海底管道通球和内检知识介绍 - 图文

1.0 前言

我国自1985年在渤海埕北铺设第1条海底管道以来，现已有138条海底管道投入运行（2007年统计数字）。由于受当初管理理念和技术条件的制约，据2007年统计目前现有的138条海底管道仅有11%左右能做到定期通球，大部分海底管道在铺设完成通球后再未进行过管道通球，这给管道的生产和安全造成了严重的威胁。 150 100 500 1382721540348515202柴油注水气在役数量原油通球数量三相合计

2007年中海油海底管道清管通球情况统计

海底管道不能进行通球存在多种原因，除特殊因素外，其原因主要可以归纳概括为管道系统内部影响因素和管道系统外部影响因素两大类。管道系统内部影响因素主要包括管道本身、附件、介质等因素对管道通球造成的影响，管道系统外部影响因素主要包括清管器的选择及通球程序等对管道通球可行性造成的影响。这两方面的影响因素将在下文进行详细论述。 2.0 引用文献

? GB 50251 输气管道工程设计规范 ? GB 50253 输油管道工程设计规范 ? SY/T 6597-2004 钢质管道内检测技术规范 ? SY/T6383-1999 长输天然气管道清管作业规程 ? Q/SY 93-2004 天然气管道检验规程

? Q/SY JS0054-2005 钢制管道内检测执行技术规范 ? ASNT ILI-PQ-2003：管道内检测员工的资格

? 国质检锅[2003]108号《在用工业管道定期检验规程》

? 国家经济贸易委员会令[2000]第17号《石油天然气管道安全监督与管理暂行

规定》

? NACE_RP0102 In-Line Inspection of Pipelines

? ASME B 31.8S-2001: Managing System Integrity of Gas Pipelines 3.0 管道通球的目的

海底管道通球主要有以下5个目的： 3.1 内腐蚀控制 ① ② ③

可以清除管道中引起腐蚀的碎屑； 可以提高防腐剂抑制剂的效果；

可以排除管道的低洼处的可能引起腐蚀的积液。

3.2 清除管道中的碎屑、杂质等以提高管道输送效率

管道中碎屑、杂质的积累会降低管道的输送效率，而通过管道通球操作，除去管道中的碎屑、杂质，可以提高管道的输送效率。

管道中的碎屑主要有以下四类：砂、腐蚀产物、软泥、垢、蜡，五种中碎屑、杂质在管道中可能出现的情况如下表所示：

管道类型 多相气管道 分离后的湿气管道 干气管道 多相油管道 分离后的油管道 凝析油管道 化学药剂注入管道 砂 Possible Possible No Possible Possible Possible No 腐蚀产物 Possible Possible No Possible Possible Possible No 软泥 No No Possible No No No No 蜡 No No No Possible Possible No No 垢 No No No Possible Possible No No 注水管道 气体排空管道 干油管道 3.3 气管道的积液排除

No No No Possible Possible Possible No Possible No No No No Possible No No 管道通球也通常用于湿气管道的积液量控制。可能产生大量积液的气体管道通常在接收端设有段塞流补集器。通常情况下，管道中的积液运移的速度远低于气体的流动速度，并且积液的总量会不断增加，一旦积液的总量达到一定的值，积液就会从管道中流出，进入段塞流补集器，通常这种状态能达到一种动态的平衡。给管道进行定期的通球，可以确保管道中的积液总量保持较低状态，即使出现管道中流速增大的情况，也不会出现排出的积液超过段塞流补集器补集能力的情况。

3.4 管道的清管通球为管道的内检测通球做准备

3.5 管道内检测通球，进行管道几何测径、腐蚀检测、裂纹检测及防腐层剥离检测

等检测工作 4.0 清管器的分类

清管器是一种能够在管道内部移动，用于清理残渣、确定管道尺寸、检测的设备。 清管器的工作原理是在作业的管道中，按作业的要求置入相应系列的清管器。清管器的密封外沿与管道内壁弹性密封，用管输介质产生的压差为动力，推动清管器沿管道运行。依靠清管器自身或其所带机具、设备所具有的刮削、冲刷作用来清除管道内的杂屑或进行相应的检测工作。 清管器通常一般分为两大类：

第一类是用于投产前或是路由通球的一般清管器；

第二类是用于检测管道金属损失、管道几何形状和腐蚀的管道内检测器。 4.1 一般清管器

一般清管器通常分为以下四种：

? 泡沫式清管器（Foam pigs） ? 机械式清管器(Mandrel pigs) ? 一体式清管器（Solid cast pigs） ? 球形式清管器（Spheres） 4.1.1泡沫式清管器（Foam pigs）

泡沫式清管器是用开口聚氨酯泡沫制造的，这种泡沫一般有三种密度：轻密度（32kg/m3），中密度（80-128kg/m3），高密度（144-160kg/m3）。泡沫式清管器一般是子弹形状，但底部也可以是凹陷的，或平整的，球的表面可以

只是基础泡沫，也可以涂装上一层耐磨的聚氨酯材料，这类有涂层的泡沫式清管器，有一层螺旋的聚氨酯涂层或是各种刷子或是金刚砂涂层。泡沫式清管器的标准长度是管道直径的两倍。泡沫式清管器具有高压缩率、良好的扩展性、轻质量和柔性，能够通过多管径、小于90°的弯头、至少65%开度的阀门等复杂情况的管道，但泡沫式清管器属于一次性消耗产品，耐磨性能差、清除管壁残渣能力较差。

4.1.2机械式清管器（Mandrel pigs）

机械式清管器有一个金属主体（铁或铝）和用于驱使球在管道运动的隔离密封装置（杯片或直板）。为了更好的清理残渣，机械式清管器一般装备一圈钢刷或者刮刀。

机械式清管器上的隔离密封装置可以用来清理管道也可以用来隔离不同的流体，这些装置可以更换反复使用。机械式清管器设计用于长输管道的清理，球的前部有一个旁通洞用于控制球的速度或者作为一个喷射口使残渣始终悬浮在球的前方。

机械式清管器按照功能分可以分为清管球、隔离球、置换球、轮廓球、测径球、多管径球、定位球、特殊球。

① 清管球（cleaning pigs）

清管球设计用于清除管道内固体和积累的残渣。14”和更小尺寸的清管球通常使用金属丝轮刷，这种刷很容易更换；大于14”的清管球使用特殊刷或者补偿刷。

这些刷可以根据需要单独地被更换到相应的弹簧片、支撑片上，这些弹簧使刷子与管壁紧密接触，同时在内径较小的地方进行缩小。

标准的刷子是用粗碳钢的钢丝制作，对于有内涂层的管道，prostran 这种材料是一种很好的选择。而对于一些特殊的管道，不锈钢的刷子也是使用。 对于哪些如：蜡、泥浆等软的沉积物的清除，(氨基甲酸酯)刮刀是一个好的选择。 对于隔离密封装置要么是弹性材料的杯片，要么是直板式的，用来做清除残渣和隔离密封流体。杯片通常是按同心圆锥设计的，特殊形状的杯片一般是用于哪些特殊的应用。正常情况下，杯片和直板的材料都是用耐磨和抗拉扯的聚氨酯制作，但只能在适应的温度下使用，而尼龙、腈、EPDM和氟化橡胶材料的隔离密封装置能够适用更高的温度。

② 隔离球(batching pigs)

隔离球的主要作用是在混输管道中隔离不同类型的流体如热油和气，隔离球比一般的清管球增加隔离杯片或直板。

③ 置换球（displacement pigs）

置换球用于将一种流体置换成其它的流体，它们可以设计成双向也可以是单向的，一般用于管线的水压试验、管线的填充和排空，管线的废弃可经常用到。

④ 测径球(guaging pigs)

测径球在管道建造完成后或清管前用来确定管道中是否有任何障碍，通过测量管线的最小内径或管线的椭圆度是否在清管的可接受范围内。低碳钢或铝制造的测径板安装在球的前部或后部，可以开槽也可以是实心的。板的外径通常是管道内径的90-95%。

⑤ 轮廓球(profile pigs)

轮廓球是一个安装多个测径板的的测径球，通常是三个测径板，一个是装备在球的前面，一个在中部，一个在球的后部。正常情况下是用于在ILI(In Line Inspection)之前，用来确定内检测球在管线和弯头的通过情况。 ⑥

多直径球(dual diameter pigs)

多直径球用于那种有多种管径的管道，它们通过装备多种直板或杯片，小的实心直板或杯片用于小管径的管道，大的开槽直板或杯片用于大管径的管道，同时也可以装备钢丝刷。 ⑦

定位球(transmitter pigs)

如果球被卡在管道中，为了确定卡球位置，装备发射机的定位球就用于这种情况。定位球中的发射机会发出信号，潜水员可以使用接收装置来确定球的位置，这种发射机也可以装备在泡沫式清管器、一体式清管器中。 ⑧

特殊球(specialty pigs)

许多复杂的情况需要使用特殊的球，如带针轮的球用来清除积蜡和积垢，带磁力的球用来吸附管线中的含铁的残渣。

4.1.3一体式清管器（solid cast pigs）

一体式清管器可以有多种设计，也可以有多种材料制作，通常用的是聚氨酯材料，而尼龙、腈、氟化橡胶和其它耐磨材料多应用在小管径的管道。一体式清管器虽然也可以装备刷子达到清理的目的，但一体式清管器主要目的还是用于密封隔离。一体式清管器可以设计成杯片式，也可以是直板式，还可以是两种组合使用。

一体式清管器对于湿气管道中的液体、凝析油、水有极高的清除率，也能很好的控制原油管道中的蜡积累。

4.1.4球形式清管器（spheres pigs）

球形式清管器用于密封隔离已经使用多年，现在有四种基本的类型：可填充的、实心的、泡沫的、可溶的。可溶的球形式清管器通常使用在原油管道中包含微晶质蜡和非晶型聚合物的管道。虽然这个球在几个小时后会溶解，溶解的速度取决于流体的温度、流体的速度、摩擦系数、原油的吸收能力。如果管道从没有清管通球，通一个可溶式清管器是一个很好的选择。

可填充的球形式清管器依赖各种应用，用各种弹性材料（聚氨脂、尼龙、腈、氟化橡胶）制作，球的中部有一个填充阀门，用于填充水、或者酒和水的混合物（不能填充空气），填充到要去的尺寸。

根据项目的需要和材料的要求，这球形式清管器可以填充超过管道内径的1%-2%，但这个球应用到管道中，它的尺寸会变化。对于小尺寸的球形式清管器会被制造成实心的，是不能被填充的也不能变形。

球形式清管器也可以用开口聚氨脂泡沫制作，表面上可以涂装一层耐磨的聚氨酯材料，为了达到更好的清理效果还可以在表面上装上钢丝刷。

球形式清管器很容易运输，能通过不规则的转向和弯头，它们比其他类型的球更能适应小支线到大主线这种管道。球形式清管器多用于从湿气系统移除液体、隔离不同的流体、水压试验等。

4.2 管道内检测器

管道内检测器主要是指通过超声、漏磁、涡流等无损检测原理对管道的几何形状、金属损失、裂纹进行检测的一种器具。

其中涡流检测法虽然可适用于多种黑色金属和有色金属，但是涡流对于铁磁材料的穿透力很弱，只能用来检查表面腐蚀，而且如果在金属表面的腐蚀产物中有磁性垢层或存在磁性氧化物，就可能给测量结果带来难以避免的误差。另外，由于涡流法的检测结果与被测金属的电导率有密切关系，为了提高测量精度还要求被测体系最好保持恒温，所以国外使用较为广泛的管道腐蚀检测方法是漏磁和超声。

漏磁法检测的基本原理是建立在铁磁材料的高磁导率这一特性之上，其检测的基本原理是钢管中因腐蚀产生缺陷处的磁导率远小于钢管的磁导率，钢管在外加磁场作用下被磁化，当钢管中无缺陷时，磁力线绝大部分通过钢管，此时磁力线均匀分布，当钢管内部有缺陷是，磁力线发生弯曲，并且有一部分磁力线泄露出钢管表面。检测被磁化钢管表面逸出的漏磁通，就可以判断缺陷是否存在。

超声检测法主要是利用超声波的脉冲发射原理来测量管壁受蚀后的厚度，检测时将探头垂直向管道内壁发射超声脉冲基波，探头首先接受到由管壁内表面发射的脉冲，然后超声探头又会接受到由管壁外表面发射的脉冲，前后两次之间的间距反映了管壁的厚度，若管壁受蚀，间距将减小。这种检测方法是管道腐蚀缺陷深度和位置的直接检测方法，检测原理简单，对管道材料的敏感性小，检测时不受管道材料杂质的影响，能够实现对厚壁大于管径的管道进行进行精确检测，使被测管道不受壁厚的限制。此外，超声法的检测数据简单准确，且无需校验，检测

数据非常适合作为合作为管道最大允许输送压力的计算，为检测后确定管道的使用期限和维修方案提供了极大的方便，并能够检测出管道的应力腐蚀开裂和管壁内的缺陷。超声检测的不足之处就是超声在空气中衰减很快，检测是一般需要声波的传播介质，如油和水等。

external pipe wall internal SO UltraScan sensor mm wt SO = stand-off 0 400 800 1200 1600 2000 mm wt = wall thickness 0 400 800 1200 1600 2000 mm

内检测器按功能分为以下几种： ? ? ?

几何学测径 金属损失检测 裂纹&涂层剥离检测

4.2.1几何学检测

几何学检测包括低精度和高精度两种，两种都是通过非接触式几何学传感器和多通道涡流技术对管道的几何形状进行检测。不过高精度的精度更高，能从形状、轮廓、角度方面更加细致的探测。

低精度 特 征 精度 检测门限 高精度 精度 检测门限 内 径 改 变 椭 圆 度 椭圆度 长度 方位 长度 凹 坑 宽度 深度 方位 弯头半径 部 弯头长度 件 弯头方位 1.5mm +/-2%椭圆度 内径的10% 22° 内径的10% 内径的20% 内径的1.5% 22° +/-20% +/-15% +/-10° 1.5mm 2%椭圆度 1mm 1% 15.2mm +/-12° 1mm 1.0% 内径的1.5% 7.6mm 15.2mm +/-0.5% +/-12° 1.0% 20D +/-15% +/-15% +/-15% 30D 10° 椭圆度=IDmax-IDmin/IDmax+IDmin*200(%)，其中高精度的还能检测出褶皱，检测门限是1% 4.2.2金属损失检测

金属损失检测就是利用强磁场对管道进行磁化，然后根据探测出的磁通量确定缺陷的大小，根据磁化方向有轴向磁通量的腐蚀探测球和环向磁通量的轴向探伤球。

轴向磁通量性能参数： 一般缺陷针孔缺陷轴向沟纹轴向槽纹(mm) 深POD=90% 深度尺寸精度 +/-0.1 长度尺寸精度 +/-15 宽度尺寸精度 +/-20 +/-0.15 +/-12 +/-12 +/-0.2 +/-15 +/-12 +/-0.17 +/-12 +/-20 度 0.1 (mm) 0.12 (mm) 0.2 (mm) 0.12 注：深度、长度、宽度的精度都在80%检测置信度范围内,POD:Probability of Detection

环向磁通量性能参数： 一般缺陷针孔缺陷轴向沟纹轴向槽纹(mm) 深POD=90% 深度尺寸精度 +/-0.2 长度尺寸精度 +/-15 宽度尺寸精度 +/-15 +/-0.2 +/-10 +/-15 +/-0.2 +/-10 +/-15 +/-0.2 +/-16 +/-15 度 0.2 (mm) 0.2 (mm) 0.2 (mm) 0.2 注：深度、长度、宽度的精度都在80%检测置信度范围内,POD:Probability of Detection

4.2.3裂纹&涂层剥离探测

一种新的检测能够用于探测裂纹&涂层剥离，叫EMAT Crack Detection,这种方法声波在管壁内产生，不需要液体耦合剂，产生的声波对表面非常敏感 EMAT的原理：

性能参数：

? 管道壁厚（依赖器具的设置）： 5-13mm

2-20mm

? 最小深度（母材） 1mm ? 最小深度（焊缝上） 2mm ? 最小长度 20mm ? 相对轴线的方位 +/-18° ? 相对管道表面的倾斜 40°-90° ? 长度尺寸 +/-10mm ? 深度尺寸 精确的评价模型 ? 涂层剥离探测的类型 coal tar enamel

5.0 海底管道通球可行性影响因素分析

从管道系统内外两个方面来分，影响海底管道通球的因素，可分为管道系统内部因素和管道系统外部因素两种。

管道系统内部因素包括管道结构、驱动介质、管道内障碍物等因素； 管道系统外部因素包括清管器的选择和通球操作过程等因素。 5.1 管道系统内部影响因素 5.1.1收发球装置的因素 ①

收发球装置类型

收发球装置可以分为阀式收发球装置和筒式收发球装置（通常称为收发球筒）。其中阀式收发球装置具有设施简单、操作简单的特点，但是该类装置一般只能在管道清管的过程中发射、接收清管器，不能进行管道内检测器的发射与接收。

而筒式收发球装置设施较阀式收发球筒复杂，操作也相对复杂，占用空间较大，但是收发球筒既可以进行清管器的发射与接收，也可以应用于管道内检测器的发射与接收。

②

筒体长度的影响

筒式收发球装置主要分为三个部分：筒体、变径管（异径管）、常径管。如下图所示：

由于普通的清管器长度较短，收发球筒的尺寸对于收发普通的清管器一般没有特别的影响。由于管道内检测器的长度相对于普通清管器要长，并且部分内检测器为多节连接状态，所以，收发球筒的长度对于管道内检测器而言有较大的影响。

一般而言管道内检测器说明书中都会给出对于收发球筒的筒体、常径管的最低长度要求。如果没有收发球筒的完工图纸，那么就需要去现场对收发球筒的各部分长度进行实地测量，以确定是否能适合发射、接收内检测器的要求。

发球筒的筒体长度至少要与检测器的长度相同。这样才能满足检测器前部的密封杯片进入到常径管起密封作用时，不至于影响到盲板的关闭。我们也可以将检测器向前推入，让检测器充分进入常径管，由于距离球筒隔离阀（trap valve）太近，可能会影响到阀门的开闭。

发球筒的常径管的长度要至少满足当检测器的密封皮碗起到密封作用时而不至于检测器的前端碰到发球筒的隔离阀。

收球筒的常径管的长度要至少满足当检测器的密封皮碗通过常径管后，形不成密封时，检测器的后端不会影响到收球筒隔离阀的关闭。

收球筒筒体的长度相对于发球筒筒体的长度对于通球而言重要性较小，但是筒体应该足够长以容纳接收到的检测器，而不至于使检测器的前端触碰到收球筒的快开盲板。 ③

过球指示器的影响

过球指示器可以起到过球指示的作用，在管道通球过程中应确保过球指示器可用。失效的过球指示器，特别是锈蚀造成失效的过球指示器不但对于管道收发球的通过指示有误导作用，同时也会造成清管器或检测器的卡堵甚至损坏。 5.1.2弯头

清管器及内检测器的可通过的最小弯曲半径是在通球过程中我们需要谨慎研究

某平台锈蚀的过球指示器，球过后未能触动探头，弹起指示牌

的。由于清管器的长度较短，大部分的清管器可通过1.5D的管道弯头。部分管道内检测器可通过3D的管道弯头，有些也可以达到1.5D。在管道通球前，需要弄清涉及管道通球系统的所有管道弯头的弯曲半径，并确保弯曲半径在所用清管器及内检测器的许可范围内。

对于海底管道中需要注意立管顶端与平台上工艺管线接头处一般为斜接弯头mitred bend，对于这个弯头的角度需要重点注意，一般不要超过6°。

5.1.3管道内涂层

管道存在内涂层在管道通球过程中需要考虑以下两点问题： 首先是内涂层的存在可能会影响到某些管道内检测器的检测质量；

其次一些管道清管器（如带钢刷的清管器）或内检测器在通球过程中会对管道的内涂层造成伤害，影响管道寿命。 5.1.4管道内径

大部分管道的外径是一个不变的值，但是由于管道壁厚的变化，因此在不同壁厚的管道衔接处就会出现管道内径的变化。这种变化对于管道通球有重要影响。通常情况下，清管器和内检测器对于管道内径变化都有一定的承受门限，这种承受门限在清管器和内检测器的说明中都会有相应描述，如果管道的变径超过这一范围，通常就会造成卡球甚至是清管器或内检测器的损坏。 5.1.5主线阀门

主线阀门是指在管道通球过程中清管器或内检测器需要通过的管道阀门。在管道

膨胀弯

斜接弯头

通球前需要确认这些阀门的内径，因为有的管道系统特别是比较旧的管道可能存在这种情况，管道的主线阀门的内径小于管道本身的内径，比如，一条24寸的海管可能存在一个20寸内径的阀门。在这种情况下，需要对管道进行改造，通常是更换阀门，或者使用临时收发球筒越过包含此类阀门的管段。

有些管道的阀门内径即使与管道内径一致，也存在比管道内径略小的可能。管道内检测器通常会注明可安全通过的最小的阀门内径。闸阀在打开的情况下，存在与闸板等厚的空隙，清管器或者内检测器的密封杯片运行到这些空隙处将会失去密封作用，从而失去前进的动力造成球的卡堵，同时密封杯片可能会陷入并卡在这些空隙处，造成卡堵，这种情况下往往只能关停管道，进行切割取出卡堵的球。解决这种问题的方法是加厚密封杯片的厚度，并且清管器与内检测器有两个隔开一定距离的密封杯片，以保证始终有有向前的驱动力。

海底管道通球之前要确认主线上所有需要打开的阀门保持完全打开状态，以免造成清管器或内检测器以及阀门的损害。 5.1.6止回阀

止回阀对于管道的通球也存在潜在的风险。管道中如果存在止回阀，需要根据止回阀的类型进行通球可行性分析。如果止回阀的类型是升降式止回阀或者蝶式止回阀，那么管道如果要进行通球，需要将该止回阀拆除；如果止回阀的类型是旋起式止回阀，管道如果要进行通球，需要将止回阀的阀瓣移除或者固定在阀门全开的状态下，以避免清管球或者阀门的损害。止回阀阀体内部也存在与闸阀类似的空间，对于这一空隙的处理方式也与闸阀处理方式相似。 注意：在通球前对于止回阀的图纸应该认真予以研究。

升降式止回阀

蝶式止回阀

旋起式止回阀

5.1.7三通

没有安装格栅的三通是影响管道通球的重要因素。没有格栅的三通往往会造成清管器或者内检测器前端误入旁通管道内，造成卡堵或者误入其他流程。在一些旧的海底管道中可能存在没有格栅的三通存在，通常情况下，没有必要将没有格栅的三通更换为有格栅的三通，但是在没有三通格栅的管道中通球时，对于通球的时间及流程操作需要进行严格的控制，特别是当清管器或者内检测器到达收球筒前的三通之前，要严格监控球的位置，保证在通过三通时旁通阀门（bypass valve）保持关闭，旁通中没有介质流动，从而确保清管器或者内检测器不会卡堵在旁通处。 5.1.8插入式的管道设备：

管道中的一些插入式的设备，诸如插入式的流量计、插入式的腐蚀监测装置等，对管道的通球具有较大的影响，在管道进行通球前一定要将这些设备移除，以保证通球工作的顺利进行。 5.1.9驱动介质 ①

介质流速：

? 清管的介质流速：

输油管道经济流速一般为1.0~2.0m/s,为了满足清管要求，防止摩阻太大，建议清管时速度控制在0.5~2.0m/s。对于气体管道，速度过快会使清管器磨损严重，速度太慢又会使得旁通量增大，清管时速度应控制在3.5~5.0m/s。 ? 内检测的介质流速：

排除部分内检测器能够在介质流速较高的情况下，通过压力调节设备控制设备自身的运行速度外，大部分内检测器在管道中的运行速度与介质的运行速度相当。所有的内检测设备都有一个设备自身的最佳检测速度范围，超出这个速度范围，检测的数据质量将无法得到保证。一般的管道内检测（包括测径、漏磁检测、超声检测）的推荐流速为1m/s。如果管道中介质的流速超过了内检测器许可的最佳最佳检测速度范围，可以通过降低流量来达到标准流速，完成检测工作。 ②

介质腐蚀性：

管道介质中的含有的腐蚀性成分（如硫化氢、二氧化碳等）将会造成清管器或者

内检测器的损伤。特别是管道中存在大量二氧化碳时，当管道中的压力超过二氧化碳的临界状态，二氧化碳就会渗入到清管器或内检测器的橡胶质附件中，比如密封杯片或者一些配线中，从而造成这些附件的快速损伤，尤其是在渗入作用加上极端的干燥环境，更容易造成密封杯片的快速损坏。 ③

温度限制：

清管器和内检测器都有特定的工作温度范围，其工作温度范围由其设备材质及检测器的性能决定，在使用说明书中有注明。过高或者过低的温度对于清管器及内检测器的橡胶杯片有加速老化的作用，从而影响到器具的安全性及使用寿命，是不能允许的。另外超过工作温度范围时，内检测器的检测性能将受到影响，甚至造成检测设备的损坏。 ④

压力限制：

清管器以及内检测器在管道中运行都有压力许可的上限，超过这个上限对于设备会造成伤害。在天然气管道中，设备除了有压力上限之外，还需要明确压力的下限。通常管径越小的管道的压力下限越高。天然气管道中，在压力较低的情况下，即使是在管径没有变化的管道中，清管器或者内检测器将无法平稳行进，表现为时走时停的运动状态。特别是在清管器或者内检测器运行到阻力相对较大的位置，比如壁厚增加的位置、内径小于管道内径的阀门位置时，由于阻力变大，清管器或内检测器会停止运动，然后压力会在球后积聚增加，当压力积聚到可以驱动球前进的动力时，球会突然以较高的速度向前运行。这种情况下，对于内检测器的数据采集将造成较大影响，造成该段管道数据采集的减少甚至缺失，同时这种突然的前进也很可能造成球的损坏。 5.1.10管道结蜡影响

海底管道在输送原油时要求终点温度高于凝点温度3～5℃，即使采用加降凝剂改性的方法，一般也要加热输送。含蜡原油的析蜡点温度都比凝点高得多，热油管道在运行的过程中，当运行温度低于析蜡点温度时，原油中所含的蜡就会以蜡晶的形式析出来沉积在管道的内壁上，因此，高含蜡原油输送管道普遍存在蜡沉积问题。管道结蜡的存在会降低管道的输送效率，某些情况下可能加速管道的局部腐蚀，给管道的安全运行带来危害。

为了及时了解管内结蜡情况，需要对管内结蜡作出预测，以便及时清管或作相应的处理。 ①

结蜡速度预测：

? 单相管流蜡沉积动力学预测模型

单相管流蜡沉积动力学预测模型推荐用Hamouda 提出的蜡沉积模型。Hamouda提出的蜡沉积速率（质量沉积速率）的关系式为：

dmdtdCdT??1MWw?wNABdCdTA()w?dTdr

—蜡结晶在原油中的溶解度系数（由运行数据得到溶解度-温度曲线确

定），1/℃；

(dTdr/m。 )w—管壁处径向温度梯度，℃

径向温度梯度 可由管段上的热平衡关系计算得到：

dTdrGCP(?dT)dL??D

? 气液两相管流蜡沉积动力学预测模型

如果考虑分子扩散、剪切分散和流型的影响，推荐用美国Tulsa大学的Matzain建立的蜡沉积动力学模型：

d?dt???11??2DwodCwdTdTdr

其中，Wilke and Chang (1955)给出了扩散常数的表达式：

Dwo?7.4?10?8Tw(?Mw)0.5?o,fV0.6

上式中，Π1为经验系数，反映结蜡层含油及其他由非分子扩散因素导致的蜡沉积；Π2也是经验系数，反映因剪切作用而导致的沉积层剥离。表达式为：

?1?C11?Coil/100C

?2?C2NSR3

其中，经验系数C1、C2和C3通过单相和两相沉积实验可以得到，常取C1=15.0，

C2=0.055，C3=1.4。 ② ?

结蜡厚度预测

压降法预测结蜡层厚度

当低温测试管段的管壁上发生蜡沉积时推荐采用压降法。管段内有蜡沉积管段的摩擦压降为：

L??4Q??Pf?4f?? 2d2??d?2? 传热法预测结蜡层厚度

对于单相管路的结蜡厚度计算，推荐用传热法预测。管线内的单相流体向外部环境的传热可用下面的公式表示：

To?Tglq?1ro?ori???rokwlnriri???rokplnrori?1?gl

5.1.11管道积液的影响

在天然气的输送过程中,当天然气的水露点或烃露点高于管线埋设处的最低地温时就会有凝液析出。凝析液的存在不仅会增加通球扫线的次数，而且还会影响到管输效率。

若海管内有大量的凝析油或水滞留，清管作业必将推出大量液体。清管过程中海管积液流到管道收球端会在短时间内冲出海管，若短时间出现大量积液进入收球端，将对收球端的生产以及外输供气带来预想不到的后果。因此海管清管前准确预测海管的积液量，在清管程序中设置处理积液的预案对海管及终端的生产是非常重要的。

现在对于管道积液量的计算一般通过软件进行模拟计算，通常用的模拟软件主要有OLGA 非稳态多相流模拟计算软件、HYSYS 工艺流程模拟软件、PIPEPHASE 管道网络模拟分析软件。

OLGA软件工作界面

对管道进行积液量计算需要的主要数据信息如下：

? 海管规格信息：包含海底管道长度、尺寸、壁厚等基础信息 ? 海管路由水深信息 ? 天然气组分信息

? 海管运行参数：温度、压力、流量 ? 上下游烃露点，水露点 ? 环境温度

? 日平均液烃产量及段塞捕集器的容量

进行管道积液量计算主要进行以下几个主要环节的计算与分析： 1)

天然气组分分析

管道输送天然气中不可避免地存在一定比例的C6+组分或C7+组分，这些组分在温度、压力合适的条件下，会形成液体析出，从而影响管道天然气的正常输送。为能够预测分析天然气管线中液体析出情况，在状态方程计算过程中可以引入C6+组分或C7+组分这一概念，即将比重高于C6或C7的组分统统归算为C6+组分或C7+组分，以此可以对天然气单相管线或气液两相管道中何处将有液体析出进行预测。

通过对天然气C6+假组分平均分子量的确定，结合天然气相平衡计算，从而得出天然气凝析液析出特性。 2) 多相流计算模型的选取

运用模拟软件进行积液量计算计算模型的选取非常重要，我们需要根据海底管道的特征情况（包括管径、压差、数量的数据）进行计算模型的选取。

以PIPEPHASE管道网络模拟分析软件为例，PIPEPHASE软件提供了多种计算模型，如MB，MBE，BBM，BBME，OLIMES等，分别适用于不同的工况。其中MB，MBE模型比较适合海管积液量的计算，MB模型得到了东方1-1海管清管生产数据验证，MBE模型有渤南气田多年生产数据的支持。 3)

结果计算及风险分析

通过模拟软件进行积液量计算后，根据计算结果，结合管道下游对于积液的处理能力，及流程情况，进行相关的风险分析及积液排除方案的编制工作。 ? 针对积液排除的主要应对措施有：

? 将段塞流补集器的液位降到最低，保证其处理能力最大 ? 准备好接收大量积液的容器

? 通知下游用户（如燃气公司），确保出现紧急情况时，有应急气源

5.2 管道系统外部影响因素 5.2.1清管器的影响

1) 正确选择清管器

清管器的选择主要依据通球的目的，不同清管器根据其不同的结构、材质、形状决定了其不同的功用：

? 泡沫式清管器主要用来进行新建管线吸水、干燥、密封、置换、清管、除锈、

除垢。

? 机械式清管器主要用来用于各种新建管道的清管扫线，可清除管道施工中遗

留在管道内的石块、木棒等杂物；水压试验前的排气；混输管线的介质隔离；管线内涂敷前除锈、清污；管线修补前的除锈、清污；清除管线的凝油及结蜡；带有测径板的机械球可以进行管道的简单测径等。

? 一体式清管器主要用于自然情况较复杂，结垢不规则的长距离管道的清管、

除垢工作。

? 球形式清管器多用于从湿气系统移除液体、隔离不同的流体、水压试验等。 2) 通过性不同

四种不同的清管器由于材质及形状结构的不同，决定了其在管道中的通过性的不同，相比较而言：

? 泡沫式清管器由于其材质具有较大的变形量，因此具有较强的通过性能，但

是泡沫式清管器在管道中运行时，特别是气管道中在运行速度较低时容易出现介质旁通的情况，运行速度较快时容易产生较大的磨损，最终影响清管器的密封性。

? 机械清管器相比于泡沫清管器通过性相对较差，不同的机械清管器由于其采

用的密封盘分为皮碗式（cup）和直板式（disk），相对而言皮碗式的通过性比直板式高，直板式的清管能力要强于皮碗式。

皮碗式与直板式密封板通过性对比

? 一体式清管器具有通过能力强、变形量大、强度较高、不易卡堵、对弯头适

应力强等特点。

? 球形清管器由于其形状为球形，所以它在曲率半径很小的弯管中也能行走自

由，可以通过任何形状复杂的管道，具有很强的通过性。 3) 清管器过盈量及长度的选择

清管器的过盈量是指清管器直径超过管道内径部分的长度与管道内径的比值。 对于海底管道用清管器：

? 泡沫球充满水后推荐过盈量为3%-10%

? 密封盘清管球的过盈量（皮碗、直板）一般为3%-5% ? 球形清管器注满水后推荐过盈量为3%-10% ? 测径球测径板一般为管道内径的95%

清管器长度的选择方面，由于泡沫清管器、一体式清管器均为软质清管器，其长度主要限制在于不能过短（球形清管器例外），这主要是由于在清管器通过管道的三通时，如果清管器的长度低于管道旁通的内径，容易造成卡堵，因此，清管器长度的下限我们一般取主管道内径的1.1D0（D0为管道内径），对于软质清管器的长度上限一般没有特殊要求，一般取关东内径的1.5倍（1.5 D0）。 对于机械式清管器，清管器的长度除了满足比不低于1.1 D0之外，当清管球通过弯头时，其长度的上限对于清管器的通过性具有较大的影响，需要进行专门的研究。

这一方面上海煤气第二管线工程有限公司戴斌进行了详细的研究，通过对机械清管器通过弯头时的极限长度分析（弯头曲率取1.5D），最终得出如下结论：

机械清管器的长度上限为3.02 D0，综合考虑其他因素，一般我们在考虑长度上限时在其理论上限，即3.02 D0 的基础上乘以0.8，即： 1.1D0﹤L﹤3.02×0.8 D0（L为清管器长度） 即

1.1D0﹤L﹤2.4 D0

4) 清管球的建议压力和流量

管道清管推荐压力与流量表

清管压力（psi） 液体流量（gpm） 管道内径 发射时 100-200 100-150 75-125 50-100 30-80 30-60 30-50 20-50 15-45 15-40 10-25 10-25 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 10-20 运行期间 40-100 35-85 30-80 30-75 25-70 25-50 20-45 15-40 10-40 10-30 5-20 5-20 5-15 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 流速 3 fps 30 70 120 250 450 750 1,000 1,400 1,800 2,000 2,800 4,000 7,000 10,000 12,000 13,000 17,000 22,000 26,000 37,000 流速 5 fps 50 100 200 450 800 1,250 1,800 2,500 3,000 4,000 5,000 7,000 11,000 16,000 20,000 22,000 27,500 38,000 42,000 65,000 气体流量（scfm） 流速 5 fps 21 46 70 134 238 317 458 518 540 683 843 1,214 1,897 2,732 3,373 3,718 4,857 6,147 7,588 10,927 流速 10 fps 98 172 273 498 749 957 1,223 1,665 1,901 2,406 2,542 3,661 4,757 6,850 8,457 9,324 12,178 15,413 19,029 27,402 2\ 3\ 4\ 6\ 8\ 10\ 12\ 14\ 16\ 18\ 20\ 24\ 30\ 36\ 40\ 42\ 48\ 54\ 60\ 72\ 1PSI=0.0703公斤/平方厘米 1GPM=0.227立方米/小时 1SCFM=1.695立方米/小时 1FPS=0.348米/秒

5.2.2通球操作程序的影响

海底管道通球的管道系统外部影响因素除了清管器的影响外，操作程序的正常与否同样至关重要，现将标准的常规清管程序研究汇总如下： 5.2.2.1现场准备阶段：

1）工作进行之前，对以下设备和材料做好组织管理： ? 对收发球筒进行检查，保证快开盲板可用 ? 检查快开盲板的密封圈，如必要需更换 ? 防静电接地连接

? 准备储存清管碎屑和废液的容器 ? 准备推动和取出清管器的工具

? 检查确认清管设备运抵现场的通道是否畅通 ? 确认应急设备随时待命

? 对使用清管球的数量和类型进行确定，并对购置的清管球进行使用前常规维

护

? 制定清管球取出和运输方案

2）在清管球发射前，检查确认以下用于清管发球筒的项目： ? 发球筒快开盲板完好 ? 发球筒主隔离阀关闭 ? 发球筒启动管段阀关闭 ? 发球筒筒体平衡管阀关闭 ? 发球筒筒体放气阀关闭 ? 发球筒筒体排放阀关闭 ? 打开筒体上的压力指示器阀门 ? 压力表正常工作且压力值为0 ? 确认发球筒中可能残留的废液已排空 ? 确认发球筒及管线上的过球指示器良好

? 清管球放入发射筒前，确认接收站可以接受清管球 ? 通球区域要设置隔离带和警示标牌

3）清管器放入发球筒前，检查确认以下用于清管收球筒的项目： ? 收球筒快开盲板正常工作 ? 收球筒筒体主隔离阀开启

? 收球筒筒体旁路（启动）管线阀开启 ? 收球筒筒体排气阀关闭 ? 收球筒筒体排放阀关闭 ? 筒体上的压力指示器阀开启 ? 压力表正常工作且压力为0

? 确认发球筒中可能残留的废液已排空 ? 确认收球筒及管线上的过球指示器良好 ? 通球区域要设置隔离带和警示标牌 5.2.2收发球过程 1）发球

a) 打开阀门V5和V6将球筒内气体和废液排空 b) 确认压力表指示为零，移去快开盲板压力安全栓 c) 打开快开盲板

d) 润滑清管球，使用工具推入球筒中

e) 把清管器球尽可能推至远离盲板，并确定不堵塞进水孔

f) 对快开盲板进行黄油保养，如有必要需要更换快开盲板的密封圈 g) 关闭快开盲板，并关闭阀门V5和V6 h) 打开阀门V4，同时缓慢打开V3 i) 打开V2

j) 管线上的过球指示器动作时，关闭阀门V1和阀门V4，保持阀门V3一直打

开

k) 发球工作完成

l) 打开阀门V1，同时关闭阀门V2和V3，将阀门V5和V6打开，将球筒排空 m) 将阀门5和6打开，将球筒排空

n) 将发球筒恢复到发球前的状态，以备下一次发球 2）清管球运行过程

a) 随时观察并记录压力变化和流量的变化，如有异常进行加压操作或反推，如

果不成功进行抢修 b) 记录收到油的量 3）收球

a) 当收球端管道上的过球指示器动作时关闭阀门V1，同时打开阀门V2和V3 b) 介质会推着清管球由阀门2进入收球桶，当球筒上的过球指示器动作时关闭

阀门V2和V3，同时打开阀门V1和V4 c) 清管球到达筒内

d) 关闭阀门V4，打开阀门V5和V6将球筒气体和废液排空，废液进入预先准

备好的废液收集罐中

e) 确认压力表指示为零，移去快开盲板压力安全栓 f) 打开收球筒快开盲板

g) 从收球筒移除碎片、蜡或液体，放入盛放容器，敞口容器应用湿布覆盖 h) 移除废弃物并记录数量

i) 用工具将清管器从收球筒取出，对清管器状况进行观察、记录、拍照 j) 清洁快开盲板，检查O型圈，如有必要需进行更换 k) 对收球筒进行润滑保养，并关闭快开盲板

l) 将发收球筒恢复到发球前的状态，以备下一次收球 5.2.2.3现场恢复

a) 将收发球筒恢复到清管前的初始状态，并进行常规的保养 b) 将用过的清管球回收统一处理

c) 将清理废物和废液取样带回作分析，其他废物和废液统一归类后，再进行相

应处理。

d) 将收发球筒数据确认表和清管过程操作规程确认表填写完全，带回做备份，

并作为后期工作的依据。

e) 完成上述工程后，进行总结，并作为本项工作的最重要的一个节点 通球过程注意事项：

a) 开、关快开盲板，应按照快开盲板的操作规程进行操作。 b) 收、发球筒快开盲板正面和外侧面不得站人

c) 为了防止泡沫清管球在承受过大的压力下破碎，泡沫清管球装入发球筒后，

在向发球筒中导入液体过程中必须保持其前后压力基本相同。

d) 为了防止泡沫清管球在管内移动过快，使导入液体过程中泡沫清管球被推回

至发球筒的盲板一端，在安放泡沫清管球时用蜡木杆将球推至发球桶顶端，在开启连通海管的球阀前，必须保证发球桶内压力高于海管压力。 e) 为了防止泡沫清管球与管壁的剧烈摩擦导致泡沫清管球破碎，发球前必须将

其外表涂一层润滑脂。

f) 清管球使用前需将球体用水完全浸泡。

g) 为了减少阀门的影响，在发球时保持发球筒下游的阀门常开。发球前保证过

球指示器完好。

h) 收球过程中开启排空阀和排污阀动作应该缓慢。

i) 在发球、收球过程中，指定专人负责对过球指示器观察和管道监听，判断确

认清管球是否发出或来到。 过球监听 发球时，用蜡木杆将球推至发球桶顶

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