控制阀在氢能行业的应用与选型要点

氢在能源市场中有着悠久的历史——从200多年前为第一台内燃机提供动力，到成为现代炼油工业不可或缺的一部分。当我们谈论氢的应用时，大多数人会想到氢在炼油厂中的用途，例如用于去除汽油、柴油和其他精炼产品中的硫，作为催化剂促进化学反应，或作为燃料为产生蒸汽的炉子提供动力，以支持多个炼油过程。需要特别指出的是，氢气是一种气体，必须谨慎处理，尤其是在材料选择方面。若使用不当材料，可能导致灾难性安全风险并引发长期安全隐患。

随着我们迈向更绿色的世界，氢气正成为越来越常见的燃料，并预计将在各种应用中得到使用。这些应用包括将氢气与天然气按一定比例混合（通常为20%/80%），用于燃气轮机发电，可使二氧化碳排放量降低约6～7%；或在交通领域作为替代燃料，如用于氢燃料电池，或以液态形式应用于需更长续航里程的车辆。

氢气可通过四种基本方式生产。在炼油厂，氢气传统上通过蒸汽甲烷重整或气化工艺从天然气、石油或煤炭中制取，目前约96%的氢气采用此工艺生产。电解是第四种方法，目前占全球氢气总产量的约4%。

在为氢气和液态氢应用设计和配置控制阀时，控制阀工程师必须格外谨慎。尤其是在当前，氢气正以多种形式（包括气态氢、液态氢、液氨，以及通过有机液体储氢载体（LOHC）携带的氢）在全球范围内大规模生产和运输。所有这些形式的氢气都需要适当的压力和温度控制，以使其作为纯氢气或作为载体运输到无法本地生产足够氢气以满足当地需求的地区。

在确定氢气应用中控制阀的尺寸、选型与配置，以及隔离阀和安全阀的配置时，有五个关键领域需要考虑。

材料选择

氢脆（HE），又称氢辅助开裂或氢诱导开裂（HIC），是一个涉及多种不同微观机制的复杂过程，对从事上游行业的人士而言并不陌生。然而，近年来，人们普遍认为氢脆是一个复杂的问题，可能由材料选择不当、环境条件、金属氢化物形成、氢的扩散行为以及其他多种因素共同作用引起，且不一定能确定单一原因。氢脆的结果是由于吸收了极小的氢原子导致材料韧性降低。

抗拉强度低于约145 ksi（1000 MPa）或洛氏硬度低于HRC 32的钢材，通常不会受到氢脆的影响。温度是另一个关键因素，因为在钢材中，氢脆在室温附近达到最大值，但大多数金属在150°C（302°F）以上的温度下相对不受氢脆影响。压力也需考虑，因为氢脆达到最大值时的氢分压估计在300至1500 psi（20至100 bar）之间。

需要注意的是，氢脆现象在钢材及类似金属中即使在相对较低的氢浓度下也会发生，具体取决于温度和压力条件。适用于氢环境的材料通常包括奥氏体不锈钢、铝合金、铜及铜合金。镍及大多数镍合金不应使用，因为它们容易发生严重的氢脆。灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁也不应用于氢环境。

可采用ASTM F1624等测试方法在材料选型阶段对合金和涂层进行分级，以确保其抗开裂能力高于氢致应力腐蚀开裂的临界水平。在质量控制过程中应进行测试，以快速且可比的方式对生产的材料进行合格评定。针对上游勘探与生产环境的NACE MR-0175标准，以及针对炼油环境的NACE MR-0103标准，可帮助定义和规定氢气环境下控制阀的要求。

在选择材料时，还需考虑隔膜和密封件所用的材料。尽管相关研究和测试仍在进行中，但氢气与聚合物的兼容性仍处于广泛研究和验证阶段。用户了解气体爆炸性解压的原理，但氢气增加了另一层复杂性，尤其对隔膜而言。控制阀的填料材料在选择上看似简单，如螺旋缠绕、PTFE或石墨，但对于氢气应用，必须特别考虑温度和压力因素。

逸散性排放

逸散性排放是指从压力容器设备（如故障或安装不当的阀门）中意外和/或不希望发生的气体或蒸汽排放或泄漏。

影响环境、空气质量和人类健康的排放主要有两种类型：温室气体排放（GHG）和空气污染物排放。对于阀门而言，我们关注的是温室气体排放。

逸散性排放测试是一个统称，涵盖了用于测试和评估控制阀（包括直通控制阀、角行程控制阀和调节器）阀杆密封（填料）及阀体接头外部泄漏完整性的各种不同测试程序和方法。

测试必须直接反映实际服务条件，涵盖从低温到常温以及极端高温和高压的环境。控制阀最常用的测试标准包括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。部分企业拥有自有测试程序，例如壳牌SPE 77/300和壳牌SPE 77/312。在指定、选型或采购控制阀时，应采用适当的标准，并提供第三方见证证书，确保涵盖正确的阀杆直径、材料及测试气体。需特别注意，任何见证测试不仅应包括阀杆填料，还需涵盖阀体所有接头在整个循环及温度变化过程中的性能。

约60%的逸散性排放来自阀门，而每个阀门中多达80%的泄漏源自其阀杆填料。阀门的其他泄漏源包括电磁阀、定位器及其他控制附件的排气或泄压口。为防止泄漏发生，定期测试和维护对预防逸散性排放至关重要。对于气体泄漏排放，定期使用气体检测设备非常有用，有助于检测此类排放的来源。

性能与可靠性

阀门安全功能的性能通过“需求时失效概率”（PFD）进行衡量。通过此计算，可获得“安全完整性等级”（SIL）作为系统可靠性和完整性的指标，其评分范围为1至4级（4级为最安全且故障概率最低，但极少使用）。这并非选择阀门类型或制造商时的必要条件，但它确实能提供一定程度的信心，表明供应商值得信赖，并基于国际行业标准衡量性能和安全性。

然而，如果控制阀的故障不会触发其所属的安全仪表功能（SIF），但可能影响其他相关SIF的正常运行，则需进行额外分析。

控制阀选型

控制阀选型过程是将系统流体动力学特性与阀门性能特性相匹配的程序。此过程选取尺寸和类型适配的控制阀，以最佳满足工艺系统流量管理需求。每个控制阀制造商，以及一些独立的软件公司，都基于ANSI/ISA-75.01.01和IEC 60534-2-1标准开发了各自的阀门选型平台。

显然，所有控制阀在设计特征上都略有不同。尽管它们都采用行业标准，但由于阀门某些组件的独特设计特征，每个制造商都有一些细微差别，这些差别可能会影响阀门选型评估的结果。每次选型都应附上制造商的选型数据表。独立的选型软件可以提供理想的尺寸和性能数据，但这些数据是在理想化条件下得出的，与实际工况可能存在差异。

信誉良好的控制阀制造商会进行验证测试，以确保其阀门所标明的计算性能与实际安装后的阀门性能在最小可接受公差范围内一致。应要求可进行额外测试以验证精确流量、噪声水平、容量和压力降。

除上述内容外，氢气应用中控制阀的选型还受多个因素影响：

氢气是纯元素（H₂），而甲烷是碳氢化合物（CH₄）。氢气不含碳，这是其与天然气性能差异的主要原因之一。

氢（H₂）是元素周期表中第一个元素的双原子分子，分子量极小。甲烷（CH₄）是碳氢化合物，其分子量约为氢的八倍，因此重得多。氢分子尺寸小、质量轻，更容易在密封件、接头和阀门连接处发生泄漏。

可燃性是另一个影响阀门选择的因素，尤其是密封件和接头。氢气在空气中具有较宽的可燃范围（4%–75%），因此一旦泄漏，极易引发燃烧或爆炸。

在选择控制阀时需格外谨慎。始终选择能提供证据和案例，证明其真正理解氢气应用细微差别的制造商，以确保实现最高的安全性与最优性能。

氢气中的阀门诊断

随着工业物联网（IIoT）和智能系统的发展，控制阀门诊断已成为新时代监控和管理控制阀门的重要组成部分。这涉及利用定位器监测阀门状态，收集其位置、运行条件和性能数据，以提升工厂效率和工艺系统的运行连续性。

了解阀门运行条件和性能的变化对于在故障发生前采取行动至关重要。如果您没有对系统进行测量和跟踪，您只能依赖经验判断，难以实现最佳性能。

任何在线阀门诊断都应包含关键性能指标（KPIs），这些指标在阀门运行期间持续监测，无需将工艺系统离线即可提供阀门系统实际运行性能的真实洞察。

为了充分利用您的系统和流程，理想的做法是采用支持多厂商设备的阀门资产管理系统，能够跟踪来自所有制造商的阀门资产，覆盖工厂内所有阀门整个生命周期。

结论

氢气质量轻、能量密度高，且使用过程中不直接产生温室气体。但要使其在清洁能源转型中发挥关键作用，必须在各行业广泛应用，以减少温室气体排放。随着行业持续发展，氢气应用中使用的阀门必须始终确保尺寸合适并采用适用于具体应用场景的材料。

目前仍面临诸多挑战，包括安全、监管、可扩展性和降低成本等问题。以氢能为例，与20年前液化天然气（LNG）的发展阶段相比，其在生产、运输和卸载方面的转型已然发生。当然，当前的挑战与过去不同，且目前尚未完全具备充分利用氢能及其在全球新角色所需的全部工艺和设备，但氢能作为未来主要能源之一的前景已十分明确。