架空管道清管通球案例分析

水洁惠

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

架空管道清管通球案例分析

水洁惠

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以上海某油库库外一根油品管道清管吹扫为案例，针对敷设于化工园区公共管廊上的管道采用清管通球时遇到的问题，具体分析了管道通球需要注意的设计要点。对清管器的适用性进行了比较，并分析了清管作业时的处理措施，从而保证了清管通球的顺利进行，为相关工作提供参考。

公共管廊；通球；清管阀；清管器

清管通球技术是对管道清洁和维护的一种方式，其作用是多方面的，增加流量、减少内部腐蚀、实现管线多物料输送、延长管道使用寿命等。对于长距离、架空管道来说，管线在清管过程中不仅受环境温度、湿度等因素的影响，同时管道的敷设路径、管架的设计亦有很大影响。本文希望能通过优化清管方案，优选清管设备，使清管通球工作即经济又安全地完成。

1 概述

上海某油库项目中，库外有一根燃料油管道（φ406×8），由油库界区输送至园区码头，全程敷设于化工园区公共管廊上，库外管道长1 900 m，管道设计压力1.6 MPa，设计温度75 ℃，管线两端设置清管阀。该管道自建成投用后一直安全运行，现计划对管道进行清管通球以实现一根管道的多油品输送，在采用“氮气顶液”方案通球吹扫时，现场发现管道产生较大位移，管托已滑出管架横梁，后因及时发现并采取措施，故未造成严重后果。图1为现场管道产生的位移。

该燃料油管道出库区后架设于公共管廊，管道途中经过8个管架翻高跨，最大翻越高度14.7 m，且管道全程设置了18套立体补偿弯。本文主要分析清管通球技术对管道设计产生的影响。

2 工程技术分析

2.1 清管通球操作所产生的冲击力影响

图1 管道的局部位移Fig.1 Pipeline displacement

管线清管通球技术采用的是活塞在气缸内运动的原理。清管阀发射清管器后，清管器在管道内紧贴管内壁，形成一个密封的、具有一定硬度的球形活塞。当清管器后的气体压力大于清管器前的液体压力时，清管器在压差作用下克服与管壁之间的摩擦阻力和管内液体阻力后，才能向前运动。

本案例中，燃料油管线在清管时以氮气作为气源，采用“氮气+清管器顶液”的工艺方案。

图2所示为“气顶液”清管通球设备系统，管道两侧均设置收发球装置（清管阀），发球装置发射清管器后，用气体推送清管器向前顶管内液体，最终至管道另一侧收球装置接收到清管器为止，清管通球吹扫完成。

该燃料油管道采用“氮气顶液”吹扫方案，对管道内部流体冲击的分析如下：

一方面，清管器和流体在经过弯头时会对弯头产生作用力，清管器在通过公共管廊的翻高跨越道路及管道的π型补偿弯时，由于高程变化会产生加速或减速，当清管器速度增大时，会增加对管壁的挤压以及内部流体动量变化诱导的冲击力，这种内部冲击力的积聚会对管道位移产生一定作用。由于燃料油管道翻越高差较大且设置了多个补偿器，管道内气体存在压缩性，压力的传递性较差，尤其在管道转弯处会伴有一定冲击力影响通球。

图2 清管通球设备布置 [1]Fig.2 Pigging equipment layout

另一方面，清管过程中随着操作压强和流量的增大，清管器经过弯头时氮气可能会渗透至清管器的运行前方，导致管内存在气、液两相流，不仅影响后续清管工作效果，同时还会对管道产生水锤冲击伤害，这种冲击力对管系稳定存在一定影响。

对于抑制管内形成多相流的问题可以采用在管道弯头处添加放空阀的方法解决。在管道翻高或π型补偿器的立管顶部设置放空阀，缓解管道内部压力，避免气体在管道内部持续加压，加剧管内流体的紊乱。

2.2 清管器的选用

清管器的种类较多，有皮碗、清管球、泡沫清管器、全聚氨酯组合型清管器等。案例中燃料油管道清管器选用了三层皮碗，本文就三层皮碗和清管球两种型式清管器，分析其与管道的适用性。

2.2.1 三层皮碗式清管器对清管的影响

相比其他型式清管器，皮碗式清管器的清洁效果更好，推出管道积液的同时，推出固体杂质效果远比清管球好。但在施工现场的应用中，发现皮碗式清管器的皮碗磨损很大，而且若皮碗的长度选用不合适，在曲率半径小的弯头处容易发生卡堵。在清管过程中，皮碗的磨损与其摩擦力直接相关。清管器运行速度快则产生更多摩擦热量，使皮碗温度迅速升高，皮碗材质变软，加剧了皮碗磨损量。三层皮碗的结构形式见图3。[2]

图3 三层皮碗结构示意Fig.3 Leather cap type pig

本案例燃料油管道采用了三层皮碗清管，皮碗在水平管段运行过程中，整体压力分布较均匀。当清管器通过1.5 DN弯头瞬间，氮气由清管器与管道之间的缝隙快速进入液相区，清管器与1.5 DN弯头适应性存在一定的问题，即漏气现象。

如图4、图5所示，当皮碗通过2.5 DN弯头，清管器与水平方向呈45°时，清管器密封性相比1.5 DN弯头更佳。因此，对于本案例燃料油管道设计的1.5 DN弯头，三层皮碗通过弯头时存在密封不严、漏气的问题。漏气后使清管器前方管道内流场复杂多变，氮气与液体的交变会引起清管体系不稳定。

图4 皮碗转弯示意（1.5 DN）Fig.4 Leather cap through the 1.5 DN elbow

图5 皮碗转弯示意（2.5 DN弯头）Fig.5 Leather cap through the 2.5 DN elbow

2.2.2 清管球对清管的影响

清管球应用于油品管道的清管作业已有多年。清管球外层材料为耐磨耐油的氯丁橡胶。清管球通过弯头的性能较好，其通过能力强，易于控制，制造和使用都比较方便。当管道公称直径小于等于DN 100时采用实心球；大于DN 100时采用内腔注液的空心球。相关文献表明，清管球的运行速度控制在3 ～ 5 km / h效果最佳。[3]图6为清管球通过DN400管道弯头（1.5 DN）时的示意，相对三层皮碗结构，清管球与弯头的密封效果更佳。

图6 清管球通过1.5 DN弯头示意Fig.6 Pig through the 1.5 DN elbow

本案例中已建的DN 400燃料油管道，采用1.5 DN弯头，相比使用皮碗式清管器，清管球对弯头的适用性更佳。[4]通过清管球过盈量公式计算，保证球与管内壁达到紧密密封。DN 400管道的清管球有常用规格可供选择，也可通过计算检验清管球外径的适用性。一般清管球过盈量控制在2 % ～ 4 %较为合理。清管球过盈量计算公式见式（1）。

δ=（球径-管内径）/管内径×100% （1）

根据式（1），DN 400管道（φ406.4×8）可以采用直径408 mm的清管球，此时清管球的过盈量为2.4 %，较为合适。

3 管道的设计

3.1 弯头曲率半径对清管器的影响

案例中燃料油管道全线采用了1.5 DN弯头。在清管过程中，皮碗式清管器通过1.5 DN弯头的效果不佳，在弯头处清管器通过速度慢，管道内部氮气压力积聚，容易形成气、液两相流，造成管内流体不稳定。皮碗式清管器与2.5 DN弯头的适用性更佳。

但该管道敷设距离长、弯头设置多，如将已建成1.5 DN弯头改为2.5 DN弯头，其费用投入和工程量都较大，从经济效益角度出发并不合适。

3.2 管道热膨胀对清管系统的影响

案例中燃料油管道设计温度为75 ℃，全程设置了18套立型补偿结构及8处翻高自然补偿，管线设计足够缓解热膨胀位移，因此管道的热膨胀对清管过程没有产生影响。

3.3 防止管道支架脱落

由图1可见，现场燃料油管道采用的是卡箍型滑动管托。卡箍型滑动管托一般是管托底部与管架之间的摩擦面，对于位移量较大的位置，如管道翻高、管道补偿弯前后管段，可以考虑将管托底板与管架焊接、卡箍与管道预留3 mm滑动间隙，以改变滑动接触面的方式，这种管托安装方式可以防止因位移过大引起管托滑出管架的事故发生。

如图7所示，管托底部与管架焊接，管托与管架是相对固定的，当管道产生位移时，卡箍与管道留有3 mm间隙，给予管道位移的充分空间，同时满足管托此处为活动点的应力要求。该情况下，可以避免管托脱落的安全事故发生。

4 结论

本文以上海某油库项目库区外燃料油管道采用“氮气+清管阀顶液”通球改造为案例，从现场的清管工艺、清管器的选用进行具体分析，提出了清管优化方案，确保管道顺利通球。同时对防止管道发生滑落给出了优化方案，分析结论如下。

（1）管道保留原“氮气+清管器顶液”通球方案，在管道翻高管段设置放空阀，缓解清管器通过弯头引起的气液两相流冲击。

图7 管托示意Fig.7 Pipe support drawing

（2）根据本文分析，相较于原方案的三层皮碗式清管器，清管球与1.5 DN弯头的适用性更佳。改三层皮碗式清管器为清管球，能有效减小管道转弯处管内壁的冲击力。

（3）该管系设计时已通过应力计算，且运行中管道位移量在设计允许范围，故管道热膨胀位移并不是本次管道清扫过程产生位移的重要因素。

（4）在管道顺利通球后，本文也建议对于局部管段，可优化活动管托的型式，对于解决管廊上管道位移大的问题具有一定可行性。

[1]于晓民 .浅谈长输管道试压与清通技术[J].管道与通风空调安装技术，2005（7）：30.

[2]戴斌，陶志钧.皮碗式清管器的磨损和长度特性研究[J].上海煤气，2008（2）：6.

[3]张连翠.石油与天然气管道清管器及其应用[J].胜利油田职工大学学报，2009（6）：70.

[4]陈欣，余国核，王茜.清管器的设计与选用[J].清洗世界，2011（3）：20-21.

Case Analysis of Using Pigging in Cleansing Elevated Pipeline

Shui Jiehui

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

Exampled with one pipeline which was cleansed and located at outer one oil depot, and with respect to the problem in using pigging in cleansing process, the key points were analyzed and the applicability of using pigging was compared. The measure for treating the problems in pigging process was analyzed, which may ensure the process smoothly performed.

public utility tunnel; pigging; pigging valve; pipe cleaner

TQ 055.8+1 文献标识码：A 文章编号：2095-817X（2017）05-0017-004

2017-07-17

水洁惠（1983—），女，工程师，主要从事储运及外管的管道设计工作。