淺談氫氣管道設(shè)計及安裝時的安全問題

馬靜 （河北省石油化工設(shè)計院有限公司天津分公司 天津300384）

朱明堯 （新地能源工程技術(shù)有限公司石家莊能源化工技術(shù)分公司 天津050031）

氫氣在工業(yè)中應(yīng)用較廣，是一種極易燃燒和爆炸的氣體。本文所涉及項目為管道輸送3.5 MPa氫氣項目，全長10 km左右，管道敷設(shè)涉及架空、道路穿越和河流跨越等方式。

氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空氣混合均有爆炸的危險，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即會發(fā)生爆炸，按可燃?xì)怏w的火災(zāi)危險性分類屬于甲類。

1 氫氣的理化性質(zhì)

1.1 易燃

氫氣的易燃等級為4級，氫氣閃點很低，＜-50℃，在空氣中只要很小的點火能量就會閃光燃燒，而且燃燒速率很快，是燃燒危險性很大的化學(xué)品。

1.2 易爆

氫氣的易爆等級為1級，氫氣的爆炸極限是4.0%～75.6%（體積濃度）。

2 氫氣管道連接

氫氣管道的連接除因安裝需要采用螺紋或法蘭連接外，一般均采用焊接或其他有效防止漏氣的連接方式。如需采用法蘭連接時，法蘭采用對焊凹凸密封面，墊片采用金屬纏繞墊。氫氣管道施工安裝時接觸氫氣的表面，應(yīng)徹底去除毛刺、焊渣、鐵銹和污垢；管道、閥門、管件等在安裝過程中及安裝后，應(yīng)采取措施防止焊渣、雜物及可燃物等進(jìn)入或遺留在管道內(nèi)。管道上儀表接點的開孔和焊接應(yīng)在管道安裝完畢之前進(jìn)行。

輸送氫氣的管道閥門、法蘭及放空口周圍7.5 m范圍內(nèi)為2區(qū)爆炸危險環(huán)境。氫氣管道應(yīng)采用無縫金屬管道，禁止使用鑄鐵管道。本工程氫氣管道選用不銹鋼材質(zhì)管道，焊接采用氬弧焊。

焊條選用：304與304焊接選用A102焊條，20#與20#焊接選用J427焊條，304與20#焊接選用A302焊條。

氫氣管道焊縫按國家標(biāo)準(zhǔn)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251-2003）的規(guī)定，進(jìn)行100%射線照相檢驗，復(fù)驗數(shù)量不小于焊工當(dāng)天完成焊縫的5%，其質(zhì)量驗收按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》GB 3323中的規(guī)定，Ⅱ級為合格。

3 管道試壓、吹掃及干燥要求

管道試壓前采用清管器進(jìn)行清管，并不應(yīng)少于兩次，至出口無鐵銹、無塵土及其他雜物為合格。

本項目氫氣設(shè)計壓力為3.5 MPa，氫氣管道強(qiáng)度試驗介質(zhì)為水，其試驗壓力為5.4 MPa，在強(qiáng)度試驗壓力下保持10 min，以無變形、無泄露為合格，公路穿越路段（四級道路）可與所在線路段合并進(jìn)行試壓；其氣密性試驗介質(zhì)為氮氣，試驗壓力為3.8 MPa，達(dá)到 3.8 MPa 后，保持 10 min，然后降至 3.63 MPa，對焊縫及連接部位進(jìn)行泄漏檢查，以無泄露為合格；泄漏量試驗介質(zhì)為氮氣，試驗壓力為3.8 MPa，泄漏量實驗時間為24 h，泄漏量以平均每小時小于0.5%為合格。

氫氣管道泄露量實驗合格后，必須用不含油的氮氣以不小于20 m/s的流速進(jìn)行吹掃干燥（氮氣含氧量小于0.5%），可在管道末端配置水露點分析儀，干燥后排出氣體應(yīng)該連續(xù)4 h比管道輸送條件下最低環(huán)境溫度至少低5℃、變化溫度不大于3℃為合格。管道干燥結(jié)束后，如果沒有立即投入運行，宜充入干燥氮氣，保持在內(nèi)壓大于0.12～0.15 MPa（絕壓）的干燥狀態(tài)下密封，防止外界濕氣重新進(jìn)入管道，否則應(yīng)重新進(jìn)行吹掃干燥。

氫氣管道、管架、設(shè)備的防雷按二類防雷設(shè)防，利用管道、管架和金屬設(shè)備外殼作接閃器，并與引下線、設(shè)備基礎(chǔ)、接地極連接為電氣通路。

氫氣管道、管架、設(shè)備的防雷、防靜電及設(shè)備保護(hù)的接地采用共用接地裝置，沖擊接地電阻要求小于10 Ω。當(dāng)不能滿足要求時，需補(bǔ)加接地極。始末端工藝管架及其上的管道各做一接地裝置，另外沿管線的管架每隔一管架做一接地裝置，沖擊接地電阻要求小于10 Ω。

接地極：鍍鋅角鋼型號為L50X50X5，L=2.5 m，埋深地坪-1.00 m以下。

引下線及接地線：鍍鋅扁鋼型號為-40X4，埋深室外地坪-1.00 m以下。

金屬設(shè)備及管線均應(yīng)做防靜電接地，設(shè)備的金屬外殼和基礎(chǔ)金屬埋件、管線、鋼構(gòu)架等均與接地裝置連接為電氣通路，工藝管道的始、末端，分支，間距小于100 mm的交叉處以及平行處敷設(shè)間距小于100 mm的管線，直線段每隔16～18 m管架處敷設(shè)管線，設(shè)置防靜電的跨接線且就近與接地裝置焊接為電氣通路。工藝管道法蘭、閥門及彎頭處，亦采用多股軟銅線跨接，跨接線、接地線采用6 mm2的軟銅編織線、Φ8鍍鋅圓鋼或－25X4的鍍鋅扁鋼，其跨接電阻不大于0.03 Ω。

埋地敷設(shè)的管線溝槽底部夯實，并且在直埋管道周圍應(yīng)填200 mm厚細(xì)砂，砂應(yīng)過篩，不應(yīng)有尖角顆粒。埋地敷設(shè)管線均做特加強(qiáng)級防腐處理，采用環(huán)氧煤瀝青冷纏帶防腐層；埋地線過路時設(shè)過路鋼套管，套管端部伸出路基坡腳外不得小于2 m，套管管徑為DN200，套管壁厚為6.5 mm，套管內(nèi)的管段不應(yīng)有焊縫，敷土埋深不小于1.2 m。套管的端部應(yīng)設(shè)檢漏管，套管兩端使用耐久的絕緣材料密封。

各段埋地管線由專業(yè)公司分別加裝犧牲陽極保護(hù)裝置，包括鎂陽極一組（三支）及測試樁（一個）。

有氫氣介質(zhì)的管道按SH 3501-2001《石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗收規(guī)范》中的相應(yīng)要求進(jìn)行施工與驗收。

建立管道定期巡檢制度，在過函洞或地溝中通過的地方設(shè)可燃?xì)怏w報警儀，管道要設(shè)良好的接地，法蘭處用靜電跨接線。

管道和附件應(yīng)選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的產(chǎn)品，并應(yīng)適合氫氣工作壓力、溫度的要求。管道上應(yīng)設(shè)放空管、取樣口和吹掃口，其位置應(yīng)能滿足管道內(nèi)氣體吹掃、置換的要求。

4 氫氣管道敷設(shè)應(yīng)符合下列要求

①氫氣管道宜采用架空敷設(shè)，其支架應(yīng)為非燃燒體。架空管道不應(yīng)與電纜、導(dǎo)電線路敷設(shè)在同一支架上。

②氫氣管道與燃?xì)夤艿馈⒀鯕夤艿榔叫蟹笤O(shè)時，中間宜有不燃物料管道隔開或凈距不小于250 mm。分層敷設(shè)時，氫氣管道應(yīng)位于上方。氫氣管道與建筑物、構(gòu)筑物或其他管線的最小凈距可參照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

③室內(nèi)管道不應(yīng)敷設(shè)在地溝中或直接埋地，室外地溝敷設(shè)的管道，應(yīng)有防止氫氣泄漏、積聚或竄入其他溝道的措施。埋地敷設(shè)的管道埋深不宜小于0.7 m。含濕氫氣的管道應(yīng)敷設(shè)在冰凍層以下。

④管道穿過墻壁或樓板處，應(yīng)設(shè)套管。套管內(nèi)的管段不應(yīng)有焊縫，管道和套管之間應(yīng)用不燃材料填塞。

⑤管道應(yīng)避免穿過地溝、下水道及鐵路汽車道路等，當(dāng)必須穿過時應(yīng)設(shè)套管。

⑥管道不得穿過生活間、辦公室、配電室、儀表室、樓梯間和其他不使用氫氣的房間。不宜穿過吊頂、技術(shù)（夾）層，當(dāng)必須穿過吊頂或技術(shù)（夾）層時，應(yīng)采取安全措施。

⑦接至用氫設(shè)備的支管，應(yīng)設(shè)切斷閥，有明火的用氫設(shè)備還應(yīng)設(shè)阻火器。

由于氫氣是一種極易燃燒和爆炸的氣體，為防止外界火源竄入氫氣管網(wǎng)和設(shè)備之內(nèi)，防止氫氣管道因回火而引起爆炸，應(yīng)在必要位置設(shè)置氫氣阻火器。因為氫氣有其特殊性，即氫氣火焰?zhèn)鞑サ乃俣雀?，所以管道?nèi)氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c點火距離、管道直徑有直接關(guān)系。

氫氣管道放空豎管的設(shè)置需滿足最大的放空量要求；嚴(yán)禁在放空豎管頂端裝設(shè)彎管；放空豎管底部彎管和相連接的水平放空引出管必須埋地；彎管前的水平埋設(shè)直管段必須進(jìn)行錨固；放空豎管應(yīng)有穩(wěn)管加固措施。

氫氣阻火器是用來阻止氫氣火焰向外蔓延的安全裝置。它由一種能夠通過氣體的、具有許多細(xì)小通道或縫隙的固體材料（阻火元件）所組成，要求阻火元件的縫隙或通道盡量小。當(dāng)火焰進(jìn)入阻火器后，被阻火元件分成許多細(xì)小的火焰流，由于傳熱作用和器壁效應(yīng)，火焰流猝滅。放空管道需設(shè)置氫氣阻火器，以防止外界火源竄入氫氣管網(wǎng)，氫氣管道因回火而引起爆炸。安裝時，阻火器上的流向標(biāo)記必須與介質(zhì)流向一致?！?/p>

[1]石油化工劇毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗收規(guī)范[S].SH 3501-2001.

[2]氫氣站設(shè)計規(guī)范[S].G B50177－2005.

[3]工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范[S].G B50235-1997.

[4]壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道[S].G B20801.1～6-2006.

[5]輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范[S].G B50251-2003.

[6]氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程[S].G B4962-2008.