全生命周期天然气管道清管技术分析

孟虎林 党丽 李年杰 杨雪 马伟平

（1.中国石油青海油田分公司管道输油处；2.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院地面工程设计所；3.中国石油西南管道南宁输油气分公司；4.中国石油管道科技研究中心）

全生命周期天然气管道清管技术分析

孟虎林1党丽2李年杰3杨雪2马伟平4

（1.中国石油青海油田分公司管道输油处；2.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院地面工程设计所；3.中国石油西南管道南宁输油气分公司；4.中国石油管道科技研究中心）

目前天然气管道清管作业尚未形成统一的标准，在清管器选型、清管器参数确定等方面无明确规定。通过介绍国内天然气管道清管广泛应用的清管器类型，以及其适用范围和优缺点，提出了天然气管道清管器选型应参考的技术依据。结合国内天然气管道运行管理实践经验，分别针对新建管道、在役运行管道以及管道内检测等，提出了清管关键技术要求和指标参数，对于规范天然气管道清管作业规程具有指导意义。

天然气管道；清管器；清管技术；内检测

清管是管道投产前或运行中的一项重要工作，对于保证管道安全、降低管道能耗具有重要意义。目前国内天然气管道清管的问题是清管效果不理想；清管器跟踪装置丢失；清管器在管道中运行振动大；清管器偏磨严重等[1]。天然气管道清管尚未形成专门、统一的标准，应在清管器选型、清管器性能参数确定等方面进行明确规定。随着油气管道逐渐向大口径、高压力方向发展，对油气管道清管技术提出了更高的要求，需要耐高压、耐磨、能够稳定运行、能够自解堵、适合不同管径、功能多样化的清管器。

1 清管器类型和选型依据

1.1 清管器类型

长输天然气管道常用清管器有清管球、聚氨酯泡沫清管器、机械清管器、测径清管器、智能清管器（漏磁检测清管器），以及用于减少顺序输送混油的隔离型清管器。

1.1.1 清管球

清管球由氯丁橡胶制成，中空，壁厚为管径10%（30～95 mm），通过清管球上注水排气孔的单向阀控制注入水量，进而控制清管球过盈量。清管球主要清除管内积液和分隔介质，包括油品顺序输送中不同油品的隔离，管道水压试验中排除管内空气等。清管球缺点是清除块状物和粉尘能力较差，如支线管道直径大于干线管道直径1/2的三通，或采用等径三通，同时没有防护挡条，容易造成卡球故障。

1.1.2 聚氨酯泡沫清管器

聚氨酯泡沫清管器长度为管径1.75～2倍，过盈量一般为25 mm或管径的5%～10%，具有较高的弹性、韧性和一定的耐磨性能，变形量超过50%。泡沫清管器通过能力强，易于通过弯管，即使发生卡堵也可以依靠其高变形性能通过，或者提高压力使其破裂，自行解除堵管，不会发生憋压事故。泡沫清管器的泡沫碎屑对管道内壁无任何损伤，适用于清扫具有内壁涂层的管道。缺点是清除杂物能力一般，主要用于管道吸水、清污，只能一次性使用，运行距离较短。

1.1.3 机械清管器

机械清管器不仅能清除管内积液，还能清除固体杂质，根据需要安装钢刷和刮板等增强清管效果。机械清管器使用寿命长，一般可运行800～1000 km，可安装跟踪设备、测径板、磁铁等。缺点是通过性稍差，不适用于多弯头、阀门和有较大变形的管道。国内管道应用的机械清管器主要是碟型皮碗清管器和双向直板清管器。碟型皮碗清管器

过盈量一般为管径的3%～5%，通过能力优于双向直板清管器。皮碗清管器在管道内运行保持固定方向，主要用于清除管道内积液、粉尘等污物。双向直板清管器清除能力优于皮碗清管器，特别是能有效清除管道内悬浮污物。相对碟型皮碗磨损更快，运行距离较短，短距离管段内有较好清管效率。直板清管器可以双向运动，在管道投产或运行管道长期不清管情况下，如发生堵塞可反吹解堵。

1.1.4 测径清管器

测径清管器测量管道几何形状、椭圆度、凹凸不平度和焊缝焊透性等参数，可提供管道状况原始基础数据，为管道维修和清管提供依据。测径清管器直径约为管径的60%，皮碗柔性好，可通过缩孔15%的孔洞。测径清管器的关键技术是速度控制、检测精度、可靠性以及后期数据处理分析。在智能清管前（管道内检测）应先发射测径清管器，确定管道内部状况，检测管道通过能力。

1.1.5 智能清管器

智能清管器由数据采集传感器、支撑系统、驱动系统、皮碗（钢刷）、探头、电源系统和信号处理系统组成，其长度是普通清管器的4～5倍。为使管道内检测顺利进行，在发射智能清管器前先发射普通清管器对管道进行清理，然后再发射测径清管器，确定管道内部状况和通过能力。智能清管器采集确定的管道信息包括管道几何变形测量，管道凹痕、起皱、椭圆度、弯曲半径等信息；管道金属损失、蜡沉积以及腐蚀程度；管道裂纹缺陷位置、面积和严重程度。

1.2 清管器选型依据

清管器选型是一个多目标、多因素的决策问题，主要确定清管器的机械强度、耐磨性、吸附性、管道中输送介质的反应性以及通过能力，具体如下：

1）清管目标。管道清理的是液体还是固体杂质污物，预测污物的数量。如预计泥沙杂质较多，天然气管道可选带泄流孔的清管器，通过泄流孔气体将沙子吹起，避免堵塞。

2）管道生命周期阶段。新建管道是清理残渣、初步测量、试压、干燥、试运行。运行管道是清理蜡沉积和污物、介质隔离、抑制腐蚀。管道停运报废是介质清除、填充惰性气体。

3）确定清管的驱动介质（油、水、气）特性。

4）清管器过盈量。考虑管道的最小弯曲半径与弯曲角度、最小与最大内径、分支管道连接、沿线高程变化，以及沿线阀门/三通/弯头的类型、位置、尺寸等。

5）清管过程。管道提供的驱动压力范围值（管道最大允许操作压力、管道运行压力、温度参数变化），以及清管器运行的可能速度值范围和清管器需运行的最大距离。

6）清管器安装的钢刷和刮板尺寸。根据管道内蜡沉积物的厚度和驱动力范围综合考虑。

7）清管器的机械强度、耐磨性能以及与管道中介质接触的反应性。

清管器发展趋势是适应长距离站间距清管要求，对清管器的皮碗配置、皮碗强度和发射机质量等要求更高。以中亚天然气管道为例，管线全长1833 km，管径1067 mm，设计压力9.81 MPa，设计输量300×108m3/a，清管站间距分别为201 km和250 km，管道投产后首次清管选用了结构轻便、通过能力强的两直四碟型皮碗清管器，主要技术指标参数：支撑皮碗和碟型皮碗均由聚氨酯材料制成，邵氏硬度分别为85HA和80HA；清管器工作压力大于12 MPa，温度范围-30～100℃，过盈量3%；清管器质量0.6 t，在管道内运行最低压差0.2 MPa，可持续运行的最长距离大于300 km；可通过最小弯头曲率半径为3D（D为管道外径）以及最大变形不超过管径25%的管道；可安装跟踪装置，一旦发生卡堵能够及时发现并定位卡堵位置。

2 新建和运行管道清管技术要求

2.1 新建管道

新建管道清管是清除管道施工的遗留物、固体杂质和试压残留水，例如天然气管道残余水可能加速管道腐蚀，形成水合物堵塞管道干线。固体杂质可能堵塞下游过滤器、阀门等。新建管道投产前清管程序如下：

1）首次清管选择清管球，清除管道内积水。

2）根据水量多少发送直板清管器（最好设置跟踪器）或者直板清管器/清管球组合，清除管道内固体物质。如果卡阻可以反吹解堵，发送清管器组合可提高清管效果。

3）直板清管器通过后，可选择密封性能较好的蝶型皮碗清管器（最好设置跟踪器），如管内残存铁锈、焊渣等固体物，可选带钢刷的清管器。

4）发送测径清管器。如条件允许，应进行内检测智能清管，确定管道投产期固有缺陷，为管道完整性管理和腐蚀速率计算提供原始数据。

2.2 运行管道

管道运行过程中清管目的主要是清除管道内的腐蚀产物、气体管道内的液态烃以及输油管道的蜡沉积物，同时用于管道在线智能监测和缺陷评价。在役运行管道应定期清管，以保证管道安全。天然气管道可选聚氨酯泡沫清管器和单向运行皮碗清管器组合清管，每个管段清管前发送泡沫清管器进行试验性通球。收球后，根据其表面痕迹、清出物情况，确定是否发送皮碗清管器。天然气管道清管质量评价指标主要有：流量和输气效率提高程度，运行压力的下降幅度；天然气气质改善程度，包括清管器进入管道后，下游分离器收集的粉尘量；清管器清洁程度和磨损情况；压缩机节能状况，以及管道腐蚀速率降低程度等。

3 管道内检测前清管技术

长距离油气管道在投产运行3年内应进行全面检测。通过内检测获得管道可靠的基础数据，为管道完整性评估提供基础资料，保障管道安全长效运行。管道内检测主要确定管道中制造和安装缺陷、腐蚀、机械损伤或其他原因所致的金属损失，以及管道设备、管路附件和除金属损失以外的管体异常等。因此有必要对管道专门实施内检测前的清管作业以清除管道杂质，检验管道通过能力，降低管道内检测作业卡堵风险，保证内检测过程中几何检测和漏磁检测能够采集到高质量的检测数据。

3.1 工程实例

天然气管道内检测前清管宜依次选择聚氨酯泡沫清管器、蝶型皮碗清管器和双向直板清管器进行清管。川气东送管道黄梅-安庆管段内检测前的清管作业[2]，泡沫清管器过盈量选择5%～7%，碟型皮碗清管器过盈量选择3%～4%，双向直板清管器过盈量选择4%。为验证管道通过能力，碟型皮碗清管器加1块管径85%的测径板，双向直板清管器加1块管径90%的测径板。双向直板清管器安装大于密封盘约10 mm尼龙刷清除管道内较坚硬的污物，无内涂层管段选择钢刷。清管工艺为：首先发送泡沫清管器，清除管道污液和检验管道通过能力；其次发送碟型皮碗清管器，清除管道污物，再发送1个安装测径板的碟型皮碗清管器，根据测径板损伤情况初步判断管道变形情况；若管道内污物较少，且测径板变形较小，在依次发送双向直板清管器、安装测径板的双向直板清管器、安装尼龙刷/钢刷的双向直板清管器，以及安装磁铁的双向直板清管器，清除管道污物和金属条。

3.2 技术要求

川气东送管道黄梅-安庆管段内检测前的清管作业各阶段质量合格指标如下：

1）泡沫清管器清管。收球后泡沫清管器相对完整、无破损、无大的变形、无严重划伤，未发现大量污液和块状污物。

2）碟型皮碗清管器。清管器顺畅通过，清出污物在20 kg以下，无大块污物，可发送安装测径板的碟型皮碗清管器。

3）双向直板清管器。清管器通过能力良好，未出现卡堵现象，可发送安装测径板的双向直板清管器，测径板未出现断裂、15°以上弯曲等重大损伤，可发送安装尼龙刷/钢刷的双向直板清管器，以及安装磁铁的双向直板清管器。

4）为了保证管道内检测能够采集到高质量的数据，进行安装磁铁的双向直板清管器清管过程中，清管器顺畅通过，推出管道内杂质无块状物质，污物少于5 kg，金属焊条少于10根，且无长于10 cm的金属物，无污液，内检测前的清管作业即为合格。

4 结论

通过分析比较各常用清管器的优缺点，提出了基于清管目标、管道生命周期阶段、管道运行特性的清管器选型基本原则。针对新建管道、在役运行管道和进行内检测管道的特点，提出了相应清管技术要求，新建天然气管道在管道内条件不明情况下建议进行试探性清管，采用多种清管器的组合，根据清管效果选择后续清管器；在役运行天然气管道清管建议使用聚氨酯泡沫清管器与皮碗清管器组合的方式；管道内检测前清管建议使用安装测径板、钢刷、磁铁的皮碗清管器和直板清管器的组合方式。

[1]朱喜平.天然气长输管道清管技术[J].石油工程建设，2005，31（3）：12-16.

[2]陈传胜.天然气长输管道在线内检测前的清管技术[J].天然气与石油，2013，31（5）：1-4.

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.11.007

2016-08-02

（编辑 王古月）

孟虎林，工程师，2001年毕业于中国石油大学（华东）（油气储运专业），从事长距离油气管道技术管理工作，E-mail：66827781@qq.com，地址：青海省格尔木市管道输油处大乌斯站，816000。