天然气长输管道清管技术

石油工程建设2005年6月★)()《))()《》))《))冲)Q)《))《))《)《)《))))))地))))*料)★★★业★★★天然气长输管道清管技术朱喜平(中国石油天然气管道局秦皇岛输油气公司,河北秦皇岛066000摘要:清管作业是天然气长输管道投产前或运行中的一项重要工作,可保证管道的正常运行和輪气效率。文章从清管器的种类、性能、跟踪和定位方法、清管工艺、清管效果评价指标以及清管过程中常出现的故障和处理方法等方面对清管技术进行了全面的论述,针对目前清管作业中存在的问题,如清管器结构单一、清管效果不太理想、清管器的减振效果差、偏磨严重、跟踪仪器脱落、清管器损坏甚至骨架断裂等进行了较详细的探讨,并提出了改进建议。关键词:天然气长输管道;清管器;清管工艺;故障;改进措施中图分类号:T973.8文献标识码:A文章编号:1001-2206(2005)03-0012-050引言1清管器的种类在天然气长输管道建设和运行中,清管是一传统的清管器已有100多年的历史,从简单项非常重要、同时也是非常有风险的作业。对于到复杂,目前发展到300多个种类,清管器主要新建管道来说,施工作业遗留物较多,管道打压分为3大类:清管球、机械清管器、用于管道检试验时遗留的水比较多,清管的主要目的是清除测的清管器。常用的有如下几种管道内的水以及施工遗留物,包括焊条、焊渣、11清管球木棍、石块、土、沙子、饭盒、塑料以及毛刺常用的清管球由橡胶制成,中空,壁厚30~如果这些杂物不清除,会堵塞下游的过滤器和阀50mm,球上有一个可以密封的注水排气孔。注水门,损坏压缩机。天然气中一般含有HS和CO2等孔有加压用的单向阀,用以控制打入球内的水量酸性气体,水的存在会加速管道腐蚀,同时易形从而控制球对管道的过盈量。清管球主要清除管成水合物,造成管道和设备的堵塞,对安全造成道内的液体和分离介质,清除块状物的能力较差。威胁。对于新建管道,经常在投产前用测径清管12皮碗清管器器对管道椭圆度和管道内表面的凸凹不平进行测皮碗清管器结构相对简单,安装形式灵活量,作为管道完整性管理的原始资料。常用的皮碗按形状分为平面、锥面和球面3种。对已经投产运行的管道,清管的主要目的是皮碗清管器是由一个刚性骨架和前后两节或多节清除FeS铁粉,提高管壁光洁度和管输效率;对运皮碗构成。它在管内运行时,能够保持着固定的送湿气的管道,通过清管可以清出管道内的水;方向,所以能够携带各种检测仪器和装置。为了对于从气田或地库出来的管道,通过清管可将轻保证清管器顺利通过大口径支管三通,前后两节烃等凝析液排出。皮碗的间隔应有一个最短的限度,根据理论计算在管道运行过程中,对管道进行内腐蚀检测和实验,确定前后皮碗的间距不应小于管道直径和泄漏检测非常必要。近几年,天然气管道内检D,清管器的总长度可根据皮碗节数的多少和直径测技术发展迅速,欧洲和北美等国家已经开始应的大小保持在11~15D范围内,皮碗唇部对管道用天然气管道的智能内检测技术,在管道的运行内径的过盈量取2%~5%。皮碗清管器有多道密维护中发挥了重要的作用。2003年,我国在陕京封,密封性能好,钢刷为其清理工具。管道主干线上实行了内检测技术,取得了良好的13直板清管器效果直板清管器的主体骨架和皮碗清管器基本相第31卷第3期朱喜平:天然气长输管道清管技术同,直板主要分为支撑板(导向板)和密封板,驱动系统、能源系统、磁化系统、传感器系统、其形状为圆盘,支撑板的直径比管道的内径略小。数据记录和处理系统、里程系统、旋转检测系统密封板相对管道内径要有一定的过盈量。直板清定位系统等组成。管器最大的优点是可以双向运动,其清除管道杂为了使内检测清管顺利进行,保证内检测效物的能力较强,在管道投产前期最好用直板清管果,在发射智能清管器前先发射普通清管器对管器,一旦发生堵塞等情况,可进行反吹解堵。道进行清理,然后再发射测径清管器和模拟清管14测径清管器器检查管道的通过能力测径清管器主要用来检测管道内部的几何形2清管器跟踪、定位方法状,它通过一组传感器将管道内径的变化记录在近几年,国内发展了多种清管器跟踪仪器,主体内的记录器中,包括管道焊缝的焊透性情况、大多是基于电磁发射原理制造的,使用效果较好,椭圆度以及不平度等。测径清管器的主体结构紧但也有局限性,只能定点跟踪,无法全程连续跟凑,直径大约为管道内径的60%,皮碗的柔性较踪。国外ULSI公司成功利用“导航器”磁技术实好,可以通过缩孔15%的孔洞。通过测径清管器现检测和定位。的测量,提供管道状况的原始数据,为管道维修用于收、发球筒上的清管指示器常用的大致和清管提供相关依据。在智能清管之前,我们经有两种,一种是机械式,另一种是磁感应式。机常先发测径清管器,确定管道内部状况,检测管械式的清管指示器插入管道中,当清管器通过后,道的通过能力。通过机械传动来传递信号;磁感应式的清管指示15泡沫清管器器是当清管器通过时,将指示器激活,它会输出泡沫清管器主要由多孔的、柔软抗磨的聚氨个信号上传或现场显示。到目前为止,国内跟酯泡沫制成,其长度为管径的175~2倍,泡沫根踪清管器的方法仍以人定点监听为主。据密度分为低密度、中密度和高密度。每一种密3清管工艺度的泡沫做成的清管器其功用也有差别,用低密31清管前的准备度泡沫做成的清管器主要用来吸收液体,干燥管清管作业是一项风险较大的作业,为了保证道,目前国内应用较多;中密度泡沫用来制作干安全,减少事故率,要提前做好充分的计划和准燥、脱水以及清扫管道的清管器;高密度泡沫制备,主要包括以下几个方面的内容:作的清管器可以清除管内沉积的杂质和其他比较3L1收集资料难除的杂质。泡沫清管器可收缩,柔性好,对管(1)掌握管道的设计参数,包括管道的设计道和阀门等设备的损伤小,通过能力强,堵塞可压力、内径、壁厚、公称直径、材质及其力学性能。能性低,管道振动小,安全系数高,但只能一次(2)了解设计图纸及竣工图纸,搞清管道走性使用,运行距离较短。向、高程差及各段高程差的最大值、所清管段各1.6漏磁检测清管器阀室的间距和高程差、站场流程图管道在运行过程中常受到化学腐蚀、细菌腐(3)焊接记录。蚀、应力腐蚀和氢脆等的影响,导致管道破裂(4)分段打压及通球报告。造成很大损失,及早发现管道的腐蚀缺陷并加以(5)对于运行的管道,要收集近期管道的运防范和更换非常重要。通过漏磁检测可以确定管行参数和以前清管资料,并对其进行分析,制订道内外壁的缺陷位置、面积以及严重程度。其基合理的用气调配计划,提前做好气量调节,保证本原理是在管道截面充满磁场,利用置于磁极之清管期间球速和用气量的需要。间的传感器感应磁场泄漏和偏移,从而确定金属(6)投产清管要做好实际踏线和勘察工作以损失的面积。在2003年,对陕京管道进行了内检及现场资料收集工作,如:实际线路走向,查看测,取得良好的效果,采用的内检测清管器主要工程项目是否完工,所清管段是否满足清管要求,由检测器、支撑系统、驱动系统、钢刷、探头和站场是否具备收发球以及应急抢修的条件;设备电路系统以及信号处理系统组成。检测器主要由是否完好、状态是否正确,用电能否保证,通讯14石油工程建设2005年6月是否畅通,消防设施是否完备。对于不合格项要确认现场满足收、发球作业条件,请示调度及时整改。进行收、发球作业。31.2制订清管方案对新建管道的投产清管,建议按下面步骤进根据管道清管的要求和实际建设情况,制订行操作:科学、合理和安全可行的清管方案。(1)首次清管时,应选择清管球。因为清管(1)做好人员安排。人员主要包括发球人员、球可将管道内的大部分水清出,同时清管球的通收球人员、监听人员以及通讯、后勤和抢修人员。过能力较强,被卡住的可能性小。但是初次清管(2)做好器材、物料的准备。包括压缩机、也存在清管球被划破和卡在三通等位置的可能清管器、收发球工具、可燃气体检测仪、防爆防(2)在清管器通过后,视水量的多少发直板毒面具以及通讯工具、车辆和跟踪仪器。清管器或将直板清管器(最好设置跟踪器)和清(3)采取安全措施。准备好防护用品、消防管器组合发送。发直板清管器的目的是清除管道设施、警戒用具以及安全宣传用品。内较大的固体物质,同时,如果卡住也可以反吹。(4)制订气量调节和控制计划以及球速控制组合发放的目的是进一步清除管道内的水,提高方案。如果球速过快或过慢,都可能造成清管器清管效果,节省费用,缩短工期。的破坏或功能失效,清管效果不理想。球速过快(3)如果直板清管器顺利通过,可考虑选择也可引起管道较剧烈的振动,导致管道、弯头和密封性能较好的蝶形皮碗清管器(最好设置跟踪阀门的破坏,所以球速一定要控制在允许范围之器以便丢球后寻找)。根据现场情况,如果需要清内除管道内残存的铁锈、焊渣以及其他固体物,则(5)清管次数安排和清管器的选择。根据以要选择带钢刷的清管器往经验,对状况比较理想的管道进行3~5次清管(4)放带测径板的清管器,检测下沟回填后即可,具体次数应根据现场清管效果来定。如果管道的不圆度,同时为下一步进行的智能内检测水多,多选用清管球;如果杂物多,多选用清管做好预备工作。器。当然,在多数情况下选择组合发放的形式效(5)如果条件许可,应继续进行智能清管,果更好。为将来的腐蚀调查和管道完整性管理提供原始的(6)做好事故预案。做好卡球、爆管、防毒数据,通过内检测,确定管道投产时固有的缺陷以及人员疏散预案等。和薄弱环节。313现场准备对运行管道,清管时应按下列顺序进行操作:(1)组织现场专业人员对清管管段所有站场(1)确认现场符合发球条件,请示调度进行的工艺设备、自控设备、通讯设备进行检查,确清管作业。保清管操作期间各类设备运行正常,仪表指示准(2)根据管道内杂质的类型确定清管器类型,确无误。尤其要检查各站的收(发)球筒、排污然后按照清管方案进行操作。罐的排污回路以及放空回路,确保收(发)清管(3)如果对管道进行内检测,最好按下面步器的安全操作。骤进行:发射普通清管器将管道内杂质清理干净;(2)清管前征得上级主管部门和调度的同意,发射带测径板的清管器或测径清管器;发射模拟取消清管段截断阀的自动关断功能,并关掉引压清管器;发射检测清管器管和检测管的底阀。4清管效果评价指标(3)检查有关阀门的开关,并检查内、外漏。目前,各管道公司评价清管效果的指标不尽(4)检查并维护收发球工具,将组装好的清致,目前使用的主要指标有以下几种管器提前运送到站场。(1)流量及输气效率的提高幅度。(5)在收球站场应提前将缓冲球放入收球筒(2)清管器进入管道后,下游分离器收集到防止清管器冲击收球筒盲板。的粉尘量。3.2收、发球工艺(3)操作压力的下降幅度。第31卷第3期朱喜平:天然气长输管道清管技术15(4)清管器的清洁度和磨损情况。式挡条,以保证有足够的韧性,防止断裂。在清(5)天然气质量的提高程度。管过程中,如果采用合理的工艺,就可以大大降(6)压缩机节能的幅度以及压缩机因气体质低在三通处卡球的可能性。当清管器或清管球要量损毁的频率。通过下游三通时,应提前关闭支管的进气总阀(7)腐蚀调查结果。这样不但可以减少卡球的概率(尤其对有泄流孔(8)腐蚀速度降低的程度(腐蚀挂片试验)。的清管器),而且也可以减少进入支管的粉尘量。5清管故障(6)在弯头处卡球。在清管管路上,选择弯51卡球故障头的正确曲率半径非常重要。曲率半径为15D的卡球是天然气管道清管时最容易发生的故障,弯头只能用于使用清管球的管道;对管径为508也是清管作业中最大的损失和危险,若不能解卡,mm、76.2mm、101.6mm的管道,则应选用曲率由于找球难度较大,割管或换管将造成巨大的损半径为10D的弯头;对管径小于或等于3048mm失,所以如何避免卡球故障,卡球后怎样处理,的管道,应选用曲率半径为5D的弯头;对管径大仍然是清管工作者需要探索的课题。常见卡球的于304.8mm的管道,则应选用曲率半径为3D的原因有以下几个方面弯头。(1)管道建设时期的施工遗留物。管道建设(7)清管器连发时容易造成卡球。在实际施时在管道中遗留的木棍、钢条以及废弃的清管器工中,为了提高效率、节省时间等,我们经常采和堆积的沙子等造成堵塞,可通过加强施工管理用连发清管器或采用清管器和清管球组合的方式,等手段提高工程质量,如果预先估计到管道内沙但这种情况较容易造成清管器的堵塞。当连发清土较多时,可采用前面有泻流孔的清管器,通过管器时,尽管错开一段时间,但由于密封等问题泻流孔的气体将前边堆积的沙尘吹起,避免堵塞。后面的清管器经常会赶上前面的清管器。这时,起(2)管道变形。由于施工造成管道损坏,或密封作用的是后面清管器,后面的清管器推着前在管道运营过程中,由于外界力(如地震、地壳面的清管器走,当碰到弯头或前后清管器产生相移动和地表重载车等)的作用使管道受力变形,对角度时,后面的清管器会将前面的清管器或清从而引起卡球事故。管球紧紧地推向管壁,造成堵塞。而且前后压差(3)阀门选型不对。根据淸管工艺要求,管越大,堵塞得越紧。因此当管道发生卡球故障时道阀门必须为全通径阀门。在所有类型的阀门中,不能一味地增压,要根据具体情况而定。为了避从清管的角度考虑,最好选择球阀。因为球阀操免这种情况的发生,应从两方面着手。第一,改作迅速,最不容易堵塞,而且大多数球阀具有双善清管器结构,尤其是前部和后部,做到当后边重限位装置,定位比较准确。清管器推前边清管器时,前边清管器不产生倾斜。(4)阀门没有处在全开位置。由于操作不正第二,选择合理的发球工艺,尽量延长两个清管确或执行机构限位产生变化,致使阀门开、关不器的间隔时间,根据经验,以30~50min为宜。到位。在清管之前一定要对管道阀门进行检查,如果是清管器和清管球组合发放,以先发清管器保证阀门处于全开位置。后发清管球为宜。(5)在三通处卡球。在三通处卡球主要是由(8)清管器磨损严重。清管器的密封皮碗不设计原因造成,当支管管径和主管管径相差不大但有清扫管道的作用,而且通过皮碗的密封,可或采用等径三通,同时又没有挡条或挡条设计不产生压差,提供动力,促使清管器向前运行。所合理时,就很容易造成卡球故障。对于主管径为以一旦皮碗磨损到不能密封的程度,清管器可能762mm以下的三通,其支管管径大于主管管径的将停止运动。如果气流较大,清管器将继续以低75%时,推荐使用挡条。同样,对于主管径大于于气流的速度前进,最后皮碗被磨完,固定皮碗8138mn的三通,其支管管径大于主管管径的50%的法兰盘直接和管道摩擦,对管道造成很大损伤。时,推荐使用挡条。对于不同口径的三通,选择清管器磨损的因素主要有以下几方面:皮碗的质量不同的挡条形式。对于大口径管道,建议采用桥差;管道中有较多研磨功能的颗粒;压差高;运16石油工程建设2005年6月行速度低;管道内表面较粗糙;介质黏度低;管重,偏磨大大降低了清管器的密封性和清管效果。径小。清管器的自重是造成偏磨的重要原因,目前清管(9)机械损伤。由于设计原因或速度太快造器的骨架主要由铁材制成,可考虑在满足强度要成振动大,从而使螺栓松动,造成皮碗或直板脱求的情况下,采用铝合金以及有机聚合物等材料落,甚至造成骨架断裂。同时,清管器的高度加以减轻清管器自重,也可以采用安装导轮的方式速在弯头处将造成更大的损伤,所以控制球速相来支撑重力,减少偏磨,提高效率当重要。对于普通清管,球速一般为2~7m/s,(4)开发磁性清管器。清管器在管道中运行对于内检测清管,球速一般为0.5~4m/s,速度太时,由于清管器设计方面的原因或球速太快、安快,将会丢失数据。当然,根据不同阶段清管速装不当会造成螺栓、跟踪仪脱落甚至骨架断裂,度是有变化的。这些零部件很难通过普通清管器清除干净,对下总之,清管卡球的原因比较复杂,只有全面游压缩机、过滤器和管道干线阀门等设备的安全考虑、周密计划、安全操作才能减少堵塞的可能,运行造成很大的威胁。在安全的情况下,建议开另外管道和清管器的合理设计也非常重要。发强磁清管器,把管道中的上述遗留物及很难清52清管器失踪除的施工遗留物清出来清管时,各检测点监听不到清管球通过的声(5)科学地建立和完善清管标准,确定经济音,且上下游不会形成压差,这种情况可能是由清管次数标准和方法。天然气长输管道清管作业以下原因造成的。是一项危险、风险较大同时又是一项投资较大的(1)如果发射的是清管球,最大的可能是球作业,根据各条管道的气体质量情况和现场工况破了,另外,如果清管球磨损严重,下游用气量确定经济清管次数是非常必要的。清管除了自身小时也会出现这种情况。的费用外,同时增大了设备的维护量和维护费用(2)如果是清管器,可能有以下几个方面的每次清管后要更换下游分离器的滤芯,有时在清原因:结构设计不合理,在三通处形成旁通流;管过程中由于堵塞就得进行更换,同时要对阀门由于清管振动等原因使清管器螺栓脱落,造成皮进行维护。碗脱落;骨架机械强度不够,由于振动、撞击等(6)目前清管器的跟踪、定位难度较大,在造成骨架散落;磨损严重。技术可行的情况下,建议结合GPS和GS系统,对以上故障,最好发射清管球推出。开发远传定位能力设备,准确上传清管器的位置、6清管作业存在的问题及改进建议速度和所在位置的压力以及温度等参数。随着计算机技术和通讯技术的发展,清管技参考文献术日趋成熟,许多操作已完全自动化,尤其在线]姚伟陕京输气管道采用国际先进检测技术的重要性门J]油气储检测技术发展更为迅速,但目前清管作业仍存在运,2002,(10):1-3些问题,需要进一步探讨和解决。[2]卢维信译清管器技术的现状及发展趋势]国外油田工程,1998,(8):52-54(1)改善结构。目前国内清管器结构单[3]张丽平译现代清管技术综述国外油田工程,1998(10)33-36.清管效果不十分理想,清管时丢螺栓和跟踪仪的14王志昌输气管道工程]北京:石油工业出版社199现象时有发生,建议进行结构改进。[5]Dr Aidan ODonoghue. Why pigs get stuck and how to avoid it[J](2)清管器的减振效果差。目前清管器在管Pipes& pipelines, 2003, (4): 5-15道中运行时振动较大,不但造成自身螺栓脱落甚[6]刘为民,祝宝利译清管工艺对管道系统设计要求[]国外油气至骨架断裂,同时将对管道造成以下威胁:使管 Tiratsoo JNH, Pipeline Pigging Technology[M ]. Canac,192道裂纹急剧扩展甚至造成管道断裂;设备损坏;管道连接处泄漏。这些问题可以通过改变皮碗性作者简介:朱喜平(1975-),男,甘肃庄瀼人,工程师,能、减轻骨架自重、增加弹性导轮以及避开共振从事管道施工工艺设备管理工作,目前在石油大学攻读硕频率等手段加以解决。(3)偏磨严重。目前常用清管器偏磨现象严收稿日期:204016