清管器运动规律及水力学分析

清管器运动规律及水力学分析
作者：魏子棋
来源：《中外企业家·中旬刊》2018年第01期
摘要：清管器是油气输送管道试压排水过程的主要工具，本文从研究清管器运动规律入手，进行管道扫水过程的水力学分析，得出清管器在扫水过程中沿着管道运行的运动规律，而增加排水口端面的直径能够很大程度上增大清管器的运行速度，提高扫水过程的排水速度。

关键词：清管器；运动规律；扫水过程；分析
对新建油气管道进行试压后扫水作业过程中最为完美的工作状态即清管器中全程无液体或者液体存在，当清管器的下游部分为水时，清管器上游只有高压气体。

因此，为了了解清管器在管道内的运行情况，必须建立相应的数学模型，加以计算、推演及验证。

1清管器运动规律
对新建油气管道进行扫水工作时，清管器是必不可少的重要装备。

清管器首次应用于管道施工可追溯到上世纪60年代，其对管道清理具有重要的影响，国内外科研工作者们针对清管器进行了大量的研究以期解决其在施工过程中所面临的实际问题。

其中，研究如何控制清管器的速度和怎样调节压力在清管器上、下游的分布一直是国内外学者们研究的热点。

目前实际运用中的清管器各式各样，类别较多，但是所有清管器都有一个共同的缺陷，那就是难以实现对油气管道内部运行情况的真实预测和可靠地判断，而更多的是依靠人为的经验分析。

为了获得更为科学、严谨的数据信息，通过建立能科学地描述清管器实际运行状态的理论体系，具有重要的现实意义，同时也是一直以来清管器研究的主要焦点之一。

之前的研究主要探讨了如何控制清管器在油气管道施工过程中的运行速度，着重研究了清管器在管道末端作业时的速度控制措施，保证在合理的运行速度下清管器清管参数和时间的选择，但其并没有研究有关清管器运行速度的数学模型。

有学者通过分析目前现有的清管器速度控制方法，研制了一种新型的旋转式旁通阀，其具有较大的旁通面积比。

通过改变清管器速度进行动力学试验，得到了清管器旁通阀开度与负载扭矩和清管器试验前后压差之间的关系，为清管器速度控制措施提供了理论指导和依据。

基于清管器在实际作业过程中所面臨的如介质流速较高、清管器磨损严重以及监控困难等问题，对清管器运动模型进行计算分析，根据清管器的实际运动情况，合理的调节设备的工艺参数，很好的实现了对清管器运行速度的有效控制。

根据常规的清管器往往受限于管道中介质的运行速度，经常在管道内部出现冲击、难以清理彻底和容易发生检测数据失效等问题，设计了一种可降低清管器运行速度的主动速度控制方法，并保证清管器的运行速度低于管道内介质的流速，从而较好的实现了安全、合理的清管和检测过程，同时又不伤及管道本身。

2数学模型的建立
建立简化的数学模型，同时要满足：（a）油气管道内部的流体不发展旋转流动；（b）只考虑清管器的重量，厚度不计；（c）在管道内部流体的质量力是有势的；（d）在清管器上游的水是理想的正压流体，即该部分水具有不可压缩性；（e）油气管道内部只存在一元流动，其他横截面上的参数均保持一致；（f）压力在的清管器上游始终保持不变；（g）认为在施工工程中清管器不发生关系效应。

为了保证清管器和水之间的运动处于良好的耦合状态，可规定清管器后面的气体的压力始终保持一致，即压力Ps恒定不变，并且管道内部形成的流场分布情况以及清管器的运动均随时间的变化而变化，假设为一个非定向的运动。

为了研究清管器以及清管器下游水注的运行速度和推水压降与清管器之间的关系，需记录任意时刻下清管器运行的位置，并建立对应的数学模型。

3建立基本方程
运用能量守恒和连续性方程建立清管器数学模型的基本方程，其中能量方程考虑的是动能定理，而连续性方程则采用质量不变定理。

最开始设定的研究对象是清管器建立的能量方程针对清管器的整个运行过程。

当清管器处于结点时，以油气管道内部、排水口的截面和清管器所形成的空间为研究对象，对其空间内的液体列出连续和能量方程，可以求得在不同位置时清管器的推水压力和速度。

4计算参数
油气管道的相对粗糙度为3.89e-5，根据清管器移动速度可近似认为管内流体的雷诺数为Re=1.44×106，通过查阅莫迪图，流动状态是在紊流过渡区内的，管道的沿程阻力系数为：
λ=0.0126。

设定0.1MPa为清管器和管道之间摩擦力的平衡压差，通过公式计算可得，清管器与管道内壁之间摩擦力为1097.72（kN）。

在管道试压后的扫水过程中，清管器的扫水作业从排空点开始进行。

5管路的力学分析
5.1计算结果
计算出清管器运行速度与水平路程的关系，通过分析清管器运行速度曲线图可知，管线的高度与清管器的运行速度呈一一对应的关系，清管器往低的位置移动时其速度是减慢的；反之，清管器往高处运动过程时其速度是加快的，因为排水口的高度是固定不变的，所以当清管器的高度相对较高时，水流的速度更大，清管器的运行速度也相对提高。

5.2排水口直径大小对速度的影响
扩大排水口的直径到0.3m，随着排水口端面直径的增大清管器的运行速度不断增加，扫水速度也会随之增大，所以要提高清管器的运行速度可以通过提高排水口直径来实现，但从另一方考虑，如果增大清管器的运行速度就对提高空压机的排量提出更高的要求。

5.3空压机排量对清管器运行规律的影响
保持其他的参数不变，设置清管器上游的气体的压强为1.0Mpa，增大空压机的排量也可有效地提高清管器的运行速度，缩短施工时间。

6结束语
本文基于稳态的条件下，建立了清管器运行过程的力学计算模型，通过连续性方程和能量方程计算出影响清管器速度的因素，具体结论如下：（1）受到重力影响，清管器的运动速度与管道的高度有直接关系，当高度较低时清管器的移动速度相对较慢，当高度较高时清管器的移动速度则相对较高，这主要是因为排水口的端面直径是一定的；如果提高排水口的高度，水流速度也会相应的增加，同时清管器的运行速度也随之增大。

（2）通过控制清管器之后的推球压力可有效提高清管器的运行速度，但这种变化带来的清管器运行速度增加较小。

（3）增加排水口端面的直径能够很大程度上增大清管器的运行速度，同时改变清管过程的排水速度，不过这对清管器之前水压的分布的影响则相对较小。