過調整輸氣量控制管道流速，工藝措施包括控制上游來氣壓力、協調下游接氣量、用戶供氣方式調整等，該方法存在調速滯后、誤差大等缺點。

5.2 國外清管器速度控制技術現狀

國外管道行業研制了可控制清管器速度的旁通閥調速裝置，并成功進行了工業管道試驗。韓國Nguyen建立了含旁通孔清管器的運動學方程，研究了旁通孔流速與清管器運行速度的關系，在KOGAS輸氣管道進行工業試驗，驗證了含旁通孔清管器的速度預測方法的可靠性[10]；伊朗Hosseinalipour同樣基于含旁通孔清管器的運動學方程，在操作壓力下對清管器速度數值模擬結果和實測數據進行了對比分析[11]；俄羅斯Podgobunskikh研究了旁通閥調速機理，研制了基于旁通閥的調速管道內檢測器[12]；此外，英國BJ、德國Rosen、美國GE-PII公司和Tuboscope公司已研制調速清管器成熟產品，并成立了區域性管道工業協會-管道技術與服務協會（PPSA，Pigging Products and Service Association），致力于提供高效、可靠、規范的管道可調速清管作業和管道內檢測服務[13]。

5.3 清管器在收球筒內速度控制技術現狀

為避免高速清管器對收球筒設施的撞擊，應嚴格控制清管器進入收球筒前的運行速度。傳統“一次收球”方法是在清管器距收球場站約1 km時，關閉進站閥，減緩清管器進筒速度；缺點是管道振動大、存在氣流顫動，而且要準備廢棄輪胎作為緩沖物。國外在管道設計階段考慮了管道末端清管器運行速度控制問題，一般在管道進站閥后安裝一個旋塞閥，通過控制旋塞閥開度控制清管器運行速度。近年來國內西氣東輸管道應用了“二次收球”方法[14]，即在發清管器前，收球站場導通收球流程，但不關閉進站閥，待清管器通過進站三通，釋放前后背壓而減速（此為一次收球）；再緩慢關閉進站閥并調節其開度，在清管器兩側建立一定壓差，緩慢推動清管器進入收球筒。此“二次收球”方法在一定程度上改善了接收清管器的安全性，但對于新建管道可能造成管道清管雜質進入站內管道的問題。

6 清管器跟蹤定位

目前國內缺乏適用于長輸天然氣管道清管過程模擬的成熟軟件技術[15]，天然氣管道清管過程中對清管器跟蹤定位，主要依靠定點監測和人員經驗判斷，可能導致丟球或者收球工藝流程切換不及時，甚至導致污物進入站內管道的事故[16]。

國內清管器跟蹤定點監測的做法是，在清管管段全部閥室設置監測點，此外至少設置2個監測坑，原則是第一個設置在發球站場出站500～1 000 m處，第二個設置在收球站場進站前1 000～2 000 m處；在隧道、穿越點設置臨時監測坑[16]。

俄羅斯標準OP-16.01-60.30.00-KTH-2004規定清管器跟蹤由配備低頻聲學定位儀的專業承包商負責，所需專業承包商的數量與管段長度相關（2 km以內，1支專業承包商隊伍；2～12 km，2支；12～24 km，3支；24～40 km，4支）。接收清管器發送信號的監測點設置在管道軸線上方，間距不超過1 km；此外以下位置也應設置監測點：線路截斷閥，干線管道與不小于70%干線管道直徑的支線管道的節點，與水平方向夾角45°的干線管道彎管處。俄羅斯標準重視清管器跟蹤，由專業承包商負責，監測點設置位置、間距等要求相對國內標準更為嚴格細致，還要求在管道支線節點、彎管處設置監測點，具有借鑒意義。

7 清管器卡堵

清管器卡堵是管道清管作業最大的風險。國外管道預防清管器卡堵的主要應對方法是研制自解堵型清管器，由剪切裝置、大功率電源及動力裝置組成。清管器運行過程中可識別清管器前方蠟沉積物的數量和結構強度，超過設定的臨界值時，剪切裝置感應啟動，破壞蠟晶結構，避免蠟沉積物不斷堆積而導致清管器卡堵。國內管道工程實踐表明，導致清管器卡堵的主要因素是管道變形、彎頭半徑小于清管器允許通過的最小半徑、管道內水和污物過多、三通設計不合理等[17]，具體包括：

（1）管道建設期施工遺留物。

（2）地震、土體移動、重載車輛、第三方施工、違章占壓等造成管道變形。

（3）閥門選型不是全通徑閥門。

（4）截斷閥未處于全開位置。

（5）三通處卡球。國內清管實踐表明，如支線管道直徑大于1/2干線管道直徑的三通，或采用等徑三通，沒有防護擋條或擋條設計不當，容易造成卡球故障。管道三通設計應選擇合適擋條，見表1。

表1 三通設計擋條選擇

（6）彎頭處卡球。清管器在進出站管道出、入地彎頭處易發生卡堵或者通過困難的問題。彎頭曲率半徑設計標準如下：曲率半徑為1.5D的彎頭只能用于使用清管球的管道；管徑小于304.8 mm的管道應選用曲率半徑為5D的彎頭；管徑大于304.8 mm的管道應選用曲率半徑為3D的彎頭。

（7）連續發送清管器或發送清管器/清管球組合容易造成清管器堵塞。應盡量延長兩個清管器的間隔時間，以30～50 min為宜。

8 清管作業安全區域

國內研究者針對天然氣管道清管過程中的風險，包括清管器卡堵和串氣、盲板操作風險、閥門泄漏、硫化物自燃、天然氣爆炸和環境污染等，提出了應對措施[18]。針對清管作業安全措施，國內標準較簡略，例如GB 50369-2006《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》規定管道清管施工前，應編制施工方案，制訂安全措施，并充分考慮施工人員及附近公眾與設施安全，配備必要的醫療救護設備。

俄羅斯標準OP-16.01-60.30.00-KTH-2004規定應考慮高速運行的清管器及附件設施的危險性，以及清管器附件從管道中飛出的可能性，其覆蓋范圍是清管器沿運行方向60°夾角覆蓋范圍，原油和天然氣管道清管作業危險區域為從管道軸線至兩側25 m范圍；俄羅斯標準СП111-34-1996《天然氣管道清管和試壓》規定天然氣管道清管作業時，所有人員、車輛、機械和設備應位于保護區范圍之外，管徑1 420 mm埋地天然氣管道清管作業保護區為管道軸線至兩側25 m范圍。

9 結束語

針對國內管道清管作業存在的問題，以及尚未制訂統一、規范的清管標準，調研并分析了國外管道清管技術新進展，以及俄羅斯管道清管標準的先進性，包括以下幾個方面：

（1）國外清管器的發展趨勢是清管技術應用于管道全生命周期各個階段，涵蓋新建管道、運行管道和管道報廢等，清管器功能除用于管道內介質隔離、清掃、干燥以外，還用于管道腐蝕、變形、裂紋缺陷的監測和評價等特殊用途。

（2）國外管道清管技術新進展包括應用新型凝膠-機械式清管器增強清管效率和效果；研發適用于長距離站間距的大功率、高可靠性清管器，可保證通過站間距達280 km的管段；基于旁通閥調速機理，可實現清管器實施運行速度的控制和準確預測等。

（3）俄羅斯管道清管技術標準的先進性表現在對新建管道嚴格控制清管次數、水和泥沙含量等質量措施，對在役原油管道既有定期計劃性清管作業，也制訂了輸送能力下降到一定程度時的緊急清管方法；聘請專業化的清管器跟蹤定位服務商，在閥室、分輸/注入管道、穿跨越處設置監測位置，以及劃定禁止人員進入的清管作業安全區域等。

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An overview on current status ofoiland gas pipeline pigging technology at home and abroad

DAIXiaodong1，LIU Jiangbo2，DANG Li3，SHIYuhui4

1.Shengli College，China University of Petroleum，Dongying 257061，China
2.China Petroleum Engineering&Construction Corp.，Beijing 100120，China
3.Engineering and Technologica lResearch Institute of Petro China Tuha Oilfield，Shanshan 838202，China
4.Forth OilExploitation Factory of Petro China Huabei Oilfield Company，Langfang 065000，China

Pipeline pigging is the important work for new pipeline construction and in-service pipeline operation.The main problems of domestic pipeline pigging are insufficient pigging effect and lack of specific pipeline pigging standard and code. The paper expounds the new technology of pipeline pigging at home and abroad from the aspects of pig types and selection principle，pipeline pigging quality control，pigging period，pig velocity control and forecast，pig tracing and locating，pig blocking and safe zone of pigging operation.The stressed techniques include application of gel-mechanical isolation pig，development of highly reliable pig used for long distance between stations and development of pig control technique based on bypass valve speed adjusting mechanism.In addition，the advanced Russian pipeline pigging standards are introduced with respect to the pigging quality controlmeasures for new pipeline，emergency pigging as pipeline transportation capacity decreasing to a certain extent，professional pig monitoring service provider，and designating safe zone of pipeline pigging operation.It is important to improve Chinese pipeline pigging leveland develop Chinese pipeline pigging standards by means of foreign pipeline pigging technology.

pipeline；pigging technology；pig；type selection；velocity adjustment；monitoring；blocking

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.001

代曉東（1980-），男，遼寧瓦房店人，副教授，2009畢業于中國石油大學（華東）化學工程與技術專業，博士，主要從事儲運和煉油方面的研究工作。Email：xiaodongdai1980@163.com

2016-09-21；

2016-11-01