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.中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

自2006年國內第一座接收站——廣東大鵬LNG接收站建成投產以來，LNG產業快速蓬勃發展，截至2020年底國內已建成投產22座LNG接收站，成為國內儲氣調峰體系的重要組成部分。接收站投入使用后，依據TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》，站內壓力管道應實施定期全面檢驗，以檢測站內設備運營期可能產生的缺陷并修復，保障設施安全運行。全面檢驗有兩種途徑：一是實施停機檢驗，依托傳統無損檢測技術，通常需與設備表面耦合接觸；二是實施基于風險的檢驗，根據風險理論實施差別化、有針對性的檢驗，無需停機，無需耦合，在線狀態下即可實施檢驗。從國外經驗和國內政策導向來看，LNG接收站將繼續向著擴容擴建、產業集群的方向發展。在安全第一的前提下，監管部門對LNG接收站的安全生產監管將愈加嚴格，進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/槽船裝船等系統組成［1］。除高壓外輸和海水系統外，主工藝系統幾乎均在深冷工況下服役，站內管道材質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。因擔負區域能源調峰保供的社會生活和外部保冷層的職責［4］，實施傳統停機檢驗導致天然氣斷供將對社會生活和經濟發展產生巨大影響，因此如何實施和提高在線檢驗的科學性、合規性顯得尤為重要。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風險分析—CFD數值模擬—在線檢測”的LNG管道不停機在線檢驗技術方案，在LNG接收站運行維護中具有良好的應用前景。

1 卸船系統工藝流程概述

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

圖1 卸船系統工藝流程示意

表1 LNG接收站卸料管線主要參數

2 RBI風險分析

2.1 RBI技術發展概述

RBI引入國內并成功在乙烯裝置和催化裂化裝置中應用。在消化吸收基礎上目前國內已建立起以TSG文件為基礎，以GB/T 30579《承壓設備損傷模式識別》和GB/T 26610《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則》為核心的RBI標準體系，并開發了擁有自主知識產權的RBI評估軟件［6］?；诓煌b置介質、工藝流程、損傷機理及檢測手段等的差異，GB/T 26610進一步細化了適用于某裝置的檢驗細則，目前已發布GB/T 33578.1《成套裝置基于風險的檢驗細則 第1部分 乙烯裝置》、GB/T 33578.2《成套裝置基于風險的檢驗細則 第2部分 催化裂化裝置》等。對于LNG接收站，RBI技術已廣泛應用于站內閥門、裝卸區、儲罐和接收等單元［7-10］，成功用于延長站內管道的檢驗周期［11-12］，在接收站的運行維護中發揮出重要作用，為推進不停機在線檢驗奠定了較好的基礎。

2.2 卸料管線RBI風險分析

以某LNG接收站卸料管線作為目標研究對象，主要工藝參數如表2所示。

表2 某LNG接收站卸料管線工藝參數

卸料管線長期在深冷工況下服役，制造、安裝階段需按相關規范、標準對其對接焊縫、接管角焊縫及返修部位進行100%的射線、超聲及表面無損檢測并經監督檢驗合格后方可投入運行。因此，服役后的卸料管線制造、安裝質量符合相關規范、標準要求，即使存在標準允許范圍內的原始焊接缺陷，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，服役階段發生低溫脆斷的可能性也微乎其微。從風險控制的角度分析，卸料管線運行期間的風險主要由使用過程中的腐蝕、機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，卸料管線材質為奧氏體不銹鋼，因此存在大氣腐蝕及外部氯化物應力腐蝕開裂的可能?？紤]到卸料管線工作介質為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，也不會有液態水的存在，不會形成氯化物水溶液環境，故卸料管線發生大氣腐蝕和外部氯化物應力腐蝕的可能性微乎其微。因此從損傷機理上分析，引起卸料管線失效的主要原因為內部介質的沖刷。

由于LNG存在低溫凍傷危險性及爆炸火災危險性等，屬易燃易爆的危險化學品，如果發生泄漏，將造成較為嚴重的后果。對表1中各LNG接收站卸料管線開展RBI風險分析的結果見圖2。歷史分析經驗數據顯示，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，風險等級主要由失效后果主導。

圖2 卸料管線RBI風險分析結果

3 卸料管線CFD模擬分析

CFD模擬技術廣泛應用于管道主要沖蝕部位的預測［13-16］。目標卸料管線采用全結構化網格（六面體），截面采用“O”型劃分。經網格無關性分析后最佳網格計算量為395萬個，最大長寬比為31，其中彎管和T型管進行局部密集化處理，如圖3所示。根據表1實際工況確定卸料管線的模擬參數（見表3），進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 卸料管線管道構體及網格劃分示意

表3 卸料管線CFD數值模擬參數

根據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，分析了卸料管線內沖刷規律（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，如彎頭內彎處，說明內彎處易受流體剪切作用，然而流體流速都過低（未達臨界流速，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）比內彎壓力大，但由于動量小，沖擊強度較弱，對壁面影響也較小。三通附近由于流場轉變過快，流動未穩定就進行下一個突變，導致三通兩出口附近出現明顯的局部螺旋流，流體易沖刷位置會隨流動方向發生變化。因此，正常工況下，卸料管線受內部介質沖刷導致的管壁金屬損失量較小。

圖4 目標卸料管線CFD模擬結果示意

考慮到長周期服役過程中的損傷累積，為盡可能準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，以指導日常維護過程中的監檢測，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，顆粒進口速度為4.96 m/s，總質量流率為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，表達式如下：

式中，mp為顆粒質量流率；f（α）為碰撞角α的函數，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，為2.4；C（DP）是顆粒直徑函數，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，且流體流經彎頭處，流動方向發生改變，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 目標卸料管線CFD模擬結果示意

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，在交接處產生湍流，且由于交接處右側管線長度較短，流場不穩定，湍動較強，因此在三通管交接處右側沖刷速率相對較大。由圖5（c）可知，由于流動不穩定，局部出現了旋轉流，旋轉流中攜帶的顆粒對壁面再次產生沖擊，因此流場發生突變的部位，可能存在更加明顯的金屬損失，應重點關注。

4 在線檢測技術實施

根據RBI風險分析及CFD數值模擬結果，對目標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量優良，不存在異常跑冷現象。如果后期運行中發現異常跑冷現象，則應對該部位進行重點檢測。

圖6 卸料管線紅外熱成像檢測結果

采用瞬變電磁檢測技術對CFD模擬中易沖刷部位的彎頭和三通進行壁厚測定，卸料管線易沖刷部位測定結果見表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，但彎頭和三通的減薄率均未超過10%。考慮到壁厚負偏差的影響，卸料管線受內部介質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果

由于現場和技術局限，本次瞬變電磁檢測結果是依據公稱壁厚修正的，故實際管線壁厚可能由于各種原因和設計公稱壁厚存在一定偏差。因此，實際檢測數據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。對此，可以加大檢測頻率或下次檢驗時以上一次檢測結果為基準，對檢測數據進行再修正，通過多次檢測，提高檢測的準確度。

5 結論與建議

（1）風險評估結果表明，由于卸料管線服役工況苛刻，制造、安裝階段施工質量要求嚴格，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，風險等級主要由失效后果主導，日常管理維護中應加強巡檢，注意及時修復保冷絕熱層破損部位。

（2）CFD數值模擬可以清晰地模擬出管線的易沖刷部位，可以用于指導管線檢驗工作。CFD模擬結果表明，卸料管線易沖刷部位主要集中在彎頭外側及三通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，日常監檢測中可重點對這些部位的壁厚進行測定并對檢測數據進行合理修正。

（3）將CFD數值模擬與RBI風險分析及先進在線檢測技術耦合實施不停機在線檢驗具有現實意義。以卸料管線為案例的研究結果表明：“RBI風險分析—CFD模擬—在線檢測”的在線檢驗技術方案為LNG管道提供了一種可實施、可靠的檢驗，解決了大部分LNG管道需不停機檢驗的問題，實現了LNG管道的合法、合規、經濟運營，具有良好的推廣應用前景。

（4）為提升LNG管道的完整性管理程度，使得后續檢驗具有詳細的歷史數據參照，建議在安裝階段采集站內LNG管道各管件壁厚等原始數據，并考慮在LNG管道安裝規范中進行明確規定。