Обеспечение безопасности и надежности в технологиях водородных топливных элементов: четыре качества фитингов

Четыре качества, на которые обратить внимание в фитингах для технологий водородных топливных элементов

Чарльз Хейз, ведущий инженер по разработке новых продуктов, и Чарльз Эрмл, менеджер по продуктам, Swagelok

Одной из самых серьезных проблем в разработке безопасных, надежных и герметичных водородных автомобилей с топливными элементами и инфраструктуры является природа самого водорода.

Водород — газ с малыми молекулами. Он может легко утечь через мельчайшие щели и диффундировать в материалы, предназначенные для их сдерживания. На транспортном рынке водород также должен храниться при давлениях свыше 700 бар для достижения необходимой энергетической плотности на автомобиле. И на заправочных станциях быстрые тепловые и давленческие изменения также могут влиять на целостность системы, когда водород покидает резервуары и декомпрессируется.

Эти обстоятельства подчеркивают важность некомпромиссной производительности в фитингах, соединяющих критические части высокодавленных водородных топливных систем. Фитинги для технологий водородных топливных элементов должны демонстрировать несколько критических характеристик для долгосрочной надежности. Хотя традиционные конусно-резьбовые фитинги использовались в этих приложениях, сегодня доступны более высокопроизводительные варианты. В этой статье мы подробно рассмотрим несколько конкретных характеристик дизайна фитингов, которые делают их идеальными для водородных технологий:

Герметичность уплотнения

Учитывая склонность водорода просачиваться через мельчайшие отверстия, газонепроницаемость уплотнения и устойчивость к утечкам — одни из самых важных критериев производительности для фитинга.

Многие традиционные трубные соединения уплотняются вдоль одной линии контакта на узкой поверхности. Хотя эта уплотнение может быть достаточной для многих жидкостей и некоторых газов, неискупимая природа водорода может скомпрометировать её в эксплуатации. Вибрация также может быть проблемой для одно-линейного уплотнения.

Лучший дизайн для сдерживания водорода включает две линии контакта вдоль более длинных уплотняющих поверхностей — одну вдоль трубки, и другую вдоль фитинга. Эти контактные поверхности должны быть слегка наклонены, обеспечивая оптимизированный уровень напряжения для поддержания некомпромиссного уплотнения. Определенные стили двухферрульных трубных фитингов могут обеспечить этот тип целостности уплотнения.

Сила хвата

Сила хвата фитингом трубки — еще один ключевой атрибут производительности, гарантирующий, что фитинг может выдерживать высокие давления, требуемые для водородной заправки, а также значительную вибрацию, которая может возникать в движущемся автомобиле.

Коллетный механический хват с использованием двух феррулов — идеальный дизайн для водородного фитинга для создания надежного хвата. Закаленная передняя феррула может позволить фитингу физически вкусываться в трубку, создавая очень высокий рейтинг давления. В то же время, уникальный дизайн задней феррулы позволяет незначительное количество движения в фитинге (называемое «пружинным возвратом») при сохранении хвата и силы. Этот тип дизайна создает надежную виброустойчивость, идеальную как для бортовой эксплуатации, так и для использования на заправочной инфраструктуре, где компрессоры и динамические условия могут создавать значительную вибрацию.

Механический двухферрульный дизайн, позволяющий пружинный возврат, также помогает фитингам выдерживать драматические тепловые изменения, которые могут вызывать рост или усадку материалов. Во время заправки температура водородного газа может варьироваться от -50°C до окружающей температуры, вызывая проблемы в производительности традиционных конусно-резьбовых фитингов.

Простая установка

Правильный дизайн фитинга критичен для надежной эксплуатации. Он также может привести к значительным эффективностям установки и сборки для OEM водородных автомобилей с топливными элементами и разработчиков водородной инфраструктуры.

Некоторые доступные механические хватные фитинги спроектированы с предварительно собранными картриджами. Это позволяет установщикам использовать обычные инструменты и требует минимального обучения для достижения быстрой, защищенной от ошибок сборки. По сравнению с традиционными конусно-резьбовыми фитингами, которые традиционно использовались в водородных системах заправки, инновационный дизайн вроде фитингов серии FK Swagelok^® показывает значительные преимущества установки и сборки.

Надежное конусно-резьбовое соединение требует специализированного оборудования, высоких уровней мастерства установщика и обычно занимает в 5 раз больше времени для сборки и тестирования, чем серия FK Swagelok. Автомобилестроение — это скорость, и простота установки будет критична по мере масштабирования водородной инфраструктуры. Правильная технология фитингов может ускорить оба процесса.

 

Материальная целостность

Контроль коррозии важен в любом приложении, где от трубных фитингов ожидается надежная производительность. Коррозия происходит, когда атом металла окисляется жидкостью, приводя к потере материала в металлической поверхности. Эта потеря снижает толщину стенки компонента и делает его более склонным к механическому отказу. В водородных транспортных приложениях и автомобили, и заправочные насосы регулярно подвергаются неблагоприятным погодным условиям, делая особенно важным, чтобы материалы конструкции могли сопротивляться проблемной коррозии на протяжении всего жизненного цикла системы.

Кроме того, молекулы водорода могут адсорбироваться на поверхности нержавеющей стали, и отдельные атомы расщепляются. У них очень маленький диаметр и они могут диффундировать в аустенитную кристаллическую решетку, образованную гораздо более крупными атомами железа, никеля, хрома и молибдена. Диффузия в нержавеющую сталь 316/316L происходит очень медленно, но при высоких давлениях и за длинные периоды времени значительные количества атомов водорода могут накапливаться в решетке. Это явление известно как водородная ломкость. Даже при наличии в больших концентрациях, атомы водорода не склонны негативно влиять на прочность 316/316L. Однако, если в компоненте присутствуют усталостные трещины, атомы водорода сделают легче распространение этих трещин через компонент. Нижекачественные сплавы могут быть более восприимчивы к этой проблеме в долгосрочной перспективе.

Более высокие концентрации хрома и никеля в компонентах жидкостных систем могут помочь защититься от обычной коррозии и водородной ломкости за счет сохранения большей вязкости в критических компонентах. Американское общество испытаний и материалов (ASTM) требует минимум 10% никеля в нержавеющей стали 316. Однако было показано, что более высококачественная нержавеющая сталь 316 с 12% минимальным никелем лучше подходит для уникальных вызовов водорода.

Удовлетворение потребностей водородных систем

Хотя существует множество компрессионных трубных фитингов и других стилей, которые могут быть применимы к водородным топливным системам, очень мало из них спроектированы для удовлетворения множества уникальных требований производительности, которые требуют водородные приложения.

Фитинги серии FK Swagelok — исключение. С запатентованным дизайном, сертификациями EC-79 и EIHP, и номинальными давлениями до 1050 бар, серия FK была инженерирована специально для использования в водородных приложениях. Изготовленные из нержавеющей стали 316 с 12% минимальным содержанием никеля, они нашли применение в широком спектре отраслей и приложений с момента своего введения и остаются оптимальным выбором для сегодняшних — и завтрашних — автомобилей и инфраструктуры.

Долгосрочная жизнеспособность водородного транспорта будет зависеть от безопасных, надежных и долговечных водородных автомобилей и инфраструктуры. Выбор и спецификация правильных компонентов для критических систем может помочь достичь этих целей. Заинтересованы в узнавании больше? Свяжитесь с Swagelok сегодня, чтобы обсудить, как мы можем помочь с вашими транспортными потребностями.