清管產(chǎn)品及技術(shù)綜述

王紫涵 宋華東 郭曉婷 張赟 王晴雅

摘 要：清管是管道建設(shè)和運(yùn)行中的重要程序。本文分別從清管器的工作原理、國內(nèi)外發(fā)展歷史、清管器產(chǎn)品分類、應(yīng)用領(lǐng)域、標(biāo)準(zhǔn)體系概況、清管產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀及清管質(zhì)量控制現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了研究。介紹了國內(nèi)外清管技術(shù)的最新進(jìn)展。深入研究了目前應(yīng)用比較廣泛的智能清管器主要技術(shù)：基于渦流檢測技術(shù) 、 超聲波檢測技術(shù)以及漏磁檢測技術(shù)，由于技術(shù)的復(fù)雜性，使得智能清管器的應(yīng)用目前還具有一定的局限性。此外還介紹了國際管道清管標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)理念，借鑒國外清管技術(shù)的先進(jìn)性，對于提高我國管道清管技術(shù)水平以及制定清管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范具有重要意義。

關(guān)鍵詞：清管器; 檢測;管道;泄露; 渦流;超聲波; 漏磁

由于石油與天然氣復(fù)雜的性質(zhì)以及管道穿越地區(qū)地貌的多樣性，管道運(yùn)行時(shí)內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)、結(jié)垢、變形等問題。所以對管道投產(chǎn)前和運(yùn)行過程中進(jìn)行清管處理必不可少。清管器作為一種管道內(nèi)部清管裝置，在管道行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，衍生出具有無損檢測，數(shù)據(jù)采集、處理和儲(chǔ)存功能的智能清管器，具有極高的效率和經(jīng)濟(jì)性。

1? 概述

1.1? 清管器工作原理

清管器的工作原理是將清管器放人管道中形成密封，依靠被清洗管道內(nèi)流體的自身壓力或通過其他設(shè)備提供的水壓或氣壓作為動(dòng)力，推動(dòng)清管器在管道內(nèi)向前移動(dòng)，刮削管壁污垢，將堆積在管道內(nèi)的污垢及雜物推出管道[1]。

1.2? 清管器行業(yè)發(fā)展歷史

清管是由管道結(jié)蠟問題引起的作業(yè)想法而發(fā)展的技術(shù)。該技術(shù)是隨著管道輸送工業(yè)的發(fā)展而不斷提高的，國外已有100多年的歷史。國內(nèi)采用清管工藝清洗管道是從20世紀(jì)60年代中期開始的，在輸氣管道上應(yīng)用比較普遍，但近幾年發(fā)展很快，油、氣、水管道都廣泛采用，并取得越來越顯著的效果。

據(jù)大量資料表明，國外640mm輸氣管道中，1950年以前設(shè)計(jì)的裝有清管器收發(fā)裝置的占24%，1960年以前建造的占51%，而1960年以后建設(shè)的長輸管道幾乎100%裝有清管器收發(fā)裝置。由此可見，清管工藝在迅速發(fā)展和普及。

1.3? 清管器應(yīng)用領(lǐng)域

（1）運(yùn)營中天然氣管線：清除管線內(nèi)部積水、輕質(zhì)油、甲烷水合物、氧化鐵、碳化物粉塵、二硫化碳、氫硫酸等腐蝕性物質(zhì);降低腐蝕性物質(zhì)對管道內(nèi)壁的腐蝕損傷;重新明確管線走向;檢測管線變形;檢查沿線閥門完好率;減小工作回壓。

（2）運(yùn)營中原油管線：管線內(nèi)檢測前清管、低輸量間歇運(yùn)行輸油管線清管;清除管線內(nèi)部的凝油、結(jié)蠟、結(jié)垢，達(dá)到減小輸油回壓、減小磨阻、降低輸油溫度的目的。

（3）化工物料及食用油管線：清理具有聚合性物料管線;隔離不同管輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)單管多品輸送、計(jì)量管輸介質(zhì)。

（4）分段清管掃線試壓：清除管線雜物、浮銹、排水、排氣。

（5）總通清管試壓：檢測管線變形、施工質(zhì)量。水壓試驗(yàn)前排氣、生產(chǎn)前排水、干燥、介質(zhì)隔離。

（6）輸水、注水管線：清除水垢、沉積物。

2? 標(biāo)準(zhǔn)體系概況

管道的鋪設(shè)、運(yùn)行安全性具有戰(zhàn)略意義，國家出臺(tái)了一些列法律法規(guī)，保障管線能夠有序安全的運(yùn)行，法律法規(guī)情況如下：

（1）國家《 石油天然氣管道安全監(jiān)督與管理暫行規(guī)定》的要求

第34條：石油天然氣管道應(yīng)定期進(jìn)行全面檢測，新建石油管道應(yīng)在投產(chǎn)三年后進(jìn)行檢測，以后視管道安全狀況確定檢驗(yàn)周期，最多不得超過8年;

（2）國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《海洋石油安全生產(chǎn)規(guī)定》海底管線在其建成后每年進(jìn)行檢測，每五年進(jìn)行特別定期檢測;

（3）《國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)關(guān)于印發(fā) 2016 年油氣輸送管道安全隱患整治 攻堅(jiān)戰(zhàn)工作要點(diǎn)的通知》（安委[2016]6 號）

（4）《關(guān)于貫徹落實(shí)國務(wù)院安委會(huì)工作要求全面推行油氣輸送管道完整性管理的通知》（發(fā)改能源[ 2016 ]2197 號）

（5）《質(zhì)檢總局 國資委 能源局關(guān)于規(guī)范和推進(jìn)油氣輸送管道法定檢驗(yàn)的通知 》 （國質(zhì)特檢聯(lián)[2016 ]560號）

俄羅斯管道標(biāo)準(zhǔn)更新較慢，但俄羅斯管道運(yùn)營技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在綜合性、系統(tǒng)性方面比我國標(biāo)準(zhǔn)成熟，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容豐富，使用方便，可操作性強(qiáng)，值得我國借鑒學(xué)習(xí)。深入研究俄羅斯管道清管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)理念和發(fā)展趨勢，對于完辨提高我國管道清管技術(shù)具有指導(dǎo)意義[2] 。

3? 清管產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀

清管器經(jīng)過100多年的發(fā)展，已經(jīng)由最初單一的清除管道內(nèi)雜物功能發(fā)展到如今可以檢測管線尺寸甚至檢測管線金屬損失和腐蝕情況的功能。管道內(nèi)檢測種類繁多，在評估管道壽命、制定維護(hù)計(jì)劃、保障管道運(yùn)行等方面都具有重要作用[3]。

國內(nèi)外長輸管道應(yīng)用最廣泛的是漏磁內(nèi)檢測（MFL）和超聲波內(nèi)檢測（UT），新建管道投產(chǎn)過程中使用是變形內(nèi)檢測和測繪檢測，裂紋檢測是管道內(nèi)檢測技術(shù)的難點(diǎn)，衍生了電磁超聲內(nèi)檢測（EMT）。隨著電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，渦流檢測、磁記憶法、弱磁法和陰保電流內(nèi)檢測成為新興的技術(shù)，仍處于驗(yàn)證階段，尚未大規(guī)模成功應(yīng)用于工業(yè)管道。研發(fā)高精度、高分辨率的檢測期產(chǎn)品是國外發(fā)達(dá)國家內(nèi)檢測公司的優(yōu)勢技術(shù)，例如美國GE公司、英國國家GAS公司和德國Rosen公司。

3.1? 漏磁內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者針對漏磁內(nèi)檢測技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。針對漏磁場特性，特別是漏磁信號的處理以及缺陷特征的分析進(jìn)行了深入研究。通過實(shí)驗(yàn)證明了利用軸向勵(lì)磁方式產(chǎn)生的非均勻磁場可以有效地檢測出管道軸向?qū)虻莫M窄裂紋，但是磁極附近的背景磁場對裂紋檢測的精度影響很大;比較現(xiàn)有無損檢測技術(shù)，提出了變勵(lì)磁的漏磁檢測技術(shù)，經(jīng)過仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該技術(shù)能夠檢測鋼板內(nèi)、外表面缺陷，并可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外表面缺陷的區(qū)分;對漏磁檢測中的缺陷重構(gòu)方法進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了開環(huán)逆向重構(gòu)法和閉環(huán)偽逆向重構(gòu)法;俄羅斯TDW公司研發(fā)的基于螺旋磁化原理的漏磁內(nèi)檢測器（Spir ALL TM），從總體上沒有顯著增加內(nèi)檢測器的長度，并可以對各個(gè)方向的狹長缺陷、裂縫、分層進(jìn)行精確測量;GE PII 公司在20 世紀(jì)70 年代開發(fā)出高分辨率的漏磁檢測器，可以同時(shí)記錄3個(gè)獨(dú)立方向的漏磁信號，首次實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確檢測管道環(huán)向螺旋焊縫缺陷，代表了該類型內(nèi)檢測產(chǎn)品的最高技術(shù)水平[4]。

3.2? 超聲內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

超聲波技術(shù)是80年代末才引入的。國外最先將超聲波技術(shù)引入腐蝕檢測智能檢測的是日本的NKK（日本鋼管株式會(huì)社）和德國Pipetronix公司，以后加拿大、美國等也相繼研制了這類超聲內(nèi)檢測器。

美國GE公司研制出第二代超聲波腐蝕內(nèi)檢測器，研發(fā)的超聲波相控陣內(nèi)檢測器檢測管道的里程已達(dá)數(shù)千公里，并且成功檢測長25 mm、深1 mm 的裂紋，檢測準(zhǔn)確率超過90%。安橋公司研發(fā)的彈性波檢測器和超聲波管道事故檢測器檢測的管道已經(jīng)超15000 km，分辨率和精度都達(dá)到很高的水平，檢測速度更快，同時(shí)檢測結(jié)果的表現(xiàn)方式更加多樣[5]。超聲內(nèi)檢測器的典型代表產(chǎn)品德國環(huán)球無損檢測公司生產(chǎn)的Line Explorer系列產(chǎn)品，其中UM型產(chǎn)品設(shè)計(jì)了壓電傳感器發(fā)射垂直型超聲波，主要用于測量管道壁厚和金屬損失;UC型產(chǎn)品設(shè)計(jì)了壓電換能器發(fā)射角度束型超聲波，可檢測大部分平面和體積型裂紋缺陷;TCM型產(chǎn)品設(shè)計(jì)壓電傳感器同時(shí)發(fā)出垂直型和傾角超聲波，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測金屬損耗和裂紋缺陷。

3.3? 渦流內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀

渦流內(nèi)檢測技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理發(fā)展而來的管道無損內(nèi)檢測技術(shù)。利用管道磁化后內(nèi)壁缺陷處非均勻磁場引起的渦流分布變化產(chǎn)生檢測信號。

目前已應(yīng)用的渦流檢測技術(shù)包括單頻、多頻、遠(yuǎn)場、脈沖和深層渦流技術(shù)，新發(fā)展的有阻抗平面顯示技術(shù)和磁光渦流成像技術(shù)。渦流檢測缺點(diǎn)是覆蓋面積有限，只能近表面檢測。為解決這一技術(shù)瓶頸，遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)（Remote Field Eddy Current，RFEC）采用的是低頻渦流信號，可以穿透整個(gè)管壁厚度，可對管壁外表面的腐蝕缺陷進(jìn)行檢測，但對軸向裂紋檢測效果不好。RFEC不要求使用耦合介質(zhì)，可以直接用于氣體管道，目前較成熟的遠(yuǎn)場渦流內(nèi)檢測器主要有Russell公司研發(fā)的See Snake。

4? 清管質(zhì)量控制及應(yīng)用現(xiàn)狀

清管是管道建設(shè)和運(yùn)行中的一項(xiàng)重要工作，對于保證管道安全、降低管道能耗具有重要意義[6]。國內(nèi)管道清管主要問題是效果不太理想，特別是大落差管道，管道低點(diǎn)位置積液不能完全清除，清管器跟蹤預(yù)測精度低，發(fā)生清管器卡阻等問題。

在實(shí)際清管作業(yè)中，常會(huì)遇到以下問題：

4.1? 清管器卡堵問題

管道清管作業(yè)最大的風(fēng)險(xiǎn)因素是清管器卡堵。國內(nèi)管道實(shí)踐表明，清管器卡堵的主要原因是管道變形、彎頭半徑小于清管器允許通過的最小半徑、管道內(nèi)水和污物過多、三通設(shè)計(jì)不合理等]。

針對清管器卡堵問題提出了解決對策，一旦出現(xiàn)了清管器卡堵的現(xiàn)象，可先使用增大推動(dòng)壓差的方法，但是不能盲目地增加進(jìn)氣量，因?yàn)榇_保清管器的后方壓力在合適的范圍之內(nèi)，不超過管道最高允許的工作壓力。假如這個(gè)方法仍然不能夠緩解卡堵的情況，那么可以將清管器后方的天然氣排放出去，反推清管器來解決這一情況[7]。

4.2? 速度控制問題

（1）國內(nèi)清管器速度控制技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)天然氣管道清管器速度控制主要基于調(diào)整輸氣量控制管道流速，工藝措施包括控制上游來氣壓力、協(xié)調(diào)下游接氣量、用戶供氣方式調(diào)整等，但由于管道瞬時(shí)氣量不穩(wěn)定、清管器運(yùn)行特性和泄流孔作用等，該方法存在調(diào)速滯后、誤差大等缺點(diǎn)[8]。

（2）國外清管器速度控制技術(shù)現(xiàn)狀

國外管道機(jī)構(gòu)研制了可控制清管器速度的旁通閥調(diào)速裝置，并進(jìn)行了工業(yè)管道試驗(yàn)，例如韓國Nguyen研究了旁通孔流速與清管器運(yùn)行速度的關(guān)系，在KOGAS輸氣管道進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了含旁通孔清管器的速度預(yù)測方法的可靠性。俄羅斯研制了基于旁通閥的調(diào)速管道內(nèi)檢測器。英國BJ、德國Rosen、美國GE-PII公司和Tuboscope公司已有成熟的調(diào)速清管器產(chǎn)品，成立了全球性管道行業(yè)協(xié)會(huì)管道技術(shù)與服務(wù)協(xié)會(huì)，致力于提供專業(yè)的管道可調(diào)速清管作業(yè)和管道內(nèi)檢測服務(wù)。

4.3? 清管器跟蹤定位問題

天然氣管道清管器跟蹤定位主要依靠定點(diǎn)監(jiān)聽和計(jì)算預(yù)測，可能導(dǎo)致丟球，或者收球流程切換不及時(shí)導(dǎo)致污物進(jìn)入站內(nèi)管道的事故。定點(diǎn)監(jiān)聽一般做法是在清管管段的線路閥室設(shè)置監(jiān)聽點(diǎn)，另外至少設(shè)置2個(gè)監(jiān)聽點(diǎn)，原則上在發(fā)球站出站500～1000m處，另一個(gè)設(shè)置在收球站進(jìn)站前1000～2000m處，此外在隧道、穿越點(diǎn)設(shè)置臨時(shí)監(jiān)聽點(diǎn)。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定清管器跟蹤由專業(yè)承包商負(fù)責(zé)，專業(yè)承包商數(shù)量與清管管段長度相關(guān)。此外在下列位置也設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，例如線路截?cái)嚅y;與干線管道不小于70%夾角的支線管道連接處;與干線管道夾角45°的彎管處。俄羅斯重視清管器跟蹤作業(yè)，由專業(yè)承包商負(fù)責(zé)，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置位置、間距等要求相對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，具有借鑒意義[9]。

4.4? 探頭控制問題

在管道內(nèi)檢測器中，探頭控制問題尤為重要。傳統(tǒng)工業(yè)相控陣定方法不具有角度、聲程、晶片增益修正技術(shù)，采用單一入射點(diǎn)校準(zhǔn)方式與常規(guī)修正，造成的扇形掃查區(qū)域中能量分布不均勻及測量誤差等問題未能有效解決，所以需要相控陣設(shè)備具有角度補(bǔ)償功能。

為更好地達(dá)到效果，應(yīng)選擇超聲相控陣AUT技術(shù)，相控陣探頭有多個(gè)小晶片，每一個(gè)晶片都會(huì)被獨(dú)立激發(fā)，并施加不同的時(shí)間延遲，以實(shí)現(xiàn)聲束的角度和聚焦可在很大范圍內(nèi)變化。

4.5? 信號傳輸、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建設(shè)問題

在目前的燃?xì)夤艿辣O(jiān)控技術(shù)里，這部分類似SCADA系統(tǒng)功能，但由于采集的數(shù)據(jù)類型和所需的結(jié)果不同，因此分析技術(shù)選擇略有差異。SCADA系統(tǒng)的作用是正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、加快決策、快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等。而檢測器后臺(tái)支持系統(tǒng)需要分析腐蝕程度并加以分類，但是由于管道內(nèi)檢測的特殊要求，在多通道、小型化、數(shù)據(jù)處理、壓縮、解釋、掃描成像等方面還存在很多技術(shù)難點(diǎn)，可以采用多類支持向量機(jī)分類器，鑒于其在機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、信號處理與分類領(lǐng)域的優(yōu)越性能，可以將多類支持向量機(jī)分類器應(yīng)用于處理超聲波內(nèi)檢測的回波信號。

5? 結(jié)束語

國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)清管器的研究已比較成熟，清管器從傳統(tǒng)意義上的物理清管器發(fā)展到清管和檢測結(jié)合于一體的智能清管器。隨著現(xiàn)場應(yīng)用的需求逐步完善，對于清管器的要求會(huì)越來越高。清管器的發(fā)展越來越偏向于數(shù)字化、智能化、高精度、遠(yuǎn)距離的方向。

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作者簡介：

王紫涵（1991-），碩士研究生，主要從事清管器工作。