不拆保冷層的LNG管道最小剩余壁厚預測

孫玉江, 劉海超, 孟 強, 苑世寧

(中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300457)

LNG管道多采用304或316不銹鋼材料制造，在管道制造、運輸、生產以及運營過程中，易受到海邊鹽霧中氯化物等的影響，不銹鋼外表面的富鉻氧化物保護膜會遭到侵蝕，而且LNG介質在管道內的輸送過程中可能會對管道彎頭造成沖蝕，引發管道孔蝕和應力腐蝕[1]，進而導致火災、爆炸等嚴重事故[2]。管道完整性管理[3]以及特種設備安全技術規范中要求定期檢測管道的剩余壁厚，以便于進行定量分析與評估[4]。由于生產和生活的需要，LNG管道一般不允許停產，而且拆除LNG管道外保冷層會導致管道內LNG溫度急劇上升，管道壓力突然增大，進而引發LNG儲罐的“間歇泉”事故[5]。因此，只可采取在線檢測LNG管道壁厚的方法，而常規的接觸式檢測方法不適用于LNG管道的檢測[6]。

根據國際原子能機構官方資料，切向射線照相法可以在不拆除保溫層的情況下檢測LNG管道，相對于傳統的X射線照相法，可以提高檢測作業過程中的安全性、工作效率和檢測精度。因此，筆者基于切向照相法，研究了一種切向射線掃描檢測方案，并開發了相應的檢測裝置，實現了在帶保冷層情況下的LNG管道剩余壁厚檢測。

由于該方法僅適用于單點檢測，難以覆蓋整個LNG管道，按照管道完整性管理的要求，需要獲取整條管道最薄點的剩余壁厚。根據前期研究成果可知[7-10]，油氣管道局部腐蝕的最大腐蝕點深度符合Gumbel分布，因此，筆者結合Gumbel極值分布原理，對某條在役LNG管道進行了檢測試驗，預測整條LNG管道的最小剩余壁厚。

1 切向射線掃描檢測技術基本原理

1.1 檢測基本原理

切向射線掃描檢測技術原理遵循射線檢測方法的基本規律，即缺陷區域材料與管道材料的射線吸收率不同，導致射線在穿過缺陷時強度會發生突變。根據射線的這種特性，可利用切向射線掃描檢測LNG管道剩余壁厚及分區，檢測原理如圖1所示。

圖1 切向射線掃描檢測技術原理示意

圖1(a)中，由伽馬射線源、探測器和控制機構模擬切向射線掃描檢測樣機，假設其對一段LNG管道進行檢測，該管道由鋁皮、保冷層、管道組成且厚度均勻。P1，P8分別為鋁皮外壁的兩端點；P2，P7分別為鋁皮內壁和保冷層外壁接觸的兩端點；P3，P6分別為保冷層內壁和管道外壁接觸的上、下兩個端點；P4，P5分別為管道內壁上、下兩端點；D為管道的直徑分割線。檢測裝置內射線源發出的射線經過準直器準直后由步進電機與晶體探測器同步，在LNG管道外側沿掃描方向掃描LNG管道，晶體探測器接收到的射線信息經數據處理后以計數的形式表征射線強度的變化。檢測時，如圖1(a)所示，在掃描至P1，P2之間時，沿掃描方向鋁皮的切向厚度會逐漸增加，此時探測器接收到的射線強度也應逐漸減小。保冷層多為高分子聚合材料，通常情況下，這種材料的射線吸收率要低于金屬的，因此，在P2點時，射線經過的鋁厚度最大，探測器接收到的射線強度最低，對應圖1(b)中的2點；隨后P2，P3之間射線強度會逐漸增加，至P3點達到最高，對應圖1(b)中的3點。由于LNG管道使用的是316L不銹鋼材料，同理可知，在掃描P3-P4段時，穿過LNG管道的射線強度會逐漸降低，到P4點時，接收到的射線強度最低，對應圖1(b)中的4。空氣的射線吸收系數遠低于LNG管道的射線吸收系數，因此，在P4，D之間，穿過管道的射線強度逐漸增加。當檢測至D線后，管道下半部分的檢測數據規律與上半部分相反。根據上述分析可知，12或78對應的是保冷層外鋁皮的厚度，23或67對應的是保冷層的厚度，34或56對應的是管道的剩余壁厚。

檢測過程中，需要注意射線源是否可以穿透管道切向方向的最大壁厚，裸管切向方向最大壁厚如圖2所示(圖中Lmax為管道切向方向最大壁厚；W為壁厚；D為管道直徑)。管道切向方向最大壁厚的計算公式可表示為

圖2 裸管切向方向最大壁厚示意

(1)

1.2 基于Gumbel極值分布的管道最小剩余壁厚預測方法

根據經驗可知，管道腐蝕后的位置可以參考泊松分布，管道的最小剩余壁厚滿足Gumbel極值分布規律，其表達式為

(2)

式中：F1(y)為最小剩余壁厚不超過x的概率；x為最小剩余壁厚的隨機變量，x∈(0，∞)；λ為統計參量，其取值范圍為-∞到+∞；α為統計變量，表示管道剩余壁厚的平均值；y為變量代換,y=(x-λ)/α。

假設將管道分為M個區，每個區檢測到了多個剩余壁厚X，該剩余壁厚數據隨機抽取至同環境下管道上的最小剩余壁厚，設X={X1,X2,…,XM}，X1,X2,…,XM為M個最小管道剩余壁厚按從大到小排列后的值，則第i個檢測數據的統計概率為

F(yi)=i/(M+1),i=1,2,…,M

(3)

將yi代入式(2)中可得到

F1(yi)=exp(-eyi)

(4)

對(4)式兩邊取兩次對數，得到

(5)

此時，對N個測量值Xi與統計概率F1(y)通過最小二乘法數據擬合，可知y與剩余壁厚Xi之間的關系，同時可求得統計參數λ和α[11]。

由于切向射線檢測方法難以檢測整條LNG管道的剩余壁厚，所以，需要根據M個區域內的剩余壁厚來估算整條LNG管道的剩余壁厚。在估算過程中，需要引入回歸周期T，其表達式為

T=L/M

(6)

T與統計概率F1(y)關系為

(7)

將式(7)代入式(5)，可得

y=-ln[-ln(1-1/T)]

(8)

由式(5)可知

x=ay+λ

(9)

此時，可根據式(9)得出整條LNG管道最小剩余壁厚的預估值。

2 LNG管道在線檢測試驗

2.1 試驗目的

為了驗證切向掃描檢測方法可用于LNG管道的剩余壁厚檢測，筆者利用Cs-137放射源進行了室內LNG管道的切向射線檢測試驗，并對該檢測方法能否滿足誤差小于0.05 mm的要求進行判斷。

2.2 試驗裝置

根據LNG管道檢測的需要，設計的LNG管道切向射線檢測裝置結構如圖3所示，儀器由5部分組成：① 射線源機，內含有一枚100 mCi的Cs-137放射源和準直器；② 探測器，由NaI晶體、光電倍增管、分壓電路和前置放大器等組成，用于接收射線并轉化為計數形式以代表輻射強度；③ 傳動機構，主要由步進電機、滾珠絲杠組成，用于控制射線源機和探測器的位置；④ 控制模塊，由數據采集器、PLC(可編程邏輯控制器)組成，用于控制傳動機構以及探測器數據輸出的采集；⑤ 計算機與數據分析軟件，主要用于儲存數據以及處理檢測數據。此外，試驗中還用到了千分尺、激光位移傳感器等。

圖3 LNG管道切向檢測裝置結構示意

2.3 試驗步驟

(1) 檢測試驗開始前，操作人員必須做好個人防護工作并隨身攜帶個人劑量報警儀，檢測過程中，人員應距離檢測儀器2 m以上，如遇突發緊急情況，按應急預案執行。

(2)選取一段LNG管道，在管道保冷層外表面標記若干檢測點P1，P2，P3,…，使用千分尺測量保冷層的各點厚度D1，D2，D3,…，再測量保冷層與管道的總厚度B1，B2，B3,…，則各點的管道壁厚為B1-D1，B2-D2，B3-D3,…。每個點測量5次，取5次測量結果的平均值作為厚度的千分尺測量值。

(3) 將準直后的射線源和探測器與步進電機和傳動機構相連，保證射線源和探測器可以同步沿LNG管道P1點切向垂直方向移動(見圖3)。設定步進電機移動步長為0.01 mm，每一步停留時間為2 s。

(4) 完成P1點掃描后，繼續按照步驟(3)掃描P2、P3,…，完成LNG管道的檢測。

(5) 試驗完畢，整理裝置和管道，將射線源妥善放置。

(6) 保存并對比分析LNG管道的千分尺測量數據和切向射線檢測試驗數據。

2.4 試驗結果

按照試驗步驟，對所標記的LNG管道進行檢測，LNG管道切向射線檢測結果如圖4所示。

圖4 LNG管道切向射線檢測結果

由于保冷層管道的鋁皮、保冷層、金屬管道和空氣的射線吸收系數不同，切向射線掃描至鋁皮、保冷層和金屬管道時，照射到探測器上的射線強度也不同，使得數據在各層邊界處發生突變。圖4中，A點表示射線進入鋁皮，B點表示射線進入保冷層，C點表示進入管道壁，D點表示退出管道壁。可以明顯看出，在B點和D點出現了兩個波谷。通過軟件分析計算得到該檢測點處的管道壁厚為10.11 mm，千分尺測量到的該點處壁厚為10.05 mm。相對于千分尺測量結果，切向射線檢測方法的誤差為0.06 mm。兩種方法的LNG管道壁厚檢測數據結果如表1所示。

表1 兩種方法的LNG管道壁厚檢測數據結果 mm

從表1可以看出，相對于千分尺，切向射線檢測方法對LNG管道壁厚的測量平均誤差約為0.04 mm，測量誤差的方差為0.04 mm，因此，該方法滿足誤差小于0.05 mm的檢測精度需要。

3 應用實例

某條LNG站場管道于2003年建成投產運行，長度為4518.68 m，材料為0Cr18Ni9，管徑為159 mm，壁厚為4.5 mm。對管道進行切向射線檢測時，每隔150 m設一個檢測區，共30個檢測區，每個檢測區隨機檢測20個點，30個區域內的管道最小剩余壁厚結果如表2所示。

表2 30個區域內的管道最小剩余壁厚檢測結果 mm

將這30個檢測數據從大到小排列，并根據式(4)計算出各點的累計概率F(yi)，并利用式(5)計算出隱函數y的值，LNG管道的切向射線檢測最小剩余厚度分析結果如表3所示。

以表3中的最小剩余壁厚為橫坐標，隱函數y為縱坐標繪制散點圖，并繪制最小剩余壁厚概率分布趨勢線，結果如圖5所示。由圖5可知檢測出的最小剩余壁厚與隱函數y具有良好的線性關系，而且進一步證明了檢測到的LNG管道最小剩余壁厚值服從Gumbel極值分布。經過最小二乘法計算，可得到α=-0.229 7,λ=3.736 2,根據式(9)得到該段LNG管道的最小剩余壁厚曲線公式為x=-0.229 7y+3.736 2；根據式(6)可以得到回歸周期T=225.934；由式(8)可以得到y=5.418 026，由此可知該LNG管道的最小剩余壁厚為2.49 mm。

表3 LNG管道的切向射線檢測最小剩余厚度分析結果

圖5 LNG管道最小剩余壁厚概率分布趨勢線

4 結語

通過研究切向射線掃描檢測技術，研發了一套帶保冷層的LNG管道剩余壁厚檢測裝置，并驗證了該裝置的檢測精度。通過檢測一條LNG管道30個分區的剩余壁厚并結合Gumbel極值分布原理預測了整條LNG管道的最小剩余壁厚，得到了以下結論。

(1) 通過對切向射線掃描檢測技術的分析，獲得了LNG管道壁厚切向射線檢測數據的分布規律。

(2) 切向射線掃描檢測裝置可實現帶保冷層的LNG管道剩余壁厚檢測，相對于千分尺，其檢測精度誤差為0.04 mm，滿足檢測精度的要求。

(3) LNG管道剩余壁厚滿足Gumbel極值分布，以此預測出該條LNG管道的最小剩余壁厚為2.49 mm。

(4) 雖然通過區域檢測和計算得到了整條LNG管道的剩余壁厚，但預測結果僅為理論計算值，后續應就預測結果的準確性開展現場測試。