氢气输送管道改造方案的分析

氢气输送管道改造方案的分析

陈金萍

上海利柏特工程技术有限公司上海市 201199

摘要:氢气作为清洁能源，随着氢燃料电池汽车的推广，氢气市场需求递增，加氢站建设已经驶入快车道，未来供氢比重将大幅提升。氢气几乎都是管道输送，所以氢气输送管线的设计越来越重要，为了正确贯彻国家基本建设的节能减排方针政策，将有大量的现存氢气管线需要进行升级改造。

关键词：氢气，流程，管径，材料，改造方案

1. 氢气输送管道的改造原因

本文所述改造的氢气输送管线属于国内某合资化工企业A，供气来自化工园区的氢气站，化工企业A和化工园区的氢气站之间隔着另一家化工企业B。改造前的氢气管道从化工园区氢气站界区点接出，穿过化工企业B，并布置在该企业靠近东面围墙的管廊上，输送进入化工企业A的生产装置界区点，最后进入生产装置（用户），由于氢气管道穿越了不相关的区域（化工企业B）且与周围建筑物的间距不能满足防火要求，不符合现行标准规范的要求，故进行升级改造。

2. 氢气输送管道的工艺流程说明

在化工园区集中计量处设置紧急切断阀、压力变送器、质量流量计，信号送至控制室。对氢气管道的压力及输送情况密切监控，当出现事故状况时，立即启动紧急切断阀，阻断氢气的继续输送，防止事故进一步扩大。在厂区内氢气缓冲罐处增加安全阀，在氢气管道上设置紧急放空，并设置氮气吹扫置换接口，在管道开停车、检维修时进行氮气吹扫置换。在阀门等密封连接处，定期进行漏气检查，厂区内设置可燃气体检测报警仪。本次氢气输送管道改造的范围是从化工园区氢气站界区点开始，经化工企业B至化工企业A装置区界区点的氢气管线，工艺流程方框图见图一，管道一览表见表1。

图一 工艺流程方框图

注：虚线框内为本次改造的范围

表1 管道一览表

3. 氢气输送管道管径、材料和焊接工艺选择

氢气属于易燃易爆气体，管道质量老化、失效会导致氢气泄漏或压力管道破裂伤人，氢气泄漏遇到火源很容易发生火灾和爆炸事故，为了防止氢气管道火灾爆炸事故扩大，《氢气站设计规范》GB50177规定管道选用无缝钢管，管道连接方式采用焊接，管件选用与管道相同材质的对焊无缝管件，这样可以避免氢气泄露造成燃烧和爆炸事故发生，同时规范中要求碳钢管的流速不大于15m/s。改造管道选用无缝碳钢管道；管道的公称直径DN100，计算流速约为5m/s，满足了规范的要求。

原有TIE-IN点材料为GB/T8163的无缝碳钢管道，钢管尺寸为HG/T20553（Ⅱ系列），管径为DN100，管道外径为φ108mm，壁厚为5mm；改造项目所采用的是GB/T8163无缝碳钢管道，钢管尺寸为HG/T20553（Ⅰa系列），管径为DN100，壁厚为SCH40，即管道外径为φ114.3mm，壁厚为6mm。由于两边钢管选用的尺寸系列不同，导致钢管外径和壁厚也不同，所以管道不能直接焊接，通过在TIE-IN点增加φ114.3 x φ108的转换特殊件来解决连接问题。管道的支架采用不燃烧钢材，这种材质在空气中遇明火或高温作用下不起火、不微燃、不炭化，避免发生次生危险。

国内化工园区内企业之间物料互供基本都采用公用管廊支撑的管道输送形式。本改造项目也不例外，采用管道输送氢气，为了确保氢气管道系统安全运行，要在安装过程中每个环节和每个步骤都要采取防止焊渣、铁屑、可燃物等进入管道内的措施，否则在管道安装完毕后再来检查和消除焊渣、铁屑、可燃物等是十分麻烦和困难的，而且不易彻底清除干净，所以氢气管道宜采用氩弧焊作为底焊的焊接方式。

4. 氢气输送管道改造方案的确定

改造前的氢气管道起点为化工园区氢气站，通过化工企业B内部管廊，最终接至化工企业A生产装置，管道穿过了与之无关的装置和工厂，并且氢气管道不满足与相邻建筑物之间的防火间距要求。

1. 1. 氢气输送管道改造思路和改造区域的确定

氢气输送管道改造的思路是将氢气管道由原来在化工厂B内部管廊上（长度大约700米）改造至化工厂B的厂区外，沿化工厂B的厂区围墙架空布置，长度大约300米。如此改动就需要定义该氢气管线是厂区管道还是厂际管道。根据《石油化工企业设计防火标准》GB50160的要求，若是厂际管道，架空的氢气管线距相邻工厂（围墙或用地边界）的防火间距为20米，若是厂区管道则没有特别要求，只需要距离围墙1米即可。厂际管道是指石油化工企业、油库、油气码头等相互之间输送可燃气体、液化烃和可燃液体物料的管道（石油化工园区除外）。其特征是管道敷设在石油化工企业、油库、油气码头等围墙或用地边界线之间且通过公共区域、长度小于或等于30km^【1】。由于该氢气输送管道位于石油化工园区且没有通过公共区域，依据厂际管道的定义不属于厂际管道；经和业主沟通确认将该氢气管道定义为厂区管道，管线只需布置在化工厂B的厂区外，沿围墙外1米架空敷设即可。这样在很大程度上节省了占地面积，有效的使用了土地资源，为今后园区的建设提供了土地保障。同时改造后的氢气输送管道满足了与建筑物之间的防火间距要求。

确定好改造思路和改造区域，则需要确定管道的走向方案。虽然此氢气管道为常温管道，压力也不高（设计压力1.6MPa），但水平管道长度约为270米，正常操作会有几十毫米的水平位移，所以在配管时需要重点考虑如何解决管道的水平位移问题。

1. 2. 氢气输送管道改造方案一

方案一是采取管道步步高的形式，从氢气站TIE-IN点无”袋型”接至用户TIE-IN点，通过合理设置管道支架的形式来解决管道水平位移的问题。本方案采用的是大约在水平管道的中间位置设置固定架，将长的水平管道分隔成两个相对短的水平直段，这样每段的水平位移大约是原来总位移量的一半，让管道向两边膨胀，利用垂直管道的变形来吸收水平管道的位移；依据管道跨距每5米设置一个支架，间隔设置导向架，同时将两个TIE-IN点处的支架设置为滑动支架。方案一的管道轴测图见图二。

图二方案一的管道轴测图

1. 3. 氢气输送管道改造方案二

方案二是在管道两个TIE-IN点附近分别做固定架，将改造管线与原有管线通过固定支架隔开，让管道在本次改造的范围内自由膨胀，为了吸收水平管道的位移需要增加管道自然补偿，因此在水平管道的中间位置增加π形补偿。通过应力计算至少要增加一个臂长为3米的π形才能吸收水平位移，π形补偿可以设置成水平或者垂直的，水平的需要增加占地面积，为了减少管道的占地面积优先选择垂直的π形补偿，在π型补偿的高点位置需要增加一个高于其它管架3米的管道支撑。方案二的管道轴测图见图三。

图三 方案二的管道轴测图

1. 4. 氢气输送管道改造方案的比较和选择

综上所述，方案一的优点是管线无袋形，布局合理，整齐美观；缺点是原有管线和改造管线没有通过支架分隔开，在TIE-IN点有位移。方案二的优点是将原有管线和改造管线通过固定支架分隔开了，在TIE-IN点几乎没有位移；缺点则是管道材料增加了，管系出现了高点“气袋”和低点“液袋”。通过对比，综合考量，显然方案一更优，故该项目氢气输送管道采用方案一实施改造。

1. 5. 氢气输送管道的安全保护措施和防护

由于氢气属于易燃易爆气体，管道的静电容易引起火灾和爆炸事故，因此对于室外架空敷设的氢气管道需要做静电接地，并且还应与防雷电感应的接地装置相连，防止因静电产生火灾和爆炸事故，消除安全隐患。

该改造氢气管道为不保温碳钢管道，为了防止管道受到外部环境的腐蚀，按项目涂漆规定要求对管道表面进行涂漆。

5. 小结

通过本次氢气输送管道改造，使得化工企业A的氢气输送管道完全避开了化工企业B的厂区范围，满足了氢气输送管道与各建筑物之间的防火间距要求，消除了存在的安全隐患，确保了安全生产；同时管理也更加方便，氢气输送管线的检查与维修不再受化工企业B的影响。其次，缩短了输送距离，管道由原来的大约700米缩短至现在的大约300米，节省了管道材料，降低了管道压降和运行成本，节约了能源，减少了碳排放，有效保护了环境，做到了经济合理，符合了国家节能减排的政策方针。

参考文献：

[1] GB 50160-2008《石油化工企业设计防火标准》（2018版）[M] 中国计划出版社出版发行,P5