Afsluiters voor waterstoftoepassingen

Nu waterstof aan belang wint als schone energiedrager, groeit de vraag naar kleppen die specifiek ontworpen zijn voor waterstoftoepassingen snel. Waterstofkleppen moeten voldoen aan strenge veiligheids- en prestatievereisten om de veilige en efficiënte behandeling van de zeer ontvlambare en vluchtige aard van waterstof te garanderen. Dit artikel geeft een overzicht van de belangrijkste overwegingen bij het specificeren van kleppen voor waterstoftoepassingen, met inbegrip van materiaalselectie, ontwerpkenmerken en testnormen.

Inhoudsopgave

• Uitdagingen met waterstof
• Betekenis van hoge prestaties in waterstofkleppen
• Afsluiters voor waterstof
• FAQs

Uitdagingen met waterstof

Waterstof speelt een cruciale rol in milieuvriendelijk vervoer en energiebronnen. Het heeft verschillende toepassingen, van een alternatieve brandstofbron voor transport tot het gebruik in brandstofcellen. Als het bovendien wordt gemengd met aardgas in een verhouding van 20:80, produceert het een stroomopwekkend gas dat de CO2-uitstoot met ongeveer 6-7% kan verminderen.

Bij het kiezen en dimensioneren van regelkleppen voor waterstoftoepassingen moet rekening worden gehouden met verschillende factoren.

• Waterstof heeft een van de kleinste moleculaire groottes. Deze minuscule moleculen kunnen doordringen in roestvast staal van lagere kwaliteit, wat leidt tot waterstofbrosheid. Na verloop van tijd kan het materiaal hierdoor barsten en kunnen er grote problemen ontstaan bij waterstofservices.
• Gezien het lichte gewicht zijn waterstofmoleculen klein, wat de kans op lekken in pakkingen en verbindingen vergroot en de grootte van de klep beïnvloedt. Het waarborgen van de integriteit van waterstofsystemen is van cruciaal belang omdat elke verbinding volledig moet worden afgedicht. Lekkages vormen veiligheidsrisico's, vooral tijdens het tanken, en leiden tot onnodig verlies wanneer het gas uit voertuigen of opslagfaciliteiten ontsnapt.
• De neiging van waterstof om te ontbranden in aanwezigheid van hoge en lage luchtconcentraties is een andere factor die van invloed is op de selectie van afsluiters, met name pakkingen en verbindingen.

Betekenis van hoge prestaties in waterstofkleppen

De omstandigheden voor het gebruik van waterstofbrandstofsystemen zijn natuurlijk zwaar. Alle waterstofkleppen moeten aan de volgende vereisten voldoen.

1. Druk: Waterstof moet in voertuigtanks worden opgeslagen bij 350 - 700 bar (5076 - 10152 psi) om de vereiste dichtheid te bereiken.
2. Stress en trillingen: De systemen moeten bestand zijn tegen hoge snelheden, ruwe wegen en barre weersomstandigheden.
3. Veiligheid: Tankstations moeten veilig genoeg zijn om te gebruiken.
4. Onderhoud: Het systeem moet het mogelijk maken om afdichtingen tijdens onderhoud eenvoudig te repareren.

Ze moeten lekvrij zijn op het aansluitpunt en hun afsluit- of controlepunt terwijl ze de specifieke bedrijfsomstandigheden van waterstoftoepassingen aankunnen.

Materiaalkeuze

Waterstofbrosheid (HE) is de degradatie van de mechanische eigenschappen van een metaal veroorzaakt door de aanwezigheid van waterstof. Het kan het gevolg zijn van een verkeerde materiaalkeuze en omgevingsomstandigheden en leidt tot verminderde flexibiliteit in metalen door de absorptie van waterstofatomen.

De meeste metalen zijn immuun voor HE bij temperaturen boven 150𐩑C (302 𐩑F). De optimale waterstofdruk voor verbrossing ligt tussen 20 en 103 bar (300 - 1500 psi). HE gebeurt in staal en vergelijkbare metalen bij relatief lage waterstofconcentraties. Normen zoals NACE MR-0175 en NACE MR-0103 definiëren de vereisten voor regelkleppen voor waterstofgassen.

• Materialen die geschikt zijn voor waterstofgebruik zijn onder andere aluminiumlegeringen, austenitisch roestvast staal, koper en koperlegeringen. Nikkel en de meeste nikkellegeringen en nodulair, grijs en smeedbaar gietijzer mogen niet worden gebruikt omdat ze gevoelig zijn voor ernstige waterstofbrosheid.
• De ISO-afdichting is een geavanceerde mechanische afdichting die is ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van waterstofservices. De structuur bestaat uit een reeks ringen opgebouwd uit materialen zoals PTFE of grafiet. Deze zijn georganiseerd in een bepaalde configuratie om een schild te vormen dat voorkomt dat de waterstof onder druk in contact komt met de omgeving.
• De materialen die gebruikt worden voor membranen en afdichtingen in waterstoftoepassingen moeten zorgvuldig overwogen worden, met aandacht voor temperatuur- en drukomstandigheden. De waterstofcompatibiliteit met polymeren wordt nog uitgebreid in de praktijk getest.

Diffuse emissies

Een diffuse emissie is een onbedoelde lekkage of uitstoot van gassen uit drukhoudende apparatuur zoals kleppen. Vluchtige emissietests zijn tests die worden gebruikt om de externe lekkage van de klepsteelafdichtingen en huisverbindingen van regelkleppen te controleren. Deze tests weerspiegelen de werkelijke bedrijfsomstandigheden en omvatten alle bedrijfstemperaturen en -drukken. Veelgebruikte testnormen zijn ISO-15848-1 en 2, TA-Luft/VDI 2440, ANSI/FCI 91-1, API-622 en ANSI/ISA S93.00.01.

Ongeveer 60% van de ontsnapte emissies is vermoedelijk afkomstig van kleppen, waarbij bijna 80% van de lekkage per klep afkomstig is van de spindelpakking. Andere factoren die bijdragen aan deze emissies zijn uitlaat- of ontluchtingspoorten van magneetventielen, klepstandstellers en andere regelaccessoires. Routinematige inspecties en onderhoud kunnen deze emissies helpen voorkomen.

Afsluiters voor waterstof

Waterstof kogelkranen

Kogelkleppen regelen de waterstofgasstroom in waterstofsystemen. Bij het kiezen van kogelkleppen voor waterstofgastoepassingen is het cruciaal om kogelkleppen te kiezen met een duurzame stangafdichting. Een goede keuze kan een kogel met tappen zijn met een ontwerp met directe belasting, die zorgt voor een veilige afdichting telkens als de klep wordt in- en uitgeschakeld. Een onderbelasting van de steel kan ook de kans op een steelontploffing minimaliseren, wat de veiligheid ten goede komt. Zorg er ten slotte voor dat ze zeer compatibel zijn met fittingen die speciaal ontworpen zijn voor gebruik op waterstof.

Waterstof naaldventielen

Naaldkleppen helpen bij het nauwkeurig afstellen van de vloeistofstroom in een systeem. Bij het gebruik in waterstofsystemen zijn er een paar belangrijke factoren om rekening mee te houden.

• Naaldkleppen zijn meestal volledig van metaal en hebben veel kracht nodig om goed af te dichten. Deze kracht kan de naald of zelfs de zitting vervormen, waardoor een potentieel risico ontstaat en duur onderhoud nodig is.
• De kracht vereist meestal grote pneumatische actuators om de kleppen te sluiten en te openen, wat tot twee minuten kan duren om volledig te werken.

Gezien deze factoren is het cruciaal om naaldkleppen te gebruiken die gemaakt zijn van hoogwaardig 316 roestvrij staal dat bestand is tegen vervorming door herhaaldelijk gebruik. Kies ook een naaldventiel dat is goedgekeurd voor hoge werkdrukken van waterstofsystemen (350/700 bar). En zorg er net als bij kogelkleppen voor dat ze compatibel zijn met andere onderdelen die zijn goedgekeurd voor waterstof.

Waterstof terugslagkleppen

Terugslagkleppen spelen een cruciale veiligheidsrol in waterstofcompressoren die worden gebruikt in tanksystemen, omdat ze overtollige terugstroming beheren om de gebruiker te beschermen. Terugslagkleppen voor waterstof hebben te maken met een aantal uitdagingen in vergelijking met gewone servicetoepassingen.

De meeste terugslagkleppen hebben veren die meestal gemaakt zijn van materiaal dat onder druk verhardt, waardoor het gevoeliger is voor waterstofbrosheid dan hoogwaardig 316 roestvrij staal. Bovendien worden deze kleppen bij het tanken blootgesteld aan snelle en aanzienlijke veranderingen in temperatuur en druk, waardoor de rubberen afdichtingen van de klep extra worden belast. Gezien deze factoren zijn terugslagkleppen een betere keuze voor waterstofcompressoren.

Magneetkleppen waterstof

Magneetventielen regelen de waterstofstroom in waterstoftankstations, energiecentrales, petrochemische fabrieken en de lucht- en ruimtevaartindustrie. Over het algemeen kunnen de direct werkende magneetventielen werken van 0 - 1000 bar (0 - 14,503 psi), terwijl de indirect werkende magneetventielen werken van 10 - 1000 bar (145 - 14,503 psi). De klepbehuizing en andere onderdelen moeten gemaakt zijn van materialen die bestand zijn tegen waterstofbrosheid en -diffusie. Titanium, roestvrij staal en andere corrosiebestendige metalen worden meestal gebruikt. Ook moet het polymeer waarmee de klep is gemaakt, zijn goedgekeurd tegen explosieve decompressie (het snel en ongecontroleerd vrijkomen van druk in een afgesloten omgeving).

Waterstof veiligheids- en overdrukventielen

Overdrukkleppen en veiligheidskleppen worden gebruikt in waterstofopslagtanks, brandstofcelsystemen en productiefaciliteiten om automatisch overdruk uit waterstofsystemen te laten ontsnappen wanneer de druk een vooraf bepaald instelpunt overschrijdt. Roestvrij staal en legeringen op basis van nikkel worden vaak gebruikt in de constructie van kleppen omdat deze materialen bestand zijn tegen scheuren veroorzaakt door waterstof.

Lees ons artikel over koppel voor kwartslagkleppen voor meer informatie over het effect van koppel voor het bedienen van kwartslagkleppen.

FAQs

Wat is een waterstofgasklep?

Een waterstofgasklep is een gespecialiseerd type dat is ontworpen om de waterstofgasstroom te regelen in verschillende toepassingen, zoals waterstofvoertuigen en de productie en opslag van waterstof.

Wat zijn enkele toepassingen van waterstofregelkleppen?

Waterstofregelkleppen worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder brandstofcelsystemen, waterstofproductiefaciliteiten en waterstofopslagsystemen.