低流速下清管器运行风险及应对措施

国家管网西气东输苏浙沪输气分公司

作者：王关鲁、唐进、张久明

摘要：为了保障天然气管道清管作业的顺利开展，本次研究首先对低流速下清管器运行风险问题进行深入分析，在此基础上，提出有效的应对措施，为保障清管作业的安全性及高效性奠定基础。研究表明：低流速下天然气清管器的运行风险主要表现为卡堵风险高、跟踪困难、清管周期延长三方面，这些风险相互关联，具有链式效应，低流速下天然气管道清管器运行风险的防控，应当从结构适配、信号感知与过程控制三方面系统推进。本次研究对低流速下清管器运行中有效降低卡堵、跟踪丧失与周期延长带来的安全隐患具有重要意义。

关键词：低流速；天然气管道；清管器；运行风险；应对措施

0 前言

随着我国天然气管网体系的快速发展和长输管道规模的持续扩大，清管作业已成为保障管道运行安全与输送效率的重要环节，天然气管道在长期运行过程中，受气源条件及工艺调整等因素影响，常常出现流速波动甚至低流速运行工况。在此情况下，清管器运行的动力条件与流动环境显著变化，其运行状态将会受到影响。当管内流速偏低时，清管器前后压差不足，流体携带能力下降，易出现清管器滞留等多种类型的问题，不仅影响清管效果，还可能导致管道压降异常甚至诱发管道事故^[1]。针对该问题，本次研究主要是对低流速下天然气管道清管器运行的风险问题进行总结，从多个角度出发提出有效的应对措施，为清管作业参数设定及安全管理奠定基础。

1 低流速下清管器运行风险分析

1.1 卡堵风险

在天然气管道低流速运行条件下，清管器前后压差减小，推动其前进的有效动力显著降低，当流体推力不足以克服清管器与管壁之间的摩擦阻力及杂质堆积阻力时，清管器极易出现滞留或卡堵现象。尤其在长输天然气管道中，由于管径变化及管道局部变形处，都会形成阻力突增区，低流速下清管器难以顺利通过。清管过程中被剥离的铁锈及水合物碎屑在低速气流作用下无法被及时携带排出，往往聚集在清管器前缘或尾部形成堆积物，进一步加大了阻塞概率^[2]。一旦清管器发生卡堵，不仅导致清管作业中断，还会造成天然气输送中断甚至安全事故。低流速清管器卡堵后若未及时解除，可能引发局部超压或气体泄漏等严重后果。因此，在低流速清管作业中，如何维持足够的前推压力和控制流速波动并优化清管器结构，是预防卡堵风险的关键。

1.2 跟踪丧失风险

低流速清管运行中，清管器在管内运动缓慢且状态不稳定，导致其位置监测与状态跟踪的难度显著提升，在常规工况下，管道运营方通常利用压差变化或无线信号发射装置来实时监测清管器位置与速度。然而，当清管速度降低时，这些信号的变化幅度趋于平缓，响应时间延迟，容易出现信号波动不明显或定位误差增大的问题。特别是在长距离输送管道中，信号衰减与噪声干扰会使清管器的实时定位精度下降，从而出现跟踪丧失的风险。若无法准确掌握清管器位置，一旦发生滞留或卡堵，将严重影响救援和排堵方案的实施。低流速运行下清管器往往会出现姿态不稳或往复滑动的现象，导致压差监测数据难以准确反映清管器真实状态。部分天然气管道在山区及埋深较大区段运行时，监测设备布设受限，信号衰减更为明显，增加了位置丢失与误判的概率。在低流速清管条件下，跟踪丧失不仅会影响作业安全与决策效率，还可能延误异常响应时间，放大潜在事故后果^[3]。

1.3 清管周期延长

低流速下清管器推进速度减慢，直接导致清管周期延长，影响管道运行效率与安全管理计划的执行，正常情况下，清管周期的设定基于气体流速及管内介质物性等因素，以保持管道内壁清洁和减少压降并防止水合物形成。当实际运行流速低于设计值时，清管器完成同样长度管段所需时间显著增加，不仅延长了清管作业周期，也削弱了清管的动态清扫效果。低流速气流动能有限，对清管器剥离的固体颗粒和液体杂质的携带作用减弱，使得部分杂质重新沉积于管底，甚至在清管器后方形成尾流堆积。这一现象使清管效果下降，管道通流能力未能得到有效恢复。另一方面，清管周期的延长还可能引起运行参数控制困难，例如压差监测滞后和能耗增加等，给运行调度带来额外负担。

2 低流速下清管器运行风险应对措施研究

2.1 针对卡堵风险的应对措施

在低流速天然气管道中，清管器卡堵往往源于推力不足及管道内壁不均匀摩擦等因素，针对这一问题，应从清管器设计优化、管道内环境改善以及操作管理精细化三方面综合应对。首先，在清管器结构设计上，应根据管道具体工况选择低阻型和多密封圈柔性清管器，采用高弹性聚氨酯材料或分段式密封结构，以增强其适应性和通过能力。对于存在弯头或变径管段的区域，可选用带有导向头和旁通通道的组合式清管器，以降低摩擦阻力，防止因流体分布不均而产生局部卡滞。其次，作业前应对管道内环境进行预处理，减少沉积物对清管器运动的阻力，对于存在积液或水合物风险的管段，可采用分段吹扫或惰性气体干燥，确保管内流通条件稳定。最后，在操作层面，应建立实时压差监控与位置识别系统，通过连续记录前后压力变化与气体流量，动态判断清管器运行状态。

2.2 针对跟踪丧失风险的应对措施

低流速运行导致清管器位置监测信号弱和响应迟滞，是天然气管道清管过程中的重要技术难题，为有效防控跟踪丧失风险，应从多源监测融合、信号增强与异常识别三方面入手，提升清管器状态感知能力。首先，可采用多传感器融合监测技术，将声波检测和压差曲线分析等多种方式相结合，建立综合判识模型，当单一信号不明显时，系统可自动依据多参数特征进行状态识别，提高跟踪的可靠性。其次，为增强低速工况下信号质量，可在清管器上安装低功耗无线信标或声发射装置，并结合沿线布设的接收节点阵列，实现弱信号的分段采集与重构，对于地形复杂和埋深较大的管段，可通过信号放大器或中继模块减少衰减影响。最后，应构建基于历史运行数据的智能异常识别系统，利用机器学习算法对清管器的压力波动和信号模式进行特征分析，识别可能的滞留或偏移趋势，提前发出预警，这样不仅可在信号丢失前获得风险提示，还能为调度人员提供定量化决策依据。

2.3 针对清管周期延长的应对措施

在低流速运行下，清管周期延长和清管效果下降的问题普遍存在，为确保管道长期安全与通畅，应重点从清管计划优化、杂质排出效率提升和清管作业过程管理三方面着手。首先，应制定基于工况动态调整的清管计划，通过分析气源变化及杂质沉积趋势，合理确定清管周期与清管器投放节奏，对于特定管段，可采用短距离多频次分段清管方式，以避免一次性清管周期过长引发的效率损失。其次，在不提高流速的前提下，可通过优化气流分配与介质管理提升杂质排出能力，在清管前通过调节阀门组合和改变气流路径，使流体形成更稳定的推流效果，在清管后利用压差控制排放残余气体与颗粒物，确保杂质彻底排出，必要时可引入化学清管辅助技术，如注入表面活性剂或分散剂，减少固体颗粒的再沉积与附着。最后，针对清管过程，应实施全过程精细化控制，在起动阶段缓慢升压以防密封失稳，在中段运行时监测压差与摩阻变化，在终止阶段通过逐级卸压与气体导排降低尾部沉积风险。

3 结论

综上所述，低流速清管问题的研究不仅关乎天然气管道的安全与经济运行，更是推动清管技术向精细化和智能化方向发展的关键环节，未来应加强多物理场耦合模型与智能监测技术的融合应用，探索基于实时数据的自适应清管控制策略，实现从经验型操作向数据驱动决策的转变。同时，构建低流速清管的风险数据库与评估体系，将为天然气长输管道的全生命周期维护与智能运维奠定基础。

参考文献

[1]杨金威,袁运栋,王爽,等.跨国长输天然气管道清管器卡堵治理措施[J].化工机械,2024,51(01):169-174.

[2]王然.管道清管作业风险评价技术研究[J].化工安全与环境,2022,35(24):8-11+16.

[3]黄吉峰,李荣升.天然气管道清管作业风险分析及应对措施[J].化工管理,2019,(20):88-89.

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