張科,李潔玉,白鑫

陜西省天然氣股份有限公司（陜西 西安 710016）

在長(zhǎng)輸天然氣管道建設(shè)和運(yùn)行過程中，不可避免地會(huì)將砂石、雨水、隔離球、黃泥墻、焊渣以及其他雜物帶入管道內(nèi)，其隨著氣流的作用長(zhǎng)期堆積在管道內(nèi)某些特定位置。天然氣中夾雜的凝析水、H2S、CO2及其腐蝕產(chǎn)物在管道中日積月累，會(huì)增加氣體輸送的摩阻損失，降低管道輸送效率，嚴(yán)重情況下各種因素共同作用甚至?xí)斐晒艿辣?，影響下游用戶正常用氣[1-2]。因此，定期進(jìn)行清管作業(yè)對(duì)于管道長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。然而在清管過程中，會(huì)因諸多因素導(dǎo)致清管器卡堵，影響作業(yè)的順利進(jìn)行及后續(xù)正常生產(chǎn)。

1 清管器卡堵的危害

在役長(zhǎng)輸管道的清管作業(yè)，即利用管道輸送的氣體介質(zhì)，推動(dòng)清管器在管道內(nèi)運(yùn)行。由于清管器外沿與管道內(nèi)壁存在一定的過盈量，兩者之間屬于彈性密封，能夠在清管器前后建立一定的壓力差，以此為動(dòng)力源，由清管器自身或所帶機(jī)具依靠刮削、沖刷作用清除管道內(nèi)的結(jié)垢或沉積物，以達(dá)到清管的目地。當(dāng)發(fā)生清管器卡堵故障時(shí)，清管器前后壓差會(huì)在短時(shí)間內(nèi)驟增，前端壓力由于下游用戶的持續(xù)用氣不斷降低，后端則會(huì)產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象。隨著清管器前后壓力的變化，常常會(huì)對(duì)管道沿線場(chǎng)站、閥室的設(shè)備產(chǎn)生一系列不良影響。譬如，管道設(shè)備超壓、壓縮機(jī)跳車、場(chǎng)站ESD系統(tǒng)緊急響應(yīng)、閥門自動(dòng)關(guān)斷等，影響管網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。若清管器卡堵故障不能及時(shí)處理，則會(huì)對(duì)下游用戶用氣造成影響，嚴(yán)重時(shí)甚至造成停輸事故[3-4]。

2 清管器卡堵原因分析

在清管作業(yè)過程中，導(dǎo)致清管器卡堵的原因是多方面的，具有不可預(yù)知性，通常可將其原因歸納為以下3類：壓差不足、清管器故障、管線的缺陷。

2.1 壓差不足

清管過程中工藝調(diào)整不當(dāng)，清管器推力不足，進(jìn)而導(dǎo)致清管器停止運(yùn)行，出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象。清管器卡堵往往出現(xiàn)在高差較大的坡底、污物堆積較多的管道轉(zhuǎn)角或低洼處，且一旦清管器卡堵，則清管器二次啟動(dòng)的相關(guān)量將難以定量控制，存在一定的危險(xiǎn)性。

2.2 清管器故障

清管器在管道內(nèi)要進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)行，其與管道內(nèi)壁會(huì)發(fā)生摩擦，當(dāng)管道內(nèi)硬性雜質(zhì)較多時(shí)，會(huì)加劇清管器與管道內(nèi)壁間密封的損傷，從而導(dǎo)致清管器前后壓差降低、推力不足而出現(xiàn)卡堵故障。此外清管器在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)因管道內(nèi)的金屬引管接頭過長(zhǎng)、封堵法蘭墊片伸入管道過多以及管內(nèi)各種硬質(zhì)污物相互作用造成清管器撕裂、肢解于管道內(nèi)，成為二次清管時(shí)卡堵的隱患。

2.3 管線的缺陷

管道在施工或運(yùn)行過程中，由于外力作用使管道發(fā)生形變，導(dǎo)致管道局部通徑變小，清管器難以通過而發(fā)生卡堵故障。對(duì)于管道沿線的附屬設(shè)施，譬如線路截?cái)嚅y、連接法蘭、管道變徑等，若其開度、內(nèi)徑等與管道不一致，也將損壞清管器，甚至發(fā)生卡堵影響清管作業(yè)[5]。在長(zhǎng)輸管道選線中難免出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，此時(shí)彎頭的選擇至關(guān)重要。為保證清管器順利通過，根據(jù)規(guī)范要求彎頭的曲率半徑應(yīng)大于等于1.5倍管道直徑[6]，若選型未達(dá)到清管器通過要求，則將出現(xiàn)清管死角，大大增加了卡堵的概率。

3 清管器卡堵定位

天然氣長(zhǎng)輸管道具有線路長(zhǎng)、站點(diǎn)多且零散的特點(diǎn)，管道常需要穿越高原、山脈、河流、溝壑、峁、梁等復(fù)雜地形，所處環(huán)境惡劣，且大多敷設(shè)于地下。當(dāng)發(fā)生清管器卡堵故障時(shí)，可通過工藝調(diào)整嘗試解卡，若解卡無果，則采取割管取球，以確保管線通暢，盡快恢復(fù)正常生產(chǎn)。此時(shí)，沿著管道走向快速、準(zhǔn)確地判定清管器卡堵的位置至關(guān)重要。

根據(jù)管道沿線壓力波動(dòng)，初步劃定清管器卡堵區(qū)域。清管器的運(yùn)行動(dòng)力來源于其前后壓力差，當(dāng)清管器卡堵時(shí)，球前壓力由于下游持續(xù)用氣而逐漸降低，球后則會(huì)產(chǎn)生憋壓，管道壓力逐漸升高。調(diào)度人員可以根據(jù)SCADA系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合前期清管運(yùn)行的模擬數(shù)據(jù)，初步判斷清管器位于某相鄰的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)人員利用手持探測(cè)儀，沿管道走向，尋找安裝于清管器中的信號(hào)發(fā)射裝置頻段，進(jìn)而確定具體的卡堵位置。

4 解卡方法

在清管作業(yè)時(shí)，若管道沿線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)未能按照預(yù)定計(jì)劃依次監(jiān)測(cè)到清管器通過信號(hào)，且收球筒長(zhǎng)時(shí)間未出現(xiàn)收球信號(hào)，則初步判斷清管器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道沿線壓力波動(dòng)異常，即球前壓力持續(xù)降低，球后壓力快速升高，則基本可以斷定清管器發(fā)生卡堵，通?？刹扇∫韵麓胧﹪L試解卡。

4.1 工藝調(diào)整

增大清管器后端進(jìn)氣量，提高推球壓力，若球后壓力升高到管線允許的最高工作壓力時(shí)，清管器故障仍未排除，則可通過降低球前管道壓力，進(jìn)一步增大清管器前后壓差，增加推球動(dòng)力，甚至可以同步進(jìn)行球后憋壓推球與球前排壓引球的工藝調(diào)整，直至清管器在管道內(nèi)繼續(xù)正常運(yùn)行。在正向推球解卡無果時(shí)，亦可采取反推清管器解卡，形成下游高壓力、上游低壓力的反向壓差，以此反向推動(dòng)清管器。在清管作業(yè)過程中，當(dāng)工藝條件允許時(shí)，正向推球與反向推球工藝可重復(fù)進(jìn)行，直至解卡。若清管器解卡壓差大于試水運(yùn)行時(shí)該位置靜水壓頭的1.2～1.6倍以上時(shí)仍未運(yùn)行，則可判斷清管器已卡死[7]。

4.2 二次發(fā)球

在進(jìn)行解卡工藝調(diào)整時(shí)，若推測(cè)由于清管器磨損、破裂等原因造成的漏失量過大而無法繼續(xù)完成清管作業(yè)時(shí)，可進(jìn)行二次發(fā)球[8]，即利用第二個(gè)清管器推動(dòng)故障清管器，要求第二個(gè)清管器過盈量較第一個(gè)稍大。此外，為防止二次發(fā)球后，第二個(gè)清管器與故障清管器撞擊而造成損壞，往往選擇一泡沫清管器在二次發(fā)球時(shí)一并發(fā)出，充當(dāng)?shù)诙€(gè)清管器的防撞緩沖。

4.3 割管取球

當(dāng)利用上述各種方式嘗試解卡無果后，為盡快排除卡堵故障，恢復(fù)管道正常生產(chǎn)，應(yīng)采取割管取球解卡。當(dāng)監(jiān)測(cè)人員利用探測(cè)儀確定清管器卡堵位置后，關(guān)閉卡堵位置上、下游側(cè)線路截?cái)嚅y，對(duì)卡堵段管道進(jìn)行換管作業(yè)。期間，要嚴(yán)格執(zhí)行施工作業(yè)的相關(guān)規(guī)范要求，合理調(diào)整管網(wǎng)工藝，盡量避免對(duì)管道沿線分輸用戶產(chǎn)生影響。

5 解卡實(shí)例

陜西省天然氣公司寶雞至漢中天然氣輸氣管道為國(guó)內(nèi)首條穿越秦嶺山脈的長(zhǎng)輸天然氣管道，沿線地理環(huán)境極為復(fù)雜。該管線直徑Φ323 mm×7 mm，全長(zhǎng)228 km，分設(shè)收發(fā)球站3座、閥室8座。在對(duì)該線路進(jìn)行清管作業(yè)時(shí)，清管器未按預(yù)定時(shí)間到達(dá)末站，疑似發(fā)生清管器卡堵故障。

2017年冬季用氣高峰來臨之際，為確保輸氣管道穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)寶漢線進(jìn)行了例行清管作業(yè)。清管器從南河分輸站發(fā)出，監(jiān)測(cè)人員在出站管道處清晰監(jiān)聽到清管器通過信號(hào)，1#閥室處監(jiān)聽人員于當(dāng)日12：15確認(rèn)清管器通過該閥室，平均速度3.2 m/s，預(yù)計(jì)清管器到達(dá)2#閥室時(shí)間為當(dāng)日14：55，要求監(jiān)聽人員提前做好準(zhǔn)備工作。但在后續(xù)的監(jiān)聽過程中，2#閥室處一直未出現(xiàn)明顯的過球信號(hào)，且漢中末站也未監(jiān)測(cè)到清管器。調(diào)度人員通過工藝調(diào)整，提高管道進(jìn)氣量，增大推球壓力，嘗試推動(dòng)清管器繼續(xù)運(yùn)行，但發(fā)現(xiàn)管道沿線壓力波動(dòng)正常，流量穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍未監(jiān)聽到清管器通過信號(hào)。隨后經(jīng)過正推、反推等工藝調(diào)整解卡均無果，推測(cè)清管器或因過度磨損密封不嚴(yán)，漏失量過大而停滯，亦或清管器破損故障而卡堵于管道內(nèi)。隨后從南河分輸站依次發(fā)泡沫清管器和皮碗清管器，兩者同時(shí)運(yùn)行。同樣，當(dāng)清管器運(yùn)行至1#～2#閥室之間時(shí)，出現(xiàn)卡堵，清管器前后壓差迅速增大。此次，監(jiān)測(cè)人員利用探測(cè)儀準(zhǔn)確定位卡堵位置，于1#閥室下游側(cè)9.4 km處，根據(jù)解卡方案，決定在卡堵位置進(jìn)行割管取球作業(yè)。

在確定清管器位置時(shí)，卡堵點(diǎn)下游側(cè)管道平均壓力約為2.5 MPa，可儲(chǔ)氣管段長(zhǎng)度分別為16.7 km、20 km、235 km；管徑分別為Φ323×7 mm、Φ406×8 mm、Φ406×8 mm。涉及下游用戶包括漢中市、勉縣、城固縣、西鄉(xiāng)縣、石泉縣、安康市，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)寶漢線割管取球停輸期間下游用戶情況，根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行情況，依托Pipeline Studio TGNET組件構(gòu)建穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模型，選取潘漢德爾Panhandle A計(jì)算摩阻系數(shù)，引入穩(wěn)態(tài)流量方程進(jìn)行測(cè)算。

其中，摩阻系數(shù)潘漢德爾Panhandle A表達(dá)式：

在運(yùn)用該表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，雷諾數(shù)選取R e=5×106～14×106，效率系數(shù)選取E=0.90～0.95，適用輸氣管道管徑范圍為168.3～610 mm。

TGNET穩(wěn)態(tài)基本流量表達(dá)式：

式中：Qb為管道在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3；Tb為標(biāo)準(zhǔn)溫度，K；Pb為標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；P1為管道上游壓力，MPa；P2為管道下游壓力，MPa；h1、h2分別為管道上、下游高程，m；Zavg為管道中氣體的平均壓縮因子，無量綱；Pavg為管道運(yùn)行平均壓力,MPa；Tavg為管道中氣體的平均溫度，K；D為管道內(nèi)徑，mm；L為管道長(zhǎng)度，m；G為氣體比重（G空氣為1.0）。

因此，根據(jù)管道實(shí)時(shí)運(yùn)行工況及用戶用氣情況等邊界條件建立相應(yīng)的局部管網(wǎng)運(yùn)行模型，如圖1所示，對(duì)各用戶用氣情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1 清管器卡堵?lián)岆U(xiǎn)時(shí)管道保供運(yùn)行模型

根據(jù)寶漢線各下游用戶的用氣規(guī)律，分別選取漢中分輸站、安康分輸站的供氣情況及進(jìn)站壓力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析，經(jīng)過模擬計(jì)算后得出供氣量與進(jìn)站壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 供氣量、進(jìn)站壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

基于管道運(yùn)行壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)，在用戶用氣不受影響的前提下，測(cè)算卡堵點(diǎn)下游管道保供運(yùn)行時(shí)間應(yīng)從以下兩方面考慮：①CNG加氣站壓縮機(jī)運(yùn)行最低壓力要求不低于1.2 MPa；②城市燃?xì)夤芫W(wǎng)供氣壓力不低于0.8 MPa。在保證CNG加氣站正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，該段管道壓力從2.5 MPa降至1.2 MPa，所用時(shí)間約50 h；在管道沿線城市燃?xì)馄髽I(yè)居民正常用氣時(shí)，即進(jìn)站壓力不低于0.8 MPa時(shí)，該段管道可繼續(xù)保證用氣至66 h。由此推算，在進(jìn)行清管器卡堵?lián)岆U(xiǎn)作業(yè)時(shí)，根據(jù)要求有效作業(yè)時(shí)間應(yīng)控制在50 h以內(nèi)，從而避免造成下游用戶大范圍停供事故。

在實(shí)際應(yīng)急搶險(xiǎn)過程中，經(jīng)過各方面通力協(xié)作，自關(guān)閉卡堵點(diǎn)上下游側(cè)線路截?cái)嚅y開始，作業(yè)段管道放空、氮?dú)庵脫Q、管段切割、對(duì)口組焊、無損探傷、氮?dú)庵脫Q、天然氣置換、升壓投運(yùn)全過程歷時(shí)約34 h，完成對(duì)該管段清管器卡堵故障的徹底排除。卡堵管段受損處及卡堵情況，如圖3所示。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，在關(guān)閉卡堵點(diǎn)下游側(cè)線路截?cái)嚅y后34 h，漢中分輸站進(jìn)站壓力下降至1.67 MPa，較實(shí)際壓力1.53 MPa高了0.14 MPa，誤差9.1%；漢中分輸站進(jìn)站壓力下降至1.53 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬運(yùn)算時(shí)間為35.2 h，較實(shí)際用時(shí)34 h多1.2 h，誤差3.5%，表明實(shí)際情況與模擬結(jié)果基本吻合。

圖3 清管器卡堵點(diǎn)管道形變及卡堵情況

6 結(jié)論

長(zhǎng)輸管道清管作業(yè)中清管器卡堵故障雖具有不可預(yù)知性且誘因較多，但并非不可控制。分析得出以下結(jié)論：

1）避免清管器卡堵是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，貫穿于管道建設(shè)、投運(yùn)、管理的全過程。應(yīng)從管道線路規(guī)劃、設(shè)備選型、焊縫質(zhì)量檢測(cè)、投運(yùn)前的檢查吹掃、清管器壓差的建立等各個(gè)環(huán)節(jié)精準(zhǔn)把控，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確保管道高質(zhì)量投產(chǎn)運(yùn)行。

2）清管作業(yè)前，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備，制定應(yīng)急預(yù)案，通過合理的工藝調(diào)整保障清管作業(yè)平穩(wěn)進(jìn)行。清管作業(yè)進(jìn)行時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)沿線巡護(hù)監(jiān)測(cè)，如遇緊急情況，應(yīng)按照應(yīng)急預(yù)案有序采取措施，確保管道安全。

3）在解卡方法的選擇過程中，要基于管道卡堵故障的嚴(yán)重性，綜合考慮卡堵位置對(duì)于整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)及正常生產(chǎn)輸氣的影響程度，以安全生產(chǎn)為原則，靈活選取有效的解卡措施或多途徑協(xié)同解卡，降低對(duì)用戶的影響，并節(jié)約成本。

4）根據(jù)清管作業(yè)管段情況及沿線用戶用氣規(guī)律，提前進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)前期工藝調(diào)整提供合理的參考建議；同時(shí)可對(duì)管存保供能力進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，為特殊工況下的運(yùn)行調(diào)度管理提供理論支撐。