氢气阀的测试

阀门用于控制所有类型的流体，虽然有些易于管理，但有些则可能是一个挑战。在具有挑战性的列表的顶部是氢，它是人类已知的最小、最轻的分子。



阀体-阀盖连接必须正确组装，垫片选择和尺寸正确，以确保在氦气测试和氢气服务中包含小分子气体。
 

随着对清洁和绿色氢燃料电池的兴奋和乐观，多个行业正在努力使氢成为未来能源规划的关键。几乎所有实现这一目标的过程都涉及在高压和大多数情况下高温下运行的管道和阀门。

挑战在于控制这些最小分子的流动而不会出现明显的泄漏。氢气的大量泄漏可能是一种危险的情况，因为氢气与氧气和点火源一起燃烧非常剧烈，比空气重、充满氢气的飞船灾难见证了这一点，例如 1937 年新泽西州莱克赫斯特的兴登堡灾难。

任何阀门的泄漏都有以下两种方式之一：通过关闭构件（阀座、阀瓣、闸门等）的泄漏或通过保压壳、垫圈周围或通过填料（如果配备）的短暂泄漏。在处理氢的微小分子尺寸时，任何一种方法的泄漏都更难缓解。

 


通过填料或阀杆和填料之间的无组织排放泄漏可能引起关注。由于分子尺寸很小，密封氦气或氢气更加困难，因此在氦气测试和氢气服务中，阀杆的直线度和光滑度至关重要。

任何氢气服务阀门用户都希望他们购买的阀门能够按要求运行。期望泄漏为零。为氢气等气体设计的阀门的另一个挑战是证明它们在出厂前不会泄漏。

氦气测试

在工业阀门领域，最严格的泄漏测试技术涉及使用安全的氦气作为测试介质。氦气测试可以通过气泡等视觉提示或质谱仪等检漏仪进行监测。氦气测试是一种成熟的测试方法，传统上用于验证承载更多粘性流体或需要更严格审查的阀门的性能和泄漏率。这个想法是，如果它可以容纳氦气（分子尺寸非常小），那么它肯定会容纳将在使用时通过阀门的流体。然而，在氢气的情况下，没有小分子流体可用作更难密封的测试流体。

 


用于测试氢气服务阀门的主要测试气体是氦气。即使在低压下，氦气也能找到最小的泄漏路径。

使用微分子气体进行测试的另一个问题是它们对密封件和垫圈等材料的渗透性。可以很容易地用液体或气体（例如氮气）保持压力的垫圈或填料可能会让氢气很容易通过其横截面。

在石油行业数十年的阀门在高温和高压氢气应用中的阀门经验已经证明，该服务中的阀门通常需要比正常压力测试更严格的测试，有时甚至需要额外的体积检查（如射线照相）以确保其完好。

金属密封球阀

金属阀座球阀是用于高温、高压氢气服务的流行阀门设计，例如在氢气分离设施或燃料电池充电站中遇到的情况。根据美国石油协会 (API) 608，金属球阀 - 法兰、螺纹和焊接端设计和制造的此类阀门的标准设计测试，需要按照 API 598，阀门检查和测试进行测试. 这需要使用惰性气体在 90 psi 下进行要求的阀座测试。或者，也可以要求在 110% 的额定工作压力下进行水试验。这些规定的和可选的封闭测试都不能很好地验证氢气服务中的密封完整性。作为替代方案，可以将测试流体更改为惰性气体以进行这些测试。

通过将测试流体更改为氦气，该测试更接近于模拟氢气的密封性。然而，业内许多人的共识是，API 598 测试压力下规定的测试时间可能不够严格。如果需要零泄漏，此时唯一的选择是增加压力保持时间和/或使用更精确的泄漏检测方法，例如氦质谱仪。

 

制造商标准化协会 (MSS) 制定了标准做法，旨在为氢气等关键服务中的阀门提供更灵敏的测试方法。标准实践 (SP) 158，阀门的补充高压气体测试程序，提供了比 API 598 中规定的程序长得多的程序，包括保持时间。



为了充分测试氢气服务阀门，可能需要使用氦气作为测试流体并延长保压时间。

第二个问题涉及测试阀门的整个压力范围，包括填料和垫圈。对于 API 608 设计的金属密封球阀，该测试通常在 150% 的额定工作压力下用水进行，尽管可能会指定惰性气体。对于氢气，氦气又是最佳选择。MSS SP-158 中还详细介绍了用于验证阀门压力包络完整性的延长持续时间的高压气体测试程序。

氢气服务中的阀门不需要进行逸散排放测试本身。尽管氢气不是温室气体，但它具有炸毁温室、户外或高层建筑的能源潜力和波动性。

由于氦气对非金属物质的渗透性，在使用氦质谱仪读取阀杆密封或非金属垫圈的读数时必须小心，因为氦气可以进入这些材料并在相当长的一段时间内影响仪器的读数初始加压后的时间。

氢气管道阀门

不断发展的氢能行业的最初问题之一是氢气的运输，管道是最合乎逻辑的运输方式。目前有管道公司在较新的专用氢气管道中运输纯氢气，以及在现有管道中将氢气与天然气混合的管道公司。此活动增加的易燃性和危险性导致一些用户调用当前 API 6D、管道阀门、设计和测试文档中存在的更严格的选项。这些额外的测试包括使用惰性气体，以及已经更长的 API 6D 保持时间。

目前，北美没有专门针对氢气的阀门设计或测试标准。随着人们对氢和碳捕获与封存 (CC&S) 行业的兴趣日益浓厚，阀门行业领域以外的各个团体都在暗示要为这些绿色和不断增长的能源行业制定阀门和阀门测试标准。阀门标准制定组织应该根据他们广泛的阀门知识和经验带头制定这些规范，而不是让一群官僚或科学家做梦。

氢能利用和氢专用管道系统的设计和建造的未来是光明的。阀门制造商的机会也是极好的。由于我们仍处于风险投资的萌芽阶段，因此最终用户、制造商和监管机构共同努力并确保细节正确非常重要。虽然测试程序不是讨论的中心，但就测试协议达成一致对于确保新兴行业长期且特别安全的未来大有帮助。