張科,李潔玉,白鑫

陜西省天然氣股份有限公司（陜西 西安 710016）

在長輸天然氣管道建設和運行過程中，不可避免地會將砂石、雨水、隔離球、黃泥墻、焊渣以及其他雜物帶入管道內，其隨著氣流的作用長期堆積在管道內某些特定位置。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，會增加氣體輸送的摩阻損失，降低管道輸送效率，嚴重情況下各種因素共同作用甚至會造成管道冰堵，影響下游用戶正常用氣[1-2]。因此，定期進行清管作業(yè)對于管道長周期穩(wěn)定運行有著重要意義。然而在清管過程中，會因諸多因素導致清管器卡堵，影響作業(yè)的順利進行及后續(xù)正常生產(chǎn)。

1 清管器卡堵的危害

在役長輸管道的清管作業(yè)，即利用管道輸送的氣體介質，推動清管器在管道內運行。由于清管器外沿與管道內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，以此為動力源，由清管器自身或所帶機具依靠刮削、沖刷作用清除管道內的結垢或沉積物，以達到清管的目地。當發(fā)生清管器卡堵故障時，清管器前后壓差會在短時間內驟增，前端壓力由于下游用戶的持續(xù)用氣不斷降低，后端則會產(chǎn)生憋壓現(xiàn)象。隨著清管器前后壓力的變化，常常會對管道沿線場站、閥室的設備產(chǎn)生一系列不良影響。譬如，管道設備超壓、壓縮機跳車、場站ESD系統(tǒng)緊急響應、閥門自動關斷等，影響管網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。若清管器卡堵故障不能及時處理，則會對下游用戶用氣造成影響，嚴重時甚至造成停輸事故[3-4]。

2 清管器卡堵原因分析

在清管作業(yè)過程中，導致清管器卡堵的原因是多方面的，具有不可預知性，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

清管過程中工藝調整不當，清管器推力不足，進而導致清管器停止運行，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角或低洼處，且一旦清管器卡堵，則清管器二次啟動的相關量將難以定量控制，存在一定的危險性。

2.2 清管器故障

清管器在管道內要進行長距離運行，其與管道內壁會發(fā)生摩擦，當管道內硬性雜質較多時，會加劇清管器與管道內壁間密封的損傷，從而導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運行時，可能會因管道內的金屬引管接頭過長、封堵法蘭墊片伸入管道過多以及管內各種硬質污物相互作用造成清管器撕裂、肢解于管道內，成為二次清管時卡堵的隱患。

2.3 管線的缺陷

管道在施工或運行過程中，由于外力作用使管道發(fā)生形變，導致管道局部通徑變小，清管器難以通過而發(fā)生卡堵故障。對于管道沿線的附屬設施，譬如線路截斷閥、連接法蘭、管道變徑等，若其開度、內徑等與管道不一致，也將損壞清管器，甚至發(fā)生卡堵影響清管作業(yè)[5]。在長輸管道選線中難免出現(xiàn)大角度轉向，此時彎頭的選擇至關重要。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大于等于1.5倍管道直徑[6]，若選型未達到清管器通過要求，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

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

根據(jù)管道沿線壓力波動，初步劃定清管器卡堵區(qū)域。清管器的運行動力來源于其前后壓力差，當清管器卡堵時，球前壓力由于下游持續(xù)用氣而逐漸降低，球后則會產(chǎn)生憋壓，管道壓力逐漸升高。調度人員可以根據(jù)SCADA系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)分析，結合前期清管運行的模擬數(shù)據(jù)，初步判斷清管器位于某相鄰的兩個監(jiān)測點之間。現(xiàn)場監(jiān)測人員利用手持探測儀，沿管道走向，尋找安裝于清管器中的信號發(fā)射裝置頻段，進而確定具體的卡堵位置。

4 解卡方法

在清管作業(yè)時，若管道沿線各監(jiān)測點未能按照預定計劃依次監(jiān)測到清管器通過信號，且收球筒長時間未出現(xiàn)收球信號，則初步判斷清管器在運行過程中出現(xiàn)故障。當發(fā)現(xiàn)管道沿線壓力波動異常，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 工藝調整

增大清管器后端進氣量，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，清管器故障仍未排除，則可通過降低球前管道壓力，進一步增大清管器前后壓差，增加推球動力，甚至可以同步進行球后憋壓推球與球前排壓引球的工藝調整，直至清管器在管道內繼續(xù)正常運行。在正向推球解卡無果時，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，以此反向推動清管器。在清管作業(yè)過程中，當工藝條件允許時，正向推球與反向推球工藝可重復進行，直至解卡。若清管器解卡壓差大于試水運行時該位置靜水壓頭的1.2～1.6倍以上時仍未運行，則可判斷清管器已卡死[7]。

4.2 二次發(fā)球

在進行解卡工藝調整時，若推測由于清管器磨損、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，可進行二次發(fā)球[8]，即利用第二個清管器推動故障清管器，要求第二個清管器過盈量較第一個稍大。此外，為防止二次發(fā)球后，第二個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)球時一并發(fā)出，充當?shù)诙€清管器的防撞緩沖。

4.3 割管取球

當利用上述各種方式嘗試解卡無果后，為盡快排除卡堵故障，恢復管道正常生產(chǎn)，應采取割管取球解卡。當監(jiān)測人員利用探測儀確定清管器卡堵位置后，關閉卡堵位置上、下游側線路截斷閥，對卡堵段管道進行換管作業(yè)。期間，要嚴格執(zhí)行施工作業(yè)的相關規(guī)范要求，合理調整管網(wǎng)工藝，盡量避免對管道沿線分輸用戶產(chǎn)生影響。

5 解卡實例

陜西省天然氣公司寶雞至漢中天然氣輸氣管道為國內首條穿越秦嶺山脈的長輸天然氣管道，沿線地理環(huán)境極為復雜。該管線直徑Φ323 mm×7 mm，全長228 km，分設收發(fā)球站3座、閥室8座。在對該線路進行清管作業(yè)時，清管器未按預定時間到達末站，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)定運行，對寶漢線進行了例行清管作業(yè)。清管器從南河分輸站發(fā)出，監(jiān)測人員在出站管道處清晰監(jiān)聽到清管器通過信號，1#閥室處監(jiān)聽人員于當日12：15確認清管器通過該閥室，平均速度3.2 m/s，預計清管器到達2#閥室時間為當日14：55，要求監(jiān)聽人員提前做好準備工作。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，且漢中末站也未監(jiān)測到清管器。調度人員通過工藝調整，提高管道進氣量，增大推球壓力，嘗試推動清管器繼續(xù)運行，但發(fā)現(xiàn)管道沿線壓力波動正常，流量穩(wěn)定，監(jiān)測點仍未監(jiān)聽到清管器通過信號。隨后經(jīng)過正推、反推等工藝調整解卡均無果，推測清管器或因過度磨損密封不嚴，漏失量過大而停滯，亦或清管器破損故障而卡堵于管道內。隨后從南河分輸站依次發(fā)泡沫清管器和皮碗清管器，兩者同時運行。同樣，當清管器運行至1#～2#閥室之間時，出現(xiàn)卡堵，清管器前后壓差迅速增大。此次，監(jiān)測人員利用探測儀準確定位卡堵位置，于1#閥室下游側9.4 km處，根據(jù)解卡方案，決定在卡堵位置進行割管取球作業(yè)。

在確定清管器位置時，卡堵點下游側管道平均壓力約為2.5 MPa，可儲氣管段長度分別為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，為準確預測寶漢線割管取球停輸期間下游用戶情況，根據(jù)管網(wǎng)運行情況，依托Pipeline Studio TGNET組件構建穩(wěn)態(tài)運行模型，選取潘漢德爾Panhandle A計算摩阻系數(shù)，引入穩(wěn)態(tài)流量方程進行測算。

其中，摩阻系數(shù)潘漢德爾Panhandle A表達式：

在運用該表達式進行計算時，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)基本流量表達式：

式中：Qb為管道在標準狀態(tài)下的體積流量，m3；Tb為標準溫度，K；Pb為標準壓力，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為管道運行平均壓力,MPa；Tavg為管道中氣體的平均溫度，K；D為管道內徑，mm；L為管道長度，m；G為氣體比重（G空氣為1.0）。

因此，根據(jù)管道實時運行工況及用戶用氣情況等邊界條件建立相應的局部管網(wǎng)運行模型，如圖1所示，對各用戶用氣情況進行預測。

圖1 清管器卡堵?lián)岆U時管道保供運行模型

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站壓力變化進行實時對比分析，經(jīng)過模擬計算后得出供氣量與進站壓力隨時間的變化趨勢，如圖2所示。

圖2 供氣量、進站壓力隨時間變化趨勢圖

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

在實際應急搶險過程中，經(jīng)過各方面通力協(xié)作，自關閉卡堵點上下游側線路截斷閥開始，作業(yè)段管道放空、氮氣置換、管段切割、對口組焊、無損探傷、氮氣置換、天然氣置換、升壓投運全過程歷時約34 h，完成對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)模擬計算結果，在關閉卡堵點下游側線路截斷閥后34 h，漢中分輸站進站壓力下降至1.67 MPa，較實際壓力1.53 MPa高了0.14 MPa，誤差9.1%；漢中分輸站進站壓力下降至1.53 MPa時，對應的模擬運算時間為35.2 h，較實際用時34 h多1.2 h，誤差3.5%，表明實際情況與模擬結果基本吻合。

圖3 清管器卡堵點管道形變及卡堵情況

6 結論

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

1）避免清管器卡堵是一項系統(tǒng)工程，貫穿于管道建設、投運、管理的全過程。應從管道線路規(guī)劃、設備選型、焊縫質量檢測、投運前的檢查吹掃、清管器壓差的建立等各個環(huán)節(jié)精準把控，嚴格執(zhí)行相關標準，確保管道高質量投產(chǎn)運行。

2）清管作業(yè)前，應做好充分的準備，制定應急預案，通過合理的工藝調整保障清管作業(yè)平穩(wěn)進行。清管作業(yè)進行時，應加強沿線巡護監(jiān)測，如遇緊急情況，應按照應急預案有序采取措施，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重性，綜合考慮卡堵位置對于整個管網(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，提前進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)模擬結果對前期工藝調整提供合理的參考建議；同時可對管存保供能力進行預測評估，為特殊工況下的運行調度管理提供理論支撐。