清管產品及技術綜述

王紫涵 宋華東 郭曉婷 張赟 王晴雅

摘 要：清管是管道建設和運行中的重要程序。本文分別從清管器的工作原理、國內外發展歷史、清管器產品分類、應用領域、標準體系概況、清管產品技術現狀及清管質量控制現狀等方面進行了研究。介紹了國內外清管技術的最新進展。深入研究了目前應用比較廣泛的智能清管器主要技術：基于渦流檢測技術 、 超聲波檢測技術以及漏磁檢測技術，由于技術的復雜性，使得智能清管器的應用目前還具有一定的局限性。此外還介紹了國際管道清管標準的先進理念，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定清管標準規范具有重要意義。

關鍵詞：清管器; 檢測;管道;泄露; 渦流;超聲波; 漏磁

由于石油與天然氣復雜的性質以及管道穿越地區地貌的多樣性，管道運行時內部可能會出現雜質、結垢、變形等問題。所以對管道投產前和運行過程中進行清管處理必不可少。清管器作為一種管道內部清管裝置，在管道行業得到了廣泛的應用，衍生出具有無損檢測，數據采集、處理和儲存功能的智能清管器，具有極高的效率和經濟性。

1? 概述

1.1? 清管器工作原理

清管器的工作原理是將清管器放人管道中形成密封，依靠被清洗管道內流體的自身壓力或通過其他設備提供的水壓或氣壓作為動力，推動清管器在管道內向前移動，刮削管壁污垢，將堆積在管道內的污垢及雜物推出管道[1]。

1.2? 清管器行業發展歷史

清管是由管道結蠟問題引起的作業想法而發展的技術。該技術是隨著管道輸送工業的發展而不斷提高的，國外已有100多年的歷史。國內采用清管工藝清洗管道是從20世紀60年代中期開始的，在輸氣管道上應用比較普遍，但近幾年發展很快，油、氣、水管道都廣泛采用，并取得越來越顯著的效果。

據大量資料表明，國外640mm輸氣管道中，1950年以前設計的裝有清管器收發裝置的占24%，1960年以前建造的占51%，而1960年以后建設的長輸管道幾乎100%裝有清管器收發裝置。由此可見，清管工藝在迅速發展和普及。

1.3? 清管器應用領域

（1）運營中天然氣管線：清除管線內部積水、輕質油、甲烷水合物、氧化鐵、碳化物粉塵、二硫化碳、氫硫酸等腐蝕性物質;降低腐蝕性物質對管道內壁的腐蝕損傷;重新明確管線走向;檢測管線變形;檢查沿線閥門完好率;減小工作回壓。

（2）運營中原油管線：管線內檢測前清管、低輸量間歇運行輸油管線清管;清除管線內部的凝油、結蠟、結垢，達到減小輸油回壓、減小磨阻、降低輸油溫度的目的。

（3）化工物料及食用油管線：清理具有聚合性物料管線;隔離不同管輸介質實現單管多品輸送、計量管輸介質。

（4）分段清管掃線試壓：清除管線雜物、浮銹、排水、排氣。

（5）總通清管試壓：檢測管線變形、施工質量。水壓試驗前排氣、生產前排水、干燥、介質隔離。

（6）輸水、注水管線：清除水垢、沉積物。

2? 標準體系概況

管道的鋪設、運行安全性具有戰略意義，國家出臺了一些列法律法規，保障管線能夠有序安全的運行，法律法規情況如下：

（1）國家《 石油天然氣管道安全監督與管理暫行規定》的要求

第34條：石油天然氣管道應定期進行全面檢測，新建石油管道應在投產三年后進行檢測，以后視管道安全狀況確定檢驗周期，最多不得超過8年;

（2）國家安全生產監督管理總局《海洋石油安全生產規定》海底管線在其建成后每年進行檢測，每五年進行特別定期檢測;

（3）《國務院安全生產委員會關于印發 2016 年油氣輸送管道安全隱患整治 攻堅戰工作要點的通知》（安委[2016]6 號）

（4）《關于貫徹落實國務院安委會工作要求全面推行油氣輸送管道完整性管理的通知》（發改能源[ 2016 ]2197 號）

（5）《質檢總局 國資委 能源局關于規范和推進油氣輸送管道法定檢驗的通知 》 （國質特檢聯[2016 ]560號）

俄羅斯管道標準更新較慢，但俄羅斯管道運營技術標準在綜合性、系統性方面比我國標準成熟，標準內容豐富，使用方便，可操作性強，值得我國借鑒學習。深入研究俄羅斯管道清管技術標準的先進理念和發展趨勢，對于完辨提高我國管道清管技術具有指導意義[2] 。

3? 清管產品技術現狀

清管器經過100多年的發展，已經由最初單一的清除管道內雜物功能發展到如今可以檢測管線尺寸甚至檢測管線金屬損失和腐蝕情況的功能。管道內檢測種類繁多，在評估管道壽命、制定維護計劃、保障管道運行等方面都具有重要作用[3]。

國內外長輸管道應用最廣泛的是漏磁內檢測（MFL）和超聲波內檢測（UT），新建管道投產過程中使用是變形內檢測和測繪檢測，裂紋檢測是管道內檢測技術的難點，衍生了電磁超聲內檢測（EMT）。隨著電子、通信和計算機技術發展，渦流檢測、磁記憶法、弱磁法和陰保電流內檢測成為新興的技術，仍處于驗證階段，尚未大規模成功應用于工業管道。研發高精度、高分辨率的檢測期產品是國外發達國家內檢測公司的優勢技術，例如美國GE公司、英國國家GAS公司和德國Rosen公司。

3.1? 漏磁內檢測技術現狀

國內外學者針對漏磁內檢測技術進行了大量的研究工作。針對漏磁場特性，特別是漏磁信號的處理以及缺陷特征的分析進行了深入研究。通過實驗證明了利用軸向勵磁方式產生的非均勻磁場可以有效地檢測出管道軸向導向的狹窄裂紋，但是磁極附近的背景磁場對裂紋檢測的精度影響很大;比較現有無損檢測技術，提出了變勵磁的漏磁檢測技術，經過仿真分析和實驗驗證，證明了該技術能夠檢測鋼板內、外表面缺陷，并可實現內、外表面缺陷的區分;對漏磁檢測中的缺陷重構方法進行了研究，詳細介紹了開環逆向重構法和閉環偽逆向重構法;俄羅斯TDW公司研發的基于螺旋磁化原理的漏磁內檢測器（Spir ALL TM），從總體上沒有顯著增加內檢測器的長度，并可以對各個方向的狹長缺陷、裂縫、分層進行精確測量;GE PII 公司在20 世紀70 年代開發出高分辨率的漏磁檢測器，可以同時記錄3個獨立方向的漏磁信號，首次實現了準確檢測管道環向螺旋焊縫缺陷，代表了該類型內檢測產品的最高技術水平[4]。

3.2? 超聲內檢測技術現狀

超聲波技術是80年代末才引入的。國外最先將超聲波技術引入腐蝕檢測智能檢測的是日本的NKK（日本鋼管株式會社）和德國Pipetronix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲內檢測器。

美國GE公司研制出第二代超聲波腐蝕內檢測器，研發的超聲波相控陣內檢測器檢測管道的里程已達數千公里，并且成功檢測長25 mm、深1 mm 的裂紋，檢測準確率超過90%。安橋公司研發的彈性波檢測器和超聲波管道事故檢測器檢測的管道已經超15000 km，分辨率和精度都達到很高的水平，檢測速度更快，同時檢測結果的表現方式更加多樣[5]。超聲內檢測器的典型代表產品德國環球無損檢測公司生產的Line Explorer系列產品，其中UM型產品設計了壓電傳感器發射垂直型超聲波，主要用于測量管道壁厚和金屬損失;UC型產品設計了壓電換能器發射角度束型超聲波，可檢測大部分平面和體積型裂紋缺陷;TCM型產品設計壓電傳感器同時發出垂直型和傾角超聲波，可實現同時檢測金屬損耗和裂紋缺陷。

3.3? 渦流內檢測技術現狀

渦流內檢測技術是基于電磁感應原理發展而來的管道無損內檢測技術。利用管道磁化后內壁缺陷處非均勻磁場引起的渦流分布變化產生檢測信號。

目前已應用的渦流檢測技術包括單頻、多頻、遠場、脈沖和深層渦流技術，新發展的有阻抗平面顯示技術和磁光渦流成像技術。渦流檢測缺點是覆蓋面積有限，只能近表面檢測。為解決這一技術瓶頸，遠場渦流檢測技術（Remote Field Eddy Current，RFEC）采用的是低頻渦流信號，可以穿透整個管壁厚度，可對管壁外表面的腐蝕缺陷進行檢測，但對軸向裂紋檢測效果不好。RFEC不要求使用耦合介質，可以直接用于氣體管道，目前較成熟的遠場渦流內檢測器主要有Russell公司研發的See Snake。

4? 清管質量控制及應用現狀

清管是管道建設和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[6]。國內管道清管主要問題是效果不太理想，特別是大落差管道，管道低點位置積液不能完全清除，清管器跟蹤預測精度低，發生清管器卡阻等問題。

在實際清管作業中，常會遇到以下問題：

4.1? 清管器卡堵問題

管道清管作業最大的風險因素是清管器卡堵。國內管道實踐表明，清管器卡堵的主要原因是管道變形、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]。

針對清管器卡堵問題提出了解決對策，一旦出現了清管器卡堵的現象，可先使用增大推動壓差的方法，但是不能盲目地增加進氣量，因為確保清管器的后方壓力在合適的范圍之內，不超過管道最高允許的工作壓力。假如這個方法仍然不能夠緩解卡堵的情況，那么可以將清管器后方的天然氣排放出去，反推清管器來解決這一情況[7]。

4.2? 速度控制問題

（1）國內清管器速度控制技術現狀

國內天然氣管道清管器速度控制主要基于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，但由于管道瞬時氣量不穩定、清管器運行特性和泄流孔作用等，該方法存在調速滯后、誤差大等缺點[8]。

（2）國外清管器速度控制技術現狀

國外管道機構研制了可控制清管器速度的旁通閥調速裝置，并進行了工業管道試驗，例如韓國Nguyen研究了旁通孔流速與清管器運行速度的關系，在KOGAS輸氣管道進行試驗，驗證了含旁通孔清管器的速度預測方法的可靠性。俄羅斯研制了基于旁通閥的調速管道內檢測器。英國BJ、德國Rosen、美國GE-PII公司和Tuboscope公司已有成熟的調速清管器產品，成立了全球性管道行業協會管道技術與服務協會，致力于提供專業的管道可調速清管作業和管道內檢測服務。

4.3? 清管器跟蹤定位問題

天然氣管道清管器跟蹤定位主要依靠定點監聽和計算預測，可能導致丟球，或者收球流程切換不及時導致污物進入站內管道的事故。定點監聽一般做法是在清管管段的線路閥室設置監聽點，另外至少設置2個監聽點，原則上在發球站出站500～1000m處，另一個設置在收球站進站前1000～2000m處，此外在隧道、穿越點設置臨時監聽點。

俄羅斯標準規定清管器跟蹤由專業承包商負責，專業承包商數量與清管管段長度相關。此外在下列位置也設置監測點，例如線路截斷閥;與干線管道不小于70%夾角的支線管道連接處;與干線管道夾角45°的彎管處。俄羅斯重視清管器跟蹤作業，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，具有借鑒意義[9]。

4.4? 探頭控制問題

在管道內檢測器中，探頭控制問題尤為重要。傳統工業相控陣定方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術，采用單一入射點校準方式與常規修正，造成的扇形掃查區域中能量分布不均勻及測量誤差等問題未能有效解決，所以需要相控陣設備具有角度補償功能。

為更好地達到效果，應選擇超聲相控陣AUT技術，相控陣探頭有多個小晶片，每一個晶片都會被獨立激發，并施加不同的時間延遲，以實現聲束的角度和聚焦可在很大范圍內變化。

4.5? 信號傳輸、數據分析系統建設問題

在目前的燃氣管道監控技術里，這部分類似SCADA系統功能，但由于采集的數據類型和所需的結果不同，因此分析技術選擇略有差異。SCADA系統的作用是正確掌握系統運行狀態、加快決策、快速診斷出系統故障狀態等。而檢測器后臺支持系統需要分析腐蝕程度并加以分類，但是由于管道內檢測的特殊要求，在多通道、小型化、數據處理、壓縮、解釋、掃描成像等方面還存在很多技術難點，可以采用多類支持向量機分類器，鑒于其在機器學習、數據挖掘、信號處理與分類領域的優越性能，可以將多類支持向量機分類器應用于處理超聲波內檢測的回波信號。

5? 結束語

國內外學者對傳統清管器的研究已比較成熟，清管器從傳統意義上的物理清管器發展到清管和檢測結合于一體的智能清管器。隨著現場應用的需求逐步完善，對于清管器的要求會越來越高。清管器的發展越來越偏向于數字化、智能化、高精度、遠距離的方向。

參考文獻：

[1] 劉承昱.清管與檢測技術綜述[J].清洗世界，2015（2）：10-14.

[2] 蔡亮，趙金贏，郭晶. 俄羅斯管道清管技術標準分析[J]. 石油規劃設計， 2017，（3）.8-11，31.

[3] 周琳，肖永達. 管道內檢測技術的發展現狀[J]. 河南化工， 2020， 37（4）：57-58.

[4] 王富祥，馮慶善，王學力.三軸漏磁內檢測信號分析與應用[J].油氣儲運，2010（11）：815-817.

[5] NAVA B L，SOTO C J A.Development of an ultrasonic? thickness? measurement equipment[J].IEEE Signal

Processing Magazine， 2002， 49（ 6） ： 848-851.

[6] 代曉東，劉江波，黨麗.國內外油氣管道清管技術現狀[J].石油工程建設，2019（8）：1-5.

[7] 潘長滿.天然氣管道清管作業風險分析及解決對策研究[J].科技風，2016（9）：175.

[8] 張妮，張華卓，李磊.國內外長輸管道清管技術綜述[J].全面腐蝕控制，2017（4）：6-10.

[9] 馬偉平，劉忠昊，董博.俄羅斯清管技術標準先進性研究[J].石油工業技術監督，2014（3）：32-34.

作者簡介：

王紫涵（1991-），碩士研究生，主要從事清管器工作。