略論液化天然氣低溫設(shè)備RBI技術(shù)

李戰(zhàn)杰(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

LNG儲(chǔ)罐是油氣管網(wǎng)的核心組成部分，若設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)維等方面的工作未落實(shí)到位，將嚴(yán)重影響到絕熱保溫效果，在氣溫增高的同時(shí)罐內(nèi)壓力同步提高，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)LNG儲(chǔ)罐爆裂事故[1-2]。鑒于此，可將RBI技術(shù)應(yīng)用于日常檢測(cè)工作中，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取針對(duì)性的處理措施。

1 LNG接收站的核心工藝流程

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)特征提出幾項(xiàng)控制措施：一是中等風(fēng)險(xiǎn)及其以下等級(jí)的各類風(fēng)險(xiǎn)，通過科學(xué)的控制措施后，避免其在下一次檢驗(yàn)前發(fā)生等級(jí)提升的現(xiàn)象；二是中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，主要指的是失效可能性等級(jí)達(dá)到3級(jí)或更高的情況，此時(shí)在裝置不停車的條件下采取控制措施，以達(dá)到降低失效可能性等級(jí)的效果；三是以行業(yè)經(jīng)驗(yàn)為主要指導(dǎo)，對(duì)于控制失效可能性等級(jí)在3級(jí)以內(nèi)的情況，考慮此時(shí)萬(wàn)臺(tái)設(shè)備年事故率的情況，要求在此方面的表現(xiàn)達(dá)到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家水平；四是檢驗(yàn)周期的分析，應(yīng)兼顧現(xiàn)行業(yè)規(guī)范等方面的相關(guān)規(guī)定。

某LNG接收站內(nèi)部組成包含LNG卸船系統(tǒng)、LNG儲(chǔ)存工藝、蒸發(fā)器處理系統(tǒng)、火炬氣放空系統(tǒng)及氣化輸配系統(tǒng)；管道類型包含柴油型、氣態(tài)丙烷型、天然氣型、LNG型等八類；容器裝置的類別包含冷凝器、壓縮機(jī)、儲(chǔ)罐等。LNG接收站的工藝較為成熟，具有運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，歷史生產(chǎn)階段內(nèi)未發(fā)生安全事故。

本次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的對(duì)象包含站內(nèi)的526條壓力管道和32臺(tái)壓力容器。從LNG接收站的工藝流程來(lái)看，LNG通過專用船有序轉(zhuǎn)運(yùn)至碼頭，提前配置好卸料臂和回氣臂，以構(gòu)成完整的輸送渠道，在卸料泵的輔助下將LNG轉(zhuǎn)入儲(chǔ)罐。LNG的工藝流程可分為兩個(gè)方向，一是在管道作用下進(jìn)入LNG船，以便維持氣相平衡的狀態(tài)；二是通過壓縮機(jī)加壓處理，使其能夠轉(zhuǎn)入冷凝器內(nèi)以便發(fā)生冷凝反應(yīng)，再與外輸?shù)腖NG混合，通過高壓輸送泵的作用使其轉(zhuǎn)入汽化器，在發(fā)生汽化后對(duì)其采取調(diào)壓處理措施，按特定的流程輸入至管網(wǎng)內(nèi)，最終到達(dá)用戶端。關(guān)于LNG接收站的工藝流程，具體情況如圖1所示。

2 損傷機(jī)理分析

裝置損傷的發(fā)生機(jī)理較為復(fù)雜，各機(jī)理所對(duì)應(yīng)的損傷類型具有差異性，總體來(lái)看可分為三類損傷：

2.1 溫層下腐蝕(CUI)

CUI的出現(xiàn)主要與保溫層和金屬表面空隙有關(guān)，該處存在水分聚集現(xiàn)象后將引發(fā)不同程度的損傷。CUI主要以局部損傷的方式為主，在持續(xù)性作用下易導(dǎo)致碳鋼受到腐蝕而變薄，而對(duì)于奧氏體不銹鋼而言則表現(xiàn)出應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

2.2 大氣腐蝕

部分金屬缺乏有效的防護(hù)措施，受外部因素影響而出現(xiàn)腐蝕。LNG接收站建設(shè)于沿海環(huán)境，空氣和海水中都存在豐富的氯離子，其具有較強(qiáng)的腐蝕性作用，易引發(fā)大氣腐蝕現(xiàn)象，且在濕度較大的環(huán)境下體現(xiàn)得更為明顯。以碳鋼為例展開分析，若空氣濕度達(dá)到60%或更高，此時(shí)碳鋼腐蝕速率將表現(xiàn)出大幅提升的趨勢(shì)，甚至具有指數(shù)增長(zhǎng)的特點(diǎn)；對(duì)于空氣相對(duì)濕度在50%以內(nèi)的情況，雖然存在腐蝕現(xiàn)象但速率相對(duì)較低。對(duì)此，可以選擇金屬鍍層、不銹鋼等材料，并對(duì)其采取濕度控制措施，此舉有助于緩解大氣腐蝕作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道和設(shè)備的有效防護(hù)。

2.3 堿應(yīng)力腐蝕開裂

圖1 LNG接收站工藝流程

此現(xiàn)象的出現(xiàn)與堿溶液作用有關(guān)，管道或設(shè)備易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，主要集中在應(yīng)力熱處理不到位的部位。堿應(yīng)力的腐蝕作用較強(qiáng)，易導(dǎo)致設(shè)備或管線在數(shù)天內(nèi)被完全穿透。此外，剪應(yīng)力腐蝕開裂的分布具有規(guī)律性，呈現(xiàn)出與焊縫相平行的關(guān)系，或是集中在焊縫和熱影響區(qū)；形成的裂紋相對(duì)較小，形狀方面以蜘蛛網(wǎng)狀居多，最初見于局部應(yīng)力集中處，后續(xù)逐步向外界擴(kuò)寬。在堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>5%的條件下，將明顯加大開裂的概率，若堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增加，開裂現(xiàn)象則更為明顯。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及檢驗(yàn)策略制定

本次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估選擇的是中特石化裝置工程風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)，即GM_RBI，其功能較為豐富，可實(shí)時(shí)錄入風(fēng)險(xiǎn)值并對(duì)其執(zhí)行計(jì)算操作，在其支持下可以創(chuàng)建基于管道、容器的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，具體情況如圖2所示。裝置內(nèi)的壓力管道數(shù)量豐富，以風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為依據(jù)劃分，可得到中高風(fēng)險(xiǎn)管道42條、中風(fēng)險(xiǎn)管道175條以及低風(fēng)險(xiǎn)管道309條。裝置內(nèi)的各類容器都處于穩(wěn)定使用狀態(tài)，無(wú)任何高風(fēng)險(xiǎn)容器，但有中風(fēng)險(xiǎn)容器24臺(tái)、低風(fēng)險(xiǎn)容器8臺(tái)。

圖2 管道及容器風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

LNG管道及容器均使用到適量具有低溫絕熱特性的材料，由此構(gòu)成保冷層，可有效減小外界溫度對(duì)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)所造成的不良影響。管道的介質(zhì)溫度為-162℃，此條件下若拆除低溫管道保冷層，則會(huì)發(fā)生管道內(nèi)外部溫差異常增加的情況，導(dǎo)致LNG快速汽化，管道內(nèi)壓力大幅提升，存在大量的安全隱患，嚴(yán)重威脅到管道的安全使用。并且，拆除保冷層后管道的外壁也會(huì)受到溫度的影響，出現(xiàn)快速凝水甚至結(jié)冰的現(xiàn)象，而通過修復(fù)措施難以從根本上解決該問題，因此在檢驗(yàn)時(shí)不推薦使用拆除保冷層的方法。

根據(jù)LNG接收站建設(shè)于沿海地區(qū)的特點(diǎn)，提出相適應(yīng)的處理方法：

宏觀檢驗(yàn)。以目視方法為主，例如通過內(nèi)窺鏡、放大鏡等相關(guān)裝置檢測(cè)，以便掌握管道在結(jié)構(gòu)、尺寸、表面等方面的情況[3]。宏觀檢驗(yàn)應(yīng)具有全面性，主要內(nèi)容包含三部分：一是結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，常見有管道布置情況、開孔位置、支吊架、排放裝置等；二是幾何尺寸檢驗(yàn)，主要包含咬邊、焊縫余高等；三是外觀檢驗(yàn)，涉及到的工作內(nèi)容較為豐富，如焊縫的腐蝕情況；各類管道在泄漏、變形、鼓包、電弧灼傷、開裂等方面的情況；排放裝置在腐蝕、沉積等方面的情況；保冷層的脫落等方面的情況等。

若為夾套容器或管道，較為可行的是抽真空的方式，此舉的作用在于降低其與環(huán)境的傳熱量。通常，夾層上會(huì)配置特定的真空測(cè)試裝置，以便通過該裝置的作用檢測(cè)夾層的真空度；而對(duì)于檢測(cè)條件較為特殊的情況，例如無(wú)真空測(cè)試裝置，此時(shí)則要做好口蒸發(fā)率的測(cè)量工作。

絕大部分物體都無(wú)法達(dá)到絕對(duì)零度的狀態(tài)，此類物體將發(fā)出波長(zhǎng)具有差異化特性的電磁輻射，而在物體溫度逐步提高的條件下，內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)趨于劇烈，產(chǎn)生的紅外輻射作用則越強(qiáng)。物體的溫度會(huì)在較大程度上決定輻射的頻譜分布情況。對(duì)此，引入紅外熱成像的檢測(cè)方式，在光電技術(shù)的支持下采集紅外波段信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后使其成為可直觀識(shí)別的圖像，相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)圖中信息作出客觀的評(píng)價(jià)。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是行業(yè)持續(xù)發(fā)展之下而衍生出的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其在設(shè)備及管道腐蝕方面的檢測(cè)效果較好。以激勵(lì)線圈為主要裝置，其能夠形成脈沖磁場(chǎng)，隨著時(shí)間的變化，管道設(shè)備激勵(lì)起的感應(yīng)渦流隨之改變，逐步形成感應(yīng)電磁場(chǎng)。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有局限性，例如只具備檢測(cè)獨(dú)立凹坑的能力，同時(shí)其精度也相對(duì)較低。

RBI技術(shù)充分考慮到各類設(shè)備的工作特性，匹配出相適應(yīng)的檢驗(yàn)方法，具有識(shí)別精度高、成本低等多重特點(diǎn)。對(duì)于結(jié)構(gòu)減薄情況的識(shí)別，可行方式是宏觀檢查以及壁厚檢測(cè)；堿應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象可通過宏觀檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)的方式而實(shí)現(xiàn)。若為低溫LNG設(shè)備，在檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免拆除行為，可行的是脈沖渦流檢驗(yàn)技術(shù)，根據(jù)所得的金屬損失量作出判斷。LNG為典型的低溫介質(zhì)，在出現(xiàn)泄漏后會(huì)與外界溫度發(fā)生明顯作用，伴有大幅度溫差現(xiàn)象，因此需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)彎頭、三通、減壓閥等較為薄弱的區(qū)域。根據(jù)檢測(cè)需求，共配置9臺(tái)壓力容器和59條壓力管道，從實(shí)際檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，未出現(xiàn)應(yīng)力開裂和腐蝕現(xiàn)象，設(shè)備的工作狀態(tài)較為良好。

4 結(jié)語(yǔ)

RBI技術(shù)是建立在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效機(jī)理基礎(chǔ)上而衍生出的新型技術(shù)，其參考到同類設(shè)備的失效可能性以及設(shè)備的特殊性，因此RBI技術(shù)的科學(xué)性更強(qiáng)。通過GM RBI軟件的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG接收站內(nèi)各類設(shè)備的評(píng)估，尤為關(guān)鍵的是能夠準(zhǔn)確掌握低溫管道、低溫容器等核心構(gòu)件的特點(diǎn)，從而闡述其腐蝕機(jī)理，幫助工程技術(shù)人員全方位掌握天然氣低溫設(shè)備的使用狀況，為相關(guān)工作的開展提供可靠的依據(jù)。