AP1000核電廠室外氫氣輸送管道設(shè)計(jì)研究

楊振宇

摘要：AP1000核電廠三門廠址與海陽(yáng)廠址對(duì)于室外氫氣輸送管線的設(shè)計(jì)分別采用了兩種不同的方案。考慮到氫氣屬于易燃易爆氣體，需要對(duì)兩個(gè)廠址的室外氫氣管道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面的分析，以提升后續(xù)核電項(xiàng)目CAP1000室外氫氣輸氣管道設(shè)計(jì)的安全性。

Abstract： The AP1000 nuclear power plant， the Sanmen and the Haiyang nuclear plant have adopted two different schemes for the design of the outdoor hydrogen transmission pipeline. Considering that hydrogen is a kind of flammable and explosive gas， it is necessary to conduct a comprehensive analysis of the outdoor hydrogen pipeline design schemes of the two sites. The result is helpful to improve the safety of the design of the hydrogen system gas pipeline in the subsequent CAP1000 nuclear power project.

關(guān)鍵詞：AP1000;氫氣管道;設(shè)計(jì)

Key words： AP1000;hydrogen pipeline;design

中圖分類號(hào)：TU991.38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0099-03

0 ?引言

AP1000核電廠（以下簡(jiǎn)稱“核電廠”）氫氣系統(tǒng)主要由低壓氫氣及高壓氫氣組成，其設(shè)計(jì)最高壓力達(dá)到41.4MPa。室外氫氣輸氣管道用以輸送氫氣系統(tǒng)的氫氣，其設(shè)計(jì)壓力最高可達(dá)到19.3MPa，主要采用直埋形式。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)相關(guān)的氫氣輸氣室外管線設(shè)計(jì)規(guī)范尚不完善，現(xiàn)有可參考的主要規(guī)范為GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》，且并不完全適用。因此國(guó)內(nèi)三門核電項(xiàng)目和海陽(yáng)核電項(xiàng)目分別采用了兩套不同的氫氣輸氣管道設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)介紹兩套設(shè)計(jì)方案，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，提出一些看法，為后續(xù)項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)提供思路。

1 ?依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)概述

1.1 三門一期設(shè)計(jì)方案

三門一期氫氣系統(tǒng)室外輸氣管道采用ASME SA-312 GR TP304L的不銹鋼材質(zhì)，總長(zhǎng)約800m，管道外設(shè)置有玻璃鋼套管，套管按照一定距離設(shè)有抽氣管道連向固定式氫氣檢測(cè)儀，用以監(jiān)測(cè)套管內(nèi)是否有氫氣積聚，以判斷管道氫氣管道的泄漏情況（見(jiàn)圖1）。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，氫氣管道需考慮靜電接地措施，具體方案為在不銹鋼管道外敷設(shè)一根240mm2裸銅纜，裸銅纜與氫氣管道支架連接固定，同時(shí)每隔50m使用管夾與氫氣管道連接，裸銅纜在管道出口兩側(cè)就近連接至接地網(wǎng)?？紤]到玻璃鋼套管也有可能接觸到氫氣，因此玻璃鋼套管也需要設(shè)置靜電接地措施。不同于氫氣管道，玻璃鋼套管表面電導(dǎo)率較高，不利于靜電的導(dǎo)出。因此在內(nèi)表面涂抹導(dǎo)電潤(rùn)滑脂，之后設(shè)置金屬連接板每隔30m左右與套管內(nèi)表面緊密連接，接觸面使用導(dǎo)電涂料、接觸導(dǎo)電膏或金屬箔，使接觸電阻不大于10歐姆，每一處接觸面積不小于20cm2（因需要緊密貼于玻璃鋼內(nèi)表面，金屬板需要設(shè)置一定弧度與玻璃鋼內(nèi)表面配合，緊固方式考慮在玻璃鋼上打孔，使用密封墊圈和螺栓等固定）。金屬連接板再連接到240mm2接地干線引出接地。為了有效監(jiān)測(cè)氫氣管線的泄漏，玻璃鋼套管每隔約五十米左右設(shè)置抽氣管線連通氫氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)連續(xù)抽氣來(lái)探測(cè)套管內(nèi)氫氣的產(chǎn)生情況。

1.2 海陽(yáng)一期設(shè)計(jì)方案

海陽(yáng)一期氫氣系統(tǒng)室外輸氣管道采用ASME SA-312 GR TP304L的不銹鋼材質(zhì)，總長(zhǎng)約900m，穿過(guò)道路下的管道外設(shè)有碳鋼套管，套管兩端用封板封堵，碳鋼套管端處設(shè)有檢測(cè)管，檢修人員定期通過(guò)移動(dòng)式氫氣檢測(cè)儀檢查套管內(nèi)的氫氣是否泄漏（見(jiàn)圖2）。氫氣管道及碳鋼套管外表面按特加強(qiáng)級(jí)要求做環(huán)氧煤瀝青涂層。

2 ?設(shè)計(jì)方案分析

三門與海陽(yáng)項(xiàng)目輸送氫氣管道的材質(zhì)都為奧氏體不銹鋼，考慮到三門與海陽(yáng)項(xiàng)目都是沿海廠址，土壤中容易含有大量的Cl-，一旦Cl-與奧氏體不銹鋼發(fā)生作用，管道極易發(fā)生孔蝕和應(yīng)力腐蝕，從而造成氫氣泄漏，若人員未及時(shí)察覺(jué)，一旦氫氣積聚，很有可能造成危險(xiǎn)。因此，兩個(gè)廠址采用了不同的解決方案。

2.1 三門依托項(xiàng)目

三門依托項(xiàng)目采用在不銹鋼管道外全程敷設(shè)玻璃鋼材質(zhì)的套管以防止腐蝕，并在玻璃鋼套管上做了多個(gè)測(cè)點(diǎn)送往氫氣監(jiān)測(cè)儀表持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

玻璃鋼主要為纖維復(fù)合增強(qiáng)塑料，可通過(guò)添加不同的樹脂基來(lái)調(diào)整玻璃鋼的性能，在近幾年被廣泛使用。實(shí)驗(yàn)證明，在常溫環(huán)境溫度下，玻璃鋼不容易與氯離子發(fā)生電化學(xué)腐蝕，因此有較好的防護(hù)作用。另外，持續(xù)的氫氣監(jiān)測(cè)理論上可以使巡視人員第一時(shí)間得知管道泄漏的情況，提升了安全性。

但三門一期的設(shè)計(jì)也有如下方面值得探討：

2.1.1 玻璃鋼的力學(xué)性能

玻璃鋼與一般20#鋼的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

屈服強(qiáng)度是指材料開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。當(dāng)材料承受大于此極限的外力作用時(shí)，將會(huì)發(fā)生永久變形。玻璃鋼的屈服強(qiáng)度較低，這意味著在不同的應(yīng)力作用下，玻璃鋼沒(méi)有顯著的塑形變化階段，在兩邊應(yīng)力不均時(shí)容易發(fā)生突然斷裂。

另外，玻璃鋼的伸長(zhǎng)率也并不高，伸長(zhǎng)率指的是材料斷裂后，其增長(zhǎng)部分的長(zhǎng)度與初始長(zhǎng)度的百分比，表征了材料塑性的大小，伸長(zhǎng)率越大，塑形越好。從表1中可以看出，玻璃鋼的伸長(zhǎng)率僅僅為20#鋼的五分之一，可見(jiàn)玻璃鋼更容易發(fā)生脆性斷裂。

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，反映了材料的剛度，彈性模量越大，材料剛度越強(qiáng)，抗變形能力就越強(qiáng)。從表1中可以看出，玻璃鋼的彈性模量?jī)H僅達(dá)到了20#鋼的三分之一，其抗壓能力不及20#鋼。

因此玻璃鋼套管的使用條件較為苛刻，需要對(duì)路徑進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃，盡量避免穿過(guò)載荷變化較大或者重載荷的區(qū)域，防止對(duì)玻璃鋼造成不利的影響。

2.1.2 經(jīng)濟(jì)性

三門項(xiàng)目的方案較為昂貴，主要有如下幾個(gè)原因造成：

①玻璃鋼的生產(chǎn)工藝。玻璃鋼作為新式材料，其造價(jià)相對(duì)于鋼管較為昂貴，同時(shí)考慮到設(shè)置靜電接地需要達(dá)到一定的導(dǎo)電率，還需在玻璃鋼內(nèi)表面涂抹導(dǎo)電潤(rùn)滑脂，增加了額外的工藝技術(shù)進(jìn)行處理。

②用量大。根據(jù)三門項(xiàng)目的工藝方案，玻璃鋼套管需全程敷設(shè)在氫氣管線外，此外抽氣管線外也敷設(shè)有玻璃鋼套管，導(dǎo)致整個(gè)地下氫氣管網(wǎng)異常龐大，耗材量較高。

③設(shè)備昂貴。固定式氫氣檢測(cè)儀成本功能多，價(jià)格也較為昂貴。一臺(tái)設(shè)備可以檢測(cè)一到兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，整個(gè)三門一期項(xiàng)目大約有20多個(gè)測(cè)點(diǎn)，需要至少十臺(tái)設(shè)備，還需額外配套結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與防雨罩等。

另一方面根據(jù)三門項(xiàng)目的工藝方案，玻璃鋼套管的長(zhǎng)度甚至于要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于氫氣管道敷設(shè)的長(zhǎng)度，因此三門方案整體造價(jià)較為昂貴。此外固定式氫氣檢測(cè)設(shè)備造價(jià)不菲，都會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性下降。

2.2 海陽(yáng)依托項(xiàng)目

海陽(yáng)依托項(xiàng)目氫氣管道直埋于地面，管道外涂有環(huán)氧煤瀝青防腐涂層，僅在過(guò)路處設(shè)置碳鋼套管，套管兩端用封板封堵，套管端處設(shè)有檢測(cè)管引出地面，檢修人員定期通過(guò)便攜式氫氣檢測(cè)儀檢查套管內(nèi)的氫氣是否泄漏。

海陽(yáng)相較于三門，經(jīng)濟(jì)性好，施工方便，但應(yīng)注意如下方面：

2.2.1 防腐涂層的施工

涂層的防腐效果不僅取決于涂層本身的材料特性，也取決于現(xiàn)場(chǎng)施工人員的施工水平。尤其是若管道防腐層損傷后，損傷后的局部腐蝕穿透速度比全裸管道還快，所以必須做好防腐層的保護(hù)工作。在防腐涂層施工前，施工人員需要做一系列準(zhǔn)備工作，包括管道下溝前必須檢查溝底是否為軟土層，應(yīng)將溝底的碎石、硬物全部清除干凈;回填土應(yīng)不含碎石、磚塊等硬物，回填前應(yīng)檢查防腐層是否完好，發(fā)現(xiàn)損傷及時(shí)修補(bǔ)等等，因此對(duì)施工人員的專業(yè)素養(yǎng)提出了較高的要求。

2.2.2 檢修工作較為復(fù)雜

海陽(yáng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案在穿越道路處管道套管設(shè)置檢漏管，采用便攜式氫氣檢測(cè)儀，雖然降低了經(jīng)濟(jì)成本，但一定程度上提升了檢修的工作量。氫氣管道貫穿于整個(gè)核島廠區(qū)，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量又取決于管道敷設(shè)的路徑規(guī)劃，增加了巡檢人員巡檢的難度，容易出現(xiàn)巡檢時(shí)遺漏測(cè)點(diǎn)等情況。

2.3 后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)建議

三門項(xiàng)目和海陽(yáng)項(xiàng)目的氫氣室外管道的設(shè)計(jì)都存在利弊，經(jīng)過(guò)分析后，本文認(rèn)為可在以下方面做出改進(jìn)。

①改變管道的敷設(shè)形式。這主要由氫氣易于擴(kuò)散的特性決定的。氫氣的浮力最小，更容易擴(kuò)散，其與其他易燃?xì)怏w的擴(kuò)散性對(duì)比見(jiàn)表2。

從表中可以看出，氫氣的浮力最小，表明氫氣相比于其他燃料氣體，更容易擴(kuò)散。同時(shí)，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)相較于甲烷、丙烷和汽油氣，分別為3.8倍、6.1倍和12倍。該特性表明，當(dāng)氫氣在空氣中發(fā)生泄漏時(shí)，擴(kuò)散很快，濃度降低迅速。

因此，比起直埋的方式，若是氫氣采用架空敷設(shè)的方式，一旦管道發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)迅速與大氣結(jié)合，不會(huì)造成積聚，也就不容易發(fā)生爆炸等事故。

②提高氫氣輸氣管線的材質(zhì)等級(jí)。土壤中主要是Cl-腐蝕，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)奧氏體不銹鋼鉬（Mo）含量大于3%時(shí)，可以完全阻止Cl-對(duì)不銹鋼的腐蝕[1]，根據(jù)表3，可見(jiàn)管道材質(zhì)提升至TP316或TP317時(shí)，即可有效避免腐蝕。

③采用不銹鋼套管防護(hù)。

架空敷設(shè)相較于直埋敷設(shè)，對(duì)空間的要求更高，因此，大多數(shù)核電廠仍然選擇直埋敷設(shè)的形式。根據(jù)GB 50177的要求，氫氣管道需要做靜電接地，以防止管道內(nèi)生成電火花而引燃?xì)錃?。玻璃鋼套管由于其材料特性，無(wú)法順利導(dǎo)出靜電，需要通過(guò)復(fù)雜的工序，如增加特殊的添加劑、在玻璃鋼內(nèi)外側(cè)涂抹高電導(dǎo)率涂層等方式提高材料的電導(dǎo)率，成本巨大，且存在安全隱患，驗(yàn)收也存在難度。而不銹鋼套管一方面可以有效阻止土壤對(duì)管道的腐蝕，另一方面具有良好的導(dǎo)電率，從安全性和經(jīng)濟(jì)性上說(shuō)都具有極大的優(yōu)勢(shì)。

④選用合適的防腐材料。

為了防止土壤對(duì)管道的腐蝕，一般在碳鋼管材質(zhì)外面會(huì)涂上防腐涂料。依據(jù)土壤腐蝕程度的不同，防腐涂料采用的防腐蝕等級(jí)也會(huì)有所差異。土壤的腐蝕程度具體應(yīng)查閱勘察機(jī)構(gòu)的地質(zhì)報(bào)告，并根據(jù)表4中的內(nèi)準(zhǔn)則綜合選擇涂層的防腐蝕等級(jí)。

防腐涂料有很多種，應(yīng)當(dāng)依照管道介質(zhì)、環(huán)境條件、腐蝕介質(zhì)、場(chǎng)地限制、工程經(jīng)濟(jì)性、對(duì)環(huán)境污染等情況選用最合適的防腐涂層，現(xiàn)常用的防腐涂料及其性能見(jiàn)表5。

除了設(shè)置防腐涂層以外，還可在套管內(nèi)充入惰性氣體（例如氮?dú)猓┮苑乐箽錃庑孤r(shí)與空氣混合達(dá)到爆炸極限從而發(fā)生事故，該方案已在國(guó)外被普遍采用，國(guó)內(nèi)部分項(xiàng)目也開(kāi)始使用該方案。

⑤合理規(guī)劃管道路徑。

兩個(gè)項(xiàng)目的氫氣室外管線都將近千米，給之后的巡檢以及事故的處理都造成了一定的不便。合理規(guī)劃管線路徑能夠有效節(jié)省成本，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，此外合理的路徑還可以減少氫氣監(jiān)測(cè)的難度，可以更及時(shí)更有效地處理各種情況。

3 ?總結(jié)

合理可靠的氫氣直埋管道設(shè)計(jì)有助于延長(zhǎng)管道的使用壽命，大大降低氫氣泄漏的概率，減少管道維護(hù)的次數(shù)，提高了可靠性和安全性，與核電廠推崇的先進(jìn)、長(zhǎng)周期使用壽命的理念相符，是廠區(qū)管道設(shè)施安全平穩(wěn)、長(zhǎng)周期運(yùn)行的重要條件。希望能夠通過(guò)本論文的建議，使設(shè)計(jì)人員不再“問(wèn)氫色變”，能夠順利地完成后續(xù)項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)。

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