氦供应与贮存系统管道气压试验爆炸伤害分析

郑佳 郑艳奇

摘 要：高温气冷堆核电站示范工程（简称HTR-PM）氦供应与贮存系统（KBB）的最高试验压力为19MPa，且设计要求采用气压试验。运用高压气体爆炸能量计算公式，对氦供应与贮存系统管道物理爆炸能量及波及半径进行定量评价，计算出损伤半径，为系统管道的试压安全管理提供依据，降低试验发生爆炸伤害的风险。

关键词：气压试验;爆炸能量;定量评价

中图分类号：TQ055.81 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0062-02

0 引言

高温气冷堆工程氦供应与贮存系统（KBB）的功能是为接受由氦气供应商供应的批量氦气、贮存反应堆停堆降压检查和检修时排出的氦气、补充因日常泄漏而导致的堆内氦气短缺以及其它工艺过程用的氦气，按照工艺要求该系统在安装和试压过程中不能有水进入为此在满足其使用功能要求的前提下需进行高压气压试验;试验介质采用属于化学性质稳定，不参与燃烧的惰性气体氮气，同时氮气的物理性能稳定，特殊情况下发生爆炸亦为物理爆炸[2]。为了有效预防管道物理爆炸能量对人员的损伤，本文对物理爆炸能量产生的损伤半径进行分析得出了安全警戒距离的定量计算方法，同时提出了高压管道气压试验的安全操作要求，降低高压管道气压试验发生爆炸伤害的风险。

1 氦供应与贮存系统介绍

氦供应与贮存系统管道分为两个压力等级，且分两个试压回路进行试压，本系统不锈钢管道均采用气压试验，试验温度为常温，气压试验介质采用纯氮气进行气压试验，具体各回路试验管道设计压力和试验压力详见表1。

2 高压氮气试验管道爆炸分析

本试验方案最可能发生的事故是管道气压试验发生物理爆炸，具体分析如下：

当管道气压试验时发生爆炸，气体膨胀所释放的能量（即爆破能量）不仅与气体压力和管道内部容积有关而且与介质在容器内的物理性质状态有关，氮气为非热力气体，无焓值、熵值;承压状态下为压缩气体，承压管道破裂时属于物理性爆炸;其计算能量与试验管道内试验压力、管道内部容积、气体绝热指数有关，运用压缩气体爆破能量计算模型计算其释放的爆破能量为：

W——发生物理爆炸释放的能量，KJ;

P——管道试验时内部气体绝对压力，MPa;

P0——大气压力，本方案取0.1013MPa;

V——试验管道内部容积，m3;

K—— 气体绝热指数。

经查气体绝热指数表可知，氮气的气体绝热指数K=1.402;

氮气物理爆炸的TNT当量WTNT可用下式计算

QTNT—每千克TNT的爆炸能，取4184KJ/Kg;

代入公式2可得WTNT值详见表2。

经计算可知在KBB系统高压管道气压试验过程中，第一试压回路若发生爆炸后产生的爆破能量最大，并且折算成TNT重量WTNT=1.929（Kg）数值最大，从而产生的危害最大，为此本文将按照第一试压回路的爆炸能量进行分析计算。

3 高压气体管道爆炸范围计算

当高压气体管道发生物理爆炸时进行爆炸模拟比数值计算[1]。

爆炸模拟比计算公式：

α—— 爆炸模拟比;

WTNT——氮气物理爆炸的TNT当量;

q0——单位重量TNT爆炸当量，取值为1000Kg;

根据计算公式3可知两个试压回路管道的爆炸模拟比数值，详见表3。

通过计算可知，在假设发生爆炸的情况下，两个试压回路中第一试压回路的爆炸模拟比数值为α=0.124，大于第二试压回路爆炸模拟比数值，详见表4。

根据R=αR0计算气压试验管道爆炸时所产生的冲击波超压对应的R值，详见表5（此计算表取本系统最大α=0.124值计算得出）。

根据表5计算出超压对应的伤害半径R，详见表6。

通过上述计算分析，HTR-PM氦供应与贮存系统的两个试验回路的最高试验压力为19MPa、管道内部气体容积为0.2198m3情况下发生爆炸伤害范围，其中轻伤范围最大为距离爆炸中心6.8米处，为了确保试压期间的安全防止非试验人员误入，应设置隔离边界最小范围半径为7米。

4 安全操作

高压管道气压试验作为管道安装施工后检查管道缺陷和异常现象的重要手段，确保试验安全的前提就是要按照技术要求工艺规程做好试压方案和安全技术措施，用以指导现场试压工作，为防止管道气压试验发生爆炸伤害减低试压风险需要在操作时注意以下几点：

（1）试压操作人员在操作前接受安全技术交底，熟悉施工方案和系统结构、性能和相关技术要求，掌握试压操作方法;试验前严格进行试压先决条件检查和现场管路核对及问题排查工作，检查合格后方可进行试压操作;（2）检查气压试验设备和气源是否完好，管路应畅通、严密;检查气体增压设备电源是否完好，增压设备管路是否严密，管道接头要紧固牢靠，并在管线上设置临时泄压装置;（3）试验仪表应灵敏、准确，作业前应按被试验阀门试验压力值选用压力表，压力表精度等级不低于1.0级，量程范围为系统各回路试验压力的1.5～2.0倍，压力表经过标定合格并在有效期内;（4）试验管路应有牢固的支吊架支撐，连接好临时管路确保接头无松动;（5）核岛房间内管道在试验前应打开通风设备或门窗，保持房间内通风良好;（6）应在被试验系统内充入试验气体后等待一定时间，使设备和管道壁的温度与试验介质的温度达到平衡状态，且试验介质的温度大于或等于所规定的温度值后，才能开始升压;（7）用气瓶（或气体增压泵）向系统各试验回路中注入试验升压介质，升压过程中应缓慢升高系统的压力，达到试验压力的50%时，检查各连接部位是否无泄漏和确认仪表指示正常;随后缓慢升压到系统试验压力，并进行保压至设计文件规定时间;（8）在升压过程中操作人员见到压力表指针不稳或听到有试验气体连续排出声音时应立即停止升压，关闭气源阀门和试验介质进气阀门，对试验管道和介质输入管路进行检查，发现泄漏点后通过泄压阀门对被试验系统进行泄压，压力降至大气压力后进行泄漏部位处理;待完全泄压后排除故障，才能重新升压。严禁带压进行排除故障等操作。在升压至试验压力及保压期间，严禁用小榔头等敲击容器或管道等;（9）系统气压试验完成后，试验操作人员记录试验结果并通过排气阀门泄压，泄压时需缓慢开启排气阀避免气体流速过快产生尖锐噪声。

5 结语

综上所述，KBB系统高压管道气压试验发生物理爆炸时重伤半径即达3.9m，死亡半径3.0m，轻伤半径6.8m，因此管道发生爆炸，后果是无法接受的。为了避免管道发生爆炸，在试压前应进行爆炸伤害范围分析并对试验区域进行安全隔离，并在系统试压时安装临时泄压装置防止试压时发生超压造成爆炸[3]。此外，在试压前应加强管理和操作人员的培训，严格执行操作规程，降低气压试验发生爆炸伤害的风险，才能杜绝事故的发生。

参考文献

[1] 蒋建.工业防爆实用技术手册[M].辽宁：辽宁科学技术出版社出版，1996.

[2] 吴宗之.危险评价方法及其应用[M].北京：冶金出版社，2001.

[3] 刘鹏，王志全，贺红霞，等.二氧化碳储罐物理爆炸能量及波及半径的定量评价[J].天然气化工，2004（3）：30-31.