油氣運輸管道智能清洗管理研究

何娜娜

長安大學(xué) 公共管理與法學(xué)院 （陜西 西安 710054）

由于運輸管道具有相對運量大、節(jié)約土地資源、占地少、污染少而廣泛用于石油天然氣運輸領(lǐng)域。有關(guān)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(fā)達(dá)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(dǎo)致我國油氣運輸?shù)倪\力不足，造成我國有些地區(qū)油氣資源供應(yīng)緊張。

近年來，隨著我國石油天然氣開采業(yè)的發(fā)展，我國油氣管道運輸總里程不斷增長。截至2018 年末，已經(jīng)達(dá)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(chǎn)量和消費量增速對比來看，產(chǎn)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(yè)的發(fā)展。而石油運輸管道近年來的發(fā)展速度也比較緩慢，至2019年兩會時，國家發(fā)改委提出“組建國家管網(wǎng)公司，整合三大石油公司油氣管道業(yè)務(wù)，引入社會資本，促進(jìn)業(yè)務(wù)整合，發(fā)揮創(chuàng)新能力，激發(fā)企業(yè)活力”。預(yù)計未來幾年我國油氣管道行業(yè)將迎來加速建設(shè)時代，將有效解決油氣管道建設(shè)發(fā)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(yīng)安全，推進(jìn)能源消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(xiàn)為液態(tài)和氣態(tài)，是以碳?xì)浠衔餅橹饕煞值囊讚]發(fā)、易泄露、易爆的可燃性資源。采用管道運輸，既減少揮發(fā)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(zhì)的變化及水資源成分的影響，致使管材容易發(fā)生腐蝕和化學(xué)變化，降低原來的設(shè)計使用壽命。據(jù)了解，我國油氣管道一半以上的使用壽命已經(jīng)超過20年，甚至一些地區(qū)的管道使用已超過30年，由于管道埋于地下，出現(xiàn)老化和損壞很難及時察覺。加之，地面不正當(dāng)施工等人為因素，或者地震等自然災(zāi)害也對油氣管道的使用壽命以及安全造成嚴(yán)重影響。

2）運輸管道清洗管理技術(shù)相對落后。運輸管道在我國正處于上升發(fā)展時期，建設(shè)綜合覆蓋的運輸管道網(wǎng)絡(luò)需要完善健全的運輸管理體系。但是與公路和鐵路建設(shè)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(shù)的數(shù)據(jù)采集、整理、分析反饋等。與發(fā)達(dá)國家相比計量測量儀器的精度仍然較低，管道的設(shè)計、施工和檢修等等都是未來我國運輸管道管理建設(shè)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(shù)仍是一個難點，附著在管道壁上的污垢含有大量的有機(jī)物及泥砂等固態(tài)或軟泥態(tài)雜質(zhì)，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(guī)劃建設(shè)仍有待提高。國內(nèi)外交通運輸實踐表明，運輸管道建設(shè)周期短、費用低。在相同運量的條件下，運輸管道的建設(shè)周期僅是鐵路的2/3，特別是地質(zhì)、地貌和氣候條件相對較差的地區(qū)，相關(guān)統(tǒng)計資料表明，管道建設(shè)費用比鐵路低60%左右。

目前我國油氣管道網(wǎng)絡(luò)布局區(qū)域性較為明顯，原油管道網(wǎng)絡(luò)主要分布在西北部及長慶油田周圍，東部地區(qū)網(wǎng)絡(luò)較疏，地區(qū)網(wǎng)絡(luò)之間相互獨立，沒有形成連接。原油和天然氣管道網(wǎng)絡(luò)由于運輸管道網(wǎng)絡(luò)的相互孤立，無法滿足市場，需要加快油氣運輸管道網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，確保我國油氣能源安全儲備。與美國等發(fā)達(dá)國家相比，我國政府對于油氣運輸管道的監(jiān)管還有待提高。

2 油氣運輸管道清洗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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(nèi)部會積累很多雜質(zhì)，管道中往往會產(chǎn)生聚合物、結(jié)焦、油垢、水垢、沉結(jié)物、鐵銹腐蝕物等污垢，使設(shè)備和管道嚴(yán)重失效、生產(chǎn)效率下降、能耗增加，嚴(yán)重時會使運輸流程中斷，甚至?xí)?dǎo)致堵塞而被迫停產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此需要對油氣管道進(jìn)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(zhì)的原油，會經(jīng)常使輸油管道堵塞，需換取出來進(jìn)行清洗[2]。由于人工清洗油氣管道時人身體無法直接進(jìn)入，采用化學(xué)清洗方法又對運輸管道造成嚴(yán)重腐蝕，而且對周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)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(yè)，尤其是油氣運輸管道企業(yè)。

目前在國內(nèi)石油化工行業(yè)，大多仍采用人工清洗流程，其存在管道空間狹窄、工作環(huán)境惡劣、勞動量大、勞動強(qiáng)度較高等缺陷；多數(shù)管道液體含有不利于人體健康的物質(zhì)，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(chǎn)生大量的污垢和沉降物，原油中的主要固態(tài)物質(zhì)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(zhì)進(jìn)行電場或磁場處理，使其暫時失去結(jié)垢能力。

隨著科技的發(fā)展，使用機(jī)器人進(jìn)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(shù)，使管道的清洗更高效、更節(jié)能、更環(huán)保。20 世紀(jì)末，日本研制出一款用于50 mm和150 mm的管道輪式機(jī)器人（圖1），一直處于試驗階段，最后卻沒有投入到實際應(yīng)用。

圖1 日本東京大學(xué)的管道機(jī)器人

德國學(xué)者2000 年研制了多關(guān)節(jié)蠕蟲式機(jī)器人MAKRO（質(zhì)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(jī)器人（圖3），盡管其適應(yīng)于不同管徑，但機(jī)器人必須在進(jìn)入管道前根據(jù)運輸管徑調(diào)整好，一旦投入工作，無法調(diào)整管徑大小，工作穩(wěn)定性不好，容易發(fā)生傾倒[3]。

1997 年日本東芝公司開發(fā)了一臺微型輪式管道機(jī)器人，采用多輪式驅(qū)動，通過前端安裝的微型CCD 攝像頭檢測管內(nèi)異物，進(jìn)而操控機(jī)械手進(jìn)行清理，適用于25 mm管徑。

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

圖2 德國MAKRO的管道機(jī)器人

圖3 加拿大雙履帶管道機(jī)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(shù)

油氣運輸管道清洗常見的有化學(xué)清洗技術(shù)和噴砂清洗技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了清管器清洗技術(shù)和高壓水射流技術(shù)等。對于幾十公里乃至數(shù)百公里的油氣運輸管道，一般選擇清管器清洗技術(shù)和高壓水射流技術(shù)；在某些特殊工況下會選擇化學(xué)清洗技術(shù)。

3.1.1 清管器清洗技術(shù)

近年來，清管器清洗技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于油氣運輸管道的清洗、保養(yǎng)和維護(hù)。所謂清管器清洗技術(shù)，就是在一定的外力作用下，依靠清管設(shè)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(nèi)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(shù)的優(yōu)點是：適應(yīng)運輸管徑范圍大，運輸距離長，無需使用化學(xué)清洗劑，對運輸管道無腐蝕，對土地、大氣和水無環(huán)境污染；可實現(xiàn)不停產(chǎn)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(nèi)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(yù)警和評判。

3.1.2 高壓水射流清洗技術(shù)

高壓水射流清洗技術(shù)由清洗車系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、管道系統(tǒng)和存污系統(tǒng)4 部分組成。受地形條件限制，根據(jù)GB 50253—2006《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》，兩個聯(lián)絡(luò)井的一般間隔距離為數(shù)十米，最長可達(dá)300 m。清洗時需要在聯(lián)絡(luò)井中放置排污泵，使清洗時的污水利用運輸管道的設(shè)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(jìn)行排污處理。高壓水射流清洗技術(shù)的一般工作壓力為2～35 MPa；對于結(jié)垢清洗的工作壓力為70～270 MPa，作業(yè)時會產(chǎn)生較大的沖擊力，應(yīng)封閉工作區(qū)，配備相應(yīng)的安全操作人員和安全防護(hù)器具，一人操作清洗設(shè)備，一人觀察設(shè)備運轉(zhuǎn)，如有緊急情況，可立即停泵卸壓。

高壓水射流清洗技術(shù)的優(yōu)點是：采用普通自來水作為介質(zhì)，使用成本低；清洗完畢的油氣管道顯露金屬本色，質(zhì)量高；清洗完成后不用再進(jìn)行潔凈處理；清洗效率是化學(xué)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(fēng)險，需要制定操作安全防護(hù)預(yù)案和管理防護(hù)措施。

3.2 油氣罐體清洗技術(shù)

對于一些地形偏僻地區(qū)，一般遠(yuǎn)離主要油氣管道路線，如果鋪設(shè)管網(wǎng)，建設(shè)成本太大，因此運營企業(yè)一般采用油氣罐體進(jìn)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(jìn)行氣體通風(fēng)置換，罐體內(nèi)氣體符合操作條件時，清洗操作人員才佩戴專業(yè)的防爆設(shè)備和工具進(jìn)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(zhì)量也不夠徹底，所需的停工時間長，易對新進(jìn)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(jī)器人系統(tǒng)

自行式清洗機(jī)器人系統(tǒng)由變直徑圓型管道移動機(jī)器人系統(tǒng)、復(fù)雜環(huán)境下的視覺識別技術(shù)、模塊化履帶驅(qū)動單元技術(shù)、高壓水射流清污技術(shù)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)組成。整個系統(tǒng)滿足高溫、高防護(hù)等級技術(shù)[4-5]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含履帶、徑向收方、視覺照明、引導(dǎo)系統(tǒng)、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(jī)器人系統(tǒng)由一體式收放導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)和3 組履帶模塊組成，其組合導(dǎo)向傳動機(jī)構(gòu)[6-8]如圖5所示。3組機(jī)構(gòu)沿圓柱方向均布，使機(jī)器人以任意姿態(tài)進(jìn)入管道，機(jī)器人在管道內(nèi)實現(xiàn)自動定位，一體式收放導(dǎo)向的構(gòu)造使得機(jī)器人可對不同直徑的管道具備柔性適應(yīng)能力，確保履帶與管壁充分接觸，集成的履帶模塊內(nèi)置動力驅(qū)動裝置，履帶轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)履帶機(jī)器人在管道內(nèi)的自行移動。

圖5 自行式清洗機(jī)器人

自行式清洗機(jī)器人系統(tǒng)采用全伺服電機(jī)驅(qū)動，整機(jī)管道移動時距離設(shè)備1 m 處，運行噪音低于60 dB，無異常振動；系統(tǒng)的主體材質(zhì)選用輕質(zhì)鋁合金，相互產(chǎn)生位移的接觸部位采用銅合金或鋁合金制作，減少設(shè)備之間沖擊與靜電集聚；機(jī)器人收縮后整體機(jī)構(gòu)尺寸可控制在Φ300 mm的圓以內(nèi)。

4.2 高壓水射流油氣管道清洗系統(tǒng)

高壓水射流清洗是利用高壓柱塞泵和特殊設(shè)計的噴嘴產(chǎn)生高壓、高速水射流，利用強(qiáng)大的沖擊力和水楔作用直接剝離、沖刷油管內(nèi)、外壁黏結(jié)物，去除管道中的污垢和堵塞物，達(dá)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(jié)能、高清洗度、不需要壓力容器、冷清洗安全性好、不使用化學(xué)藥劑、既無污染又節(jié)約水資源、自動化程度高、運行成本低等優(yōu)點。減少了化學(xué)作用及時間的消耗，節(jié)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(jī)器人，或者從聯(lián)絡(luò)井用卷揚(yáng)機(jī)放入管道中，采用視覺系統(tǒng)對管道內(nèi)及區(qū)域連接水平管道等部位進(jìn)行管道現(xiàn)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(shè)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(jī)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(xiàn)打滑現(xiàn)象，能夠在有油污的管道內(nèi)平穩(wěn)前進(jìn)。

5）使用高清微型監(jiān)控攝像頭，其成像更加清晰，全視屏操作，360°任意旋轉(zhuǎn)行走，保證管道清洗無死角。使用檢測機(jī)器人或照相機(jī)對清洗后的管道內(nèi)部情況進(jìn)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(jī)器人配置有高清微型監(jiān)控攝像頭，能適時監(jiān)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(zhuǎn)彎和豎向爬行功能，繼續(xù)沿著豎直管道進(jìn)行清洗。

7）清洗評估符合規(guī)定后，進(jìn)行下一個分段。當(dāng)天清洗任務(wù)應(yīng)在兩聯(lián)絡(luò)井間完成，不能將自行式清洗機(jī)器人留在管道內(nèi)。

6 結(jié)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(fā)展趨勢。通過管道智能清洗技術(shù)將運輸管道的質(zhì)量在線檢測和清洗效果評估相結(jié)合，不僅提供了一種自動清洗方法，減少了人工操作風(fēng)險和勞動強(qiáng)度，也提供了一種運輸管道質(zhì)量的動態(tài)評價方法。在實際應(yīng)用過程中，必須結(jié)合工程實際情況，合理制定清洗方案，才能達(dá)到理想的效果。