浅谈氢气管道设计及安装时的安全问题

马静 （河北省石油化工设计院有限公司天津分公司 天津300384）

朱明尧 （新地能源工程技术有限公司石家庄能源化工技术分公司 天津050031）

氢气在工业中应用较广，是一种极易燃烧和爆炸的气体。本文所涉及项目为管道输送3.5 MPa氢气项目，全长10 km左右，管道敷设涉及架空、道路穿越和河流跨越等方式。

氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸，按可燃气体的火灾危险性分类属于甲类。

1 氢气的理化性质

1.1 易燃

氢气的易燃等级为4级，氢气闪点很低，＜-50℃，在空气中只要很小的点火能量就会闪光燃烧，而且燃烧速率很快，是燃烧危险性很大的化学品。

1.2 易爆

氢气的易爆等级为1级，氢气的爆炸极限是4.0%～75.6%（体积浓度）。

2 氢气管道连接

氢气管道的连接除因安装需要采用螺纹或法兰连接外，一般均采用焊接或其他有效防止漏气的连接方式。如需采用法兰连接时，法兰采用对焊凹凸密封面，垫片采用金属缠绕垫。氢气管道施工安装时接触氢气的表面，应彻底去除毛刺、焊渣、铁锈和污垢；管道、阀门、管件等在安装过程中及安装后，应采取措施防止焊渣、杂物及可燃物等进入或遗留在管道内。管道上仪表接点的开孔和焊接应在管道安装完毕之前进行。

输送氢气的管道阀门、法兰及放空口周围7.5 m范围内为2区爆炸危险环境。氢气管道应采用无缝金属管道，禁止使用铸铁管道。本工程氢气管道选用不锈钢材质管道，焊接采用氩弧焊。

焊条选用：304与304焊接选用A102焊条，20#与20#焊接选用J427焊条，304与20#焊接选用A302焊条。

氢气管道焊缝按国家标准《输气管道工程设计规范》（GB 50251-2003）的规定，进行100%射线照相检验，复验数量不小于焊工当天完成焊缝的5%，其质量验收按照现行国家标准《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》GB 3323中的规定，Ⅱ级为合格。

3 管道试压、吹扫及干燥要求

管道试压前采用清管器进行清管，并不应少于两次，至出口无铁锈、无尘土及其他杂物为合格。

本项目氢气设计压力为3.5 MPa，氢气管道强度试验介质为水，其试验压力为5.4 MPa，在强度试验压力下保持10 min，以无变形、无泄露为合格，公路穿越路段（四级道路）可与所在线路段合并进行试压；其气密性试验介质为氮气，试验压力为3.8 MPa，达到 3.8 MPa 后，保持 10 min，然后降至 3.63 MPa，对焊缝及连接部位进行泄漏检查，以无泄露为合格；泄漏量试验介质为氮气，试验压力为3.8 MPa，泄漏量实验时间为24 h，泄漏量以平均每小时小于0.5%为合格。

氢气管道泄露量实验合格后，必须用不含油的氮气以不小于20 m/s的流速进行吹扫干燥（氮气含氧量小于0.5%），可在管道末端配置水露点分析仪，干燥后排出气体应该连续4 h比管道输送条件下最低环境温度至少低5℃、变化温度不大于3℃为合格。管道干燥结束后，如果没有立即投入运行，宜充入干燥氮气，保持在内压大于0.12～0.15 MPa（绝压）的干燥状态下密封，防止外界湿气重新进入管道，否则应重新进行吹扫干燥。

氢气管道、管架、设备的防雷按二类防雷设防，利用管道、管架和金属设备外壳作接闪器，并与引下线、设备基础、接地极连接为电气通路。

氢气管道、管架、设备的防雷、防静电及设备保护的接地采用共用接地装置，冲击接地电阻要求小于10 Ω。当不能满足要求时，需补加接地极。始末端工艺管架及其上的管道各做一接地装置，另外沿管线的管架每隔一管架做一接地装置，冲击接地电阻要求小于10 Ω。

接地极：镀锌角钢型号为L50X50X5，L=2.5 m，埋深地坪-1.00 m以下。

引下线及接地线：镀锌扁钢型号为-40X4，埋深室外地坪-1.00 m以下。

金属设备及管线均应做防静电接地，设备的金属外壳和基础金属埋件、管线、钢构架等均与接地装置连接为电气通路，工艺管道的始、末端，分支，间距小于100 mm的交叉处以及平行处敷设间距小于100 mm的管线，直线段每隔16～18 m管架处敷设管线，设置防静电的跨接线且就近与接地装置焊接为电气通路。工艺管道法兰、阀门及弯头处，亦采用多股软铜线跨接，跨接线、接地线采用6 mm2的软铜编织线、Φ8镀锌圆钢或－25X4的镀锌扁钢，其跨接电阻不大于0.03 Ω。

埋地敷设的管线沟槽底部夯实，并且在直埋管道周围应填200 mm厚细砂，砂应过筛，不应有尖角颗粒。埋地敷设管线均做特加强级防腐处理，采用环氧煤沥青冷缠带防腐层；埋地线过路时设过路钢套管，套管端部伸出路基坡脚外不得小于2 m，套管管径为DN200，套管壁厚为6.5 mm，套管内的管段不应有焊缝，敷土埋深不小于1.2 m。套管的端部应设检漏管，套管两端使用耐久的绝缘材料密封。

各段埋地管线由专业公司分别加装牺牲阳极保护装置，包括镁阳极一组（三支）及测试桩（一个）。

有氢气介质的管道按SH 3501-2001《石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》中的相应要求进行施工与验收。

建立管道定期巡检制度，在过函洞或地沟中通过的地方设可燃气体报警仪，管道要设良好的接地，法兰处用静电跨接线。

管道和附件应选用符合国家标准规格的产品，并应适合氢气工作压力、温度的要求。管道上应设放空管、取样口和吹扫口，其位置应能满足管道内气体吹扫、置换的要求。

4 氢气管道敷设应符合下列要求

①氢气管道宜采用架空敷设，其支架应为非燃烧体。架空管道不应与电缆、导电线路敷设在同一支架上。

②氢气管道与燃气管道、氧气管道平行敷设时，中间宜有不燃物料管道隔开或净距不小于250 mm。分层敷设时，氢气管道应位于上方。氢气管道与建筑物、构筑物或其他管线的最小净距可参照有关规定执行。

③室内管道不应敷设在地沟中或直接埋地，室外地沟敷设的管道，应有防止氢气泄漏、积聚或窜入其他沟道的措施。埋地敷设的管道埋深不宜小于0.7 m。含湿氢气的管道应敷设在冰冻层以下。

④管道穿过墙壁或楼板处，应设套管。套管内的管段不应有焊缝，管道和套管之间应用不燃材料填塞。

⑤管道应避免穿过地沟、下水道及铁路汽车道路等，当必须穿过时应设套管。

⑥管道不得穿过生活间、办公室、配电室、仪表室、楼梯间和其他不使用氢气的房间。不宜穿过吊顶、技术（夹）层，当必须穿过吊顶或技术（夹）层时，应采取安全措施。

⑦接至用氢设备的支管，应设切断阀，有明火的用氢设备还应设阻火器。

由于氢气是一种极易燃烧和爆炸的气体，为防止外界火源窜入氢气管网和设备之内，防止氢气管道因回火而引起爆炸，应在必要位置设置氢气阻火器。因为氢气有其特殊性，即氢气火焰传播的速度高，所以管道内氢气火焰传播速度与点火距离、管道直径有直接关系。

氢气管道放空竖管的设置需满足最大的放空量要求；严禁在放空竖管顶端装设弯管；放空竖管底部弯管和相连接的水平放空引出管必须埋地；弯管前的水平埋设直管段必须进行锚固；放空竖管应有稳管加固措施。

氢气阻火器是用来阻止氢气火焰向外蔓延的安全装置。它由一种能够通过气体的、具有许多细小通道或缝隙的固体材料（阻火元件）所组成，要求阻火元件的缝隙或通道尽量小。当火焰进入阻火器后，被阻火元件分成许多细小的火焰流，由于传热作用和器壁效应，火焰流猝灭。放空管道需设置氢气阻火器，以防止外界火源窜入氢气管网，氢气管道因回火而引起爆炸。安装时，阻火器上的流向标记必须与介质流向一致。■

[1]石油化工剧毒、可燃介质管道工程施工及验收规范[S].SH 3501-2001.

[2]氢气站设计规范[S].G B50177－2005.

[3]工业金属管道工程施工及验收规范[S].G B50235-1997.

[4]压力管道规范 工业管道[S].G B20801.1～6-2006.

[5]输气管道工程设计规范[S].G B50251-2003.

[6]氢气使用安全技术规程[S].G B4962-2008.