AP1000氫氣管道設(shè)計分析

梅　健

（國核工程有限公司，上海　200233）

AP1000氫氣管道設(shè)計分析

梅健

（國核工程有限公司，上海200233）

AP1000核電廠采用由中美合作的第三代核電技術(shù)，由美國西屋聯(lián)隊負責設(shè)計，國家核電技術(shù)公司負責引進建造的依托項目。由于工程特殊性，工程建造過程中涉及諸多中美標準規(guī)范匹配性和兼容性的問題。文章通過對中美氫氣管道設(shè)計規(guī)范中的材料及試驗要求的對比分析，并結(jié)合AP1000氫氣管道設(shè)計配合中出現(xiàn)的相關(guān)問題進行分析，以便為國內(nèi)氫氣管道的設(shè)計提供借鑒參考。

AP1000；氫氣管道；規(guī)范對比；設(shè)計

核電廠高壓氫氣系統(tǒng)的作用是控制反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的氧含量水平［1］。在核電系統(tǒng)設(shè)計中，高壓氫氣系統(tǒng)雖然不涉及安全相關(guān)功能、也不參與縱深防御作用，但是由于氫氣屬于可燃性氣體，具有著火點能量低，與空氣、氧混合燃燒和爆炸極限寬，燃燒速度快等特點，因此在設(shè)計選材、建造及維護、試驗等方面應(yīng)特別引起重視。

AP1000核電廠采用第三代非能動壓水堆核電技術(shù)，由美國西屋聯(lián)隊負責設(shè)計，國家核電技術(shù)公司負責引進的第三代核電依托項目。由于工程設(shè)計建造的特殊性，設(shè)計建造過程中諸多方面都涉及中美標準規(guī)范的匹配性和兼容性的問題?；贏P1000核電廠氫氣管道設(shè)計建造過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題，通過對中美氫氣管道設(shè)計規(guī)范中管材選擇、試驗要求等方面進行對比分析，希望為國內(nèi)核電廠氫氣系統(tǒng)的設(shè)計提出相關(guān)的借鑒參考。

美國氫氣管道標準采用Compressed Gas Association（簡稱CGA）G-5.4氫氣管道系統(tǒng)標準，中國氫氣管道設(shè)計標準采用國標GB 50177氫氣站設(shè)計規(guī)范。

1　氫氣管道材料選擇

1.1美國氫氣管道規(guī)范要求

（1）金屬材料

CGAG-5.4［2］中要求氫氣管道系統(tǒng)材料的首要選擇是，一定要能夠抵抗運行過程中產(chǎn)生氫脆效應(yīng)。氫脆［3］是指金屬材料在冶煉、加工、熱處理、酸洗和電鍍等過程中，或在含氫介質(zhì)中長期使用時，材料由于吸氫或氫滲而造成機械性能嚴重退化，發(fā)生脆斷的現(xiàn)象。氫脆的效應(yīng)主要是降低管材的拉伸強度及延展性，從而加快管材的疲勞裂紋的增長速率，導致管材性能的過早失效。CGAG-5.4建議采用300系列的奧氏體不銹鋼材料，用于氫氣系統(tǒng)的管道、儀表、閥門及附件的制造。300系列奧氏體不銹鋼材料中，TP316/316L材料的性能最為優(yōu)越，即使在高壓氫氣的環(huán)境條件下，氫脆效應(yīng)基本不會對其產(chǎn)生影響，其表現(xiàn)性能優(yōu)于TP304L和TP321。

CGA G-5.4中同時要求，碳鋼和低合金鋼管材應(yīng)慎重考慮用于氫氣系統(tǒng)管道的選用，因為在一定的溫度條件下，氫脆效應(yīng)更容易發(fā)生在碳鋼和低合金鋼材料上，并產(chǎn)生嚴重破壞。但是碳鋼和低合金鋼材料在一定的限制條件下，同樣也是可以應(yīng)用到氫氣管道設(shè)計中。應(yīng)用需要同時考慮運行過程中溫度及壓力的影響：1）對于高壓氫氣系統(tǒng)條件下，上述材料的強度、熱處理、微觀結(jié)構(gòu)等特性需要進行嚴格的控制，具體的控制要求可以參考規(guī)范CGA G-5.6［4］和European Industrial Gases Association［5］；2）對于高溫氫氣系統(tǒng)條件下，上述材料的適用性需要通過尼爾森曲線來評估，具體評估要求可以參考規(guī)范American Petroleum Institute［6］。

CGA G-5.4同時明確規(guī)定灰口鑄鐵、球墨鑄鐵及可鍛鑄鐵材料嚴禁用于氫氣系統(tǒng)的設(shè)計。

（2）低熔點材料

鋁、銅、黃銅和青銅等材料雖然具有較好的抵抗氫脆效應(yīng)的性能，但是由于在一定溫度或高壓條件下，上述低熔點材料的強度性能將會被減弱，因此選用時候需要考慮氫氣系統(tǒng)的運行條件。

（3）塑性材料

塑性材料嚴禁用于工程氫氣管道系統(tǒng)設(shè)計中，但在可控的低壓低流量實驗室條件下，可以選用此種材料，但是材料的滲透率必須經(jīng)過嚴格的評估。

（4）附加要求

美標中附加規(guī)定對于氫氣管材的選擇應(yīng)采用無縫管道，因為焊接管道在焊縫及熱影響區(qū)處極易收到氫脆效應(yīng)的影響而產(chǎn)生裂紋的快速擴展，因此不建議采用。

1.2中國氫氣管道規(guī)范要求

國標中對于氫氣管道設(shè)計沒有專門的規(guī)范，而只是在國標GB 50177中的一個章節(jié)對其進行了相關(guān)的規(guī)定。GB 50177［7］對于氫氣管道材料的總體要求是采用無縫鋼管。如果系統(tǒng)設(shè)計對氫氣純度有要求，氫氣管道材料的選擇應(yīng)參考GB 50073潔凈廠房設(shè)計規(guī)范，GB 50073［8］主要是根據(jù)氣體純度及露點溫度要求，按以下規(guī)定選擇材料：

1）氣體純度大于等于99.999%，露點低于-76 ℃，應(yīng)采用內(nèi)壁電拋光的00Cr17Ni12Mo2Ti低碳不銹鋼管（T P316L）或內(nèi)壁電拋光的0Cr18Ni9不銹鋼管（TP304）。

2）氣體純度大于等于99.99%，露點低于-60 ℃，應(yīng)采用內(nèi)壁電拋光的0Cr18Ni9不銹鋼管（TP304）。

3）干燥壓縮空氣露點低于-70 ℃，應(yīng)采用內(nèi)壁拋光的0Cr18Ni9不銹鋼管（TP304）；露點低于-40 ℃，應(yīng)采用0C r18N i9不銹鋼管（TP304）或熱鍍鋅無縫鋼管。

通過對于中美規(guī)范管材要求的對比分析可知，中美規(guī)范的差異點主要是：1）美標規(guī)范對于氫氣管材選擇的出發(fā)點是基于材料本身的性能（如抵抗氫脆效應(yīng)、強度性能等），國標規(guī)范對于管材的選擇的出發(fā)點是基于系統(tǒng)的運行的純度和露點溫度的要求；2）美標規(guī)范對氫氣系統(tǒng)管材的選擇進行了詳細且較全面的分類，分為金屬材料、低熔點材料及塑料三大類，并對不同類別材料的應(yīng)用范圍及條件進行了說明。國標規(guī)范只是說明采用鋼管材料，而對低熔點及塑料材料的應(yīng)用沒有相關(guān)的描述和規(guī)定。中美規(guī)范的相同點主要是：要求采用無縫鋼管，而不建議采用焊接鋼管。

通過氫氣管材選用的比較和分析可知，美標規(guī)范對于氫氣管道材料選用的分類、應(yīng)用范圍及條件相比與中國規(guī)范的要求，內(nèi)容更全面豐富，選擇更靈活多變，工程應(yīng)用成本可以通過不同設(shè)計環(huán)境及運行要求條件下的選材得到優(yōu)化和降低。國標規(guī)范對材料的選擇由于出發(fā)點不同，對材料的分類及應(yīng)用的規(guī)定方面顯得比較單一。

從管材選擇方面比較可知，國標規(guī)范對于管材的選用及劃分值得去借鑒美標的相關(guān)規(guī)定要求，通過進一步研究、驗證，從而優(yōu)化并豐富國標管材的應(yīng)用選擇，為國內(nèi)氫氣管道的設(shè)計提供更靈活更全面更經(jīng)濟的選擇。

2　氫氣管道試驗要求

管道系統(tǒng)安裝完成后，需要通過壓力試驗來檢驗系統(tǒng)安裝的完整性及嚴密性。試驗通常有水壓試驗和氣壓試驗。

2.1美國氫氣管道規(guī)范要求

CGA G-5.4中推薦氫氣管道系統(tǒng)強度試驗可以選擇水壓試驗或氣壓試驗任意一種。試驗要求參考ASME B31.3［9］的相關(guān)要求：水壓試驗為1.5倍設(shè)計壓力，氣壓試驗為1.1倍設(shè)計壓力。如果采用氣壓試驗，規(guī)范建議采用至少混合10%的氦氣作為氣壓試驗介質(zhì)。

2.2中國氫氣管道規(guī)范要求

GB 50177中對氫氣管道的試驗要求分為三大類，分別為強度試驗、氣密性試驗和泄漏量試驗。

通過上述中美規(guī)范對管道試驗要求的對比可知，美標規(guī)范中對于氫氣管道系統(tǒng)并沒有特殊的規(guī)定，同其他工藝管道系統(tǒng)一樣，只是要求進行強度試驗，水壓試驗或氣壓試驗都可以，只是對于氣壓試驗建議采用惰性氣體-氦氣作為氣壓試驗的混合介質(zhì)。國標中考慮到強度試驗若采用水壓試驗進行，水壓試驗后水分難以排盡，容易使管道內(nèi)壁產(chǎn)生銹蝕，影響后續(xù)系統(tǒng)運行的安全；若采用氣壓試驗，高試驗壓力帶來高風險的試驗過程。因此，綜合考慮系統(tǒng)要求及試驗安全性的因素，由于設(shè)計壓力較大，氣壓試驗比較危險，因此允許使用水壓試驗代替氣壓試驗。而對于氣密性試驗和泄漏量試驗，則必須采用氣壓試驗完成檢測，但氣壓強度可以有所降低。

通過上述分析可知，對于氫氣管道試驗的要求，國標規(guī)范的要求是高于美標規(guī)范的要求。國標中因為考慮了氫氣滲透性強的這一特點，要求增加氣密性和泄漏量試驗。美標中未對上述兩類試驗進行相關(guān)規(guī)定。雖然國標中增加的試驗同時也帶來了施工的難度和成本的提高，但是對系統(tǒng)安全運行提供了可靠的保證，這方面是值得美國標準規(guī)范進行借鑒參考的。

從中美試驗規(guī)范、試驗介質(zhì)的對比可知，由于氣壓試驗的危險性，美標氫氣規(guī)范建議至少采用10%的氦氣作為氣壓試驗介質(zhì)，分析其主要原因應(yīng)該是基于氦氣為惰性氣體，性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、無爆炸、無易燃性，同時不會引入濕度，可作為一種標識氣體用于氣壓試驗。試驗過程中可以通過氦氣檢測儀器來探測系統(tǒng)的泄漏，從而對試驗檢測人員的安全起到一種保障。國標中要求采用的空氣或氮氣作為試驗介質(zhì)，一般通過檢測液或肥皂水進行泄漏檢測。

中美規(guī)范中對于采用何種氣體作為試驗介質(zhì)更優(yōu)越和更安全，沒有相關(guān)的研究及文獻進行過闡述，這方面值得國標規(guī)范進一步去研究和驗證，但是對于美標中的建議采用10%氦氣作為混合介質(zhì)的做法，值得國內(nèi)設(shè)計及施工單位去嘗試和應(yīng)用。

3　AP1000核電廠氫氣管道設(shè)計

AP1000核電廠的特殊性表現(xiàn)在，西屋聯(lián)隊負責核島工藝管道系統(tǒng)設(shè)計，但是對于延伸到CI/ BOP的工藝管道，是由國內(nèi)設(shè)計院負責完成布置設(shè)計。由此就涉及國標規(guī)范與美標規(guī)范匹配性及兼容性的問題。其中氫氣管道就是如此，廠區(qū)氫氣管線布置是由國內(nèi)某核工程設(shè)計研究院負責設(shè)計完成。西屋聯(lián)隊在系統(tǒng)設(shè)計中，選定氫氣管道材料為TP304L，埋地工藝管道需要全程采用玻璃鋼套管包裹，建造要求參照ASME及美國氫氣規(guī)范。國內(nèi)核工院按系統(tǒng)設(shè)計方要求選定管材為TP304L，通過中美規(guī)范材料的對比討論，對于材料的安全性及可靠性，國內(nèi)設(shè)計認為美標要求是可以接受的。但是對于埋地管道全程布置套管的設(shè)計要求，國內(nèi)核工院對于套管布置的必要性和安全性提出了質(zhì)疑。國內(nèi)設(shè)計院認為埋地管道布置全程套管，根據(jù)核電建設(shè)現(xiàn)場的地理地勢條件，全程套管將呈現(xiàn)高低變化的走向，對于運行過程中氫氣的泄漏，將會在套管高點處聚集，從而引起爆炸的危險性，同時大大地提高建造過程中的安裝和試驗難度。而西屋聯(lián)隊認為增設(shè)套管主要作用有兩個方面：1）增加套管可以為埋地氫氣管道提供防護，減少土壤長期對工藝管道產(chǎn)生陰極腐蝕而產(chǎn)生破壞；2）在系統(tǒng)運行時，增加套管可以及時在套管末端檢測到氫氣泄漏，如果沒有套管，發(fā)生泄漏時氫氣將彌散在土壤中，危險性較大。

對于增設(shè)套管問題產(chǎn)生的分歧，雖然經(jīng)過多輪磋商，但是西屋聯(lián)隊仍然堅持保留套管的設(shè)計。國內(nèi)某核工程設(shè)計研究院經(jīng)過評估分析，最終取消全程套管設(shè)計要求，決定采用國內(nèi)氫氣站設(shè)計規(guī)范要求GB 50177的規(guī)定，對于廠區(qū)氫氣管道進行設(shè)計。管道材料選擇沿用美標要求的TP304L，對于穿道路管道進行增設(shè)套管防護，選用特加強級防腐措施避免管道腐蝕，并增設(shè)氫氣泄漏探測裝置進行泄漏檢測，同時強度試驗、氣密性試驗及泄漏試驗都要求進行。按美標和國標設(shè)計前后的具體變化如圖1和圖2所示。

通過上述設(shè)計的變化可以看出，國內(nèi)設(shè)計院根據(jù)國標規(guī)范要求，通過增加防腐措施、增設(shè)檢測泄漏裝置，既滿足了西屋聯(lián)隊的設(shè)計意圖，又減少了現(xiàn)場施工難度；既保留了美標規(guī)范中對于氫氣管道材料的選擇，又增加國標規(guī)范中對于試驗嚴格性的要求，從而為AP1000核電廠氫氣系統(tǒng)的安全運行提供了雙重保證。

在中美合作AP1000的設(shè)計建造過程中，國內(nèi)設(shè)計院既秉承西屋聯(lián)隊設(shè)計理念，但又不完全照搬西屋的設(shè)計，正體現(xiàn)了國家核電技術(shù)公司吸收、消化和再創(chuàng)新的能力。

圖1　按美標設(shè)計Fig.1　Design as per american standard

圖2　按國標設(shè)計Fig.2　Design as per national standard

4　結(jié)束語

通過對中美氫氣管道規(guī)范中管材選擇及試驗要求的對比和分析，美標規(guī)范中豐富的材料分類及應(yīng)用范圍的選擇，值得國標規(guī)范去進一步吸收、借鑒和研究，從而不斷豐富國標氫氣管道的規(guī)范要求，為國內(nèi)的氫氣管道設(shè)計提供更全面、更靈活、更經(jīng)濟的選擇；國標規(guī)范中氫氣管道嚴格的試驗要求，值得去延續(xù)，而對于試驗介質(zhì)選擇值得去進一步研究和完善。

AP1000核電廠廠區(qū)氫氣管道設(shè)計變化的探討可知，對于中美規(guī)范的異同點，我們既汲取美標規(guī)范中較好的經(jīng)驗，又結(jié)合國標規(guī)范中更嚴格的要求。從氫氣系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化的案例，相信美標和國標規(guī)范要求中，還有很多的異同點值得我們進一步去研究和探討，從而為盡快完成吸收消化再創(chuàng)新的過程，為創(chuàng)造具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電打下堅實的基礎(chǔ)。

［1］ 林誠格. 非能動安全先進壓水堆核電技術(shù)［M］. 北京：原子能出版社，2010：623.（LIN Cheng-ge. Advanced passive PWR nuclear power technology［M］. Beijing： Atomic Energy Press， 2010：623.）

［2］ Compressed Gas Association G-5.4， Standard for Hydrogen Piping Systems At User Locations［S］.

［3］ StephenD.Cramer&BernardS.Covino，Jr. ASM Handbook Volume13B， Corrosion： Materials［M］，Materials Park， OHIO：ASM International，2005， 51.

［4］ Compressed Gas Association G-5.6， Hydrogen Pipe Systems［S］.

［5］ European Industrial Gas Association Doc100/03，Hydrogen Cylinders And Transport Vessels［S］.

［6］ American Petroleum Institute RP 941.Steels For Hydrogen Service At Elevated Temperatures And Pressures In Petroleum Refineries And Petrochemical plants［S］.

［7］ GB 50177 氫氣站設(shè)計規(guī)范［S］.（GB 50177 Design Code for Hydrogen Station ［S］.）

［8］ GB 50073 潔凈廠房設(shè)計規(guī)范［S］.（GB 50073 Code for Design of Clean Room ［S］.）

［9］ ASMEB31.3，Process Piping，ASME International［S］.

［10］ GB 150 鋼制壓力容器［S］.（GB 150 Steel Pressure Vessel ［S］.）

Design Analysis for AP1000 Hydrogen Piping System

MEI Jian
（State Nuclear Power Engineering Company，Shanghai200233，China）

The AP1000 nuclear power plant is the third generation nuclear power technology jointly developed by China and the United States. AP1000 nuclear power plant is designed by the Westinghouse consortium and constructed by the State Nuclear Power Technology Company which is responsible for the selfreliance supporting project through technology introduction. Due to the engineering particularity， the construction involves many Chinese and American standard matching and compatibility problems. Through comparing and analyzing material and test requirement in standards， connected with relevant problems of AP1000 hydrogen piping design， it hopes to provide reference for the hydrogen piping design in domestic nuclear power plant.

AP1000； hydrogen piping； standard comparison； design

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0029-05

TL37

A

1674-1617（2015）01-0029-05

2014-12-12

梅?。?985—），男，工程師，主要從事AP1000核電廠設(shè)計管理工作。