畢春波李超鋒（.中國(guó)石化天然氣川氣東送管道分公司， 湖北 武漢 43000；.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074）

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川氣東送管道清管清出物中元素特征的聚類分析

畢春波1李超鋒2（1.中國(guó)石化天然氣川氣東送管道分公司， 湖北 武漢 430020；
2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074）

摘要：川氣東送管道工程是國(guó)家“十一五”重點(diǎn)工程，自投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生積液、沉積物等污物，從而對(duì)站場(chǎng)的運(yùn)行造成影響。因此川氣東送管道分公司對(duì)管道主干線進(jìn)行了清管作業(yè)，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亞鐵粉末等污物。本文對(duì)這些管道清管清出物中元素特征進(jìn)行聚類分析，把九段管段分成了四種類型，通過(guò)分析不同類型管段的特點(diǎn)，為清管器選擇及清管方案的制定提供借鑒。

關(guān)鍵詞：川氣東送；清管器；管道清出物；聚類分析

繼水運(yùn)、陸運(yùn)、空運(yùn)成為當(dāng)今社會(huì)的三大動(dòng)脈之后，迅速發(fā)展的地下管道運(yùn)輸已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的第四大動(dòng)脈。但是隨著管路的增多、管齡的增長(zhǎng)和輸送壓力的提高，管道結(jié)垢、腐蝕、泄漏和堵塞等問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，管道安全引起了人們的極大關(guān)注。由于一旦出現(xiàn)管道事故，不但會(huì)給人們的正常生活帶來(lái)影響，而且會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成無(wú)法彌補(bǔ)的傷害。如2013年11月22日山東省青島市中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，事故共造成63人遇難，156人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。因此維護(hù)管道的正常運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是近十多年來(lái)，隨著管道輸送事業(yè)的大發(fā)展，清管技術(shù)更是得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，出現(xiàn)了適應(yīng)各種需要的清管設(shè)備，其中清管器是最主要的清管設(shè)備。

清管器（ PIG） 作為管道清管中必不可少的機(jī)具，在1962年由美國(guó)的Knapp 公司和Girard公司開發(fā)，并用于管道清洗［1-2］。1965年清管器在日本開始應(yīng)用。20世紀(jì)60年代中期，中國(guó)開始采用清管器清洗技術(shù)，至今已有五十多年的歷史［3］。然而目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)具體的清管規(guī)程，對(duì)清管器的選擇、過(guò)盈量參數(shù)的確定以及速度預(yù)測(cè)、流程控制等方面均無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定和精確的判斷［4］，因此在設(shè)備選型方面存在較大困難。

2010～2011年川氣東送管道分公司分段完成了川氣東送管道主干線在線清管作業(yè)，清出了大量的污水、泥沙、焊渣以及硫化亞鐵粉末等污物，并委托相關(guān)單位對(duì)清管清出物中所含元素進(jìn)行了分析。2013年本公司又對(duì)南京支線十字鎮(zhèn)至金壇管段進(jìn)行清管作業(yè)，原計(jì)劃進(jìn)行4～5次收發(fā)球作業(yè)，但在實(shí)際清管過(guò)程中卻遇到困難：第一次收到泡沫清管器后，由于接收到的清管器磨損較大，且表面有較多尖銳劃痕，因此進(jìn)行了第二次泡沫清管器的發(fā)送；第三次單向皮碗清管器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了卡堵現(xiàn)象，導(dǎo)致清管器停止運(yùn)行超過(guò)30小時(shí)，且收到的清管器磨損嚴(yán)重。鑒于以上情況，十字鎮(zhèn)-金壇管段已不具備繼續(xù)清管的條件，出于控制風(fēng)險(xiǎn)的考慮，最終現(xiàn)場(chǎng)指揮組確定本次清管作業(yè)到此結(jié)束。事后通過(guò)對(duì)清管器磨損情況和清管清除物所含元素等情況進(jìn)行分析，得出此次清管器選型存在錯(cuò)誤。

清管作業(yè)是提高管道輸送效率的重要措施，正確的選擇管道清管設(shè)備是保證清管作業(yè)成功的關(guān)鍵。因此了解被清洗物的分類，掌握被清洗物的性質(zhì)，對(duì)于正確的選擇清管器的種類，實(shí)施有效的清洗至關(guān)重要。本文對(duì)2010～2011年川氣東送管道清管清出物中所含元素特征進(jìn)行研究，以期為下次川氣東送管道主干線或同類型管道清管作業(yè)提供借鑒。

1 研究方法

聚類分析是直接比較樣本中各指標(biāo)（或樣本）之間的“性質(zhì)”，將性質(zhì)相近的歸為一類，性質(zhì)差別較大的歸為不同類。常用的聚類方法有： 系統(tǒng)聚類法、有序樣本聚類法以及模糊聚類法等。

（1）系統(tǒng)聚類的基本思想 先將待聚類的n個(gè)樣品（或者變量）各自看成一類，共有n類；然后按照事先選定的方法計(jì)算每?jī)深愔g的聚類統(tǒng)計(jì)量，即某種距離（或者相似系數(shù)），將關(guān)系最密切的兩類合并成一類，其余不變，即得n-1類；再按照前面的計(jì)算方法計(jì)算新類與其他類之間的距離（或者相似系數(shù)）在將關(guān)系最密切的兩類并為一類，其余不變，即得n-2類；如此繼續(xù)下去，每次重復(fù)都減少一類，直到最后所有的樣品（或者變量）歸為一類為止。根據(jù)不同類之間距離的多種定義，將系統(tǒng)聚類方法歸納為最短距離法、最長(zhǎng)距離法、類平均法、重心法及離差平方和法等。

（2）類平均聚類法 將類與類間的距離定義為樣品間平方距離的平均值，將距離最近的兩類合并為一類，最終實(shí)現(xiàn)聚類的目的［5］。假設(shè)存在類 Gk、GL，則Gk和GL之間的平方距離的計(jì)算如公式（1）所示。

若某一步類 Gk和GL合并成新類GM時(shí)，GM與另一類GJ的平方距離可以推廣為公式（2）

利用公式（1）、（2）以及樣品之間的信息，將平均距離小即相似性高的不同類合并為一類，分析問(wèn)題的共性以便找出針對(duì)性措施。

2 聚類分析

（1）數(shù)據(jù)來(lái)源 川氣東送管道分公司委托相關(guān)單位對(duì)川氣東送管道主干線各管段管道清管清出物中所含元素主要進(jìn)行了掃描電鏡成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

（2）聚類結(jié)果分析，見(jiàn)圖1 以元素為變量運(yùn)用 SPSS 軟件對(duì)九個(gè)管段的元素特征數(shù)據(jù)運(yùn)用類平均法進(jìn)行聚類分析，得出聚類樹圖（圖1）。由圖1可知，當(dāng)類間距離為5時(shí)，可將九個(gè)管段分為四類。

類別I： 潛江—武漢。該類的主要特征是管道清管清出物中不含Ca元素，而且只有這一類含N元素且質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了8.59%。同時(shí)該類中O、Al、Si元素的含量都是最高，其中O、Si元素含量分別達(dá)到了29.45%和23.62%。

表1 川氣東送管道清管清出物中元素的分析數(shù)據(jù)（Wt%）

圖1 聚類樹圖

類別Ⅱ： 宜昌—潛江、十字鎮(zhèn)—金壇。該類的主要特征就是Fe元素含量最高，尤其是十字鎮(zhèn)—金壇管段Fe元素含量達(dá)到了52.22%。

類別Ⅲ： 梁平—黃金、恩施—野三關(guān)。該類的C、O、Si元素含量偏高。

類別Ⅳ： 普光—梁平、黃金—利川、利川—恩施、野三關(guān)—宜昌。該類的主要特征是含有B元素，并且其含量特別高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在35%～41%之間。

3 結(jié)論分析與建議

通過(guò)前面的聚類分析結(jié)果可以看出，不同類別的管道清管清出物中所含元素的差異很大，如果清管設(shè)備選用不當(dāng)，不但不能達(dá)到清管目的，而且可能造成管道堵塞、穿孔，因此，在清管時(shí)不能一概而論的選擇清管器。

針對(duì)上述問(wèn)題提出以下建議。

類別I清管清出物中O、Si元素的含量較多，說(shuō)明管道內(nèi)部有較多的泥沙，可能是建設(shè)施工期間遺留到管道內(nèi)的沙石物質(zhì)。因此比較適合選用具有清理作用的清管器，例如整體清管器［6］。這種清管器通常由單一材料（聚氨酯）模壓而成，可以制成不同形狀，并且大都由中心柱體以及沿柱體分布的多個(gè)肋片組成。由于清管器的中心柱體是中空且尾部是敞開的，這樣驅(qū)動(dòng)壓力就能作用清管器內(nèi)部使其有膨脹的趨勢(shì)，加強(qiáng)清管器與管壁的密封作用。同時(shí)也可在整體清管器上安裝刮削器或鋼刷等清理部件，進(jìn)行除蠟、除銹、除塵等操作。

類別Ⅱ清管清出物中Fe元素的含量較多，主要原因是管道開始運(yùn)營(yíng)后，管道內(nèi)部腐蝕或者是管線內(nèi)部殘留的焊渣、焊條及其它金屬物件產(chǎn)生了含鐵物質(zhì)。建議首先使用磁力清管器進(jìn)行管道清洗，將管線內(nèi)部含鐵物質(zhì)吸附在清管器的磁鐵上清理出來(lái)；然后使用安裝有強(qiáng)磁性磁鐵的磁檢測(cè)清管器，在所在管段形成強(qiáng)烈磁場(chǎng)，并通過(guò)傳感器檢測(cè)磁漏位置，進(jìn)而確定金屬損失位置；最后根據(jù)探傷結(jié)果采取相應(yīng)的防腐措施。

類別Ⅲ 清管清出物中元素含量比較平均，可選型比較多。建議使用皮碗式清管器，該清管器清管效果較好，造價(jià)便宜，可以更換易損壞部件，也便于安裝各種測(cè)試儀器。由于管道在初次投入清管器運(yùn)行時(shí)，清管器有可能被卡在管內(nèi)，因此為方便尋找被卡住的位置，可在清管器中放入一個(gè)能發(fā)射無(wú)線電波的示蹤器，以便用探測(cè)器準(zhǔn)確地找到清管器的位置。

類別Ⅳ 清管清除物中B元素含量特別高，由于B元素存在狀態(tài)與SiO2基本相同，故對(duì)該物質(zhì)的清除方法參照類別I。

但是導(dǎo)致類別Ⅳ中B元素含量特別高的原因，需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉剛，陳雷，張國(guó)忠，高國(guó)平，盧孟鑾.管道清管器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，09：646-653+633.

［2］鄭莉.清管器技術(shù)展望［J］.清洗世界，2012，08：34-38.

［3］馬振杰.清管與檢測(cè)技術(shù)在川氣東送管道中的研究與應(yīng)用［D］.西南石油大學(xué)，2013.

［4］王會(huì)坤，羅京新，戚菁菁.川氣東送管道干線清管實(shí)踐［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，04：408-412.

［5］陳江麗. 基于類平均聚類法的普通高等專科學(xué)校辦學(xué)規(guī)模區(qū)域差異研究［J］.西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，03：46-48+72.

［6］張磊，李宜震，王沖，王小平.清管器應(yīng)用及分類簡(jiǎn)析［J］.化學(xué)工程與裝備，2013，07：173-176.

作者簡(jiǎn)介：畢春波（1982- ），中國(guó)石化天然氣川氣東送管道分公司，崗位是安全環(huán)保，研究方向是天然氣長(zhǎng)輸管道安全環(huán)保管理。