陈高磊 王涛 崔利民 张宇 陈晓宇 杨旭 李新宇 刘伟 法丽扎·莫拉力 

国家管网集团西部管道公司

 

摘要：为保证输油管道的输送能力，提高输送效率，保证管道安全运行，常用清管器清管。清管器受管道本体，油品输量、物性，清管器材质结构以及管道沿线地形、地温等因素影响，其稳定运行存在诸多不确定因素。在建立清管器等效物理模型基础上，对影响清管器稳定运行的因素进行了分类分析，为输油管道清管作业提供参考。

关键词：输油管道； 清管器；等效模型；管道本体；流体物性

 

输油管道在长期运行中，因管壁结蜡、内壁腐蚀、管道变形等因素，会增大管道摩阻、降低管道输送能力、增加管道输送成本，严重时对管道安全造成威胁，影响管道使用寿命，必须定期进行清管作业。但清管器在输油管道内的运行情况无法直接观察。为此，根据清管器物理结构和在管道中的实际运行状态，研究分析建立清管器等效物理模型，通过模型分析影响清管器稳定运行的诸多因素，据此指导实施清管作业很有必要。

1  清管器等效物理模型

清管器在输油管道中运行时遵守流体力学基本定律，可将其进行等效物理模型转换。为简化分析，本文只分析水平管道清管过程。清管器在管道内运行靠的是清管器前后的流体压差。以机械清管器为例，清管期间清管器直板和皮碗之间的空隙被管道内流体充盈[1]，管道内流体分区如图 1所示。

图 1 清管过程中流体区域划分

假设清管过程中管道内流体为层流，不可压缩且黏度不变，则清管器可以等效为物理模型，如图 2所示。

图 2 清管器等效物理模型示意图

据此分析清管器受前后流体压差推力、管道内壁摩擦阻力和剪切力，对影响清管器稳定运行的因素进行探讨。

2  影响清管器稳定运行的因素分析

2.1  流体压差推力

清管器进入管道后，清管器前后流体压差提供清管器运行动力。根据流体动量定理：

(ΔPsA1－FW－Fj）dt ＝mdvs （1）

式中ΔPs为清管器前后的压差，Pa；FW为管道内壁对清管器的摩擦阻力，N；Fj为清管器受到的剪切力，N；A1为清管器截面积，m2； m为清管器质量，kg；vs为清管器瞬时速度，m/s；t为清管器运行时间，s。

一个质量确定的清管器进入管道后，清管器前后流体存在压差，一段时间后清管器获得一个初速度开始随流体向前运动，管道流体运行压力越高，清管器前后流体压差越大，清管器运行速度越快，反之亦然。清管器运行过快或过慢都达不到理想的清管效果。运行过慢，清管器不稳定，在地形起伏管段或通过翻越点时会间歇性停顿；运行过快，清管器会对盲板和管壁造成冲击，引发事故。实际清管过程中清管器运行速度控制在1 m/s～3 m/s为宜。

2.2  管道内壁摩擦阻力

过盈量是指基本尺寸相同的相互结合的孔和轴公差带之间的关系，有间隙配合、过盈配合、过渡配合三种情况。输油管道清管器属于过盈配合。其过盈量指清管器外径（皮碗清管器皮碗外径）减去管道内径所得值与管道内径的百分比。过盈量决定直板或皮碗与管道内壁结合的松紧程度。由于过盈量的存在，清管器与管道内壁紧密接触，受到管道内壁挤压，使二者产生形变，但由于管道钢管的强度远大于皮碗,可以认为钢管是绝对刚性的, 只有皮碗产生形变，即皮碗向中心轴线移动,其等效图如图 3所示。

图 3 清管器过盈配合挤压力等效示意图

皮碗对管道内壁的总压力近似按式（2）计算：

F＝πl（d Pi + dc Pd）  （2）

式中F为直板或皮碗对管壁的总压力，N；l为直板或皮碗与管壁的接触宽度，m；d为管道内径，m；Pi为直板或皮碗过盈配合挤压力，N；dc为直板或皮碗材料的泊松因数；Pd 为流体对直板或皮碗的等效径向压力，N。

清管器的摩擦力与清管器受到的挤压力和清管器前后流体压差有关。清管器的过盈配合程度直接决定了清管器的挤压力。因此在输油管道清管过程中，过盈量是一个重要指标。直板、皮碗清管器的过盈量一般为2%～6%。过盈量偏小，清管器的摩擦阻力小，清管器不能有效刮擦管道内壁的结蜡，无法达到预期的清管效果；过盈量偏大，清管器直板或皮碗与管道内壁过于紧密接触，摩擦阻力过大，对管道内壁结蜡的刮擦力度较大，大量的蜡质被刮擦下来堆积在清管器前端，与清管器一起形成一个更大的等效清管器，增大了清管器前行的阻力，容易造成清管器卡阻，发生管道蜡堵。当挤压力过大时，清管器还会对管道内壁的涂层造成损伤，加速管道的腐蚀速度，缩短管道使用寿命，给管道的安全运行带来风险隐患。

2.3  清管器的剪切力

根据材料力学的定义，“剪切”是在一对相距很近、大小相同、指向相反的横向外力（即平行于作用面的力）作用下，材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪切力。显然，清管器在管道运行时受到的剪切力因摩擦阻力而产生，它是另外一种特殊形式的摩擦力，与摩擦力方向平行，在清管器运行期间二者叠加共同作用于清管器，不再另做分析。

2.4  输油管道本体因素

输油管道因占压、挤压等外力影响会发生变形，造成清管器运行不畅，容易发生卡阻，要求管道弯头的最小曲率半径不应小于管径的1.5 倍[2,3]，管道直管段的最大变形不应大于管径的 20% 。距上次清管的时间间隔过长，清管管段的距离过长，都会使清管器前端积聚的蜡质异常增多，严重阻碍清管器平稳运行，造成管线蜡堵。

2.5  管道内流体物性因素

管道运行压力和温度对管内流体的黏度、凝点、析蜡点等物性有一定影响，管内液体压强增大时液体分子间距变小，分子间引力增大，液体黏度增大，清管器运行阻力增大。温度升高时，液体分子间距增大，分子间引力变小，液体黏度显著减小，清管器运行阻力也显著减小。原油凝点越高，析蜡点越高，在低输量、低油温时原油中的蜡质越容易析出，清管时越容易发生管道初凝，甚至异常蜡堵，造成管道异常停输。

2.6  清管器本体因素

清管器本体影响因素主要来自清管器的材质、结构、泄流孔、过盈量、运行速度等。例如：清管器卡在弯头处，清除的沉积物积聚在清管器前，推动流体绕流清管器，清管器弯曲变形，或因磨损而导致密封性下降，漏失量增大等。清管器失效，使管道无法达到预期清管效果，清管器一旦卡堵将致使管道流量下降，甚至导致整条管道堵塞停输，造成严重后果。清管器运行速度决定了清管器的运行时间和清管效果，而运行速度又取决于清管器两端的压降。减小清管器阻力并取得良好的清扫、密封效果，是提高清管效率的重要内容。

2.7  其他因素

此外，影响因素还包括输油工艺的改变，管道输量的异常大幅度频繁调整，管道启、停输时间过长，清管管段地形的高低起伏，清管周期和清管时间，管道沿线地温及清管器运行位置跟踪情况等。如输油管道沿线的温度场变化也会影响管内流体的物性，原油管道的低输量、低油温、低地温会增加蜡质的析出。长输管道注入混合油品后，油品物性发生变化会影响清管器的平稳运行。管道停输期间，清管器在管道内搁置时间过长也会给管道后续清管带来风险等。

3  结语

随着清管器技术的发展，用于不同管道和清管目的的清管器种类不断增多，但都缺乏可靠的工具预测和判断清管器在管道内的运行状况。通过清管器等效物理模型，可具体分析影响清管器稳定运行的主要因素，有效指导输油管道清管作业。

 

参考文献：

[1]刘宏波，吴明，周立峰.输油管线中清管器运行规律研究[J] .天然气与石油，2006，24(1)：17-19 .

[2]陈卓如，王洪杰，刘全忠，蔡伟华.工程流体力学[M]. 北京：高等教育出版社，2019.

[3]仲维斌，张畅，王自林，李冬，王庆伟，曹雷.机械清管器技术条件[S] . Q/SY 05262-2019.

 

作者简介：陈高磊，1983年生，工程师，毕业于西安石油大学自动化专业，现主要从事油气管道调控运行管理方向的研究工作。联系方式：17799227322，gaoleichen@126.com。