天然气管道清管技术应用与发展

邹菁

摘要：各天然气管道公司都会根据自身生产参数的分析适当的进行清管作业，清管作业是天然气长输管道投产前或运行中的一项重要工作，它可以保证管道的正常运行和输气效率。本文介绍了清管作业规程，清管器种类及特点，清管效果评价指标，结合众多专业论著，介绍了清管器应用技术的发展趋势。

关键词：清管作业;清管作业规程;清管器种类;清管效果

1 清管作业规程

1.1作业目的和周期

清扫长输天然气管道内杂物、积液、积污，对管道进行内检测，提高管道输送效率，减少摩阻损失，减少管道内壁腐蚀，延长管道使用寿命。根据管道输送介质的性质，视管道的输送效率和压差确定合理的清管周期。

1.2 清管前状况调查

调查管道规格，管道长度，管道使用年限，管道安全工作压力，管道相对高程差，管道穿越和跨越情况，管道弯头、斜口，管道变形，管道中间阀室，管道支线、三通，管道地貌特殊状况等。调查管道历次清管记录，管道目前输气流量、日输气量，管道工作压力，管道输送压差及输送效率等。

1.3编制清管方案

包括清管器的选择，清管段起终点最大压差的估算，清管器运行速度，清管所需推球输气流量的估算，清管所需总进气量估算，清管所需总运行时间估算，清管监听点设置，清管作业的组织，清管作业的安全措施等。

1.4清管作业条件

（1）进出气量和站场压力要达到《清管方案》要求。

（2）站场工艺设备操作灵活，密封性好，经测试完全达到备用状态。

（3）收球筒仪器仪表能准确检测和显示数据。

（4）各种通讯手段满足要求，工作状态稳定可靠，包括：公网、油网电话和对讲机。

（5）清管操作工具、消防器材要准备齐全、完好，摆放整齐。

（6）作业人员经清管作业培训和安全培训;穿劳保服装、无铁钉鞋，戴安全帽和护目镜。

（7）收球作业前检查清管器，保证清管器要满足清管要求的尺寸和过盈量，并做好记录。

（8）收球作业前必须在球筒内放入缓冲球。

（9）清管器材在使用期限内（参见产品使用说明书）。

1.5清管前的风险分析及消减措施

（1）收球筒带压，打开快开肓板易受机械伤害，应严格执行快开肓板操作规程，保证快开盲板正面和内侧面不得站人。

（2）FeS自燃，导致发生火灾爆炸，应在打开快开肓板前对收球筒注水。

（3）阀门操作过程中，用力过猛，或用加力杆操作，放空或排污速度过快，操作阀门应缓慢操作。

1.6作业步骤

（1）发球输气站发出清管器后，站上组织人员做好收球准备。

（2）检查放空阀和排污阀是否全关。

（3）接到清管器已通过上游最后一个阀室检测点的通知后，切换到收球流程。

（4）缓慢打开收球筒平衡阀，压力平衡后打开球筒球阀和清管球阀，当清管球阀全开后关闭进站干线阀，计算清管器的速度，当清管器到站前约15分钟（该时间也可根据实际情况而定），随时检查、监听清管器是否到达。

（5）当清管器通过站通球指示器，进入收球筒后，打开进站干线阀，当干线阀全开后，关闭球筒球阀、清管球阀、球筒平衡阀。

（6）打开收球筒放空阀进行放空;当筒内压力下降到0.2—0.4Mpa时，关闭放空阀，打开排污阀进行排污。

（7）球筒排污至压力为零后（观察小量程压力表示值），关闭排污阀，打开注水阀向筒内注水。

（8）拧出安全销，打开快开盲板，取出清管器。

（9）清除收球筒内污物，清洗球筒和快开盲板，涂润滑脂后关闭快开盲板，拧紧安全销。

（10）清扫场地，填写记录、向调度汇报收球结果情况。

（11）恢复通球指示器。

1.7质量控制

（1）操作人员各司其职，服从指挥，严格执行设备操作手册;

（2）开、关快开盲板，应按快开盲板操作手册进行操作。

（3）清管器接收筒的快开盲板正面和内侧面不得站人。

（4）倒收球流程后，确认清管器收筒球进口球阀全开到位。

（5）开启放空阀和排污阀时动作应缓慢。

（6）从清管器接收筒排除的污物应挖坑深埋，避免对环境造成污染。

1.8清管效果检查

清管结束后，在天然气流态稳定后的24h内，通过对管道输送效率的测算检查清管效果。

管道输送效率计算公式为[1]：

式中：η—管道输送效率;

Q——管道实际通过气量，m3/d;

d——天然气相对密度;

T——天然气平均温度，K;

L——清管器运行距离，km;

Z——在平均压力下的压缩系数;

D——管道内径，cm;

p1——清管管段起点站压力，MPa;

p2——清管管段终点站压力，MPa。

当η≥90%时，表明清管效果良好。

1.9清管资料的整理与汇总

包括清管管段首、末站站名，清管管段长度，清管管段管道规格，清管器类型及过盈量，清管器发、收时间，清管前首站压力，清管前末站压力，清管前管段通过气量，清管后首站压力，清管后末站压力，清管后管段通过气量，清管过程中最高推球压力，清管过程中最大推球压差，清管管段最大相对高差，清管器运行平均速度，清管作業累积进气量，清管作业放空气量，清管作业排污量，清管器运行情况描述，推球压力达到最高时间及当时清管器所在地点，最快球速时清管器位置，最大推球压差管段位置，清管正常放空情况、排污情况，清管推出物描述，清管结束后清管器状况等。

2 清管器发展历程及工作原理

2.1清管器发展历程

清管器（Pig）是管道工业中必不可少的机具，在1962年，由美国的 Knapp公司和Girard公司开发并用于管道清洗。[2]目前，已经在世界上许多国家得到广泛应用。为了在清管器遇卡时能迅速在地面找到其确切位置，国外在 20世纪 60年代末发明了电子定位清管器，使清管器清洗技术有了巨大发展。在清管器上增加传感器，可以收集到管道内的各种信息。

据大量技术资料表明，国外 640mm输气管道中，1950年以前设计的装有清管器收发装置的占24%，1960年以前建造的占51%，而 1960年以后建设的长输管道几乎100%装有清管器收发装置。由此可见清管工艺在迅速发展和普及。

国内采用清管工艺清洗管道是从20世纪60年代中期开始的，在输气管道上应用比较普遍，但近几年发展很快，油、气、水管道都广泛采用，并取得越来越显著的效果。

2.2清管器工作原理

清管器清洗依靠被清洗管道内流体的自身压力或通过其他设备提供的水压或气压作为动力，推动清管器在管道内向前移动，刮削管壁污垢，将堆积在管道内的污垢及杂物推出管外。清管器在管道中前进是靠前后压差来驱动的，具体的驱动方式有两种。一种是利用流体的背压作为清管器行走的动力，并在推进中清除管道中清管器前方的污垢。这种方式适合对较短管道的清洗。另一种方式是利用从清管器周边泄漏的流体产生的压力，使附着在管壁上的污垢粉化，并被排送出去。这种方式较适合长管道的清洗。清管器的外径通常比管道内径要大3%～5%，能与管道紧密结合，因此它在运行当中密封性很高，易于对污垢进行清理。尤其是使用液体做压送液体时，所形成的射流会对管壁上的污垢产生很强的冲击能力。

2.3清管器的种类

2.3.1清管球

常用的清管球由橡胶制成，管道分公司投产前期使用了大量清管球，此球中空，壁厚30-50mm，球上有一个可以密封的注水排气孔。注水孔有加压用的单向阀，用以控制打入球内的水量，从而控制球对管道的过盈量。清管球主要清除管道内的液体和分离介质，清除块状物的能力较差。

2.3.2泡沫清管器

泡沫清管器一般由聚氨酯模制而成，表面上会永久的粘接有硬的聚氨酯条或是磨料，以提高耐磨性，典型的泡沫清管器的外形像子弹头，可以容易的通过弯头，长度一般是管径的两倍，外径比管线内经大2%～4%。泡沫清管器依靠积压泡沫接触管壁实现刮刷结蜡和密封。该清管器密封性好，依靠清管器前后压差，推动清管器向前运行。泡沫清管器可以通过管径有微小变化的管道而不会被管道中的凹坑卡住或损坏。

2.3.3皮碗清管器

皮碗清管器结构相对简单，安装形式灵活，常用的皮碗按形状分为平面、锥面和球面3种，皮碗材料为耐油、耐磨的氯丁橡胶或聚氨酯，具有良好的密封性与耐磨性。皮碗清管器是由一个刚性骨架和前后两节或多节皮碗构成。它在管内运行时，能够保持着固定的方向，所以能够携带各种检测仪器和装置。为了保证清管器顺利通过大口径支管三通，前后两节皮碗的间隔应有一个最短的限度，根据理论计算和实验，确定前后皮碗的间距不应小于管道直径D，清管器的总长度可根据皮碗节数的多少和直径的大小保持在1.1-1.5D范围内，皮碗唇部对管道内径的过盈量取2% -5%。皮碗清管器有多道密封，密封性能好，钢刷为其清理工具。

2.3.4智能清管器[3]

这类清管器可以在不影响管线正常使用的情况下提供管道内部的情况或污垢的情况。它可以检测管道防腐层、管壁腐蚀、埋深位置等许多功能。运行管道检测工具收集管道内部情况数据，由工程师和技术人员对这些数据进行分析、判断并汇报管道内部状况。显然这类清管器已经不像其他类型的清管器具有清扫管线的功能，他们担负这更重要的任务。不同类型的智能清管器有不同的作用，他们的作用主要包括管径测量、曲率检测、温度压力记录、弯曲测量、金属损失/腐蚀测量、射线检测、裂纹检测、结蜡层测量及产品抽样和定位。

前面重点介绍了四种清管器，在实际的工作中还有多种清管器，如压力旁通式清管器，组合式涡轮清管器，泄露探测清管器等，在此就不一一论述。

3 清管效果评价指标

目前，各管道公司评价清管效果的指标不尽相同，目前使用的主要指标有以下几种：

流量及输气效率的提高幅度。

清管器进入管道后，下游分离器收集到的粉尘量。

（3）操作压力的下降幅度。

（4）清管器的清洁度和磨损情况。

（5）天然气质量的提高程度。

（6）压缩机节能的幅度以及压缩机因气体质量损毁的频率。

（7）腐蚀调查结果。

（8）腐蚀速度降低的程度（腐蚀挂片试验）。

4 清管器应用技术的发展趋势[4]

目前采用的漏磁式智能清管缺陷检测技术对金属损失缺陷检测准确度高，但对管道的裂纹缺陷和焊缝缺陷檢测的准确度都不高。

超声波检测将向高精度方向发展，并适用于不同的工作环境。由于超声波检测技术本身存在的不足，如对较浅的凹坑（其面积通常小于压电超声波探头的面积）以及较浅的陆架形或阶梯形缺陷（面积为 0.32～6.45 cm2）检测时常出现误差，应利用先进的数据处理方法来弥补，使数据处理的结果更加多样化。

由于施工、维修或工艺等原因，管道不可能是光滑笔直的，这就需要清管器有良好的越过障碍（如阀门、三通、弯管） 的能力。对于现有的石油天然气管道运输行业而言，为适应社会发展需要，已逐步形成了城市管网、地区管网，甚至是整个世界能源运输管网，因此，目前的石油天然气管道已经不是单一的一条线路。为此要想设计出有大范围应用的清管器，在分叉点时的自动选择路径的能力应进行研究。

对现有的清管器，仍然停留在管内运动、检测等方面，而对工程有实用价值的是管内运动、检测、修复一体化作业，因此必须考虑清管器的实时检测修复功能。

参考文献：

[1]长输天然气管道清管作业规程，中国石油天然气总公司

[2]张薇娜. 清管器（Pig）清洗技术.

[3]张连翠.石油与天然气管道清管器及其应用

[4]刘凯，马丽敏，邹德福，陈志东.清管器应用技术的发展