敬加強(qiáng) 陳 勇 孫 杰 王 軻 王秋月 張少冬 蔣燦燦

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

隨著“碳中和”目標(biāo)的提出，屬于低碳清潔化石能源的天然氣將是保障能源安全的必然選擇，在能源轉(zhuǎn)型中起到橋梁和支撐作用，在工業(yè)發(fā)展中備受青睞[1-2]。然而，天然氣在輸送過程中由于地形起伏、環(huán)境溫度變化管道中易產(chǎn)生積液，積液聚集在管道低洼處，并與氣體反應(yīng)生成腐蝕性物質(zhì)，進(jìn)而破壞管道及設(shè)備。此外，在節(jié)流閥、管道彎頭以及管壁粗糙位置處易形成水合物，堵塞管道。目前，基于合理清管速度，定期清管是保障管道流動安全的重要舉措，清管速度過低不能滿足生產(chǎn)要求，清管速度過高會導(dǎo)致管道應(yīng)力集中、終端接收裝置無法正常工作等問題。

常規(guī)清管作業(yè)通過改變管道入口流量，或調(diào)節(jié)管道上、下游壓力控制清管速度，通常結(jié)合平板清管器和皮碗清管器完成清管作業(yè)，清管器運(yùn)行速度取決于流體速度，存在速度過快和不易控制等缺點(diǎn)[3-4]。旁通清管器是鋼骨架上開設(shè)旁通孔的一類清管器，通過改變旁通面積調(diào)節(jié)清管器兩端壓差控制清管速度。具體如下：一方面，部分流體流經(jīng)旁通孔為清管器提供驅(qū)動力，減小清管速度，延長清管器前端液相分布長度，降低單位時間內(nèi)進(jìn)入管道終端設(shè)備的段塞量[5-7]；另一方面，流體在旁通孔射流作用下呈“平滑”浪涌液面，固體碎屑以漿體形式向前輸送，減小或避免生產(chǎn)延遲[8-9]。為推進(jìn)國內(nèi)旁通清管技術(shù)發(fā)展，研究者多通過研制樣機(jī)，結(jié)合理論分析、模擬仿真和試驗(yàn)研究，探究旁通清管器運(yùn)動特性。圍繞旁通清管器結(jié)構(gòu)、旁通清管模型和旁通清管試驗(yàn)以及工程應(yīng)用4個方面，本文闡述了天然氣管道旁通清管最新研究動態(tài)，在此基礎(chǔ)上指出現(xiàn)有研究不足以及未來發(fā)展方向。

1 旁通清管器結(jié)構(gòu)

基于旁通清管器自身結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其兩端壓差來控制清管速度。根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，旁通清管器可分為簡單旁通式[10-14]、旁通孔開度控制式[15-16]和速度控制式[17-19]3類。

1.1 簡單旁通式清管器

簡單旁通式清管器由漸縮式旁通噴頭、導(dǎo)向皮碗、鋼骨架和主軸壓板等組成，通過更換漸縮式旁通噴頭調(diào)節(jié)清管速度，如圖1所示。該清管器具有結(jié)構(gòu)簡單、零件不易散落和安全性高等優(yōu)點(diǎn)；但速度穩(wěn)定性差，在焊道或障礙物處易發(fā)生卡堵停滯。該清管器適用于管輸工況良好、不存在卡堵風(fēng)險的水平或起伏平緩輸氣管道。

1—漸縮式旁通噴頭；2—導(dǎo)向皮碗；3—隔離皮碗；4—密封皮碗；5—鋼骨架；6—主軸壓板。圖1 簡單旁通式清管器Fig.1 Simple bypass pig

1.2 旁通孔開度控制式清管器

在彈簧和控制閥配合作用下，可通過調(diào)節(jié)旁通孔大小控制旁通孔開度控制式清管器(見圖2)運(yùn)行速度。

1—錐形筒；2—孔板；3—緊固螺栓；4—導(dǎo)流盤；5—皮碗；6—法蘭肋板；7—中心鋼軸；8—控制彈簧；9—控制閥；10—支撐板；11—固定法蘭；12—隔離法蘭；13—壓板法蘭。圖2 旁通孔開度控制式清管器Fig.2 Bypass port opening control pig

清管器途經(jīng)障礙物時，速度減小，背壓增大，彈簧被壓縮，控制閥與錐形筒接觸面積增大，旁通孔減小，后端氣體高速沖散障礙物，降低卡堵停滯風(fēng)險。清管器卡堵時，背壓持續(xù)增大，控制閥從逐漸關(guān)閉過渡到完全關(guān)閉，彈簧被完全壓縮；在氣體驅(qū)動下清管器后端壓力不斷增大，直至克服前端障礙物阻力，控制閥打開，彈簧被彈開，從而實(shí)現(xiàn)憋壓解堵。隨后清管器兩端壓差不斷減小，直到壓差變?yōu)?，此時彈簧恢復(fù)初始狀態(tài)，清管器速度恢復(fù)正常。該清管器雖能避免卡堵停滯，但其速度不穩(wěn)定，易產(chǎn)生清管效率低、撞擊管道設(shè)備等問題，嚴(yán)重時甚至引發(fā)安全事故。

1.3 速度控制式清管器

速度控制式清管器可根據(jù)管內(nèi)條件、地形起伏和彎頭曲率變化等實(shí)時調(diào)節(jié)其運(yùn)行速度，避免速度驟變，保障輸氣管道安全，高效完成清管作業(yè)[20]。該清管器的技術(shù)關(guān)鍵是調(diào)速裝置和旁通閥設(shè)計，常見旁通閥有往復(fù)式閥、錐形閥和轉(zhuǎn)閥[18]。調(diào)速裝置主要包括伺服電機(jī)控制裝置[19]和液壓控制裝置[21]，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 速度控制式清管器與控制閥典型結(jié)構(gòu)Fig.3 Typical structure of speed control pig and control valve

2 旁通清管模型及參數(shù)

2.1 旁通清管模型

目前，旁通清管模型建立主要依據(jù)2種不同的研究對象，其對應(yīng)的2種研究方法如下：第一種以旁通清管器為研究對象，利用牛頓第二定律和實(shí)測的摩擦力、制動力、磨損系數(shù)和線性阻尼系數(shù)，建立旁通清管模型[22-25]，此方法忽略了旁通清管器結(jié)構(gòu)對流體動量變化的影響；第二種以旁通清管器和外部流體介質(zhì)為研究對象，耦合旁通清管器運(yùn)動方程和流體運(yùn)動方程，建立考慮旁通清管器兩端壓差、外部流體動量變化和摩擦力的旁通清管模型[12-13，17]。這2種方法均忽略了旁通清管器長度，且將清管器視為質(zhì)點(diǎn)的一維管流模型。

基于上述原因，有學(xué)者提出了考慮旁通清管器長度、實(shí)際管流狀態(tài)的旁通清管模型，比如根據(jù)定量反饋理論建立的二維管道旁通清管模型[26-27]，考慮流場對旁通清管器軌跡影響的二維和三維輸氣管道旁通清管模型[28-29]，以及將旁通清管器視為不同清管單元組合的二維鏈體再疊加不同清管單元運(yùn)動方程的旁通清管模型[30]。以上旁通清管模型中摩擦力、制動力和磨損系數(shù)等變量多憑現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定，簡化管流條件和流體介質(zhì)等參數(shù)，將摩擦力視為常數(shù)。為提高旁通清管模型可靠性，應(yīng)根據(jù)質(zhì)量方程、動量方程、能量守恒方程和體積流量守恒方程等4個基本流體動力學(xué)方程，建立耦合常規(guī)清管模型和壓降方程的旁通清管模型，數(shù)值求解旁通清管器位置、速度以及兩端壓力等參數(shù)，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

以速度控制式清管器為例，假設(shè)管道內(nèi)部條件理想，不存在積液、雜質(zhì)等障礙物，探究清管器運(yùn)動特性。旁通清管過程中，清管器上游氣體為清管作業(yè)提供驅(qū)動力，摩擦力為阻力。清管器受力見圖4。其運(yùn)動方程和體積流量守恒方程為：

圖4 旁通清管器受力圖Fig.4 Force diagram of bypass pig

(1)

vmixA=vpigA+vbpAbp

(2)

假設(shè)m、A、ρ、dh、D為常數(shù)，忽略外部流體動量變化，加速度為0時，旁通清管器運(yùn)行速度v為[7，14，31]：

(3)

2.2 速度控制的關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)式(3)可知，流體速度一定時，旁通清管器運(yùn)行速度取決于旁通率、壓降系數(shù)和摩擦力，其中旁通率為旁通孔與管道的橫截面積之比。

旁通率表征驅(qū)動力大小，若設(shè)計不合理，清管器易發(fā)生卡堵。工程上多采用OLGA多相流軟件的清管仿真模型，結(jié)合清管速度、壓力波動和積液量等參數(shù)變化規(guī)律，比選旁通率[8-9，32-33]。清管器運(yùn)行速度隨旁通率增大而減小，受墊片磨損、污垢和鐵銹等影響，清管速度隨旁通率呈非線性下降[10，17，20]。

壓降系數(shù)是結(jié)構(gòu)參數(shù)，與旁通清管器結(jié)構(gòu)有關(guān)，反映了旁通孔對清管器兩端壓降的貢獻(xiàn)程度。旁通孔壓降系數(shù)隨壓降呈增大→下降→增大的波動趨勢，當(dāng)其最小時，即為旁通清管器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)[33]。

目前，我國缺乏不同結(jié)構(gòu)旁通清管器壓降系數(shù)計算模型，一般采用疊加突擴(kuò)結(jié)構(gòu)[34]、前方繞流結(jié)構(gòu)[35]以及直通結(jié)構(gòu)的沿程壓降系數(shù)計算式建立。工程上常用的旁通孔主要包括直通式、折流板式和控制閥式3類。

直通式旁通孔結(jié)構(gòu)及其參數(shù)見圖5。其壓降系數(shù)由突縮部分、直通部分和突擴(kuò)部分組成，計算式為：

圖5 直通式旁通孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.5 Structure and parameters of straight through bypass port

(4)

式中：kbp為直通式旁通孔壓降系數(shù)；fL為范寧摩擦因數(shù)；Lpig為清管器長度，m；Ah為旁通孔橫截面積，m2。

折流板式旁通孔結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖6所示，其端面壓降系數(shù)由Churchill方程[36]關(guān)聯(lián)直通式旁通孔突擴(kuò)端面得到，計算式為：

圖6 折流板式旁通孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.6 Structure and parameters of baffle type bypass port

(5)

式中：kdp為折流板式旁通孔壓降系數(shù)；H為折流板外徑，m；h為折流板與旁通孔的水平距離，m。

控制閥式旁通孔結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如圖7所示。其端面壓降系數(shù)同樣由Churchill方程[36]關(guān)聯(lián)直通式旁通孔突擴(kuò)端面得到，計算式為：

(6)

圖7 控制閥式旁通孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)Fig.7 Structure and parameters of control valve type bypass port

其中：

fL=f(vbpdh/ν)

(7)

(8)

式中：ksp為控制閥式旁通孔壓降系數(shù)；heqv為等效的折流板與旁通孔的水平距離，m；ν為流體動力黏度，m2/s；H、Hi、H*分別為控制槽直徑、外徑、內(nèi)徑，m；n為旁通孔數(shù)量；ω為控制閥開度，(°)。

為直觀分析旁通清管器幾何形狀對壓降系數(shù)的影響，利用CFD軟件模擬不同旁通孔開度壓降系數(shù)[37]。M.H.W.HENDRIX等[20]通過分解復(fù)雜結(jié)構(gòu)旁通孔幾何結(jié)構(gòu)，提出一種用于計算復(fù)雜旁通孔壓降系數(shù)的積木法，并通過水平清管試驗(yàn)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性[31，38]。

摩擦力受密封材料、流體介質(zhì)以及管道條件等共同影響，且隨清管速度呈動態(tài)變化，但工程上一般視其為常數(shù)，從而導(dǎo)致摩擦力的數(shù)值計算、模擬仿真與試驗(yàn)研究結(jié)果存在偏差[7-9，39-40]。有研究發(fā)現(xiàn)，影響摩擦力的重要程度依次為皮碗厚度、倒角尺寸、夾持率和過盈量[41-42]；管壁潤濕將減小摩擦力，使用水作為潤滑劑可使摩擦力減小12%～16%[43]。

為克服當(dāng)前摩擦力計算模型的局限性，探究管道彎曲和壁厚變化引起的清管速度偏移，S.KIM等[44]提出調(diào)諧摩擦模型和加權(quán)摩擦模型，其計算結(jié)果與KOGAS公司3條管線現(xiàn)場清管數(shù)據(jù)符合良好。深入研究清管速度、積液分布規(guī)律、壓力波動情況與摩擦力的內(nèi)在聯(lián)系，有助于提高摩擦力計算模型的準(zhǔn)確性。目前尚無旁通清管摩擦力準(zhǔn)確通用的計算模型，多憑現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定，存在不確定性。

3 旁通清管試驗(yàn)

旁通清管器運(yùn)行速度隨摩擦力、管道結(jié)構(gòu)、流體介質(zhì)等波動變化，涉及復(fù)雜流固耦合振動問題，數(shù)值分析、模擬仿真不能準(zhǔn)確表征旁通清管器運(yùn)動的規(guī)律，試驗(yàn)研究是理解這一物理過程的基礎(chǔ)方法[45-48]。基于縮尺模型搭建室內(nèi)可視化的水平、水平-立管和水平-起伏-立管清管系統(tǒng)，開展旁通清管試驗(yàn)，分析清管速度、壓力、積液分布等清管參數(shù)的變化規(guī)律。

3.1 水平清管系統(tǒng)

水平清管系統(tǒng)主要由發(fā)球筒、收球筒、可視化測試管段、攝像機(jī)及壓力傳感器等組成，其操作流程簡單、裝卸方便，如圖8所示[31，38]。以空氣為介質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旁通清管能減小氣體壓縮性引起的速度偏差。以空氣-水為介質(zhì)，利用簡單旁通式清管器研究氣液兩相管流黏滑特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旁通清管能減小并穩(wěn)定清管速度、減小積液量；黏滑特性與氣體可壓縮性和摩擦力變化有關(guān)，氣體可壓縮性決定清管器啟動、停滯和波動趨勢[12-14]。旁通孔開度控制式清管器的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清管速度與旁通率呈非線性關(guān)系，清管器在途經(jīng)管壁不均勻和管道接縫處時，速度不斷減小，呈短暫停滯再加速向前運(yùn)動的趨勢[15-16]。

圖8 水平清管系統(tǒng)Fig.8 Horizontal pigging system

3.2 水平-立管清管系統(tǒng)

受立管結(jié)構(gòu)、旁通清管器自身重力的影響，在大落差山區(qū)管道和深水氣田立管處清管速度發(fā)生劇烈變化，彎頭處產(chǎn)生巨大沖擊應(yīng)力，威脅管道運(yùn)行安全[49]。羅小明等[10]基于縮尺模型搭建了水平-立管清管系統(tǒng)，如圖9所示。

圖9 水平-立管清管系統(tǒng)Fig.9 Horizontal-riser pigging system

該系統(tǒng)采用簡單旁通式清管器，以空氣-水作為介質(zhì)，試驗(yàn)?zāi)M在不同旁通率、氣體流速和液體流速下旁通清管器的運(yùn)動特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：清管過程中系統(tǒng)壓力波動平緩，清管器前端段塞持液率降低，段塞體積減小；該系統(tǒng)中立管段彎頭曲率半徑過小、通過性能較差，皮碗磨損變形嚴(yán)重，容易發(fā)生卡堵現(xiàn)象；當(dāng)摩擦力與驅(qū)動力無法平衡時，旁通清管器表現(xiàn)為非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動。目前，旁通清管模型和清管器運(yùn)動特性僅限于穩(wěn)態(tài)研究。非穩(wěn)態(tài)下黏滑行為對清管器前端積液和雜質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的影響還有待進(jìn)一步研究，以揭示旁通清管器異常運(yùn)動和段塞消除的機(jī)理。

3.3 水平-起伏-立管清管系統(tǒng)

為最大限度地還原大落差起伏山地管道和海底管道清管過程，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具代表性，CHEN J.H.等[11]基于縮尺模型，搭建了如圖10所示的水平-起伏-立管清管系統(tǒng)。以空氣-水為介質(zhì)，采用簡單旁通式清管器，試驗(yàn)?zāi)M清管過程中清管器前、后兩端壓力、清管速度和段塞量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：旁通清管器經(jīng)過彎管時撞擊管壁并發(fā)出撞擊聲，隨氣流增加旁通率減小，撞擊加??；通過“S”形彎管時沖擊更加強(qiáng)烈，旁通清管器在立管底部停頓后迅速通過立管，引起強(qiáng)烈震動；低流量、高旁通率下旁通清管器發(fā)生卡堵且無法再次運(yùn)行。此外，氣體經(jīng)旁通孔產(chǎn)生的節(jié)流溫降效應(yīng)為水合物形成提供有利條件。綜上所述，旁通清管器低速平緩?fù)ㄟ^立管、彎管等復(fù)雜管段以及防治水合物形成對旁通清管作業(yè)尤為重要。

圖10 水平-起伏-立管清管系統(tǒng)Fig.10 Horizontal-undulating-riser pigging system

通過以上系統(tǒng)探究旁通清管器運(yùn)動特性可為工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考，但室內(nèi)試驗(yàn)條件與實(shí)際清管工況不同。山地管道和海底管道起伏變化，包括水平管、起伏管、立管和彎管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，管輸介質(zhì)包括天然氣單相、氣液兩相以及含污垢、鐵銹的氣液固三相，伴隨著更高壓力和輸送量、更為復(fù)雜多變的管輸條件。

為推進(jìn)旁通清管技術(shù)工程化應(yīng)用，需要細(xì)致設(shè)計試驗(yàn)縮尺模型和試驗(yàn)操作過程，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)不同工況下多因素的旁通清管，修正與完善現(xiàn)有旁通清管模型，準(zhǔn)確預(yù)測清管器位置、清管速度、管內(nèi)流態(tài)和摩擦力變化趨勢，以保障旁通清管作業(yè)安全。

4 工程應(yīng)用

旁通清管與常規(guī)清管相比能顯著降低清管速度、減小積液量和控制段塞量，段塞量的減少幅度與旁通清管器相對流體減速程度相關(guān)。目前國內(nèi)研究者尚未充分考慮旁通清管運(yùn)動規(guī)律、影響機(jī)理和工程應(yīng)用條件，仍處于理論研究階段，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)匱乏。國外旁通清管已成熟應(yīng)用于天然氣干線、氣液兩相管線和凝析液管線，可實(shí)現(xiàn)長距離、長時間高速或低速清管作業(yè)，應(yīng)用情況見表1。

表1 國外旁通清管工程應(yīng)用情況Table1 Engineering application of bypass pigging by foreign companies

5 結(jié)論與展望

(1)旁通清管器通過在鋼骨架上開設(shè)旁通孔調(diào)節(jié)旁通面積控制清管速度，清管速度取決于旁通率、壓降系數(shù)和摩擦力大小。速度控制式清管器能實(shí)時調(diào)節(jié)閥開度控制清管速度，有助于提高清管效率，減輕管道終端段塞流捕集器負(fù)荷，保障清管作業(yè)安全。

(2)目前旁通清管模型中摩擦力、壓降系數(shù)等參數(shù)主要按現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定，簡化管道內(nèi)部條件、流體介質(zhì)、管道結(jié)構(gòu)和清管工況，未考慮清管器長度、流體介質(zhì)、摩擦力和管道結(jié)構(gòu)等因素以及各因素耦合作用對旁通清管運(yùn)動規(guī)律的影響，預(yù)測模型尚存在局限性。

(3)旁通清管技術(shù)在國外已成熟應(yīng)用于工程實(shí)際，國內(nèi)仍處于理論分析和試驗(yàn)研究階段，通過搭建不同管道結(jié)構(gòu)的清管系統(tǒng)，試驗(yàn)研究旁通清管器運(yùn)動特性，發(fā)現(xiàn)旁通清管能降低清管速度、平緩壓力波動、減小段塞量。

(4)為提高室內(nèi)旁通清管試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，應(yīng)搭建更加符合實(shí)際管道結(jié)構(gòu)、流體介質(zhì)和清管工況的室內(nèi)清管系統(tǒng)，探究清管器前端積液量變化趨勢和管道內(nèi)部條件對旁通清管器運(yùn)動規(guī)律的影響；結(jié)合理論分析和試驗(yàn)研究，建立旁通清管摩擦力計算模型、壓降系數(shù)計算模型以及耦合摩擦力與壓降系數(shù)計算模型的旁通清管模型，準(zhǔn)確預(yù)測旁通清管運(yùn)動特性，揭示旁通清管器復(fù)雜流固耦合振動機(jī)理。

(5)針對高壓、高速的大口徑輸氣管道，旁通清管作業(yè)中存在水合物堵管風(fēng)險，建立旁通清管過程中水合物形成與管壁水合物沉積層剝離模型，研究提出水合物防治的經(jīng)濟(jì)高效措施，避免清管過程中水合物形成和堵管。

(6)旁通清管器與管道檢測元件相結(jié)合，更有效控制旁通清管器運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)有效和精確檢測管道，有助于打破國外管道檢測服務(wù)公司技術(shù)封鎖。旁通清管速度控制不僅適用于油氣管網(wǎng)，而且在化工廠、發(fā)電廠的管道系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。