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(guó)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(guó)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(cè)技術(shù) 、 超聲波檢測(cè)技術(shù)以及漏磁檢測(cè)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(guó)際管道清管標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)理念，借鑒國(guó)外清管技術(shù)的先進(jìn)性，對(duì)于提高我國(guó)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(cè);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(wèn)題。所以對(duì)管道投產(chǎn)前和運(yùn)行過(guò)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(wú)損檢測(cè)，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(guò)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(wèn)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(guó)外已有100多年的歷史。國(guó)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(lái)越顯著的效果。

據(jù)大量資料表明，國(guó)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(zhǎng)輸管道幾乎100%裝有清管器收發(fā)裝置。由此可見(jiàn)，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(yíng)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(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕損傷;重新明確管線走向;檢測(cè)管線變形;檢查沿線閥門完好率;減小工作回壓。

（2）運(yùn)營(yíng)中原油管線：管線內(nèi)檢測(cè)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(cè)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(guó)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(guó)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(cè)，新建石油管道應(yīng)在投產(chǎn)三年后進(jìn)行檢測(cè)，以后視管道安全狀況確定檢驗(yàn)周期，最多不得超過(guò)8年;

（2）國(guó)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(cè)，每五年進(jìn)行特別定期檢測(cè);

（3）《國(guó)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(hào)）

（4）《關(guān)于貫徹落實(shí)國(guó)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(hào)）

（5）《質(zhì)檢總局 國(guó)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(guó)質(zhì)特檢聯(lián)[2016 ]560號(hào)）

俄羅斯管道標(biāo)準(zhǔn)更新較慢，但俄羅斯管道運(yùn)營(yíng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在綜合性、系統(tǒng)性方面比我國(guó)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(guó)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(shì)，對(duì)于完辨提高我國(guó)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(guò)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(cè)管線尺寸甚至檢測(cè)管線金屬損失和腐蝕情況的功能。管道內(nèi)檢測(cè)種類繁多，在評(píng)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(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道應(yīng)用最廣泛的是漏磁內(nèi)檢測(cè)（MFL）和超聲波內(nèi)檢測(cè)（UT），新建管道投產(chǎn)過(guò)程中使用是變形內(nèi)檢測(cè)和測(cè)繪檢測(cè)，裂紋檢測(cè)是管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的難點(diǎn)，衍生了電磁超聲內(nèi)檢測(cè)（EMT）。隨著電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，渦流檢測(cè)、磁記憶法、弱磁法和陰保電流內(nèi)檢測(cè)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(cè)期產(chǎn)品是國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家內(nèi)檢測(cè)公司的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，例如美國(guó)GE公司、英國(guó)國(guó)家GAS公司和德國(guó)Rosen公司。

3.1? 漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究工作。針對(duì)漏磁場(chǎng)特性，特別是漏磁信號(hào)的處理以及缺陷特征的分析進(jìn)行了深入研究。通過(guò)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(chǎng)可以有效地檢測(cè)出管道軸向?qū)虻莫M窄裂紋，但是磁極附近的背景磁場(chǎng)對(duì)裂紋檢測(cè)的精度影響很大;比較現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，提出了變勵(lì)磁的漏磁檢測(cè)技術(shù)，經(jīng)過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該技術(shù)能夠檢測(cè)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(duì)漏磁檢測(cè)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(cè)器（Spir ALL TM），從總體上沒(méi)有顯著增加內(nèi)檢測(cè)器的長(zhǎng)度，并可以對(duì)各個(gè)方向的狹長(zhǎng)缺陷、裂縫、分層進(jìn)行精確測(cè)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(cè)器，可以同時(shí)記錄3個(gè)獨(dú)立方向的漏磁信號(hào)，首次實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確檢測(cè)管道環(huán)向螺旋焊縫缺陷，代表了該類型內(nèi)檢測(cè)產(chǎn)品的最高技術(shù)水平[4]。

3.2? 超聲內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

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

美國(guó)GE公司研制出第二代超聲波腐蝕內(nèi)檢測(cè)器，研發(fā)的超聲波相控陣內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)管道的里程已達(dá)數(shù)千公里，并且成功檢測(cè)長(zhǎng)25 mm、深1 mm 的裂紋，檢測(cè)準(zhǔn)確率超過(guò)90%。安橋公司研發(fā)的彈性波檢測(cè)器和超聲波管道事故檢測(cè)器檢測(cè)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(cè)速度更快，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果的表現(xiàn)方式更加多樣[5]。超聲內(nèi)檢測(cè)器的典型代表產(chǎn)品德國(guó)環(huán)球無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)金屬損耗和裂紋缺陷。

3.3? 渦流內(nèi)檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

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

目前已應(yīng)用的渦流檢測(cè)技術(shù)包括單頻、多頻、遠(yuǎn)場(chǎng)、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(cè)缺點(diǎn)是覆蓋面積有限，只能近表面檢測(cè)。為解決這一技術(shù)瓶頸，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)（Remote Field Eddy Current，RFEC）采用的是低頻渦流信號(hào)，可以穿透整個(gè)管壁厚度，可對(duì)管壁外表面的腐蝕缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)軸向裂紋檢測(cè)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(chǎng)渦流內(nèi)檢測(cè)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(duì)于保證管道安全、降低管道能耗具有重要意義[6]。國(guó)內(nèi)管道清管主要問(wèn)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(cè)精度低，發(fā)生清管器卡阻等問(wèn)題。

在實(shí)際清管作業(yè)中，常會(huì)遇到以下問(wèn)題：

4.1? 清管器卡堵問(wèn)題

管道清管作業(yè)最大的風(fēng)險(xiǎn)因素是清管器卡堵。國(guó)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(guò)的最小半徑、管道內(nèi)水和污物過(guò)多、三通設(shè)計(jì)不合理等]。

針對(duì)清管器卡堵問(wèn)題提出了解決對(duì)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(guò)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(lái)解決這一情況[7]。

4.2? 速度控制問(wèn)題

（1）國(guó)內(nèi)清管器速度控制技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)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(lái)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(guó)外清管器速度控制技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)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(guó)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(cè)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(cè)器。英國(guó)BJ、德國(guó)Rosen、美國(guó)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(cè)服務(wù)。

4.3? 清管器跟蹤定位問(wèn)題

天然氣管道清管器跟蹤定位主要依靠定點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)和計(jì)算預(yù)測(cè)，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(tīng)一般做法是在清管管段的線路閥室設(shè)置監(jiān)聽(tīng)點(diǎn)，另外至少設(shè)置2個(gè)監(jiān)聽(tīng)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(tīng)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(zhǎng)度相關(guān)。此外在下列位置也設(shè)置監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)設(shè)置位置、間距等要求相對(duì)國(guó)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(wèn)題

在管道內(nèi)檢測(cè)器中，探頭控制問(wèn)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(cè)量誤差等問(wèn)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(hào)傳輸、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建設(shè)問(wèn)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(cè)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(cè)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(hào)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(cè)的回波信號(hào)。

5? 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(cè)結(jié)合于一體的智能清管器。隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求逐步完善，對(duì)于清管器的要求會(huì)越來(lái)越高。清管器的發(fā)展越來(lái)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(jiǎn)介：

王紫涵（1991-），碩士研究生，主要從事清管器工作。