Vätgasbränslesystem måste hanteras på ett säkert sätt
Av: Fabian Brücker, Market Development Manager, Parker Hannifin – Pressure Connectors Europe och Graham Johnson, Division Product Marketing Manager, Parker Hannifin – Instrumentation Products Division Europe
Den 16 juli 1969 sköts NASAs rymdfarkost Apollo 11 upp från Kennedy Space Center i Cape Canaveral. Målet var att de första människorna skulle landa på månen. Ombord fanns Neil Armstrong, Buzz Aldrin och Michael Collins samt ett brett utbud av produkter från Parker, inklusive produkter för vätgas- (H2) och syrgasbränslecellsystemen (O2). Under årens lopp har Parkers lösningar bidragit till många framgångsrika och säkra rymduppdrag. Företagets kulventiler, stoppventiler, backventiler, avstängningsventiler, tätningar, O-ringar, rör och kopplingar bidrar alla till driften av försörjningsmoduler för bränslecellsreaktanter och H2/O2- moduler. Idag, med mer än femtio års erfarenhet av H2-lösningar, ligger Parker i framkant inom denna spännande teknik när den moderna industrin utnyttjar dess många fördelar.
För vissa företag är H2 ett nytt koncept men för Parker är det en väletablerad teknik. Till följd av detta kommer det att finnas Parker-lösningar på den nya rymdfarkosten Artemis, som kommer att ta människan tillbaka till månen och som för närvarande är planerad till 2026. Företaget har även lång erfarenhet inom vägtransport. För cirka 15 år sedan producerade en tillverkare i Belgien världens första H2-bränslebuss och Parkers snabbkopplingar visade sig vara centrala för bussens säkerhet och framgång.
Ta det säkra före det osäkra
Många industrier utnyttjar idag H2, inklusive olja och gas, tillverkning av gödselmedel, ståltillverkning och cementproduktion. Säkerhet står högst på prioritetslistan i alla dessa branscher. H2 innebär många fördelar för användarna men många utmaningar för ingenjörer som måste säkerställa optimal säkerhet i alla tillämpningar, oavsett om det gäller produktion, konditionering, förvaring, distribution eller användning av H2.
Några typiska H2-systemkomponenter är komponenter i vätsketillförselledningar. H2 är den minsta molekylen och har en hög tendens till diffusion och permeation. Den har även en hög flödeshastighet vid en systemläcka. Rör och tätningar måste vara lämpliga för användning av H2 under hela systemets livslängd.
Andra viktiga komponenter är sådana för flödeskontroll, inklusive ventiler, backventiler och regulatorer. Dessa komponenter kan erbjuda manuell drift eller fjärrstyrning, med elektriska eller pneumatiska manöverdon. Manöverdon måste utformas noggrant för att undvika att de utgör en oavsiktlig antändningskälla, särskilt om de är elektriska.
Titta efter detta
Några av de potentiella faror och problem som är förknippade med H2-system är antändlighet, explosivitet, att molekylen är så liten, frånvaron av färg och lukt (i H2-gas), dess interaktion med material (försprödning av vissa metaller kan leda till katastrofala fel), förhöjt förvaringstryck och hälsorisker, som brännskador och kvävning. Den här listan hjälper er att identifiera vilka problem ni bör fokusera på när ni utformar och använder H2-system. Alternativen som är tillgängliga för konstruktörer som vill hantera risker (i prioritetsordning) är: eliminera, förhindra, undvika, minska eller acceptera. För att uppnå många av dessa alternativ måste lämpliga H2-kompatibla produkter specificeras.
Självklart bör alla H2-system ha en felsäker konstruktion, med redundanta säkerhetsfunktioner som tryckavlastningsenheter, reserver för kritiska komponenter och system samt felsäkra lägesställare för ventiler. Ventilerna ska automatiskt återgå till säkert läge vid exempelvis strömavbrott.
Implementeringen av automatisering i designkoncept inom säkerhet omfattar fjärrövervakning av kritisk information, fjärrstyrning och automatisk begränsning av driftförhållanden, som tryck eller flödeshastighet, samt automatisk drift av lämplig utrustning när H2 upptäcks. Åtgärder här kan omfatta att stänga avstängningsventiler, slå på eller av ventilationen efter behov och initiera lämpliga avstängningsåtgärder.
Materialen är viktiga
H2 är extremt skickligt på att hitta defekter och orsaka läckage i material med defekter eller inneslutningar. Ämnet kräver därför stort fokus under systemutvecklingen. Konstruktörer måste fråga sig följande: Vad utgör ett högkvalitativt komponentmaterial som kan motstå att sprickor bildas i spröda ytor och sprider sig? Många leverantörer av komponenter till H2-system pekar nästan uteslutande på ett materials kemiska sammansättning, men i själva verket finns det många andra styrande faktorer, inklusive driftmiljö, mekanik (interna och externa faktorer) och mikrostrukturens specifika egenskaper.
Den kemiska sammansättningen och de mekaniska egenskaperna är naturligtvis av största vikt när det gäller mikrostrukturen, men det är även kvaliteten på materialets tillverkningsprocess och efterföljande värmebehandling. Felaktig eller okontrollerad värmebehandling kan leda till hög densitet för oönskade faser och inneslutningar i råmaterialet. Dessa defekter kan i sin tur leda till att livslängden för H2-systemkomponenter äventyras, vilket ibland kan leda till plötsliga katastrofala fel.
Utvecklare av H2-system kan skydda sig genom att samarbeta med leverantörer som erbjuder giltiga materialcertifikat med spårbarhetsinformation som bevisar metallernas kvalitet. Dessa certifikat intygar tekniska parametrar, tillverkningsvägar, information om värmebehandling, testresultat, kemisk analys, mekaniska egenskaper och överensstämmelse med nationella/internationella standarder. Materialcertifikat som tillhandahålls av Parker omfattar fullständigt ursprung. Företaget kan spåra materialet som används för att tillverka varje H2-systemkomponent ända tillbaka till fabriken. Med hjälp av strikta tillverkningsprocesser undviker man dessutom att H2 förladdas i materialet.
Materialet är inte den enda faktorn som påverkar konstruktionssäkerheten i H2-system. H2 förvaras normalt vid låga temperaturer och högt tryck. Låg temperatur förbättrar förmågan hos H2 att angripa materialet i behållaren medan högt tryck gör läckage mer troligt. Det är viktigt att välja rätt komponenter.
Vissa OEM-tillverkare i H2-industrin köper billigare komponenter eftersom de känner att de måste vara konkurrenskraftiga. Certifiering är inte obligatoriskt och det finns inget som hindrar leverantörer från att erbjuda komponenter av dålig kvalitet till ett lockande pris. I H2-branschen är därför medvetenhet och förståelse viktigt, särskilt bland köpare. Köpare måste kunna lita på bredden och djupet i leverantörens produktsortiment, deras erfarenhet av H2-hantering samt deras utbildnings- och supporttjänster.
Prioritera säkerheten
Parker erbjuder allt som krävs för att säkerställa säkra och tillförlitliga H2-systeminstallationer. Företaget har lång erfarenhet av att hantera H2-media och djupgående kunskap om H2-industrin vad gäller säkerhet, vilket är avgörande för kunder som måste argumentera för säkerhet när de föreslår H2-lösningar.
Utöver certifiering av robusta material har Parker investerat i H2-specifika kvalifikationer, t.ex. EC-79 för transport, ISO 15848 för flyktiga utsläpp och ISO 19880-3 gällande krav och testmetoder för säkerhetsprestanda för gasventiler med högt tryck i vätgasstationer. Dessutom uppfyller komponenterna den amerikanska ackrediteringsstandarden för tunga fordon, som är ett alternativ till EC-79, och kommer att harmoniseras med respektive ISO-standarder.
För H2-tillämpningar erbjuder företaget en omfattande lista med H2-kompatibla komponenter som möjliggör säker och effektiv drift i hela intervallet för H2-systemtryck och extrema temperaturer. Detta omfattar slangmontage som används i tillämpningar med fördelning och överföring av H2 under högt tryck, rörkopplingar med dubbel tätningsring samt kopplingar i inverterade kompressionsdesigner med dubbel tätningsring för processinstrumentering, kon- och gängkopplingar med medelhögt tryck och nålventiler för autoklavering samt rörkopplingar med O-ringstätningar och adaptrar för högtrycksanslutningar på fordon.
En spännande ny värld
Om arbete med H2-system är ett relativt nytt koncept för en organisation eller dess medarbetare är det kanske inte direkt uppenbart varför det är så viktigt att välja rätt komponenter och montera dem korrekt för säker och tillförlitlig drift. Ett system med dåliga komponenter kan fungera bra efter den inledande driftsättningen men problem uppstår snart eftersom H2 till exempel försämrar kopplingarna. Ingenjörer kan undvika dessa problem genom att diskutera sina krav med Parker, som erbjuder produkter, komponentutbildningar och global komponentsupport från en enda källa.
