中美核电氢气系统设计标准对比分析

陈 勇， 姚 勇，王生吉

(山东核电有限公司，山东 海阳 265116)

氢气在核电站中既用于常规岛发电机氢冷，又用于控制核岛一回路冷却剂中的氧含量进而降低腐蚀产物的产量。氢气系统虽不承担安全相关功能，但是由于氢气性质活泼，易燃易爆，又容易使金属材料发生氢脆，导致机械性能下降，因此氢气输送系统的设计应格外谨慎。

我国核电行业氢气系统设计依据的标准主要有GB 50177-2005《氢气站设计规范》、GB 4962-2008《氢气使用安全技术规程》、NB/T 20176-2012《压水堆核电厂供氢、供氮、供氧、供二氧化碳系统的设计要求》、GB/T 29729《氢系统安全的基本要求》等。相对来讲，美国针对氢气系统的规范较多，既有机械工程师协会(ASME)标准，如ASME B31.12-2014《Hydrogen Piping and Pipelines》；也有压缩气体协会(CGA)标准，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》；还有美国消防协会(NFPA)标准，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。

本文通过对比中美两国核电站氢气系统的设计标准，分析两国标准的异同，为核电或其他行业氢气系统的设计提供借鉴。

1 系统设计对比

1.1 系统压力分级

GB 50177没有对系统设计压力进行分级，仅在 “定义”中将输出压力≥10 MPa的压缩机定义为高压氢气压缩机；在“条文说明”中列举了各行业的用氢压力。针对电力行业，仅列出了发电机氢冷用氢压力为0.03～0.5 MPa。但是国内某三代核电利用向一回路主系统注入高压氢气的方式降低腐蚀产物产量，该氢气系统的设计压力为21.4 MPa，突破了GB 50177的规定范围。

相对的，美标CGA G -5.8中规定，系统压力≥3 000 psig(20.68 MPa)的为高压氢气系统。

系统设计中区分高压的意义在于：

1)不同压力等级下，金属材料发生氢脆的趋势不同。压力越高，材料发生氢脆的趋势越明显。为此，CGA G -5.8不建议使用未退火的焊接管道作为高压氢气管道，因为氢脆及焊接裂纹容易在其焊缝及焊接热影响区蔓延。

2)不同压力等级下，管道壁厚的计算方法不同。ASME 31.12规定，高压管道的壁厚需符合《ASME B31.3 IX高压管道》的相关要求，其中壁厚的计算公式与非高压管道的壁厚计算公式不同。

3)另外，针对高压系统的泄压措施也有所不同，这一点在后文中有说明。

1.2 输送流速

NB/T 20176规定，氢气生产系统的流速为8～12 m/s，分配管网中的流速不得超过15 m/s。GB 50177按照设计压力及管道材质对流速进行规定，如表1所示。

表1 碳钢管道中氢气最大流速

注：设计压力0.1～3.0 MPa不锈钢管中最大流速可为25 m/s。

GB 50177解释了这样规定的原因，“氢气在管道内流动，当流速大，与管壁摩擦增强，特别是管道内含有铁锈杂质时，易形成静电火花”。

国内标准对流速的规定有如下的问题：其一，GB 50177没有规定设计压力大于3 MPa的不锈钢管道中的氢气流速；其二，GB 50177规定的设计压力0.1～3 MPa的不锈钢管道氢气最大流速与NB/T 20176规定的不一致。

美标中虽没有氢气流速的具体规定，但是也不推荐非常高的流速。因为过高的流速会增加管道内的湍流程度和管内压力降，并导致过高的声压级和管内侵蚀，同时引起声致振动。推荐的氢气流速是不要高于峰值侵蚀速率，侵蚀速率按照下式计算：

式中：ue——侵蚀速率，ft/s；

G——氢气比重，0.069 5；

P——最小管道压力，psia；

R——气体常数，10.73(ft3·psia/lb mols·K)；

T——氢气绝对温度，K；

Z——指定压力、温度下的气体压缩系数，为无量纲数。

氢气虽然是易燃易爆的气体，但在管道输送的过程中，氢气处在一个缺氧的环境中，氢气流与管道摩擦虽有产生静电的可能，但并不满足火灾三要素的条件。所以国标从防止产生静电火花的角度来规定氢气流速不太恰当，且国内标准对氢气流速的规定缺少统一性。

1.3 系统部件设置对比

1.3.1 隔离

氢气系统中阀门的设置，包括切断阀、紧急隔离阀、止回阀等，是氢气工艺系统设计中的重要内容，需要综合考虑工艺需要、法规要求、事故操作需求、用户需求等进行设置。起到隔离工艺流体，方便工艺运行及设备检维修，降低氢气火灾危害等的作用。

(1)切断阀

GB 50177规定系统应设有分组切断阀。

美标中，CGA G -5.4中规定，应在人员可通行的地点安装可用于紧急隔离或者检修用的隔离阀；NFPA 55规定固定式压气机每一压气机应设检修用隔离阀。

(2)紧急隔离阀

研究中没有看到国标有针对氢气系统紧急隔离阀的定义。

美标中，CGA G -5.4将紧急隔离阀定义为，布置在管线上，提供一个可行的手动或自动的手段在紧急情况下切断氢气流的阀门。紧急隔离阀通常安装在通过分支管道为多个设施供气的系统中，并布置在建筑物外，以便实现跟系统的紧急隔离。紧急隔离阀可以就地控制或者远程控制，但应具备失效关的功能。

NFPA 55也规定，压力超过15 psig的氢气系统需要设置被认可的紧急隔离措施；紧急隔离阀应布置在氢气使用处，氢气储罐、槽、瓶处，以及氢气系统进入建筑物处。

(3)止回阀

GB 4962规定，在氢气管道与其相连的装置、设备之间应安装止回阀。

美标的规定与此类似，NFPA 55规定，在危险物质倒流可导致危险情况或者危险物质不受控泄放的情况时应设置防倒流装置或者单向阀，比如，固定式压气机出口管线应设单向阀防止高压气体返流。

通过上述对比分析可知，国标中虽然有对各种隔离阀的相关规定，但是相对较为简略。美标中对各类隔离措施的描述更为全面，尤其针对紧急隔离阀，有单独的定义、设计原则，布置要求等。

1.3.2 压力泄放

氢气系统设计中，需要考虑管道压力超过最大允许工作压力(MAWP)时的压力泄放措施，以保护系统设备、管道等。

GB 50177、GB 4962中关于压力泄放措施的规定主要体现在对压缩机、氢气储罐、氢气充灌装系统的保护上。比如，标准规定，压缩机出口与第1个切断阀之间应设安全阀。

但是，国标中并没有规定氢气输送系统是否应设置泄压用安全设施。

美标中，CGA G -5.4规定，氢气管道系统应设置压力泄放设施，并没有区分设备、充灌装系统等。ASME 31.12也规定，氢气系统中凡干线、集管、配气系统、压缩机站、输送管及所有专用设备，若所接的压缩机或气源在其压力控制失灵或其他原因可能使上述设施中的压力超过其最大允许工作压力的，均应设置适当的压力泄放或限制设施。并列出了可以选用的各种压力释放措施，包括弹簧加载式安全阀、导向加载式背压调节器(失效开)、爆破片等。

特别的，对于高压氢气管道系统，ASME 31.12规定除上述措施外，还可选择重锤式泄压阀、与主调压阀串联安装的监控调压阀、弹簧加载隔膜式泄压阀等。

另外，NFPA 2还对压力泄放设施的布置提出了原则性的要求，压力释放装置的设置应能无障碍的对空排放，防止排气对储罐、临近结构、人员等的冲击；压力释放装置和排气管的设置应防止因水分聚集和结冰而妨碍操作；压力释放装置应与放空管道系统连接。

相比较而言，美标中针对氢气系统压力泄放设施的规定覆盖范围更广，规定更为详细，既对布置原则提出要求，又列出了可供选择的泄压措施。

1.3.3 放空

CGA G -5.5提出了“放空系统”的概念。放空系统开始于安全阀的排放口或者其他控制氢气释放的部件，终止于大气中氢气浓度低于最低燃烧限值的地点。鉴于氢气的性质，氢气系统设计时均需考虑设置放空管道。

国标中没有将放空作为一个系统来考虑，仅有放空管的相关规定。GB 50177规定，氢气罐顶部最高点、管道凝水管道排水水封上、氢气灌装系统放空阀均应设置放空管，并应接至室外安全处；GB 4962规定，氢气管道最高处应设置排放管，并在管口处设置阻火器。

美标中关于氢气放空系统有专门的标准《CGA G -5.5 2004 Hydrogen Vent System》，系统设计中需要考虑氢气放空，包括操作排放和紧急排放、管道的结构强度、火灾、爆燃或爆炸等因素。列举了设计中需遵守的CGA、ASME相关标准；规定放空系统的尺寸应能满足足够的泄放流量，背压不超过泄放装置整定压力的10%；并分别对热辐射，排气冲击，温暖氢气排放，低温氢气排放，高压氢气排放，超声速气流排放，排放口的布置，排放管口的斜切形式等提出要求。比如，针对超音速氢气流的排放，需考虑排放口因高速排放形成的负压区，有将空气吸入的风险。

1.3.4 吹扫置换

氢气系统在第一次使用前或者在检修后氢气充入系统前，均要对管道系统进行吹扫置换，目的是降低管道系统中氧气的含量，使其低于氢气的燃烧限值。氢气系统设计中应考虑到实施吹扫置换的相关需求。

GB 50177规定，各类制氢系统、供氢系统均应设有含氧量小于0.5%氮气置换吹扫设施。

GB 4962规定，氢气系统应设有氧含量小于3%的惰性气体置换吹扫设施，其位置应能满足氢气管道内气体吹扫、置换要求。氢气系统被置换的设备、管道等应与系统进行可靠隔绝。

美标中，CGA G -5.4规定，系统在充入氢气前应使用惰性气体置换管道中的空气，使剩余含氧量小于1%。实施的方式可以是吹扫、抽气、或者反复加压放空。系统应有与置换设施相连接的置换、放空接口。

对比中美标准中关于吹扫置换的相关规定，可知两国标准中均要求系统中应有与置换设施相连的接口。我国标准中针对惰性气体置换法，GB 50177和GB 4962要求不一致，一是使用的气体不一致，GB 50177只规定了使用氮气；二是两份国标中对氧含量的标准不一致，GB 50177为0.5%，GB 4962为3%。

2 结论

通过对比中美两国氢气系统设计标准，主要有以下几点结论：

1)我国标准中没有明确区分高压系统，美标中对此有明确区分，即≥3 000 psig，并对高压系统管材选择、壁厚计算、系统部件设置等方面制定特殊要求。

2)我国标准对氢气流速的规定较为保守，缺少设计压力大于3 MPa不锈钢氢气管道的氢气流速，且标准间规定不统一。

3)氢气系统设计中各系统部件的设置，国标中除吹扫置换相关规定外，其他如隔离、压力泄放、放空等的规定较为简略。

4)标准体系方面，美国氢气系统的设计标准较全面，且各标准互相关联，构成完整的体系，涵盖氢气系统设计、管道材料、管道安装、检测、运行维护等各个方面。我国氢气标准虽规定应同时需要遵守国内现行有效的其他标准，但是并没有关联成为体系。

3 建议

1)建议我国核电氢气系统设计中能够借鉴美标中有价值的地方，合理区分高压系统，优化高压氢气系统设计；合理确定输送流速；优化氢气系统部件设置。

2)建议对我国的氢气设计标准进行优化，形成适于我国实际的标准体系，更好的指导未来核电或其他行业氢气系统的设计工作。