氫能崛起，氫氣控制閥應(yīng)用盤點及分析！

本文聚焦于氫氣在能源市場中的悠久歷史、作為未來綠色燃料的潛力，以及氫氣應(yīng)用中控制閥的關(guān)鍵作用與材質(zhì)挑選、逸散性排放控制、性能和可靠性要求、選型考慮和閥門診斷技術(shù)，旨在探討如何確保氫氣應(yīng)用中閥門的安全與高效。

從兩百多年前為第一臺內(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，氫氣在能源市場領(lǐng)域有著非常悠久的歷史。

氫氣是一種需要謹(jǐn)慎對待的氣體，特別是在材料挑選方面，因為使用不當(dāng)材料會造成長期的安全隱患，帶來災(zāi)難性的安全風(fēng)險。本文重點關(guān)注控制閥在氫氣應(yīng)用過程當(dāng)中的重要作用及注意事項。

我們正在走向一個更加綠色的世界，氫也逐漸成為一種越來越普遍的燃料，可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域。將氫氣與天然氣以不同的比例混合（通常為20%/80%），以生產(chǎn)用于燃?xì)獍l(fā)電的氣體，這可以減少約6-7%的二氧化碳排放量；氫還可以作為燃料、氫氣電池或液體形式用于需要長續(xù)航里程的車輛。氫氣可以通過四種基本方式產(chǎn)生。在煉油廠中，氫氣一般從天然氣、石油或煤炭中通過蒸汽甲烷重整或氣化而產(chǎn)生，約96%的氫氣都是通過這一方式生產(chǎn)的。而電解方法目前約占全球氫氣生產(chǎn)總量的 4%。

在確定用于氫氣的控制閥的尺寸和配置時，以及在配置隔離閥和安全閥時，需要在以下五個方面著重考慮。

材質(zhì)的挑選

氫脆（HE）――也稱為氫輔助裂解或氫誘導(dǎo)裂解(HIC)――是一個復(fù)雜的過程，涉及幾種不同的微機制，在上游領(lǐng)域工作過的人都明白這一點。這可能是由于材料挑選和不當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件、金屬氫化物形成、氫的相變以及各種其他因素所造成的。造成氫脆的原因是由于金屬吸收了非常小的氫原子而造成延展性下降。

抗拉強度小于約145ksi (1000 MPa) 或洛氏硬度小于HRC32 的鋼是通常不易發(fā)生氫脆的合金，但還必須考慮溫度，因為鋼的氫脆在接近室溫時達(dá)到最大。大多數(shù)金屬在高于150°C (302°F) 的溫度下相對不受氫脆影響。當(dāng)然還需要考慮壓力，因為發(fā)生最大脆化時的氫分壓約在300至1500psi（20至100 bar）之間。

鋼和類似金屬在相對較低的氫濃度下會發(fā)生氫脆，具體取決于溫度和壓力。通?？山邮艿臍錃鈶?yīng)用材料包括奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅和銅合金。不可以使用鎳和大多數(shù)鎳合金，因為它們會發(fā)生嚴(yán)重的氫脆。同樣，灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵也不應(yīng)用于氫氣設(shè)備。

ASTM F1624等測試可用于在材料挑選過程當(dāng)中對合金和涂層進行排序，以確保開裂閾值低于氫輔助應(yīng)力腐蝕開裂閾值。要在質(zhì)量控制期間，用可對比的方式對生產(chǎn)的材料進行鑒定。諸如上游勘探和生產(chǎn)的NACE MR-0175和煉油廠環(huán)境的NACE MR-0103等標(biāo)準(zhǔn)可以幫助定義氫氣控制閥要求。

同時，還要要考慮用于隔膜和密封的材料。雖然研究和測試正在進行中，但關(guān)于氫與聚合物相容性的研究仍在繼續(xù)進行廣泛的現(xiàn)場測試。用戶了解氣體爆炸減壓的原理，但氫氣又增加了一層復(fù)雜性，特別是對于隔膜而言。控制閥的填料材料在挑選方面似乎很簡單，無非就是螺旋纏繞、聚四氟乙烯或石墨，但對于氫氣應(yīng)用，必須特別注意溫度和壓力。

逸散性排放?

逸散性排放被定義為從承壓設(shè)備（如故障或不準(zhǔn)確使用的閥門）中非故意的氣體或蒸汽排放、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：溫室氣體排放和空氣污染物排放。對于閥門來說，我們更關(guān)注的是溫室氣體排放。

逸散性排放測試是各種不同測試程序和方法的總稱，用于測試和評估控制閥（截止閥、旋轉(zhuǎn)閥和調(diào)節(jié)閥）的閥桿密封件/填料和閥體接頭的外部泄漏完整性。

該項測試需要直接反映實際使用條件，從低溫到環(huán)境溫度和極端高溫和壓力?？刂崎y最普遍的測試標(biāo)準(zhǔn)是 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 。一些公司有自己的測試程序，例如 Shell SPE 77/300和Shell SPE 77/312。在指定、配置或購買控制閥時，應(yīng)該使用適合的標(biāo)準(zhǔn)，并提供第三方見證證明，證明涵蓋準(zhǔn)確的閥桿直徑、材料和測試氣體。應(yīng)該指出的是，任何見證測試不僅應(yīng)包括蒸汽填料，還應(yīng)包括所有閥體接頭以及循環(huán)和溫度變化。

大約60%的逸散性排放來自閥門，每個閥門多達(dá)80%的泄漏源自其閥桿填料，而其他來源是電磁閥、定位器和其他控制附件的排放或排氣口。為了避免泄漏，定期測試和維護對于避免逸散性排放大有幫助。對于氣體逸散排放，定期使用氣體檢測裝置非常有用，有助于檢測此類排放的來源。

性能和可靠性?

閥門安全功能的性能通過按需故障概率 (PFD) 來衡量。通過此計算，可以獲得安全完整性級別 (SIL)作為系統(tǒng)可靠性和完整性的指示，其測量范圍為1到4（4 是最安全且最不可能發(fā)生故障的級別，但很少使用）。這不是挑選閥門類型或生產(chǎn)商時所必需的要求，但是，它確實給了供應(yīng)商的信譽以良好的信心，以及基于國際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的性能和安全性衡量標(biāo)準(zhǔn)。然而，如果控制閥的故障對安全儀表系統(tǒng)(SIF)沒有要求，但可能對任何其他相關(guān)的SIF產(chǎn)生要求，則需要進行額外的分析。

控制閥的選型?

控制閥的選型過程是將系統(tǒng)的流體動力學(xué)與閥門的性能特征相匹配的過程，需要挑選最能滿足過程系統(tǒng)內(nèi)流量管理需求的適當(dāng)尺寸和類型的控制閥。每個控制閥生產(chǎn)商以及一些獨立的軟件公司都根據(jù)ANSI/ISA-75.01.01和IEC 60534-2-1標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了自己的閥門尺寸平臺。

顯然，所有控制閥在其獨特的設(shè)計特性方面都略有不同。盡管它們都使用這些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但每個生產(chǎn)商都存在某些細(xì)微差別，因為閥門某些組件的獨特設(shè)計輪廓可能會影響閥門尺寸評估的結(jié)果。每種尺寸均應(yīng)附有生產(chǎn)商的尺寸數(shù)據(jù)表。獨立的尺寸調(diào)整軟件可以給出理想的尺寸和性能數(shù)據(jù)。

信譽良好的控制閥生產(chǎn)商會進行驗證測試，以確保其閥門所規(guī)定的計算性能在最小可接受的公差范圍內(nèi)與安裝時的實際閥門性能相匹配?？筛鶕?jù)要求進行額外的測試，以驗證精確的流量、產(chǎn)生的噪音、容量和壓降。

除上述因素外，在確定用于氫氣的控制閥的尺寸時，還受到以下幾個因素的影響：

?氫是純元素 (H2)，而甲烷是由碳和氫 (CH4) 組成的化合物。與天然氣相比，氫中不含碳是造成差異的主要因素。

?元素周期表是按分子量排序的。氫（H2）作為元素周期表中的第一個元素，是一種非常輕的分子。甲烷 (CH4) 是一種由碳和氫組成的化合物，比氫重得多，其分子量是氫的8倍。這增加了填料和接頭以及閥門尺寸泄漏的可能性。

?易燃性是影響閥門挑選的另一個要考慮的問題，尤其是填料和接頭。氫氣會在空氣濃度較高和較低的情況下燃燒，如果存在泄漏，燃燒的可能性就更大了。

氫氣中的閥門診斷?

隨著世界工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能系統(tǒng)的發(fā)展，控制閥診斷現(xiàn)已成為新時代監(jiān)控和管理控制閥的關(guān)鍵部分。這涉及使用定位器來監(jiān)測閥門的健康狀況并收集有關(guān)其位置、條件和性能的數(shù)據(jù)。

了解閥門操作條件和性能的變化對于在故障發(fā)生之前采取行動至關(guān)重要。任何在線閥門診斷都應(yīng)該包括關(guān)鍵性能指標(biāo)，這些指標(biāo)在閥門使用期間都要持續(xù)監(jiān)控，從而在不使過程離線的情況下，提供對閥門系統(tǒng)實際運行性能的真實分析。

為了充分利用系統(tǒng)和流程，最好是擁有一個閥門資產(chǎn)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在工廠所有閥門的整個生命周期中追蹤所有生產(chǎn)商的資產(chǎn)。

氫重量輕、可儲存、能量密集，而且不產(chǎn)生直接的溫室氣體。但想要使氫對清理能源轉(zhuǎn)型做出重大貢獻，就需要所有行業(yè)都采用氫作為減少溫室氣體排放的關(guān)鍵燃料。隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，氫氣應(yīng)用中使用的閥門必須具有合適的尺寸，并由合適的材料構(gòu)成，以適應(yīng)應(yīng)用的需要。