氫在能源市場中有著悠久的歷史——從200多年前為第一臺內(nèi)燃機提供動力，到成為現(xiàn)代煉油工業(yè)不可或缺的一部分。當我們談?wù)摎涞膽?yīng)用時，大多數(shù)人會想到氫在煉油廠中的用途，例如用于去除汽油、柴油和其他精煉產(chǎn)品中的硫，作為催化劑促進化學(xué)反應(yīng)，或作為燃料為產(chǎn)生蒸汽的爐子提供動力，以支持多個煉油過程。需要特別指出的是，氫氣是一種氣體，必須謹慎處理，尤其是在材料選擇方面。若使用不當材料，可能導(dǎo)致災(zāi)難性安全風險并引發(fā)長期安全隱患。

隨著我們邁向更綠色的世界，氫氣正成為越來越常見的燃料，并預(yù)計將在各種應(yīng)用中得到使用。這些應(yīng)用包括將氫氣與天然氣按一定比例混合（通常為20%/80%），用于燃氣輪機發(fā)電，可使二氧化碳排放量降低約6～7%；或在交通領(lǐng)域作為替代燃料，如用于氫燃料電池，或以液態(tài)形式應(yīng)用于需更長續(xù)航里程的車輛。

氫氣可通過四種基本方式生產(chǎn)。在煉油廠，氫氣傳統(tǒng)上通過蒸汽甲烷重整或氣化工藝從天然氣、石油或煤炭中制取，目前約96%的氫氣采用此工藝生產(chǎn)。電解是第四種方法，目前占全球氫氣總產(chǎn)量的約4%。

在為氫氣和液態(tài)氫應(yīng)用設(shè)計和配置控制閥時，控制閥工程師必須格外謹慎。尤其是在當前，氫氣正以多種形式（包括氣態(tài)氫、液態(tài)氫、液氨，以及通過有機液體儲氫載體（LOHC）攜帶的氫）在全球范圍內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)和運輸。所有這些形式的氫氣都需要適當?shù)膲毫蜏囟瓤刂?，以使其作為純氫氣或作為載體運輸?shù)綗o法本地生產(chǎn)足夠氫氣以滿足當?shù)匦枨蟮牡貐^(qū)。

在確定氫氣應(yīng)用中控制閥的尺寸、選型與配置，以及隔離閥和安全閥的配置時，有五個關(guān)鍵領(lǐng)域需要考慮。

材料選擇

氫脆（HE），又稱氫輔助開裂或氫誘導(dǎo)開裂（HIC），是一個涉及多種不同微觀機制的復(fù)雜過程，對從事上游行業(yè)的人士而言并不陌生。然而，近年來，人們普遍認為氫脆是一個復(fù)雜的問題，可能由材料選擇不當、環(huán)境條件、金屬氫化物形成、氫的擴散行為以及其他多種因素共同作用引起，且不一定能確定單一原因。氫脆的結(jié)果是由于吸收了極小的氫原子導(dǎo)致材料韌性降低。

抗拉強度低于約145 ksi（1000 MPa）或洛氏硬度低于HRC 32的鋼材，通常不會受到氫脆的影響。溫度是另一個關(guān)鍵因素，因為在鋼材中，氫脆在室溫附近達到最大值，但大多數(shù)金屬在150°C（302°F）以上的溫度下相對不受氫脆影響。壓力也需考慮，因為氫脆達到最大值時的氫分壓估計在300至1500 psi（20至100 bar）之間。

需要注意的是，氫脆現(xiàn)象在鋼材及類似金屬中即使在相對較低的氫濃度下也會發(fā)生，具體取決于溫度和壓力條件。適用于氫環(huán)境的材料通常包括奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅及銅合金。鎳及大多數(shù)鎳合金不應(yīng)使用，因為它們?nèi)菀装l(fā)生嚴重的氫脆?；诣T鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵也不應(yīng)用于氫環(huán)境。

可采用ASTM F1624等測試方法在材料選型階段對合金和涂層進行分級，以確保其抗開裂能力高于氫致應(yīng)力腐蝕開裂的臨界水平。在質(zhì)量控制過程中應(yīng)進行測試，以快速且可比的方式對生產(chǎn)的材料進行合格評定。針對上游勘探與生產(chǎn)環(huán)境的NACE MR-0175標準，以及針對煉油環(huán)境的NACE MR-0103標準，可幫助定義和規(guī)定氫氣環(huán)境下控制閥的要求。

在選擇材料時，還需考慮隔膜和密封件所用的材料。盡管相關(guān)研究和測試仍在進行中，但氫氣與聚合物的兼容性仍處于廣泛研究和驗證階段。用戶了解氣體爆炸性解壓的原理，但氫氣增加了另一層復(fù)雜性，尤其對隔膜而言?？刂崎y的填料材料在選擇上看似簡單，如螺旋纏繞、PTFE或石墨，但對于氫氣應(yīng)用，必須特別考慮溫度和壓力因素。

逸散性排放

逸散性排放是指從壓力容器設(shè)備（如故障或安裝不當?shù)拈y門）中意外和/或不希望發(fā)生的氣體或蒸汽排放或泄漏。

影響環(huán)境、空氣質(zhì)量和人類健康的排放主要有兩種類型：溫室氣體排放（GHG）和空氣污染物排放。對于閥門而言，我們關(guān)注的是溫室氣體排放。

逸散性排放測試是一個統(tǒng)稱，涵蓋了用于測試和評估控制閥（包括直通控制閥、角行程控制閥和調(diào)節(jié)器）閥桿密封（填料）及閥體接頭外部泄漏完整性的各種不同測試程序和方法。

測試必須直接反映實際服務(wù)條件，涵蓋從低溫到常溫以及極端高溫和高壓的環(huán)境?？刂崎y最常用的測試標準包括ISO-15848-1和2、ANSI/ISA S93.00.01、ANSI/FCI 91-1、TA-Luft/VDI 2440、API-622、API-624和API-641。部分企業(yè)擁有自有測試程序，例如殼牌SPE 77/300和殼牌SPE 77/312。在指定、選型或采購控制閥時，應(yīng)采用適當?shù)臉藴?，并提供第三方見證證書，確保涵蓋正確的閥桿直徑、材料及測試氣體。需特別注意，任何見證測試不僅應(yīng)包括閥桿填料，還需涵蓋閥體所有接頭在整個循環(huán)及溫度變化過程中的性能。

約60%的逸散性排放來自閥門，而每個閥門中多達80%的泄漏源自其閥桿填料。閥門的其他泄漏源包括電磁閥、定位器及其他控制附件的排氣或泄壓口。為防止泄漏發(fā)生，定期測試和維護對預(yù)防逸散性排放至關(guān)重要。對于氣體泄漏排放，定期使用氣體檢測設(shè)備非常有用，有助于檢測此類排放的來源。

性能與可靠性

閥門安全功能的性能通過“需求時失效概率”（PFD）進行衡量。通過此計算，可獲得“安全完整性等級”（SIL）作為系統(tǒng)可靠性和完整性的指標，其評分范圍為1至4級（4級為最安全且故障概率最低，但極少使用）。這并非選擇閥門類型或制造商時的必要條件，但它確實能提供一定程度的信心，表明供應(yīng)商值得信賴，并基于國際行業(yè)標準衡量性能和安全性。

然而，如果控制閥的故障不會觸發(fā)其所屬的安全儀表功能（SIF），但可能影響其他相關(guān)SIF的正常運行，則需進行額外分析。

控制閥選型

控制閥選型過程是將系統(tǒng)流體動力學(xué)特性與閥門性能特性相匹配的程序。此過程選取尺寸和類型適配的控制閥，以最佳滿足工藝系統(tǒng)流量管理需求。每個控制閥制造商，以及一些獨立的軟件公司，都基于ANSI/ISA-75.01.01和IEC 60534-2-1標準開發(fā)了各自的閥門選型平臺。

顯然，所有控制閥在設(shè)計特征上都略有不同。盡管它們都采用行業(yè)標準，但由于閥門某些組件的獨特設(shè)計特征，每個制造商都有一些細微差別，這些差別可能會影響閥門選型評估的結(jié)果。每次選型都應(yīng)附上制造商的選型數(shù)據(jù)表。獨立的選型軟件可以提供理想的尺寸和性能數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)是在理想化條件下得出的，與實際工況可能存在差異。

信譽良好的控制閥制造商會進行驗證測試，以確保其閥門所標明的計算性能與實際安裝后的閥門性能在最小可接受公差范圍內(nèi)一致。應(yīng)要求可進行額外測試以驗證精確流量、噪聲水平、容量和壓力降。

除上述內(nèi)容外，氫氣應(yīng)用中控制閥的選型還受多個因素影響：

氫氣是純元素（H?），而甲烷是碳氫化合物（CH?）。氫氣不含碳，這是其與天然氣性能差異的主要原因之一。

氫（H?）是元素周期表中第一個元素的雙原子分子，分子量極小。甲烷（CH?）是碳氫化合物，其分子量約為氫的八倍，因此重得多。氫分子尺寸小、質(zhì)量輕，更容易在密封件、接頭和閥門連接處發(fā)生泄漏。

可燃性是另一個影響閥門選擇的因素，尤其是密封件和接頭。氫氣在空氣中具有較寬的可燃范圍（4%–75%），因此一旦泄漏，極易引發(fā)燃燒或爆炸。

在選擇控制閥時需格外謹慎。始終選擇能提供證據(jù)和案例，證明其真正理解氫氣應(yīng)用細微差別的制造商，以確保實現(xiàn)最高的安全性與最優(yōu)性能。

氫氣中的閥門診斷

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和智能系統(tǒng)的發(fā)展，控制閥門診斷已成為新時代監(jiān)控和管理控制閥門的重要組成部分。這涉及利用定位器監(jiān)測閥門狀態(tài)，收集其位置、運行條件和性能數(shù)據(jù)，以提升工廠效率和工藝系統(tǒng)的運行連續(xù)性。

了解閥門運行條件和性能的變化對于在故障發(fā)生前采取行動至關(guān)重要。如果您沒有對系統(tǒng)進行測量和跟蹤，您只能依賴經(jīng)驗判斷，難以實現(xiàn)最佳性能。

任何在線閥門診斷都應(yīng)包含關(guān)鍵性能指標（KPIs），這些指標在閥門運行期間持續(xù)監(jiān)測，無需將工藝系統(tǒng)離線即可提供閥門系統(tǒng)實際運行性能的真實洞察。

為了充分利用您的系統(tǒng)和流程，理想的做法是采用支持多廠商設(shè)備的閥門資產(chǎn)管理系統(tǒng)，能夠跟蹤來自所有制造商的閥門資產(chǎn)，覆蓋工廠內(nèi)所有閥門整個生命周期。

結(jié)論

氫氣質(zhì)量輕、能量密度高，且使用過程中不直接產(chǎn)生溫室氣體。但要使其在清潔能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用，必須在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，以減少溫室氣體排放。隨著行業(yè)持續(xù)發(fā)展，氫氣應(yīng)用中使用的閥門必須始終確保尺寸合適并采用適用于具體應(yīng)用場景的材料。

目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括安全、監(jiān)管、可擴展性和降低成本等問題。以氫能為例，與20年前液化天然氣（LNG）的發(fā)展階段相比，其在生產(chǎn)、運輸和卸載方面的轉(zhuǎn)型已然發(fā)生。當然，當前的挑戰(zhàn)與過去不同，且目前尚未完全具備充分利用氫能及其在全球新角色所需的全部工藝和設(shè)備，但氫能作為未來主要能源之一的前景已十分明確。