天然氣管道旁通清管研究進展*

敬加強 陳 勇 孫 杰 王 軻 王秋月 張少冬 蔣燦燦

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.油氣消防四川省重點實驗室)

0 引 言

隨著“碳中和”目標的提出，屬于低碳清潔化石能源的天然氣將是保障能源安全的必然選擇，在能源轉型中起到橋梁和支撐作用，在工業發展中備受青睞[1-2]。然而，天然氣在輸送過程中由于地形起伏、環境溫度變化管道中易產生積液，積液聚集在管道低洼處，并與氣體反應生成腐蝕性物質，進而破壞管道及設備。此外，在節流閥、管道彎頭以及管壁粗糙位置處易形成水合物，堵塞管道。目前，基于合理清管速度，定期清管是保障管道流動安全的重要舉措，清管速度過低不能滿足生產要求，清管速度過高會導致管道應力集中、終端接收裝置無法正常工作等問題。

常規清管作業通過改變管道入口流量，或調節管道上、下游壓力控制清管速度，通常結合平板清管器和皮碗清管器完成清管作業，清管器運行速度取決于流體速度，存在速度過快和不易控制等缺點[3-4]。旁通清管器是鋼骨架上開設旁通孔的一類清管器，通過改變旁通面積調節清管器兩端壓差控制清管速度。具體如下：一方面，部分流體流經旁通孔為清管器提供驅動力，減小清管速度，延長清管器前端液相分布長度，降低單位時間內進入管道終端設備的段塞量[5-7]；另一方面，流體在旁通孔射流作用下呈“平滑”浪涌液面，固體碎屑以漿體形式向前輸送，減小或避免生產延遲[8-9]。為推進國內旁通清管技術發展，研究者多通過研制樣機，結合理論分析、模擬仿真和試驗研究，探究旁通清管器運動特性。圍繞旁通清管器結構、旁通清管模型和旁通清管試驗以及工程應用4個方面，本文闡述了天然氣管道旁通清管最新研究動態，在此基礎上指出現有研究不足以及未來發展方向。

1 旁通清管器結構

基于旁通清管器自身結構，通過調節其兩端壓差來控制清管速度。根據結構復雜程度，旁通清管器可分為簡單旁通式[10-14]、旁通孔開度控制式[15-16]和速度控制式[17-19]3類。

1.1 簡單旁通式清管器

簡單旁通式清管器由漸縮式旁通噴頭、導向皮碗、鋼骨架和主軸壓板等組成，通過更換漸縮式旁通噴頭調節清管速度，如圖1所示。該清管器具有結構簡單、零件不易散落和安全性高等優點；但速度穩定性差，在焊道或障礙物處易發生卡堵停滯。該清管器適用于管輸工況良好、不存在卡堵風險的水平或起伏平緩輸氣管道。

1—漸縮式旁通噴頭；2—導向皮碗；3—隔離皮碗；4—密封皮碗；5—鋼骨架；6—主軸壓板。圖1 簡單旁通式清管器Fig.1 Simple bypass pig

1.2 旁通孔開度控制式清管器

在彈簧和控制閥配合作用下，可通過調節旁通孔大小控制旁通孔開度控制式清管器(見圖2)運行速度。

1—錐形筒；2—孔板；3—緊固螺栓；4—導流盤；5—皮碗；6—法蘭肋板；7—中心鋼軸；8—控制彈簧；9—控制閥；10—支撐板；11—固定法蘭；12—隔離法蘭；13—壓板法蘭。圖2 旁通孔開度控制式清管器Fig.2 Bypass port opening control pig

清管器途經障礙物時，速度減小，背壓增大，彈簧被壓縮，控制閥與錐形筒接觸面積增大，旁通孔減小，后端氣體高速沖散障礙物，降低卡堵停滯風險。清管器卡堵時，背壓持續增大，控制閥從逐漸關閉過渡到完全關閉，彈簧被完全壓縮；在氣體驅動下清管器后端壓力不斷增大，直至克服前端障礙物阻力，控制閥打開，彈簧被彈開，從而實現憋壓解堵。隨后清管器兩端壓差不斷減小，直到壓差變為0，此時彈簧恢復初始狀態，清管器速度恢復正常。該清管器雖能避免卡堵停滯，但其速度不穩定，易產生清管效率低、撞擊管道設備等問題，嚴重時甚至引發安全事故。

1.3 速度控制式清管器

速度控制式清管器可根據管內條件、地形起伏和彎頭曲率變化等實時調節其運行速度，避免速度驟變，保障輸氣管道安全，高效完成清管作業[20]。該清管器的技術關鍵是調速裝置和旁通閥設計，常見旁通閥有往復式閥、錐形閥和轉閥[18]。調速裝置主要包括伺服電機控制裝置[19]和液壓控制裝置[21]，其典型結構如圖3所示。

圖3 速度控制式清管器與控制閥典型結構Fig.3 Typical structure of speed control pig and control valve

2 旁通清管模型及參數

2.1 旁通清管模型

目前，旁通清管模型建立主要依據2種不同的研究對象，其對應的2種研究方法如下：第一種以旁通清管器為研究對象，利用牛頓第二定律和實測的摩擦力、制動力、磨損系數和線性阻尼系數，建立旁通清管模型[22-25]，此方法忽略了旁通清管器結構對流體動量變化的影響；第二種以旁通清管器和外部流體介質為研究對象，耦合旁通清管器運動方程和流體運動方程，建立考慮旁通清管器兩端壓差、外部流體動量變化和摩擦力的旁通清管模型[12-13，17]。這2種方法均忽略了旁通清管器長度，且將清管器視為質點的一維管流模型。

基于上述原因，有學者提出了考慮旁通清管器長度、實際管流狀態的旁通清管模型，比如根據定量反饋理論建立的二維管道旁通清管模型[26-27]，考慮流場對旁通清管器軌跡影響的二維和三維輸氣管道旁通清管模型[28-29]，以及將旁通清管器視為不同清管單元組合的二維鏈體再疊加不同清管單元運動方程的旁通清管模型[30]。以上旁通清管模型中摩擦力、制動力和磨損系數等變量多憑現場經驗確定，簡化管流條件和流體介質等參數，將摩擦力視為常數。為提高旁通清管模型可靠性，應根據質量方程、動量方程、能量守恒方程和體積流量守恒方程等4個基本流體動力學方程，建立耦合常規清管模型和壓降方程的旁通清管模型，數值求解旁通清管器位置、速度以及兩端壓力等參數，結合室內和現場試驗驗證其準確性。

以速度控制式清管器為例，假設管道內部條件理想，不存在積液、雜質等障礙物，探究清管器運動特性。旁通清管過程中，清管器上游氣體為清管作業提供驅動力，摩擦力為阻力。清管器受力見圖4。其運動方程和體積流量守恒方程為：

圖4 旁通清管器受力圖Fig.4 Force diagram of bypass pig

(1)

vmixA=vpigA+vbpAbp

(2)

假設m、A、ρ、dh、D為常數，忽略外部流體動量變化，加速度為0時，旁通清管器運行速度v為[7，14，31]：

(3)

2.2 速度控制的關鍵參數

根據式(3)可知，流體速度一定時，旁通清管器運行速度取決于旁通率、壓降系數和摩擦力，其中旁通率為旁通孔與管道的橫截面積之比。

旁通率表征驅動力大小，若設計不合理，清管器易發生卡堵。工程上多采用OLGA多相流軟件的清管仿真模型，結合清管速度、壓力波動和積液量等參數變化規律，比選旁通率[8-9，32-33]。清管器運行速度隨旁通率增大而減小，受墊片磨損、污垢和鐵銹等影響，清管速度隨旁通率呈非線性下降[10，17，20]。

壓降系數是結構參數，與旁通清管器結構有關，反映了旁通孔對清管器兩端壓降的貢獻程度。旁通孔壓降系數隨壓降呈增大→下降→增大的波動趨勢，當其最小時，即為旁通清管器結構的優化目標[33]。

目前，我國缺乏不同結構旁通清管器壓降系數計算模型，一般采用疊加突擴結構[34]、前方繞流結構[35]以及直通結構的沿程壓降系數計算式建立。工程上常用的旁通孔主要包括直通式、折流板式和控制閥式3類。

直通式旁通孔結構及其參數見圖5。其壓降系數由突縮部分、直通部分和突擴部分組成，計算式為：

圖5 直通式旁通孔結構及參數Fig.5 Structure and parameters of straight through bypass port

(4)

式中：kbp為直通式旁通孔壓降系數；fL為范寧摩擦因數；Lpig為清管器長度，m；Ah為旁通孔橫截面積，m2。

折流板式旁通孔結構及其參數如圖6所示，其端面壓降系數由Churchill方程[36]關聯直通式旁通孔突擴端面得到，計算式為：

圖6 折流板式旁通孔結構及參數Fig.6 Structure and parameters of baffle type bypass port

(5)

式中：kdp為折流板式旁通孔壓降系數；H為折流板外徑，m；h為折流板與旁通孔的水平距離，m。

控制閥式旁通孔結構及其參數如圖7所示。其端面壓降系數同樣由Churchill方程[36]關聯直通式旁通孔突擴端面得到，計算式為：

(6)

圖7 控制閥式旁通孔結構及參數Fig.7 Structure and parameters of control valve type bypass port

其中：

fL=f(vbpdh/ν)

(7)

(8)

式中：ksp為控制閥式旁通孔壓降系數；heqv為等效的折流板與旁通孔的水平距離，m；ν為流體動力黏度，m2/s；H、Hi、H*分別為控制槽直徑、外徑、內徑，m；n為旁通孔數量；ω為控制閥開度，(°)。

為直觀分析旁通清管器幾何形狀對壓降系數的影響，利用CFD軟件模擬不同旁通孔開度壓降系數[37]。M.H.W.HENDRIX等[20]通過分解復雜結構旁通孔幾何結構，提出一種用于計算復雜旁通孔壓降系數的積木法，并通過水平清管試驗，驗證其準確性[31，38]。

摩擦力受密封材料、流體介質以及管道條件等共同影響，且隨清管速度呈動態變化，但工程上一般視其為常數，從而導致摩擦力的數值計算、模擬仿真與試驗研究結果存在偏差[7-9，39-40]。有研究發現，影響摩擦力的重要程度依次為皮碗厚度、倒角尺寸、夾持率和過盈量[41-42]；管壁潤濕將減小摩擦力，使用水作為潤滑劑可使摩擦力減小12%～16%[43]。

為克服當前摩擦力計算模型的局限性，探究管道彎曲和壁厚變化引起的清管速度偏移，S.KIM等[44]提出調諧摩擦模型和加權摩擦模型，其計算結果與KOGAS公司3條管線現場清管數據符合良好。深入研究清管速度、積液分布規律、壓力波動情況與摩擦力的內在聯系，有助于提高摩擦力計算模型的準確性。目前尚無旁通清管摩擦力準確通用的計算模型，多憑現場經驗確定，存在不確定性。

3 旁通清管試驗

旁通清管器運行速度隨摩擦力、管道結構、流體介質等波動變化，涉及復雜流固耦合振動問題，數值分析、模擬仿真不能準確表征旁通清管器運動的規律，試驗研究是理解這一物理過程的基礎方法[45-48]?；诳s尺模型搭建室內可視化的水平、水平-立管和水平-起伏-立管清管系統，開展旁通清管試驗，分析清管速度、壓力、積液分布等清管參數的變化規律。

3.1 水平清管系統

水平清管系統主要由發球筒、收球筒、可視化測試管段、攝像機及壓力傳感器等組成，其操作流程簡單、裝卸方便，如圖8所示[31，38]。以空氣為介質，試驗結果發現，旁通清管能減小氣體壓縮性引起的速度偏差。以空氣-水為介質，利用簡單旁通式清管器研究氣液兩相管流黏滑特性，結果發現，旁通清管能減小并穩定清管速度、減小積液量；黏滑特性與氣體可壓縮性和摩擦力變化有關，氣體可壓縮性決定清管器啟動、停滯和波動趨勢[12-14]。旁通孔開度控制式清管器的試驗結果發現，清管速度與旁通率呈非線性關系，清管器在途經管壁不均勻和管道接縫處時，速度不斷減小，呈短暫停滯再加速向前運動的趨勢[15-16]。

圖8 水平清管系統Fig.8 Horizontal pigging system

3.2 水平-立管清管系統

受立管結構、旁通清管器自身重力的影響，在大落差山區管道和深水氣田立管處清管速度發生劇烈變化，彎頭處產生巨大沖擊應力，威脅管道運行安全[49]。羅小明等[10]基于縮尺模型搭建了水平-立管清管系統，如圖9所示。

圖9 水平-立管清管系統Fig.9 Horizontal-riser pigging system

該系統采用簡單旁通式清管器，以空氣-水作為介質，試驗模擬在不同旁通率、氣體流速和液體流速下旁通清管器的運動特性。試驗結果表明：清管過程中系統壓力波動平緩，清管器前端段塞持液率降低，段塞體積減??；該系統中立管段彎頭曲率半徑過小、通過性能較差，皮碗磨損變形嚴重，容易發生卡堵現象；當摩擦力與驅動力無法平衡時，旁通清管器表現為非穩態運動。目前，旁通清管模型和清管器運動特性僅限于穩態研究。非穩態下黏滑行為對清管器前端積液和雜質運動規律的影響還有待進一步研究，以揭示旁通清管器異常運動和段塞消除的機理。

3.3 水平-起伏-立管清管系統

為最大限度地還原大落差起伏山地管道和海底管道清管過程，保證試驗數據更具代表性，CHEN J.H.等[11]基于縮尺模型，搭建了如圖10所示的水平-起伏-立管清管系統。以空氣-水為介質，采用簡單旁通式清管器，試驗模擬清管過程中清管器前、后兩端壓力、清管速度和段塞量的變化規律。試驗結果表明：旁通清管器經過彎管時撞擊管壁并發出撞擊聲，隨氣流增加旁通率減小，撞擊加??；通過“S”形彎管時沖擊更加強烈，旁通清管器在立管底部停頓后迅速通過立管，引起強烈震動；低流量、高旁通率下旁通清管器發生卡堵且無法再次運行。此外，氣體經旁通孔產生的節流溫降效應為水合物形成提供有利條件。綜上所述，旁通清管器低速平緩通過立管、彎管等復雜管段以及防治水合物形成對旁通清管作業尤為重要。

圖10 水平-起伏-立管清管系統Fig.10 Horizontal-undulating-riser pigging system

通過以上系統探究旁通清管器運動特性可為工程化應用提供技術參考，但室內試驗條件與實際清管工況不同。山地管道和海底管道起伏變化，包括水平管、起伏管、立管和彎管等復雜結構，管輸介質包括天然氣單相、氣液兩相以及含污垢、鐵銹的氣液固三相，伴隨著更高壓力和輸送量、更為復雜多變的管輸條件。

為推進旁通清管技術工程化應用，需要細致設計試驗縮尺模型和試驗操作過程，室內試驗和現場試驗不同工況下多因素的旁通清管，修正與完善現有旁通清管模型，準確預測清管器位置、清管速度、管內流態和摩擦力變化趨勢，以保障旁通清管作業安全。

4 工程應用

旁通清管與常規清管相比能顯著降低清管速度、減小積液量和控制段塞量，段塞量的減少幅度與旁通清管器相對流體減速程度相關。目前國內研究者尚未充分考慮旁通清管運動規律、影響機理和工程應用條件，仍處于理論研究階段，工程實踐經驗匱乏。國外旁通清管已成熟應用于天然氣干線、氣液兩相管線和凝析液管線，可實現長距離、長時間高速或低速清管作業，應用情況見表1。

表1 國外旁通清管工程應用情況Table1 Engineering application of bypass pigging by foreign companies

5 結論與展望

(1)旁通清管器通過在鋼骨架上開設旁通孔調節旁通面積控制清管速度，清管速度取決于旁通率、壓降系數和摩擦力大小。速度控制式清管器能實時調節閥開度控制清管速度，有助于提高清管效率，減輕管道終端段塞流捕集器負荷，保障清管作業安全。

(2)目前旁通清管模型中摩擦力、壓降系數等參數主要按現場經驗確定，簡化管道內部條件、流體介質、管道結構和清管工況，未考慮清管器長度、流體介質、摩擦力和管道結構等因素以及各因素耦合作用對旁通清管運動規律的影響，預測模型尚存在局限性。

(3)旁通清管技術在國外已成熟應用于工程實際，國內仍處于理論分析和試驗研究階段，通過搭建不同管道結構的清管系統，試驗研究旁通清管器運動特性，發現旁通清管能降低清管速度、平緩壓力波動、減小段塞量。

(4)為提高室內旁通清管試驗結果準確性，應搭建更加符合實際管道結構、流體介質和清管工況的室內清管系統，探究清管器前端積液量變化趨勢和管道內部條件對旁通清管器運動規律的影響；結合理論分析和試驗研究，建立旁通清管摩擦力計算模型、壓降系數計算模型以及耦合摩擦力與壓降系數計算模型的旁通清管模型，準確預測旁通清管運動特性，揭示旁通清管器復雜流固耦合振動機理。

(5)針對高壓、高速的大口徑輸氣管道，旁通清管作業中存在水合物堵管風險，建立旁通清管過程中水合物形成與管壁水合物沉積層剝離模型，研究提出水合物防治的經濟高效措施，避免清管過程中水合物形成和堵管。

(6)旁通清管器與管道檢測元件相結合，更有效控制旁通清管器運行速度，實現有效和精確檢測管道，有助于打破國外管道檢測服務公司技術封鎖。旁通清管速度控制不僅適用于油氣管網，而且在化工廠、發電廠的管道系統中具有廣闊的應用前景。