天然氣管道清管技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

鄒菁

摘要：各天然氣管道公司都會根據(jù)自身生產(chǎn)參數(shù)的分析適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行清管作業(yè)，清管作業(yè)是天然氣長輸管道投產(chǎn)前或運(yùn)行中的一項重要工作，它可以保證管道的正常運(yùn)行和輸氣效率。本文介紹了清管作業(yè)規(guī)程，清管器種類及特點，清管效果評價指標(biāo)，結(jié)合眾多專業(yè)論著，介紹了清管器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：清管作業(yè);清管作業(yè)規(guī)程;清管器種類;清管效果

1 清管作業(yè)規(guī)程

1.1作業(yè)目的和周期

清掃長輸天然氣管道內(nèi)雜物、積液、積污，對管道進(jìn)行內(nèi)檢測，提高管道輸送效率，減少摩阻損失，減少管道內(nèi)壁腐蝕，延長管道使用壽命。根據(jù)管道輸送介質(zhì)的性質(zhì)，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(diào)查

調(diào)查管道規(guī)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(diào)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(yùn)行速度，清管所需推球輸氣流量的估算，清管所需總進(jìn)氣量估算，清管所需總運(yùn)行時間估算，清管監(jiān)聽點設(shè)置，清管作業(yè)的組織，清管作業(yè)的安全措施等。

1.4清管作業(yè)條件

（1）進(jìn)出氣量和站場壓力要達(dá)到《清管方案》要求。

（2）站場工藝設(shè)備操作靈活，密封性好，經(jīng)測試完全達(dá)到備用狀態(tài)。

（3）收球筒儀器儀表能準(zhǔn)確檢測和顯示數(shù)據(jù)。

（4）各種通訊手段滿足要求，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，包括：公網(wǎng)、油網(wǎng)電話和對講機(jī)。

（5）清管操作工具、消防器材要準(zhǔn)備齊全、完好，擺放整齊。

（6）作業(yè)人員經(jīng)清管作業(yè)培訓(xùn)和安全培訓(xùn);穿勞保服裝、無鐵釘鞋，戴安全帽和護(hù)目鏡。

（7）收球作業(yè)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(yè)前必須在球筒內(nèi)放入緩沖球。

（9）清管器材在使用期限內(nèi)（參見產(chǎn)品使用說明書）。

1.5清管前的風(fēng)險分析及消減措施

（1）收球筒帶壓，打開快開肓板易受機(jī)械傷害，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行快開肓板操作規(guī)程，保證快開盲板正面和內(nèi)側(cè)面不得站人。

（2）FeS自燃，導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)爆炸，應(yīng)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(yīng)緩慢操作。

1.6作業(yè)步驟

（1）發(fā)球輸氣站發(fā)出清管器后，站上組織人員做好收球準(zhǔn)備。

（2）檢查放空閥和排污閥是否全關(guān)。

（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(dāng)清管球閥全開后關(guān)閉進(jìn)站干線閥，計算清管器的速度，當(dāng)清管器到站前約15分鐘（該時間也可根據(jù)實際情況而定），隨時檢查、監(jiān)聽清管器是否到達(dá)。

（5）當(dāng)清管器通過站通球指示器，進(jìn)入收球筒后，打開進(jìn)站干線閥，當(dāng)干線閥全開后，關(guān)閉球筒球閥、清管球閥、球筒平衡閥。

（6）打開收球筒放空閥進(jìn)行放空;當(dāng)筒內(nèi)壓力下降到0.2—0.4Mpa時，關(guān)閉放空閥，打開排污閥進(jìn)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(guān)閉排污閥，打開注水閥向筒內(nèi)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(nèi)污物，清洗球筒和快開盲板，涂潤滑脂后關(guān)閉快開盲板，擰緊安全銷。

（10）清掃場地，填寫記錄、向調(diào)度匯報收球結(jié)果情況。

（11）恢復(fù)通球指示器。

1.7質(zhì)量控制

（1）操作人員各司其職，服從指揮，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備操作手冊;

（2）開、關(guān)快開盲板，應(yīng)按快開盲板操作手冊進(jìn)行操作。

（3）清管器接收筒的快開盲板正面和內(nèi)側(cè)面不得站人。

（4）倒收球流程后，確認(rèn)清管器收筒球進(jìn)口球閥全開到位。

（5）開啟放空閥和排污閥時動作應(yīng)緩慢。

（6）從清管器接收筒排除的污物應(yīng)挖坑深埋，避免對環(huán)境造成污染。

1.8清管效果檢查

清管結(jié)束后，在天然氣流態(tài)穩(wěn)定后的24h內(nèi)，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(yùn)行距離，km;

Z——在平均壓力下的壓縮系數(shù);

D——管道內(nèi)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(dāng)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(guī)格，清管器類型及過盈量，清管器發(fā)、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(yùn)行平均速度，清管作業(yè)累積進(jìn)氣量，清管作業(yè)放空氣量，清管作業(yè)排污量，清管器運(yùn)行情況描述，推球壓力達(dá)到最高時間及當(dāng)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(jié)束后清管器狀況等。

2 清管器發(fā)展歷程及工作原理

2.1清管器發(fā)展歷程

清管器（Pig）是管道工業(yè)中必不可少的機(jī)具，在1962年，由美國的 Knapp公司和Girard公司開發(fā)并用于管道清洗。[2]目前，已經(jīng)在世界上許多國家得到廣泛應(yīng)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(jì) 60年代末發(fā)明了電子定位清管器，使清管器清洗技術(shù)有了巨大發(fā)展。在清管器上增加傳感器，可以收集到管道內(nèi)的各種信息。

據(jù)大量技術(shù)資料表明，國外 640mm輸氣管道中，1950年以前設(shè)計的裝有清管器收發(fā)裝置的占24%，1960年以前建造的占51%，而 1960年以后建設(shè)的長輸管道幾乎100%裝有清管器收發(fā)裝置。由此可見清管工藝在迅速發(fā)展和普及。

國內(nèi)采用清管工藝清洗管道是從20世紀(jì)60年代中期開始的，在輸氣管道上應(yīng)用比較普遍，但近幾年發(fā)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(nèi)流體的自身壓力或通過其他設(shè)備提供的水壓或氣壓作為動力，推動清管器在管道內(nèi)向前移動，刮削管壁污垢，將堆積在管道內(nèi)的污垢及雜物推出管外。清管器在管道中前進(jìn)是靠前后壓差來驅(qū)動的，具體的驅(qū)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(jìn)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(chǎn)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(nèi)徑要大3%～5%，能與管道緊密結(jié)合，因此它在運(yùn)行當(dāng)中密封性很高，易于對污垢進(jìn)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(chǎn)生很強(qiáng)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(chǎn)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(nèi)的水量，從而控制球?qū)艿赖倪^盈量。清管球主要清除管道內(nèi)的液體和分離介質(zhì)，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(nèi)經(jīng)大2%～4%。泡沫清管器依靠積壓泡沫接觸管壁實現(xiàn)刮刷結(jié)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(yùn)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(jié)構(gòu)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(jié)或多節(jié)皮碗構(gòu)成。它在管內(nèi)運(yùn)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(jié)皮碗的間隔應(yīng)有一個最短的限度，根據(jù)理論計算和實驗，確定前后皮碗的間距不應(yīng)小于管道直徑D，清管器的總長度可根據(jù)皮碗節(jié)數(shù)的多少和直徑的大小保持在1.1-1.5D范圍內(nèi)，皮碗唇部對管道內(nèi)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(nèi)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(yùn)行管道檢測工具收集管道內(nèi)部情況數(shù)據(jù)，由工程師和技術(shù)人員對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷并匯報管道內(nèi)部狀況。顯然這類清管器已經(jīng)不像其他類型的清管器具有清掃管線的功能，他們擔(dān)負(fù)這更重要的任務(wù)。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(jié)蠟層測量及產(chǎn)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(biāo)

目前，各管道公司評價清管效果的指標(biāo)不盡相同，目前使用的主要指標(biāo)有以下幾種：

流量及輸氣效率的提高幅度。

清管器進(jìn)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(zhì)量的提高程度。

（6）壓縮機(jī)節(jié)能的幅度以及壓縮機(jī)因氣體質(zhì)量損毀的頻率。

（7）腐蝕調(diào)查結(jié)果。

（8）腐蝕速度降低的程度（腐蝕掛片試驗）。

4 清管器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢[4]

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

超聲波檢測將向高精度方向發(fā)展，并適用于不同的工作環(huán)境。由于超聲波檢測技術(shù)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(xiàn)誤差，應(yīng)利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法來彌補(bǔ)，使數(shù)據(jù)處理的結(jié)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(xiàn)有的石油天然氣管道運(yùn)輸行業(yè)而言，為適應(yīng)社會發(fā)展需要，已逐步形成了城市管網(wǎng)、地區(qū)管網(wǎng)，甚至是整個世界能源運(yùn)輸管網(wǎng)，因此，目前的石油天然氣管道已經(jīng)不是單一的一條線路。為此要想設(shè)計出有大范圍應(yīng)用的清管器，在分叉點時的自動選擇路徑的能力應(yīng)進(jìn)行研究。

對現(xiàn)有的清管器，仍然停留在管內(nèi)運(yùn)動、檢測等方面，而對工程有實用價值的是管內(nèi)運(yùn)動、檢測、修復(fù)一體化作業(yè)，因此必須考慮清管器的實時檢測修復(fù)功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]長輸天然氣管道清管作業(yè)規(guī)程，中國石油天然氣總公司

[2]張薇娜. 清管器（Pig）清洗技術(shù).

[3]張連翠.石油與天然氣管道清管器及其應(yīng)用

[4]劉凱，馬麗敏，鄒德福，陳志東.清管器應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展