中美核電氫氣系統設計標準對比分析

陳 勇， 姚 勇，王生吉

(山東核電有限公司，山東 海陽 265116)

氫氣在核電站中既用于常規島發電機氫冷，又用于控制核島一回路冷卻劑中的氧含量進而降低腐蝕產物的產量。氫氣系統雖不承擔安全相關功能，但是由于氫氣性質活潑，易燃易爆，又容易使金屬材料發生氫脆，導致機械性能下降，因此氫氣輸送系統的設計應格外謹慎。

我國核電行業氫氣系統設計依據的標準主要有GB 50177-2005《氫氣站設計規范》、GB 4962-2008《氫氣使用安全技術規程》、NB/T 20176-2012《壓水堆核電廠供氫、供氮、供氧、供二氧化碳系統的設計要求》、GB/T 29729《氫系統安全的基本要求》等。相對來講，美國針對氫氣系統的規范較多，既有機械工程師協會(ASME)標準，如ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》；也有壓縮氣體協會(CGA)標準，如CGA G -5.4-2012《Standard of Hydrogen Piping System at User Locations》、CGA G -5.6-2005《Hydrogen Pipeline System》、CGA G -5.8-2007《High Pressure Hydrogen Pi￣ping Systems at Consumer Locations》；還有美國消防協會(NFPA)標準，如NFPA 2-2016《Hydrogen Technologies Code》、NFPA 50A-1989《Gaseous Hydrogen System at Consumer Sites》、NFPA 55-2005《Standard for the Storage， Use，and Handing of Compressed Gases and Cryogenic Fluids in Portable and Stationary Containers Cylinders，and Tanks》等。

本文通過對比中美兩國核電站氫氣系統的設計標準，分析兩國標準的異同，為核電或其他行業氫氣系統的設計提供借鑒。

1 系統設計對比

1.1 系統壓力分級

GB 50177沒有對系統設計壓力進行分級，僅在 “定義”中將輸出壓力≥10 MPa的壓縮機定義為高壓氫氣壓縮機；在“條文說明”中列舉了各行業的用氫壓力。針對電力行業，僅列出了發電機氫冷用氫壓力為0.03～0.5 MPa。但是國內某三代核電利用向一回路主系統注入高壓氫氣的方式降低腐蝕產物產量，該氫氣系統的設計壓力為21.4 MPa，突破了GB 50177的規定范圍。

相對的，美標CGA G -5.8中規定，系統壓力≥3 000 psig(20.68 MPa)的為高壓氫氣系統。

系統設計中區分高壓的意義在于：

1)不同壓力等級下，金屬材料發生氫脆的趨勢不同。壓力越高，材料發生氫脆的趨勢越明顯。為此，CGA G -5.8不建議使用未退火的焊接管道作為高壓氫氣管道，因為氫脆及焊接裂紋容易在其焊縫及焊接熱影響區蔓延。

2)不同壓力等級下，管道壁厚的計算方法不同。ASME 31.12規定，高壓管道的壁厚需符合《ASME B31.3 IX高壓管道》的相關要求，其中壁厚的計算公式與非高壓管道的壁厚計算公式不同。

3)另外，針對高壓系統的泄壓措施也有所不同，這一點在后文中有說明。

1.2 輸送流速

NB/T 20176規定，氫氣生產系統的流速為8～12 m/s，分配管網中的流速不得超過15 m/s。GB 50177按照設計壓力及管道材質對流速進行規定，如表1所示。

表1 碳鋼管道中氫氣最大流速

注：設計壓力0.1～3.0 MPa不銹鋼管中最大流速可為25 m/s。

GB 50177解釋了這樣規定的原因，“氫氣在管道內流動，當流速大，與管壁摩擦增強，特別是管道內含有鐵銹雜質時，易形成靜電火花”。

國內標準對流速的規定有如下的問題：其一，GB 50177沒有規定設計壓力大于3 MPa的不銹鋼管道中的氫氣流速；其二，GB 50177規定的設計壓力0.1～3 MPa的不銹鋼管道氫氣最大流速與NB/T 20176規定的不一致。

美標中雖沒有氫氣流速的具體規定，但是也不推薦非常高的流速。因為過高的流速會增加管道內的湍流程度和管內壓力降，并導致過高的聲壓級和管內侵蝕，同時引起聲致振動。推薦的氫氣流速是不要高于峰值侵蝕速率，侵蝕速率按照下式計算：

式中：ue——侵蝕速率，ft/s；

G——氫氣比重，0.069 5；

P——最小管道壓力，psia；

R——氣體常數，10.73(ft3·psia/lb mols·K)；

T——氫氣絕對溫度，K；

Z——指定壓力、溫度下的氣體壓縮系數，為無量綱數。

氫氣雖然是易燃易爆的氣體，但在管道輸送的過程中，氫氣處在一個缺氧的環境中，氫氣流與管道摩擦雖有產生靜電的可能，但并不滿足火災三要素的條件。所以國標從防止產生靜電火花的角度來規定氫氣流速不太恰當，且國內標準對氫氣流速的規定缺少統一性。

1.3 系統部件設置對比

1.3.1 隔離

氫氣系統中閥門的設置，包括切斷閥、緊急隔離閥、止回閥等，是氫氣工藝系統設計中的重要內容，需要綜合考慮工藝需要、法規要求、事故操作需求、用戶需求等進行設置。起到隔離工藝流體，方便工藝運行及設備檢維修，降低氫氣火災危害等的作用。

(1)切斷閥

GB 50177規定系統應設有分組切斷閥。

美標中，CGA G -5.4中規定，應在人員可通行的地點安裝可用于緊急隔離或者檢修用的隔離閥；NFPA 55規定固定式壓氣機每一壓氣機應設檢修用隔離閥。

(2)緊急隔離閥

研究中沒有看到國標有針對氫氣系統緊急隔離閥的定義。

美標中，CGA G -5.4將緊急隔離閥定義為，布置在管線上，提供一個可行的手動或自動的手段在緊急情況下切斷氫氣流的閥門。緊急隔離閥通常安裝在通過分支管道為多個設施供氣的系統中，并布置在建筑物外，以便實現跟系統的緊急隔離。緊急隔離閥可以就地控制或者遠程控制，但應具備失效關的功能。

NFPA 55也規定，壓力超過15 psig的氫氣系統需要設置被認可的緊急隔離措施；緊急隔離閥應布置在氫氣使用處，氫氣儲罐、槽、瓶處，以及氫氣系統進入建筑物處。

(3)止回閥

GB 4962規定，在氫氣管道與其相連的裝置、設備之間應安裝止回閥。

美標的規定與此類似，NFPA 55規定，在危險物質倒流可導致危險情況或者危險物質不受控泄放的情況時應設置防倒流裝置或者單向閥，比如，固定式壓氣機出口管線應設單向閥防止高壓氣體返流。

通過上述對比分析可知，國標中雖然有對各種隔離閥的相關規定，但是相對較為簡略。美標中對各類隔離措施的描述更為全面，尤其針對緊急隔離閥，有單獨的定義、設計原則，布置要求等。

1.3.2 壓力泄放

氫氣系統設計中，需要考慮管道壓力超過最大允許工作壓力(MAWP)時的壓力泄放措施，以保護系統設備、管道等。

GB 50177、GB 4962中關于壓力泄放措施的規定主要體現在對壓縮機、氫氣儲罐、氫氣充灌裝系統的保護上。比如，標準規定，壓縮機出口與第1個切斷閥之間應設安全閥。

但是，國標中并沒有規定氫氣輸送系統是否應設置泄壓用安全設施。

美標中，CGA G -5.4規定，氫氣管道系統應設置壓力泄放設施，并沒有區分設備、充灌裝系統等。ASME 31.12也規定，氫氣系統中凡干線、集管、配氣系統、壓縮機站、輸送管及所有專用設備，若所接的壓縮機或氣源在其壓力控制失靈或其他原因可能使上述設施中的壓力超過其最大允許工作壓力的，均應設置適當的壓力泄放或限制設施。并列出了可以選用的各種壓力釋放措施，包括彈簧加載式安全閥、導向加載式背壓調節器(失效開)、爆破片等。

特別的，對于高壓氫氣管道系統，ASME 31.12規定除上述措施外，還可選擇重錘式泄壓閥、與主調壓閥串聯安裝的監控調壓閥、彈簧加載隔膜式泄壓閥等。

另外，NFPA 2還對壓力泄放設施的布置提出了原則性的要求，壓力釋放裝置的設置應能無障礙的對空排放，防止排氣對儲罐、臨近結構、人員等的沖擊；壓力釋放裝置和排氣管的設置應防止因水分聚集和結冰而妨礙操作；壓力釋放裝置應與放空管道系統連接。

相比較而言，美標中針對氫氣系統壓力泄放設施的規定覆蓋范圍更廣，規定更為詳細，既對布置原則提出要求，又列出了可供選擇的泄壓措施。

1.3.3 放空

CGA G -5.5提出了“放空系統”的概念。放空系統開始于安全閥的排放口或者其他控制氫氣釋放的部件，終止于大氣中氫氣濃度低于最低燃燒限值的地點。鑒于氫氣的性質，氫氣系統設計時均需考慮設置放空管道。

國標中沒有將放空作為一個系統來考慮，僅有放空管的相關規定。GB 50177規定，氫氣罐頂部最高點、管道凝水管道排水水封上、氫氣灌裝系統放空閥均應設置放空管，并應接至室外安全處；GB 4962規定，氫氣管道最高處應設置排放管，并在管口處設置阻火器。

美標中關于氫氣放空系統有專門的標準《CGA G -5.5 2004 Hydrogen Vent System》，系統設計中需要考慮氫氣放空，包括操作排放和緊急排放、管道的結構強度、火災、爆燃或爆炸等因素。列舉了設計中需遵守的CGA、ASME相關標準；規定放空系統的尺寸應能滿足足夠的泄放流量，背壓不超過泄放裝置整定壓力的10%；并分別對熱輻射，排氣沖擊，溫暖氫氣排放，低溫氫氣排放，高壓氫氣排放，超聲速氣流排放，排放口的布置，排放管口的斜切形式等提出要求。比如，針對超音速氫氣流的排放，需考慮排放口因高速排放形成的負壓區，有將空氣吸入的風險。

1.3.4 吹掃置換

氫氣系統在第一次使用前或者在檢修后氫氣充入系統前，均要對管道系統進行吹掃置換，目的是降低管道系統中氧氣的含量，使其低于氫氣的燃燒限值。氫氣系統設計中應考慮到實施吹掃置換的相關需求。

GB 50177規定，各類制氫系統、供氫系統均應設有含氧量小于0.5%氮氣置換吹掃設施。

GB 4962規定，氫氣系統應設有氧含量小于3%的惰性氣體置換吹掃設施，其位置應能滿足氫氣管道內氣體吹掃、置換要求。氫氣系統被置換的設備、管道等應與系統進行可靠隔絕。

美標中，CGA G -5.4規定，系統在充入氫氣前應使用惰性氣體置換管道中的空氣，使剩余含氧量小于1%。實施的方式可以是吹掃、抽氣、或者反復加壓放空。系統應有與置換設施相連接的置換、放空接口。

對比中美標準中關于吹掃置換的相關規定，可知兩國標準中均要求系統中應有與置換設施相連的接口。我國標準中針對惰性氣體置換法，GB 50177和GB 4962要求不一致，一是使用的氣體不一致，GB 50177只規定了使用氮氣；二是兩份國標中對氧含量的標準不一致，GB 50177為0.5%，GB 4962為3%。

2 結論

通過對比中美兩國氫氣系統設計標準，主要有以下幾點結論：

1)我國標準中沒有明確區分高壓系統，美標中對此有明確區分，即≥3 000 psig，并對高壓系統管材選擇、壁厚計算、系統部件設置等方面制定特殊要求。

2)我國標準對氫氣流速的規定較為保守，缺少設計壓力大于3 MPa不銹鋼氫氣管道的氫氣流速，且標準間規定不統一。

3)氫氣系統設計中各系統部件的設置，國標中除吹掃置換相關規定外，其他如隔離、壓力泄放、放空等的規定較為簡略。

4)標準體系方面，美國氫氣系統的設計標準較全面，且各標準互相關聯，構成完整的體系，涵蓋氫氣系統設計、管道材料、管道安裝、檢測、運行維護等各個方面。我國氫氣標準雖規定應同時需要遵守國內現行有效的其他標準，但是并沒有關聯成為體系。

3 建議

1)建議我國核電氫氣系統設計中能夠借鑒美標中有價值的地方，合理區分高壓系統，優化高壓氫氣系統設計；合理確定輸送流速；優化氫氣系統部件設置。

2)建議對我國的氫氣設計標準進行優化，形成適于我國實際的標準體系，更好的指導未來核電或其他行業氫氣系統的設計工作。