川氣東送管道清管清出物中元素特征的聚類分析

畢春波李超鋒（.中國石化天然氣川氣東送管道分公司， 湖北 武漢 43000；.中國地質大學（武漢）工程學院， 湖北 武漢 430074）

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川氣東送管道清管清出物中元素特征的聚類分析

畢春波1李超鋒2（1.中國石化天然氣川氣東送管道分公司， 湖北 武漢 430020；
2.中國地質大學（武漢）工程學院， 湖北 武漢 430074）

摘要：川氣東送管道工程是國家“十一五”重點工程，自投入運營以來，創造了良好的經濟和社會效益。但在運行過程中會在管道內產生積液、沉積物等污物，從而對站場的運行造成影響。因此川氣東送管道分公司對管道主干線進行了清管作業，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亞鐵粉末等污物。本文對這些管道清管清出物中元素特征進行聚類分析，把九段管段分成了四種類型，通過分析不同類型管段的特點，為清管器選擇及清管方案的制定提供借鑒。

關鍵詞：川氣東送；清管器；管道清出物；聚類分析

繼水運、陸運、空運成為當今社會的三大動脈之后，迅速發展的地下管道運輸已經成為當今社會的第四大動脈。但是隨著管路的增多、管齡的增長和輸送壓力的提高，管道結垢、腐蝕、泄漏和堵塞等問題不斷涌現，管道安全引起了人們的極大關注。由于一旦出現管道事故，不但會給人們的正常生活帶來影響，而且會給人們的生命財產安全造成無法彌補的傷害。如2013年11月22日山東省青島市中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，事故共造成63人遇難，156人受傷，直接經濟損失7.5億元。因此維護管道的正常運行至關重要，尤其是近十多年來，隨著管道輸送事業的大發展，清管技術更是得到了長足的發展，出現了適應各種需要的清管設備，其中清管器是最主要的清管設備。

清管器（ PIG） 作為管道清管中必不可少的機具，在1962年由美國的Knapp 公司和Girard公司開發，并用于管道清洗［1-2］。1965年清管器在日本開始應用。20世紀60年代中期，中國開始采用清管器清洗技術，至今已有五十多年的歷史［3］。然而目前國內尚無具體的清管規程，對清管器的選擇、過盈量參數的確定以及速度預測、流程控制等方面均無統一的規定和精確的判斷［4］，因此在設備選型方面存在較大困難。

2010～2011年川氣東送管道分公司分段完成了川氣東送管道主干線在線清管作業，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亞鐵粉末等污物，并委托相關單位對清管清出物中所含元素進行了分析。2013年本公司又對南京支線十字鎮至金壇管段進行清管作業，原計劃進行4～5次收發球作業，但在實際清管過程中卻遇到困難：第一次收到泡沫清管器后，由于接收到的清管器磨損較大，且表面有較多尖銳劃痕，因此進行了第二次泡沫清管器的發送；第三次單向皮碗清管器在運行過程中出現了卡堵現象，導致清管器停止運行超過30小時，且收到的清管器磨損嚴重。鑒于以上情況，十字鎮-金壇管段已不具備繼續清管的條件，出于控制風險的考慮，最終現場指揮組確定本次清管作業到此結束。事后通過對清管器磨損情況和清管清除物所含元素等情況進行分析，得出此次清管器選型存在錯誤。

清管作業是提高管道輸送效率的重要措施，正確的選擇管道清管設備是保證清管作業成功的關鍵。因此了解被清洗物的分類，掌握被清洗物的性質，對于正確的選擇清管器的種類，實施有效的清洗至關重要。本文對2010～2011年川氣東送管道清管清出物中所含元素特征進行研究，以期為下次川氣東送管道主干線或同類型管道清管作業提供借鑒。

1 研究方法

聚類分析是直接比較樣本中各指標（或樣本）之間的“性質”，將性質相近的歸為一類，性質差別較大的歸為不同類。常用的聚類方法有： 系統聚類法、有序樣本聚類法以及模糊聚類法等。

（1）系統聚類的基本思想 先將待聚類的n個樣品（或者變量）各自看成一類，共有n類；然后按照事先選定的方法計算每兩類之間的聚類統計量，即某種距離（或者相似系數），將關系最密切的兩類合并成一類，其余不變，即得n-1類；再按照前面的計算方法計算新類與其他類之間的距離（或者相似系數）在將關系最密切的兩類并為一類，其余不變，即得n-2類；如此繼續下去，每次重復都減少一類，直到最后所有的樣品（或者變量）歸為一類為止。根據不同類之間距離的多種定義，將系統聚類方法歸納為最短距離法、最長距離法、類平均法、重心法及離差平方和法等。

（2）類平均聚類法 將類與類間的距離定義為樣品間平方距離的平均值，將距離最近的兩類合并為一類，最終實現聚類的目的［5］。假設存在類 Gk、GL，則Gk和GL之間的平方距離的計算如公式（1）所示。

若某一步類 Gk和GL合并成新類GM時，GM與另一類GJ的平方距離可以推廣為公式（2）

利用公式（1）、（2）以及樣品之間的信息，將平均距離小即相似性高的不同類合并為一類，分析問題的共性以便找出針對性措施。

2 聚類分析

（1）數據來源 川氣東送管道分公司委托相關單位對川氣東送管道主干線各管段管道清管清出物中所含元素主要進行了掃描電鏡成分分析，分析結果見表1。

（2）聚類結果分析，見圖1 以元素為變量運用 SPSS 軟件對九個管段的元素特征數據運用類平均法進行聚類分析，得出聚類樹圖（圖1）。由圖1可知，當類間距離為5時，可將九個管段分為四類。

類別I： 潛江—武漢。該類的主要特征是管道清管清出物中不含Ca元素，而且只有這一類含N元素且質量分數達到了8.59%。同時該類中O、Al、Si元素的含量都是最高，其中O、Si元素含量分別達到了29.45%和23.62%。

表1 川氣東送管道清管清出物中元素的分析數據（Wt%）

圖1 聚類樹圖

類別Ⅱ： 宜昌—潛江、十字鎮—金壇。該類的主要特征就是Fe元素含量最高，尤其是十字鎮—金壇管段Fe元素含量達到了52.22%。

類別Ⅲ： 梁平—黃金、恩施—野三關。該類的C、O、Si元素含量偏高。

類別Ⅳ： 普光—梁平、黃金—利川、利川—恩施、野三關—宜昌。該類的主要特征是含有B元素，并且其含量特別高，質量分數都在35%～41%之間。

3 結論分析與建議

通過前面的聚類分析結果可以看出，不同類別的管道清管清出物中所含元素的差異很大，如果清管設備選用不當，不但不能達到清管目的，而且可能造成管道堵塞、穿孔，因此，在清管時不能一概而論的選擇清管器。

針對上述問題提出以下建議。

類別I清管清出物中O、Si元素的含量較多，說明管道內部有較多的泥沙，可能是建設施工期間遺留到管道內的沙石物質。因此比較適合選用具有清理作用的清管器，例如整體清管器［6］。這種清管器通常由單一材料（聚氨酯）模壓而成，可以制成不同形狀，并且大都由中心柱體以及沿柱體分布的多個肋片組成。由于清管器的中心柱體是中空且尾部是敞開的，這樣驅動壓力就能作用清管器內部使其有膨脹的趨勢，加強清管器與管壁的密封作用。同時也可在整體清管器上安裝刮削器或鋼刷等清理部件，進行除蠟、除銹、除塵等操作。

類別Ⅱ清管清出物中Fe元素的含量較多，主要原因是管道開始運營后，管道內部腐蝕或者是管線內部殘留的焊渣、焊條及其它金屬物件產生了含鐵物質。建議首先使用磁力清管器進行管道清洗，將管線內部含鐵物質吸附在清管器的磁鐵上清理出來；然后使用安裝有強磁性磁鐵的磁檢測清管器，在所在管段形成強烈磁場，并通過傳感器檢測磁漏位置，進而確定金屬損失位置；最后根據探傷結果采取相應的防腐措施。

類別Ⅲ 清管清出物中元素含量比較平均，可選型比較多。建議使用皮碗式清管器，該清管器清管效果較好，造價便宜，可以更換易損壞部件，也便于安裝各種測試儀器。由于管道在初次投入清管器運行時，清管器有可能被卡在管內，因此為方便尋找被卡住的位置，可在清管器中放入一個能發射無線電波的示蹤器，以便用探測器準確地找到清管器的位置。

類別Ⅳ 清管清除物中B元素含量特別高，由于B元素存在狀態與SiO2基本相同，故對該物質的清除方法參照類別I。

但是導致類別Ⅳ中B元素含量特別高的原因，需要進一步研究。

參考文獻：

［1］劉剛，陳雷，張國忠，高國平，盧孟鑾.管道清管器技術發展現狀［J］.油氣儲運，2011，09：646-653+633.

［2］鄭莉.清管器技術展望［J］.清洗世界，2012，08：34-38.

［3］馬振杰.清管與檢測技術在川氣東送管道中的研究與應用［D］.西南石油大學，2013.

［4］王會坤，羅京新，戚菁菁.川氣東送管道干線清管實踐［J］.油氣儲運，2015，04：408-412.

［5］陳江麗. 基于類平均聚類法的普通高等專科學校辦學規模區域差異研究［J］.西昌學院學報（自然科學版），2015，03：46-48+72.

［6］張磊，李宜震，王沖，王小平.清管器應用及分類簡析［J］.化學工程與裝備，2013，07：173-176.

作者簡介：畢春波（1982- ），中國石化天然氣川氣東送管道分公司，崗位是安全環保，研究方向是天然氣長輸管道安全環保管理。