油氣運輸管道智能清洗管理研究

何娜娜

長安大學 公共管理與法學院 （陜西 西安 710054）

由于運輸管道具有相對運量大、節約土地資源、占地少、污染少而廣泛用于石油天然氣運輸領域。有關資料[1]表明，與公路、鐵路、航空等其他運輸方式相比，我國運輸管道所占的比例較低。與發達國家相比，我國油氣運輸管道的運量僅不到10%，運輸總里程占比較少，直接導致我國油氣運輸的運力不足，造成我國有些地區油氣資源供應緊張。

近年來，隨著我國石油天然氣開采業的發展，我國油氣管道運輸總里程不斷增長。截至2018 年末，已經達到了122 300 km，其中石油輸送管道約為46 300 km，天然氣輸送管道長度約為76 000 km，同比增長2.51%。從天然氣產量和消費量增速對比來看，產量與消費量增速普遍高于管道里程增速，一定程度上制約了天然氣行業的發展。而石油運輸管道近年來的發展速度也比較緩慢，至2019年兩會時，國家發改委提出“組建國家管網公司，整合三大石油公司油氣管道業務，引入社會資本，促進業務整合，發揮創新能力，激發企業活力”。預計未來幾年我國油氣管道行業將迎來加速建設時代，將有效解決油氣管道建設發展整體滯后的問題，以保障油氣資源和能源儲備，提高油氣能源供應安全，推進能源消費結構的轉變。

1 油氣運輸管道管理存在的問題

1）運輸管道老化，存在安全隱患。石油和天然氣分別表現為液態和氣態，是以碳氫化合物為主要成分的易揮發、易泄露、易爆的可燃性資源。采用管道運輸，既減少揮發損耗，又降低對空氣、水和土壤的污染。油氣管道基本上全部埋藏于地下，輸送過程受輸送油品和氣品材料的變化，受土壤地質的變化及水資源成分的影響，致使管材容易發生腐蝕和化學變化，降低原來的設計使用壽命。據了解，我國油氣管道一半以上的使用壽命已經超過20年，甚至一些地區的管道使用已超過30年，由于管道埋于地下，出現老化和損壞很難及時察覺。加之，地面不正當施工等人為因素，或者地震等自然災害也對油氣管道的使用壽命以及安全造成嚴重影響。

2）運輸管道清洗管理技術相對落后。運輸管道在我國正處于上升發展時期，建設綜合覆蓋的運輸管道網絡需要完善健全的運輸管理體系。但是與公路和鐵路建設相比，我國目前還未形成相對完整的運輸管道管理模式，例如缺乏對地下管道地理信息技術的數據采集、整理、分析反饋等。與發達國家相比計量測量儀器的精度仍然較低，管道的設計、施工和檢修等等都是未來我國運輸管道管理建設過程中需要完善和解決的問題。其中，運輸管道的清洗管理技術仍是一個難點，附著在管道壁上的污垢含有大量的有機物及泥砂等固態或軟泥態雜質，長期附著在管道上易造成流體阻力的增加，也造成了整體運行動力費用的上升，甚至影響運輸管道的運行安全。

3）運輸管道規劃建設仍有待提高。國內外交通運輸實踐表明，運輸管道建設周期短、費用低。在相同運量的條件下，運輸管道的建設周期僅是鐵路的2/3，特別是地質、地貌和氣候條件相對較差的地區，相關統計資料表明，管道建設費用比鐵路低60%左右。

目前我國油氣管道網絡布局區域性較為明顯，原油管道網絡主要分布在西北部及長慶油田周圍，東部地區網絡較疏，地區網絡之間相互獨立，沒有形成連接。原油和天然氣管道網絡由于運輸管道網絡的相互孤立，無法滿足市場，需要加快油氣運輸管道網絡建設，確保我國油氣能源安全儲備。與美國等發達國家相比，我國政府對于油氣運輸管道的監管還有待提高。

2 油氣運輸管道清洗技術發展現狀

油氣運輸管道大多屬于隱蔽工程，油氣管道由于長期不間斷的工作，管道內部會積累很多雜質，管道中往往會產生聚合物、結焦、油垢、水垢、沉結物、鐵銹腐蝕物等污垢，使設備和管道嚴重失效、生產效率下降、能耗增加，嚴重時會使運輸流程中斷，甚至會導致堵塞而被迫停產，造成重大經濟損失。因此需要對油氣管道進行定期的清洗。

在石油開采過程中，含有石蠟、泥沙及其他雜質的原油，會經常使輸油管道堵塞，需換取出來進行清洗[2]。由于人工清洗油氣管道時人身體無法直接進入，采用化學清洗方法又對運輸管道造成嚴重腐蝕，而且對周圍的生態環境造成嚴重污染，因此油氣管道的清洗問題一直困擾我國的大部分管道用戶企業，尤其是油氣運輸管道企業。

目前在國內石油化工行業，大多仍采用人工清洗流程，其存在管道空間狹窄、工作環境惡劣、勞動量大、勞動強度較高等缺陷；多數管道液體含有不利于人體健康的物質，對操作人員身體造成巨大危害。

目前，針對長線油氣運輸管道，在長時間的運輸過程中會產生大量的污垢和沉降物，原油中的主要固態物質為烴，還包括鋇、鍶、鎂、鈣的硫酸鹽或碳酸鹽[2]。采用物理方法對液體介質進行電場或磁場處理，使其暫時失去結垢能力。

隨著科技的發展，使用機器人進行油氣運輸管道的清洗已有一定的研究，尤其是采用高壓水射流清洗技術，使管道的清洗更高效、更節能、更環保。20 世紀末，日本研制出一款用于50 mm和150 mm的管道輪式機器人（圖1），一直處于試驗階段，最后卻沒有投入到實際應用。

圖1 日本東京大學的管道機器人

德國學者2000 年研制了多關節蠕蟲式機器人MAKRO（質量 50 kg），適用于直徑 300 ～600 mm 的管道（圖2）。加拿大INUKTUN 公司研制了雙履帶式管道機器人（圖3），盡管其適應于不同管徑，但機器人必須在進入管道前根據運輸管徑調整好，一旦投入工作，無法調整管徑大小，工作穩定性不好，容易發生傾倒[3]。

1997 年日本東芝公司開發了一臺微型輪式管道機器人，采用多輪式驅動，通過前端安裝的微型CCD 攝像頭檢測管內異物，進而操控機械手進行清理，適用于25 mm管徑。

我國清華大學、浙江大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學院、大慶石油管理局等20 余家科研院所相繼進行了管道機器人的研究，但一直沒有取得應用性突破。

圖2 德國MAKRO的管道機器人

圖3 加拿大雙履帶管道機器人

3 油氣運輸管道清洗方法

3.1 油氣運輸管道的清洗技術

油氣運輸管道清洗常見的有化學清洗技術和噴砂清洗技術。隨著科學技術的不斷發展，出現了清管器清洗技術和高壓水射流技術等。對于幾十公里乃至數百公里的油氣運輸管道，一般選擇清管器清洗技術和高壓水射流技術；在某些特殊工況下會選擇化學清洗技術。

3.1.1 清管器清洗技術

近年來，清管器清洗技術已被廣泛應用于油氣運輸管道的清洗、保養和維護。所謂清管器清洗技術，就是在一定的外力作用下，依靠清管設備部件刮擦運輸管壁，將附著在管壁的污垢物刮帶出管道外。這個外力既可以是運輸管道內油氣的自身壓力，也可以是額外提供的水壓或氣壓。

清管器清洗技術的優點是：適應運輸管徑范圍大，運輸距離長，無需使用化學清洗劑，對運輸管道無腐蝕，對土地、大氣和水無環境污染；可實現不停產在線清洗，操作簡便，清洗費用低。缺點是：不能適時檢測運輸管道的內部服役狀況并作出使用狀況評價，無法為油氣運輸管道的運行安全提出預警和評判。

3.1.2 高壓水射流清洗技術

高壓水射流清洗技術由清洗車系統、噴射系統、管道系統和存污系統4 部分組成。受地形條件限制，根據GB 50253—2006《輸油管道工程設計規范》，兩個聯絡井的一般間隔距離為數十米，最長可達300 m。清洗時需要在聯絡井中放置排污泵，使清洗時的污水利用運輸管道的設計縱坡流向泵入口，通過排污泵把污水帶出管道外，由存污裝置進行排污處理。高壓水射流清洗技術的一般工作壓力為2～35 MPa；對于結垢清洗的工作壓力為70～270 MPa，作業時會產生較大的沖擊力，應封閉工作區，配備相應的安全操作人員和安全防護器具，一人操作清洗設備，一人觀察設備運轉，如有緊急情況，可立即停泵卸壓。

高壓水射流清洗技術的優點是：采用普通自來水作為介質，使用成本低；清洗完畢的油氣管道顯露金屬本色，質量高；清洗完成后不用再進行潔凈處理；清洗效率是化學清洗和噴砂噴丸清洗無法比擬的。缺點是：人員操作有一定的安全風險，需要制定操作安全防護預案和管理防護措施。

3.2 油氣罐體清洗技術

對于一些地形偏僻地區，一般遠離主要油氣管道路線，如果鋪設管網，建設成本太大，因此運營企業一般采用油氣罐體進行儲存。對地下或地上油氣罐體的清洗是非常困難和危險的。如圖4 所示，地下油氣罐體清洗先采用清空儲存油氣罐體進行氣體通風置換，罐體內氣體符合操作條件時，清洗操作人員才佩戴專業的防爆設備和工具進入罐體，鏟除污油和污泥排出罐體，再用高壓水槍沖洗。該方法不僅存在重大清洗安全隱患，而且清洗質量也不夠徹底，所需的停工時間長，易對新進油品和氣品造成二次污染。

圖4 地下油氣罐體的清洗

4 油氣運輸管道智能清洗

4.1 自行式清洗機器人系統

自行式清洗機器人系統由變直徑圓型管道移動機器人系統、復雜環境下的視覺識別技術、模塊化履帶驅動單元技術、高壓水射流清污技術和遠程操控系統等關鍵技術組成。整個系統滿足高溫、高防護等級技術[4-5]，系統結構包含履帶、徑向收方、視覺照明、引導系統、錄像及傳感組件，還有保障車一臺，含有電源和清洗劑配比箱、排污儲存箱。

自行式清洗機器人系統由一體式收放導向的機構和3 組履帶模塊組成，其組合導向傳動機構[6-8]如圖5所示。3組機構沿圓柱方向均布，使機器人以任意姿態進入管道，機器人在管道內實現自動定位，一體式收放導向的構造使得機器人可對不同直徑的管道具備柔性適應能力，確保履帶與管壁充分接觸，集成的履帶模塊內置動力驅動裝置，履帶轉動，實現履帶機器人在管道內的自行移動。

圖5 自行式清洗機器人

自行式清洗機器人系統采用全伺服電機驅動，整機管道移動時距離設備1 m 處，運行噪音低于60 dB，無異常振動；系統的主體材質選用輕質鋁合金，相互產生位移的接觸部位采用銅合金或鋁合金制作，減少設備之間沖擊與靜電集聚；機器人收縮后整體機構尺寸可控制在Φ300 mm的圓以內。

4.2 高壓水射流油氣管道清洗系統

高壓水射流清洗是利用高壓柱塞泵和特殊設計的噴嘴產生高壓、高速水射流，利用強大的沖擊力和水楔作用直接剝離、沖刷油管內、外壁黏結物，去除管道中的污垢和堵塞物，達到清洗油氣管體的目的。高壓水射流油氣管道清洗如圖6所示。它具有高效節能、高清洗度、不需要壓力容器、冷清洗安全性好、不使用化學藥劑、既無污染又節約水資源、自動化程度高、運行成本低等優點。減少了化學作用及時間的消耗，節省運營成本。

圖6 高壓水射流管道清洗

5 油氣運輸管道智能清洗管理

1）清洗前，清洗人員從清洗起點工作口放置自行式清洗機器人，或者從聯絡井用卷揚機放入管道中，采用視覺系統對管道內及區域連接水平管道等部位進行管道現狀檢測錄像、拍照，用來制作完工報告。

2）管道外水箱按事先設計比例的溶油劑或化油劑，用以提高使用效率。

3）使用專用的集油盒或拖帶機器人將清除掉的油垢收集后運出管道。

4）磁鐵履帶吸住管壁，防止清洗過程中出現打滑現象，能夠在有油污的管道內平穩前進。

5）使用高清微型監控攝像頭，其成像更加清晰，全視屏操作，360°任意旋轉行走，保證管道清洗無死角。使用檢測機器人或照相機對清洗后的管道內部情況進行二次拍照、錄像，以此評估清洗效果。

6）對于垂直油氣管道，自行式清洗機器人配置有高清微型監控攝像頭，能適時監測到管道里的實際情況及障礙物，利用差速器的工作原理，啟動轉彎和豎向爬行功能，繼續沿著豎直管道進行清洗。

7）清洗評估符合規定后，進行下一個分段。當天清洗任務應在兩聯絡井間完成，不能將自行式清洗機器人留在管道內。

6 結束語

石油天然氣的運輸管道清洗具有很大難度，由于其一般輸運距離長、管道封閉、跨越地勢起伏變化大（可能是高山和大河）等，自行式移動智能清洗將是一種必然發展趨勢。通過管道智能清洗技術將運輸管道的質量在線檢測和清洗效果評估相結合，不僅提供了一種自動清洗方法，減少了人工操作風險和勞動強度，也提供了一種運輸管道質量的動態評價方法。在實際應用過程中，必須結合工程實際情況，合理制定清洗方案，才能達到理想的效果。