紅外熱成像技術(shù)在全容LNG儲罐建設(shè)和完整性管理中的應(yīng)用

孔令海

(中國海洋石油集團(tuán)有限公司工程建設(shè)部，北京 100010)

自2006年廣東大鵬LNG接收站投產(chǎn)以來，國內(nèi)相繼投產(chǎn)了19座LNG接收站，投用16×104m3及以上大型LNG儲罐超過40個，另有10個大型儲罐即將投用或正在建設(shè)中。投產(chǎn)運(yùn)營之后，儲罐均會出現(xiàn)不同程度的保溫效果降低的現(xiàn)象。文章介紹了采用紅外熱成像技術(shù)對珠海LNG儲罐保冷狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的情況，為LNG儲罐今后的工程建設(shè)提供較好的監(jiān)測管理思路【1】。

1 LNG儲罐結(jié)構(gòu)

LNG儲罐是接收站儲運(yùn)過程中的重要設(shè)備，其結(jié)構(gòu)型式有球罐、單容罐、雙容罐、全容罐及膜式罐等。單容罐的外罐由普通碳鋼制成，不能承受低溫的LNG，總圖布置要求有較大的安全距離和作業(yè)區(qū)域，并需設(shè)置防火堤，由于其安全性相對其他形式的儲罐低，近年來已很少生產(chǎn)和在接收站使用；雙容罐具有耐低溫的金屬材料或混凝土外罐，內(nèi)筒發(fā)生泄漏時，氣體會發(fā)生外泄，但液體不會，其安全性較單容罐高，一般不需設(shè)置防火堤，但需較大的安全防護(hù)距離；全容LNG罐主要由內(nèi)罐、碳鋼內(nèi)襯、混凝土外罐和頂蓋組成，內(nèi)罐主要起儲存LNG作用，外罐主要起氣密作用，可使內(nèi)筒泄漏的LNG及氣體不發(fā)生外泄，安全防護(hù)比較容易實(shí)施【2-3】。通常情況下全容LNG儲罐操作壓力為5.0～25.0 kPa，內(nèi)罐操作溫度約為-160 ℃，材質(zhì)為9% Ni低溫鋼，直徑80 m，高度35 m，底板厚度5 mm；外罐由鋼筋混凝土承臺、預(yù)應(yīng)力混凝土墻體、鋼筋混凝土罐頂組成，鋼筋混凝土承臺與預(yù)應(yīng)力混凝土墻體、預(yù)應(yīng)力混凝土墻體與鋼筋混凝土罐頂連接處均采用混凝土剛性連接；內(nèi)、外罐之間夾層(環(huán)形空間)的厚度為1.0 m，填充300 mm彈性氈和700 mm膨脹珍珠巖粉末的保冷層， 彈性氈緊貼內(nèi)罐壁板，具有一定的彈性，用來吸收內(nèi)罐運(yùn)行時珍珠巖對內(nèi)罐的擠壓力，膨脹珍珠巖粉末填充至鋼筋混凝土穹頂下方，以保證環(huán)形空間及懸浮吊頂處的保冷效果【4-6】。LNG儲罐保溫結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照設(shè)計要求，每座儲罐BOG日蒸發(fā)率不大于0.05%【7】。

2 全容LNG儲罐保冷效果降低原因分析及表象特征

隨著運(yùn)行時間的累積、操作狀態(tài)的變化，會出現(xiàn)儲罐保冷效果降低的情況，其主要原因?yàn)椋?)儲罐珍珠巖自然沉降原因?qū)е拢?)儲罐壓力頻繁快速波動導(dǎo)致珍珠巖不斷壓實(shí)；3)液位的波動、內(nèi)罐的冷縮變形，導(dǎo)致珍珠巖分布不均勻；4)罐內(nèi)設(shè)備啟停及卸料引起的震動等導(dǎo)致儲罐珍珠巖出現(xiàn)不同程度的不均勻下沉；5)原始填充時珍珠巖未夯實(shí)導(dǎo)致儲罐運(yùn)行后出現(xiàn)局部缺失；6)原始填充時珍珠巖干燥程度、發(fā)泡質(zhì)量等不合格導(dǎo)致保冷效果降低；7)罐內(nèi)彈性毛氈松動脫落等導(dǎo)致儲罐保冷效果降低；8)儲罐內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞導(dǎo)致保冷效果降低。儲罐保冷效果降低后會出現(xiàn)一些表象特征，如：儲罐部分外表面出現(xiàn)不均勻結(jié)露；部分區(qū)域出現(xiàn)青苔；儲罐BOG蒸發(fā)量明顯增加，出口管道BOG溫度升高；儲罐內(nèi)部部分溫度監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)異常變化等不正常的現(xiàn)象。

圖1 LNG儲罐保溫結(jié)構(gòu)示意

3 紅外熱成像監(jiān)測儲罐狀態(tài)技術(shù)

3.1 LNG儲罐監(jiān)測機(jī)理

LNG儲罐內(nèi)存有約-160 ℃的LNG，外壁與自然環(huán)境接觸為常溫，由于罐壁內(nèi)外溫差巨大，有明顯的熱傳遞現(xiàn)象，如果保溫層不均勻或存在缺失現(xiàn)象(如圖2所示)，會形成罐壁表面熱量傳遞快慢的差異。保溫效果差的區(qū)域，熱量傳遞速度較快，表面溫度低，對外輻射的紅外線能量少；保溫效果好的區(qū)域，熱量傳遞速度較慢，表面溫度高，對外輻射的紅外線能量多，保溫層狀況的差異性形成罐壁表面溫度分布的差異。檢測過程中，先確定儲罐表面的輻射率(可參考常見材料輻射率或現(xiàn)場檢測實(shí)際輻射率)，然后根據(jù)現(xiàn)場相對濕度、大氣濕度確定儲罐與紅外熱像儀的距離，拍攝儲罐罐壁表面的紅外輻射能量，顯示出其溫度分布狀況，形成罐壁表面的具有溫度分布信息的紅外熱圖像照片【8-9】。通過分析紅外熱圖像照片，判斷和評估儲罐罐壁內(nèi)部的保溫層狀況。

3.2 紅外成像檢測原理

紅外熱成像是利用目標(biāo)與周圍環(huán)境之間由于溫度與發(fā)射率的差異所產(chǎn)生的熱對比度不同的原理，把紅外輻射能量密度分布圖顯示出來，成為“熱圖像”【10-11】。高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生熱輻射，其輻射強(qiáng)度與物體材料的種類、形貌、溫度等特征有關(guān)。紅外熱成像檢測就是利用物體的輻射特性來測量物體表面的溫度場，通過紅外探測器測量物體熱量的變化， 并通過圖像處理技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為可見光的圖像，在顯示器上顯示出各點(diǎn)的溫度。

圖2 儲罐紅外檢測機(jī)理

3.3 LNG儲罐外壁紅外檢測

3.3.1監(jiān)測過程步驟

LNG儲罐紅外熱成像主要測試步驟如下：1)現(xiàn)場環(huán)境踏勘，確定最合適拍攝紅外照片位置；2)在選定的位置點(diǎn)進(jìn)行紅外拍攝，并對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定位(如圖3所示)；3)選擇適當(dāng)時間，在儲罐高高液位或低低液位時對儲罐外壁表面進(jìn)行全面紅外熱監(jiān)測；4)對需要紅外拍攝勘察的罐壁外立面進(jìn)行目視檢測和紅外檢測；5)借助與高精度紅外成像儀配套的成像分析軟件進(jìn)行分析；6)結(jié)合儲罐實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測情況進(jìn)行對比分析，編制最終檢測報告。

圖3 現(xiàn)場檢測示意

3.3.2評估等級劃分

為識別儲罐罐壁不同的保溫狀態(tài)，根據(jù)紅外熱圖像分析結(jié)果，對成像結(jié)果進(jìn)行等級評估和分類。評估等級是根據(jù)所拍攝區(qū)域的紅外熱圖像溫度分布的差異程度、溫度差異區(qū)域面積的大小和形狀及檢測人員的經(jīng)驗(yàn)等判斷后劃定的。具體分級見表1。

表1 紅外線成像評估等級

3.4 紅外線監(jiān)測儀器選擇

珠海LNG接收站的儲罐紅外熱成像監(jiān)測工作，選用FLIR公司T640型高精度紅外熱成像儀現(xiàn)場拍攝紅外熱圖像，其主要技術(shù)指標(biāo)包括：紅外分辨率640×480像素，熱靈敏度<0.03 ℃@+30 ℃，波長范圍7.5～14.0 μm，探測器像元間距17 μm；可見光相機(jī)500萬像素，測溫范圍-40～150 ℃，測溫精度為0.02 ℃。為了便于確認(rèn)紅外溫度異常的位置，拍攝紅外掃描照片的同時拍攝了可見光數(shù)碼照片。每幅紅外掃描照片均與可見光數(shù)碼照片一一對應(yīng)，有利于對檢測位置進(jìn)行定位分析及判斷。

3.5 其他說明

1) 紅外熱成像儀檢測受日光照射、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、材料表面輻射率以及檢測距離等的影響，具體溫度值可能與實(shí)際存在偏差。由于日光對紅外檢測影響較大，因此應(yīng)在無日照或背光條件下對被測對象進(jìn)行成像檢測。如果條件允許，盡量在夜間檢測以提高檢測準(zhǔn)確度。

2) 儲罐紅外成像評估分析，主要是根據(jù)其成像情況，顯示其區(qū)域內(nèi)的最高、最低、平均溫度點(diǎn)，并對局部缺陷位置進(jìn)行溫度顯示，結(jié)合儲罐在運(yùn)行過程中的操作現(xiàn)象進(jìn)行評估。

3) 儲罐紅外成像評估是對LNG儲罐持續(xù)監(jiān)測的過程，對儲罐完整性管理具有非常重要的參考意義。

4) 熱成像設(shè)備在檢測時，若采用仰角拍照，則上下邊到成像儀距離不同，會對測溫精確度有一定影響。一般是取上下邊到成像儀距離的中間數(shù)作為拍照的設(shè)置距離，以減少對檢測效果影響。

4 紅外熱成像檢測實(shí)施

珠海LNG接收站2014～2018年，每年均開展1次儲罐熱成像檢測，以判斷、確定儲罐保溫狀態(tài)，對儲罐完整性管理具有積極意義，取得較好結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況，每次檢測生成紅外圖像約60張，受儲罐周邊管廊架、鋼結(jié)構(gòu)的影響，各個儲罐的取景角度略有不同，完成整個儲罐外表面成像所需的紅外圖像總數(shù)有所差別。同地點(diǎn)檢測儲罐保冷及珍珠巖填充修復(fù)后情況如圖4所示。

圖4 同地點(diǎn)檢測儲罐保冷及珍珠巖填充修復(fù)后情況示意

2018年5月開展的紅外熱成像檢測所拍攝的55張圖像中，50張屬于A類評估等級，即：目視外觀良好，紅外成像無明顯低溫區(qū)。成像結(jié)果表明：儲罐A、 B、 C罐壁保溫層狀態(tài)良好。受檢測當(dāng)日環(huán)境溫度和日照影響，罐壁表面平均溫度30 ℃，未發(fā)現(xiàn)明顯的局部低溫區(qū)域。與檢測期間中控室DCS儲罐夾層溫度進(jìn)行對照，顯示二者趨勢一致。

紅外熱圖像中，有5張屬于B類評估等級，即：外觀存在缺陷，紅外成像無明顯低溫區(qū)，具體包括A12、B08、C04、C06和C18。具體原因是由于儲罐A、C外壁存在漆層局部脫落和銹跡，成像過程中反光和成像質(zhì)量問題導(dǎo)致的，實(shí)際并不存在實(shí)體質(zhì)量問題。圖像檢測與實(shí)物對比情況見圖5。

圖5 2018年珠海LNG儲罐紅外熱圖像檢測與實(shí)物對比情況

5 結(jié)語

1) 紅外熱成像技術(shù)可以用于儲罐保溫層情況監(jiān)測，對儲罐在線監(jiān)測具有較大的意義；

2) 紅外熱成像技術(shù)是完整性管理的重要手段之一，為其它接收站LNG儲罐開展完整性管理提供了較好的管理思路；

3) 紅外熱成像技術(shù)在LNG儲罐工程建設(shè)中，尤其是在關(guān)鍵作業(yè)——珍珠巖在線填充過程中具有重要技術(shù)指導(dǎo)意義；

4) 紅外熱成像技術(shù)可對儲罐預(yù)冷、保冷效果進(jìn)行整體評估，確認(rèn)儲罐建設(shè)的質(zhì)量狀態(tài)和保冷狀態(tài)，為儲罐安全平穩(wěn)運(yùn)行提供技術(shù)保障，對儲罐運(yùn)行質(zhì)量分析具有一定參考意義。