液化天然氣低溫設(shè)備RBI技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

浦哲 任彬 劉書宏 王潔璐 李瑋

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

上海壓力管道智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心 （上海 200062）

《上海市能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求實(shí)施并完成上海液化天然氣（LNG）海底管道復(fù)線工程，推進(jìn)洋山LNG二期工程前期工作，研究啟動(dòng)上海LNG第二接收站選址，重點(diǎn)推進(jìn)五號(hào)溝LNG二期儲(chǔ)罐擴(kuò)建和上海LNG儲(chǔ)罐擴(kuò)建項(xiàng)目，規(guī)劃研究新的LNG儲(chǔ)備設(shè)施、石洞口能源儲(chǔ)備基地?cái)U(kuò)建等項(xiàng)目，推進(jìn)LNG反輸研究。常規(guī)檢驗(yàn)中沒(méi)有把承壓設(shè)備的檢驗(yàn)維護(hù)與其承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)應(yīng)，采用基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）技術(shù)[1]，可通過(guò)對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，找出系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，分析高風(fēng)險(xiǎn)水平和高失效可能性的靜定設(shè)備和管道。

LNG屬永久性氣體，一般采用低溫進(jìn)行液態(tài)輸送、卸料和儲(chǔ)存。保冷效果的好壞對(duì)儲(chǔ)罐的安全影響極大。假如絕熱保冷效果不好，罐內(nèi)溫度隨環(huán)境升高而升高，則其飽和蒸汽壓迅速上升。天然氣的主要組分為甲烷，危險(xiǎn)貨物編號(hào)為21007，火災(zāi)危險(xiǎn)類別屬甲類，爆炸極限為5%~15%。若LNG儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行的維護(hù)保養(yǎng)各環(huán)節(jié)中絕熱保冷效果不好，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG壓力會(huì)隨氣溫影響而急劇升高，可能導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐爆裂。儲(chǔ)存LNG的儲(chǔ)罐，若設(shè)備制造有缺陷、材質(zhì)選用不當(dāng)，在使用過(guò)程中受到腐蝕、損傷、超量充裝，人為操作失誤造成事故，均有可能造成設(shè)備損壞或爆裂。設(shè)備損壞或爆裂后會(huì)造成大量易燃物料向周圍散發(fā)，一旦遇明火等點(diǎn)火源會(huì)引起二次燃燒甚至爆炸事故。若低溫儲(chǔ)罐基礎(chǔ)未采取防凍措施，易致使儲(chǔ)罐基礎(chǔ)凍結(jié)、膨脹，造成儲(chǔ)罐損壞泄漏。LNG儲(chǔ)罐地基下沉，易造成儲(chǔ)罐底部產(chǎn)生裂縫，設(shè)備變形、錯(cuò)位；若連接儲(chǔ)罐的管道未采取柔性保護(hù)，易造成連接管道斷裂。國(guó)內(nèi)的一些單位開(kāi)展了一系列的RBI評(píng)估工作[2]，但是大部分都圍繞石油化工裝置，應(yīng)用于液化天然氣裝置的卻很少。林海萍等[3]對(duì)天然氣液化裝置進(jìn)行了RBI技術(shù)推廣應(yīng)用。

RBI技術(shù)是在追求特種設(shè)備安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的優(yōu)化檢驗(yàn)方案的方法，也是一個(gè)重點(diǎn)針對(duì)材料損傷引起的設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和管理的過(guò)程，對(duì)該類風(fēng)險(xiǎn)的管理主要通過(guò)對(duì)設(shè)備的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，給出風(fēng)險(xiǎn)排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而優(yōu)化檢驗(yàn)方案；同時(shí)重點(diǎn)對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)或高失效可能性的設(shè)備實(shí)施有針對(duì)性的檢驗(yàn)，延長(zhǎng)低風(fēng)險(xiǎn)或低失效可能性設(shè)備的檢驗(yàn)周期。

1 LNG接收站RBI評(píng)價(jià)

1.1 LNG接收站工藝流程

本次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的控制采取了以下幾條措施：一是中等風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以下的設(shè)備及管道采取等風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別原則，即以控制在下一次檢驗(yàn)開(kāi)始之前風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不上升為準(zhǔn)則；二是中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以上管道，尤其失效可能性等級(jí)高于3級(jí)（即4級(jí)或5級(jí)）的設(shè)備及管道，在裝置不停車的情況下通過(guò)增加在線檢驗(yàn)來(lái)降低部件的失效可能性等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)險(xiǎn)的目的；三是參照國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，如控制失效可能性等級(jí)小于3級(jí)，對(duì)應(yīng)的萬(wàn)臺(tái)設(shè)備年事故率與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)；四是檢驗(yàn)周期的確定仍然綜合考慮法規(guī)和規(guī)范要求等多種因素。

某LNG接收站工藝系統(tǒng)主要包括LNG卸船系統(tǒng)，LNG儲(chǔ)存工藝、蒸發(fā)器（BOG）處理系統(tǒng)，汽化輸配系統(tǒng)，火炬氣放空系統(tǒng)。LNG接收站主要分為0000全廠外管區(qū)、1000卸料區(qū)、3000工藝系統(tǒng)區(qū)、4000海水取水區(qū)、5000控制區(qū)、7000外輸區(qū)、8000控制區(qū)、T-0201儲(chǔ)罐區(qū)、T-0202儲(chǔ)罐區(qū)、T-0203儲(chǔ)罐區(qū)等10余個(gè)工段；共有柴油管道、次氯酸鈉管道、氣態(tài)丙烷管道、燃?xì)夤艿馈⑻烊粴夤艿馈⒁夯蜌夤艿馈NG管道、液態(tài)丙烷管道等8種管道類型，以及冷凝器、汽化器、壓縮機(jī)（緩沖罐）、高壓輸出泵、儲(chǔ)罐等幾種類型的容器。裝置生產(chǎn)工藝總體來(lái)說(shuō)比較平穩(wěn)，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，未發(fā)生大的安全事故。本次對(duì)LNG接收站526條壓力管道、32臺(tái)壓力容器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。LNG接受站主要工藝流程為：LNG經(jīng)過(guò)LNG專用船送到碼頭，接通卸料臂和回氣臂，利用LNG卸料泵將LNG送至儲(chǔ)罐內(nèi)。由于卸船過(guò)程中LNG吸入熱量變成天然氣，一部分通過(guò)管道經(jīng)回氣臂回到LNG船，達(dá)到卸船時(shí)的氣相平衡。另一部分經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)加壓后輸送至再冷凝器冷凝，最后和外輸?shù)腖NG經(jīng)高壓輸送泵輸送至汽化器。汽化后的氣態(tài)天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量輸送至管網(wǎng)，送至下游用戶。具體如圖1所示。

圖1 LNG接收站工藝流程

1.2 LNG接收站工藝物流劃分

腐蝕分析是RBI工作中的一個(gè)重要步驟，根據(jù)工藝過(guò)程危害分析（PHA）的概念，分析物料含哪些腐蝕介質(zhì)，對(duì)其可能的腐蝕機(jī)理作定性分析。通過(guò)腐蝕分析盡可能找出有關(guān)的腐蝕機(jī)理，并與定量分析軟件得出的腐蝕機(jī)理進(jìn)行對(duì)比。案例中腐蝕分析結(jié)論依據(jù)甲方提供的資料，同時(shí)也參照其他工廠的經(jīng)驗(yàn)，僅考慮原料與輔助原料的腐蝕介質(zhì)，不考慮超過(guò)設(shè)計(jì)范圍的參數(shù)，也不考慮設(shè)計(jì)與建造過(guò)程存在的問(wèn)題。定性腐蝕分析結(jié)果是腐蝕專家與工廠人員共同討論所得。

LNG接收站中介質(zhì)包括LNG、丙烷、次氯酸鈉等，某些腐蝕性介質(zhì)在設(shè)計(jì)選材時(shí)已考慮了其腐蝕性的影響，所以當(dāng)其實(shí)際腐蝕性可防護(hù)時(shí)，可將其作為物流對(duì)待，而不作為腐蝕流考慮。接收站壓力管道中的物流共12種，工藝物流表如表1所示。

表1 LNG接收站工藝物流表

1.3 主要損傷機(jī)理分析

裝置中的主要損傷機(jī)理包括保溫層下腐蝕（CUI）、大氣腐蝕、堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、內(nèi)襯損傷等四大類。

CUI是外部損傷中較為嚴(yán)重的一種破壞。CUI是由于保溫層與金屬表面空隙內(nèi)水的集聚產(chǎn)生的，這些水可能來(lái)自雨水的泄漏和濃縮、蒸汽伴熱管泄漏等。CUI形成局部腐蝕，導(dǎo)致了壁厚減薄；CUI常發(fā)生在-12～120℃溫度范圍內(nèi)，在50～93℃之間尤為嚴(yán)重。CUI對(duì)于碳鋼和低合金鋼表現(xiàn)為腐蝕減薄，而對(duì)奧氏體不銹鋼則表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。CUI主要發(fā)生在保溫層穿透部位或可見(jiàn)的保溫層破壞部位，以及法蘭和其他管件的保溫層端口等敏感部位。保持保溫層和涂層的完好可有效地減少CUI。

大氣腐蝕是未敷設(shè)隔熱層等覆蓋層的金屬在大氣中發(fā)生的腐蝕。LNG接收站位于沿海地區(qū)，含有氯離子的海洋大氣、潮濕工業(yè)大氣或含有強(qiáng)烈刺激性污染物的環(huán)境大氣易引發(fā)大氣腐蝕。濕度較大，尤其是容易凝結(jié)水滴的大氣環(huán)境腐蝕能力較強(qiáng)。以碳鋼為例：當(dāng)空氣相對(duì)濕度超過(guò)60%時(shí)，碳鋼腐蝕速率呈指數(shù)關(guān)系增加；而空氣相對(duì)濕度低于50%時(shí)，腐蝕速率則較低。材料表面的溫度宜高出環(huán)境露點(diǎn)溫度3℃以上，否則易在材料表面形成冷凝水造成腐蝕。使用有機(jī)、無(wú)機(jī)涂層和金屬鍍層，耐候鋼、不銹鋼等材料，以及控制濕度、減少大氣污染物含量等可有效預(yù)防大氣腐蝕。

堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指與堿溶液接觸的設(shè)備和管道表面發(fā)生的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，多出現(xiàn)在未進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理的焊縫附近，它可在幾小時(shí)或幾天內(nèi)穿透整個(gè)設(shè)備或管線。堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常出現(xiàn)在靠近焊縫的母材上，沿著與焊縫平行的方向擴(kuò)展，也可能出現(xiàn)在焊縫和熱影響區(qū)；裂紋細(xì)小，多呈蜘蛛網(wǎng)狀，起源于有局部應(yīng)力集中的焊接缺陷處。堿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5%時(shí)，開(kāi)裂就可能發(fā)生，且開(kāi)裂敏感性隨堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而升高。

帶有襯里的管道，在襯里完好的情況下可有效防止介質(zhì)對(duì)管道的腐蝕；如果襯里出現(xiàn)損傷，管道極易發(fā)生腐蝕。根據(jù)損傷機(jī)理，對(duì)壓力管道及壓力容器損傷機(jī)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 液化天然氣接收站壓力管道及壓力容器損傷機(jī)理統(tǒng)計(jì)表

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及檢驗(yàn)策略制定

本項(xiàng)目利用合肥通用機(jī)械研究院開(kāi)發(fā)的通用中特石化裝置工程風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)（GM_RBI），實(shí)施評(píng)估數(shù)據(jù)的錄入整理和風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算，管道、容器的風(fēng)險(xiǎn)矩陣分別如圖2、圖3所示，該裝置壓力管道的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一般，評(píng)估范圍內(nèi)沒(méi)有高風(fēng)險(xiǎn)管道，有42條中高風(fēng)險(xiǎn)管道、175條中風(fēng)險(xiǎn)管道、309條低風(fēng)險(xiǎn)管道。裝置壓力容器的總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低，沒(méi)有高風(fēng)險(xiǎn)容器，存在24臺(tái)中風(fēng)險(xiǎn)容器、8臺(tái)低風(fēng)險(xiǎn)容器。

圖2 管道及容器風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

LNG管道及容器均采用低溫絕熱材料保冷層結(jié)構(gòu)。管道內(nèi)介質(zhì)溫度為-162℃，拆除低溫管道保冷層后，由于管道內(nèi)外壁產(chǎn)生巨大的溫度差，LNG迅速汽化，管道內(nèi)壓力上升，對(duì)于管道的安全存在很大的隱患。同時(shí)，拆除保冷層后管道外壁會(huì)迅速凝水、結(jié)冰，后期進(jìn)行的保冷層修復(fù)無(wú)法達(dá)到原有的效果，不建議進(jìn)行拆除保冷層的檢驗(yàn)。而常規(guī)的射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、管道壁厚檢測(cè)均需要拆除保冷層，因此均不適用。張華等[4]根據(jù)沿海LNG接收站的不同特點(diǎn)，分別制定了相關(guān)的策略，目前對(duì)于該類帶保冷層結(jié)構(gòu)的管道，一般采用以下幾種方法。

宏觀檢驗(yàn)主要采用目視方法 （必要時(shí)利用內(nèi)窺鏡、放大鏡或者其他輔助檢測(cè)儀器設(shè)備、測(cè)量工具）檢驗(yàn)管道結(jié)構(gòu)，幾何尺寸，表面情況（例如裂紋、腐蝕、泄漏、變形等）以及焊接接頭，防腐層，隔熱層等。宏觀檢驗(yàn)一般包括以下內(nèi)容：（1）結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，包括管道布置，封頭形式，開(kāi)孔位置及補(bǔ)強(qiáng)，支吊架、膨脹節(jié)、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)、排放裝置設(shè)置等；（2）幾何尺寸檢驗(yàn)，包括管道焊縫對(duì)口錯(cuò)邊量、咬邊、焊縫余高等；（3）外觀檢驗(yàn)，包括管道標(biāo)志，容器銘牌，管道組成件及其焊縫的腐蝕、裂紋、泄漏、鼓包、變形、機(jī)械接觸損傷、過(guò)熱、電弧灼傷，管道支承件變形、開(kāi)裂，排放（疏水、排污）裝置的堵塞、腐蝕、沉積，保冷層的破損、脫落、潮濕情況等。

對(duì)于夾套容器或者管道，一般采用向夾套管內(nèi)抽真空的方式，降低其與環(huán)境間的傳熱量，夾層上裝有真空測(cè)試裝置時(shí)，檢驗(yàn)夾層的真空度，若沒(méi)有真空測(cè)試裝置，則進(jìn)行日蒸發(fā)率測(cè)量。

所有不處于絕對(duì)零度的物體，均會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的電磁輻射，物體的溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越劇烈，則紅外輻射越強(qiáng)。輻射的頻譜分布與物體的溫度有關(guān)。紅外熱成像運(yùn)用光電技術(shù)檢測(cè)物體熱輻射的紅外線波段信號(hào)，然后將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成人類視覺(jué)可以分辨的圖像和圖形。紅外熱成像技術(shù)可以對(duì)物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析，克服人類視覺(jué)障礙，可作為低溫管道、容器檢驗(yàn)的一個(gè)重要手段。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以用來(lái)檢測(cè)帶絕熱層的設(shè)備和管道金屬腐蝕。通過(guò)激勵(lì)線圈發(fā)送一次脈沖磁場(chǎng)，在其激發(fā)下，管道設(shè)備激勵(lì)起的感應(yīng)渦流將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的感應(yīng)電磁場(chǎng)。該方法只能檢測(cè)小的獨(dú)立凹坑，精度比超聲波檢測(cè)低，由于其原理限制，無(wú)法區(qū)分內(nèi)外表面缺陷位置。

RBI給出了每項(xiàng)設(shè)備的推薦檢驗(yàn)方法及比例，通常使用高度有效且經(jīng)濟(jì)可行的檢驗(yàn)方法來(lái)識(shí)別缺陷。減薄最有效的識(shí)別方法為宏觀檢查和壁厚測(cè)定；堿應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要檢驗(yàn)方法為無(wú)損檢測(cè)和宏觀檢查；沖刷減薄的主要檢驗(yàn)方法為宏觀檢查及壁厚測(cè)定。對(duì)于低溫LNG設(shè)備，采用脈沖渦流檢驗(yàn)技術(shù)可在不拆除絕熱層的情況下直接對(duì)管道本體的金屬損失量進(jìn)行判定。由于LNG屬于低溫介質(zhì)，其泄漏后與周圍環(huán)境溫差較大，重點(diǎn)檢查彎頭、大小頭、三通、調(diào)節(jié)閥、減壓閥后管段、管線低點(diǎn)容易積液部位、泵的進(jìn)出口部位等。現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)檢測(cè)壓力容器9臺(tái)、壓力管道59條，檢驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力開(kāi)裂和腐蝕現(xiàn)象，設(shè)備整體狀態(tài)較好，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果與前期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果較為一致。

3 結(jié)語(yǔ)

案例中參與RBI分析的壓力容器共計(jì)32臺(tái)，位于沿海地區(qū)，經(jīng)分析，主要損傷模式為減薄、大氣腐蝕與保溫層下腐蝕。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖中，失效可能性等級(jí)越高表明失效可能性越大。從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)，設(shè)備管理的重點(diǎn)應(yīng)放在風(fēng)險(xiǎn)較高（特別是處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）的設(shè)備與管道上。對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備與管道適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)檢驗(yàn)力度，可以在一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)。

基于RBI的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)檢驗(yàn)策略是依據(jù)RBI定量分析結(jié)果中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效機(jī)理來(lái)制定的。由于參考了國(guó)際中同類設(shè)備的失效可能性，同時(shí)又考慮到具體設(shè)備的特殊性與工廠的管理水平，因此，基于RBI的風(fēng)險(xiǎn)分析檢驗(yàn)策略更具有科學(xué)性。利用GM_RBI軟件對(duì)LNG接收站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，特別對(duì)低溫管道、低溫容器等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了深入的風(fēng)險(xiǎn)分析，并闡述了其主要腐蝕機(jī)理，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和失效機(jī)理制定了容器和管道的檢驗(yàn)策略，希望能夠積累該類特種設(shè)備的相關(guān)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。