上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(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，會迅速氣化，遇到火源時將會發(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《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》中要求定期檢驗時需要對焊縫進(jìn)行無損檢測、對管道進(jìn)行壁厚測定。然而如果拆除LNG絕熱層會造成管道內(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迅速凝水、結(jié)冰，后期修復(fù)的絕熱層無法達(dá)到原有的效果；同時產(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。因此通過停產(chǎn)方式進(jìn)行檢驗，會加重企業(yè)的負(fù)擔(dān)。本文中某LNG接收站因具有作為應(yīng)急儲備站的特殊性質(zhì)，其實際現(xiàn)場不具備停產(chǎn)待檢的條件，因此常規(guī)的壓力管道定期檢驗方法不適用于該站內(nèi)LNG槽車裝卸站管道。為此研究了一套針對LNG槽車裝卸站管道不停輸?shù)木C合檢驗技術(shù)具有極其重要的意義。

1 LNG槽車裝卸站管道概況

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

圖1 LNG槽車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槽車裝卸站的管道參數(shù)見表1。

表1 LNG槽車裝卸站管道參數(shù)

2 LNG槽車裝卸站管道不停輸檢驗策略

由于LNG槽車裝卸站的特殊性，需要在不停輸?shù)那闆r下，采用一套在線檢驗方法對站內(nèi)的LNG管道進(jìn)行檢驗，降低管道失效的可能性。基于風(fēng)險檢驗RBI(Risk Based Inspection)技術(shù)是通過對管道的主要失效模式及失效機(jī)理等潛在風(fēng)險進(jìn)行識別，對風(fēng)險進(jìn)行評估以確定風(fēng)險的大小，來制定具有針對性的檢驗策略。RBI技術(shù)可以有效降低企業(yè)的檢驗成本，避免隨機(jī)抽查可能導(dǎo)致的漏檢或者過檢。

腐蝕分析是RBI工作中的一個重要組成部分。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，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所示的檢驗策略。

3 主要檢驗方法

3.1 X射線數(shù)字成像檢測(DR)技術(shù)

DR檢測與傳統(tǒng)射線檢測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器接收，轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后經(jīng)過計算機(jī)系統(tǒng)處理，最終在顯示器上進(jìn)行評定缺陷，即實現(xiàn)了射線光子到數(shù)字信號再到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)化過程。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)、非晶硅平板探測器、計算機(jī)系統(tǒng)(含射線控制器、探測器控制器)、通信線纜等組成。DR屬于近些年來新型的一種無損檢測技術(shù)，現(xiàn)場檢驗采用國家能源局頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11－2015《承壓設(shè)備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》。該技術(shù)無需拆除包層冷卻材料、無需清除管道內(nèi)介質(zhì)，現(xiàn)場無需膠片、檢測結(jié)果實時傳輸電腦形成電子圖像，現(xiàn)場作業(yè)時即可以發(fā)現(xiàn)缺陷，并可高精度測量缺陷；同時對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。

現(xiàn)場檢驗采用Gemx-200X射線機(jī)，平板探測器采用DeReO UP2530非晶硅DR平板，圖像接收和處理軟件采用配套的Xris-Maestro，通過計算機(jī)系統(tǒng)，軟件可以對射線控制器和探測控制器進(jìn)行同步控制。成像的圖像質(zhì)量必須滿足4個技術(shù)指標(biāo)：灰度、信噪比、靈敏度和圖像分辨率。其中靈敏度通過線型像質(zhì)計來進(jìn)行測定，與傳統(tǒng)DR檢測時需要停輸并排空介質(zhì)不同。DR檢測時，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)此時折算的透照當(dāng)量總厚度，來確定應(yīng)識別的像質(zhì)計絲號并以此來確定圖像的靈敏度。本研究中的透照當(dāng)量換算見表3。

表3 DR透照當(dāng)量厚度 mm

DR檢測時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，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)場采用雙壁雙影傾斜透照方式，實現(xiàn)橢圓成像，相隔90°透照2次。

表4 DR參數(shù)

經(jīng)過DR檢測發(fā)現(xiàn)，LNG-501管道彎頭焊縫處存在一個長徑為0.85 mm的圓形缺陷。由于計算機(jī)軟件對缺陷精確測量，評定出該焊縫質(zhì)量等級為Ⅰ。

需要注意的是DR檢測對氣孔、夾渣類體積型缺陷檢出率很高，但是對面積型缺陷如裂紋、未熔合類缺陷不敏感。

3.2 脈沖渦流(PEC)檢測技術(shù)

PEC檢測技術(shù)用發(fā)射回線向金屬管道發(fā)送一次脈沖磁場，用接收回線測量二次渦流磁場，渦流的衰減與被測管道的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率有關(guān)。PEC檢測時一般采用超聲波測厚儀測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與已知參考信號進(jìn)行對比，以此來評估管體金屬損失[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)域周圍無明顯電磁干擾及其他金屬體干擾。本研究中由于LNG管道絕熱層無法拆除，繼而采用工程設(shè)計壁厚的數(shù)據(jù)作為參考值。PEC檢測原理，如圖3所示。

PEC檢測系統(tǒng)包括控制單元、數(shù)據(jù)采集器和傳感器3個主要部分。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)，再啟動發(fā)射機(jī)發(fā)出激勵方波，在斷電期間接收感應(yīng)電動勢隨時間變化的二次磁場衰變曲線。檢測未發(fā)現(xiàn)明顯的管道減薄。

PEC檢測方法可在不停產(chǎn)、不拆保溫層情況對管道的的大面積均勻腐蝕進(jìn)行檢測，但是對于局部點(diǎn)蝕和裂紋類缺陷不適用。特別是由于原理所限，該方法不能區(qū)分腐蝕分布的相對位置，只能計算出某一區(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。因此，宏觀檢驗時需要重點(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，宏觀檢驗存在盲區(qū)，這時采用紅外熱成像檢測技術(shù)就可以有效解決該問題。

管道是一個熱能輻射源，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)兩者向周圍散發(fā)紅外熱輻射的不同來確定。紅外熱成像是將肉眼不可見的紅外輻射，經(jīng)過光學(xué)鏡片到達(dá)探測器，通過信號處理轉(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，檢測精度可達(dá)0.1 K；同時采用非接觸式測量，解決了宏觀檢測在架空管道的難題。同時檢測過程實時生成紅外圖像，現(xiàn)場可以迅速對絕熱層破壞位置進(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，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)量驗收規(guī)范》中規(guī)定，對不銹鋼管道采用潔凈水進(jìn)行液壓試驗時，水中氯離子含量不得超過25 mg/L。

檢驗現(xiàn)場對絕熱層外表面結(jié)冰、霜的位置進(jìn)行了取樣，并帶回實驗室進(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修復(fù)，如因其他原因無法進(jìn)行修復(fù)時，需要定期進(jìn)行水樣氯離子含量測定并監(jiān)控使用，因為大氣環(huán)境發(fā)生變化等都會導(dǎo)致絕熱層破損位置氯離子不斷積累增加。

4 結(jié)語

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