液化天然氣汽車加注裝置檢驗與評價

劉再斌，石 坤，管 堅，張 磊

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

中國是《巴黎協(xié)定》的締約國之一，對國際社會承諾共同應(yīng)對全球氣候變化，其中交通領(lǐng)域是減少溫室效應(yīng)氣體排放的重要力量之一。隨著能源領(lǐng)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化和交通領(lǐng)域節(jié)能減排等政策出臺，我國天然氣汽車保有量保持了較為穩(wěn)定的增長，年均增幅10%左右，天然氣汽車加氣站保持了同樣的增長速度[1]。根據(jù)存儲天然氣的不同形態(tài)，可將天然氣汽車(NGV)分為壓縮天然氣(CNG)汽車和液化天然氣(LNG)汽車[2]，相應(yīng)的加氣站也分為CNG加氣站和LNG加氣站，2019年我國LNG加氣站數(shù)量達到3900座。燃油汽車尾氣排放標準愈加嚴格，新能源汽車仍需要時間完成產(chǎn)業(yè)化布局和技術(shù)發(fā)展，因此經(jīng)濟性好、技術(shù)成熟、成本較低的天然氣汽車具有良好的發(fā)展前景，配套加氣站數(shù)量也必將保持相應(yīng)增長。

1 LNG加氣站特種設(shè)備

以LNG為氣源進行建設(shè)的汽車加氣站，依據(jù)最終加注天然氣狀態(tài)可分為LNG加氣站、L/CNG加氣站和L-CNG加氣站3類，表1為LNG、L/CNG和L-CNG加氣站基本情況比較表。如最終加注狀態(tài)為CNG，則需將存儲的LNG進行增壓、氣化和存儲等操作，并增加相應(yīng)的設(shè)備。

LNG汽車加注裝置除了表1中的主要設(shè)備，為了實現(xiàn)卸車、調(diào)壓和加氣等工藝流程[3]，還需要低溫管道、自動控制系統(tǒng)、儀表風(fēng)系統(tǒng)等過程控制系統(tǒng)；為了保障裝置安全運行，還需要有可燃氣體檢測報警系統(tǒng)、緊急切斷系統(tǒng)、安全泄放裝置等安全防護系統(tǒng)。

表1 LNG、L/CNG和L-CNG加氣站基本情況比較表Table 1 Comparison of basic conditions of LNG,L/CNG and L-CNG filling stations

按照《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》要求，加注裝置中的LNG儲罐、泵池等壓力容器，容器間連接的壓力管道以及其他特種設(shè)備應(yīng)當按照安全技術(shù)規(guī)范的要求，進行定期檢驗，未經(jīng)定期檢驗或者檢驗不合格的特種設(shè)備不得繼續(xù)使用。

2 檢驗與評價

本論文研究的檢驗與評價只針對加注裝置中允許使用介質(zhì)為LNG的壓力容器和壓力管道，以及附屬的安全防護系統(tǒng)，不包括L/CNG和L-CNG加注裝置中使用介質(zhì)為CNG的部分設(shè)備。

2.1 方案制定

首先，對LNG汽車加注裝置進行風(fēng)險評估，結(jié)合失效分析，制定檢驗策略；其次，根據(jù)在線檢驗要求和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，選擇無損檢測方法；最后，結(jié)合動態(tài)模擬和靜態(tài)測量，對系統(tǒng)氣體損耗進行評價。

2.2 檢驗策略

LNG汽車加注裝置的設(shè)備數(shù)量較少，類型單一，難以根據(jù)風(fēng)險進行區(qū)分，因此基于風(fēng)險的檢驗(RBI)技術(shù)并不適用于LNG汽車加注裝置。GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》標準中將損傷模式分為腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材質(zhì)劣化、機械損傷和其他損傷，但不適用于承壓設(shè)備密封失效、安全聯(lián)鎖裝置失效、壓力泄放裝置失效。因此對于LNG加注裝置檢驗策略，目前尚缺乏有針對性的標準方法。

HAZOP分析既可用于連續(xù)生產(chǎn)過程，又可用于間歇生產(chǎn)過程。LNG加注裝置的工藝流程可分為槽車卸車流程、LNG儲存流程和LNG汽車加注流程，為典型的間歇生產(chǎn)過程，不同的工藝流程中存在不同的偏離，而所有流程中均需要考慮LNG介質(zhì)的燃燒特性、低溫特性和快速相態(tài)轉(zhuǎn)變特性等危害性。采用定性風(fēng)險評估[4-6]結(jié)合危險與可操作性分析(HAZOP)[7-9]方法，主要考慮介質(zhì)危害性與使用過程中設(shè)備性能下降共同作用造成的安全隱患進行檢驗檢測，制定LNG汽車加注裝置檢驗策略。表2為LNG汽車加注裝置檢驗策略(部分)。由表2可知，LNG汽車加注裝置生產(chǎn)和安全事故是由設(shè)備及其安全防護系統(tǒng)共同作用的，因此檢驗中不能忽視安全防護系統(tǒng)的檢查與測試。

表2 LNG汽車加注裝置檢驗策略Table 2 Inspection strategy of LNG vehicle filling device

2.3 檢測方法

2.3.1紅外熱成像檢測

紅外熱成像(infrared thermography，IT)無損檢測技術(shù)是一種基于紅外線輻射原理，通過掃描被檢測工件表面溫度變化，實現(xiàn)對被檢測工件的表面缺陷、內(nèi)部缺陷、結(jié)構(gòu)損傷進行分析的方法[13]。經(jīng)使用驗證，配合廣角和長焦鏡頭的紅外熱成像儀適用于LNG容器和管道外表面溫度測量，可以迅速探測出局部保冷性能下降和LNG泄漏位置，結(jié)合局部漏熱量評價容器或管道整體保冷性能。

2.3.2接管角焊縫電磁檢測

異種鋼角焊縫結(jié)構(gòu)型式常用于鍋爐、壓力容器接管焊接，LNG儲罐根據(jù)設(shè)計不同，一般有4～6個該結(jié)構(gòu)，其特點是外殼與接管材料不同，一般外殼為碳素鋼而接管為不銹鋼，焊接接頭為角接，焊縫為角焊縫，焊接難度較大，在使用過程中接管頻繁進出低溫介質(zhì)，角焊縫承受沖擊、壓力、溫度多種載荷交互作用，且該結(jié)構(gòu)位于內(nèi)罐和接管第一道閥門之間，即如果該結(jié)構(gòu)開裂，沒有任何措施阻止LNG的泄漏。

該結(jié)構(gòu)角焊縫距離外殼封頭較近，無法進行射線檢測；不銹鋼接管壁厚一般為4～5 mm，無法進行磁粉檢測，超聲波檢測難度大；在檢驗中，管路表面溫度低于0℃，滲透檢測難度較大；另外，定期檢驗中該位置焊縫外表面防銹漆不易去除。綜上，優(yōu)選交變電磁場檢測(Alternating current field measurement，ACFM)[14-15]方法對異種鋼接管角焊縫表面和近表面缺陷進行檢測。

2.3.3雙層管內(nèi)管焊縫DR檢測

LNG汽車加注裝置中的雙層管一般分兩種，真空管道和保冷管道，區(qū)別在于前者在內(nèi)管和外管之間填充的保冷材料和夾層是否進行抽真空處理。LNG汽車加注裝置進行定期檢驗時，往往難以做到對管道進行清空、置換、拆除保護層和保冷層等處理，當然從保護設(shè)備角度考慮也不建議破壞完好的保冷結(jié)構(gòu)，因此雙層管在帶有保冷結(jié)構(gòu)和內(nèi)部介質(zhì)的情況下進行內(nèi)管焊縫缺陷的檢測，只有X射線數(shù)字成像[16～17]檢測具備技術(shù)條件，在液氨冷庫保冷管道上的應(yīng)用也證明了技術(shù)可行性，相比液氨管道，LNG保冷管道所需保冷層厚度更大，成像板與內(nèi)管之間的距離更大，對于提離導(dǎo)致的圖像畸變和缺陷識別，還需要進一步明確。

2.4 氣損評價

從LNG加氣站運營的角度，氣損與經(jīng)濟效益緊密相連，通過集中放散排放入大氣的蒸發(fā)氣(BOG)同時造成環(huán)境污染和安全隱患，分析導(dǎo)致氣損的其他原因[18-24]，對加強加氣站運營管理也有幫助。氣損產(chǎn)生的原因分析如表3所示。

表3 LNG汽車加注裝置氣體損耗分析Table 3 Analysis of gas loss of LNG vehicle filling device

如表3所示，產(chǎn)生氣損的原因一般包括設(shè)備和工藝兩類，LNG汽車加注裝置的相關(guān)標準要求BOG必須集中放散，因此設(shè)計將所有位置產(chǎn)生的BOG通過回氣管線返回LNG儲罐，通過LNG儲罐的安全閥和放空閥實現(xiàn)集中放散，不清楚氣損影響因素及其權(quán)重則無法制定有針對性的控制氣損的措施[25～29]。

氣體損耗評價的工作流程為：確定評價范圍、確定操作條件、確定所需數(shù)據(jù)、制定測試計劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)核查分析、出具評價報告。評價數(shù)據(jù)采集應(yīng)注意有多個數(shù)據(jù)來源時，與裝置運行狀況相關(guān)的測量數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能在同一時間進行采集，以確保數(shù)據(jù)的“匹配性”。

建立加注裝置的能量平衡(主要為熱量平衡)模型，采用采集到的測試數(shù)據(jù)進行計算、分析裝置的漏熱量及其分布。應(yīng)采用公認的方程、圖表和軟件計算，報告中應(yīng)明確所采用的計算方法、假設(shè)及依據(jù)標準或有關(guān)文件。對于被評價的裝置，能量平衡應(yīng)以圖表形式反映熱量輸入、分布、裝置內(nèi)能量的再循環(huán)。裝置的氣體損耗狀況可采用量化指標(如系統(tǒng)氣體損耗率)進行表述，對由于工藝設(shè)計布局、設(shè)備保冷效果、操作維護管理等因素造成的氣損權(quán)重分別進行計算，并分析其原因，給出建議措施。