页岩气开发地面工程中的清管站及其作用

清管站是通过发送清管器和接收清管器完成清管作业功能的工艺站场。清管器是利用流体压力推动穿过一定长度管线，达到清管、测量、探测或其他目的的仪器。页岩气/天然气管道的输送效率、使用寿命和安全可靠性在很大程度上取决于管道内壁的清洁状况，一旦出现故障，就会造成不可估量的损失，因此页岩气/天然气管线清洗对提高页岩气/天然气输送效率和保障管线安全平稳运行起着至关重要的作用。

1.地面集输管道的清管

1）清管站作用

（1）管线投产前清除管道内的杂物

管线铺设和焊接过程中，管道内部会遗留许多泥土、机械杂质、岩石颗粒物和积水等，投产前需要清理，避免管线运行时堵塞管道和设备。

（2）管道运行过程中定期清除管道内部污物

管线运行过程中，管道中的页岩气/天然气会析出部分液态水、凝析油、甲烷水合物、氧化铁、碳化物粉尘和机械杂质等，这些物质在管道内部不仅会引起腐蚀，产生腐蚀产物，从而增加管壁粗糙程度。大量的水和腐蚀产物还有可能在局部聚集，降低管线流通截面，降低管线输气效率，甚至堵塞管道。因此页岩气/天然气管线在运行一段时间后，需要进行清管作业。

（3）新建管线或者正在运行管线的腐蚀监测

对于新建管线施工中，由于内壁长期暴露在空气中造成锈蚀，清管器可以清除管道内部锈蚀。正在运行的管线，例如地面集输管线，输送的是未经处理或者处理不彻底的页岩气，虽然页岩气一般不含硫化物，但是含有水分和CO2，这些成分会对管线造成腐蚀，因此为了了解管线腐蚀状况和损伤程度，需要利用清管装置对管线进行检测。

（4）清除新建管线分段水试压后残存的水分

新建管线需要进行分段试压，试压介质为水，试压结束后需要利用清管装置进行排水和干燥，保证输气安全性。

（5）对管线进行动态监测和管理

清管器的应用研究发展至今，形成了多种设计体系，满足生产需要，包括对管线变形程度监测、泄漏监测、裂纹监测、管壁厚度监测等。另外还可以利用专门清管器涂敷管道内壁缓蚀剂和涂层，包括对管壁的清洗作业、化学预处理、化学涂层涂敷作业和涂敷质量控制等内容。

2）清管器安装位置

目前，我国并没有对清管器的安装位置有明确的规范，一般清管站都是与其他工程设施站场合建。在页岩气/天然气管线起点需要设置清管器发送站，输送终点设置清管器接收站，根据实际情况还需要设置中间清管器。中间清管器发送站和接收站安装位置与清管器的质量、施工质量、清管器设计、清管速度以及管道内部情况等因素相关。根据美国机械工程师协会ASME制作的行业标准，新建页岩气/天然气管线清管器设置间距约为100～200 km。

3）清管器分类

任何清管器都要求具有可靠的通过性能（尤其是通过弯接头、三通和管线变形处的能力）、良好的清管效果和足够的机械强度。用于页岩气/天然气管线的清管器种类繁多，不同设计类型的清管器已达到几百种，目前国内常用的是清管球、皮碗清管器、智能清管器等。

2.清管器

1）清管球

清管球是最简单的隔离介质和清除积液的一种可靠实用的清管器。清管球在我国20世纪70年代使用较为普遍，由于清垢效果不理想，现在只用于天然气管线积水清除。清管球一般有4种基本类型：空心清管球、实心清管球、泡沫清管球和可溶性清管球。其中空心清管球和实心清管球主要用于天然气管线，它是使用耐磨橡胶材料制成的圆球。用于直径小于100 mm管道的清管球为实心球，大于100 mm管道上的清管球为壁厚30～50 mm的空心球。

空心球上有1个可以密封的用于注水排气的小孔，孔内设有单向阀门，用以控制注入球内的水量，达到调节清管球直径对管道内径的过盈量。清管球的过盈量一般为3%～10%，也有资料认为过盈量为5%～8%，其目的都是为了使清管球在管道内部处于卡紧密封状态。(www.xing528.com)

清管球的工作原理是利用气体压力推动球体在管道内部从始端前进到末端，从而使管道得到清洗。在使用过程中，清管球注入液体时必须将球内空气排出，保证注液口的密封性，否则不能保证清管球进入管道受压后的过盈量。一般在管道温度高于0℃时，球内液体可以是水，但当管道温度低于0℃时，球内液体需为低凝固点液体（如甘醇等），防止球内液体凝结。清管球在管道内部有滑动和滚动两种运动状态，其运动状态取决于清管球所受阻力均衡程度。

清管球液体注入口的密封性是影响寿命的主要因素，若注入口密封性好，清管球磨损就均匀，能多次重复使用。但是，清管球在通过三通或直径大于密封接触带宽度的物体时容易失密停滞，而且不能携带检测设备，功能单一。

2）皮碗清管器

皮碗清管器又叫直板清管器，是在一个刚性骨架前后串联两节或多节橡胶皮碗，中间安装有钢刷或者刮刀，并用螺栓将压板和导向器连接成一体而构成。其工作原理是：清管器进入管道后，皮碗与管道内壁紧密吻合，使其前后产生压差，并在压差作用下向前移动，达到清除污物的目的。

与清管球相比，皮碗清管器不但能清除输气管道内污物和起到隔离作用，还能作为管线检测设备的载体，用于运载电子、超声波检测设备、壁厚检测和腐蚀检测设备等。天然气管道使用的皮碗清管器根据结构和功能不同可以分为以下几种：

（1）锥形皮碗清管器。此种清管器密封性较好，耐磨，变径管和弯头的通过性较好。

（2）碟形皮碗清管器。应用广泛，可以实行管道清洗和水压试验等作业。

（3）盘式清管器。皮碗由不带唇部的圆盘组成，清管器可以双向运动，可以起到较好的清污效果。

3）智能清管器

智能清管器是一种能在管道运动过程中利用漏磁探伤、超声波探伤、γ射线、涡流检测等技术采集关于页岩气/天然气管道腐蚀程度和位置、变形程度、壁厚、埋深、裂纹情况等数据，并将各种数据进行计算处理，为管线完整性评估提供依据的清管器。页岩气/天然气管线智能清管器根据测量原理可以分为磁通检测清管器、超声波检测清管器和自动摄像清管器等。

（1）磁通检测清管器

磁通检测清管器主要功能是探测页岩气/天然气管线腐蚀程度和损伤程度，其核心设备是安装在清管器的磁力探伤仪和传感器。当传感器随着磁力探伤仪移动时，管道内外腐蚀和损伤部位会引起异常漏磁场，并传到传感器被记录下来，从而判断管道腐蚀和损伤程度以及部位。

（2）超声波检测清管器

超声波检测清管器是利用页岩气/天然气管道内壁与外壁表面反射波的时间差来测定管道壁厚状况，从而得知管道磨损以及腐蚀情况。反射波时间差越小，则说明管道内外壁表面间距越小，腐蚀和磨损状况越严重。反之，反射波时间差越大，则说明管道内外壁表面间距越大，腐蚀和磨损状况越轻微。

（3）自动摄像清管器

自动摄像清管器是页岩气/天然气在管道内自动行走过程中利用电视和激光技术更为直观地检测管道内表面敷设以及缺陷情况，并通过视频处理技术将获取资料传输到终端的清管器。

目前，智能清管器的种类繁多，各公司根据实际情况研制了很多有特殊用途的智能清管器，但是不同的清管器有不同的技术指标和应用条件，在选择智能清管器时，应提前对管道变形情况以及通过性进行研究，进而选择最佳的智能清管器，以免清管器损坏或滞留管内。

4）其他清管器

除了上述三种清管器，目前页岩气/天然气管线中还经常用到泡沫清管器、全聚酯整体清管器、凝胶清管器、压力旁通式清管器等，这些清管器都有自己的优点，应用也较为广泛。例如：泡沫清管器采用聚氨酯泡沫材料制成，材质松软，变形能力强，不会对有内涂层的管线造成损伤，而且管道内通过能力强；全聚酯整体清管器不含金属构件，质量轻，对管线磨损小；压力旁通式清管器对较难清洗的页岩气/天然气管道内污物有主动流体喷射功能，不仅提高管道清洗效率，而且避免因管道内过大阻力而被卡住；凝胶清管器是一胶质流体系统，适用于任何可接受液体的管道，应用广泛，而且可以跟其他清管器配合使用。