运用现有的碳技术专长对于解决氢能相关设备面临的挑战至关重要
世界上最微小的元素蕴含着巨大的潜力和希望。
这种易于逸散的元素正被视为解决当今时代或许最重大的问题之一的关键所在。我们如何在不破坏稳定前提下实现脱碳？
随着世界不断发展，这种发展催生了日益增长的能源需求，全球每天的能源消耗量都在增加，而要制定一套既能充分应对气候变化问题，又不致使全球经济陷入混乱、不阻碍发展中国家的进步、不推高通货膨胀，最重要的是不大规模危及能源安全的脱碳方案，这一目标正变得越来越难以实现。
因此，许多人将目光投向了这种难以捉摸却极其丰富的元素——氢，将其视为解决方案，这或许是合情合理的。
宇宙中含量最丰富的元素极易燃烧，且燃烧时产生的唯一副产物是水。
这听起来简直好得难以置信。既然如此，为什么我们大家还不都开着氢燃料电池汽车上路呢？
有两个原因。
代价和危险。
目前用于氢燃料电池的催化剂（其中铂最为重要）价格过高，难以实现商业化应用。
正如我们大多数人从兴登堡号空难中得知的那样，未被控制的氢气可能会造成灾难性的后果。
在减少氢燃料电池所需昂贵铂金用量方面，目前正取得进展。本田和通用汽车表示，通过减少这种稀有金属的使用量，他们将CR-V氢燃料电池车型的生产成本降低了三分之一。（Shutterstock）
不过，刚刚兴起的氢能产业正在取得进展，特别是在生产和储存方面——这两个方面将极大有助于降低前文提到的两大挑战所带来的高昂成本。
Stream-Flo 一直致力于为从事这两项事业的人士提供支持。
这家专注于井口设备、闸阀、止回阀、球阀及 地面安全系统的全球压力控制与阀门公司，曾为马里的一个生产井和阿尔伯塔省的一个储气井提供了氢气井口设备及相关配件。
Stream-Flo公司高级顾问基思·法夸森（Keith Farquharson）解释道，凭借60余年来帮助石油和天然气行业安全控制地表压力、并将碳氢化合物从油井输送到后续处理环节的经验，正是其在严苛工况应用方面的专业技术，使该公司得以在尚处于起步阶段的氢能领域占据领先地位。法夸森此前曾担任该公司的技术副总裁。
“储氢井的设计方面，我们无需从头设计，只需对现有产品设计中的某些部分进行调整即可，”法夸森在谈到阿尔伯塔省氢储罐的技术规格时说道。
一台Stream-Flo皇冠式闸阀在完成组装、测试和喷漆后，静静地躺在车间地板上。该公司已开发出一系列口径从2英寸到9英寸不等的氢气级阀门。（雷德·弗朗西斯科）
鉴于氢的体积微小，密封问题是法夸森及其项目团队首先攻克的挑战。
“密封冗余是我们的客户为降低风险而采用的一种理念，这也是我们在关键的含硫环境中惯常采取的做法，”法夸森在谈到他们在硫化氢（H2S）环境中的经验时说道。 “从分子尺寸来看，我们针对无组织排放及其相关甲烷法规所进行的测试，需要使用氦气进行检测，并需要掌握如何让密封件在氦气环境下正常工作——氦气的分子尺寸与氢气相似，而这种方法同样适用。现在，这仅仅是一个材料问题了。”
Stream-Flo公司高级顾问基思·法夸森坐在位于阿尔伯塔省埃德蒙顿市的办公室里。35多年来，法夸森一直致力于推动Stream-Flo的技术和产品研发工作，并在该公司持有的10多项专利中被列为发明人。（雷德·弗朗西斯科）
正如Stream-Flo项目工程经理里克·米科（Rick Miko）——这位曾领导该公司所有储气井设计工作的负责人——所详细阐述的那样，Stream-Flo在酸性气体领域的专业知识再次派上了用场。
“我们发现，适用于H2S环境的材料在氢储存环境中表现也非常出色，”米科说道，“在纯氢环境下，与H2S环境一样，同样需要关注设计问题，那就是脆化。分子氢（H2）会解离成氢离子（H+），这些氢离子随后溶解到合金中，并在缺陷或晶界处聚集。 当H+离子重新结合成H2时，其占据的体积远大于单个离子时的体积，因此H2分子的形成会对金属晶格产生应力。如果微观结构的延展性不足以吸收这些新增应力，材料就会变脆或产生裂纹。使用符合NACE标准且已证明在H2S工况下具有足够延展性的材料，能确保该材料同样适用于氢气工况。”
位于阿尔伯塔省迪兹伯里镇附近的一口Stream-Flo井口。（帕特里克·凯利）
井口工作完成后，他们便将注意力转向了氢气闸阀的设计。这些阀门连接在井口上，可处于全开或全闭状态，既能确保管道中的液体或气体全流量通过，也能将其完全切断。
米科说，设计这些东西时需要多花些心思。
“与井口相比，阀门存在稍高的风险，因为阀门是关闭装置，且含有活动部件，”米科说道。“动态密封比静态密封更具挑战性。此外，在井口设计中，冗余密封的集成和验证也更为容易。”
Stream-Flo公司闸阀工程经理汤姆·古斯特登场。
“从某种意义上说，我们是在进行一项实验，”古斯特说道，“并没有明确的规定说必须这样做、那样做，所以你只能根据自己的判断去做你认为最好的事情。”
古斯特和他的团队认为，氢气级阀门最理想的設計包括：阀杆填料上方设置冗余密封，以及在阀板和阀座上焊接硬面。
“你要尽量减少气孔率，”古斯特说，“如果存在气孔，就不得不依赖密封剂，而我们认为，对于氢气来说，这可不是个好主意。”
因为，正如米科之前指出的，这种多孔性可能会导致材料脆化，而脆化又可能导致容器失效。至于氢气泄漏导致的容器失效，嗯，想一想“兴登堡”号事件就知道了。
凭借其在关键的酸性环境、高压以及材料工程方面的经验和专业知识，Stream-Flo氢能团队在完成设计阶段后，终于可以着手进行原型测试了。
测试在Stream-Flo位于埃德蒙顿的、面积超过300,000平方英尺的生产基地内进行。
归根结底，井口检测过程非常顺利，没有任何问题。
“除了标准流程外，我们还设置了几种额外的泄漏检测方法，”米科回忆道，“我们使用了一种所谓的‘氢气嗅探仪’，它以百万分之一为单位进行测量，而验收标准是百万分之一，我们通过了这一检测。”
另一种泄漏检测工具是红外热像仪。
“通常情况下，气体在膨胀时会升温，”米科说，“所以如果发生泄漏，泄漏处就会出现温度升高。”
和嗅探仪一样，红外摄像机也没检测到任何异常。因此，米科和在场的每个人都想确认这些仪器本身是否确实能正常工作。
“我们当时断开了所有压力测试设备的连接，实际上只是从储气罐中排出了些许氢气，”米科说道，“随后监测仪突然发出刺耳的警报声，红外摄像机也捕捉到了异常，于是我们知道仪器都正常工作了。”
井口设备也按计划进行了安装。
鉴于闸阀的风险较高，因此需要进行一系列测试。
一款Stream-Flo Crown AV闸阀，采用带排气功能的膨胀式闸板，以实现可靠的机械密封。
“我们在阀门针对井口的测试方面做得比以往更加彻底，”米科解释道，“我们先进行了纯氢测试，随后进行了完整的PR2 Annex-F API 6A测试，最后还进行了耐火测试。我们对整个氢气阀门系列都进行了这些测试，其口径范围从2英寸到9英寸不等。”
测试完成后，是时候将成品运往现场了，在那里，现实世界将做出最终评判。
该氢气储存井需要采用溶液开采法来开凿用于储存氢气的盐穴。这一过程需要连续24个月向盐层注水以制备盐水，随后再利用这些盐水开采盐穴，这给Stream-Flo的氢能项目团队带来了额外的挑战。
“你可以想象一下，盐水、压力、水流，还有巨大的流量——这是一个侵蚀性和腐蚀性极强的环境，”米科说道，“我们必须选用既能在氢气环境中使用，又能在盐水环境中使用的材料和部件。”
要做到这一点，就必须与溶液开采和储存井项目的各个阶段保持步调一致，提供兼容的设备，以便根据当前阶段的需求轻松进行更换。
随着储氢洞的建成以及两轮储氢测试的完成，Miko表示其氢能设备表现符合预期。
“其实整个过程非常、非常顺利，”米科说道，“从头到尾，这个项目都进行得非常顺利，而且这是我参与过的、双方公司参与度都比较高的项目之一。”
Stream-Flo 项目工程经理里克·米科在阿尔伯塔省埃德蒙顿市谈到了该公司氢能产品的研发情况。（雷德·弗朗西斯科）
正如古斯特所言，这在某种程度上起初只是一次实验——尽管其背后凝聚了数十年来在井口和阀门领域解决油气行业最棘手挑战的经验——最终为Stream-Flo系列产品制定了两项新的氢气适用产品规格。
“石油和天然气行业将具备充分的能力来应对这一挑战，我认为作为整个行业，我们已经准备好着手开展氢能项目，”法夸森总结道。他不仅多年来一直致力于研究“氢能作为资源”这一课题，还负责指导Stream-Flo公司相关产品的研发工作。
“目前氢气的供应量并不大，虽然有宏伟的规划和无数的梦想与抱负，但氢能产业规模尚小，”法夸森表示。“目前仅有六口氢气储存井。这些井分布在各地。而今天，我们将参与六口以上油气井的完井作业。”
法夸森表示，这意味着对于氢能能否迅速挺身而出拯救局面，我们需要保持理性预期，但他同时补充道，围绕这种元素未来肯定会有机遇。
而正是那些处于前沿的企业——例如Stream-Flo——将通过为正在应对开篇所述所有重大挑战的能源生产商提供支持，在机遇来临时，助力社会把握这一机遇。
“确实存在碳排放问题，而目前石油和天然气行业中聚集着碳排放领域的专家，”法夸森说道，“正是他们将解决这个问题。”
佩米安盆地中待安装的Stream-Flo井口设备。