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摘要：鉴于输油管道结蜡后果的严重性，采取PIG作为输油管道清防蜡的最佳技术。通过研究PIG在输油管道中的驱动方式，建立其力学模型，计算PIG的驱动压力，并以一外输原油管道为例，分析PIG清管技术的的经济效益和社会效益。
关键词：输油管道；清蜡技术；PIG
分类号：TE832
0.引言
原油在输送过程中，管道内的温度和压力逐渐降低，温度下降至析蜡点时，原油中的蜡以结晶形式析出，形成晶核，以固体颗粒的形式存在于液态原油中，温度持续降低时，蜡晶数量剧增，并逐渐长大、聚集，形成三维空间网状结构，粘附于管壁上，缩小管道的孔径，增大原油流动阻力，影响原油正常输送，甚至造成集输管道凝管事故而带来很大的安全问题。因此，必须定期对输油管道进行清蜡，保障原油的安全输送。
1.PIG种类和性能
PIG是清管器的英文简称，一般聚氨酯发泡体制成，可以借助于本身动力或在油、气流推动下，在管道内运动，用于清洁管壁及监测管道内部状况。按照功能，PIG可分为清扫型、隔离型和检测型。清扫型PIG用于清除管壁结蜡层及锈蚀层等；隔离型PIG主要用于减少顺序输送混油的专门措施；检测型PIG主要是内装检测仪器，完成管道特定的检测任务。
对于输油管道主要选用清扫型PIG。清扫型PIG主要包括泡沫塑料PIG和机械PIG两种。泡沫塑料PIG具有良好的变形能力与弹性，适用于多弯头、阀门和可能有较大管道变形的管道；机械PIG刮蜡效果好，清管后管壁残余的结蜡层仅为1～2mm，使用寿命长，一般可运行800～1000km。
2.PIG清管原理
PIG在管道中前进是依靠泵推动流体产生的推动力驱动的，具体方式有两种：①利用管道中流体的压力驱动PIG行走，清除管道中PIG前方的污垢，适合于较短管道的清洗；②利用从PIG四周泄露的流体产生的压力，将附着在管壁上的污垢粉化并排送出去，适合于长管道的清洗，如图1所示。
图1 PIG清管原理图
PIG在这种管道中运行时受力和变形情况如图2所示。
图2 PIG在圆管道中运行时的受力和变形
在图中， 为待清洗管道半径， 为PIG的有效长度， 为压力介质的推动压力（也可取PIG两侧压差）， 为过盈产生的管壁对PIG的径向压力， 为单位面积上的摩擦力。为分析方便，在距柱坐标原点O的距离为 的任意位置取一厚度为 的微元体，见图3。
图3 微元体的受力简图
PIG是匀速运动的，既处于平衡状态，图2中微元体的受力也是平衡的，对于该微元体，考虑到 =- ，可得到 方向分力的平衡方程：
（1）
（2）
将式（2）带入式（1），可得：
（3）
PIG为均质弹性材料，根据广义虎克定律，应力-应变关系为：
（4）
式中 ——PIG与管壁间的摩擦系数。
假设质点的径向位移为 ，PIG在管壁处的径向压缩量为△，即 =△。因为PIG是轴对称模型，因此它的几何形状和受力也都是轴对称的，所以在清管器对称轴线上的质点不会产生径向位移，即 =0。因PIG是均质轴对称弹性体，故其内部质点的径向位移符合线性分布并满足轴线和管壁处的位移边界条件，则：
（5）
（6）
联立式（3）、（4）和（6），则：
（7）
将式（7）带入式（2），可得：
（8）
微分方程（8）的通解为：
（9）
PIG头部不受压力作用， =0时， =0，利用 =0这一边界条件，得积分常数 ，代回式（9），得到：
（10）
在式（10）中，取 ，则以匀速推动PIG运行的压力介质的压力为：
（11）
3.效益分析
输油管道经过清洗后可以提高输量，带来良好的经济效益。下面以一条φ89×4.5外输原油管道为例，进行PIG清管经济效益分析，如表1所示。
表1 PIG清管前后管道压力和流量参数
管线长度 项目 首端压力 末端压力 流量
3.8km 清洗前 1.8MPa 0.2MPa 11m3/h
清洗后 0.8MPa 0.2MPa 13m3/h
由表1可以看到：清洗后管线压降由1.6MPa降至0.6MPa，流量由11m3/h上升至13m3/h，增加了18.18%。经济效益可以主要体现在两个方面：
（1）在相同输量工矿下，若不采取PIG清管技术，需要启用输油泵进行加压。按一年启泵60天计算，采用PIG清管技术后比清管前节约电量4.32×105Kw·h，年减少运行费用116.64万元。
（2）即使同时启用输油泵加压，清管后日输量由11m3/h上升至13m3/h，则全年可增加输送量17520m3，节约电量4.78×105Kw·h，年减少运行费用129.06万元。
PIG清管技术在带来可观的经济效益的同时，社会效益也是非常明显的。首先，PIG清管技术对输油管道的安全、平稳运行起着非常重要的作用，为高质量、高效益完成输送任务提供保障；其次，降低管道运行压力就会减少管线穿孔的机率，减少对沿线周边环境的破坏和污染。
4.结论
通过上述研究，可以得到如下结论：
（1）鉴于输油管道结蜡的严重后果，采用PIG技术清管，具有适用范围广，经济效益高的优点；
（2）根据PIG在管道中的驱动方式，建立其力学模型，计算PIG的驱动压力；
（3）以某外输原油管道为例，分析PIG清管技术的经济效益和社会效益。
[参考文献]
[1] 罗鹏，王宏，邱国俊等.管道清洗Pig运行阻力的计算方法[J].油气储运，2008，27（11）：22～24.
[2] 张薇娜.清管器（Pig）清洗技术[J].清洗技术，2003：25～29.
[3] 杨智勇.高压低渗区块油井清防蜡技术研究[J].煤矿天地：179～180.
[4] 李振智，崔长国，唐周怀.连续清防蜡工艺技术在中原油田的应用[J].石油钻采工艺，2001，23（1）：71～73.
[5] 聂翠平，张家明，李文彬.油井清防蜡技术及其应用分析[J].油气田地面工程，2004，23（7）：14.
[6] 林爱涛.含蜡原油管道结蜡特性研究[D].中国石油大学（华东），2008.
关键词：输油管道；清蜡技术；PIG
分类号：TE832
0.引言
原油在输送过程中，管道内的温度和压力逐渐降低，温度下降至析蜡点时，原油中的蜡以结晶形式析出，形成晶核，以固体颗粒的形式存在于液态原油中，温度持续降低时，蜡晶数量剧增，并逐渐长大、聚集，形成三维空间网状结构，粘附于管壁上，缩小管道的孔径，增大原油流动阻力，影响原油正常输送，甚至造成集输管道凝管事故而带来很大的安全问题。因此，必须定期对输油管道进行清蜡，保障原油的安全输送。
1.PIG种类和性能
PIG是清管器的英文简称，一般聚氨酯发泡体制成，可以借助于本身动力或在油、气流推动下，在管道内运动，用于清洁管壁及监测管道内部状况。按照功能，PIG可分为清扫型、隔离型和检测型。清扫型PIG用于清除管壁结蜡层及锈蚀层等；隔离型PIG主要用于减少顺序输送混油的专门措施；检测型PIG主要是内装检测仪器，完成管道特定的检测任务。
对于输油管道主要选用清扫型PIG。清扫型PIG主要包括泡沫塑料PIG和机械PIG两种。泡沫塑料PIG具有良好的变形能力与弹性，适用于多弯头、阀门和可能有较大管道变形的管道；机械PIG刮蜡效果好，清管后管壁残余的结蜡层仅为1～2mm，使用寿命长，一般可运行800～1000km。
2.PIG清管原理
PIG在管道中前进是依靠泵推动流体产生的推动力驱动的，具体方式有两种：①利用管道中流体的压力驱动PIG行走，清除管道中PIG前方的污垢，适合于较短管道的清洗；②利用从PIG四周泄露的流体产生的压力，将附着在管壁上的污垢粉化并排送出去，适合于长管道的清洗，如图1所示。
图1 PIG清管原理图
PIG在这种管道中运行时受力和变形情况如图2所示。
图2 PIG在圆管道中运行时的受力和变形
在图中， 为待清洗管道半径， 为PIG的有效长度， 为压力介质的推动压力（也可取PIG两侧压差）， 为过盈产生的管壁对PIG的径向压力， 为单位面积上的摩擦力。为分析方便，在距柱坐标原点O的距离为 的任意位置取一厚度为 的微元体，见图3。
图3 微元体的受力简图
PIG是匀速运动的，既处于平衡状态，图2中微元体的受力也是平衡的，对于该微元体，考虑到 =- ，可得到 方向分力的平衡方程：
（1）
（2）
将式（2）带入式（1），可得：
（3）
PIG为均质弹性材料，根据广义虎克定律，应力-应变关系为：
（4）
式中 ——PIG与管壁间的摩擦系数。
假设质点的径向位移为 ，PIG在管壁处的径向压缩量为△，即 =△。因为PIG是轴对称模型，因此它的几何形状和受力也都是轴对称的，所以在清管器对称轴线上的质点不会产生径向位移，即 =0。因PIG是均质轴对称弹性体，故其内部质点的径向位移符合线性分布并满足轴线和管壁处的位移边界条件，则：
（5）
（6）
联立式（3）、（4）和（6），则：
（7）
将式（7）带入式（2），可得：
（8）
微分方程（8）的通解为：
（9）
PIG头部不受压力作用， =0时， =0，利用 =0这一边界条件，得积分常数 ，代回式（9），得到：
（10）
在式（10）中，取 ，则以匀速推动PIG运行的压力介质的压力为：
（11）
3.效益分析
输油管道经过清洗后可以提高输量，带来良好的经济效益。下面以一条φ89×4.5外输原油管道为例，进行PIG清管经济效益分析，如表1所示。
表1 PIG清管前后管道压力和流量参数
管线长度 项目 首端压力 末端压力 流量
3.8km 清洗前 1.8MPa 0.2MPa 11m3/h
清洗后 0.8MPa 0.2MPa 13m3/h
由表1可以看到：清洗后管线压降由1.6MPa降至0.6MPa，流量由11m3/h上升至13m3/h，增加了18.18%。经济效益可以主要体现在两个方面：
（1）在相同输量工矿下，若不采取PIG清管技术，需要启用输油泵进行加压。按一年启泵60天计算，采用PIG清管技术后比清管前节约电量4.32×105Kw·h，年减少运行费用116.64万元。
（2）即使同时启用输油泵加压，清管后日输量由11m3/h上升至13m3/h，则全年可增加输送量17520m3，节约电量4.78×105Kw·h，年减少运行费用129.06万元。
PIG清管技术在带来可观的经济效益的同时，社会效益也是非常明显的。首先，PIG清管技术对输油管道的安全、平稳运行起着非常重要的作用，为高质量、高效益完成输送任务提供保障；其次，降低管道运行压力就会减少管线穿孔的机率，减少对沿线周边环境的破坏和污染。
4.结论
通过上述研究，可以得到如下结论：
（1）鉴于输油管道结蜡的严重后果，采用PIG技术清管，具有适用范围广，经济效益高的优点；
（2）根据PIG在管道中的驱动方式，建立其力学模型，计算PIG的驱动压力；
（3）以某外输原油管道为例，分析PIG清管技术的经济效益和社会效益。
[参考文献]
[1] 罗鹏，王宏，邱国俊等.管道清洗Pig运行阻力的计算方法[J].油气储运，2008，27（11）：22～24.
[2] 张薇娜.清管器（Pig）清洗技术[J].清洗技术，2003：25～29.
[3] 杨智勇.高压低渗区块油井清防蜡技术研究[J].煤矿天地：179～180.
[4] 李振智，崔长国，唐周怀.连续清防蜡工艺技术在中原油田的应用[J].石油钻采工艺，2001，23（1）：71～73.
[5] 聂翠平，张家明，李文彬.油井清防蜡技术及其应用分析[J].油气田地面工程，2004，23（7）：14.
[6] 林爱涛.含蜡原油管道结蜡特性研究[D].中国石油大学（华东），2008.