油氣管道清管器的通過性能設計

中油管道檢測技術有限責任公司

我國的長輸油氣管道建設里程已經超過13 萬公里，清管器在埋地長輸油氣管道的日常維護中起到越來越重要的作用。輸油管道內壁附著蠟層的清理，輸氣管道內雜質、水合物的清理，新建管道焊條焊渣等雜物的清掃，試壓后的推水、干燥等工序都需要用管道清管器來清掃、清除管道內雜質，清管不僅可以提高輸送介質清潔程度，而且還能大幅提升管道輸送效率[1-5]。

目前，從事管道清管器設計制造的企業有很多，一部分企業并不具有專業的清管器設計人員，僅是簡單地仿照或者是簡單地改造行為；對于一款具體的清管器，不懂得計算方法，旦不能給出其精確的通過性能參數。在這種大環境下，作為清管器的使用者，管道業主在采購清管器的時候，也無法甄別哪款清管器適用于自己的管道工況參數，尤其是無法判斷清管器通過凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門、彎頭變形等復雜工況下的安全性能；或者有的管道業主在采購時根本不知道應該關心清管器的哪些重要參數。

因此，本文將著重討論清管器在凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門、彎頭中的通過性能。通過做圖推演，給出具體的計算方法和公式，以幫助清管器的設計者和采購者掌握清管器基本的通過性能計算方法，避免由于清管器通過性能不適用管道工況而發生清管器停球和卡堵事件，給管道運營增加安全風險，造成巨大的經濟損失。

1 通過性能指標

目前，國內外普遍使用的清管器包括泡沫清管器和機械清管器兩大類，而機械清管器按結構形式分為直皮碗清管器、蝶皮碗清管器、鋼刷清管器、直碟刷混合搭配清管器、特殊功能清管器（如帶數據采集功能的智能清管器）等，圖1 為常用的直皮碗清管器、碟皮碗清管器、直碟刷混合清管器[6-11]結構示意圖。

長輸油氣管道在役投運清管器進行清管作業時，管道業主最為關心的問題除了清管效果的好壞外，還有一個重要的問題就是清管器能否安全地到達收球筒，尤其是新采購的管道清管器進行首次的清管投運工作。因為清管器在通過凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門、彎頭等特征部件時，需要考驗清管器在設計上的通過性能指標，有時會發生清管器停球、憋壓甚至卡堵現象，嚴重的后果可能導致管線停輸，封堵和斷管取球[12-18]。

正確應用管道清管器掌握主要通過性能指標是關鍵，其主要通過性能參數指標包括：適用管道外徑OD，皮碗最大密封間距L1，允許直管段凹陷變形的最小孔徑D凹陷，允許管道縮徑的最小直徑D縮徑，允許90°彎頭的最小曲率半徑R(R=n×OD)。

這幾項指標決定了管道清管器在凹陷變形直管段、三通、厚壁及閥門、彎頭內部的通過性能。

2 直管段通過性能

清管器在直管道中的通過性能主要表現在通過局部凹陷變形直管段的能力，圖2 為直皮碗清管器在通過有局部凹陷變形的直管段的示意圖。

管道清管器的各種皮碗都是聚氨酯彈性體，鋼刷采用的是彈簧鋼絲材料，因此當管道清管器通過局部凹陷變形直管段時，皮碗和鋼刷等接觸部件都會向管道中心折彎，最后順利通過凹陷變形直管段，實現一定的通過能力。清管器在通過凹陷變形直管段時的通過能力指標是允許直管段局部凹陷變形的最小直徑（D凹陷）。其允許的最小凹陷變形直徑是清管器能通過的最大凹陷變形時的管道最小內徑值，該值為清管器的極限通過能力，在該種情況下，清管器上厚度值最大的部件被變形缺陷擠壓折彎到極限，并緊貼于清管器最大法蘭上。因此，D凹陷的最小值就是該清管器在允許最大局部凹陷變形缺陷下的最大不可壓縮直徑，其直徑大小由清管器的最大鋼法蘭直徑D1與清管器上單一部件的最大軸向厚度A1決定。

允許直管段凹陷變形的最小孔徑D凹陷=D1+2A1。

圖1 幾種普通機械清管器Fig.1 Several common mechanical pigs

圖2 清管器通過凹陷變形直管道的示意圖Fig.2 Schematic diagram of pig passing through dent deformation straight pipeline

在清管器的最小孔徑下，對應于該清管器允許的直管段最大凹陷變形百分比計算式見式（1）。因此，已知清管器的最小凹陷直徑，就能夠計算出該清管器在直管段中的通過能力。

式中：X為允許直管段的最大變形量（即通過能力），%；OD為管道外徑，mm；t為管道壁厚，mm；D1為清管器最大鋼法蘭直徑，mm；A1為清管器單個部件軸向厚度的最大值，mm。

3 管道三通通過性能

管道三通在長輸油氣管道上經常用到，主要是起到介質分流、分輸的作用。清管器通過三通示意圖見圖3，當清管器前部皮碗進入到三通腔體后，介質已繞道泄流，介質在該部分的皮碗前后無法形成壓差，因此前部的皮碗就不能起到密封驅動的作用了，此時只能依靠還在直管段中的后部的皮碗密封來驅動清管器設備前進。由此推理，如果清管器的兩端部皮碗的最大密封間距L1小于三通的開孔尺寸，那么清管器將因為介質泄流失去驅動力而停在管道三通處。因此，管道清管器要想能順利通過三通，在設計上其兩端部的皮碗最大密封間距的值至少要大于三通開孔長度。

圖3 管道清管器通過三通示意圖Fig.3 Schematic diagram of pipeline pig passing through tee

按照管道上的三通最大開孔尺寸為等徑三通的原則，因此，清管器的皮碗最大密封間距L1要大于OD。

一般在設計上為了獲得可靠的三通通過性能，依據大量的實際設計經驗，得到如下公式

式中：L1為清管器的皮碗最大密封間距，mm；OD為管道外徑，mm；k為密封間距系數，推薦1.2≤k≤1.8。

4 管道厚壁及閥門通過性能

管道的厚壁及閥門處的管道內徑相比正常管段內徑要小，因此可以歸類于管道的內徑發生整圓周縮徑現象，通過能力取決于清管器允許管道縮徑的最小直徑。清管器通過管道正常和極限縮徑管道的情況如圖4 所示。相當于清管器通過有大壁厚的直管段，清管器上的皮碗、鋼刷等部件都會受到整個圓周方向的擠壓，從而整體向后發生折彎形變。因此，其通過性能的計算原理同樣適用于采用清管器的最大不可壓縮直徑。但是，雖然都是發生擠壓形變，在縮徑管道內是清管器的各部件整圓周都同時發生形變，前一個部件發生形變后可能會疊加到后一個部件上，在計算通過縮徑情況下的清管器最大不可壓縮直徑的部件厚度值A需要考慮疊加因素，如圖4 的通過極限縮徑管道情況，A值就應該取A1與A2之和。大部分的清管器各部件間隔一般不超過折彎長度，因此通常都會是疊加情況。

終上所述，清管器允許管道縮徑的最小孔徑

5 通過管道彎頭性能

清管器通過彎頭的性能主要是指清管器能通過90°彎頭的最小曲率半徑，一般4～12 in（1 in=25.4 mm）小口徑管道的彎頭最小曲率半徑為1.5OD，14～32 in 中等口徑管道的彎頭最小曲率半徑為2.5OD或3OD，而36～56 in 大口徑管道的彎頭最小曲率半徑為5OD及以上。

圖4 清管器通過正常管道和極限縮徑管道的示意圖Fig.4 Schematic diagram of pig passing through common pipeline and exterme reducing pileline

圖5 和圖6 分別為32 in 管道清管器通過32 in 管道1.5OD彎頭和3OD彎頭的情況示意圖。由圖可見，90°彎頭的曲率半徑越小，對清管器的最大不可壓縮直徑D2以及對應的清管器兩端不可壓縮直徑的總長度L2的值要求越高。而且這兩個值有一定的反約束關系，在同樣的彎頭曲率半徑下，最大不可壓縮直徑越大，那么筒體的最大長度值就需要越小；否則，通過性能得不到保障。

圖5 32 in 清管器通過1.5OD 彎頭的示意圖Fig.5 Schematic diagram of 32 in pig passing through 1.5OD bend

圖6 32 in 清管器通過3OD 彎頭的示意圖Fig.6 Schematic diagram of 32 in pig passing through 3OD bend

清管器通過90°彎頭的最小曲率半徑的倍數n，其計算關系式同樣要在清管器通過彎頭內徑時發生折彎形變情況下進行推導。圖7 是清管器在彎頭內發生極限折彎后的形變示意圖，同樣，在極限通過下，皮碗等部件發生折彎形變并相互疊加。

將其按最大不可壓縮直徑D2=D1+2(A1+A2)簡化后，得到圖8 所示的簡化示意圖。

圖7 清管器在彎頭內發生極限折彎后的形變示意圖Fig.7 Deformation diagram of pig after extreme bending in elbow

圖8 清管器在彎頭內極限折彎時的簡化示意圖Fig.8 Simplified diagram of pig in elbow with extreme bending

在圖中，兩個直角三角形OAB和OCD分別按照勾股定理得到

而直線OBD 上

因此得到

另外，在彎頭中有如下關系式

將上面四個等式代入公式（4），得到

式中：OD為管道外徑，mm；ID為彎頭內徑，ID=OD-2t，mm；t為彎頭壁厚，mm；n為90°彎頭的曲率半徑倍數；R為90°彎頭的曲率半徑，R=nOD，mm；L2為清管器的兩端不可壓縮的總長度，mm；L3為清管器的一端不可壓縮的長度，mm；D1為清管器的最大鋼體法蘭直徑，mm；D2為清管器的最大不可壓縮直徑，D2=D1+2(A1+A2)，mm。

公式（5）建立了L2與D2和L3極限值的方程式關系。

在清管器的設計中，一般先確定清管器的結構以及皮碗、鋼制法蘭的零件尺寸，這樣D2和L3的值就可以確定了，然后根據實際工程管道情況，了解現場管道的90°彎頭的曲率半徑R值，代入公式中，就可以計算得到清管器的前后端不可壓縮直徑的總長度L2的極限值。

一般在實際的設計中都要考慮一定的通過安全系數，因此，在計算得到清管器L2的極限值后，實際取值不應大于95%L2，以保障清管器通過彎頭的能力。

6 實例

某清管作業工程現場工況條件為：40 in 天然氣管道，有等徑三通，直管道壁厚14.6 mm，彎頭壁厚27 mm，彎頭曲率半徑為5OD，管道厚壁處的最小縮徑為948 mm。需要設計一種兩直四碟混合皮碗清管器，要求清管器通過直管道凹陷變形的能力大于10%，可以通過5OD彎頭，可以通過等徑三通，可以通過948 mm 的最小縮徑。

根據工況條件得知：

清管器主要設計參數如下：

根據皮碗結構，確定直皮碗厚度A1=65 mm，蝶皮碗厚度A2=54 mm，壓緊皮碗的鋼法蘭直徑D1=693 mm。

根據兩直四碟端面結構，確定清管器一端不可壓縮直徑的長度L3=320 mm。

通過上面的公式（1），可以計算得到清管器通過直管段凹陷變形的能力為：

因此清管器滿足通過直管道凹陷變形的能力大于10%的設計要求。

由于直皮碗厚度大于蝶皮碗厚度，所以此處A1應取65 mm。

通過上面的公式（2），可以計算得到清管器的最大密封間距L1的取值區間為：

通過公式（3），可以計算得到清管器允許管道厚壁及閥門處縮徑的最小值為：

931mm 小于管道的實際縮徑尺寸948 mm，因此清管器通過縮徑性能設計滿足要求。

根據上面的公式（4）和（5），計算清管器的前后端面不可壓縮直徑的最大長度L2值。

其中參數D2=D1+2(A1+A2)=931 mm、彎頭ID=962 mm、R=5 080 mm、L3=320 mm，將參數代入公式（5）中，可以計算得到L2的極限最大值為1 516 mm，為保證安全，并結合公式（2）計算得到的清管器皮碗最大密封間距L1的取值范圍，實際取L2=1 401 mm，此時L1=1 484 mm，皮碗間距系數k≈1.46，滿足管道設計需求。

最終該清管器的主要設計參數如圖9 所示。

圖9 清管器主要設計參數示意圖Fig.9 Schematic diagram of main design parameters of the pig

7 結論

通過對清管器在直管段凹陷變形、三通、厚壁及閥門、彎頭的通過姿態的分析，對具體的影響通過性能參數進行設計，得出清管器在設計中需要遵循的計算公式，并給出了一些具體參數的經驗值。從分析中看出，影響清管器通過性能的最重要的兩個參數分別是清管器最大不可壓縮直徑和對應的清管器端面長度。

管道清管器良好的通過性能參數是業主選擇和采購管道清管器的重要指標。同時，這個指標也對管道清管器的設計提出了更高的挑戰，既要保證清管器的清管效果，更要保障清管器有良好的通過性能，保障清管器作業安全平穩，不會對管道運營產生安全風險。