液化天然氣管道在線檢驗方法探索與實踐*

高 振，王曉博，趙思思，黃 輝，王秀林

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029）

自2006年國內(nèi)第一座接收站——廣東大鵬LNG接收站建成投產(chǎn)以來，LNG產(chǎn)業(yè)快速蓬勃發(fā)展，截至2020年底國內(nèi)已建成投產(chǎn)22座LNG接收站，成為國內(nèi)儲氣調(diào)峰體系的重要組成部分。接收站投入使用后，依據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規(guī)則——工業(yè)管道》，站內(nèi)壓力管道應(yīng)實施定期全面檢驗，以檢測站內(nèi)設(shè)備運營期可能產(chǎn)生的缺陷并修復(fù)，保障設(shè)施安全運行。全面檢驗有兩種途徑：一是實施停機(jī)檢驗，依托傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)，通常需與設(shè)備表面耦合接觸；二是實施基于風(fēng)險的檢驗，根據(jù)風(fēng)險理論實施差別化、有針對性的檢驗，無需停機(jī)，無需耦合，在線狀態(tài)下即可實施檢驗。從國外經(jīng)驗和國內(nèi)政策導(dǎo)向來看，LNG接收站將繼續(xù)向著擴(kuò)容擴(kuò)建、產(chǎn)業(yè)集群的方向發(fā)展。在安全第一的前提下，監(jiān)管部門對LNG接收站的安全生產(chǎn)監(jiān)管將愈加嚴(yán)格，進(jìn)一步凸顯全面檢驗的重要性。

LNG接收站主要由卸料及存儲、閃蒸氣（BOG）處理、氣化外輸、槽車裝車/槽船裝船等系統(tǒng)組成［1］。除高壓外輸和海水系統(tǒng)外，主工藝系統(tǒng)幾乎均在深冷工況下服役，站內(nèi)管道材質(zhì)幾乎均為奧氏體不銹鋼［2-3］，包覆有一定厚度的聚異氰脲酸酯絕熱層（PIR），以防止熱量損失造成LNG氣化。因擔(dān)負(fù)區(qū)域能源調(diào)峰保供的社會生活和外部保冷層的職責(zé)［4］，實施傳統(tǒng)停機(jī)檢驗導(dǎo)致天然氣斷供將對社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，因此如何實施和提高在線檢驗的科學(xué)性、合規(guī)性顯得尤為重要。卸料管線將LNG從LNG運輸船輸送到LNG儲罐，其管徑大（可達(dá)1 100 mm以上）、管線長、檢驗難度高［5］，因此以典型的大管徑卸料管線為研究對象，提出一種組合式的“RBI風(fēng)險分析—CFD數(shù)值模擬—在線檢測”的LNG管道不停機(jī)在線檢驗技術(shù)方案，在LNG接收站運行維護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景。

1 卸船系統(tǒng)工藝流程概述

卸船系統(tǒng)工藝流程見圖1。LNG接收站卸船碼頭上一般設(shè)有3臺LNG卸料臂，1臺氣體返回臂。LNG運輸船到達(dá)碼頭后LNG通過船上的輸送泵，經(jīng)LNG卸料臂、卸料管線輸送到LNG儲罐中。LNG進(jìn)入儲罐后置換出的蒸發(fā)氣，一部分通過氣體返回臂送回LNG船的船艙以維持系統(tǒng)的壓力平衡，一部分通過BOG壓縮機(jī)回收。部分LNG接收站卸料管線主要參數(shù)見表1。為滿足安全生產(chǎn)需要，卸料管線需覆蓋保冷絕熱層，以防止 熱量交換造成管道內(nèi)LNG氣化。

圖1 卸船系統(tǒng)工藝流程示意

表1 LNG接收站卸料管線主要參數(shù)

2 RBI風(fēng)險分析

2.1 RBI技術(shù)發(fā)展概述

RBI引入國內(nèi)并成功在乙烯裝置和催化裂化裝置中應(yīng)用。在消化吸收基礎(chǔ)上目前國內(nèi)已建立起以TSG文件為基礎(chǔ)，以GB/T 30579《承壓設(shè)備損傷模式識別》和GB/T 26610《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則》為核心的RBI標(biāo)準(zhǔn)體系，并開發(fā)了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的RBI評估軟件［6］?；诓煌b置介質(zhì)、工藝流程、損傷機(jī)理及檢測手段等的差異，GB/T 26610進(jìn)一步細(xì)化了適用于某裝置的檢驗細(xì)則，目前已發(fā)布GB/T 33578.1《成套裝置基于風(fēng)險的檢驗細(xì)則 第1部分 乙烯裝置》、GB/T 33578.2《成套裝置基于風(fēng)險的檢驗細(xì)則 第2部分 催化裂化裝置》等。對于LNG接收站，RBI技術(shù)已廣泛應(yīng)用于站內(nèi)閥門、裝卸區(qū)、儲罐和接收等單元［7-10］，成功用于延長站內(nèi)管道的檢驗周期［11-12］，在接收站的運行維護(hù)中發(fā)揮出重要作用，為推進(jìn)不停機(jī)在線檢驗奠定了較好的基礎(chǔ)。

2.2 卸料管線RBI風(fēng)險分析

以某LNG接收站卸料管線作為目標(biāo)研究對象，主要工藝參數(shù)如表2所示。

表2 某LNG接收站卸料管線工藝參數(shù)

卸料管線長期在深冷工況下服役，制造、安裝階段需按相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對其對接焊縫、接管角焊縫及返修部位進(jìn)行100%的射線、超聲及表面無損檢測并經(jīng)監(jiān)督檢驗合格后方可投入運行。因此，服役后的卸料管線制造、安裝質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，即使存在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的原始焊接缺陷，也不會影響其安全運行。此外，奧氏體不銹鋼具有良好的低溫韌性，服役階段發(fā)生低溫脆斷的可能性也微乎其微。從風(fēng)險控制的角度分析，卸料管線運行期間的風(fēng)險主要由使用過程中的腐蝕、機(jī)械損傷及工藝波動等因素引起。

由于LNG接收站一般臨海而建，再者，卸料管線材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，因此存在大氣腐蝕及外部氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的可能。考慮到卸料管線工作介質(zhì)為LNG，工作溫度在-150℃左右，故管道表面覆蓋有深冷型硬PIR絕熱層，該絕熱層可以阻止大氣和卸料管線外表面的直接接觸，從而起到一定的物理隔絕效果；此外，即使卸料管線外表面絕熱層局部破損，周圍空氣中含氯離子的水汽也會在絕熱層外表面聚集結(jié)冰，氯離子很難和卸料管線外表面直接接觸，即使接觸，也不會有液態(tài)水的存在，不會形成氯化物水溶液環(huán)境，故卸料管線發(fā)生大氣腐蝕和外部氯化物應(yīng)力腐蝕的可能性微乎其微。因此從損傷機(jī)理上分析，引起卸料管線失效的主要原因為內(nèi)部介質(zhì)的沖刷。

由于LNG存在低溫凍傷危險性及爆炸火災(zāi)危險性等，屬易燃易爆的危險化學(xué)品，如果發(fā)生泄漏，將造成較為嚴(yán)重的后果。對表1中各LNG接收站卸料管線開展RBI風(fēng)險分析的結(jié)果見圖2。歷史分析經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，在服役期間，卸料管線總體失效可能性都較低，均為1，失效后果較大，風(fēng)險等級主要由失效后果主導(dǎo)。

圖2 卸料管線RBI風(fēng)險分析結(jié)果

3 卸料管線CFD模擬分析

CFD模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道主要沖蝕部位的預(yù)測［13-16］。目標(biāo)卸料管線采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（六面體），截面采用“O”型劃分。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性分析后最佳網(wǎng)格計算量為395萬個，最大長寬比為31，其中彎管和T型管進(jìn)行局部密集化處理，如圖3所示。根據(jù)表1實際工況確定卸料管線的模擬參數(shù)（見表3），進(jìn)而開展正常工況和加速工況兩種情形下的CFD模擬，以明確卸料管線的主要沖刷部位。

圖3 卸料管線管道構(gòu)體及網(wǎng)格劃分示意

表3 卸料管線CFD數(shù)值模擬參數(shù)

根據(jù)卸料管線正常服役工況，通過速度流線、壓力和壁面剪切力分布，分析了卸料管線內(nèi)沖刷規(guī)律（見圖4）。由圖4可知，在流場突變位置局部流速加快、壁面剪切力增大，如彎頭內(nèi)彎處，說明內(nèi)彎處易受流體剪切作用，然而流體流速都過低（未達(dá)臨界流速，一般液相得超過15 m/s，氣相得超過100 m/s），剪切力非常小，對壁面影響較小，可忽略。此外，在流場突變位置局部流速加快、受流體慣性沖擊影響，外彎壁面壓力（總壓）比內(nèi)彎壓力大，但由于動量小，沖擊強(qiáng)度較弱，對壁面影響也較小。三通附近由于流場轉(zhuǎn)變過快，流動未穩(wěn)定就進(jìn)行下一個突變，導(dǎo)致三通兩出口附近出現(xiàn)明顯的局部螺旋流，流體易沖刷位置會隨流動方向發(fā)生變化。因此，正常工況下，卸料管線受內(nèi)部介質(zhì)沖刷導(dǎo)致的管壁金屬損失量較小。

圖4 目標(biāo)卸料管線CFD模擬結(jié)果示意

考慮到長周期服役過程中的損傷累積，為盡可能準(zhǔn)確地反映卸料管線服役過程中受沖刷影響相對危險的薄弱點，以指導(dǎo)日常維護(hù)過程中的監(jiān)檢測，保證安全運行，模擬過程中加入一定量的固體顆粒來加速沖刷，其中顆粒粒徑為4×10-4m，顆粒進(jìn)口速度為4.96 m/s，總質(zhì)量流率為0.1 kg/s。顆粒相以離散型注入，采用DPM模型（可形變部件模型）。沖蝕速率采用Fluent Accretion模型，表達(dá)式如下：

式中，mp為顆粒質(zhì)量流率；f（α）為碰撞角α的函數(shù)，碰撞角α是顆粒運動軌跡與壁面上單元面之間的夾角（°）；v是顆粒撞擊速度；b（v）是速度指數(shù)，為2.4；C（DP）是顆粒直徑函數(shù)，取值為1.8×10-9；Aface為壁面上單元表面積（m2）；Rerosion是沖損速率［kg/（m2·s）］。

加速沖刷模擬結(jié)果見圖5。由圖5可知，對于彎頭，易沖刷部位在彎頭外彎處，模擬管線由多個彎頭組成，但易沖刷部位全部為外彎，這是因為彎頭外彎處顆粒濃度較大，且流體流經(jīng)彎頭處，流動方向發(fā)生改變，流體攜帶顆粒由于慣性會對彎頭外彎壁面造成沖擊，因此彎頭外彎處更易被沖刷。

圖5 目標(biāo)卸料管線CFD模擬結(jié)果示意

對于三通，易沖刷部位在兩管交接處，由圖5（a）可以看出，下行流在三通管處分為兩股流，由于流動方向改變，在交接處產(chǎn)生湍流，且由于交接處右側(cè)管線長度較短，流場不穩(wěn)定，湍動較強(qiáng)，因此在三通管交接處右側(cè)沖刷速率相對較大。由圖5（c）可知，由于流動不穩(wěn)定，局部出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)流，旋轉(zhuǎn)流中攜帶的顆粒對壁面再次產(chǎn)生沖擊，因此流場發(fā)生突變的部位，可能存在更加明顯的金屬損失，應(yīng)重點關(guān)注。

4 在線檢測技術(shù)實施

根據(jù)RBI風(fēng)險分析及CFD數(shù)值模擬結(jié)果，對目標(biāo)LNG接收站卸料管線重點部位實施檢測。由于保冷層的存在，影響了目視檢查的效果和壁厚檢測部位的選取。首先可通過紅外熱成像技術(shù)檢測管線保冷層的保冷效果，確定跑冷部位為壁厚測定的重點部位［17］。紅外熱成像結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，該接收站卸料管線保冷絕熱層施工質(zhì)量優(yōu)良，不存在異常跑冷現(xiàn)象。如果后期運行中發(fā)現(xiàn)異常跑冷現(xiàn)象，則應(yīng)對該部位進(jìn)行重點檢測。

圖6 卸料管線紅外熱成像檢測結(jié)果

采用瞬變電磁檢測技術(shù)對CFD模擬中易沖刷部位的彎頭和三通進(jìn)行壁厚測定，卸料管線易沖刷部位測定結(jié)果見表4。由表4可以看出，三通部位的平均減薄率大于彎頭部位，彎頭部位的壁厚波動較大，這可能與彎頭制造成型過程中的成型不均有關(guān)，但彎頭和三通的減薄率均未超過10%?？紤]到壁厚負(fù)偏差的影響，卸料管線受內(nèi)部介質(zhì)沖刷造成的金屬損失輕微，卸料管線服役過程中的失效可能性較低。

表4 卸料管線易沖刷件壁厚測定結(jié)果

由于現(xiàn)場和技術(shù)局限，本次瞬變電磁檢測結(jié)果是依據(jù)公稱壁厚修正的，故實際管線壁厚可能由于各種原因和設(shè)計公稱壁厚存在一定偏差。因此，實際檢測數(shù)據(jù)除受儀器精度影響外，還和實際壁厚和公稱壁厚的偏差范圍有關(guān)。對此，可以加大檢測頻率或下次檢驗時以上一次檢測結(jié)果為基準(zhǔn)，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行再修正，通過多次檢測，提高檢測的準(zhǔn)確度。

5 結(jié)論與建議

（1）風(fēng)險評估結(jié)果表明，由于卸料管線服役工況苛刻，制造、安裝階段施工質(zhì)量要求嚴(yán)格，故卸料管線運行期間失效可能性較低。由沖刷造成的管線金屬損失微乎其微，風(fēng)險等級主要由失效后果主導(dǎo)，日常管理維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)巡檢，注意及時修復(fù)保冷絕熱層破損部位。

（2）CFD數(shù)值模擬可以清晰地模擬出管線的易沖刷部位，可以用于指導(dǎo)管線檢驗工作。CFD模擬結(jié)果表明，卸料管線易沖刷部位主要集中在彎頭外側(cè)及三通90°分叉兩接管相貫線處，但沖刷速率均降低，為保證長周期安全運行，日常監(jiān)檢測中可重點對這些部位的壁厚進(jìn)行測定并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理修正。

（3）將CFD數(shù)值模擬與RBI風(fēng)險分析及先進(jìn)在線檢測技術(shù)耦合實施不停機(jī)在線檢驗具有現(xiàn)實意義。以卸料管線為案例的研究結(jié)果表明：“RBI風(fēng)險分析—CFD模擬—在線檢測”的在線檢驗技術(shù)方案為LNG管道提供了一種可實施、可靠的檢驗，解決了大部分LNG管道需不停機(jī)檢驗的問題，實現(xiàn)了LNG管道的合法、合規(guī)、經(jīng)濟(jì)運營，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

（4）為提升LNG管道的完整性管理程度，使得后續(xù)檢驗具有詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)參照，建議在安裝階段采集站內(nèi)LNG管道各管件壁厚等原始數(shù)據(jù)，并考慮在LNG管道安裝規(guī)范中進(jìn)行明確規(guī)定。