不拆保冷层的LNG管道最小剩余壁厚预测

孙玉江, 刘海超, 孟 强, 苑世宁

(中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津 300457)

LNG管道多采用304或316不锈钢材料制造，在管道制造、运输、生产以及运营过程中，易受到海边盐雾中氯化物等的影响，不锈钢外表面的富铬氧化物保护膜会遭到侵蚀，而且LNG介质在管道内的输送过程中可能会对管道弯头造成冲蚀，引发管道孔蚀和应力腐蚀[1]，进而导致火灾、爆炸等严重事故[2]。管道完整性管理[3]以及特种设备安全技术规范中要求定期检测管道的剩余壁厚，以便于进行定量分析与评估[4]。由于生产和生活的需要，LNG管道一般不允许停产，而且拆除LNG管道外保冷层会导致管道内LNG温度急剧上升，管道压力突然增大，进而引发LNG储罐的“间歇泉”事故[5]。因此，只可采取在线检测LNG管道壁厚的方法，而常规的接触式检测方法不适用于LNG管道的检测[6]。

根据国际原子能机构官方资料，切向射线照相法可以在不拆除保温层的情况下检测LNG管道，相对于传统的X射线照相法，可以提高检测作业过程中的安全性、工作效率和检测精度。因此，笔者基于切向照相法，研究了一种切向射线扫描检测方案，并开发了相应的检测装置，实现了在带保冷层情况下的LNG管道剩余壁厚检测。

由于该方法仅适用于单点检测，难以覆盖整个LNG管道，按照管道完整性管理的要求，需要获取整条管道最薄点的剩余壁厚。根据前期研究成果可知[7-10]，油气管道局部腐蚀的最大腐蚀点深度符合Gumbel分布，因此，笔者结合Gumbel极值分布原理，对某条在役LNG管道进行了检测试验，预测整条LNG管道的最小剩余壁厚。

1 切向射线扫描检测技术基本原理

1.1 检测基本原理

切向射线扫描检测技术原理遵循射线检测方法的基本规律，即缺陷区域材料与管道材料的射线吸收率不同，导致射线在穿过缺陷时强度会发生突变。根据射线的这种特性，可利用切向射线扫描检测LNG管道剩余壁厚及分区，检测原理如图1所示。

图1 切向射线扫描检测技术原理示意

图1(a)中，由伽马射线源、探测器和控制机构模拟切向射线扫描检测样机，假设其对一段LNG管道进行检测，该管道由铝皮、保冷层、管道组成且厚度均匀。P1，P8分别为铝皮外壁的两端点；P2，P7分别为铝皮内壁和保冷层外壁接触的两端点；P3，P6分别为保冷层内壁和管道外壁接触的上、下两个端点；P4，P5分别为管道内壁上、下两端点；D为管道的直径分割线。检测装置内射线源发出的射线经过准直器准直后由步进电机与晶体探测器同步，在LNG管道外侧沿扫描方向扫描LNG管道，晶体探测器接收到的射线信息经数据处理后以计数的形式表征射线强度的变化。检测时，如图1(a)所示，在扫描至P1，P2之间时，沿扫描方向铝皮的切向厚度会逐渐增加，此时探测器接收到的射线强度也应逐渐减小。保冷层多为高分子聚合材料，通常情况下，这种材料的射线吸收率要低于金属的，因此，在P2点时，射线经过的铝厚度最大，探测器接收到的射线强度最低，对应图1(b)中的2点；随后P2，P3之间射线强度会逐渐增加，至P3点达到最高，对应图1(b)中的3点。由于LNG管道使用的是316L不锈钢材料，同理可知，在扫描P3-P4段时，穿过LNG管道的射线强度会逐渐降低，到P4点时，接收到的射线强度最低，对应图1(b)中的4。空气的射线吸收系数远低于LNG管道的射线吸收系数，因此，在P4，D之间，穿过管道的射线强度逐渐增加。当检测至D线后，管道下半部分的检测数据规律与上半部分相反。根据上述分析可知，12或78对应的是保冷层外铝皮的厚度，23或67对应的是保冷层的厚度，34或56对应的是管道的剩余壁厚。

检测过程中，需要注意射线源是否可以穿透管道切向方向的最大壁厚，裸管切向方向最大壁厚如图2所示(图中Lmax为管道切向方向最大壁厚；W为壁厚；D为管道直径)。管道切向方向最大壁厚的计算公式可表示为

图2 裸管切向方向最大壁厚示意

(1)

1.2 基于Gumbel极值分布的管道最小剩余壁厚预测方法

根据经验可知，管道腐蚀后的位置可以参考泊松分布，管道的最小剩余壁厚满足Gumbel极值分布规律，其表达式为

(2)

式中：F1(y)为最小剩余壁厚不超过x的概率；x为最小剩余壁厚的随机变量，x∈(0，∞)；λ为统计参量，其取值范围为-∞到+∞；α为统计变量，表示管道剩余壁厚的平均值；y为变量代换,y=(x-λ)/α。

假设将管道分为M个区，每个区检测到了多个剩余壁厚X，该剩余壁厚数据随机抽取至同环境下管道上的最小剩余壁厚，设X={X1,X2,…,XM}，X1,X2,…,XM为M个最小管道剩余壁厚按从大到小排列后的值，则第i个检测数据的统计概率为

F(yi)=i/(M+1),i=1,2,…,M

(3)

将yi代入式(2)中可得到

F1(yi)=exp(-eyi)

(4)

对(4)式两边取两次对数，得到

(5)

此时，对N个测量值Xi与统计概率F1(y)通过最小二乘法数据拟合，可知y与剩余壁厚Xi之间的关系，同时可求得统计参数λ和α[11]。

由于切向射线检测方法难以检测整条LNG管道的剩余壁厚，所以，需要根据M个区域内的剩余壁厚来估算整条LNG管道的剩余壁厚。在估算过程中，需要引入回归周期T，其表达式为

T=L/M

(6)

T与统计概率F1(y)关系为

(7)

将式(7)代入式(5)，可得

y=-ln[-ln(1-1/T)]

(8)

由式(5)可知

x=ay+λ

(9)

此时，可根据式(9)得出整条LNG管道最小剩余壁厚的预估值。

2 LNG管道在线检测试验

2.1 试验目的

为了验证切向扫描检测方法可用于LNG管道的剩余壁厚检测，笔者利用Cs-137放射源进行了室内LNG管道的切向射线检测试验，并对该检测方法能否满足误差小于0.05 mm的要求进行判断。

2.2 试验装置

根据LNG管道检测的需要，设计的LNG管道切向射线检测装置结构如图3所示，仪器由5部分组成：① 射线源机，内含有一枚100 mCi的Cs-137放射源和准直器；② 探测器，由NaI晶体、光电倍增管、分压电路和前置放大器等组成，用于接收射线并转化为计数形式以代表辐射强度；③ 传动机构，主要由步进电机、滚珠丝杠组成，用于控制射线源机和探测器的位置；④ 控制模块，由数据采集器、PLC(可编程逻辑控制器)组成，用于控制传动机构以及探测器数据输出的采集；⑤ 计算机与数据分析软件，主要用于储存数据以及处理检测数据。此外，试验中还用到了千分尺、激光位移传感器等。

图3 LNG管道切向检测装置结构示意

2.3 试验步骤

(1) 检测试验开始前，操作人员必须做好个人防护工作并随身携带个人剂量报警仪，检测过程中，人员应距离检测仪器2 m以上，如遇突发紧急情况，按应急预案执行。

(2)选取一段LNG管道，在管道保冷层外表面标记若干检测点P1，P2，P3,…，使用千分尺测量保冷层的各点厚度D1，D2，D3,…，再测量保冷层与管道的总厚度B1，B2，B3,…，则各点的管道壁厚为B1-D1，B2-D2，B3-D3,…。每个点测量5次，取5次测量结果的平均值作为厚度的千分尺测量值。

(3) 将准直后的射线源和探测器与步进电机和传动机构相连，保证射线源和探测器可以同步沿LNG管道P1点切向垂直方向移动(见图3)。设定步进电机移动步长为0.01 mm，每一步停留时间为2 s。

(4) 完成P1点扫描后，继续按照步骤(3)扫描P2、P3,…，完成LNG管道的检测。

(5) 试验完毕，整理装置和管道，将射线源妥善放置。

(6) 保存并对比分析LNG管道的千分尺测量数据和切向射线检测试验数据。

2.4 试验结果

按照试验步骤，对所标记的LNG管道进行检测，LNG管道切向射线检测结果如图4所示。

图4 LNG管道切向射线检测结果

由于保冷层管道的铝皮、保冷层、金属管道和空气的射线吸收系数不同，切向射线扫描至铝皮、保冷层和金属管道时，照射到探测器上的射线强度也不同，使得数据在各层边界处发生突变。图4中，A点表示射线进入铝皮，B点表示射线进入保冷层，C点表示进入管道壁，D点表示退出管道壁。可以明显看出，在B点和D点出现了两个波谷。通过软件分析计算得到该检测点处的管道壁厚为10.11 mm，千分尺测量到的该点处壁厚为10.05 mm。相对于千分尺测量结果，切向射线检测方法的误差为0.06 mm。两种方法的LNG管道壁厚检测数据结果如表1所示。

表1 两种方法的LNG管道壁厚检测数据结果 mm

从表1可以看出，相对于千分尺，切向射线检测方法对LNG管道壁厚的测量平均误差约为0.04 mm，测量误差的方差为0.04 mm，因此，该方法满足误差小于0.05 mm的检测精度需要。

3 应用实例

某条LNG站场管道于2003年建成投产运行，长度为4518.68 m，材料为0Cr18Ni9，管径为159 mm，壁厚为4.5 mm。对管道进行切向射线检测时，每隔150 m设一个检测区，共30个检测区，每个检测区随机检测20个点，30个区域内的管道最小剩余壁厚结果如表2所示。

表2 30个区域内的管道最小剩余壁厚检测结果 mm

将这30个检测数据从大到小排列，并根据式(4)计算出各点的累计概率F(yi)，并利用式(5)计算出隐函数y的值，LNG管道的切向射线检测最小剩余厚度分析结果如表3所示。

以表3中的最小剩余壁厚为横坐标，隐函数y为纵坐标绘制散点图，并绘制最小剩余壁厚概率分布趋势线，结果如图5所示。由图5可知检测出的最小剩余壁厚与隐函数y具有良好的线性关系，而且进一步证明了检测到的LNG管道最小剩余壁厚值服从Gumbel极值分布。经过最小二乘法计算，可得到α=-0.229 7,λ=3.736 2,根据式(9)得到该段LNG管道的最小剩余壁厚曲线公式为x=-0.229 7y+3.736 2；根据式(6)可以得到回归周期T=225.934；由式(8)可以得到y=5.418 026，由此可知该LNG管道的最小剩余壁厚为2.49 mm。

表3 LNG管道的切向射线检测最小剩余厚度分析结果

图5 LNG管道最小剩余壁厚概率分布趋势线

4 结语

通过研究切向射线扫描检测技术，研发了一套带保冷层的LNG管道剩余壁厚检测装置，并验证了该装置的检测精度。通过检测一条LNG管道30个分区的剩余壁厚并结合Gumbel极值分布原理预测了整条LNG管道的最小剩余壁厚，得到了以下结论。

(1) 通过对切向射线扫描检测技术的分析，获得了LNG管道壁厚切向射线检测数据的分布规律。

(2) 切向射线扫描检测装置可实现带保冷层的LNG管道剩余壁厚检测，相对于千分尺，其检测精度误差为0.04 mm，满足检测精度的要求。

(3) LNG管道剩余壁厚满足Gumbel极值分布，以此预测出该条LNG管道的最小剩余壁厚为2.49 mm。

(4) 虽然通过区域检测和计算得到了整条LNG管道的剩余壁厚，但预测结果仅为理论计算值，后续应就预测结果的准确性开展现场测试。