氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)管道氣壓試驗(yàn)爆炸傷害分析

鄭佳 鄭艷奇

摘 要：高溫氣冷堆核電站示范工程（簡稱HTR-PM）氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)（KBB）的最高試驗(yàn)壓力為19MPa，且設(shè)計(jì)要求采用氣壓試驗(yàn)。運(yùn)用高壓氣體爆炸能量計(jì)算公式，對氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)管道物理爆炸能量及波及半徑進(jìn)行定量評價，計(jì)算出損傷半徑，為系統(tǒng)管道的試壓安全管理提供依據(jù)，降低試驗(yàn)發(fā)生爆炸傷害的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：氣壓試驗(yàn);爆炸能量;定量評價

中圖分類號：TQ055.81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0062-02

0 引言

高溫氣冷堆工程氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)（KBB）的功能是為接受由氦氣供應(yīng)商供應(yīng)的批量氦氣、貯存反應(yīng)堆停堆降壓檢查和檢修時排出的氦氣、補(bǔ)充因日常泄漏而導(dǎo)致的堆內(nèi)氦氣短缺以及其它工藝過程用的氦氣，按照工藝要求該系統(tǒng)在安裝和試壓過程中不能有水進(jìn)入為此在滿足其使用功能要求的前提下需進(jìn)行高壓氣壓試驗(yàn);試驗(yàn)介質(zhì)采用屬于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不參與燃燒的惰性氣體氮?dú)?，同時氮?dú)獾奈锢硇阅芊€(wěn)定，特殊情況下發(fā)生爆炸亦為物理爆炸[2]。為了有效預(yù)防管道物理爆炸能量對人員的損傷，本文對物理爆炸能量產(chǎn)生的損傷半徑進(jìn)行分析得出了安全警戒距離的定量計(jì)算方法，同時提出了高壓管道氣壓試驗(yàn)的安全操作要求，降低高壓管道氣壓試驗(yàn)發(fā)生爆炸傷害的風(fēng)險。

1 氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)介紹

氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)管道分為兩個壓力等級，且分兩個試壓回路進(jìn)行試壓，本系統(tǒng)不銹鋼管道均采用氣壓試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為常溫，氣壓試驗(yàn)介質(zhì)采用純氮?dú)膺M(jìn)行氣壓試驗(yàn)，具體各回路試驗(yàn)管道設(shè)計(jì)壓力和試驗(yàn)壓力詳見表1。

2 高壓氮?dú)庠囼?yàn)管道爆炸分析

本試驗(yàn)方案最可能發(fā)生的事故是管道氣壓試驗(yàn)發(fā)生物理爆炸，具體分析如下：

當(dāng)管道氣壓試驗(yàn)時發(fā)生爆炸，氣體膨脹所釋放的能量（即爆破能量）不僅與氣體壓力和管道內(nèi)部容積有關(guān)而且與介質(zhì)在容器內(nèi)的物理性質(zhì)狀態(tài)有關(guān)，氮?dú)鉃榉菬崃怏w，無焓值、熵值;承壓狀態(tài)下為壓縮氣體，承壓管道破裂時屬于物理性爆炸;其計(jì)算能量與試驗(yàn)管道內(nèi)試驗(yàn)壓力、管道內(nèi)部容積、氣體絕熱指數(shù)有關(guān)，運(yùn)用壓縮氣體爆破能量計(jì)算模型計(jì)算其釋放的爆破能量為：

W——發(fā)生物理爆炸釋放的能量，KJ;

P——管道試驗(yàn)時內(nèi)部氣體絕對壓力，MPa;

P0——大氣壓力，本方案取0.1013MPa;

V——試驗(yàn)管道內(nèi)部容積，m3;

K—— 氣體絕熱指數(shù)。

經(jīng)查氣體絕熱指數(shù)表可知，氮?dú)獾臍怏w絕熱指數(shù)K=1.402;

氮?dú)馕锢肀ǖ腡NT當(dāng)量WTNT可用下式計(jì)算

QTNT—每千克TNT的爆炸能，取4184KJ/Kg;

代入公式2可得WTNT值詳見表2。

經(jīng)計(jì)算可知在KBB系統(tǒng)高壓管道氣壓試驗(yàn)過程中，第一試壓回路若發(fā)生爆炸后產(chǎn)生的爆破能量最大，并且折算成TNT重量WTNT=1.929（Kg）數(shù)值最大，從而產(chǎn)生的危害最大，為此本文將按照第一試壓回路的爆炸能量進(jìn)行分析計(jì)算。

3 高壓氣體管道爆炸范圍計(jì)算

當(dāng)高壓氣體管道發(fā)生物理爆炸時進(jìn)行爆炸模擬比數(shù)值計(jì)算[1]。

爆炸模擬比計(jì)算公式：

α—— 爆炸模擬比;

WTNT——氮?dú)馕锢肀ǖ腡NT當(dāng)量;

q0——單位重量TNT爆炸當(dāng)量，取值為1000Kg;

根據(jù)計(jì)算公式3可知兩個試壓回路管道的爆炸模擬比數(shù)值，詳見表3。

通過計(jì)算可知，在假設(shè)發(fā)生爆炸的情況下，兩個試壓回路中第一試壓回路的爆炸模擬比數(shù)值為α=0.124，大于第二試壓回路爆炸模擬比數(shù)值，詳見表4。

根據(jù)R=αR0計(jì)算氣壓試驗(yàn)管道爆炸時所產(chǎn)生的沖擊波超壓對應(yīng)的R值，詳見表5（此計(jì)算表取本系統(tǒng)最大α=0.124值計(jì)算得出）。

根據(jù)表5計(jì)算出超壓對應(yīng)的傷害半徑R，詳見表6。

通過上述計(jì)算分析，HTR-PM氦供應(yīng)與貯存系統(tǒng)的兩個試驗(yàn)回路的最高試驗(yàn)壓力為19MPa、管道內(nèi)部氣體容積為0.2198m3情況下發(fā)生爆炸傷害范圍，其中輕傷范圍最大為距離爆炸中心6.8米處，為了確保試壓期間的安全防止非試驗(yàn)人員誤入，應(yīng)設(shè)置隔離邊界最小范圍半徑為7米。

4 安全操作

高壓管道氣壓試驗(yàn)作為管道安裝施工后檢查管道缺陷和異?，F(xiàn)象的重要手段，確保試驗(yàn)安全的前提就是要按照技術(shù)要求工藝規(guī)程做好試壓方案和安全技術(shù)措施，用以指導(dǎo)現(xiàn)場試壓工作，為防止管道氣壓試驗(yàn)發(fā)生爆炸傷害減低試壓風(fēng)險需要在操作時注意以下幾點(diǎn)：

（1）試壓操作人員在操作前接受安全技術(shù)交底，熟悉施工方案和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和相關(guān)技術(shù)要求，掌握試壓操作方法;試驗(yàn)前嚴(yán)格進(jìn)行試壓先決條件檢查和現(xiàn)場管路核對及問題排查工作，檢查合格后方可進(jìn)行試壓操作;（2）檢查氣壓試驗(yàn)設(shè)備和氣源是否完好，管路應(yīng)暢通、嚴(yán)密;檢查氣體增壓設(shè)備電源是否完好，增壓設(shè)備管路是否嚴(yán)密，管道接頭要緊固牢靠，并在管線上設(shè)置臨時泄壓裝置;（3）試驗(yàn)儀表應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確，作業(yè)前應(yīng)按被試驗(yàn)閥門試驗(yàn)壓力值選用壓力表，壓力表精度等級不低于1.0級，量程范圍為系統(tǒng)各回路試驗(yàn)壓力的1.5～2.0倍，壓力表經(jīng)過標(biāo)定合格并在有效期內(nèi);（4）試驗(yàn)管路應(yīng)有牢固的支吊架支撐，連接好臨時管路確保接頭無松動;（5）核島房間內(nèi)管道在試驗(yàn)前應(yīng)打開通風(fēng)設(shè)備或門窗，保持房間內(nèi)通風(fēng)良好;（6）應(yīng)在被試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)充入試驗(yàn)氣體后等待一定時間，使設(shè)備和管道壁的溫度與試驗(yàn)介質(zhì)的溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，且試驗(yàn)介質(zhì)的溫度大于或等于所規(guī)定的溫度值后，才能開始升壓;（7）用氣瓶（或氣體增壓泵）向系統(tǒng)各試驗(yàn)回路中注入試驗(yàn)升壓介質(zhì)，升壓過程中應(yīng)緩慢升高系統(tǒng)的壓力，達(dá)到試驗(yàn)壓力的50%時，檢查各連接部位是否無泄漏和確認(rèn)儀表指示正常;隨后緩慢升壓到系統(tǒng)試驗(yàn)壓力，并進(jìn)行保壓至設(shè)計(jì)文件規(guī)定時間;（8）在升壓過程中操作人員見到壓力表指針不穩(wěn)或聽到有試驗(yàn)氣體連續(xù)排出聲音時應(yīng)立即停止升壓，關(guān)閉氣源閥門和試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)氣閥門，對試驗(yàn)管道和介質(zhì)輸入管路進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)后通過泄壓閥門對被試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行泄壓，壓力降至大氣壓力后進(jìn)行泄漏部位處理;待完全泄壓后排除故障，才能重新升壓。嚴(yán)禁帶壓進(jìn)行排除故障等操作。在升壓至試驗(yàn)壓力及保壓期間，嚴(yán)禁用小榔頭等敲擊容器或管道等;（9）系統(tǒng)氣壓試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)操作人員記錄試驗(yàn)結(jié)果并通過排氣閥門泄壓，泄壓時需緩慢開啟排氣閥避免氣體流速過快產(chǎn)生尖銳噪聲。

5 結(jié)語

綜上所述，KBB系統(tǒng)高壓管道氣壓試驗(yàn)發(fā)生物理爆炸時重傷半徑即達(dá)3.9m，死亡半徑3.0m，輕傷半徑6.8m，因此管道發(fā)生爆炸，后果是無法接受的。為了避免管道發(fā)生爆炸，在試壓前應(yīng)進(jìn)行爆炸傷害范圍分析并對試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行安全隔離，并在系統(tǒng)試壓時安裝臨時泄壓裝置防止試壓時發(fā)生超壓造成爆炸[3]。此外，在試壓前應(yīng)加強(qiáng)管理和操作人員的培訓(xùn)，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，降低氣壓試驗(yàn)發(fā)生爆炸傷害的風(fēng)險，才能杜絕事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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