氫在能源市場中有著悠久的歷史——從200多年前為第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，到成為現(xiàn)代煉油工業(yè)不可或缺的一部分。當(dāng)我們談?wù)摎涞膽?yīng)用時(shí)，大多數(shù)人會(huì)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(jìn)化學(xué)反應(yīng)，或作為燃料為產(chǎn)生蒸汽的爐子提供動(dòng)力，以支持多個(gè)煉油過程。需要特別指出的是，氫氣是一種氣體，必須謹(jǐn)慎處理，尤其是在材料選擇方面。若使用不當(dāng)材料，可能導(dǎo)致災(zāi)難性安全風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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?xì)廨啓C(jī)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(jì)和配置控制閥時(shí)，控制閥工程師必須格外謹(jǐn)慎。尤其是在當(dāng)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(jī)液體儲(chǔ)氫載體（LOHC）攜帶的氫）在全球范圍內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)和運(yùn)輸。所有這些形式的氫氣都需要適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟瓤刂?，以使其作為純氫氣或作為載體運(yùn)輸?shù)綗o法本地生產(chǎn)足夠氫氣以滿足當(dāng)?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(shí)，有五個(gè)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(gè)涉及多種不同微觀機(jī)制的復(fù)雜過程，對(duì)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(rèn)為氫脆是一個(gè)復(fù)雜的問題，可能由材料選擇不當(dāng)、環(huán)境條件、金屬氫化物形成、氫的擴(kuò)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(qiáng)度低于約145 ksi（1000 MPa）或洛氏硬度低于HRC 32的鋼材，通常不會(huì)受到氫脆的影響。溫度是另一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)樵阡摬闹?，氫脆在室溫附近達(dá)到最大值，但大多數(shù)金屬在150°C（302°F）以上的溫度下相對(duì)不受氫脆影響。壓力也需考慮，因?yàn)闅浯噙_(dá)到最大值時(shí)的氫分壓估計(jì)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(duì)較低的氫濃度下也會(huì)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?yàn)樗鼈內(nèi)菀装l(fā)生嚴(yán)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(cè)試方法在材料選型階段對(duì)合金和涂層進(jìn)行分級(jí)，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(jìn)行測(cè)試，以快速且可比的方式對(duì)生產(chǎn)的材料進(jìn)行合格評(píng)定。針對(duì)上游勘探與生產(chǎn)環(huán)境的NACE MR-0175標(biāo)準(zhǔn)，以及針對(duì)煉油環(huán)境的NACE MR-0103標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)，還需考慮隔膜和密封件所用的材料。盡管相關(guān)研究和測(cè)試仍在進(jìn)行中，但氫氣與聚合物的兼容性仍處于廣泛研究和驗(yàn)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(duì)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(duì)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(dāng)?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(duì)于閥門而言，我們關(guān)注的是溫室氣體排放。

逸散性排放測(cè)試是一個(gè)統(tǒng)稱，涵蓋了用于測(cè)試和評(píng)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(cè)試程序和方法。

測(cè)試必須直接反映實(shí)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，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(cè)試氣體。需特別注意，任何見證測(cè)試不僅應(yīng)包括閥桿填料，還需涵蓋閥體所有接頭在整個(gè)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(gè)閥門中多達(dá)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(cè)試和維護(hù)對(duì)預(yù)防逸散性排放至關(guān)重要。對(duì)于氣體泄漏排放，定期使用氣體檢測(cè)設(shè)備非常有用，有助于檢測(cè)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(shí)失效概率”（PFD）進(jìn)行衡量。通過此計(jì)算，可獲得“安全完整性等級(jí)”（SIL）作為系統(tǒng)可靠性和完整性的指標(biāo)，其評(píng)分范圍為1至4級(jí)（4級(jí)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(shí)的必要條件，但它確實(shí)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(biāo)準(zhǔn)衡量性能和安全性。

然而，如果控制閥的故障不會(huì)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(yùn)行，則需進(jìn)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(dòng)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(gè)控制閥制造商，以及一些獨(dú)立的軟件公司，都基于ANSI/ISA-75.01.01和IEC 60534-2-1標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了各自的閥門選型平臺(tái)。

顯然，所有控制閥在設(shè)計(jì)特征上都略有不同。盡管它們都采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但由于閥門某些組件的獨(dú)特設(shè)計(jì)特征，每個(gè)制造商都有一些細(xì)微差別，這些差別可能會(huì)影響閥門選型評(píng)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(dú)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(shí)際工況可能存在差異。

信譽(yù)良好的控制閥制造商會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，以確保其閥門所標(biāo)明的計(jì)算性能與實(shí)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(jìn)行額外測(cè)試以驗(yàn)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(gè)因素影響：

氫氣是純?cè)兀℉?），而甲烷是碳?xì)浠衔铮–H?）。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(gè)元素的雙原子分子，分子量極小。甲烷（CH?）是碳?xì)浠衔铮浞肿恿考s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(gè)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(shí)需格外謹(jǐn)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(xì)微差別的制造商，以確保實(shí)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(shí)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(cè)閥門狀態(tài)，收集其位置、運(yùn)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(yùn)行連續(xù)性。

了解閥門運(yùn)行條件和性能的變化對(duì)于在故障發(fā)生前采取行動(dòng)至關(guān)重要。如果您沒有對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和跟蹤，您只能依賴經(jīng)驗(yàn)判斷，難以實(shí)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(biāo)（KPIs），這些指標(biāo)在閥門運(yùn)行期間持續(xù)監(jiān)測(cè)，無需將工藝系統(tǒng)離線即可提供閥門系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行性能的真實(shí)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(gè)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(kuò)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(yùn)輸和卸載方面的轉(zhuǎn)型已然發(fā)生。當(dāng)然，當(dāng)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。