川气东送管道清管清出物中元素特征的聚类分析

毕春波李超锋（.中国石化天然气川气东送管道分公司， 湖北 武汉 43000；.中国地质大学（武汉）工程学院， 湖北 武汉 430074）



川气东送管道清管清出物中元素特征的聚类分析

毕春波1李超锋2（1.中国石化天然气川气东送管道分公司， 湖北 武汉 430020；
2.中国地质大学（武汉）工程学院， 湖北 武汉 430074）

摘要：川气东送管道工程是国家“十一五”重点工程，自投入运营以来，创造了良好的经济和社会效益。但在运行过程中会在管道内产生积液、沉积物等污物，从而对站场的运行造成影响。因此川气东送管道分公司对管道主干线进行了清管作业，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亚铁粉末等污物。本文对这些管道清管清出物中元素特征进行聚类分析，把九段管段分成了四种类型，通过分析不同类型管段的特点，为清管器选择及清管方案的制定提供借鉴。

关键词：川气东送；清管器；管道清出物；聚类分析

继水运、陆运、空运成为当今社会的三大动脉之后，迅速发展的地下管道运输已经成为当今社会的第四大动脉。但是随着管路的增多、管龄的增长和输送压力的提高，管道结垢、腐蚀、泄漏和堵塞等问题不断涌现，管道安全引起了人们的极大关注。由于一旦出现管道事故，不但会给人们的正常生活带来影响，而且会给人们的生命财产安全造成无法弥补的伤害。如2013年11月22日山东省青岛市中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故，事故共造成63人遇难，156人受伤，直接经济损失7.5亿元。因此维护管道的正常运行至关重要，尤其是近十多年来，随着管道输送事业的大发展，清管技术更是得到了长足的发展，出现了适应各种需要的清管设备，其中清管器是最主要的清管设备。

清管器（ PIG） 作为管道清管中必不可少的机具，在1962年由美国的Knapp 公司和Girard公司开发，并用于管道清洗［1-2］。1965年清管器在日本开始应用。20世纪60年代中期，中国开始采用清管器清洗技术，至今已有五十多年的历史［3］。然而目前国内尚无具体的清管规程，对清管器的选择、过盈量参数的确定以及速度预测、流程控制等方面均无统一的规定和精确的判断［4］，因此在设备选型方面存在较大困难。

2010～2011年川气东送管道分公司分段完成了川气东送管道主干线在线清管作业，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亚铁粉末等污物，并委托相关单位对清管清出物中所含元素进行了分析。2013年本公司又对南京支线十字镇至金坛管段进行清管作业，原计划进行4～5次收发球作业，但在实际清管过程中却遇到困难：第一次收到泡沫清管器后，由于接收到的清管器磨损较大，且表面有较多尖锐划痕，因此进行了第二次泡沫清管器的发送；第三次单向皮碗清管器在运行过程中出现了卡堵现象，导致清管器停止运行超过30小时，且收到的清管器磨损严重。鉴于以上情况，十字镇-金坛管段已不具备继续清管的条件，出于控制风险的考虑，最终现场指挥组确定本次清管作业到此结束。事后通过对清管器磨损情况和清管清除物所含元素等情况进行分析，得出此次清管器选型存在错误。

清管作业是提高管道输送效率的重要措施，正确的选择管道清管设备是保证清管作业成功的关键。因此了解被清洗物的分类，掌握被清洗物的性质，对于正确的选择清管器的种类，实施有效的清洗至关重要。本文对2010～2011年川气东送管道清管清出物中所含元素特征进行研究，以期为下次川气东送管道主干线或同类型管道清管作业提供借鉴。

1 研究方法

聚类分析是直接比较样本中各指标（或样本）之间的“性质”，将性质相近的归为一类，性质差别较大的归为不同类。常用的聚类方法有： 系统聚类法、有序样本聚类法以及模糊聚类法等。

（1）系统聚类的基本思想 先将待聚类的n个样品（或者变量）各自看成一类，共有n类；然后按照事先选定的方法计算每两类之间的聚类统计量，即某种距离（或者相似系数），将关系最密切的两类合并成一类，其余不变，即得n-1类；再按照前面的计算方法计算新类与其他类之间的距离（或者相似系数）在将关系最密切的两类并为一类，其余不变，即得n-2类；如此继续下去，每次重复都减少一类，直到最后所有的样品（或者变量）归为一类为止。根据不同类之间距离的多种定义，将系统聚类方法归纳为最短距离法、最长距离法、类平均法、重心法及离差平方和法等。

（2）类平均聚类法 将类与类间的距离定义为样品间平方距离的平均值，将距离最近的两类合并为一类，最终实现聚类的目的［5］。假设存在类 Gk、GL，则Gk和GL之间的平方距离的计算如公式（1）所示。

若某一步类 Gk和GL合并成新类GM时，GM与另一类GJ的平方距离可以推广为公式（2）

利用公式（1）、（2）以及样品之间的信息，将平均距离小即相似性高的不同类合并为一类，分析问题的共性以便找出针对性措施。

2 聚类分析

（1）数据来源 川气东送管道分公司委托相关单位对川气东送管道主干线各管段管道清管清出物中所含元素主要进行了扫描电镜成分分析，分析结果见表1。

（2）聚类结果分析，见图1 以元素为变量运用 SPSS 软件对九个管段的元素特征数据运用类平均法进行聚类分析，得出聚类树图（图1）。由图1可知，当类间距离为5时，可将九个管段分为四类。

类别I： 潜江—武汉。该类的主要特征是管道清管清出物中不含Ca元素，而且只有这一类含N元素且质量分数达到了8.59%。同时该类中O、Al、Si元素的含量都是最高，其中O、Si元素含量分别达到了29.45%和23.62%。

表1 川气东送管道清管清出物中元素的分析数据（Wt%）

图1 聚类树图

类别Ⅱ： 宜昌—潜江、十字镇—金坛。该类的主要特征就是Fe元素含量最高，尤其是十字镇—金坛管段Fe元素含量达到了52.22%。

类别Ⅲ： 梁平—黄金、恩施—野三关。该类的C、O、Si元素含量偏高。

类别Ⅳ： 普光—梁平、黄金—利川、利川—恩施、野三关—宜昌。该类的主要特征是含有B元素，并且其含量特别高，质量分数都在35%～41%之间。

3 结论分析与建议

通过前面的聚类分析结果可以看出，不同类别的管道清管清出物中所含元素的差异很大，如果清管设备选用不当，不但不能达到清管目的，而且可能造成管道堵塞、穿孔，因此，在清管时不能一概而论的选择清管器。

针对上述问题提出以下建议。

类别I清管清出物中O、Si元素的含量较多，说明管道内部有较多的泥沙，可能是建设施工期间遗留到管道内的沙石物质。因此比较适合选用具有清理作用的清管器，例如整体清管器［6］。这种清管器通常由单一材料（聚氨酯）模压而成，可以制成不同形状，并且大都由中心柱体以及沿柱体分布的多个肋片组成。由于清管器的中心柱体是中空且尾部是敞开的，这样驱动压力就能作用清管器内部使其有膨胀的趋势，加强清管器与管壁的密封作用。同时也可在整体清管器上安装刮削器或钢刷等清理部件，进行除蜡、除锈、除尘等操作。

类别Ⅱ清管清出物中Fe元素的含量较多，主要原因是管道开始运营后，管道内部腐蚀或者是管线内部残留的焊渣、焊条及其它金属物件产生了含铁物质。建议首先使用磁力清管器进行管道清洗，将管线内部含铁物质吸附在清管器的磁铁上清理出来；然后使用安装有强磁性磁铁的磁检测清管器，在所在管段形成强烈磁场，并通过传感器检测磁漏位置，进而确定金属损失位置；最后根据探伤结果采取相应的防腐措施。

类别Ⅲ 清管清出物中元素含量比较平均，可选型比较多。建议使用皮碗式清管器，该清管器清管效果较好，造价便宜，可以更换易损坏部件，也便于安装各种测试仪器。由于管道在初次投入清管器运行时，清管器有可能被卡在管内，因此为方便寻找被卡住的位置，可在清管器中放入一个能发射无线电波的示踪器，以便用探测器准确地找到清管器的位置。

类别Ⅳ 清管清除物中B元素含量特别高，由于B元素存在状态与SiO2基本相同，故对该物质的清除方法参照类别I。

但是导致类别Ⅳ中B元素含量特别高的原因，需要进一步研究。

参考文献：

［1］刘刚，陈雷，张国忠，高国平，卢孟銮.管道清管器技术发展现状［J］.油气储运，2011，09：646-653+633.

［2］郑莉.清管器技术展望［J］.清洗世界，2012，08：34-38.

［3］马振杰.清管与检测技术在川气东送管道中的研究与应用［D］.西南石油大学，2013.

［4］王会坤，罗京新，戚菁菁.川气东送管道干线清管实践［J］.油气储运，2015，04：408-412.

［5］陈江丽. 基于类平均聚类法的普通高等专科学校办学规模区域差异研究［J］.西昌学院学报（自然科学版），2015，03：46-48+72.

［6］张磊，李宜震，王冲，王小平.清管器应用及分类简析［J］.化学工程与装备，2013，07：173-176.

作者简介：毕春波（1982- ），中国石化天然气川气东送管道分公司，岗位是安全环保，研究方向是天然气长输管道安全环保管理。