淺談工程管道清管目的

吳昊 陳秋華 李清平 姚海元 劉永飛 朱軍龍

摘 要：隨著管道運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，清管操作逐漸成為不可替代的規(guī)程。本文依次從管道建設(shè)階段、驗(yàn)收測(cè)試階段和運(yùn)行階段，介紹了清管器的工程應(yīng)用情況，先后涉及清管器在管道清掃、測(cè)徑、試壓、除水干燥以及清理、隔離等方面的重要應(yīng)用，試圖探究管道全生命周期內(nèi)清管器所發(fā)揮的巨大作用，對(duì)全面深刻地理解清管器的應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：清管器;工程管道;清管目的;管道清理

中圖分類號(hào)：TE32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0098-04

管道運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展與能源工業(yè)，特別是油氣工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。1865年美國(guó)賓夕法尼亞州建成了第一條原油管道，而現(xiàn)代管道運(yùn)輸始于19世紀(jì)中葉[1]。相比于公路、鐵路和水運(yùn)，管道運(yùn)輸具有一次性投資少、運(yùn)輸成本低、安全性高、利于環(huán)保等突出優(yōu)勢(shì)，尤其適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸易燃、易爆的石油天然氣，故而近年來(lái)，隨世界經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)以及世界各國(guó)對(duì)能源的需求的快速發(fā)展，全球油氣管道的建設(shè)迅速發(fā)展，建設(shè)規(guī)模和建設(shè)水平都有很大程度的提高。截止2003年底，全世界油氣管道干線長(zhǎng)度已超過(guò)2.3×106km[2]。

隨著管道工業(yè)的不斷發(fā)展，管道應(yīng)用中的各種問(wèn)題不斷顯現(xiàn)出來(lái)，最主要是管道的腐蝕與堵塞。長(zhǎng)期輸送油、氣等流體的管道由于管內(nèi)固體雜質(zhì)、蠟沉積、凝析液等影響會(huì)發(fā)生堵塞，減小有效的輸送面積導(dǎo)致輸送效率降低，這就需要對(duì)管道進(jìn)行清理和疏通。清管器清洗技術(shù)是國(guó)際上近幾十年來(lái)崛起的一項(xiàng)新興管道清洗技術(shù)，以其相比于其他清洗技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，目前已被世界發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛用于各種管道的清洗、維護(hù)及保養(yǎng)。本文依次介紹了管道建設(shè)階段、驗(yàn)收測(cè)試階段及運(yùn)行階段的清管器工程應(yīng)用情況，試圖探究管道全生命周期內(nèi)清管器所發(fā)揮的巨大作用。

1 管道建設(shè)階段

在管道建設(shè)階段，施工人員通常對(duì)新建管線采取“建成一段，清掃一段”的清管策略，而非在管線完全建成之后對(duì)全線進(jìn)行清掃操作，因此，清管操作會(huì)在此階段頻繁地進(jìn)行。其主要目的是為了清掃施工階段遺留在管道內(nèi)的沙土、石塊、焊條、破布，甚至是飯盒、野生動(dòng)物尸體等殘留物。

管線清掃所選用的清管器取決于很多因素，如：新建管道的內(nèi)徑、長(zhǎng)度、地勢(shì)走向、是否多沙以及是否含較多石塊等等。然而，為了應(yīng)對(duì)管道內(nèi)復(fù)雜未知的情況，除非管內(nèi)涂敷了內(nèi)涂層，管道施工隊(duì)員清掃管線時(shí)往往會(huì)在清管器上安裝鋼刷等清理設(shè)備，常采用的清管器有直板皮碗清管器[3]、空心清管器[4]等。為了盡可能清掃干凈管道內(nèi)部雜質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中通常會(huì)對(duì)管線進(jìn)行多次清管，一般不少于兩次[3-6]。

清掃過(guò)程中，清管器在管道內(nèi)運(yùn)行的推動(dòng)介質(zhì)通常使用壓縮空氣。清管器運(yùn)行中，當(dāng)其速度保持在恒定值時(shí)，清管效率最大;相反，若不對(duì)運(yùn)行速度加以控制，當(dāng)清管器遇到一些較小阻礙時(shí)速度會(huì)急劇降低，隨著后方氣體壓力增大，速度又急劇升高，由此產(chǎn)生走走停停的“速度脈動(dòng)”現(xiàn)象，也被稱為“粘滑行為”。在管線清掃過(guò)程中，為了控制清管器速度，通常先關(guān)閉終端出口，在管道內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，發(fā)射清管器后再將閥門打開(kāi)一定開(kāi)度，以此在清管器前后建立穩(wěn)定壓差（通常為0.1MPa～0.4MPa，與地形有關(guān)），消除速度脈動(dòng)現(xiàn)象。另外當(dāng)清管器運(yùn)行到管道末端時(shí)，需要減小清管器后方壓力，以免其運(yùn)行速度過(guò)快發(fā)生嚴(yán)重碰撞，導(dǎo)致危險(xiǎn)。

清掃過(guò)程中的清管器接收設(shè)備不盡相同，有些在設(shè)備廠家進(jìn)行定制，也有些在現(xiàn)場(chǎng)制作，但大多數(shù)的施工人員會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)制作臨時(shí)的清管器發(fā)射和接受設(shè)備，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 驗(yàn)收測(cè)試階段

2.1 管道測(cè)徑

目前，管道測(cè)徑已經(jīng)成為管道驗(yàn)收的重要手段之一，并受到管道業(yè)主的高度認(rèn)可。根據(jù)管道測(cè)徑清管器從新建管線收發(fā)前后的情況分析，業(yè)主可有效了解新建管道的建設(shè)狀況，包括管道是否存在變形等信息[7]。管道測(cè)徑清管器是用于管道測(cè)徑的重要設(shè)備之一，其測(cè)徑功能通過(guò)在清管器上安裝測(cè)徑裝置實(shí)現(xiàn)。目前，常用的測(cè)徑裝置有鋁制測(cè)徑板和智能測(cè)徑儀兩種。

在早期測(cè)徑工作中，用于測(cè)徑工作較多的是普通鋁制測(cè)徑板清管器，即在普通清管器上安裝鋁制測(cè)徑板，清管器常選用直皮碗清管器、碟皮碗清管器、直碟皮碗混合清管器以及帶鋼刷清管器等[7]，清管器皮碗常采用聚氨酯材質(zhì)，過(guò)盈量在5%到8%之間[8];鋁制測(cè)徑板一般安裝在活塞清管器的中部，視管線壁厚引起管道內(nèi)徑的變化率，測(cè)徑板的直徑取管線內(nèi)徑的90～95%，鋁板厚度約10mm。清管器運(yùn)行后，鋁板沒(méi)有變形，則管線測(cè)徑合格。

安裝智能測(cè)徑儀的清管器也被稱作“通徑檢測(cè)器”，其技術(shù)含量較高，涉及傳感、檢測(cè)、計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理與分析等多種技術(shù)的融合[9]。它在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)探頭，測(cè)量管道沿線的內(nèi)徑參數(shù)，并儲(chǔ)存在其存儲(chǔ)介質(zhì)中，如圖2所示。測(cè)徑完畢可輸出管徑沿管道軸線的變化圖和數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷管道的內(nèi)徑是否存在變形。

2.2 管段試壓

當(dāng)確認(rèn)管道無(wú)變徑等異常現(xiàn)象之后，便需要對(duì)管道的泄露和承壓情況進(jìn)行檢測(cè)。管道試壓使用的介質(zhì)多為液態(tài)水，在這一過(guò)程中，清管器再一次成為必不可少的工具。完成準(zhǔn)備工作后，將清管器放入待試壓管段內(nèi)，使用泵將液態(tài)水增壓，推動(dòng)清管器前行，排出管內(nèi)氣體。在此過(guò)程中，不僅要時(shí)刻控制管段的入口液體流量，還要在管段末端安裝排氣調(diào)節(jié)閥，這樣能夠確保清管器的運(yùn)動(dòng)在操作人員的控制之中。然而，當(dāng)待試壓管段出現(xiàn)起伏時(shí)，在下傾管路中，清管器的運(yùn)動(dòng)會(huì)因其重力原因而產(chǎn)生大于后方液體的速度，由此在清管器與液體之間產(chǎn)生了真空，在較大壓力差下，清管器前方的氣體會(huì)被吸入到后方，與液體混合，由于氣體就有較高的壓縮性，因此嚴(yán)重影響了清管器的前行，甚至有可能會(huì)使清管器后方壓力超過(guò)管道承壓而引發(fā)嚴(yán)重事故。針對(duì)此現(xiàn)象，一般會(huì)在較高位置安裝排氣閥用于排出清管器后方的氣體。另外，Q/SY GJY 0117—2008《西氣東輸二線管道工程線路工程清管試壓技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，分段試壓管段高差不宜超過(guò)30m[10]。

通常情況下，在注水排氣過(guò)程階段，會(huì)向試壓管段中同時(shí)放入兩個(gè)清管器，如圖3所示。第一個(gè)清管器會(huì)被加壓后的液體推動(dòng)運(yùn)行到第一個(gè)測(cè)試管段的末端，完成第一個(gè)測(cè)試管段的注水排氣與試壓，然后使用壓縮空氣推動(dòng)第二個(gè)清管器前行，將液體逐漸推動(dòng)到下一管段，完成下一個(gè)測(cè)試管段的注水排氣與試壓;之后以此進(jìn)行，直到完成整個(gè)管道的試壓工作。

若試壓中使用的液態(tài)水需要返回到注入點(diǎn)，那么兩個(gè)清管器及其之間的水則需要反向推動(dòng)直到起始位置，此過(guò)程需要使用雙向清管器，以完成其反向運(yùn)動(dòng)。而在其他試壓情況下（即不需要將水推回到注入點(diǎn)），除了泡沫清管器外，被設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)除水、清掃等功能的清管器都是可以使用的，這些清管器的形狀可以是球形，也可以是心軸式。泡沫清管器使用空隙材料完成，若在試壓過(guò)程中使用，會(huì)使后方液態(tài)水滲漏至前方，顯然是不適用的。

2.3 除水干燥

當(dāng)試壓階段完成后，便需要將試壓階段存留在管道內(nèi)的水清除，這需要經(jīng)過(guò)多次清管操作完成，除水清管器尺寸清管器的選擇需要管道的長(zhǎng)度、內(nèi)徑和管線路由決定，清管器運(yùn)行速度需大于1.6km/h。需要注意的是，當(dāng)清管器運(yùn)行到管道終端時(shí)，會(huì)有大量液體流出，終端需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)終端接收到除水清管器后，通常再連續(xù)發(fā)送多個(gè)泡沫清管器清除管內(nèi)剩余液體。然而，當(dāng)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)對(duì)管道附著水要求較高時(shí)，在除水之后便須對(duì)管道進(jìn)行干燥處理。

管道干燥的常用方法包括干燥氣體與泡沫清管器結(jié)合使用、氮?dú)飧稍镆约啊罢婵崭稍锓ā薄⒏稍餁怏w與泡沫清管器結(jié)合使用的干燥方法主要用于陸上管道。第一步是使用干燥氣體（露點(diǎn)低于-68℃）推動(dòng)低密度聚氨酯泡沫清管器在管內(nèi)運(yùn)行一次，泡沫清管器和干燥空氣可以吸收管道內(nèi)的殘存液體，將水帶出管道，之后重復(fù)此步驟，直到管道終端接收到干燥的泡沫清管器。對(duì)于較長(zhǎng)的管道而言，此步操作甚至?xí)貜?fù)進(jìn)行幾百次。下一步是清除從水中析出的鐵銹、軋屑和沉積物等雜質(zhì)，通常采用纏繞細(xì)鋼絲刷的泡沫清管器完成，同樣進(jìn)行重復(fù)操作直到鋼絲網(wǎng)中不再有雜質(zhì)為止。

3 管道運(yùn)行階段

3.1 成品油管道

3.1.1 清理作用

成品油管道需要對(duì)輸送介質(zhì)中沉淀下的細(xì)小雜質(zhì)進(jìn)行定期清理;此外，管道中所運(yùn)輸?shù)某善酚蜁?huì)分離出游離水沉在低洼處，這些游離水會(huì)減小流體流通面積，降低輸送效率，甚至引起腐蝕等問(wèn)題，因此也需要清除。一般來(lái)講，能起到密封作用的清管器均可用來(lái)清除管道內(nèi)的液態(tài)水，而安裝有專門清理工具的清管器效果會(huì)更好一些，如鬃毛刷等。清理清管器有多種類型，可以是簡(jiǎn)單的泡沫清管器，在其外表面粘合細(xì)鋼絲刷用于吸附細(xì)小雜質(zhì);也可以是為特定尺寸管道定制的清理清管器，其上安裝專門的清理工具。清管器選擇需要考慮的因素有：成品油性質(zhì)、需要清除的雜質(zhì)類型、管道長(zhǎng)度直徑以及是否有涂層等。

3.1.2 隔離作用

在同一條管道中對(duì)不同成品油同時(shí)進(jìn)行輸送時(shí)，通常在不同油品交界面放置清管器起隔離作用，通過(guò)清管器的密封隔離作用，可減少流體混合量，提高輸送產(chǎn)品的純度，減少不同產(chǎn)品的污染，降低輸送產(chǎn)品的成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在工程中常用來(lái)隔離油品的清管器有泡沫清管器、球形清管器和硅樹(shù)脂清管器。

在使用隔離清管器時(shí)，有以下問(wèn)題需要格外關(guān)注：油品的交界面是否會(huì)經(jīng)過(guò)中間泵站;控制系統(tǒng)能否精確地將清管器放置在不同油品的交界面處，在接收終端能否準(zhǔn)確分割油品。有研究表明，準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)厥褂酶綦x清管器能夠有效減少油品摻混段長(zhǎng)度，而若清管器位置放置不恰當(dāng)，則會(huì)使摻混長(zhǎng)度大大增加。

3.2 天然氣管道

3.2.1 除雜作用

同成品油管道相似，天然氣管道中也會(huì)有微塵顆粒等細(xì)小雜質(zhì)，雜質(zhì)的沉積會(huì)減小氣體流通面積，因此需要對(duì)其進(jìn)行清理。在天然氣管道的除雜清理過(guò)程中，清理清管器的選擇要格外注意管道內(nèi)壁是否涂敷了內(nèi)涂層：若管內(nèi)壁含有內(nèi)涂層，那么清管器上便不能裝備會(huì)對(duì)內(nèi)涂層產(chǎn)生損傷的部件，通常會(huì)使用彈性清洗設(shè)備，如聚氨酯密封盤(pán)，這種彈性清洗設(shè)備還可以使管道內(nèi)壁更加光滑，進(jìn)而減小氣體流動(dòng)阻力;若內(nèi)壁無(wú)涂層，清管器上便可以安裝清理刷，在清除管內(nèi)雜質(zhì)的同時(shí)也可以使內(nèi)壁更加光滑，提高氣體運(yùn)輸效率。

3.2.2 除液作用

從天然氣井口至第一級(jí)處理廠的輸氣管道中有時(shí)會(huì)含有較多液體，即天然氣凝析液（NGL），NGL會(huì)積聚在地勢(shì)低洼處，這些液體不會(huì)堵塞管道，因?yàn)榱魍娣e的降低導(dǎo)致氣體流速增加，進(jìn)而更多的液體會(huì)被氣體攜帶前行，但在前行的過(guò)程中會(huì)形成湍流，導(dǎo)致更大的壓降，降低運(yùn)輸效率，造成更多的能耗。特別的，有一些氣井產(chǎn)出的NGL較多，或者當(dāng)環(huán)境溫度降低，隨著氣體的冷卻，更多的氣體轉(zhuǎn)化為NGL，這些NGL會(huì)流進(jìn)天然氣管道，形成較為嚴(yán)重的段塞流流型，段塞流除了會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生較大沖擊之外，還會(huì)造成終端設(shè)備的溢流危險(xiǎn)，對(duì)管道和生產(chǎn)設(shè)備都有巨大的威脅，因此輸氣管道中的凝析液需要清除。常用的清管器主要有清管球、泡沫清管器、聚氨酯整體清管器以及鋼軸清管器等，如圖4所示。

由于球體可以滾動(dòng)，所以清管球收發(fā)系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，清管球比其它清管器更易于控制，通過(guò)向清管球內(nèi)充液調(diào)整清管球外徑，更適合管道內(nèi)徑，在管道內(nèi)通過(guò)能力較好;可用于具有不同內(nèi)徑的管道系統(tǒng);在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)所需能耗小。然而當(dāng)清管球經(jīng)過(guò)管線分支或匯流點(diǎn)時(shí)，必須使用專門設(shè)計(jì)的三通，否則清管球可能不能正常通過(guò);清管球清液效果好，但不能清除管線中所有的固體碎屑;清管球自身易破裂。

天然氣管道凝析液的清除也經(jīng)常應(yīng)用泡沫清管器。泡沫清管器有可收縮、柔性好、對(duì)管道和閥門等設(shè)備的損傷小、管道振動(dòng)小、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用泡沫清管器的最重要原因是，泡沫清管器通過(guò)能力強(qiáng)、堵塞可能性低，如果發(fā)生卡堵，可通過(guò)高壓擠破清管器，防止清管器的卡死而導(dǎo)致海底管道停產(chǎn)甚至是報(bào)廢。泡沫清管器的不足之處在于運(yùn)行距離較短，只能一次性使用。

鋼軸清管器主要包括皮碗清管器和圓盤(pán)清管器，皮碗和圓盤(pán)清管器推動(dòng)雜物及抗壓能力強(qiáng)，密封性能良好，清管能力更強(qiáng)，并可隨清管器安裝信號(hào)發(fā)射機(jī)，追蹤清管器位置，監(jiān)測(cè)管壁厚度等。總體上來(lái)說(shuō)，實(shí)際操作中較多采用鋼軸清管器進(jìn)行清管操作。

3.3 原油管道

3.3.1 清理作用

對(duì)于原油管道來(lái)講，通常需要將其中的管壁沉積蠟和游離水去除。一般原油中會(huì)含有一定的游離水，由于水的密度更大，在重力作用下會(huì)從原油中分離出來(lái)而沉積在管道低洼處，這些游離水會(huì)引起嚴(yán)重的管道腐蝕問(wèn)題，腐蝕一旦形成，腐蝕孔道內(nèi)便會(huì)繼續(xù)堆積游離水，而這部分的游離水無(wú)法使用清管器將其清除，因此引起更加嚴(yán)重的管道腐蝕，因此定期清除原油管道內(nèi)的游離水是十分必要的。

至于管道內(nèi)的沉積蠟處理，幾乎每一種類型的清管器都可以將其清除一部分，但是每種類型清管器的除蠟效果是不同的，若清管器類型選擇不對(duì)，會(huì)有很大一部分沉積蠟不能被清除，一般而言，帶有高彈力刮刀的清管器清蠟效果較好。目前逐漸興起一種射流清管器，在清管器中心開(kāi)設(shè)旁通孔，允許一部分流體經(jīng)過(guò)旁通孔進(jìn)入清管器下游。當(dāng)這種清管器應(yīng)用于原油管道清蠟時(shí)，流體經(jīng)過(guò)旁通孔進(jìn)入下游，可以攜帶起被清理掉的沉積蠟流向更遠(yuǎn)的下游，減小了被清除的蠟對(duì)清管器運(yùn)行的阻礙，從而降低了清管器的卡堵風(fēng)險(xiǎn)[11]。

3.3.2 隔離作用

當(dāng)原油管道中運(yùn)送的原油不是來(lái)自同一個(gè)油井時(shí)，需要使用清管器對(duì)不同油品進(jìn)行隔離，進(jìn)而減小不同油品間的摻混量，同成品油管道中的隔離作用相似，在油品交界面準(zhǔn)確放置清管器是使用中的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著管道運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，清管操作逐漸成為不可替代的規(guī)程。本文依次從管道建設(shè)階段、驗(yàn)收測(cè)試階段和運(yùn)行階段，介紹了清管器的工程應(yīng)用情況，先后涉及清管器在管道清掃、測(cè)徑、試壓、除水干燥以及清理、隔離等方面的重要應(yīng)用，試圖探究管道全生命周期內(nèi)清管器所發(fā)揮的巨大作用，對(duì)全面深刻地理解清管器的應(yīng)用具有重要意義。

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