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一种新型清管器——液压水射流清管器

中国页岩气网讯：清管器是广泛应用于石油、天然气等长输管线，保障管线输送能力的重要设备。因此，清管器运行的清管效果和存在的卡堵风险是评价清管器性能的2个最主要指标。

传统清管器的清管机理是通过管道内介质在清管器前后形成的压差来推动清管器运行。同时，管道内壁和清管器之间会建立一个机械力，利用这个力把管道内壁的结垢摩擦清除掉，从管壁上清下来的污垢会在清管器前端聚集起来，随着清管器向前移动，被推出管道。

传统清管技术缺陷：

( 1) 不能有效地创建一个“清洁力”，只是产生一个管道内壁与清管器边缘的摩擦力，这种力无法计算，也无法控制，因此也不能控制清管器的运行速度，达不到良好的清管效果。

( 2) 清理的污垢被大量聚集在清管器前端，靠清管器本身推出管道外，被堵塞的风险较高。

( 3) 高压水清洗的方式不能清洗长输管线。

( 4) 结垢严重的管道清管时需要停输或采取其他方案，增加额外操作成本。

针对目前传统清管器容易被堵塞的缺陷，研制一种新型清管器——液压水射流清管器。该清管器能最大限度避免在管道中被堵塞的风险。它由1个制动单元、1个密封单元和1个清洁头组成。制动单元能确保清管器以较稳定的速度向前运动; 清洁头能把部分带压水转化成冲击力较强的水射流，把管道前面的污垢冲稀带走。

液压水射流清管器工作原理

液压水射流清管器的工作原理是通过清洁头喷出的水射流作用到内管壁上，把结垢除掉。它不仅能清除管道内壁表面污垢，而且还能清除凹处的结垢，而凹处的污垢是造成管道金属点腐蚀的主要原因。

把液压水射流清管器放入管道内，由于该清管器不靠皮碗与管道内壁摩擦进行清垢，所以密封单元没有过盈量，不需要专门的大小变径式发球装置。在液压水射流清管器后加压，靠清管器密封单元前后的压力差向前运动，所有单元均有开口，制动单元能增大清管器对管壁的阻力，使清管器向前运行速度最低可以达到水流速度的1 /60，由于有效降低了清管器运行的速度，使清管器后部液体聚集，并通过急剧改变液体流量通道，形成高压水射流，经过清洁头喷射，对管壁和前面堆积污垢进行冲刷，达到清除垢层和防止垢层堆积堵塞的目的。

液压水射流清管器结构

液压水射流清管器的设计理念就是要弥补传统清管技术的缺陷，提高清管效果，降低卡堵风险。

图1 液压水射流清管器结构

液压水射流清管器由3 部分构成: 制动单元、密封单元、清洗单元( 清洁头) ，如图1所示。

1)制动单元 制动单元为一个气动机械装置，可根据泵端输出压力，预先设定制动单元气压值，通过机械装置增大与管壁摩擦力，从而降低清管器向前推动的速度。图2 为制动单元。

图2 制动单元

2)密封单元 密封单元的作用与传统清管器类似，形成前后压力差，驱动清管器向前推进。

3)清洁单元( 清洁头) 清洁头能把管道内清管器后面的液体转化成一束冲击力较强的高压液流，通过清洁头上的小孔射出，冲击前面的污垢和管壁上的杂质。

图3为带有密封单元的清洁头：

图3 带有密封单元的清洁头

所有的单元都有开口，允许介质通过。流体推动密封单元向前运动，制动装置能把液压水射流清管器的速度控制在一个稳定的低速状态，密封单元上有通道可以使水通往清洁头，带压水在清洁头里被转化成冲击力较强的水射流，射流作用到管壁内侧，把结垢除掉。

制动单元和清洁头的设计

(1)制动单元的设计

传统清管器靠清管器与管道内壁摩擦把管道内壁的结垢擦除。清管器运行越快，作用在垢上的清除力越大，但同时结垢被清除的也越少。传统清管器的运行速度是难以被控制的，它取决于推动介质的压力、管道的结垢状况、清管器的过盈选择、管道的长度等多种因素。在实践清管过程中所记录到的传统清管器运行速度波动非常大( 如图4 中的非控制速度曲线所示) ，所以清管效果也就极不理想。

图4 液压水射流清管器速度控制图

液压水射流清管器的工作原理是通过前端的清洁头喷出的压力水冲洗前面的污垢。清管器运行得越慢，清洁头对前面污垢的冲击时间也就越长，清洁效果也就越好。所以对液压水射流清管器来讲，能保证清管器在管道内以低速甚至匀速运动，对管道的清洁效果是至关重要的。加上制动单元后，清管器的运行速度平稳( 如图4 中的HAPP 调整后的速度曲线所示) 。

制动单元设计成一种可气压调节的机械制动装置，可根据不同管道介质压力预先选择不同的制动单元气压调节值( 通过气泵给气缸输入指定气压值) ，保证液压水射流清管器在管道内以流体速度的1 /60 左右运行。

(2)清洁头的设计

清洁头是液压水射流清管器工作原理的关键。根据结垢形式的不同，液压水射流清管器的不同清洗力可以通过选择不同的清洁头来实现。

液压水射流清管器清洗时的能量平衡见图5：

图5 压力平衡图

图5 中假设泵的输出压强已达到最大值，那么推动高压水射流清管器向前运行的压强为推动压强，则用来清洁的冲击能量为△P·Q ( Q 为流量) 。把推动清管器向前运动的液体的压强的一部分( △P) 转化为更高流速的水射流，从清洁头小孔流出，对前面污垢进行冲洗。设计采用数值模拟技术( FLOWWORK 仿真分析) ，对其进行流体力学仿真，这种方法能有效地提高设计效率，增加设计的可靠性，节约实验成本。

液压水射流清管器的性能测试：

对制动单元和清洁头进行了样机试制并进行了性能测试。清洁头在1 MPa、600 L /min 水供应状态下对一条DN150 模拟管线进行实验，清洗效果良好，清洗等级达到Sa2. 5 级，如图6 所示。

图6 清洁头清洗效果图

制动单元在管道内用液压缸进行推动，测试制动单元的制动力，液压缸输出压力5 MPa，制动单元运行速度可控制在1 m/min 的实验设计范围内。

试制样机性能测试实验表明:

液压水射流清管器的制动单元能有效控制清管器向前运动的速度，清洁头能把带压水转化成较高冲击力的水射流，清管效果良好。液压水射流清管器技术解决了普通清管器遇到的问题，能最大限度地降低管道被堵塞的风险，有更广阔的市场前景。

(宋华东 张雯淘 杨路 肇群 / 沈阳仪表科学研究院有限公司)

(关久良 / 东北大学)

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