紅外熱成像技術在全容LNG儲罐建設和完整性管理中的應用

孔令海

(中國海洋石油集團有限公司工程建設部，北京 100010)

自2006年廣東大鵬LNG接收站投產以來，國內相繼投產了19座LNG接收站，投用16×104m3及以上大型LNG儲罐超過40個，另有10個大型儲罐即將投用或正在建設中。投產運營之后，儲罐均會出現不同程度的保溫效果降低的現象。文章介紹了采用紅外熱成像技術對珠海LNG儲罐保冷狀態進行監測的情況，為LNG儲罐今后的工程建設提供較好的監測管理思路【1】。

1 LNG儲罐結構

LNG儲罐是接收站儲運過程中的重要設備，其結構型式有球罐、單容罐、雙容罐、全容罐及膜式罐等。單容罐的外罐由普通碳鋼制成，不能承受低溫的LNG，總圖布置要求有較大的安全距離和作業區域，并需設置防火堤，由于其安全性相對其他形式的儲罐低，近年來已很少生產和在接收站使用；雙容罐具有耐低溫的金屬材料或混凝土外罐，內筒發生泄漏時，氣體會發生外泄，但液體不會，其安全性較單容罐高，一般不需設置防火堤，但需較大的安全防護距離；全容LNG罐主要由內罐、碳鋼內襯、混凝土外罐和頂蓋組成，內罐主要起儲存LNG作用，外罐主要起氣密作用，可使內筒泄漏的LNG及氣體不發生外泄，安全防護比較容易實施【2-3】。通常情況下全容LNG儲罐操作壓力為5.0～25.0 kPa，內罐操作溫度約為-160 ℃，材質為9% Ni低溫鋼，直徑80 m，高度35 m，底板厚度5 mm；外罐由鋼筋混凝土承臺、預應力混凝土墻體、鋼筋混凝土罐頂組成，鋼筋混凝土承臺與預應力混凝土墻體、預應力混凝土墻體與鋼筋混凝土罐頂連接處均采用混凝土剛性連接；內、外罐之間夾層(環形空間)的厚度為1.0 m，填充300 mm彈性氈和700 mm膨脹珍珠巖粉末的保冷層， 彈性氈緊貼內罐壁板，具有一定的彈性，用來吸收內罐運行時珍珠巖對內罐的擠壓力，膨脹珍珠巖粉末填充至鋼筋混凝土穹頂下方，以保證環形空間及懸浮吊頂處的保冷效果【4-6】。LNG儲罐保溫結構如圖1所示。按照設計要求，每座儲罐BOG日蒸發率不大于0.05%【7】。

2 全容LNG儲罐保冷效果降低原因分析及表象特征

隨著運行時間的累積、操作狀態的變化，會出現儲罐保冷效果降低的情況，其主要原因為：1)儲罐珍珠巖自然沉降原因導致；2)儲罐壓力頻繁快速波動導致珍珠巖不斷壓實；3)液位的波動、內罐的冷縮變形，導致珍珠巖分布不均勻；4)罐內設備啟停及卸料引起的震動等導致儲罐珍珠巖出現不同程度的不均勻下沉；5)原始填充時珍珠巖未夯實導致儲罐運行后出現局部缺失；6)原始填充時珍珠巖干燥程度、發泡質量等不合格導致保冷效果降低；7)罐內彈性毛氈松動脫落等導致儲罐保冷效果降低；8)儲罐內部出現結構性損壞導致保冷效果降低。儲罐保冷效果降低后會出現一些表象特征，如：儲罐部分外表面出現不均勻結露；部分區域出現青苔；儲罐BOG蒸發量明顯增加，出口管道BOG溫度升高；儲罐內部部分溫度監測點出現異常變化等不正常的現象。

圖1 LNG儲罐保溫結構示意

3 紅外熱成像監測儲罐狀態技術

3.1 LNG儲罐監測機理

LNG儲罐內存有約-160 ℃的LNG，外壁與自然環境接觸為常溫，由于罐壁內外溫差巨大，有明顯的熱傳遞現象，如果保溫層不均勻或存在缺失現象(如圖2所示)，會形成罐壁表面熱量傳遞快慢的差異。保溫效果差的區域，熱量傳遞速度較快，表面溫度低，對外輻射的紅外線能量少；保溫效果好的區域，熱量傳遞速度較慢，表面溫度高，對外輻射的紅外線能量多，保溫層狀況的差異性形成罐壁表面溫度分布的差異。檢測過程中，先確定儲罐表面的輻射率(可參考常見材料輻射率或現場檢測實際輻射率)，然后根據現場相對濕度、大氣濕度確定儲罐與紅外熱像儀的距離，拍攝儲罐罐壁表面的紅外輻射能量，顯示出其溫度分布狀況，形成罐壁表面的具有溫度分布信息的紅外熱圖像照片【8-9】。通過分析紅外熱圖像照片，判斷和評估儲罐罐壁內部的保溫層狀況。

3.2 紅外成像檢測原理

紅外熱成像是利用目標與周圍環境之間由于溫度與發射率的差異所產生的熱對比度不同的原理，把紅外輻射能量密度分布圖顯示出來，成為“熱圖像”【10-11】。高于絕對零度的物體都會產生熱輻射，其輻射強度與物體材料的種類、形貌、溫度等特征有關。紅外熱成像檢測就是利用物體的輻射特性來測量物體表面的溫度場，通過紅外探測器測量物體熱量的變化， 并通過圖像處理技術將其轉換為可見光的圖像，在顯示器上顯示出各點的溫度。

圖2 儲罐紅外檢測機理

3.3 LNG儲罐外壁紅外檢測

3.3.1監測過程步驟

LNG儲罐紅外熱成像主要測試步驟如下：1)現場環境踏勘，確定最合適拍攝紅外照片位置；2)在選定的位置點進行紅外拍攝，并對監測點進行定位(如圖3所示)；3)選擇適當時間，在儲罐高高液位或低低液位時對儲罐外壁表面進行全面紅外熱監測；4)對需要紅外拍攝勘察的罐壁外立面進行目視檢測和紅外檢測；5)借助與高精度紅外成像儀配套的成像分析軟件進行分析；6)結合儲罐實際運行監測情況進行對比分析，編制最終檢測報告。

圖3 現場檢測示意

3.3.2評估等級劃分

為識別儲罐罐壁不同的保溫狀態，根據紅外熱圖像分析結果，對成像結果進行等級評估和分類。評估等級是根據所拍攝區域的紅外熱圖像溫度分布的差異程度、溫度差異區域面積的大小和形狀及檢測人員的經驗等判斷后劃定的。具體分級見表1。

表1 紅外線成像評估等級

3.4 紅外線監測儀器選擇

珠海LNG接收站的儲罐紅外熱成像監測工作，選用FLIR公司T640型高精度紅外熱成像儀現場拍攝紅外熱圖像，其主要技術指標包括：紅外分辨率640×480像素，熱靈敏度<0.03 ℃@+30 ℃，波長范圍7.5～14.0 μm，探測器像元間距17 μm；可見光相機500萬像素，測溫范圍-40～150 ℃，測溫精度為0.02 ℃。為了便于確認紅外溫度異常的位置，拍攝紅外掃描照片的同時拍攝了可見光數碼照片。每幅紅外掃描照片均與可見光數碼照片一一對應，有利于對檢測位置進行定位分析及判斷。

3.5 其他說明

1) 紅外熱成像儀檢測受日光照射、環境溫度、環境濕度、材料表面輻射率以及檢測距離等的影響，具體溫度值可能與實際存在偏差。由于日光對紅外檢測影響較大，因此應在無日照或背光條件下對被測對象進行成像檢測。如果條件允許，盡量在夜間檢測以提高檢測準確度。

2) 儲罐紅外成像評估分析，主要是根據其成像情況，顯示其區域內的最高、最低、平均溫度點，并對局部缺陷位置進行溫度顯示，結合儲罐在運行過程中的操作現象進行評估。

3) 儲罐紅外成像評估是對LNG儲罐持續監測的過程，對儲罐完整性管理具有非常重要的參考意義。

4) 熱成像設備在檢測時，若采用仰角拍照，則上下邊到成像儀距離不同，會對測溫精確度有一定影響。一般是取上下邊到成像儀距離的中間數作為拍照的設置距離，以減少對檢測效果影響。

4 紅外熱成像檢測實施

珠海LNG接收站2014～2018年，每年均開展1次儲罐熱成像檢測，以判斷、確定儲罐保溫狀態，對儲罐完整性管理具有積極意義，取得較好結果。根據實際情況，每次檢測生成紅外圖像約60張，受儲罐周邊管廊架、鋼結構的影響，各個儲罐的取景角度略有不同，完成整個儲罐外表面成像所需的紅外圖像總數有所差別。同地點檢測儲罐保冷及珍珠巖填充修復后情況如圖4所示。

圖4 同地點檢測儲罐保冷及珍珠巖填充修復后情況示意

2018年5月開展的紅外熱成像檢測所拍攝的55張圖像中，50張屬于A類評估等級，即：目視外觀良好，紅外成像無明顯低溫區。成像結果表明：儲罐A、 B、 C罐壁保溫層狀態良好。受檢測當日環境溫度和日照影響，罐壁表面平均溫度30 ℃，未發現明顯的局部低溫區域。與檢測期間中控室DCS儲罐夾層溫度進行對照，顯示二者趨勢一致。

紅外熱圖像中，有5張屬于B類評估等級，即：外觀存在缺陷，紅外成像無明顯低溫區，具體包括A12、B08、C04、C06和C18。具體原因是由于儲罐A、C外壁存在漆層局部脫落和銹跡，成像過程中反光和成像質量問題導致的，實際并不存在實體質量問題。圖像檢測與實物對比情況見圖5。

圖5 2018年珠海LNG儲罐紅外熱圖像檢測與實物對比情況

5 結語

1) 紅外熱成像技術可以用于儲罐保溫層情況監測，對儲罐在線監測具有較大的意義；

2) 紅外熱成像技術是完整性管理的重要手段之一，為其它接收站LNG儲罐開展完整性管理提供了較好的管理思路；

3) 紅外熱成像技術在LNG儲罐工程建設中，尤其是在關鍵作業——珍珠巖在線填充過程中具有重要技術指導意義；

4) 紅外熱成像技術可對儲罐預冷、保冷效果進行整體評估，確認儲罐建設的質量狀態和保冷狀態，為儲罐安全平穩運行提供技術保障，對儲罐運行質量分析具有一定參考意義。