AP1000核电厂室外氢气输送管道设计研究
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摘要：AP1000核电厂三门厂址与海阳厂址对于室外氢气输送管线的设计分别采用了两种不同的方案。考虑到氢气属于易燃易爆气体，需要对两个厂址的室外氢气管道设计方案进行全面的分析，以提升后续核电项目CAP1000室外氢气输气管道设计的安全性。
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.
关键词：AP1000;氢气管道;設计
Key words： AP1000;hydrogen pipeline;design
中图分类号：TU991.38 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）07-0099-03
0 引言
AP1000核电厂（以下简称“核电厂”）氢气系统主要由低压氢气及高压氢气组成，其设计最高压力达到41.4MPa。室外氢气输气管道用以输送氢气系统的氢气，其设计压力最高可达到19.3MPa，主要采用直埋形式。相较于发达国家，国内相关的氢气输气室外管线设计规范尚不完善，现有可参考的主要规范为GB 50177—2005《氢气站设计规范》，且并不完全适用。因此国内三门核电项目和海阳核电项目分别采用了两套不同的氢气输气管道设计方案。本文通过介绍两套设计方案，结合国内外相关规范，提出一些看法，为后续项目的相关设计提供思路。
1 依托项目设计概述
1.1 三门一期设计方案
三门一期氢气系统室外输气管道采用ASME SA-312 GR TP304L的不锈钢材质，总长约800m，管道外设置有玻璃钢套管，套管按照一定距离设有抽气管道连向固定式氢气检测仪，用以监测套管内是否有氢气积聚，以判断管道氢气管道的泄漏情况（见图1）。按照国家标准，氢气管道需考虑静电接地措施，具体方案为在不锈钢管道外敷设一根240mm2裸铜缆，裸铜缆与氢气管道支架连接固定，同时每隔50m使用管夹与氢气管道连接，裸铜缆在管道出口两侧就近连接至接地网。考虑到玻璃钢套管也有可能接触到氢气，因此玻璃钢套管也需要设置静电接地措施。不同于氢气管道，玻璃钢套管表面电导率较高，不利于静电的导出。因此在内表面涂抹导电润滑脂，之后设置金属连接板每隔30m左右与套管内表面紧密连接，接触面使用导电涂料、接触导电膏或金属箔，使接触电阻不大于10欧姆，每一处接触面积不小于20cm2（因需要紧密贴于玻璃钢内表面，金属板需要设置一定弧度与玻璃钢内表面配合，紧固方式考虑在玻璃钢上打孔，使用密封垫圈和螺栓等固定）。金属连接板再连接到240mm2接地干线引出接地。为了有效监测氢气管线的泄漏，玻璃钢套管每隔约五十米左右设置抽气管线连通氢气监测设备，通过连续抽气来探测套管内氢气的产生情况。
1.2 海阳一期设计方案
海阳一期氢气系统室外输气管道采用ASME SA-312 GR TP304L的不锈钢材质，总长约900m，穿过道路下的管道外设有碳钢套管，套管两端用封板封堵，碳钢套管端处设有检测管，检修人员定期通过移动式氢气检测仪检查套管内的氢气是否泄漏（见图2）。氢气管道及碳钢套管外表面按特加强级要求做环氧煤沥青涂层。
2 设计方案分析
三门与海阳项目输送氢气管道的材质都为奥氏体不锈钢，考虑到三门与海阳项目都是沿海厂址，土壤中容易含有大量的Cl-，一旦Cl-与奥氏体不锈钢发生作用，管道极易发生孔蚀和应力腐蚀，从而造成氢气泄漏，若人员未及时察觉，一旦氢气积聚，很有可能造成危险。因此，两个厂址采用了不同的解决方案。
2.1 三门依托项目
三门依托项目采用在不锈钢管道外全程敷设玻璃钢材质的套管以防止腐蚀，并在玻璃钢套管上做了多个测点送往氢气监测仪表持续进行监测。
玻璃钢主要为纤维复合增强塑料，可通过添加不同的树脂基来调整玻璃钢的性能，在近几年被广泛使用。实验证明，在常温环境温度下，玻璃钢不容易与氯离子发生电化学腐蚀，因此有较好的防护作用。另外，持续的氢气监测理论上可以使巡视人员第一时间得知管道泄漏的情况，提升了安全性。
但三门一期的设计也有如下方面值得探讨：
2.1.1 玻璃钢的力学性能
玻璃钢与一般20#钢的力学性能见表1。
屈服强度是指材料开始发生明显塑性变形时的最低应力值。当材料承受大于此极限的外力作用时，将会发生永久变形。玻璃钢的屈服强度较低，这意味着在不同的应力作用下，玻璃钢没有显著的塑形变化阶段，在两边应力不均时容易发生突然断裂。
另外，玻璃钢的伸长率也并不高，伸长率指的是材料断裂后，其增长部分的长度与初始长度的百分比，表征了材料塑性的大小，伸长率越大，塑形越好。从表1中可以看出，玻璃钢的伸长率仅仅为20#钢的五分之一，可见玻璃钢更容易发生脆性断裂。
弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，反映了材料的刚度，弹性模量越大，材料刚度越强，抗变形能力就越强。从表1中可以看出，玻璃钢的弹性模量仅仅达到了20#钢的三分之一，其抗压能力不及20#钢。
因此玻璃钢套管的使用条件较为苛刻，需要对路径进行详细的规划，尽量避免穿过载荷变化较大或者重载荷的区域，防止对玻璃钢造成不利的影响。
2.1.2 经济性
三门项目的方案较为昂贵，主要有如下几个原因造成：
①玻璃钢的生产工艺。玻璃钢作为新式材料，其造价相对于钢管较为昂贵，同时考虑到设置静电接地需要达到一定的导电率，还需在玻璃钢内表面涂抹导电润滑脂，增加了额外的工艺技术进行处理。
②用量大。根据三门项目的工艺方案，玻璃钢套管需全程敷设在氢气管线外，此外抽气管线外也敷设有玻璃钢套管，导致整个地下氢气管网异常庞大，耗材量较高。
③设备昂贵。固定式氢气检测仪成本功能多，价格也较为昂贵。一台设备可以检测一到两个测点，整个三门一期项目大约有20多个测点，需要至少十台设备，还需额外配套结构基础与防雨罩等。
另一方面根据三门项目的工艺方案，玻璃钢套管的长度甚至于要远远长于氢气管道敷设的长度，因此三门方案整体造价较为昂贵。此外固定式氢气检测设备造价不菲，都会导致经济性下降。
2.2 海阳依托项目
海阳依托项目氢气管道直埋于地面，管道外涂有环氧煤沥青防腐涂层，仅在过路处设置碳钢套管，套管两端用封板封堵，套管端处设有检测管引出地面，检修人员定期通过便携式氢气检测仪检查套管内的氢气是否泄漏。
海阳相较于三门，经济性好，施工方便，但应注意如下方面：
2.2.1 防腐涂层的施工
涂层的防腐效果不仅取决于涂层本身的材料特性，也取决于现场施工人员的施工水平。尤其是若管道防腐层损伤后，损伤后的局部腐蚀穿透速度比全裸管道还快，所以必须做好防腐层的保护工作。在防腐涂层施工前，施工人员需要做一系列准备工作，包括管道下沟前必须检查沟底是否为软土层，应将沟底的碎石、硬物全部清除干净;回填土应不含碎石、砖块等硬物，回填前应检查防腐层是否完好，发现损伤及时修补等等，因此对施工人员的专业素养提出了较高的要求。
2.2.2 检修工作较为复杂
海阳项目的设计方案在穿越道路处管道套管设置检漏管，采用便携式氢气检测仪，虽然降低了经济成本，但一定程度上提升了检修的工作量。氢气管道贯穿于整个核島厂区，检测点数量又取决于管道敷设的路径规划，增加了巡检人员巡检的难度，容易出现巡检时遗漏测点等情况。
2.3 后续项目的设计建议
三门项目和海阳项目的氢气室外管道的设计都存在利弊，经过分析后，本文认为可在以下方面做出改进。
①改变管道的敷设形式。这主要由氢气易于扩散的特性决定的。氢气的浮力最小，更容易扩散，其与其他易燃气体的扩散性对比见表2。
从表中可以看出，氢气的浮力最小，表明氢气相比于其他燃料气体，更容易扩散。同时，氢气的扩散系数相较于甲烷、丙烷和汽油气，分别为3.8倍、6.1倍和12倍。该特性表明，当氢气在空气中发生泄漏时，扩散很快，浓度降低迅速。
因此，比起直埋的方式，若是氢气采用架空敷设的方式，一旦管道发生泄漏，氢气会迅速与大气结合，不会造成积聚，也就不容易发生爆炸等事故。
②提高氢气输气管线的材质等级。土壤中主要是Cl-腐蚀，经过大量实验证明，当奥氏体不锈钢钼（Mo）含量大于3%时，可以完全阻止Cl-对不锈钢的腐蚀[1]，根据表3，可见管道材质提升至TP316或TP317时，即可有效避免腐蚀。
③采用不锈钢套管防护。
架空敷设相较于直埋敷设，对空间的要求更高，因此，大多数核电厂仍然选择直埋敷设的形式。根据GB 50177的要求，氢气管道需要做静电接地，以防止管道内生成电火花而引燃氢气。玻璃钢套管由于其材料特性，无法顺利导出静电，需要通过复杂的工序，如增加特殊的添加剂、在玻璃钢内外侧涂抹高电导率涂层等方式提高材料的电导率，成本巨大，且存在安全隐患，验收也存在难度。而不锈钢套管一方面可以有效阻止土壤对管道的腐蚀，另一方面具有良好的导电率，从安全性和经济性上说都具有极大的优势。
④选用合适的防腐材料。
为了防止土壤对管道的腐蚀，一般在碳钢管材质外面会涂上防腐涂料。依据土壤腐蚀程度的不同，防腐涂料采用的防腐蚀等级也会有所差异。土壤的腐蚀程度具体应查阅勘察机构的地质报告，并根据表4中的内准则综合选择涂层的防腐蚀等级。
防腐涂料有很多种，应当依照管道介质、环境条件、腐蚀介质、场地限制、工程经济性、对环境污染等情况选用最合适的防腐涂层，现常用的防腐涂料及其性能见表5。
除了设置防腐涂层以外，还可在套管内充入惰性气体（例如氮气）以防止氢气泄漏时与空气混合达到爆炸极限从而发生事故，该方案已在国外被普遍采用，国内部分项目也开始使用该方案。
⑤合理规划管道路径。
两个项目的氢气室外管线都将近千米，给之后的巡检以及事故的处理都造成了一定的不便。合理规划管线路径能够有效节省成本，降低事故发生的风险，此外合理的路径还可以减少氢气监测的难度，可以更及时更有效地处理各种情况。
3 总结
合理可靠的氢气直埋管道设计有助于延长管道的使用寿命，大大降低氢气泄漏的概率，减少管道维护的次数，提高了可靠性和安全性，与核电厂推崇的先进、长周期使用寿命的理念相符，是厂区管道设施安全平稳、长周期运行的重要条件。希望能够通过本论文的建议，使设计人员不再“问氢色变”，能够顺利地完成后续项目的相关设计。
参考文献：
[1]卢日时，李刚.316、317不锈钢耐氯离子腐蚀能力浅析[J].机械工程师，2013（06）：246-248.
[2]SH/T 3022-2011，石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计规范[S].
[3]张炼，冯洪臣.管道工程保护技术[M].北京：化学工业出版社，2014：21.