浅谈工程管道清管目的

吴昊 陈秋华 李清平 姚海元 刘永飞 朱军龙

摘 要：随着管道运输行业的快速发展，清管操作逐渐成为不可替代的规程。本文依次从管道建设阶段、验收测试阶段和运行阶段，介绍了清管器的工程应用情况，先后涉及清管器在管道清扫、测径、试压、除水干燥以及清理、隔离等方面的重要应用，试图探究管道全生命周期内清管器所发挥的巨大作用，对全面深刻地理解清管器的应用具有重要意义。

关键词：清管器;工程管道;清管目的;管道清理

中图分类号：TE32 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0098-04

管道运输的发展与能源工业，特别是油气工业的发展密切相关。1865年美国宾夕法尼亚州建成了第一条原油管道，而现代管道运输始于19世纪中叶[1]。相比于公路、铁路和水运，管道运输具有一次性投资少、运输成本低、安全性高、利于环保等突出优势，尤其适合长距离运输易燃、易爆的石油天然气，故而近年来，随世界经济的稳定增长以及世界各国对能源的需求的快速发展，全球油气管道的建设迅速发展，建设规模和建设水平都有很大程度的提高。截止2003年底，全世界油气管道干线长度已超过2.3×106km[2]。

随着管道工业的不断发展，管道应用中的各种问题不断显现出来，最主要是管道的腐蚀与堵塞。长期输送油、气等流体的管道由于管内固体杂质、蜡沉积、凝析液等影响会发生堵塞，减小有效的输送面积导致输送效率降低，这就需要对管道进行清理和疏通。清管器清洗技术是国际上近几十年来崛起的一项新兴管道清洗技术，以其相比于其他清洗技术的突出优势，目前已被世界发达国家广泛用于各种管道的清洗、维护及保养。本文依次介绍了管道建设阶段、验收测试阶段及运行阶段的清管器工程应用情况，试图探究管道全生命周期内清管器所发挥的巨大作用。

1 管道建设阶段

在管道建设阶段，施工人员通常对新建管线采取“建成一段，清扫一段”的清管策略，而非在管线完全建成之后对全线进行清扫操作，因此，清管操作会在此阶段频繁地进行。其主要目的是为了清扫施工阶段遗留在管道内的沙土、石块、焊条、破布，甚至是饭盒、野生动物尸体等残留物。

管线清扫所选用的清管器取决于很多因素，如：新建管道的内径、长度、地势走向、是否多沙以及是否含较多石块等等。然而，为了应对管道内复杂未知的情况，除非管内涂敷了内涂层，管道施工队员清扫管线时往往会在清管器上安装钢刷等清理设备，常采用的清管器有直板皮碗清管器[3]、空心清管器[4]等。为了尽可能清扫干净管道内部杂质，现场实际中通常会对管线进行多次清管，一般不少于两次[3-6]。

清扫过程中，清管器在管道内运行的推动介质通常使用压缩空气。清管器运行中，当其速度保持在恒定值时，清管效率最大;相反，若不对运行速度加以控制，当清管器遇到一些较小阻碍时速度会急剧降低，随着后方气体压力增大，速度又急剧升高，由此产生走走停停的“速度脉动”现象，也被称为“粘滑行为”。在管线清扫过程中，为了控制清管器速度，通常先关闭终端出口，在管道内产生一定压力，发射清管器后再将阀门打开一定开度，以此在清管器前后建立稳定压差（通常为0.1MPa～0.4MPa，与地形有关），消除速度脉动现象。另外当清管器运行到管道末端时，需要减小清管器后方压力，以免其运行速度过快发生严重碰撞，导致危险。

清扫过程中的清管器接收设备不尽相同，有些在设备厂家进行定制，也有些在现场制作，但大多数的施工人员会在现场制作临时的清管器发射和接受设备，其结构示意图如图1所示。

2 验收测试阶段

2.1 管道测径

目前，管道测径已经成为管道验收的重要手段之一，并受到管道业主的高度认可。根据管道测径清管器从新建管线收发前后的情况分析，业主可有效了解新建管道的建设状况，包括管道是否存在變形等信息[7]。管道测径清管器是用于管道测径的重要设备之一，其测径功能通过在清管器上安装测径装置实现。目前，常用的测径装置有铝制测径板和智能测径仪两种。

在早期测径工作中，用于测径工作较多的是普通铝制测径板清管器，即在普通清管器上安装铝制测径板，清管器常选用直皮碗清管器、碟皮碗清管器、直碟皮碗混合清管器以及带钢刷清管器等[7]，清管器皮碗常采用聚氨酯材质，过盈量在5%到8%之间[8];铝制测径板一般安装在活塞清管器的中部，视管线壁厚引起管道内径的变化率，测径板的直径取管线内径的90～95%，铝板厚度约10mm。清管器运行后，铝板没有变形，则管线测径合格。

安装智能测径仪的清管器也被称作“通径检测器”，其技术含量较高，涉及传感、检测、计算机、信号处理与分析等多种技术的融合[9]。它在行进过程中通过探头，测量管道沿线的内径参数，并储存在其存储介质中，如图2所示。测径完毕可输出管径沿管道轴线的变化图和数据，以此来判断管道的内径是否存在变形。

2.2 管段试压

当确认管道无变径等异常现象之后，便需要对管道的泄露和承压情况进行检测。管道试压使用的介质多为液态水，在这一过程中，清管器再一次成为必不可少的工具。完成准备工作后，将清管器放入待试压管段内，使用泵将液态水增压，推动清管器前行，排出管内气体。在此过程中，不仅要时刻控制管段的入口液体流量，还要在管段末端安装排气调节阀，这样能够确保清管器的运动在操作人员的控制之中。然而，当待试压管段出现起伏时，在下倾管路中，清管器的运动会因其重力原因而产生大于后方液体的速度，由此在清管器与液体之间产生了真空，在较大压力差下，清管器前方的气体会被吸入到后方，与液体混合，由于气体就有较高的压缩性，因此严重影响了清管器的前行，甚至有可能会使清管器后方压力超过管道承压而引发严重事故。针对此现象，一般会在较高位置安装排气阀用于排出清管器后方的气体。另外，Q/SY GJY 0117—2008《西气东输二线管道工程线路工程清管试压技术规范》中规定，分段试压管段高差不宜超过30m[10]。

通常情况下，在注水排气过程阶段，会向试压管段中同时放入两个清管器，如图3所示。第一个清管器会被加压后的液体推动运行到第一个测试管段的末端，完成第一个测试管段的注水排气与试压，然后使用压缩空气推动第二个清管器前行，将液体逐渐推动到下一管段，完成下一个测试管段的注水排气与试压;之后以此进行，直到完成整个管道的试压工作。

若试压中使用的液态水需要返回到注入点，那么两个清管器及其之间的水则需要反向推动直到起始位置，此过程需要使用双向清管器，以完成其反向运动。而在其他试压情况下（即不需要将水推回到注入点），除了泡沫清管器外，被设计用来实现除水、清扫等功能的清管器都是可以使用的，这些清管器的形状可以是球形，也可以是心轴式。泡沫清管器使用空隙材料完成，若在试压过程中使用，会使后方液态水渗漏至前方，显然是不适用的。

2.3 除水干燥

当试压阶段完成后，便需要将试压阶段存留在管道内的水清除，这需要经过多次清管操作完成，除水清管器尺寸清管器的选择需要管道的长度、内径和管线路由决定，清管器运行速度需大于1.6km/h。需要注意的是，当清管器运行到管道终端时，会有大量液体流出，终端需要对其进行相应处理。当终端接收到除水清管器后，通常再连续发送多个泡沫清管器清除管内剩余液体。然而，当运输的介质对管道附着水要求较高时，在除水之后便须对管道进行干燥处理。

管道干燥的常用方法包括干燥气体与泡沫清管器结合使用、氮气干燥以及“真空干燥法”。将干燥气体与泡沫清管器结合使用的干燥方法主要用于陆上管道。第一步是使用干燥气体（露点低于-68℃）推动低密度聚氨酯泡沫清管器在管內运行一次，泡沫清管器和干燥空气可以吸收管道内的残存液体，将水带出管道，之后重复此步骤，直到管道终端接收到干燥的泡沫清管器。对于较长的管道而言，此步操作甚至会重复进行几百次。下一步是清除从水中析出的铁锈、轧屑和沉积物等杂质，通常采用缠绕细钢丝刷的泡沫清管器完成，同样进行重复操作直到钢丝网中不再有杂质为止。

3 管道运行阶段

3.1 成品油管道

3.1.1 清理作用

成品油管道需要对输送介质中沉淀下的细小杂质进行定期清理;此外，管道中所运输的成品油会分离出游离水沉在低洼处，这些游离水会减小流体流通面积，降低输送效率，甚至引起腐蚀等问题，因此也需要清除。一般来讲，能起到密封作用的清管器均可用来清除管道内的液态水，而安装有专门清理工具的清管器效果会更好一些，如鬃毛刷等。清理清管器有多种类型，可以是简单的泡沫清管器，在其外表面粘合细钢丝刷用于吸附细小杂质;也可以是为特定尺寸管道定制的清理清管器，其上安装专门的清理工具。清管器选择需要考虑的因素有：成品油性质、需要清除的杂质类型、管道长度直径以及是否有涂层等。

3.1.2 隔离作用

在同一条管道中对不同成品油同时进行输送时，通常在不同油品交界面放置清管器起隔离作用，通过清管器的密封隔离作用，可减少流体混合量，提高输送产品的纯度，减少不同产品的污染，降低输送产品的成本，提高经济效益。在工程中常用来隔离油品的清管器有泡沫清管器、球形清管器和硅树脂清管器。

在使用隔离清管器时，有以下问题需要格外关注：油品的交界面是否会经过中间泵站;控制系统能否精确地将清管器放置在不同油品的交界面处，在接收终端能否准确分割油品。有研究表明，准确恰当地使用隔离清管器能够有效减少油品掺混段长度，而若清管器位置放置不恰当，则会使掺混长度大大增加。

3.2 天然气管道

3.2.1 除杂作用

同成品油管道相似，天然气管道中也会有微尘颗粒等细小杂质，杂质的沉积会减小气体流通面积，因此需要对其进行清理。在天然气管道的除杂清理过程中，清理清管器的选择要格外注意管道内壁是否涂敷了内涂层：若管内壁含有内涂层，那么清管器上便不能装备会对内涂层产生损伤的部件，通常会使用弹性清洗设备，如聚氨酯密封盘，这种弹性清洗设备还可以使管道内壁更加光滑，进而减小气体流动阻力;若内壁无涂层，清管器上便可以安装清理刷，在清除管内杂质的同时也可以使内壁更加光滑，提高气体运输效率。

3.2.2 除液作用

从天然气井口至第一级处理厂的输气管道中有时会含有较多液体，即天然气凝析液（NGL），NGL会积聚在地势低洼处，这些液体不会堵塞管道，因为流通面积的降低导致气体流速增加，进而更多的液体会被气体携带前行，但在前行的过程中会形成湍流，导致更大的压降，降低运输效率，造成更多的能耗。特别的，有一些气井产出的NGL较多，或者当环境温度降低，随着气体的冷却，更多的气体转化为NGL，这些NGL会流进天然气管道，形成较为严重的段塞流流型，段塞流除了会对管道产生较大冲击之外，还会造成终端设备的溢流危险，对管道和生产设备都有巨大的威胁，因此输气管道中的凝析液需要清除。常用的清管器主要有清管球、泡沫清管器、聚氨酯整体清管器以及钢轴清管器等，如图4所示。

由于球体可以滚动，所以清管球收发系统很容易实现自动操作，清管球比其它清管器更易于控制，通过向清管球内充液调整清管球外径，更适合管道内径，在管道内通过能力较好;可用于具有不同内径的管道系统;在管道内运行时所需能耗小。然而当清管球经过管线分支或汇流点时，必须使用专门设计的三通，否则清管球可能不能正常通过;清管球清液效果好，但不能清除管线中所有的固体碎屑;清管球自身易破裂。

天然气管道凝析液的清除也经常应用泡沫清管器。泡沫清管器有可收缩、柔性好、对管道和阀门等设备的损伤小、管道振动小、安全系数高等优点。应用泡沫清管器的最重要原因是，泡沫清管器通过能力强、堵塞可能性低，如果发生卡堵，可通过高压挤破清管器，防止清管器的卡死而导致海底管道停产甚至是报废。泡沫清管器的不足之处在于运行距离较短，只能一次性使用。

钢轴清管器主要包括皮碗清管器和圆盘清管器，皮碗和圆盘清管器推动杂物及抗压能力强，密封性能良好，清管能力更强，并可随清管器安装信号发射机，追踪清管器位置，监测管壁厚度等。总体上来说，实际操作中较多采用钢轴清管器进行清管操作。

3.3 原油管道

3.3.1 清理作用

对于原油管道来讲，通常需要将其中的管壁沉积蜡和游离水去除。一般原油中会含有一定的游离水，由于水的密度更大，在重力作用下会从原油中分离出来而沉积在管道低洼处，这些游离水会引起严重的管道腐蚀问题，腐蚀一旦形成，腐蚀孔道内便会继续堆积游离水，而这部分的游离水无法使用清管器将其清除，因此引起更加严重的管道腐蚀，因此定期清除原油管道内的游离水是十分必要的。

至于管道内的沉积蜡处理，几乎每一种类型的清管器都可以将其清除一部分，但是每种类型清管器的除蜡效果是不同的，若清管器类型选择不对，会有很大一部分沉积蜡不能被清除，一般而言，带有高弹力刮刀的清管器清蜡效果较好。目前逐渐兴起一种射流清管器，在清管器中心开设旁通孔，允许一部分流体经过旁通孔进入清管器下游。当这种清管器应用于原油管道清蜡时，流体经过旁通孔进入下游，可以携带起被清理掉的沉积蜡流向更远的下游，减小了被清除的蜡对清管器运行的阻碍，从而降低了清管器的卡堵风险[11]。

3.3.2 隔离作用

当原油管道中运送的原油不是来自同一个油井时，需要使用清管器对不同油品进行隔离，进而减小不同油品间的掺混量，同成品油管道中的隔离作用相似，在油品交界面准确放置清管器是使用中的关键问题。

4 结语

随着管道运输行业的快速發展，清管操作逐渐成为不可替代的规程。本文依次从管道建设阶段、验收测试阶段和运行阶段，介绍了清管器的工程应用情况，先后涉及清管器在管道清扫、测径、试压、除水干燥以及清理、隔离等方面的重要应用，试图探究管道全生命周期内清管器所发挥的巨大作用，对全面深刻地理解清管器的应用具有重要意义。

参考文献

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