从两百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，氢气在能源市场领域有着非常悠久的历史。

氢气是一种需要谨慎对待的气体，特别是在材料选择方面，因为使用不当材料会造成长期的安全隐患，带来灾难性的安全风险。本文重点关注控制阀在氢气应用过程中的重要作用及注意事项。我们正在走向一个更加绿色的世界，氢也逐渐成为一种越来越常见的燃料，可以应用于各种领域。将氢气与天然气以不同的比例混合（通常为20%/80%），以生产用于燃气发电的气体，这能够减少约6-7%的二氧化碳排放量；氢还可以作为燃料、氢气电池或液体形式用于需要长续航里程的车辆。氢气可以通过四种基本方式产生。在炼油厂中，氢气一般从天然气、石油或煤炭中通过蒸汽甲烷重整或气化而产生，约96%的氢气都是通过这一方式生产的。而电解方法目前约占全球氢气生产总量的 4%。

在确定用于氢气的控制阀的尺寸和配置时，以及在配置隔离阀和安全阀时，需要在以下五个方面着重考虑。

材质的选择

氢脆（HE）——也称为氢辅助裂解或氢诱导裂解(HIC)——是一个复杂的过程，涉及几种不同的微机制，在上游领域工作过的人都明白这一点。这可能是由于材料选择和不当的环境条件、金属氢化物形成、氢的相变以及各种其他因素所造成的。造成氢脆的原因是由于金属吸收了非常小的氢原子而导致延展性降低。

抗拉强度小于约145ksi (1000 MPa) 或洛氏硬度小于HRC32 的钢是通常不易发生氢脆的合金，但还必须考虑温度，因为钢的氢脆在接近室温时达到最大。大多数金属在高于150°C (302°F) 的温度下相对不受氢脆影响。当然还需要考虑压力，因为发生最大脆化时的氢分压约在300至1500psi（20至100 bar）之间。

钢和类似金属在相对较低的氢浓度下会发生氢脆，具体取决于温度和压力。通常可接受的氢气应用材料包括奥氏体不锈钢、铝合金、铜和铜合金。不可以使用镍和大多数镍合金，因为它们会发生严重的氢脆。同样，灰口铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁也不应用于氢气设备。

ASTM F1624等测试可用于在材料选择过程中对合金和涂层进行排序，以确保开裂阈值低于氢辅助应力腐蚀开裂阈值。要在质量控制期间，用可对比的方式对生产的材料进行鉴定。诸如上游勘探和生产的NACE MR-0175和炼油厂环境的NACE MR-0103等标准可以帮助定义氢气控制阀要求。

同时，还要要考虑用于隔膜和密封的材料。虽然研究和测试正在进行中，但关于氢与聚合物相容性的研究仍在继续进行广泛的现场测试。用户了解气体爆炸减压的原理，但氢气又增加了一层复杂性，特别是对于隔膜而言。控制阀的填料材料在选择方面似乎很简单，无非就是螺旋缠绕、聚四氟乙烯或石墨，但对于氢气应用，必须特别注意温度和压力。

逸散性排放

逸散性排放被定义为从承压设备（如故障或不正确使用的阀门）中非故意的气体或蒸汽排放、泄漏。影响环境、空气质量和人类健康的排放主要有两种：温室气体排放和空气污染物排放。对于阀门来说，我们更关注的是温室气体排放。

逸散性排放测试是各种不同测试程序和方法的总称，用于测试和评估控制阀（截止阀、旋转阀和调节阀）的阀杆密封件/填料和阀体接头的外部泄漏完整性。

该项测试需要直接反映实际使用条件，从低温到环境温度和极端高温和压力。控制阀最常见的测试标准是 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 。一些公司有自己的测试程序，例如 Shell SPE 77/300和Shell SPE 77/312。在指定、配置或购买控制阀时，应该使用适合的标准，并提供第三方见证证明，证明涵盖正确的阀杆直径、材料和测试气体。应该指出的是，任何见证测试不仅应包括蒸汽填料，还应包括所有阀体接头以及循环和温度变化。

大约60%的逸散性排放来自阀门，每个阀门多达80%的泄漏源自其阀杆填料，而其他来源是电磁阀、定位器和其他控制附件的排放或排气口。为了避免泄漏，定期测试和维护对于防止逸散性排放大有帮助。对于气体逸散排放，定期使用气体检测装置非常有用，有助于检测此类排放的来源。

性能和可靠性

阀门安全功能的性能通过按需故障概率 (PFD) 来衡量。通过此计算，可以获得安全完整性级别 (SIL)作为系统可靠性和完整性的指示，其测量范围为1到4（4 是最安全且最不可能发生故障的级别，但很少使用）。这不是选择阀门类型或制造商时所必需的要求，但是，它确实给了供应商的信誉以良好的信心，以及基于国际行业标准的性能和安全性衡量标准。

然而，如果控制阀的故障对安全仪表系统(SIF)没有要求，但可能对任何其他相关的SIF产生要求，则需要进行额外的分析。

控制阀的选型

控制阀的选型过程是将系统的流体动力学与阀门的性能特征相匹配的过程，需要选择最能满足过程系统内流量管理需求的适当尺寸和类型的控制阀。每个控制阀制造商以及一些独立的软件公司都根据ANSI/ISA-75.01.01和IEC 60534-2-1标准开发了自己的阀门尺寸平台。

显然，所有控制阀在其独特的设计特性方面都略有不同。尽管它们都使用这些行业标准，但每个制造商都存在某些细微差别，因为阀门某些组件的独特设计轮廓可能会影响阀门尺寸评估的结果。每种尺寸均应附有制造商的尺寸数据表。独立的尺寸调整软件可以给出理想的尺寸和性能数据。

信誉良好的控制阀制造商会进行验证测试，以确保其阀门所规定的计算性能在最小可接受的公差范围内与安装时的实际阀门性能相匹配。可根据要求进行额外的测试，以验证精确的流量、产生的噪音、容量和压降。

除上述因素外，在确定用于氢气的控制阀的尺寸时，还受到以下几个因素的影响：

▶氢是纯元素 (H2)，而甲烷是由碳和氢 (CH4) 组成的化合物。与天然气相比，氢中不含碳是造成差异的主要因素。

▶元素周期表是按分子量排序的。氢（H2）作为元素周期表中的第一个元素，是一种非常轻的分子。甲烷 (CH4) 是一种由碳和氢组成的化合物，比氢重得多，其分子量是氢的8倍。这增加了填料和接头以及阀门尺寸泄漏的可能性。

▶易燃性是影响阀门选择的另一个要考虑的问题，尤其是填料和接头。氢气会在空气浓度较高和较低的情况下燃烧，如果存在泄漏，燃烧的可能性就更大了。

氢气中的阀门诊断

随着世界工业物联网和智能系统的发展，控制阀诊断现已成为新时代监控和管理控制阀的关键部分。这涉及使用定位器来监测阀门的健康状况并收集有关其位置、条件和性能的数据。

了解阀门操作条件和性能的变化对于在故障发生之前采取行动至关重要。任何在线阀门诊断都应该包括关键性能指标，这些指标在阀门使用期间都要持续监控，从而在不使过程离线的情况下，提供对阀门系统实际运行性能的真实分析。

为了充分利用系统和流程，最好是拥有一个阀门资产管理系统，该系统可以在工厂所有阀门的整个生命周期中追踪所有制造商的资产。

氢重量轻、可储存、能量密集，而且不产生直接的温室气体。但想要使氢对清洁能源转型做出重大贡献，就需要所有行业都采用氢作为减少温室气体排放的关键燃料。随着行业的不断发展，氢气应用中使用的阀门必须具有合适的尺寸，并由合适的材料构成，以适应应用的需要。