液化天然气管道在线检验方法探索与实践*

高 振，王晓博，赵思思，黄 辉，王秀林

（1.中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029）

自2006年国内第一座接收站——广东大鹏LNG接收站建成投产以来，LNG产业快速蓬勃发展，截至2020年底国内已建成投产22座LNG接收站，成为国内储气调峰体系的重要组成部分。接收站投入使用后，依据TSG D7005—2018《压力管道定期检验规则——工业管道》，站内压力管道应实施定期全面检验，以检测站内设备运营期可能产生的缺陷并修复，保障设施安全运行。全面检验有两种途径：一是实施停机检验，依托传统无损检测技术，通常需与设备表面耦合接触；二是实施基于风险的检验，根据风险理论实施差别化、有针对性的检验，无需停机，无需耦合，在线状态下即可实施检验。从国外经验和国内政策导向来看，LNG接收站将继续向着扩容扩建、产业集群的方向发展。在安全第一的前提下，监管部门对LNG接收站的安全生产监管将愈加严格，进一步凸显全面检验的重要性。

LNG接收站主要由卸料及存储、闪蒸气（BOG）处理、气化外输、槽车装车/槽船装船等系统组成［1］。除高压外输和海水系统外，主工艺系统几乎均在深冷工况下服役，站内管道材质几乎均为奥氏体不锈钢［2-3］，包覆有一定厚度的聚异氰脲酸酯绝热层（PIR），以防止热量损失造成LNG气化。因担负区域能源调峰保供的社会生活和外部保冷层的职责［4］，实施传统停机检验导致天然气断供将对社会生活和经济发展产生巨大影响，因此如何实施和提高在线检验的科学性、合规性显得尤为重要。卸料管线将LNG从LNG运输船输送到LNG储罐，其管径大（可达1 100 mm以上）、管线长、检验难度高［5］，因此以典型的大管径卸料管线为研究对象，提出一种组合式的“RBI风险分析—CFD数值模拟—在线检测”的LNG管道不停机在线检验技术方案，在LNG接收站运行维护中具有良好的应用前景。

1 卸船系统工艺流程概述

卸船系统工艺流程见图1。LNG接收站卸船码头上一般设有3台LNG卸料臂，1台气体返回臂。LNG运输船到达码头后LNG通过船上的输送泵，经LNG卸料臂、卸料管线输送到LNG储罐中。LNG进入储罐后置换出的蒸发气，一部分通过气体返回臂送回LNG船的船舱以维持系统的压力平衡，一部分通过BOG压缩机回收。部分LNG接收站卸料管线主要参数见表1。为满足安全生产需要，卸料管线需覆盖保冷绝热层，以防止 热量交换造成管道内LNG气化。

图1 卸船系统工艺流程示意

表1 LNG接收站卸料管线主要参数

2 RBI风险分析

2.1 RBI技术发展概述

RBI引入国内并成功在乙烯装置和催化裂化装置中应用。在消化吸收基础上目前国内已建立起以TSG文件为基础，以GB/T 30579《承压设备损伤模式识别》和GB/T 26610《承压设备系统基于风险的检验实施导则》为核心的RBI标准体系，并开发了拥有自主知识产权的RBI评估软件［6］。基于不同装置介质、工艺流程、损伤机理及检测手段等的差异，GB/T 26610进一步细化了适用于某装置的检验细则，目前已发布GB/T 33578.1《成套装置基于风险的检验细则 第1部分 乙烯装置》、GB/T 33578.2《成套装置基于风险的检验细则 第2部分 催化裂化装置》等。对于LNG接收站，RBI技术已广泛应用于站内阀门、装卸区、储罐和接收等单元［7-10］，成功用于延长站内管道的检验周期［11-12］，在接收站的运行维护中发挥出重要作用，为推进不停机在线检验奠定了较好的基础。

2.2 卸料管线RBI风险分析

以某LNG接收站卸料管线作为目标研究对象，主要工艺参数如表2所示。

表2 某LNG接收站卸料管线工艺参数

卸料管线长期在深冷工况下服役，制造、安装阶段需按相关规范、标准对其对接焊缝、接管角焊缝及返修部位进行100%的射线、超声及表面无损检测并经监督检验合格后方可投入运行。因此，服役后的卸料管线制造、安装质量符合相关规范、标准要求，即使存在标准允许范围内的原始焊接缺陷，也不会影响其安全运行。此外，奥氏体不锈钢具有良好的低温韧性，服役阶段发生低温脆断的可能性也微乎其微。从风险控制的角度分析，卸料管线运行期间的风险主要由使用过程中的腐蚀、机械损伤及工艺波动等因素引起。

由于LNG接收站一般临海而建，再者，卸料管线材质为奥氏体不锈钢，因此存在大气腐蚀及外部氯化物应力腐蚀开裂的可能。考虑到卸料管线工作介质为LNG，工作温度在-150℃左右，故管道表面覆盖有深冷型硬PIR绝热层，该绝热层可以阻止大气和卸料管线外表面的直接接触，从而起到一定的物理隔绝效果；此外，即使卸料管线外表面绝热层局部破损，周围空气中含氯离子的水汽也会在绝热层外表面聚集结冰，氯离子很难和卸料管线外表面直接接触，即使接触，也不会有液态水的存在，不会形成氯化物水溶液环境，故卸料管线发生大气腐蚀和外部氯化物应力腐蚀的可能性微乎其微。因此从损伤机理上分析，引起卸料管线失效的主要原因为内部介质的冲刷。

由于LNG存在低温冻伤危险性及爆炸火灾危险性等，属易燃易爆的危险化学品，如果发生泄漏，将造成较为严重的后果。对表1中各LNG接收站卸料管线开展RBI风险分析的结果见图2。历史分析经验数据显示，在服役期间，卸料管线总体失效可能性都较低，均为1，失效后果较大，风险等级主要由失效后果主导。

图2 卸料管线RBI风险分析结果

3 卸料管线CFD模拟分析

CFD模拟技术广泛应用于管道主要冲蚀部位的预测［13-16］。目标卸料管线采用全结构化网格（六面体），截面采用“O”型划分。经网格无关性分析后最佳网格计算量为395万个，最大长宽比为31，其中弯管和T型管进行局部密集化处理，如图3所示。根据表1实际工况确定卸料管线的模拟参数（见表3），进而开展正常工况和加速工况两种情形下的CFD模拟，以明确卸料管线的主要冲刷部位。

图3 卸料管线管道构体及网格划分示意

表3 卸料管线CFD数值模拟参数

根据卸料管线正常服役工况，通过速度流线、压力和壁面剪切力分布，分析了卸料管线内冲刷规律（见图4）。由图4可知，在流场突变位置局部流速加快、壁面剪切力增大，如弯头内弯处，说明内弯处易受流体剪切作用，然而流体流速都过低（未达临界流速，一般液相得超过15 m/s，气相得超过100 m/s），剪切力非常小，对壁面影响较小，可忽略。此外，在流场突变位置局部流速加快、受流体惯性冲击影响，外弯壁面压力（总压）比内弯压力大，但由于动量小，冲击强度较弱，对壁面影响也较小。三通附近由于流场转变过快，流动未稳定就进行下一个突变，导致三通两出口附近出现明显的局部螺旋流，流体易冲刷位置会随流动方向发生变化。因此，正常工况下，卸料管线受内部介质冲刷导致的管壁金属损失量较小。

图4 目标卸料管线CFD模拟结果示意

考虑到长周期服役过程中的损伤累积，为尽可能准确地反映卸料管线服役过程中受冲刷影响相对危险的薄弱点，以指导日常维护过程中的监检测，保证安全运行，模拟过程中加入一定量的固体颗粒来加速冲刷，其中颗粒粒径为4×10-4m，颗粒进口速度为4.96 m/s，总质量流率为0.1 kg/s。颗粒相以离散型注入，采用DPM模型（可形变部件模型）。冲蚀速率采用Fluent Accretion模型，表达式如下：

式中，mp为颗粒质量流率；f（α）为碰撞角α的函数，碰撞角α是颗粒运动轨迹与壁面上单元面之间的夹角（°）；v是颗粒撞击速度；b（v）是速度指数，为2.4；C（DP）是颗粒直径函数，取值为1.8×10-9；Aface为壁面上单元表面积（m2）；Rerosion是冲损速率［kg/（m2·s）］。

加速冲刷模拟结果见图5。由图5可知，对于弯头，易冲刷部位在弯头外弯处，模拟管线由多个弯头组成，但易冲刷部位全部为外弯，这是因为弯头外弯处颗粒浓度较大，且流体流经弯头处，流动方向发生改变，流体携带颗粒由于惯性会对弯头外弯壁面造成冲击，因此弯头外弯处更易被冲刷。

图5 目标卸料管线CFD模拟结果示意

对于三通，易冲刷部位在两管交接处，由图5（a）可以看出，下行流在三通管处分为两股流，由于流动方向改变，在交接处产生湍流，且由于交接处右侧管线长度较短，流场不稳定，湍动较强，因此在三通管交接处右侧冲刷速率相对较大。由图5（c）可知，由于流动不稳定，局部出现了旋转流，旋转流中携带的颗粒对壁面再次产生冲击，因此流场发生突变的部位，可能存在更加明显的金属损失，应重点关注。

4 在线检测技术实施

根据RBI风险分析及CFD数值模拟结果，对目标LNG接收站卸料管线重点部位实施检测。由于保冷层的存在，影响了目视检查的效果和壁厚检测部位的选取。首先可通过红外热成像技术检测管线保冷层的保冷效果，确定跑冷部位为壁厚测定的重点部位［17］。红外热成像结果见图6。由图6可以看出，该接收站卸料管线保冷绝热层施工质量优良，不存在异常跑冷现象。如果后期运行中发现异常跑冷现象，则应对该部位进行重点检测。

图6 卸料管线红外热成像检测结果

采用瞬变电磁检测技术对CFD模拟中易冲刷部位的弯头和三通进行壁厚测定，卸料管线易冲刷部位测定结果见表4。由表4可以看出，三通部位的平均减薄率大于弯头部位，弯头部位的壁厚波动较大，这可能与弯头制造成型过程中的成型不均有关，但弯头和三通的减薄率均未超过10%。考虑到壁厚负偏差的影响，卸料管线受内部介质冲刷造成的金属损失轻微，卸料管线服役过程中的失效可能性较低。

表4 卸料管线易冲刷件壁厚测定结果

由于现场和技术局限，本次瞬变电磁检测结果是依据公称壁厚修正的，故实际管线壁厚可能由于各种原因和设计公称壁厚存在一定偏差。因此，实际检测数据除受仪器精度影响外，还和实际壁厚和公称壁厚的偏差范围有关。对此，可以加大检测频率或下次检验时以上一次检测结果为基准，对检测数据进行再修正，通过多次检测，提高检测的准确度。

5 结论与建议

（1）风险评估结果表明，由于卸料管线服役工况苛刻，制造、安装阶段施工质量要求严格，故卸料管线运行期间失效可能性较低。由冲刷造成的管线金属损失微乎其微，风险等级主要由失效后果主导，日常管理维护中应加强巡检，注意及时修复保冷绝热层破损部位。

（2）CFD数值模拟可以清晰地模拟出管线的易冲刷部位，可以用于指导管线检验工作。CFD模拟结果表明，卸料管线易冲刷部位主要集中在弯头外侧及三通90°分叉两接管相贯线处，但冲刷速率均降低，为保证长周期安全运行，日常监检测中可重点对这些部位的壁厚进行测定并对检测数据进行合理修正。

（3）将CFD数值模拟与RBI风险分析及先进在线检测技术耦合实施不停机在线检验具有现实意义。以卸料管线为案例的研究结果表明：“RBI风险分析—CFD模拟—在线检测”的在线检验技术方案为LNG管道提供了一种可实施、可靠的检验，解决了大部分LNG管道需不停机检验的问题，实现了LNG管道的合法、合规、经济运营，具有良好的推广应用前景。

（4）为提升LNG管道的完整性管理程度，使得后续检验具有详细的历史数据参照，建议在安装阶段采集站内LNG管道各管件壁厚等原始数据，并考虑在LNG管道安装规范中进行明确规定。