陳高磊 王濤 崔利民 張宇 陳曉宇 楊旭 李新宇 劉偉 法麗扎·莫拉力 

國家管網(wǎng)集團西部管道公司

摘要：為保證輸油管道的輸送能力，提高輸送效率，保證管道安全運行，常用清管器清管。清管器受管道本體，油品輸量、物性，清管器材質(zhì)結構以及管道沿線(xiàn)地形、地溫等因素影響，其穩定運行存在諸多不確定因素。在建立清管器等效物理模型基礎上，對影響清管器穩定運行的因素進(jìn)行了分類(lèi)分析，為輸油管道清管作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：輸油管道； 清管器；等效模型；管道本體；流體物性

輸油管道在長(cháng)期運行中，因管壁結蠟、內壁腐蝕、管道變形等因素，會(huì )增大管道摩阻、降低管道輸送能力、增加管道輸送成本，嚴重時(shí)對管道安全造成威脅，影響管道使用壽命，必須定期進(jìn)行清管作業(yè)。但清管器在輸油管道內的運行情況無(wú)法直接觀(guān)察。為此，根據清管器物理結構和在管道中的實(shí)際運行狀態(tài)，研究分析建立清管器等效物理模型，通過(guò)模型分析影響清管器穩定運行的諸多因素，據此指導實(shí)施清管作業(yè)很有必要。

1  清管器等效物理模型

清管器在輸油管道中運行時(shí)遵守流體力學(xué)基本定律，可將其進(jìn)行等效物理模型轉換。為簡(jiǎn)化分析，本文只分析水平管道清管過(guò)程。清管器在管道內運行靠的是清管器前后的流體壓差。以機械清管器為例，清管期間清管器直板和皮碗之間的空隙被管道內流體充盈[1]，管道內流體分區如圖 1所示。

圖 1 清管過(guò)程中流體區域劃分

假設清管過(guò)程中管道內流體為層流，不可壓縮且黏度不變，則清管器可以等效為物理模型，如圖 2所示。

圖 2 清管器等效物理模型示意圖

據此分析清管器受前后流體壓差推力、管道內壁摩擦阻力和剪切力，對影響清管器穩定運行的因素進(jìn)行探討。

2  影響清管器穩定運行的因素分析

2.1  流體壓差推力

清管器進(jìn)入管道后，清管器前后流體壓差提供清管器運行動(dòng)力。根據流體動(dòng)量定理：

(ΔPsA1－FW－Fj）dt ＝mdvs （1）

式中ΔPs為清管器前后的壓差，Pa；FW為管道內壁對清管器的摩擦阻力，N；Fj為清管器受到的剪切力，N；A1為清管器截面積，m2； m為清管器質(zhì)量，kg；vs為清管器瞬時(shí)速度，m/s；t為清管器運行時(shí)間，s。

一個(gè)質(zhì)量確定的清管器進(jìn)入管道后，清管器前后流體存在壓差，一段時(shí)間后清管器獲得一個(gè)初速度開(kāi)始隨流體向前運動(dòng)，管道流體運行壓力越高，清管器前后流體壓差越大，清管器運行速度越快，反之亦然。清管器運行過(guò)快或過(guò)慢都達不到理想的清管效果。運行過(guò)慢，清管器不穩定，在地形起伏管段或通過(guò)翻越點(diǎn)時(shí)會(huì )間歇性停頓；運行過(guò)快，清管器會(huì )對盲板和管壁造成沖擊，引發(fā)事故。實(shí)際清管過(guò)程中清管器運行速度控制在1 m/s～3 m/s為宜。

2.2  管道內壁摩擦阻力

過(guò)盈量是指基本尺寸相同的相互結合的孔和軸公差帶之間的關(guān)系，有間隙配合、過(guò)盈配合、過(guò)渡配合三種情況。輸油管道清管器屬于過(guò)盈配合。其過(guò)盈量指清管器外徑（皮碗清管器皮碗外徑）減去管道內徑所得值與管道內徑的百分比。過(guò)盈量決定直板或皮碗與管道內壁結合的松緊程度。由于過(guò)盈量的存在，清管器與管道內壁緊密接觸，受到管道內壁擠壓，使二者產(chǎn)生形變，但由于管道鋼管的強度遠大于皮碗,可以認為鋼管是絕對剛性的, 只有皮碗產(chǎn)生形變，即皮碗向中心軸線(xiàn)移動(dòng),其等效圖如圖 3所示。

圖 3 清管器過(guò)盈配合擠壓力等效示意圖

皮碗對管道內壁的總壓力近似按式（2）計算：

F＝πl（d Pi + dc Pd）  （2）

式中F為直板或皮碗對管壁的總壓力，N；l為直板或皮碗與管壁的接觸寬度，m；d為管道內徑，m；Pi為直板或皮碗過(guò)盈配合擠壓力，N；dc為直板或皮碗材料的泊松因數；Pd 為流體對直板或皮碗的等效徑向壓力，N。

清管器的摩擦力與清管器受到的擠壓力和清管器前后流體壓差有關(guān)。清管器的過(guò)盈配合程度直接決定了清管器的擠壓力。因此在輸油管道清管過(guò)程中，過(guò)盈量是一個(gè)重要指標。直板、皮碗清管器的過(guò)盈量一般為2%～6%。過(guò)盈量偏小，清管器的摩擦阻力小，清管器不能有效刮擦管道內壁的結蠟，無(wú)法達到預期的清管效果；過(guò)盈量偏大，清管器直板或皮碗與管道內壁過(guò)于緊密接觸，摩擦阻力過(guò)大，對管道內壁結蠟的刮擦力度較大，大量的蠟質(zhì)被刮擦下來(lái)堆積在清管器前端，與清管器一起形成一個(gè)更大的等效清管器，增大了清管器前行的阻力，容易造成清管器卡阻，發(fā)生管道蠟堵。當擠壓力過(guò)大時(shí)，清管器還會(huì )對管道內壁的涂層造成損傷，加速管道的腐蝕速度，縮短管道使用壽命，給管道的安全運行帶來(lái)風(fēng)險隱患。

2.3  清管器的剪切力

根據材料力學(xué)的定義，“剪切”是在一對相距很近、大小相同、指向相反的橫向外力（即平行于作用面的力）作用下，材料的橫截面沿該外力作用方向發(fā)生的相對錯動(dòng)變形現象。能夠使材料產(chǎn)生剪切變形的力稱(chēng)為剪切力。顯然，清管器在管道運行時(shí)受到的剪切力因摩擦阻力而產(chǎn)生，它是另外一種特殊形式的摩擦力，與摩擦力方向平行，在清管器運行期間二者疊加共同作用于清管器，不再另做分析。

2.4  輸油管道本體因素

輸油管道因占壓、擠壓等外力影響會(huì )發(fā)生變形，造成清管器運行不暢，容易發(fā)生卡阻，要求管道彎頭的最小曲率半徑不應小于管徑的1.5 倍[2,3]，管道直管段的最大變形不應大于管徑的 20% 。距上次清管的時(shí)間間隔過(guò)長(cháng)，清管管段的距離過(guò)長(cháng)，都會(huì )使清管器前端積聚的蠟質(zhì)異常增多，嚴重阻礙清管器平穩運行，造成管線(xiàn)蠟堵。

2.5  管道內流體物性因素

管道運行壓力和溫度對管內流體的黏度、凝點(diǎn)、析蠟點(diǎn)等物性有一定影響，管內液體壓強增大時(shí)液體分子間距變小，分子間引力增大，液體黏度增大，清管器運行阻力增大。溫度升高時(shí)，液體分子間距增大，分子間引力變小，液體黏度顯著(zhù)減小，清管器運行阻力也顯著(zhù)減小。原油凝點(diǎn)越高，析蠟點(diǎn)越高，在低輸量、低油溫時(shí)原油中的蠟質(zhì)越容易析出，清管時(shí)越容易發(fā)生管道初凝，甚至異常蠟堵，造成管道異常停輸。

2.6  清管器本體因素

清管器本體影響因素主要來(lái)自清管器的材質(zhì)、結構、泄流孔、過(guò)盈量、運行速度等。例如：清管器卡在彎頭處，清除的沉積物積聚在清管器前，推動(dòng)流體繞流清管器，清管器彎曲變形，或因磨損而導致密封性下降，漏失量增大等。清管器失效，使管道無(wú)法達到預期清管效果，清管器一旦卡堵將致使管道流量下降，甚至導致整條管道堵塞停輸，造成嚴重后果。清管器運行速度決定了清管器的運行時(shí)間和清管效果，而運行速度又取決于清管器兩端的壓降。減小清管器阻力并取得良好的清掃、密封效果，是提高清管效率的重要內容。

2.7  其他因素

此外，影響因素還包括輸油工藝的改變，管道輸量的異常大幅度頻繁調整，管道啟、停輸時(shí)間過(guò)長(cháng)，清管管段地形的高低起伏，清管周期和清管時(shí)間，管道沿線(xiàn)地溫及清管器運行位置跟蹤情況等。如輸油管道沿線(xiàn)的溫度場(chǎng)變化也會(huì )影響管內流體的物性，原油管道的低輸量、低油溫、低地溫會(huì )增加蠟質(zhì)的析出。長(cháng)輸管道注入混合油品后，油品物性發(fā)生變化會(huì )影響清管器的平穩運行。管道停輸期間，清管器在管道內擱置時(shí)間過(guò)長(cháng)也會(huì )給管道后續清管帶來(lái)風(fēng)險等。

3  結語(yǔ)

隨著(zhù)清管器技術(shù)的發(fā)展，用于不同管道和清管目的的清管器種類(lèi)不斷增多，但都缺乏可靠的工具預測和判斷清管器在管道內的運行狀況。通過(guò)清管器等效物理模型，可具體分析影響清管器穩定運行的主要因素，有效指導輸油管道清管作業(yè)。

參考文獻：

[1]劉宏波，吳明，周立峰.輸油管線(xiàn)中清管器運行規律研究[J] .天然氣與石油，2006，24(1)：17-19 .

[2]陳卓如，王洪杰，劉全忠，蔡偉華.工程流體力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[3]仲維斌，張暢，王自林，李冬，王慶偉，曹雷.機械清管器技術(shù)條件[S] . Q/SY 05262-2019.

作者簡(jiǎn)介：陳高磊，1983年生，工程師，畢業(yè)于西安石油大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，現主要從事油氣管道調控運行管理方向的研究工作。聯(lián)系方式：17799227322，gaoleichen@126.com。