液化天然气汽车加注装置检验与评价

刘再斌，石 坤，管 坚，张 磊

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引 言

中国是《巴黎协定》的缔约国之一，对国际社会承诺共同应对全球气候变化，其中交通领域是减少温室效应气体排放的重要力量之一。随着能源领域结构优化和交通领域节能减排等政策出台，我国天然气汽车保有量保持了较为稳定的增长，年均增幅10%左右，天然气汽车加气站保持了同样的增长速度[1]。根据存储天然气的不同形态，可将天然气汽车(NGV)分为压缩天然气(CNG)汽车和液化天然气(LNG)汽车[2]，相应的加气站也分为CNG加气站和LNG加气站，2019年我国LNG加气站数量达到3900座。燃油汽车尾气排放标准愈加严格，新能源汽车仍需要时间完成产业化布局和技术发展，因此经济性好、技术成熟、成本较低的天然气汽车具有良好的发展前景，配套加气站数量也必将保持相应增长。

1 LNG加气站特种设备

以LNG为气源进行建设的汽车加气站，依据最终加注天然气状态可分为LNG加气站、L/CNG加气站和L-CNG加气站3类，表1为LNG、L/CNG和L-CNG加气站基本情况比较表。如最终加注状态为CNG，则需将存储的LNG进行增压、气化和存储等操作，并增加相应的设备。

LNG汽车加注装置除了表1中的主要设备，为了实现卸车、调压和加气等工艺流程[3]，还需要低温管道、自动控制系统、仪表风系统等过程控制系统；为了保障装置安全运行，还需要有可燃气体检测报警系统、紧急切断系统、安全泄放装置等安全防护系统。

表1 LNG、L/CNG和L-CNG加气站基本情况比较表Table 1 Comparison of basic conditions of LNG,L/CNG and L-CNG filling stations

按照《中华人民共和国特种设备安全法》要求，加注装置中的LNG储罐、泵池等压力容器，容器间连接的压力管道以及其他特种设备应当按照安全技术规范的要求，进行定期检验，未经定期检验或者检验不合格的特种设备不得继续使用。

2 检验与评价

本论文研究的检验与评价只针对加注装置中允许使用介质为LNG的压力容器和压力管道，以及附属的安全防护系统，不包括L/CNG和L-CNG加注装置中使用介质为CNG的部分设备。

2.1 方案制定

首先，对LNG汽车加注装置进行风险评估，结合失效分析，制定检验策略；其次，根据在线检验要求和设备结构特点，选择无损检测方法；最后，结合动态模拟和静态测量，对系统气体损耗进行评价。

2.2 检验策略

LNG汽车加注装置的设备数量较少，类型单一，难以根据风险进行区分，因此基于风险的检验(RBI)技术并不适用于LNG汽车加注装置。GB/T 30579—2014《承压设备损伤模式识别》标准中将损伤模式分为腐蚀减薄、环境开裂、材质劣化、机械损伤和其他损伤，但不适用于承压设备密封失效、安全联锁装置失效、压力泄放装置失效。因此对于LNG加注装置检验策略，目前尚缺乏有针对性的标准方法。

HAZOP分析既可用于连续生产过程，又可用于间歇生产过程。LNG加注装置的工艺流程可分为槽车卸车流程、LNG储存流程和LNG汽车加注流程，为典型的间歇生产过程，不同的工艺流程中存在不同的偏离，而所有流程中均需要考虑LNG介质的燃烧特性、低温特性和快速相态转变特性等危害性。采用定性风险评估[4-6]结合危险与可操作性分析(HAZOP)[7-9]方法，主要考虑介质危害性与使用过程中设备性能下降共同作用造成的安全隐患进行检验检测，制定LNG汽车加注装置检验策略。表2为LNG汽车加注装置检验策略(部分)。由表2可知，LNG汽车加注装置生产和安全事故是由设备及其安全防护系统共同作用的，因此检验中不能忽视安全防护系统的检查与测试。

表2 LNG汽车加注装置检验策略Table 2 Inspection strategy of LNG vehicle filling device

2.3 检测方法

2.3.1红外热成像检测

红外热成像(infrared thermography，IT)无损检测技术是一种基于红外线辐射原理，通过扫描被检测工件表面温度变化，实现对被检测工件的表面缺陷、内部缺陷、结构损伤进行分析的方法[13]。经使用验证，配合广角和长焦镜头的红外热成像仪适用于LNG容器和管道外表面温度测量，可以迅速探测出局部保冷性能下降和LNG泄漏位置，结合局部漏热量评价容器或管道整体保冷性能。

2.3.2接管角焊缝电磁检测

异种钢角焊缝结构型式常用于锅炉、压力容器接管焊接，LNG储罐根据设计不同，一般有4～6个该结构，其特点是外壳与接管材料不同，一般外壳为碳素钢而接管为不锈钢，焊接接头为角接，焊缝为角焊缝，焊接难度较大，在使用过程中接管频繁进出低温介质，角焊缝承受冲击、压力、温度多种载荷交互作用，且该结构位于內罐和接管第一道阀门之间，即如果该结构开裂，没有任何措施阻止LNG的泄漏。

该结构角焊缝距离外壳封头较近，无法进行射线检测；不锈钢接管壁厚一般为4～5 mm，无法进行磁粉检测，超声波检测难度大；在检验中，管路表面温度低于0℃，渗透检测难度较大；另外，定期检验中该位置焊缝外表面防锈漆不易去除。综上，优选交变电磁场检测(Alternating current field measurement，ACFM)[14-15]方法对异种钢接管角焊缝表面和近表面缺陷进行检测。

2.3.3双层管内管焊缝DR检测

LNG汽车加注装置中的双层管一般分两种，真空管道和保冷管道，区别在于前者在内管和外管之间填充的保冷材料和夹层是否进行抽真空处理。LNG汽车加注装置进行定期检验时，往往难以做到对管道进行清空、置换、拆除保护层和保冷层等处理，当然从保护设备角度考虑也不建议破坏完好的保冷结构，因此双层管在带有保冷结构和内部介质的情况下进行内管焊缝缺陷的检测，只有X射线数字成像[16～17]检测具备技术条件，在液氨冷库保冷管道上的应用也证明了技术可行性，相比液氨管道，LNG保冷管道所需保冷层厚度更大，成像板与内管之间的距离更大，对于提离导致的图像畸变和缺陷识别，还需要进一步明确。

2.4 气损评价

从LNG加气站运营的角度，气损与经济效益紧密相连，通过集中放散排放入大气的蒸发气(BOG)同时造成环境污染和安全隐患，分析导致气损的其他原因[18-24]，对加强加气站运营管理也有帮助。气损产生的原因分析如表3所示。

表3 LNG汽车加注装置气体损耗分析Table 3 Analysis of gas loss of LNG vehicle filling device

如表3所示，产生气损的原因一般包括设备和工艺两类，LNG汽车加注装置的相关标准要求BOG必须集中放散，因此设计将所有位置产生的BOG通过回气管线返回LNG储罐，通过LNG储罐的安全阀和放空阀实现集中放散，不清楚气损影响因素及其权重则无法制定有针对性的控制气损的措施[25～29]。

气体损耗评价的工作流程为：确定评价范围、确定操作条件、确定所需数据、制定测试计划、数据采集、数据核查分析、出具评价报告。评价数据采集应注意有多个数据来源时，与装置运行状况相关的测量数据应尽可能在同一时间进行采集，以确保数据的“匹配性”。

建立加注装置的能量平衡(主要为热量平衡)模型，采用采集到的测试数据进行计算、分析装置的漏热量及其分布。应采用公认的方程、图表和软件计算，报告中应明确所采用的计算方法、假设及依据标准或有关文件。对于被评价的装置，能量平衡应以图表形式反映热量输入、分布、装置内能量的再循环。装置的气体损耗状况可采用量化指标(如系统气体损耗率)进行表述，对由于工艺设计布局、设备保冷效果、操作维护管理等因素造成的气损权重分别进行计算，并分析其原因，给出建议措施。