红外热成像技术在全容LNG储罐建设和完整性管理中的应用

孔令海

(中国海洋石油集团有限公司工程建设部，北京 100010)

自2006年广东大鹏LNG接收站投产以来，国内相继投产了19座LNG接收站，投用16×104m3及以上大型LNG储罐超过40个，另有10个大型储罐即将投用或正在建设中。投产运营之后，储罐均会出现不同程度的保温效果降低的现象。文章介绍了采用红外热成像技术对珠海LNG储罐保冷状态进行监测的情况，为LNG储罐今后的工程建设提供较好的监测管理思路【1】。

1 LNG储罐结构

LNG储罐是接收站储运过程中的重要设备，其结构型式有球罐、单容罐、双容罐、全容罐及膜式罐等。单容罐的外罐由普通碳钢制成，不能承受低温的LNG，总图布置要求有较大的安全距离和作业区域，并需设置防火堤，由于其安全性相对其他形式的储罐低，近年来已很少生产和在接收站使用；双容罐具有耐低温的金属材料或混凝土外罐，内筒发生泄漏时，气体会发生外泄，但液体不会，其安全性较单容罐高，一般不需设置防火堤，但需较大的安全防护距离；全容LNG罐主要由内罐、碳钢内衬、混凝土外罐和顶盖组成，内罐主要起储存LNG作用，外罐主要起气密作用，可使内筒泄漏的LNG及气体不发生外泄，安全防护比较容易实施【2-3】。通常情况下全容LNG储罐操作压力为5.0～25.0 kPa，内罐操作温度约为-160 ℃，材质为9% Ni低温钢，直径80 m，高度35 m，底板厚度5 mm；外罐由钢筋混凝土承台、预应力混凝土墙体、钢筋混凝土罐顶组成，钢筋混凝土承台与预应力混凝土墙体、预应力混凝土墙体与钢筋混凝土罐顶连接处均采用混凝土刚性连接；内、外罐之间夹层(环形空间)的厚度为1.0 m，填充300 mm弹性毡和700 mm膨胀珍珠岩粉末的保冷层， 弹性毡紧贴内罐壁板，具有一定的弹性，用来吸收内罐运行时珍珠岩对内罐的挤压力，膨胀珍珠岩粉末填充至钢筋混凝土穹顶下方，以保证环形空间及悬浮吊顶处的保冷效果【4-6】。LNG储罐保温结构如图1所示。按照设计要求，每座储罐BOG日蒸发率不大于0.05%【7】。

2 全容LNG储罐保冷效果降低原因分析及表象特征

随着运行时间的累积、操作状态的变化，会出现储罐保冷效果降低的情况，其主要原因为：1)储罐珍珠岩自然沉降原因导致；2)储罐压力频繁快速波动导致珍珠岩不断压实；3)液位的波动、内罐的冷缩变形，导致珍珠岩分布不均匀；4)罐内设备启停及卸料引起的震动等导致储罐珍珠岩出现不同程度的不均匀下沉；5)原始填充时珍珠岩未夯实导致储罐运行后出现局部缺失；6)原始填充时珍珠岩干燥程度、发泡质量等不合格导致保冷效果降低；7)罐内弹性毛毡松动脱落等导致储罐保冷效果降低；8)储罐内部出现结构性损坏导致保冷效果降低。储罐保冷效果降低后会出现一些表象特征，如：储罐部分外表面出现不均匀结露；部分区域出现青苔；储罐BOG蒸发量明显增加，出口管道BOG温度升高；储罐内部部分温度监测点出现异常变化等不正常的现象。

图1 LNG储罐保温结构示意

3 红外热成像监测储罐状态技术

3.1 LNG储罐监测机理

LNG储罐内存有约-160 ℃的LNG，外壁与自然环境接触为常温，由于罐壁内外温差巨大，有明显的热传递现象，如果保温层不均匀或存在缺失现象(如图2所示)，会形成罐壁表面热量传递快慢的差异。保温效果差的区域，热量传递速度较快，表面温度低，对外辐射的红外线能量少；保温效果好的区域，热量传递速度较慢，表面温度高，对外辐射的红外线能量多，保温层状况的差异性形成罐壁表面温度分布的差异。检测过程中，先确定储罐表面的辐射率(可参考常见材料辐射率或现场检测实际辐射率)，然后根据现场相对湿度、大气湿度确定储罐与红外热像仪的距离，拍摄储罐罐壁表面的红外辐射能量，显示出其温度分布状况，形成罐壁表面的具有温度分布信息的红外热图像照片【8-9】。通过分析红外热图像照片，判断和评估储罐罐壁内部的保温层状况。

3.2 红外成像检测原理

红外热成像是利用目标与周围环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同的原理，把红外辐射能量密度分布图显示出来，成为“热图像”【10-11】。高于绝对零度的物体都会产生热辐射，其辐射强度与物体材料的种类、形貌、温度等特征有关。红外热成像检测就是利用物体的辐射特性来测量物体表面的温度场，通过红外探测器测量物体热量的变化， 并通过图像处理技术将其转换为可见光的图像，在显示器上显示出各点的温度。

图2 储罐红外检测机理

3.3 LNG储罐外壁红外检测

3.3.1监测过程步骤

LNG储罐红外热成像主要测试步骤如下：1)现场环境踏勘，确定最合适拍摄红外照片位置；2)在选定的位置点进行红外拍摄，并对监测点进行定位(如图3所示)；3)选择适当时间，在储罐高高液位或低低液位时对储罐外壁表面进行全面红外热监测；4)对需要红外拍摄勘察的罐壁外立面进行目视检测和红外检测；5)借助与高精度红外成像仪配套的成像分析软件进行分析；6)结合储罐实际运行监测情况进行对比分析，编制最终检测报告。

图3 现场检测示意

3.3.2评估等级划分

为识别储罐罐壁不同的保温状态，根据红外热图像分析结果，对成像结果进行等级评估和分类。评估等级是根据所拍摄区域的红外热图像温度分布的差异程度、温度差异区域面积的大小和形状及检测人员的经验等判断后划定的。具体分级见表1。

表1 红外线成像评估等级

3.4 红外线监测仪器选择

珠海LNG接收站的储罐红外热成像监测工作，选用FLIR公司T640型高精度红外热成像仪现场拍摄红外热图像，其主要技术指标包括：红外分辨率640×480像素，热灵敏度<0.03 ℃@+30 ℃，波长范围7.5～14.0 μm，探测器像元间距17 μm；可见光相机500万像素，测温范围-40～150 ℃，测温精度为0.02 ℃。为了便于确认红外温度异常的位置，拍摄红外扫描照片的同时拍摄了可见光数码照片。每幅红外扫描照片均与可见光数码照片一一对应，有利于对检测位置进行定位分析及判断。

3.5 其他说明

1) 红外热成像仪检测受日光照射、环境温度、环境湿度、材料表面辐射率以及检测距离等的影响，具体温度值可能与实际存在偏差。由于日光对红外检测影响较大，因此应在无日照或背光条件下对被测对象进行成像检测。如果条件允许，尽量在夜间检测以提高检测准确度。

2) 储罐红外成像评估分析，主要是根据其成像情况，显示其区域内的最高、最低、平均温度点，并对局部缺陷位置进行温度显示，结合储罐在运行过程中的操作现象进行评估。

3) 储罐红外成像评估是对LNG储罐持续监测的过程，对储罐完整性管理具有非常重要的参考意义。

4) 热成像设备在检测时，若采用仰角拍照，则上下边到成像仪距离不同，会对测温精确度有一定影响。一般是取上下边到成像仪距离的中间数作为拍照的设置距离，以减少对检测效果影响。

4 红外热成像检测实施

珠海LNG接收站2014～2018年，每年均开展1次储罐热成像检测，以判断、确定储罐保温状态，对储罐完整性管理具有积极意义，取得较好结果。根据实际情况，每次检测生成红外图像约60张，受储罐周边管廊架、钢结构的影响，各个储罐的取景角度略有不同，完成整个储罐外表面成像所需的红外图像总数有所差别。同地点检测储罐保冷及珍珠岩填充修复后情况如图4所示。

图4 同地点检测储罐保冷及珍珠岩填充修复后情况示意

2018年5月开展的红外热成像检测所拍摄的55张图像中，50张属于A类评估等级，即：目视外观良好，红外成像无明显低温区。成像结果表明：储罐A、 B、 C罐壁保温层状态良好。受检测当日环境温度和日照影响，罐壁表面平均温度30 ℃，未发现明显的局部低温区域。与检测期间中控室DCS储罐夹层温度进行对照，显示二者趋势一致。

红外热图像中，有5张属于B类评估等级，即：外观存在缺陷，红外成像无明显低温区，具体包括A12、B08、C04、C06和C18。具体原因是由于储罐A、C外壁存在漆层局部脱落和锈迹，成像过程中反光和成像质量问题导致的，实际并不存在实体质量问题。图像检测与实物对比情况见图5。

图5 2018年珠海LNG储罐红外热图像检测与实物对比情况

5 结语

1) 红外热成像技术可以用于储罐保温层情况监测，对储罐在线监测具有较大的意义；

2) 红外热成像技术是完整性管理的重要手段之一，为其它接收站LNG储罐开展完整性管理提供了较好的管理思路；

3) 红外热成像技术在LNG储罐工程建设中，尤其是在关键作业——珍珠岩在线填充过程中具有重要技术指导意义；

4) 红外热成像技术可对储罐预冷、保冷效果进行整体评估，确认储罐建设的质量状态和保冷状态，为储罐安全平稳运行提供技术保障，对储罐运行质量分析具有一定参考意义。