天然气管道旁通清管研究进展*

敬加强 陈 勇 孙 杰 王 轲 王秋月 张少冬 蒋灿灿

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院 2.油气消防四川省重点实验室)

0 引 言

随着“碳中和”目标的提出，属于低碳清洁化石能源的天然气将是保障能源安全的必然选择，在能源转型中起到桥梁和支撑作用，在工业发展中备受青睐[1-2]。然而，天然气在输送过程中由于地形起伏、环境温度变化管道中易产生积液，积液聚集在管道低洼处，并与气体反应生成腐蚀性物质，进而破坏管道及设备。此外，在节流阀、管道弯头以及管壁粗糙位置处易形成水合物，堵塞管道。目前，基于合理清管速度，定期清管是保障管道流动安全的重要举措，清管速度过低不能满足生产要求，清管速度过高会导致管道应力集中、终端接收装置无法正常工作等问题。

常规清管作业通过改变管道入口流量，或调节管道上、下游压力控制清管速度，通常结合平板清管器和皮碗清管器完成清管作业，清管器运行速度取决于流体速度，存在速度过快和不易控制等缺点[3-4]。旁通清管器是钢骨架上开设旁通孔的一类清管器，通过改变旁通面积调节清管器两端压差控制清管速度。具体如下：一方面，部分流体流经旁通孔为清管器提供驱动力，减小清管速度，延长清管器前端液相分布长度，降低单位时间内进入管道终端设备的段塞量[5-7]；另一方面，流体在旁通孔射流作用下呈“平滑”浪涌液面，固体碎屑以浆体形式向前输送，减小或避免生产延迟[8-9]。为推进国内旁通清管技术发展，研究者多通过研制样机，结合理论分析、模拟仿真和试验研究，探究旁通清管器运动特性。围绕旁通清管器结构、旁通清管模型和旁通清管试验以及工程应用4个方面，本文阐述了天然气管道旁通清管最新研究动态，在此基础上指出现有研究不足以及未来发展方向。

1 旁通清管器结构

基于旁通清管器自身结构，通过调节其两端压差来控制清管速度。根据结构复杂程度，旁通清管器可分为简单旁通式[10-14]、旁通孔开度控制式[15-16]和速度控制式[17-19]3类。

1.1 简单旁通式清管器

简单旁通式清管器由渐缩式旁通喷头、导向皮碗、钢骨架和主轴压板等组成，通过更换渐缩式旁通喷头调节清管速度，如图1所示。该清管器具有结构简单、零件不易散落和安全性高等优点；但速度稳定性差，在焊道或障碍物处易发生卡堵停滞。该清管器适用于管输工况良好、不存在卡堵风险的水平或起伏平缓输气管道。

1—渐缩式旁通喷头；2—导向皮碗；3—隔离皮碗；4—密封皮碗；5—钢骨架；6—主轴压板。图1 简单旁通式清管器Fig.1 Simple bypass pig

1.2 旁通孔开度控制式清管器

在弹簧和控制阀配合作用下，可通过调节旁通孔大小控制旁通孔开度控制式清管器(见图2)运行速度。

1—锥形筒；2—孔板；3—紧固螺栓；4—导流盘；5—皮碗；6—法兰肋板；7—中心钢轴；8—控制弹簧；9—控制阀；10—支撑板；11—固定法兰；12—隔离法兰；13—压板法兰。图2 旁通孔开度控制式清管器Fig.2 Bypass port opening control pig

清管器途经障碍物时，速度减小，背压增大，弹簧被压缩，控制阀与锥形筒接触面积增大，旁通孔减小，后端气体高速冲散障碍物，降低卡堵停滞风险。清管器卡堵时，背压持续增大，控制阀从逐渐关闭过渡到完全关闭，弹簧被完全压缩；在气体驱动下清管器后端压力不断增大，直至克服前端障碍物阻力，控制阀打开，弹簧被弹开，从而实现憋压解堵。随后清管器两端压差不断减小，直到压差变为0，此时弹簧恢复初始状态，清管器速度恢复正常。该清管器虽能避免卡堵停滞，但其速度不稳定，易产生清管效率低、撞击管道设备等问题，严重时甚至引发安全事故。

1.3 速度控制式清管器

速度控制式清管器可根据管内条件、地形起伏和弯头曲率变化等实时调节其运行速度，避免速度骤变，保障输气管道安全，高效完成清管作业[20]。该清管器的技术关键是调速装置和旁通阀设计，常见旁通阀有往复式阀、锥形阀和转阀[18]。调速装置主要包括伺服电机控制装置[19]和液压控制装置[21]，其典型结构如图3所示。

图3 速度控制式清管器与控制阀典型结构Fig.3 Typical structure of speed control pig and control valve

2 旁通清管模型及参数

2.1 旁通清管模型

目前，旁通清管模型建立主要依据2种不同的研究对象，其对应的2种研究方法如下：第一种以旁通清管器为研究对象，利用牛顿第二定律和实测的摩擦力、制动力、磨损系数和线性阻尼系数，建立旁通清管模型[22-25]，此方法忽略了旁通清管器结构对流体动量变化的影响；第二种以旁通清管器和外部流体介质为研究对象，耦合旁通清管器运动方程和流体运动方程，建立考虑旁通清管器两端压差、外部流体动量变化和摩擦力的旁通清管模型[12-13，17]。这2种方法均忽略了旁通清管器长度，且将清管器视为质点的一维管流模型。

基于上述原因，有学者提出了考虑旁通清管器长度、实际管流状态的旁通清管模型，比如根据定量反馈理论建立的二维管道旁通清管模型[26-27]，考虑流场对旁通清管器轨迹影响的二维和三维输气管道旁通清管模型[28-29]，以及将旁通清管器视为不同清管单元组合的二维链体再叠加不同清管单元运动方程的旁通清管模型[30]。以上旁通清管模型中摩擦力、制动力和磨损系数等变量多凭现场经验确定，简化管流条件和流体介质等参数，将摩擦力视为常数。为提高旁通清管模型可靠性，应根据质量方程、动量方程、能量守恒方程和体积流量守恒方程等4个基本流体动力学方程，建立耦合常规清管模型和压降方程的旁通清管模型，数值求解旁通清管器位置、速度以及两端压力等参数，结合室内和现场试验验证其准确性。

以速度控制式清管器为例，假设管道内部条件理想，不存在积液、杂质等障碍物，探究清管器运动特性。旁通清管过程中，清管器上游气体为清管作业提供驱动力，摩擦力为阻力。清管器受力见图4。其运动方程和体积流量守恒方程为：

图4 旁通清管器受力图Fig.4 Force diagram of bypass pig

(1)

vmixA=vpigA+vbpAbp

(2)

假设m、A、ρ、dh、D为常数，忽略外部流体动量变化，加速度为0时，旁通清管器运行速度v为[7，14，31]：

(3)

2.2 速度控制的关键参数

根据式(3)可知，流体速度一定时，旁通清管器运行速度取决于旁通率、压降系数和摩擦力，其中旁通率为旁通孔与管道的横截面积之比。

旁通率表征驱动力大小，若设计不合理，清管器易发生卡堵。工程上多采用OLGA多相流软件的清管仿真模型，结合清管速度、压力波动和积液量等参数变化规律，比选旁通率[8-9，32-33]。清管器运行速度随旁通率增大而减小，受垫片磨损、污垢和铁锈等影响，清管速度随旁通率呈非线性下降[10，17，20]。

压降系数是结构参数，与旁通清管器结构有关，反映了旁通孔对清管器两端压降的贡献程度。旁通孔压降系数随压降呈增大→下降→增大的波动趋势，当其最小时，即为旁通清管器结构的优化目标[33]。

目前，我国缺乏不同结构旁通清管器压降系数计算模型，一般采用叠加突扩结构[34]、前方绕流结构[35]以及直通结构的沿程压降系数计算式建立。工程上常用的旁通孔主要包括直通式、折流板式和控制阀式3类。

直通式旁通孔结构及其参数见图5。其压降系数由突缩部分、直通部分和突扩部分组成，计算式为：

图5 直通式旁通孔结构及参数Fig.5 Structure and parameters of straight through bypass port

(4)

式中：kbp为直通式旁通孔压降系数；fL为范宁摩擦因数；Lpig为清管器长度，m；Ah为旁通孔横截面积，m2。

折流板式旁通孔结构及其参数如图6所示，其端面压降系数由Churchill方程[36]关联直通式旁通孔突扩端面得到，计算式为：

图6 折流板式旁通孔结构及参数Fig.6 Structure and parameters of baffle type bypass port

(5)

式中：kdp为折流板式旁通孔压降系数；H为折流板外径，m；h为折流板与旁通孔的水平距离，m。

控制阀式旁通孔结构及其参数如图7所示。其端面压降系数同样由Churchill方程[36]关联直通式旁通孔突扩端面得到，计算式为：

(6)

图7 控制阀式旁通孔结构及参数Fig.7 Structure and parameters of control valve type bypass port

其中：

fL=f(vbpdh/ν)

(7)

(8)

式中：ksp为控制阀式旁通孔压降系数；heqv为等效的折流板与旁通孔的水平距离，m；ν为流体动力黏度，m2/s；H、Hi、H*分别为控制槽直径、外径、内径，m；n为旁通孔数量；ω为控制阀开度，(°)。

为直观分析旁通清管器几何形状对压降系数的影响，利用CFD软件模拟不同旁通孔开度压降系数[37]。M.H.W.HENDRIX等[20]通过分解复杂结构旁通孔几何结构，提出一种用于计算复杂旁通孔压降系数的积木法，并通过水平清管试验，验证其准确性[31，38]。

摩擦力受密封材料、流体介质以及管道条件等共同影响，且随清管速度呈动态变化，但工程上一般视其为常数，从而导致摩擦力的数值计算、模拟仿真与试验研究结果存在偏差[7-9，39-40]。有研究发现，影响摩擦力的重要程度依次为皮碗厚度、倒角尺寸、夹持率和过盈量[41-42]；管壁润湿将减小摩擦力，使用水作为润滑剂可使摩擦力减小12%～16%[43]。

为克服当前摩擦力计算模型的局限性，探究管道弯曲和壁厚变化引起的清管速度偏移，S.KIM等[44]提出调谐摩擦模型和加权摩擦模型，其计算结果与KOGAS公司3条管线现场清管数据符合良好。深入研究清管速度、积液分布规律、压力波动情况与摩擦力的内在联系，有助于提高摩擦力计算模型的准确性。目前尚无旁通清管摩擦力准确通用的计算模型，多凭现场经验确定，存在不确定性。

3 旁通清管试验

旁通清管器运行速度随摩擦力、管道结构、流体介质等波动变化，涉及复杂流固耦合振动问题，数值分析、模拟仿真不能准确表征旁通清管器运动的规律，试验研究是理解这一物理过程的基础方法[45-48]。基于缩尺模型搭建室内可视化的水平、水平-立管和水平-起伏-立管清管系统，开展旁通清管试验，分析清管速度、压力、积液分布等清管参数的变化规律。

3.1 水平清管系统

水平清管系统主要由发球筒、收球筒、可视化测试管段、摄像机及压力传感器等组成，其操作流程简单、装卸方便，如图8所示[31，38]。以空气为介质，试验结果发现，旁通清管能减小气体压缩性引起的速度偏差。以空气-水为介质，利用简单旁通式清管器研究气液两相管流黏滑特性，结果发现，旁通清管能减小并稳定清管速度、减小积液量；黏滑特性与气体可压缩性和摩擦力变化有关，气体可压缩性决定清管器启动、停滞和波动趋势[12-14]。旁通孔开度控制式清管器的试验结果发现，清管速度与旁通率呈非线性关系，清管器在途经管壁不均匀和管道接缝处时，速度不断减小，呈短暂停滞再加速向前运动的趋势[15-16]。

图8 水平清管系统Fig.8 Horizontal pigging system

3.2 水平-立管清管系统

受立管结构、旁通清管器自身重力的影响，在大落差山区管道和深水气田立管处清管速度发生剧烈变化，弯头处产生巨大冲击应力，威胁管道运行安全[49]。罗小明等[10]基于缩尺模型搭建了水平-立管清管系统，如图9所示。

图9 水平-立管清管系统Fig.9 Horizontal-riser pigging system

该系统采用简单旁通式清管器，以空气-水作为介质，试验模拟在不同旁通率、气体流速和液体流速下旁通清管器的运动特性。试验结果表明：清管过程中系统压力波动平缓，清管器前端段塞持液率降低，段塞体积减小；该系统中立管段弯头曲率半径过小、通过性能较差，皮碗磨损变形严重，容易发生卡堵现象；当摩擦力与驱动力无法平衡时，旁通清管器表现为非稳态运动。目前，旁通清管模型和清管器运动特性仅限于稳态研究。非稳态下黏滑行为对清管器前端积液和杂质运动规律的影响还有待进一步研究，以揭示旁通清管器异常运动和段塞消除的机理。

3.3 水平-起伏-立管清管系统

为最大限度地还原大落差起伏山地管道和海底管道清管过程，保证试验数据更具代表性，CHEN J.H.等[11]基于缩尺模型，搭建了如图10所示的水平-起伏-立管清管系统。以空气-水为介质，采用简单旁通式清管器，试验模拟清管过程中清管器前、后两端压力、清管速度和段塞量的变化规律。试验结果表明：旁通清管器经过弯管时撞击管壁并发出撞击声，随气流增加旁通率减小，撞击加剧；通过“S”形弯管时冲击更加强烈，旁通清管器在立管底部停顿后迅速通过立管，引起强烈震动；低流量、高旁通率下旁通清管器发生卡堵且无法再次运行。此外，气体经旁通孔产生的节流温降效应为水合物形成提供有利条件。综上所述，旁通清管器低速平缓通过立管、弯管等复杂管段以及防治水合物形成对旁通清管作业尤为重要。

图10 水平-起伏-立管清管系统Fig.10 Horizontal-undulating-riser pigging system

通过以上系统探究旁通清管器运动特性可为工程化应用提供技术参考，但室内试验条件与实际清管工况不同。山地管道和海底管道起伏变化，包括水平管、起伏管、立管和弯管等复杂结构，管输介质包括天然气单相、气液两相以及含污垢、铁锈的气液固三相，伴随着更高压力和输送量、更为复杂多变的管输条件。

为推进旁通清管技术工程化应用，需要细致设计试验缩尺模型和试验操作过程，室内试验和现场试验不同工况下多因素的旁通清管，修正与完善现有旁通清管模型，准确预测清管器位置、清管速度、管内流态和摩擦力变化趋势，以保障旁通清管作业安全。

4 工程应用

旁通清管与常规清管相比能显著降低清管速度、减小积液量和控制段塞量，段塞量的减少幅度与旁通清管器相对流体减速程度相关。目前国内研究者尚未充分考虑旁通清管运动规律、影响机理和工程应用条件，仍处于理论研究阶段，工程实践经验匮乏。国外旁通清管已成熟应用于天然气干线、气液两相管线和凝析液管线，可实现长距离、长时间高速或低速清管作业，应用情况见表1。

表1 国外旁通清管工程应用情况Table1 Engineering application of bypass pigging by foreign companies

5 结论与展望

(1)旁通清管器通过在钢骨架上开设旁通孔调节旁通面积控制清管速度，清管速度取决于旁通率、压降系数和摩擦力大小。速度控制式清管器能实时调节阀开度控制清管速度，有助于提高清管效率，减轻管道终端段塞流捕集器负荷，保障清管作业安全。

(2)目前旁通清管模型中摩擦力、压降系数等参数主要按现场经验确定，简化管道内部条件、流体介质、管道结构和清管工况，未考虑清管器长度、流体介质、摩擦力和管道结构等因素以及各因素耦合作用对旁通清管运动规律的影响，预测模型尚存在局限性。

(3)旁通清管技术在国外已成熟应用于工程实际，国内仍处于理论分析和试验研究阶段，通过搭建不同管道结构的清管系统，试验研究旁通清管器运动特性，发现旁通清管能降低清管速度、平缓压力波动、减小段塞量。

(4)为提高室内旁通清管试验结果准确性，应搭建更加符合实际管道结构、流体介质和清管工况的室内清管系统，探究清管器前端积液量变化趋势和管道内部条件对旁通清管器运动规律的影响；结合理论分析和试验研究，建立旁通清管摩擦力计算模型、压降系数计算模型以及耦合摩擦力与压降系数计算模型的旁通清管模型，准确预测旁通清管运动特性，揭示旁通清管器复杂流固耦合振动机理。

(5)针对高压、高速的大口径输气管道，旁通清管作业中存在水合物堵管风险，建立旁通清管过程中水合物形成与管壁水合物沉积层剥离模型，研究提出水合物防治的经济高效措施，避免清管过程中水合物形成和堵管。

(6)旁通清管器与管道检测元件相结合，更有效控制旁通清管器运行速度，实现有效和精确检测管道，有助于打破国外管道检测服务公司技术封锁。旁通清管速度控制不仅适用于油气管网，而且在化工厂、发电厂的管道系统中具有广阔的应用前景。