液化天然氣槽車(chē)裝卸站管道檢驗(yàn)技術(shù)研究

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 浦 哲 石生芳

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 魏 星

液化天然氣(LNG)是一種清潔、高效能源，是氣態(tài)天然氣經(jīng)壓縮、冷卻至臨界溫度以下變成的液體。LNG相同質(zhì)量下為氣態(tài)天然氣體積的1/625，因而較氣態(tài)的天然氣存儲(chǔ)效率更高。LNG的主要成分是甲烷，爆炸極限濃度體積百分比為4.9%～15.0%，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)迅速氣化，遇到火源時(shí)將會(huì)發(fā)生爆炸。

LNG在管道內(nèi)的溫度約為－162 ℃，管道外具有150～200 mm厚的絕熱層。TSG D7005－2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》中要求定期檢驗(yàn)時(shí)需要對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、對(duì)管道進(jìn)行壁厚測(cè)定。然而如果拆除LNG絕熱層會(huì)造成管道內(nèi)的LNG溫度上升，介質(zhì)迅速氣化，管道壓力上升，對(duì)于管道的安全運(yùn)行存在很大的隱患；拆除絕熱層后的管道外壁會(huì)迅速凝水、結(jié)冰，后期修復(fù)的絕熱層無(wú)法達(dá)到原有的效果；同時(shí)產(chǎn)生的BOG(Boil Off Gas)還需要進(jìn)行再處理(如壓縮機(jī)再加壓)，增大了能耗。因此通過(guò)停產(chǎn)方式進(jìn)行檢驗(yàn)，會(huì)加重企業(yè)的負(fù)擔(dān)。本文中某LNG接收站因具有作為應(yīng)急儲(chǔ)備站的特殊性質(zhì)，其實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)不具備停產(chǎn)待檢的條件，因此常規(guī)的壓力管道定期檢驗(yàn)方法不適用于該站內(nèi)LNG槽車(chē)裝卸站管道。為此研究了一套針對(duì)LNG槽車(chē)裝卸站管道不停輸?shù)木C合檢驗(yàn)技術(shù)具有極其重要的意義。

1 LNG槽車(chē)裝卸站管道概況

某LNG接收站內(nèi)的LNG槽車(chē)裝卸站管道主要包含LNG裝卸車(chē)線管道、BOG排氣線管道、BOG壓力釋放線和燃?xì)饩€管道。其中LNG裝卸車(chē)線管道可以向槽罐車(chē)裝車(chē)，或者通過(guò)槽罐車(chē)卸車(chē)將LNG儲(chǔ)存至低溫儲(chǔ)罐中；BOG排氣線管道主要起到氣相平衡作用；在裝卸車(chē)過(guò)程中，與外界傳熱產(chǎn)生的BOG氣體通過(guò)BOG壓力釋放線至后端處理；燃?xì)饩€管道主要起到裝卸過(guò)程的調(diào)節(jié)作用。現(xiàn)場(chǎng)裝卸站管道的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 LNG槽車(chē)裝卸站管道工藝流程

由于LNG的低溫特性，除燃?xì)饩€管道外，其余的LNG及BOG管道均采用不銹鋼316L材料。低溫管道覆蓋絕熱層，絕熱層外側(cè)覆蓋0.6 mm厚的鋁合金薄板。LNG槽車(chē)裝卸站的管道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LNG槽車(chē)裝卸站管道參數(shù)

2 LNG槽車(chē)裝卸站管道不停輸檢驗(yàn)策略

由于LNG槽車(chē)裝卸站的特殊性，需要在不停輸?shù)那闆r下，采用一套在線檢驗(yàn)方法對(duì)站內(nèi)的LNG管道進(jìn)行檢驗(yàn)，降低管道失效的可能性。基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)RBI(Risk Based Inspection)技術(shù)是通過(guò)對(duì)管道的主要失效模式及失效機(jī)理等潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估以確定風(fēng)險(xiǎn)的大小，來(lái)制定具有針對(duì)性的檢驗(yàn)策略。RBI技術(shù)可以有效降低企業(yè)的檢驗(yàn)成本，避免隨機(jī)抽查可能導(dǎo)致的漏檢或者過(guò)檢。

腐蝕分析是RBI工作中的一個(gè)重要組成部分。LNG介質(zhì)本身不具有腐蝕性，因此管道內(nèi)腐蝕失效的可能性較小。然而在某LNG接收站中，由于LNG槽車(chē)裝卸站位于沿海地區(qū)，海洋大氣中富含氯離子，空氣中的濕度較大，管道可能產(chǎn)生保溫層下的腐蝕CUI(Corrosion Under Insulation)和大氣腐蝕。CUI是外腐蝕損傷中較為嚴(yán)重的一種形式，當(dāng)?shù)蜏毓艿澜^熱層發(fā)生破壞時(shí)，空氣中的氯離子、氧氣進(jìn)入管道外壁，產(chǎn)生絕熱層下的氯離子腐蝕。由于這種腐蝕存在于絕熱層內(nèi)部，不易發(fā)現(xiàn)，危害性極大，因此需要重點(diǎn)關(guān)注絕熱層破損管段、有絕熱層/無(wú)絕熱層交接管段、位移量大的管段等?；谏鲜鍪Х治鲆约爸攸c(diǎn)關(guān)注管道，制定了如表2所示的檢驗(yàn)策略。

3 主要檢驗(yàn)方法

3.1 X射線數(shù)字成像檢測(cè)(DR)技術(shù)

DR檢測(cè)與傳統(tǒng)射線檢測(cè)在射線透照方面的原理上是一樣的，即射線機(jī)發(fā)出的射線經(jīng)過(guò)被檢工件后，由于密度及厚度等差別，射線的強(qiáng)度也發(fā)生改變，發(fā)生衰減、吸收、散射的射線光子最終被成像系統(tǒng)接收。兩者的區(qū)別主要在成像系統(tǒng)方面，RT是將射線光子在膠片中產(chǎn)生潛影，并利用暗室處理后在觀片燈下檢查缺陷；而在DR中，衰減后的射線光子被平板探測(cè)器接收，轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，最終在顯示器上進(jìn)行評(píng)定缺陷，即實(shí)現(xiàn)了射線光子到數(shù)字信號(hào)再到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)化過(guò)程。DR成像原理，如圖2所示。

圖2 DR成像原理示意

DR系統(tǒng)一般由射線機(jī)、非晶硅平板探測(cè)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(含射線控制器、探測(cè)器控制器)、通信線纜等組成。DR屬于近些年來(lái)新型的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)采用國(guó)家能源局頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11－2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測(cè)》。該技術(shù)無(wú)需拆除包層冷卻材料、無(wú)需清除管道內(nèi)介質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需膠片、檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸電腦形成電子圖像，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)即可以發(fā)現(xiàn)缺陷，并可高精度測(cè)量缺陷；同時(shí)對(duì)管道的腐蝕也有一定的檢出性[1-2]，特別適用在役低溫管道不停輸?shù)臋z驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)采用Gemx-200X射線機(jī)，平板探測(cè)器采用DeReO UP2530非晶硅DR平板，圖像接收和處理軟件采用配套的Xris-Maestro，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟件可以對(duì)射線控制器和探測(cè)控制器進(jìn)行同步控制。成像的圖像質(zhì)量必須滿足4個(gè)技術(shù)指標(biāo)：灰度、信噪比、靈敏度和圖像分辨率。其中靈敏度通過(guò)線型像質(zhì)計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)定，與傳統(tǒng)DR檢測(cè)時(shí)需要停輸并排空介質(zhì)不同。DR檢測(cè)時(shí)，由于射線透照的總厚度，除了考慮管道的壁厚，還需要考慮介質(zhì)、保冷層的綜合影響，將這兩部分折算為管道的當(dāng)量厚度。根據(jù)此時(shí)折算的透照當(dāng)量總厚度，來(lái)確定應(yīng)識(shí)別的像質(zhì)計(jì)絲號(hào)并以此來(lái)確定圖像的靈敏度。本研究中的透照當(dāng)量換算見(jiàn)表3。

表3 DR透照當(dāng)量厚度 mm

DR檢測(cè)時(shí)首先采用盲探的方式，逐步確定焊縫的具體位置，然后調(diào)整并確定最終的曝光參數(shù)，如表4所示。接著布置并調(diào)整透照部位的標(biāo)記和像質(zhì)計(jì)，最終取得合格的圖像。本次待檢的部分管道屬于小徑管，現(xiàn)場(chǎng)采用雙壁雙影傾斜透照方式，實(shí)現(xiàn)橢圓成像，相隔90°透照2次。

表4 DR參數(shù)

經(jīng)過(guò)DR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，LNG-501管道彎頭焊縫處存在一個(gè)長(zhǎng)徑為0.85 mm的圓形缺陷。由于計(jì)算機(jī)軟件對(duì)缺陷精確測(cè)量，評(píng)定出該焊縫質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ。

需要注意的是DR檢測(cè)對(duì)氣孔、夾渣類(lèi)體積型缺陷檢出率很高，但是對(duì)面積型缺陷如裂紋、未熔合類(lèi)缺陷不敏感。

3.2 脈沖渦流(PEC)檢測(cè)技術(shù)

PEC檢測(cè)技術(shù)用發(fā)射回線向金屬管道發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，用接收回線測(cè)量二次渦流磁場(chǎng)，渦流的衰減與被測(cè)管道的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率有關(guān)。PEC檢測(cè)時(shí)一般采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量一處壁厚作為參考區(qū)域的壁厚值，將被檢管道不同位置的信號(hào)與已知參考信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)評(píng)估管體金屬損失[3]。選擇的參考區(qū)域盡量與被檢管道有相同的材質(zhì)、覆蓋層材料、壁厚、工況，且參考區(qū)域周?chē)鸁o(wú)明顯電磁干擾及其他金屬體干擾。本研究中由于LNG管道絕熱層無(wú)法拆除，繼而采用工程設(shè)計(jì)壁厚的數(shù)據(jù)作為參考值。PEC檢測(cè)原理，如圖3所示。

PEC檢測(cè)系統(tǒng)包括控制單元、數(shù)據(jù)采集器和傳感器3個(gè)主要部分。先設(shè)置管道參數(shù)、傳感器參數(shù)、發(fā)射頻率等工作參數(shù)，再啟動(dòng)發(fā)射機(jī)發(fā)出激勵(lì)方波，在斷電期間接收感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的二次磁場(chǎng)衰變曲線。檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯的管道減薄。

PEC檢測(cè)方法可在不停產(chǎn)、不拆保溫層情況對(duì)管道的的大面積均勻腐蝕進(jìn)行檢測(cè)，但是對(duì)于局部點(diǎn)蝕和裂紋類(lèi)缺陷不適用。特別是由于原理所限，該方法不能區(qū)分腐蝕分布的相對(duì)位置，只能計(jì)算出某一區(qū)域內(nèi)的平均金屬損失。

3.3 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)

由于LNG溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，當(dāng)管道絕熱層失效后，LNG管道與外界環(huán)境進(jìn)行換熱，空氣中的水蒸氣冷凝于絕熱層外側(cè)，給管道的運(yùn)行增加了風(fēng)險(xiǎn)。因此，宏觀檢驗(yàn)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注絕熱層失效的管道。但是當(dāng)LNG管道位于管廊等高處位置時(shí)，宏觀檢驗(yàn)存在盲區(qū)，這時(shí)采用紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)就可以有效解決該問(wèn)題。

管道是一個(gè)熱能輻射源，紅外線是自然界中廣泛存在的一種電磁波，由于絕熱層失效位置的管道溫度低于絕熱層良好的管道，據(jù)此可以根據(jù)兩者向周?chē)l(fā)紅外熱輻射的不同來(lái)確定。紅外熱成像是將肉眼不可見(jiàn)的紅外輻射，經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡片到達(dá)探測(cè)器，通過(guò)信號(hào)處理轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訄D像，并顯示在屏幕上。紅外熱成像儀靈敏度高，檢測(cè)精度可達(dá)0.1 K；同時(shí)采用非接觸式測(cè)量，解決了宏觀檢測(cè)在架空管道的難題。同時(shí)檢測(cè)過(guò)程實(shí)時(shí)生成紅外圖像，現(xiàn)場(chǎng)可以迅速對(duì)絕熱層破壞位置進(jìn)行記錄。由于管道外含有鋁合金保護(hù)層薄板的反射影響，檢測(cè)前需要進(jìn)行輻射率標(biāo)定。

3.4 水樣分析

某LNG接收站位于沿海地區(qū)，站內(nèi)的LNG槽車(chē)裝卸站環(huán)境濕度大，空氣中含鹽量高，氯離子是奧氏體不銹鋼發(fā)生腐蝕的主要原因。當(dāng)絕熱層發(fā)生破損時(shí)，空氣中含有氯離子的水分冷凝于管道外側(cè)，有可能造成破壞奧氏體不銹鋼表面含Cr的鈍化薄膜，形成奧氏體不銹鋼保溫層下氯離子腐蝕。GB 50235－2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》以及GB 50184－2011《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定，對(duì)不銹鋼管道采用潔凈水進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，水中氯離子含量不得超過(guò)25 mg/L。

檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)絕熱層外表面結(jié)冰、霜的位置進(jìn)行了取樣，并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，結(jié)果表明水中的氯離子含量為4～5 mg/L，沒(méi)有達(dá)到規(guī)范的上限。上述絕熱層破損的位置需要使用單位及時(shí)修復(fù)，如因其他原因無(wú)法進(jìn)行修復(fù)時(shí)，需要定期進(jìn)行水樣氯離子含量測(cè)定并監(jiān)控使用，因?yàn)榇髿猸h(huán)境發(fā)生變化等都會(huì)導(dǎo)致絕熱層破損位置氯離子不斷積累增加。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到長(zhǎng)足的發(fā)展，但由于LNG管道的特殊性，所以目前仍沒(méi)有一種檢測(cè)方法能夠獨(dú)立完成LNG管道的全面檢驗(yàn)。本文通過(guò)X射線數(shù)字成像檢測(cè)DR技術(shù)、脈沖渦流PEC檢測(cè)技術(shù)、紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)LNG低溫管道進(jìn)行檢驗(yàn)，在某種程度上提高了一定的檢測(cè)效率，基本滿足了TSG D7005－2018中對(duì)工業(yè)管道定期檢驗(yàn)的要求，初步建成了一套針對(duì)在役不停輸LNG管道檢驗(yàn)的方法，希望可以為該類(lèi)低溫管道的全面檢驗(yàn)提供一些借鑒。