国内外油气管道清管技术现状

代晓东，刘江波，党 丽，石玉辉

1.中国石油大学胜利学院，山东东营 257061

2.中国石油工程建设公司，北京 100120

3.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆鄯善 838202

4.中国石油华北油田公司第四采油厂，河北廊坊 065001

国内外油气管道清管技术现状

代晓东1，刘江波2，党 丽3，石玉辉4

1.中国石油大学胜利学院，山东东营 257061

2.中国石油工程建设公司，北京 100120

3.中国石油吐哈油田分公司工程技术研究院，新疆鄯善 838202

4.中国石油华北油田公司第四采油厂，河北廊坊 065001

清管是新建管道投产和管道运行中的重要工作。国内管道清管存在清管效果不理想，未制订专门、统一的标准规范等问题。分别从清管器类型、清管器选型原则、清管质量控制、清管周期、清管器速度控制和预测、清管器跟踪定位、清管器卡阻以及清管作业安全区域等方面，阐述了国内外管道清管技术新进展，特别指出应用凝胶-机械式清管器，研发适用于长距离站间距的高可靠性清管器，基于旁通阀调速机理的清管器实施控制技术等。还介绍了俄罗斯管道清管标准的先进性，包括新建管道清管质量控制措施，在役原油管道基于输送能力下降到一定程度时的紧急清管方法，聘用专业化清管器跟踪定位服务商，以及划定清管作业安全区域等。借鉴国外清管技术的先进性，对于提高我国管道清管技术水平以及制订清管标准规范具有重要意义。

管道；清管技术；清管器；选型；调速；监测；卡堵

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。目前国内清管存在效果不够理想的问题，特别是对于大落差管道，清管器跟踪预测精度低且清管器卡阻时有发生[1]。另外，国内未制订统一的清管标准规范，行业标准SY/T 5922-2012《天然气管道运行规范》和SY/T 5536-2004《原油管道运行规程》侧重于制订清管方案、清管器发送/接收操作程序和清管安全措施，对管道清管技术要求阐述得较少，不能完全指导管道清管作业。

本文介绍了国内外管道清管技术进展和发展趋势，以及俄罗斯管道清管标准的先进经验和推荐做法。借鉴国外先进的清管技术，对于提高我国管道清管技术水平以及制订清管标准规范具有重要意义。

1 清管器类型

国内外管道广泛应用的清管器有清管球、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）、凝胶清管器，以及用于减少顺序输送混油的隔离型清管器。

1.1 清管球

清管球由橡胶制成，中空，壁厚为管径的10%，通过清管球上注水排气孔的单向阀控制注水量，进而控制清管球过盈量。清管球主要用于清除管内积液或分隔介质，清除块状物能力较差。

1.2 聚氨酯泡沫清管器

聚氨酯泡沫清管器具有较高的弹性、韧性和耐磨性，过盈量为管径的5%～10%，变形量大于50%。通过能力强，即使发生卡堵也能依靠其高变形性克服，或提高压力使其破裂自行解堵。泡沫清管器适用于清扫内壁带涂层的管道；缺点是一次性使用，运行距离短，清除杂物能力一般。

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，可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，运行距离一般可达800～1 000 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。国内管道常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。

1.3.1 碟型皮碗清管器

碟型皮碗过盈量一般为管径的3%～5%，通过能力优于双向直板清管器，碟型皮碗清管器主要用于清除管道内积液、粉尘等污物。

1.3.2 双向直板清管器

双向直板清管器清除能力优于碟型皮碗清管器，特别是能有效清除管道内悬浮污物；可以双向运动，在管道投产或长期运行不清管情况下，如发生堵塞可反吹解堵。相比碟型皮碗清管器，其磨损更快、运行距离较短，短距离管段内有较好清管效率。

1.4 测径清管器

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。测径清管器测量管道椭圆度、凹凸不平度和焊缝焊透性，可提供管道状况原始基础数据。

1.5 智能清管器

智能清管器包括漏磁检测MFL、超声导波UT、电磁检测EMAT等类型，长度是普通清管器的4～5倍，可采集管道信息包括：

管道几何变形测量，包括管道凹痕、起皱、椭圆度、弯曲半径等；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。

1.6 凝胶清管器

凝胶清管器在俄罗斯和北美管道公司有应用[2-3]，可用于管道沉积物清除、顺序输送两种油品隔离、管道投产油（气）水隔离等，优点是适用于各种直径管道，在较长运行距离内具有良好密封性和弹性变形，可携带大量碎屑而不堵塞管道。

关于凝胶清管器技术参数文献较少涉及，俄罗斯标准PД153-39.4p-118-2002《现役干线石油管道线路压力试验规程》推荐使用凝胶（溶剂）-机械隔离式清管器，溶剂是汽油和二乙烯乙醇混合液，凝胶塞长度取决于清管管段长度和管内径，在该标准附录H中有计算方法。该标准还规定了凝胶制作工艺和注入管道方法等。

2 清管器选型原则

清管器选型是一个多目标（安全、有效、经济）、多因素（清管目标、管道系统特性、介质属性、清管器性能）的决策问题，主要由清管器的机械强度、耐磨性、吸附性与管道中输送介质的反应性以及通过能力等决定。随着油气管道向大口径、高压力方向发展，需要耐高压、耐磨损、稳定运行、自解堵、适合于不同管径、功能多样化的清管器[4]。特别是适应长距离站间距清管要求，俄罗斯标准 PД-16.01-74.20.00-KTH-058-1-2005《东西伯利亚-太平洋干线输油管道设计与施工专用标准》规定干线输油管道的清管站距离不超过280 km。以中亚天然气管道为例，管道全长1 833 km，管径1 067 mm，设计压力9.81 MPa，设计输量300亿m3/a，清管站间距分别为201 km和250 km。

3 清管质量控制

国内管道清管存在的主要问题是清管效果不够理想，特别是对于大落差管道。针对清管质量控制，国内标准比较简略，例如GB 50251-2003《输气管道工程设计规范》规定新建管道压力试验前应至少进行2次清管；GB 50369-2006《油气长输管道工程施工及验收规范》规定，管道清管作业以管道末端不排出杂质为验收合格。

俄罗斯标准在新建管道清管质量控制方面具有相应标准，如俄罗斯标准OP-16.01-60.30.00-KTH -2004《石油管道建筑安装工程竣工后清管以及强度、密封性试验》规定：新建管道清管在管道发送第一个清管器前，应向管道内充入0.1%～0.15%管段体积的水，以便湿润和冲刷污染物，必须通过过滤器进行注水，防止泥沙、异物进入管道；要求管道分段清管，管段长度不应超过40 km；清管器到达收球筒无损坏，且推出的液流中不含泥土、沙子等杂质，才视为清管质量合格。

4 管道清管周期

4.1 原油管道

行业标准SY/T 5536-2004《原油管道运行规程》规定管道输送效率低于95%时进行清管。输送效率是管道实际输量与计算输量的比值，根据输送效率决定是否进行清管具有一定局限性。国内原油管道由于油源调整、炼厂选址等原因，存在低输量运行的情形，例如任京输油管道由于华北炼厂和燕山石化产量调整，最低输量接近200万t/a，远远低于1 000万t/a设计输量。黄启玉等[4]综合比选了国外 Burger、Weingarten、Housa等结蜡模型的优缺点，提出了含蜡原油管道普适性结蜡预测模型，指出由于结蜡层保温作用，管道存在最优结蜡厚度和经济清管周期。建议高含蜡原油管道应综合考虑管道结蜡状况、管道能耗状况以及管道低输量安全性等因素，确定经济清管周期。

此外俄罗斯标准PД 153-39.4-056-2000《干线输油管道运行技术规程》中规定应根据油品物性参数和管道运行状况确定清管周期，每3个月清管作业不少于1次。如3个月内管道输送能力下降3%及以上时，应进行紧急清管。该标准适用于输送轻质原油的管道系统，原油黏度小，由于管道结蜡原因导致管径变化和压力变化的影响比较灵敏。建议轻质油品管道宜根据管道运行特性制订周期性清管计划和特殊工况条件下的紧急清管方法。

4.2 天然气管道

行业标准SY/T 5922-2012《天然气管道运行规范》规定天然气管道应根据气质组成、管道输送效率和输送压差确定合理的清管周期，管道输送效率小于95%时宜进行清管。管道输送效率是实际输气量与设计输气量的比值，国内输气管道由于前期规划、气田产量限制、下游用户分输等原因，很多管道实际输量低于管道设计输量，因此以输气效率作为清管周期的依据实际难以执行。根据对美国Alliance管道、Rockies Express管道、 Alaska NG管道、Texas Eastern Transmission Corp管道以及俄罗斯西伯利亚的输气管道系统的调研结果，国外天然气管道无固定的清管周期，且清管周期均较长，一般为3～5年，最短清管周期也在1年左右，原因是油田上游企业和下游管道运行商签订严格的气质准入条件，由于管道气质原因造成管道冰堵堵塞的情形较少。针对在役运行的天然气管道，考虑经济性因素，不建议进行周期性清管，天然气管道应根据气体质量监测结果，确定合理经济的清管周期，并考虑气质条件出现冰堵的可能性[6]。

5 清管器速度控制和预测

我国近年来建设运营了西气东输、陕京线、川气东送等大型天然气管道工程，这类管道具有大管径（1 016～1 219 mm）、高压力（10～12 MPa）和高流速（10～20 m/s）特点，清管存在清管器速度过快且不稳定的问题，例如西气东输管道清管器速度可达10 m/s，甚至接近20 m/s[7]。清管器速度过快产生的问题有[8]：

（1）清管效果差。清管器上下游发生窜漏气，不能完全清除积液。

（2）高速清管器携带机械杂质的摩擦作用，可能破坏管道内壁环氧树脂涂层。

（3）清管器高速运行对弯头、通球指示器和收球筒产生巨大冲击，存在安全隐患。

（4）清管器速度过高造成清管器机械损伤，螺栓松动、皮碗或直板脱落，甚至骨架断裂。

5.1 国内清管器速度控制技术现状

根据清管器工作原理，常规方法是控制清管器前后压差，例如机械清管器皮碗或钢刷上开泄流孔，调节清管器压差和泄流量，进而调节清管器运行速度。但该方法对清管器速度控制作用有限。耿岱等[9]提出了速度可控清管器设计方案，由普通清管器、电子仓、信息轮、电机仓、直流伺服电机、转阀、旁通壳体电机仓等组成，但未进行工业管道现场试验验证效果。国内长输天然气管道清管器的速度控制，主要通过调整输气量控制管道流速，工艺措施包括控制上游来气压力、协调下游接气量、用户供气方式调整等，该方法存在调速滞后、误差大等缺点。

5.2 国外清管器速度控制技术现状

国外管道行业研制了可控制清管器速度的旁通阀调速装置，并成功进行了工业管道试验。韩国Nguyen建立了含旁通孔清管器的运动学方程，研究了旁通孔流速与清管器运行速度的关系，在KOGAS输气管道进行工业试验，验证了含旁通孔清管器的速度预测方法的可靠性[10]；伊朗Hosseinalipour同样基于含旁通孔清管器的运动学方程，在操作压力下对清管器速度数值模拟结果和实测数据进行了对比分析[11]；俄罗斯Podgobunskikh研究了旁通阀调速机理，研制了基于旁通阀的调速管道内检测器[12]；此外，英国BJ、德国Rosen、美国GE-PII公司和Tuboscope公司已研制调速清管器成熟产品，并成立了区域性管道工业协会-管道技术与服务协会（PPSA，Pigging Products and Service Association），致力于提供高效、可靠、规范的管道可调速清管作业和管道内检测服务[13]。

5.3 清管器在收球筒内速度控制技术现状

为避免高速清管器对收球筒设施的撞击，应严格控制清管器进入收球筒前的运行速度。传统“一次收球”方法是在清管器距收球场站约1 km时，关闭进站阀，减缓清管器进筒速度；缺点是管道振动大、存在气流颤动，而且要准备废弃轮胎作为缓冲物。国外在管道设计阶段考虑了管道末端清管器运行速度控制问题，一般在管道进站阀后安装一个旋塞阀，通过控制旋塞阀开度控制清管器运行速度。近年来国内西气东输管道应用了“二次收球”方法[14]，即在发清管器前，收球站场导通收球流程，但不关闭进站阀，待清管器通过进站三通，释放前后背压而减速（此为一次收球）；再缓慢关闭进站阀并调节其开度，在清管器两侧建立一定压差，缓慢推动清管器进入收球筒。此“二次收球”方法在一定程度上改善了接收清管器的安全性，但对于新建管道可能造成管道清管杂质进入站内管道的问题。

6 清管器跟踪定位

目前国内缺乏适用于长输天然气管道清管过程模拟的成熟软件技术[15]，天然气管道清管过程中对清管器跟踪定位，主要依靠定点监测和人员经验判断，可能导致丢球或者收球工艺流程切换不及时，甚至导致污物进入站内管道的事故[16]。

国内清管器跟踪定点监测的做法是，在清管管段全部阀室设置监测点，此外至少设置2个监测坑，原则是第一个设置在发球站场出站500～1 000 m处，第二个设置在收球站场进站前1 000～2 000 m处；在隧道、穿越点设置临时监测坑[16]。

俄罗斯标准OP-16.01-60.30.00-KTH-2004规定清管器跟踪由配备低频声学定位仪的专业承包商负责，所需专业承包商的数量与管段长度相关（2 km以内，1支专业承包商队伍；2～12 km，2支；12～24 km，3支；24～40 km，4支）。接收清管器发送信号的监测点设置在管道轴线上方，间距不超过1 km；此外以下位置也应设置监测点：线路截断阀，干线管道与不小于70%干线管道直径的支线管道的节点，与水平方向夹角45°的干线管道弯管处。俄罗斯标准重视清管器跟踪，由专业承包商负责，监测点设置位置、间距等要求相对国内标准更为严格细致，还要求在管道支线节点、弯管处设置监测点，具有借鉴意义。

7 清管器卡堵

清管器卡堵是管道清管作业最大的风险。国外管道预防清管器卡堵的主要应对方法是研制自解堵型清管器，由剪切装置、大功率电源及动力装置组成。清管器运行过程中可识别清管器前方蜡沉积物的数量和结构强度，超过设定的临界值时，剪切装置感应启动，破坏蜡晶结构，避免蜡沉积物不断堆积而导致清管器卡堵。国内管道工程实践表明，导致清管器卡堵的主要因素是管道变形、弯头半径小于清管器允许通过的最小半径、管道内水和污物过多、三通设计不合理等[17]，具体包括：

（1）管道建设期施工遗留物。

（2）地震、土体移动、重载车辆、第三方施工、违章占压等造成管道变形。

（3）阀门选型不是全通径阀门。

（4）截断阀未处于全开位置。

（5）三通处卡球。国内清管实践表明，如支线管道直径大于1/2干线管道直径的三通，或采用等径三通，没有防护挡条或挡条设计不当，容易造成卡球故障。管道三通设计应选择合适挡条，见表1。

表1 三通设计挡条选择

（6）弯头处卡球。清管器在进出站管道出、入地弯头处易发生卡堵或者通过困难的问题。弯头曲率半径设计标准如下：曲率半径为1.5D的弯头只能用于使用清管球的管道；管径小于304.8 mm的管道应选用曲率半径为5D的弯头；管径大于304.8 mm的管道应选用曲率半径为3D的弯头。

（7）连续发送清管器或发送清管器/清管球组合容易造成清管器堵塞。应尽量延长两个清管器的间隔时间，以30～50 min为宜。

8 清管作业安全区域

国内研究者针对天然气管道清管过程中的风险，包括清管器卡堵和串气、盲板操作风险、阀门泄漏、硫化物自燃、天然气爆炸和环境污染等，提出了应对措施[18]。针对清管作业安全措施，国内标准较简略，例如GB 50369-2006《油气长输管道工程施工及验收规范》规定管道清管施工前，应编制施工方案，制订安全措施，并充分考虑施工人员及附近公众与设施安全，配备必要的医疗救护设备。

俄罗斯标准OP-16.01-60.30.00-KTH-2004规定应考虑高速运行的清管器及附件设施的危险性，以及清管器附件从管道中飞出的可能性，其覆盖范围是清管器沿运行方向60°夹角覆盖范围，原油和天然气管道清管作业危险区域为从管道轴线至两侧25 m范围；俄罗斯标准СП111-34-1996《天然气管道清管和试压》规定天然气管道清管作业时，所有人员、车辆、机械和设备应位于保护区范围之外，管径1 420 mm埋地天然气管道清管作业保护区为管道轴线至两侧25 m范围。

9 结束语

针对国内管道清管作业存在的问题，以及尚未制订统一、规范的清管标准，调研并分析了国外管道清管技术新进展，以及俄罗斯管道清管标准的先进性，包括以下几个方面：

（1）国外清管器的发展趋势是清管技术应用于管道全生命周期各个阶段，涵盖新建管道、运行管道和管道报废等，清管器功能除用于管道内介质隔离、清扫、干燥以外，还用于管道腐蚀、变形、裂纹缺陷的监测和评价等特殊用途。

（2）国外管道清管技术新进展包括应用新型凝胶-机械式清管器增强清管效率和效果；研发适用于长距离站间距的大功率、高可靠性清管器，可保证通过站间距达280 km的管段；基于旁通阀调速机理，可实现清管器实施运行速度的控制和准确预测等。

（3）俄罗斯管道清管技术标准的先进性表现在对新建管道严格控制清管次数、水和泥沙含量等质量措施，对在役原油管道既有定期计划性清管作业，也制订了输送能力下降到一定程度时的紧急清管方法；聘请专业化的清管器跟踪定位服务商，在阀室、分输/注入管道、穿跨越处设置监测位置，以及划定禁止人员进入的清管作业安全区域等。

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An overview on current status ofoiland gas pipeline pigging technology at home and abroad

DAIXiaodong1，LIU Jiangbo2，DANG Li3，SHIYuhui4

1.Shengli College，China University of Petroleum，Dongying 257061，China
2.China Petroleum Engineering&Construction Corp.，Beijing 100120，China
3.Engineering and Technologica lResearch Institute of Petro China Tuha Oilfield，Shanshan 838202，China
4.Forth OilExploitation Factory of Petro China Huabei Oilfield Company，Langfang 065000，China

Pipeline pigging is the important work for new pipeline construction and in-service pipeline operation.The main problems of domestic pipeline pigging are insufficient pigging effect and lack of specific pipeline pigging standard and code. The paper expounds the new technology of pipeline pigging at home and abroad from the aspects of pig types and selection principle，pipeline pigging quality control，pigging period，pig velocity control and forecast，pig tracing and locating，pig blocking and safe zone of pigging operation.The stressed techniques include application of gel-mechanical isolation pig，development of highly reliable pig used for long distance between stations and development of pig control technique based on bypass valve speed adjusting mechanism.In addition，the advanced Russian pipeline pigging standards are introduced with respect to the pigging quality controlmeasures for new pipeline，emergency pigging as pipeline transportation capacity decreasing to a certain extent，professional pig monitoring service provider，and designating safe zone of pipeline pigging operation.It is important to improve Chinese pipeline pigging leveland develop Chinese pipeline pigging standards by means of foreign pipeline pigging technology.

pipeline；pigging technology；pig；type selection；velocity adjustment；monitoring；blocking

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.001

代晓东（1980-），男，辽宁瓦房店人，副教授，2009毕业于中国石油大学（华东）化学工程与技术专业，博士，主要从事储运和炼油方面的研究工作。Email：xiaodongdai1980@163.com

2016-09-21；

2016-11-01