跨國長輸天然氣管道清管器卡堵治理措施

楊金威 袁運棟 王 爽 孫 釗 鄧琳納 成慶林

（1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中油國際管道公司）

天然氣管道在長時間的運行過程中，會在管道中積累一定的雜質、積液等，為進一步提高管道輸送效率，確保運行安全，按照國家和管道過境國的標準規范，要對天然氣管道定期開展清管作業，因此，長輸天然氣管道清管作業是保障管道安全、高效運行的有效措施，同時也是管道完整性管理范疇內內檢測前的重要保護措施。 在清管作業過程中，清管器或因管道變形、管道冰堵、工藝流程錯誤及管道三通卡阻等系列原因造成清管器堵塞停運、管道憋壓的情況，影響上游進氣、下游轉供，嚴重情況下甚至會造成管道停輸。筆者以我國西北方向能源戰略通道的中哈天然氣管道為例，科學論述了這一跨國長輸天然氣管道清管作業的目的意義，深入分析了產生清管器卡堵的潛在原因，以實際案例說明了清管器卡堵后的解堵過程， 并提出清管器卡堵的預防措施，以保障管道安全運行，推進跨國管道安全管理模式跨越發展［1］。

1 長輸天然氣管道清管作業的基本情況

1.1 清管作業的目的

管道清管作業主要目的［2］是清掃管道內的污物，提升輸送效率，降低管道內壁腐蝕概率，延長管道使用壽命，同時防止管道內形成冰堵。 具體的作用如下：

a.減少天然氣中的懸浮顆粒、 固體顆粒，凈化氣質，使所輸運的天然氣符合標準規定。

b.清除管道內的水合物和液態氫物質，降低介質水、氫露點，使氣質符合標準規定，保證供氣質量。

c.清除管線內的泥沙、積水、污液及其他雜質，降低沿程摩阻，提升輸送效率。

d.清除硫化鐵粉末、銹渣及施工過程中殘留的焊渣，保證過濾分離設備使用安全，避免金屬碎屑對壓氣站、計量站附屬設施造成的損傷。

e.檢查管道內部通過能力。

f.清除管道內的明水， 最大限度避免電解質的形成，減小冰堵概率，減緩硫化氫、二氧化碳對管道內部的腐蝕，延長管道壽命。

g.減少天然氣中的粉塵、 雜質和污液對設備、儀表的污染、沖刷及腐蝕等破壞。

h.為下一步進行的管線變形檢測工作做好準備。

1.2 清管器的類型與功能

天然氣管道清管器［3］分為智能清管器和非智能清管器兩種。 非智能清管器在管道中運行僅起清掃、隔離等機械性的功能，主要有清管球、皮碗清管器、清管刷、凝膠狀物清管及泡沫清管器等， 非智能清管器可以將管道分成兩個或多個部分，起到隔離介質的作用；智能清管器，除了具有非智能清管器的功能外， 還可以利用內置的傳感器檢測管道的變形、腐蝕等損傷，準確找到損傷的位置，并能檢測管道內的壓力、溫度等參數。

無論是智能還是非智能清管器，最主要的功能就是清除管道內的雜物和積液、保證管道的暢通、提高管輸效率、減少腐蝕、隔離不同介質、腐蝕檢測等。

智能清管器清管步驟如圖1所示。

圖1 智能清管器清管步驟

1.3 清管作業方案前準備

在編制清管方案前［4～6］，應對計劃清管作業的管段進行基礎數據調查。 基礎數據調查內容主要包括管段基礎參數、 清管發送和接收裝置參數、清管作業歷史記錄和清管器選用情況4個方面的內容：

a.管段基礎參數，內容包括各清管管段的長度、壁厚、設計壓力、站間管容等。 當前運行壓力、清管器發送/接收裝置的尺寸、流程是否滿足進行清管器的收/發作業要求、清管指示裝置配備和配置情況。

b.清管器發送和接收裝置參數， 包括收/發球筒的長度、內徑等。

c.清管作業歷史記錄，內容包括，清管時間、清管次數、清管器材類型、清管球/碟型皮碗清管器或直板清管器、清管器材尺寸和過盈量、清管運行壓力、運行速度、主要清出物及其重量（體積）、清管器磨損情況、清管過程中的卡堵情況。

d.清管器選用情況，內容包括，需要的清管器類型和數量、清管器技術指標、組裝方式、可用供貨商。

1.4 清管速度與氣量的計算

清管器運行距離L的計算式為：

式中 d——輸氣管內直徑，m；

p0——標準大氣壓，0.101 325 MPa；

ppj——清管器后平均壓力（絕），MPa；

Q1——發清管器后的累計進氣量，m3；

T——清管器后管段內氣體平均溫度，K；

T0——15 ℃的下的熱力學溫度，273.15 K；

Z——氣體的壓縮因子系數。

清管器運行速度v的計算式為：

式中 F——管道內徑橫截面積，m2；Q——輸氣流量，km3/d。

清管器過盈量Δβ的計算式為：

式中 D——清管管段內徑，mm；

D1——清管器外徑，mm。

平均壓力ppj的計算式為：

式中 pQ——管道內起點壓力，MPa；

pZ——管道內終點壓力，MPa。

管道內任意點x處壓力px的計算式為：

式中 l——管道的總長，km；

x——x處距起點的距離，km。

2 中哈天然氣管道清管作業特點

2.1 清管站設置特點

2.1.1 清管站未就近壓氣站合建

根據獨聯體國家的相關標準要求，在壓氣站上下游0.75 km處必須設置干線截斷閥，中哈天然氣管道清管站未與就近的壓氣站合建，而是在壓氣站上下游0.75 km處分別設置了收/發球站。 而中國標準要求， 清管設施宜設置在輸氣站內，因此我國大部分長輸管道清管設施均與就近的分輸站或壓氣站合建［7，8］。具體清管站設置對比如圖2所示。

圖2 中哈天然氣管道和國內天然氣管道清管站設置對比

2.1.2 清管站站間距大

中哈天然氣管道里程-高程圖、 壓氣站分布圖如圖3所示。 根據圖3可以看出，中哈天然氣管道的清管站間距大， 其中WKC2到WKC3站間距252.5 km。清管站間距大，清管器在管道內運行的時間和距離都很長， 對于清管器的皮碗強度、配置和發射機的質量都提出了更高的要求，因此清管器選型極為重要。

圖3 中哈天然氣管道里程-高程圖、壓氣站分布圖

2.2 清管站工藝特點

2.2.1 發球工藝

中哈天然氣管道的發球工藝和一般管道發球工藝對比示意圖如圖4所示。 具體存在以下兩點不同：一是閥門選型不同，中哈天然氣管道正輸流程和收球流程均選擇了氣液聯動閥門；二是發球筒工藝不同，中哈天然氣管道收球筒增設了平衡管線。

圖4 中哈天然氣管道和一般管道發球工藝對比示意圖

2.2.2 收球工藝

根據圖5中的對比可以看出， 中哈天然氣管道的收球工藝和一般管道收球工藝有3點不同：設置冷凝液收集器；截斷閥與收球筒喉部距離加大；收球操作工藝增加旁通閥門，防止清管器撞擊盲板。

2.2.3 跨國管道清管作業要點

跨國管道清管作業要點如下：

a.具備清管器發送和接收的工藝條件；

b.確認清管各工作組工作界面和職責；

c.清管器通關手續辦理；

d.邊境計量站臨時計量方式需要在業主方、海關和輸氣公司之間達成一致意見；

e.調控中心之間建立暢通的聯系和協調平臺；

f.使用同一接收頻率的信號接收機；

g.雙方保持良好的合作關系，密切配合。

3 清管作業風險分析及應對措施

清管作業雖然是輸氣生產中一種常規作業，但相對其他生產作業風險性較大，在清管作業過程中最有可能出現的是清管器卡堵事故；在收發球過程中，如果操作不當，有可能出現天然氣泄漏引起火災事故；由于硫化亞鐵自燃也能引起火災事故；甚至發生人身傷害事故。 一旦事故發生，將影響全線的安全生產運行， 甚至造成停輸、割管等重大惡性生產事故，同時也將造成不可估量的經濟損失［9］。

3.1 清管器卡堵

當清管器前后壓差大于0.5 MPa時，可判斷清管器存在卡堵。 潛在原因為：

a.清管器在行進過程中遇到較多的粉塵，阻礙其行進；

b.管段嚴重變形導致清管器受阻；

c.管道彎頭的半徑小于清管器能夠通過的最小半徑；

d.管段內存在阻礙清管器前進的大障礙物，如一段脫落的三通隔板、大的金屬物體等；

e.并行管道之間的跨接線未關閉，清管器進入兩跨接線間停止行進。

解決辦法：

a.增大推球氣量， 以加大清管器前后壓差，使之運行；

b.降低清管器前的壓力， 以建立一定壓差，使之繼續運行；

c.排放清管器后天然氣，反推清管器解卡；

d.如果因管道冰堵造成清管器卡堵，則可采用局部加熱方式解堵；

e.以上方法均不能解卡時，需定位清管器位置，采取割管的方式取出清管器。

3.2 清管器破裂

清管器在行進過程中被磨損、劃傷而導致破裂，進而會使清管器停止運行。 解決辦法：

a.再發一個清管器將遺留在管內的清管器推出；

b.上述方法無效時， 需定位清管器位置，采取割管的方式取出清管器。

3.3 清管器漏氣

由于清管器皮碗磨損而漏氣會使清管器運行緩慢或導致行進停止。 解決辦法是增大推球氣量推球或再發一個過盈量較大的清管器推出前一個清管器。

4 中哈天然氣管道清管器解堵實踐

中哈天然氣管道按計劃開展C線跨境段（C線8號清管站-霍爾果斯站） 內檢測第1輪清管器發球作業，全程120.1 km，其中哈國境內114.8 km、中國境內4.3 km，沿途穿越哈國伊犁河，地勢相對平坦，個別地段稍有起伏，河流、溝壑眾多，水網密布，地表為農田和草地。 根據清管器運行速度變化（圖6）可知，清管器經過61號閥室后球速明顯下降，在進入哈國段軍事緩沖區后“失聯”，判斷清管器出現卡堵現象； 后續通過調整全線工藝，制定提量沖球方案，增大推球氣量，以加大清管器前后壓差，使之運行，成功解決清管器卡堵事件。

圖6 清管器運行速度變化

潛在原因分析：

a.清管器經過61號閥室后球速明顯降低，可能是清管器皮碗有破損，在霍爾果斯調整為收球流程后，C線輸量下降， 近霍爾果斯處高程增加，清管器停留在管道爬坡處，球推進力弱無法克服高差進而停止；

b.霍爾果斯河為大開挖方式， 兩邊存在20°斜角，造成清管器停止；

c.清管器在一個三通位置卡阻，無法運行；

d.清管器破碎停留在管道內部，無法運行；

e.管道變形造成清管器卡阻，無法運行。

解堵措施：

a.使用信號探測儀器開展64號閥室至中哈邊境處的搜尋工作，確定清管器的位置。

b.制定提量沖球方案。提高管道下游接氣量至1.4億立方米/日，同時做好低于6.5～6.7 MPa接氣準備； 將中哈天然氣管道C線末站調整為怠速運行，降低卡球段管道管存，管道接氣點降壓2 MPa；降低中哈管道C線各站運行負荷，確保最快速度降低事故段管存， 避免影響上游氣源進氣；當管道末端接氣壓力降至目標值后，將AB線末站調為怠速狀態，C線末站快速加載，按照最大能力處理，將管道瞬時流速提高20 km/h，利用瞬間氣流推動清管器運行。

5 結論與建議

長輸天然氣管道清管器卡堵的治理需要采取多種措施，包括預防措施、應急處理、定期檢測和維修以及智能化清管器等。 只有綜合運用這些措施， 才能有效地減少清管器卡堵問題的發生，保障天然氣管道的安全和穩定運行。 相關建議如下：

a.清管前確認全線工藝狀態，關閉并行管道建跨接線，關注氣質變化，防止冰堵情況產生，必要時可提前采取注甲醇措施。

b.制定清管跟蹤記錄表，及時跟蹤清管器位置，并作出預測。

c.清管器常年使用造成劃傷、破裂、磨損，影響正常使用，因此為了避免出現竄氣現象，應對清管器進行日常的維護保養，更換過盈量不足以及皮碗嚴重磨損、破裂的清管器。 清管作業前檢查清管器，確保符合作業條件。

d.清管收球過程中， 合理調整收球工藝，控制管道進出口壓力，合理控制清管器速度，在排液的過程中，按照多次、緩慢的排液原則，將液量控制在合理的范圍內。 使天然氣在進入預分離段后氣液有效分離， 避免大量液體進入下游設備，保證運行安全。