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从行业角度看液氢阀
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液态的氢在储存和运输环节都具有一定的优势。和氢气相比，液氢（LH2）的密度较高，储存时需要的压力较低一些。然而，氢要在-253°C才能变成液态，这意味着难度相当大。极端低温和易燃性风险使液氢成为了危险的介质。正因如此，在为相关应用场合设计阀门时，严密的安全措施和高度可靠性都是不可妥协的要求。
作者：Fadila Khelfaoui，Frédéric Blanquet
威兰阀门（Velan）
液氢（LH2）的应用
目前，液氢被应用和尝试应用于各种比较特殊的场合。在航空航天领域，它可用作火箭发射燃料，也能在跨音速风洞中产生激波。在“大科学”的支撑下，液氢成为了超导体系统、粒子加速器和核聚变装置中的关键材料。随着人们对可持续发展的意愿不断强化，近年来液氢被越来越多的载重卡车和船舶用作燃料。上述应用场景中，阀门的重要性非常明显。阀门的安全和可靠运行是液氢供应链生态体系（生产、运输、储存和配送）的组成部分。与液氢有关的作业都有各种各样的挑战性。依托30多年来在最低达-272℃的高性能阀门领域积累的实际应用经验和专业技术，威兰阀门（Velan）长期参与各种创新项目，而且显而易见地凭借实力，赢得了液氢工况的层层技术挑战。设计阶段的挑战
压力、温度和氢浓度，都是阀门设计风险评估所考察的主要因素。为了优化阀门性能，设计和材质选择起着决定作用。用于液氢工况的阀门需要面对额外的挑战，其中包括氢对金属的不良影响。在极低温度下，阀门材质不仅要承受氢分子的侵蚀（学术界对于相关的某些劣化机制仍有争议），还必须在寿命周期内长期保持正常运行。就目前的技术发展程度而言，业界对于非金属材料在氢工况中的适用性所知有限。选择密封材料时，有必要考虑到这一因素。有效的密封也是关键的设计性能标准。液氢和环境温度（室温）之间存在将近300℃的温差，并因此产生温度梯度。阀门的各个部件会发生程度不同的热胀冷缩。这种差异会导致关键的密封面发生危害性泄漏。阀杆部位的密封紧密性也是设计的关注重点。从冷到热的过渡会产生热流动。阀盖空腔区域的较热部位可能结冰，从而破坏阀杆密封性能，进而影响到阀门的可操作性。此外，-253℃的极端低温意味着需要最好的隔热技术，以便确保阀门能将液氢保持在上述温度，同时将沸腾引起的损失降到最低。只要有热量传递给液氢，就会使其蒸发和泄漏。不仅如此，隔热层的破损点会发生氧冷凝。一旦氧气和氢气或其它可燃物接触，就会提高火灾风险。因此考虑到阀门可能面临的火灾风险，设计阀门时必须考虑采用防爆材质，以及耐火型执行器、仪表和线缆，而且都要拥有最严格的认证。这样才能确保阀门在发生火灾时正常运行。压力升高也是一种潜在风险，可能导致阀门无法操作。如果液氢被困在阀体空腔内，而且同时发生了热传递和液氢蒸发，就会引起压力升高。如果存在较大压差，就会发生空泡（气穴）/噪音。这些现象都会导致阀门提前结束使用寿命，甚至因发生工艺缺陷而遭受巨大的损失。无论具体工况如何，如果能全面考量上述各方面因素，并在设计环节采取相应的对策，就可以确保阀门安全、可靠地运行。此外，还有一些设计难题牵涉的是环境问题，例如逸散泄漏。氢气具有其独特性：小分子、无色无味，而且易爆。这些特性决定了零泄漏的绝对必要性。北拉斯维加斯西海岸氢气液化站，威兰阀门的工程师正在提供技术服务
阀门解决方案
无论具体功能和种类，所有液氢工况的阀门都必须满足一些通用的要求。这些要求包括：结构件的材质必须确保在极低温度中保持结构完好性；所有材质都必须具有天然的火灾安全特性。出于同样的原因，液氢阀门的密封元件和填料也必须满足上述各项基本要求。奥氏体不锈钢是液氢阀的理想材料。它具有出色的抗冲击强度，最小的热损失，而且能承受较大的温度梯度。还有其它一些材质也能胜任液氢工况，但是局限于特定的工艺条件。除了材质的选择，有些设计细节也不容忽视，例如延长阀杆，并利用气柱保护密封填料免受极端低温的损害。此外，阀杆的延长段可以加装保温圈，以避免发生冷凝现象。根据具体应用条件设计阀门，有利于针对不同技术挑战给出更合理的解决方案。威兰阀门（Velan）可以提供两种不同设计的蝶阀：双偏心和三偏心金属阀座蝶阀。两种设计都有双向流功能。通过对阀瓣形状和旋转轨迹的设计，可以实现紧密的密封。阀体内没有能残留介质的空腔。就威兰双偏心蝶阀而言，它采用了阀瓣偏心旋转设计，结合与众不同的VELFLEX密封系统，实现了卓越非凡的阀门密封性能。这项申请了专利的设计，甚至可以使阀门承受大幅度的温度波动。TORQSEAL三偏心阀瓣同样具有专门设计的旋转轨迹，有助于确保阀瓣密封面仅会在到达关闭阀位的瞬间，才会接触到阀座，而且不会发生刮擦。因此，阀门的关闭扭矩可驱动阀瓣实现顺应性落座，而且在关闭阀位产生充裕的楔塞效应，同时使阀瓣与整个阀座密封面圆周均匀地接触。阀座的顺应性使阀体和阀瓣具有“自我调整”功能，从而避免阀瓣在温度波动过程中发生卡滞。增强不锈钢阀轴能胜任较高的操作循环，而且在极低温度下运行平稳。VELFLEX双偏心设计使阀门可以方便快捷地进行在线维护。由于设计有侧面罩壳，可以直接给阀座和阀瓣做检查或维保，无需拆卸执行器，也无需专门工具。控制阀
威兰阀门（Velan）的低温控制阀产品系列同样是卓尔不群。设计使用温度最低达-272℃，工作压力最高达PN70。采用波纹管密封，类型为截止阀，有转角/直通型可选。具有专利的设计和材质是公司为了实现更好的可靠性和安全性而开发的。阀门可以加装贴合式双层壳或夹套，以实现真空隔热。根据现场条件，可以选择手动或气动。
安全泄压阀
安全泄压阀是为超导装置液氦管线提供过压保护而设计的。通过一种专门设计的磁性安全装置，它能防止装有压缩液体的槽罐和压力容器，在常温中或低温泄放过程中发生过压。如果局部发生了温度升高，即所谓的‘淬火’，阀门会在不到80毫秒内开启。最初是为液氦工况设计的，可以改装并用于液氢工况。
验证和核准
试验都是根据客户最严格的要求完成的。试验要求根据ATEX、KOSHA、 或NAMUR标准（视当地法律法规要求而定）采取防爆措施。有些客户还要求本地的证书，例如韩国的KGS和日本的NK。如今，业界仍然没有专门针对氢阀的行业标准。但现在已经开始组建相关标准的专家组，以便推动绿氢的商业化生产。事实上德国莱茵（TüV ）已经制定了一套相关标准，但是尚无企业实施。
现场经验
到目前为止，威兰阀门已经给美国（北拉斯维加斯，西海岸项目）、韩国（蔚山SK项目）的氢气液化站提供了控制阀，现在正在为Woodside项目（俄克拉荷马州，阿德莫尔）制造阀门。在航空航天领域，威兰阀门已经为法属圭亚那库鲁市（Kourou）的Ariane火箭发射平台提供了蝶阀，也为印度太空计划提供了控制阀。
液氢的未来
作为清洁燃料和支持可持续发展的能源，目前液氢的应用普及程度日益增加。尽管有种种有利迹象，但液氢在全世界的普及推广仍然面临重重挑战。凭借有据可考的工程技术水平和氢应用领域的专业经验，威兰有实力推动液氢在未来的普及。
作者简介
Fadila Khelfaoui是一名注册工程师，在材料工程技术和涂层领域拥有25工作经验。她从2016年开始在威兰加拿大公司担任企业端冶金工程师。Fadila拥有材料科学及工程技术博士学位，她也是魁北克的一名注册专业工程师。Frédéric Blanquet在阀门行业拥有34年工作经验。过去的19年中，他一直在威兰法国公司负责深冷阀市场
来源：阀门世界亚洲
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