天然氣管道清管技術應用與發展

鄒菁

摘要：各天然氣管道公司都會根據自身生產參數的分析適當的進行清管作業，清管作業是天然氣長輸管道投產前或運行中的一項重要工作，它可以保證管道的正常運行和輸氣效率。本文介紹了清管作業規程，清管器種類及特點，清管效果評價指標，結合眾多專業論著，介紹了清管器應用技術的發展趨勢。

關鍵詞：清管作業;清管作業規程;清管器種類;清管效果

1 清管作業規程

1.1作業目的和周期

清掃長輸天然氣管道內雜物、積液、積污，對管道進行內檢測，提高管道輸送效率，減少摩阻損失，減少管道內壁腐蝕，延長管道使用壽命。根據管道輸送介質的性質，視管道的輸送效率和壓差確定合理的清管周期。

1.2 清管前狀況調查

調查管道規格，管道長度，管道使用年限，管道安全工作壓力，管道相對高程差，管道穿越和跨越情況，管道彎頭、斜口，管道變形，管道中間閥室，管道支線、三通，管道地貌特殊狀況等。調查管道歷次清管記錄，管道目前輸氣流量、日輸氣量，管道工作壓力，管道輸送壓差及輸送效率等。

1.3編制清管方案

包括清管器的選擇，清管段起終點最大壓差的估算，清管器運行速度，清管所需推球輸氣流量的估算，清管所需總進氣量估算，清管所需總運行時間估算，清管監聽點設置，清管作業的組織，清管作業的安全措施等。

1.4清管作業條件

（1）進出氣量和站場壓力要達到《清管方案》要求。

（2）站場工藝設備操作靈活，密封性好，經測試完全達到備用狀態。

（3）收球筒儀器儀表能準確檢測和顯示數據。

（4）各種通訊手段滿足要求，工作狀態穩定可靠，包括：公網、油網電話和對講機。

（5）清管操作工具、消防器材要準備齊全、完好，擺放整齊。

（6）作業人員經清管作業培訓和安全培訓;穿勞保服裝、無鐵釘鞋，戴安全帽和護目鏡。

（7）收球作業前檢查清管器，保證清管器要滿足清管要求的尺寸和過盈量，并做好記錄。

（8）收球作業前必須在球筒內放入緩沖球。

（9）清管器材在使用期限內（參見產品使用說明書）。

1.5清管前的風險分析及消減措施

（1）收球筒帶壓，打開快開肓板易受機械傷害，應嚴格執行快開肓板操作規程，保證快開盲板正面和內側面不得站人。

（2）FeS自燃，導致發生火災爆炸，應在打開快開肓板前對收球筒注水。

（3）閥門操作過程中，用力過猛，或用加力桿操作，放空或排污速度過快，操作閥門應緩慢操作。

1.6作業步驟

（1）發球輸氣站發出清管器后，站上組織人員做好收球準備。

（2）檢查放空閥和排污閥是否全關。

（3）接到清管器已通過上游最后一個閥室檢測點的通知后，切換到收球流程。

（4）緩慢打開收球筒平衡閥，壓力平衡后打開球筒球閥和清管球閥，當清管球閥全開后關閉進站干線閥，計算清管器的速度，當清管器到站前約15分鐘（該時間也可根據實際情況而定），隨時檢查、監聽清管器是否到達。

（5）當清管器通過站通球指示器，進入收球筒后，打開進站干線閥，當干線閥全開后，關閉球筒球閥、清管球閥、球筒平衡閥。

（6）打開收球筒放空閥進行放空;當筒內壓力下降到0.2—0.4Mpa時，關閉放空閥，打開排污閥進行排污。

（7）球筒排污至壓力為零后（觀察小量程壓力表示值），關閉排污閥，打開注水閥向筒內注水。

（8）擰出安全銷，打開快開盲板，取出清管器。

（9）清除收球筒內污物，清洗球筒和快開盲板，涂潤滑脂后關閉快開盲板，擰緊安全銷。

（10）清掃場地，填寫記錄、向調度匯報收球結果情況。

（11）恢復通球指示器。

1.7質量控制

（1）操作人員各司其職，服從指揮，嚴格執行設備操作手冊;

（2）開、關快開盲板，應按快開盲板操作手冊進行操作。

（3）清管器接收筒的快開盲板正面和內側面不得站人。

（4）倒收球流程后，確認清管器收筒球進口球閥全開到位。

（5）開啟放空閥和排污閥時動作應緩慢。

（6）從清管器接收筒排除的污物應挖坑深埋，避免對環境造成污染。

1.8清管效果檢查

清管結束后，在天然氣流態穩定后的24h內，通過對管道輸送效率的測算檢查清管效果。

管道輸送效率計算公式為[1]：

式中：η—管道輸送效率;

Q——管道實際通過氣量，m3/d;

d——天然氣相對密度;

T——天然氣平均溫度，K;

L——清管器運行距離，km;

Z——在平均壓力下的壓縮系數;

D——管道內徑，cm;

p1——清管管段起點站壓力，MPa;

p2——清管管段終點站壓力，MPa。

當η≥90%時，表明清管效果良好。

1.9清管資料的整理與匯總

包括清管管段首、末站站名，清管管段長度，清管管段管道規格，清管器類型及過盈量，清管器發、收時間，清管前首站壓力，清管前末站壓力，清管前管段通過氣量，清管后首站壓力，清管后末站壓力，清管后管段通過氣量，清管過程中最高推球壓力，清管過程中最大推球壓差，清管管段最大相對高差，清管器運行平均速度，清管作業累積進氣量，清管作業放空氣量，清管作業排污量，清管器運行情況描述，推球壓力達到最高時間及當時清管器所在地點，最快球速時清管器位置，最大推球壓差管段位置，清管正常放空情況、排污情況，清管推出物描述，清管結束后清管器狀況等。

2 清管器發展歷程及工作原理

2.1清管器發展歷程

清管器（Pig）是管道工業中必不可少的機具，在1962年，由美國的 Knapp公司和Girard公司開發并用于管道清洗。[2]目前，已經在世界上許多國家得到廣泛應用。為了在清管器遇卡時能迅速在地面找到其確切位置，國外在 20世紀 60年代末發明了電子定位清管器，使清管器清洗技術有了巨大發展。在清管器上增加傳感器，可以收集到管道內的各種信息。

據大量技術資料表明，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。

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。

2.2清管器工作原理

清管器清洗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外。清管器在管道中前進是靠前后壓差來驅動的，具體的驅動方式有兩種。一種是利用流體的背壓作為清管器行走的動力，并在推進中清除管道中清管器前方的污垢。這種方式適合對較短管道的清洗。另一種方式是利用從清管器周邊泄漏的流體產生的壓力，使附著在管壁上的污垢粉化，并被排送出去。這種方式較適合長管道的清洗。清管器的外徑通常比管道內徑要大3%～5%，能與管道緊密結合，因此它在運行當中密封性很高，易于對污垢進行清理。尤其是使用液體做壓送液體時，所形成的射流會對管壁上的污垢產生很強的沖擊能力。

2.3清管器的種類

2.3.1清管球

常用的清管球由橡膠制成，管道分公司投產前期使用了大量清管球，此球中空，壁厚30-50mm，球上有一個可以密封的注水排氣孔。注水孔有加壓用的單向閥，用以控制打入球內的水量，從而控制球對管道的過盈量。清管球主要清除管道內的液體和分離介質，清除塊狀物的能力較差。

2.3.2泡沫清管器

泡沫清管器一般由聚氨酯模制而成，表面上會永久的粘接有硬的聚氨酯條或是磨料，以提高耐磨性，典型的泡沫清管器的外形像子彈頭，可以容易的通過彎頭，長度一般是管徑的兩倍，外徑比管線內經大2%～4%。泡沫清管器依靠積壓泡沫接觸管壁實現刮刷結蠟和密封。該清管器密封性好，依靠清管器前后壓差，推動清管器向前運行。泡沫清管器可以通過管徑有微小變化的管道而不會被管道中的凹坑卡住或損壞。

2.3.3皮碗清管器

皮碗清管器結構相對簡單，安裝形式靈活，常用的皮碗按形狀分為平面、錐面和球面3種，皮碗材料為耐油、耐磨的氯丁橡膠或聚氨酯，具有良好的密封性與耐磨性。皮碗清管器是由一個剛性骨架和前后兩節或多節皮碗構成。它在管內運行時，能夠保持著固定的方向，所以能夠攜帶各種檢測儀器和裝置。為了保證清管器順利通過大口徑支管三通，前后兩節皮碗的間隔應有一個最短的限度，根據理論計算和實驗，確定前后皮碗的間距不應小于管道直徑D，清管器的總長度可根據皮碗節數的多少和直徑的大小保持在1.1-1.5D范圍內，皮碗唇部對管道內徑的過盈量取2% -5%。皮碗清管器有多道密封，密封性能好，鋼刷為其清理工具。

2.3.4智能清管器[3]

這類清管器可以在不影響管線正常使用的情況下提供管道內部的情況或污垢的情況。它可以檢測管道防腐層、管壁腐蝕、埋深位置等許多功能。運行管道檢測工具收集管道內部情況數據，由工程師和技術人員對這些數據進行分析、判斷并匯報管道內部狀況。顯然這類清管器已經不像其他類型的清管器具有清掃管線的功能，他們擔負這更重要的任務。不同類型的智能清管器有不同的作用，他們的作用主要包括管徑測量、曲率檢測、溫度壓力記錄、彎曲測量、金屬損失/腐蝕測量、射線檢測、裂紋檢測、結蠟層測量及產品抽樣和定位。

前面重點介紹了四種清管器，在實際的工作中還有多種清管器，如壓力旁通式清管器，組合式渦輪清管器，泄露探測清管器等，在此就不一一論述。

3 清管效果評價指標

目前，各管道公司評價清管效果的指標不盡相同，目前使用的主要指標有以下幾種：

流量及輸氣效率的提高幅度。

清管器進入管道后，下游分離器收集到的粉塵量。

（3）操作壓力的下降幅度。

（4）清管器的清潔度和磨損情況。

（5）天然氣質量的提高程度。

（6）壓縮機節能的幅度以及壓縮機因氣體質量損毀的頻率。

（7）腐蝕調查結果。

（8）腐蝕速度降低的程度（腐蝕掛片試驗）。

4 清管器應用技術的發展趨勢[4]

目前采用的漏磁式智能清管缺陷檢測技術對金屬損失缺陷檢測準確度高，但對管道的裂紋缺陷和焊縫缺陷檢測的準確度都不高。

超聲波檢測將向高精度方向發展，并適用于不同的工作環境。由于超聲波檢測技術本身存在的不足，如對較淺的凹坑（其面積通常小于壓電超聲波探頭的面積）以及較淺的陸架形或階梯形缺陷（面積為 0.32～6.45 cm2）檢測時常出現誤差，應利用先進的數據處理方法來彌補，使數據處理的結果更加多樣化。

由于施工、維修或工藝等原因，管道不可能是光滑筆直的，這就需要清管器有良好的越過障礙（如閥門、三通、彎管） 的能力。對于現有的石油天然氣管道運輸行業而言，為適應社會發展需要，已逐步形成了城市管網、地區管網，甚至是整個世界能源運輸管網，因此，目前的石油天然氣管道已經不是單一的一條線路。為此要想設計出有大范圍應用的清管器，在分叉點時的自動選擇路徑的能力應進行研究。

對現有的清管器，仍然停留在管內運動、檢測等方面，而對工程有實用價值的是管內運動、檢測、修復一體化作業，因此必須考慮清管器的實時檢測修復功能。

參考文獻：

[1]長輸天然氣管道清管作業規程，中國石油天然氣總公司

[2]張薇娜. 清管器（Pig）清洗技術.

[3]張連翠.石油與天然氣管道清管器及其應用

[4]劉凱，馬麗敏，鄒德福，陳志東.清管器應用技術的發展