混合氢应用中的氦气泄漏测试

关注领域氢泄漏是天然气输配管网中的一个关键问题。安全将超越所有应用，对氢基应用的商业化成功至关重要。5在将氢气添加到天然气中存在几种风险，包括：氢气分子分离和泄漏，随后在密闭空间中积聚，所有这些都伴随着较低爆炸极限。氢气的积聚会增加爆炸或火灾的风险和严重程度。氢法兰连接固定连接（螺纹、压缩、焊接、钎焊或粘接）管道连接件（管道堵头，压力测量，温度探头）由于机械或热应力造成的孔隙和裂纹5与构成天然气的分子相比，氢的分子结构非常小，这反过来又会促进更高的泄漏率。氢的体积泄漏量大约是甲烷的三倍，渗透性是甲烷的4到5倍。氢分子的大小几乎是甲烷分子的1/10。这意味着氢在天然气无法泄漏的地区具有更大的泄漏风险。随着氢气的引入，天然气有机会逸出的地区现在更加令人担忧。在未来十年内，这意味着必须有一种实用的方式将其交付给最终用户。氢气混合天然气允许在不进行昂贵的基础设施投资的情况下，将氢气最初部署到能源系统中。5旨在提高输出并降低可再生能源系统的碳化。本文将探讨氢气混合天然气的安全性风险、减少这些安全风险的必要措施以及设备和装置在氢气环境中被认为可接受的流程。 6 泄漏率第 2 页定义泄漏泄漏检测(Vx ΔP )[CC][psi)LR=X 60[scc/min](tx 14.69)[[秒/分钟] [秒][psi)V—测试电路体积（零件内部、测试线和气动装置的自由空间）[立方厘米]泄漏率是气体类型、压差、路径和温度的函数。需要确定可接受的泄漏率，因为没有物体是完全紧密的。在正确的条件下，所有东西都会泄漏。物体可以通过侵入、尘土或水分的穿透或流出而泄漏，即内部某种平衡状态的损失。泄漏率的公式来源于理想气体定律1:LR – 计算出的泄漏率 [标准立方厘米每分钟]质谱仪，即利用氦气进行泄漏测试的机制，本质上是一种空气采样工具，通过一系列泵进行高度精确的测量，以定量测量密闭容器中泄漏出的氦气数量，同时将其置于另一个测试室内。具有爆炸性，使其在生产或测试环境中使用极其危险。由于其分子结构较小，它无法与香味剂反应，因此无法通过气味检测。香味剂分子要大得多，阻止它通过氢气可以逃逸的泄漏路径。氢气燃烧透明，其分子比甲烷具有更高的能量。与甲烷相比，氢气的燃烧值也高出得多。当混合氢气时，这些燃烧特性的差异可能会给管道运行和最终用户应用带来问题。6流量和压力呈线性关系。随着压力的升高，泄漏路径上的流量就越大。理想的无损检测方法是使用空气或气体进行检测。与生产环境中的沉箱测试或水压测试相比，它具有非破坏性、可测量且速度快得多等优点。事实上，使用氦气进行泄漏检测的灵敏度可以比压力衰减技术高1000到100万倍。2ΔP – 压力损失（测试期间测量）[磅/平方英寸]氦气在用于泄漏检测时，能够测量极其微小且有限的泄漏。泄漏可以表征为气体通过组装或制造部件中的缺陷，从高压流向低压的流动。这些缺陷可能源于部件表面光洁度不完美、铸件的孔隙率、密封不良的连接等。 14.69 – 大气压 [磅每平方英寸]60 – 转换常数[每分钟秒数]t – 测试时间 [秒]氦气质谱检漏压力、体积和温度在一个封闭系统中（例如泄漏测试腔）都是相互关联的。如果在测试过程中零件的温度发生变化，零件内部的压强也会随之改变。压强越高，出现泄漏路径中流体流动的可能性就越大。氦 (He) 的原子半径比氢 (H) 更小，后者为 31 皮米，而前者为 28皮米。2不仅氢气存在更高的泄漏风险，而且由于总气体损失，它还引发了经济和安全问题。天然气行业的制造商如何确保他们的产品在使用氢气混合天然气时密封严密、防漏？他们如何认定这些产品？市政部门、公用事业公司和其他利益相关者如何确定他们的管道能够安全地处理哪种氢气混合比例？这些问题当然必须被提出。发现泄漏是一件事情，但泄漏率决定了在指定时间内泄漏的气体量。在任何泄漏测试中，必须使用可靠且可重复的测试方法来准确测量泄漏率。必须有一个可接受的泄漏率和测试周期时间。任何测试对象最终都会在一定程度上泄漏。无论规格多么精确，每个部件都会有允许的气体空气损失测量值。必须考虑的问题是可接受的泄漏率是多少。关键在于建立一个泄漏率规范，以定义一个正常运行且仍能满足客户规格的测试对象所能容忍的最大泄漏量。使用不同气体和气体混合物进行泄漏测试可用于必须被评定为“可接受”氢气抗泄漏性的产品。氦气通常用作泄漏测试的示踪气体。在真空中使用氦气是灵敏度最高且最可重复的泄漏测试方法之一。3氦气具有最小的分子结构之一，与氢气不同，它是一种惰性气体，这意味着它不可燃且不助燃。氦气具有三种使其成为理想示踪气的特性：它不爆炸、无毒且无破坏性。这三个特性确保氦气不会干扰或影响被测产品中使用的任何材料。氦气的惰性和无味性使其在接触不同材料类型时化学上不活跃。在进行氦气泄漏检测时，比浸没槽或水压测试等其他工艺能检测到更小的泄漏。这是一种基本不受温度影响、干燥的技术。 Xylem.com | Sensus.com作者结论泰勒·杨，机械工程师丹尼尔·史蒂文斯，高级机械工程师在大多数氦质谱检漏应用中，使用调谐以检测微量氦的质谱仪。质谱仪是一种灵敏的实验室设备，可用于生产环境。使用质谱仪进行泄漏检测是目前最灵敏的方法，也是工业中最广泛使用的方法。质谱仪只有在真空下才能工作。在氦检测试过程中，测试腔室和测试对象被抽空所有空气。然后对腔室施加真空，并对测试对象充入氦气。测试持续时间取决于允许的泄漏率和涉及的特定体积。质谱仪检测测试对象泄漏的氦气，并测量其泄漏速率。一旦设备通过氦检测试，并密封在被认为是可接受的泄漏率下，它就合格可以在氢气环境中使用。图1. 这使得氦气能够检测到任何氢气也会逸出的泄漏路径。所有泄漏检测必须彻底、准确，最重要的是以安全方式进行。在进行氦质谱检漏时，用于创建检测体积和气体供应的工装和管道必须达到比泄漏测试阈值更高的密封性要求。因此，需要对密封件进行仔细的工程设计，尤其是在需要复杂密封的地方。2应特别考虑真空管道的尺寸。大多数测试使用现成的气球气体，但在某些情况下使用可认证纯净的气体。2正如所指出，在处理氢气混合天然气时存在固有的安全风险。由于氢气分子结构小且具有爆炸性，泄漏风险的增加是一个更令人关注的问题。一种为氢气应用的产品认证的方法是使用示踪气体（如氦气）进行泄漏测试。氦气分子的大小相似，能够识别可能发生氢气泄漏的泄漏路径。了解泄漏速率并计算可接受的范围内至关重要，才能进行这项测试。氢气在大多数生产环境中使用太危险了，因此氦气成为一种更现实的泄漏检测解决方案。所有生产天然气储存、运输、测量和调节设备的制造商都需要为其产品通过氢气应用的认证，并且使用氦气是一种有前景的方法。 参考文献图1：氦 (He) 的原子无线电与双原子氢 (H₂) 的比较4 Melaina，M.，Antonia，O.，Penev，M. (2013年3月). 将氢气掺入天然气管道网络：关键问题的综述。NREL。2 氦质谱检漏。(n.d.) 氦质谱检漏基础知识指南。2023年2月15日获取，来自 http://www.leaktesting.co.uk/guide_helium_leak_testing.htm1 斯普莱特，G.，（2023年3月21日）。泄漏测试基础 [网络研讨会]。辛辛那提测试系统。5国家电网公司plc和大西洋氢能公司（2009年）。富氢天然气：通往超低碳世界的桥梁6 Topolski，K.，Reznicek，E.，Erdener，B.，San Marchi，C.，Ronevich，J.，Fring，L.，Simmons，K.，Fernandez，O.，Hodge，B.，Chung，M.（2022年10月）。天然气管道基础设施掺氢：技术现状综述。NREL。3 氦气 101 第一部分：选择示踪气体 (2020年4月23日)。辛辛那提测试系统公司。2023年2月17日检索，来自 https://www.cincinnati-test.com/blog/helium-101-choosing-trace-gas