液化天然氣汽車加注裝置檢驗與評價

劉再斌，石 坤，管 堅，張 磊

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

中國是《巴黎協定》的締約國之一，對國際社會承諾共同應對全球氣候變化，其中交通領域是減少溫室效應氣體排放的重要力量之一。隨著能源領域結構優化和交通領域節能減排等政策出臺，我國天然氣汽車保有量保持了較為穩定的增長，年均增幅10%左右，天然氣汽車加氣站保持了同樣的增長速度[1]。根據存儲天然氣的不同形態，可將天然氣汽車(NGV)分為壓縮天然氣(CNG)汽車和液化天然氣(LNG)汽車[2]，相應的加氣站也分為CNG加氣站和LNG加氣站，2019年我國LNG加氣站數量達到3900座。燃油汽車尾氣排放標準愈加嚴格，新能源汽車仍需要時間完成產業化布局和技術發展，因此經濟性好、技術成熟、成本較低的天然氣汽車具有良好的發展前景，配套加氣站數量也必將保持相應增長。

1 LNG加氣站特種設備

以LNG為氣源進行建設的汽車加氣站，依據最終加注天然氣狀態可分為LNG加氣站、L/CNG加氣站和L-CNG加氣站3類，表1為LNG、L/CNG和L-CNG加氣站基本情況比較表。如最終加注狀態為CNG，則需將存儲的LNG進行增壓、氣化和存儲等操作，并增加相應的設備。

LNG汽車加注裝置除了表1中的主要設備，為了實現卸車、調壓和加氣等工藝流程[3]，還需要低溫管道、自動控制系統、儀表風系統等過程控制系統；為了保障裝置安全運行，還需要有可燃氣體檢測報警系統、緊急切斷系統、安全泄放裝置等安全防護系統。

表1 LNG、L/CNG和L-CNG加氣站基本情況比較表Table 1 Comparison of basic conditions of LNG,L/CNG and L-CNG filling stations

按照《中華人民共和國特種設備安全法》要求，加注裝置中的LNG儲罐、泵池等壓力容器，容器間連接的壓力管道以及其他特種設備應當按照安全技術規范的要求，進行定期檢驗，未經定期檢驗或者檢驗不合格的特種設備不得繼續使用。

2 檢驗與評價

本論文研究的檢驗與評價只針對加注裝置中允許使用介質為LNG的壓力容器和壓力管道，以及附屬的安全防護系統，不包括L/CNG和L-CNG加注裝置中使用介質為CNG的部分設備。

2.1 方案制定

首先，對LNG汽車加注裝置進行風險評估，結合失效分析，制定檢驗策略；其次，根據在線檢驗要求和設備結構特點，選擇無損檢測方法；最后，結合動態模擬和靜態測量，對系統氣體損耗進行評價。

2.2 檢驗策略

LNG汽車加注裝置的設備數量較少，類型單一，難以根據風險進行區分，因此基于風險的檢驗(RBI)技術并不適用于LNG汽車加注裝置。GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》標準中將損傷模式分為腐蝕減薄、環境開裂、材質劣化、機械損傷和其他損傷，但不適用于承壓設備密封失效、安全聯鎖裝置失效、壓力泄放裝置失效。因此對于LNG加注裝置檢驗策略，目前尚缺乏有針對性的標準方法。

HAZOP分析既可用于連續生產過程，又可用于間歇生產過程。LNG加注裝置的工藝流程可分為槽車卸車流程、LNG儲存流程和LNG汽車加注流程，為典型的間歇生產過程，不同的工藝流程中存在不同的偏離，而所有流程中均需要考慮LNG介質的燃燒特性、低溫特性和快速相態轉變特性等危害性。采用定性風險評估[4-6]結合危險與可操作性分析(HAZOP)[7-9]方法，主要考慮介質危害性與使用過程中設備性能下降共同作用造成的安全隱患進行檢驗檢測，制定LNG汽車加注裝置檢驗策略。表2為LNG汽車加注裝置檢驗策略(部分)。由表2可知，LNG汽車加注裝置生產和安全事故是由設備及其安全防護系統共同作用的，因此檢驗中不能忽視安全防護系統的檢查與測試。

表2 LNG汽車加注裝置檢驗策略Table 2 Inspection strategy of LNG vehicle filling device

2.3 檢測方法

2.3.1紅外熱成像檢測

紅外熱成像(infrared thermography，IT)無損檢測技術是一種基于紅外線輻射原理，通過掃描被檢測工件表面溫度變化，實現對被檢測工件的表面缺陷、內部缺陷、結構損傷進行分析的方法[13]。經使用驗證，配合廣角和長焦鏡頭的紅外熱成像儀適用于LNG容器和管道外表面溫度測量，可以迅速探測出局部保冷性能下降和LNG泄漏位置，結合局部漏熱量評價容器或管道整體保冷性能。

2.3.2接管角焊縫電磁檢測

異種鋼角焊縫結構型式常用于鍋爐、壓力容器接管焊接，LNG儲罐根據設計不同，一般有4～6個該結構，其特點是外殼與接管材料不同，一般外殼為碳素鋼而接管為不銹鋼，焊接接頭為角接，焊縫為角焊縫，焊接難度較大，在使用過程中接管頻繁進出低溫介質，角焊縫承受沖擊、壓力、溫度多種載荷交互作用，且該結構位于內罐和接管第一道閥門之間，即如果該結構開裂，沒有任何措施阻止LNG的泄漏。

該結構角焊縫距離外殼封頭較近，無法進行射線檢測；不銹鋼接管壁厚一般為4～5 mm，無法進行磁粉檢測，超聲波檢測難度大；在檢驗中，管路表面溫度低于0℃，滲透檢測難度較大；另外，定期檢驗中該位置焊縫外表面防銹漆不易去除。綜上，優選交變電磁場檢測(Alternating current field measurement，ACFM)[14-15]方法對異種鋼接管角焊縫表面和近表面缺陷進行檢測。

2.3.3雙層管內管焊縫DR檢測

LNG汽車加注裝置中的雙層管一般分兩種，真空管道和保冷管道，區別在于前者在內管和外管之間填充的保冷材料和夾層是否進行抽真空處理。LNG汽車加注裝置進行定期檢驗時，往往難以做到對管道進行清空、置換、拆除保護層和保冷層等處理，當然從保護設備角度考慮也不建議破壞完好的保冷結構，因此雙層管在帶有保冷結構和內部介質的情況下進行內管焊縫缺陷的檢測，只有X射線數字成像[16～17]檢測具備技術條件，在液氨冷庫保冷管道上的應用也證明了技術可行性，相比液氨管道，LNG保冷管道所需保冷層厚度更大，成像板與內管之間的距離更大，對于提離導致的圖像畸變和缺陷識別，還需要進一步明確。

2.4 氣損評價

從LNG加氣站運營的角度，氣損與經濟效益緊密相連，通過集中放散排放入大氣的蒸發氣(BOG)同時造成環境污染和安全隱患，分析導致氣損的其他原因[18-24]，對加強加氣站運營管理也有幫助。氣損產生的原因分析如表3所示。

表3 LNG汽車加注裝置氣體損耗分析Table 3 Analysis of gas loss of LNG vehicle filling device

如表3所示，產生氣損的原因一般包括設備和工藝兩類，LNG汽車加注裝置的相關標準要求BOG必須集中放散，因此設計將所有位置產生的BOG通過回氣管線返回LNG儲罐，通過LNG儲罐的安全閥和放空閥實現集中放散，不清楚氣損影響因素及其權重則無法制定有針對性的控制氣損的措施[25～29]。

氣體損耗評價的工作流程為：確定評價范圍、確定操作條件、確定所需數據、制定測試計劃、數據采集、數據核查分析、出具評價報告。評價數據采集應注意有多個數據來源時，與裝置運行狀況相關的測量數據應盡可能在同一時間進行采集，以確保數據的“匹配性”。

建立加注裝置的能量平衡(主要為熱量平衡)模型，采用采集到的測試數據進行計算、分析裝置的漏熱量及其分布。應采用公認的方程、圖表和軟件計算，報告中應明確所采用的計算方法、假設及依據標準或有關文件。對于被評價的裝置，能量平衡應以圖表形式反映熱量輸入、分布、裝置內能量的再循環。裝置的氣體損耗狀況可采用量化指標(如系統氣體損耗率)進行表述，對由于工藝設計布局、設備保冷效果、操作維護管理等因素造成的氣損權重分別進行計算，并分析其原因，給出建議措施。