王俊颖，毕 权

（中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室， 北京 102249）

清管作业一直是管道系统中必不可少的过程。如今管道完整性管理的理念在石油管道行业越来越深入人心，作为其中尤为重要的环节管道清管作业越来越受到重视，不同类型和功能的清管器的发展也越来越迅速，清管器作业越来越倾向于智能化。

1 清管器类型简介

1.1 清扫型清管器

1.1.1 普通心轴式清管器

心轴式清管器就是指含有一根心轴主体并在其轴向分布多个圆板或皮碗的清管器[1]。对于这种清管器，皮碗与圆板相比皮碗在流体的压差作用下会产生一种向四周扩散的张力，这种张力使得清管器与管壁能形成良好的密封。而圆板在管道中运行的过程中可能因为磨损与管壁间产生缝隙，因而密封性没有皮碗的好。

1.1.2 刚体式皮碗清管器

皮碗清管器主要包括钢制轴和橡胶皮碗，还可以根据不同的清管目的在钢轴上加不同的部件比如钢丝刷等。皮碗清管器在管内运行时能保持固定的方向，可以携带各种检测仪器和装置。皮碗清管器特点为在通过曲率半径大于2D或2.5D的90°弯头、挡条正交异径三通时不易停滞（D为管道弯头的曲率半径）。但是刚体式皮碗清管器存在的缺点是钢制轴不能形变所以为了顺利通过弯头此类清管器不能过长。

皮碗清管器中的磁性皮碗清管器为在普通清管器上安装了永久性强磁体。这款清管器可以利用强磁体的磁性将管道内的铁屑铁丝吸附在强磁体上带出。

皮碗清管器皮碗边裙对管道的过盈量为 1%~4%。

1.1.3 射流清管器

射流清管器工作原理是当两端压力超过某一设定值时，阀板打开使清管器后端压力高的流体喷射而出。当清管器两端的压力差减小时清管器的弹性主体弹簧拉伸，使得清管器和管道内壁的摩阻减小，可以加速清管器的运行[2]。除此之外，喷射出的流体还可以冲散清管器前端积累的污垢，可以用于管道结垢严重的情况。

1.1.4 液压动力清管器

液压动力清管器由三个单元组成：制动单元、密封单元、清洗头。液压动力清管器不需要清管器接触管道，当清管器遇到运行阻力的时候，清管器中制动单元就会开孔使清管器的运行速度远低于流体流速，通过巨大的流体流速差将污垢洗清。这种清管器最大的优势为能迅速冲散污垢避免卡堵。

1.1.5 可变径清管器

可变径清管器适用于管径形状特殊或是有变径管情况的管道，它的工作原理是当管径变小的时候，清管器上的钢刷所受的压力增加并通过传感器控制使弹簧压缩，使得圆盘直径减少，可通过更小管径的管道。同理当清管器通过较大管径的管道时圆盘的直径增加[3]。

1.2 隔离型清管器

1.2.1 聚氨酯清管器

聚氨酯清管器可以与管壁形成多个密封面，具有刮扫、密封、隔离作用。这种清管器的优点是质量轻柔性好通过能力强，能通过曲率半径较小的弯头。并且因为清管器柔性好对管道的冲击比较小。但是缺点是磨损大寿命短，还有可能一次报废。

1.2.2 传统清管球

传统的清管球主要用耐腐蚀的橡胶制作成。清管球可以按照大小分成空心和实心两种，公称直径小于或等于100 mm的为实心球，公称直径大于100 mm的为空心球。公称直径比较大的空心球一般要充水使用。并且在温度较低的地方使用空心清管球还要在充水中加入例如甘醇的防冻剂以防冻结。传统清管器通过充液来控制过盈量，虽然密封效果好，能较好的分割介质，但是清管效果并不理想。同时由于传统清管球与管壁只有一个接触密封面常容易在三通处发生卡球。

1.2.3 凝胶体隔离清管器

凝胶体隔离清管器可以充满管道具有很好的密封性，而且弹性变形特性良好，能够顺利通过弯头、阀门或者是管道变径的地方。而且在经过泵、阀等元件之后，凝胶清管器能快速恢复，保证其整体性不受到破坏。

1.3 检测型清管器

1.3.1 磁通漏失清管器

磁通漏失检测清管器原理是钢管的磁导率高于钢管缺陷处的磁导率，当钢管在外加磁场的磁化作用下，磁力线均匀分布且大部分通过钢管，当管道存在缺陷时，磁力线弯曲并且部分磁力线漏出钢管表面。

1.3.2 磁通漏失清管器

超声波检测清管器利用发送器发射脉波，脉波遇到管道的内壁和外壁会将信号反射回接收器，根据这两种信号接收的时间差可以计算管壁的残余壁厚并判断有无缺陷。但是超声波清管器的缺点是超声波在空气中的衰减很快，需要在均相液体中传播，所以如果输送的流体中存在较多气泡或固相蜡块等物质会影响超声波的传播，因而超声波清管器不适用于多相流管道中。

1.3.3 智能清管器

智能清管器不同于以上介绍的目的在于清扫管道内杂物或积水积蜡的清管器清管球，智能清管器的功能是收集并记录管道内部情况。通过这些数据我们可以分析出管道内部有关腐蚀程度、管径变化的状况。智能皮碗型清管器在皮碗上装上各种皮碗和传感器，能够收集管道内温度、压力和破损位置等信息[4]。

1.4 管道维护型清管器

1.4.1 堵漏清管器

智能清管器不同于以上介绍的目的在于清扫管道内杂物或积水积蜡的清管器清管球，智能清管器的功能是收集并记录管道内部情况。通过这些数据我们可以分析出管道内部有关腐蚀

1.4.2 疏通清管器

当管道中有清管器堵塞时，可以发射疏通清管器将卡堵的清管器推出，这类清管器为确保有足够的动量将卡堵清管器推出一般都比较重。

2 清管器技术的发展趋势

各种不同功能的清管器可以起到如清扫杂物、除蜡除水的效果，为保障原油、成品油、天然气管道的正常安全运行起到关键的作用。但是在利用清管器清管作业的过程中会遇到各种威胁管道运行安全的问题，解决这些问题以使管道更安全的清管就成为今后清管器发展的趋势。

首先对于清管器清管技术最需要避免是清管器卡堵问题。造成清管器卡堵主要原因是清管器为了清扫管壁积蜡或杂物一般都要求对管道有一定的过盈量，且密封性要好。但是当清管器通过弯头时如果弯头的曲率半径比较小清管器主轴弯曲性又不够好的情况下，一旦清管器前聚集了较多的沉积物，清管器就容易卡堵在弯头处。在这种情况下一般要加大输送流体的流量将卡堵的清管器冲出，但是也有可能产生整条管道堵塞的严重后果。

其次清管器清管的效果与清管器在管道内运行的速度息息相关，清管器的运行速度如若过快会影响其清管效果，而清管器的运行速度又取决于清管器前后两端的压差[5]。如何保持前后两端合适的压差以控制清管器的速度成为还需继续深入的课题。

再次泡沫型清管器和凝胶型清管器由于有较好的柔性和弹性所以不易在管道中卡堵，但是由于这两种材料在运行中易因磨损而消耗，所以今后还需研发耐磨又不易卡堵的新型清管器材料。

最后，虽然清管器的种类和功能在不断的扩展，但是不论对哪种清管器都缺乏能判断其在管道内运行状态的工具。目前清管器的跟踪和检测都是利用设置几个固定点对清管器到达时间进行核对的方法。即一般在截断阀室附近易于巡线的地方设置几个监测点用来记录清管器到达的时间，通过计算可以得到清管器到达设置的几个检测点的时间，再根据清管器实际到达该监测点的时间来判断清管器的运行状态是否正常，有无卡堵的可能性，如果超过应达到监测点的计算时间过长就该考虑是否存在卡堵的可能性。因此建立科学的理论体系描述清管器的运行，为清管器的选用提供科学的理论依据依旧是清管器发展的重要方向之一。

3 不同输送介质管道的清管特点

3.1 清管作业目的

对于新建管道要进行清管作业，因为新建管道在施工过程中会遗留下较多的施工物，对于新建管道的清管目的主要在于扫除这些施工时在管道内的遗留物。在对新建管道扫除工作结束之后可以发射测径清管器和模拟清管器来检查管道的通过能力。对运行管道的清管主要目的是清除天然气管道积水、含蜡原油管道的积蜡，从而提高天然气管道输送的品质、降低含蜡原油管道的运行成本。

除了可以扫除杂物、清除积水积蜡，对管道发射智能清管器还可以对管道进行检测，检测包括管道是否腐蚀、是否有裂纹、是否有变形，对管道发射智能清管器可以对管道提供维护和维修。清管器对管道的清管维护作业意义重大，但同时要对清管器进行定期维护。因为清管器在运行工作时会造成磨损，例如轴向不均匀磨损和周向不均匀磨损。

3.2 原油管道

相同条件下清管器在原油管道上的磨损要远小于在气管道中的磨损[6]。原油管道的清管主要是含蜡原油管道要定期进行清管工作。对含蜡原油管道进行清管工作主要是为了将管壁上沉积的蜡清除。管壁上沉积的蜡会使管道的有效流通面积减小，使管道油品流通直径减小，这样会增加站间能量的消耗。严重情况下有可能会造成凝管。所以为了保证管道的正常安全运行，对于含蜡原油管道要定期清管。清除含蜡原油管道主要采用软质清管器和机械清管器。给含蜡原油管道发射清管球的先后顺序为先放软质清管器再放机械清管器。

对于结蜡严重的原油管道应当采用不同管径的清管器清除积蜡，按先后顺序先发射直径较小的清管器，当直径较小的清管器顺利清管后，再发射直径较大的清管器，这样可以安全有效逐步的完成清管工作。

3.3 天然气管道

天然气管道清管主要目的是除去管道中的水。因为天然气中一般会含有H2S和CO2等酸性气体，容易形成水合物，使得管道堵塞。为了除去管道中的水应当采用密封性较好的直板清管器。

天然气管道清管不同于输油管道的特点是对于长距离大管径的输气管道输气压力一般在约 10 MPa，气体流速能达到10 m/s左右并且由于天然气可压缩性强所以气体流速的波动范围较大。但是根据研究发现清管器在管道中运行速度越稳定清管效果越好，如果速度过快则会影响清管效果[7]。而如果为了保持清管器的速度降低输气流量又会造成较大的经济损失。并且对于不同管径的管道应设计不同合适速度的清管器来提高清管效果。所以根据天然气管道清管这一特点就需要设计能控制速度的清管器。目前主要通过旁通阀的调速装置来控制清管器的实时速度。

国外对清管器调速装置的动力学模型研究比较深入，主要有韩国Nguyen T T等在假设清管器旁通孔内天然气不可压缩的条件下，实现了清管器旁通流量与速度控制[8]。巴西的Azevedo L F A等[8]通过对旁通孔径对清管器动力学的影响得到瞬态停滞/滑移模型。俄罗斯科学院的Podgorbunskikh A M等研究了内检测器调速的设计方法、旁通阀调速机理和旁通阀控制电路[9]，设计了带旁通阀的内检测器自动调速装置。通过旁通阀来调节清管器的速度虽然有效但是也存在一定的技术难点，比如这种调速装置只对一定流速的天然气起到理想的效果，若天然气的流速过快由于旁通孔径的数量有限这种减速效果就会降低。并且这种调速装置需要在清管器上装直流电机等元件，当清管器在管道中清管作业时需要保证这些元件的运行安全，例如要耐压和防爆。同时需要保证提供电力的电池元件蓄电能力足够长。解决以上这些技术难点可以使带有自动调速功能的清管器清管效率更高安全性更好。

天然气管道清管作业过程中存在风险及对策为天然气管道由于输送介质为气体，清管器要求密封性很好，否则容易发生清管器的窜气。使得清管器前后压差减小使工作时间超出正常工作时间。对于这个问题的解决对策就是及时更换维修清管器，防止其因为使用年限过长或维修不及时而磨损严重发生清管器窜气。对于天然气管道清管器卡堵问题的解决对策为加大清管器后方的压强以迫使清管器通过卡堵的地点。若清管器卡堵情况严重就要对清管器周围的天然气进行放空，截取卡堵管段、取出清管器。若清管器破裂，停止运行，需要再发一个清管器将破裂的清管器推出。

3.4 多相流管道

影响多相流管道清管效果主要因素有管线中的气液比、管线中积聚的液量、气液混合物在管道中允许的压降和流速、管线的总断面形状。对于一般输送多相流的海底管道，管道运行一段时间之后由于结蜡积液等因素必然造成输送效率降低，所以必须定期清管保证海底管道运行安全。

4 清管器清管工艺

4.1 清管器的工作原理

清管器的工作原理是将清管器放入管道中从而形成密封，利用管输介质前后形成的压差推动清管器的前进，由于清管器对管道的直径有一定的过盈量，达到清除管内杂物和积水积蜡的目的。

4.2 清管时间或周期

管道清管可以保证管道运行的安全和经济，但是频繁的清管也会带来不必要的人力物力浪费和作业风险。清管周期的确定需要一般通过输气效率的计算来确定。例如苏里格气田输气管道的清管周期利用潘汉特尔公式计算得到输气效率,当输气效率低于90%的时候就进行清管处理。而榆林-济南天然气管道在输气效率低于95%时就需要进行清管作业。

4.3 输油管道清管工艺流程

4.3.1 清管器发射流程

图1 清管器发射流程Fig.1 The pig launch process

如图1，清管器发射的初始条件为阀门B打开，阀门A和C关闭。将清管器放入发球筒后，关闭快开盲板，换开阀门C，打开阀门D排气，当见到油花后关闭阀门D。打开阀门A，再缓开阀门B，当清管器在流体压力的推动下进入管道并被指示仪检测到后，记录发射时间。当确定清管器进入主管道后全开阀门B并关闭阀门C和A。打开阀门D进行泄压，再打开阀门F抽出发球筒中的油。

4.3.2 清管器收球流程

如图2，缓开阀门C同时打开阀门D排气。排气后打开阀门A，关闭阀门B以推动清管器进入收球筒中。当指示仪检测到清管器进入收球筒后打开阀门B。关闭阀门A和C，再打开阀门D进行泄压。打开阀门F抽油，再打开快开盲板以取出清管器。

为保证通球作业过程的安全性可采用“二次收球”作业方法。即在清管器发出前就在收球站场做好收球准备，对比于“一次收球”，即在清管器约距收球站场一千米的地点再打开收球阀做收球准备，“二次收球”的优点在于无需在收球筒中装收球笼，减小了对收球设备的损坏。

图2 清管器收球流程Fig.2 Pigging ball collecting process

5 结束语

总之，清管器在趋向智能化的过程中仍然面临各种有待解决的问题。对于不同流体介质的管道根据不同的清管作业要求，所需的清管器类型也不同，应根据具体管道和具体清管作业要求来选择合适的清管器。

［1］ 刘刚,等.管道清管器技术发展现状[J].油气储运,2011,30(9):646-653.

［2］Alan Dale Leitko,Hugh Sherwin,Joe Oscar Esparza.Jetting pig: US,005875803A[P]. 2009-03-02.

［3］ Goedecke H.Ultrasonic or MFL inspection:which technology is better for you? [J].Pipeline and Gas J,2003,230(10):34-37.

［4］陈欣.清管器的设计与选用[J].清洗世界,2011,27(3):19-23.

［5］ Jayawardena S,Dykhno L,Hudson J.Challenges in pigging of sub-sea gas flowlines[C]. SPE77576,2002.

［6］张新宇,等.清管器两种工作机制对清管效果的影响[J].管道技术与设备,2013(1):44-46.

［7］Tan Tien Nguyen,Speed Control of Pig Using Bypass Flow in Natural Gas Pipeline[C]. Prodceedings of the 15th Korea Automatic Control Conference, Yong-in, Korea, pp. 448-451, October 2000.

［8］Azevedo L F A,Braga A M B,Nieckele A O,et al.Simple hydrodynamic models for the prediction of pig motions in pipelines[C]. SPE 8232-MS,1996:729-739.

［9］Podgorbunskikh A M.Devices for automated regulation of the velocity of in-tube pig flaw detectors(review)[J].Russian Journal of Nondestructive Testing,2008,44(5):343-350;37-40．