Конструкция фитингов для водородных систем

Четыре качества, которыми должны обладать фитинги для водородных топливных элементов

Чарльз Хейз (Charles Hayes), ведущий инженер-разработчик новых продуктов

Одна из наиболее сложных проблем при разработке транспортных средств на безопасных, надежных и герметичных водородных топливных элементах и инфраструктуры для них — это особенности самого водорода.

Водород представляет собой газ, молекулы которого имеют малый размер. Утечка водорода может легко происходить через самые крошечные щели, и он может диффундировать в материалы, предназначенные для его удержания. На рынке транспортных услуг водород следует хранить под давлением более 700 бар, чтобы обеспечить необходимую энергетическую плотность на транспортном средстве. А на заправочных станциях быстрые перепады температуры и давления также могут оказывать воздействие на целостность системы, поскольку водород выходит из резервуаров для хранения и декомпрессируется.

Такие обстоятельства указывают на важность безупречной работы фитингов, которые соединяют между собой критичные участки водородных топливных систем высокого давления. Фитинги, используемые в технических решениях для водородных топливных элементов, должны обладать несколькими важнейшими характеристиками, обеспечивающими надежную эксплуатацию в течение длительного времени. Хотя в этих системах использовались традиционные конические и резьбовые фитинги, в настоящее время предлагаются более высокоэффективные варианты исполнения. В данной статье детально рассмотрены несколько характерных особенностей конструкции фитингов, которые обеспечивают прекрасные эксплуатационные показатели в технических решениях для водородных систем.

Герметичность уплотнения

Учитывая способность водорода просачиваться через самые крохотные отверстия, герметичность газонепроницаемого уплотнения и устойчивость к утечкам являются одними из наиболее важных критериев эффективности работы фитингов.

Многие традиционные трубные соединения имеют уплотнение по одной линии контакта на узкой поверхности. Несмотря на то что такого уплотнения достаточно для многих жидкостей и некоторых газов, из-за бескомпромиссного характера водорода герметичность может быть нарушена во время эксплуатации. Вибрация также может создавать проблемы для уплотнения по одной линии.

Усовершенствованная конструкция, обеспечивающая герметичность водорода, предусматривает две линии контакта на более длинных поверхностях уплотнения — одну вдоль трубки, а вторую — вдоль фитинга. Необходимо установить эти контактные поверхности под небольшим углом, обеспечив оптимальный уровень напряжения для безупречного уплотнения. Такую целостность уплотнения могут обеспечить некоторые разновидности трубных фитингов с двумя обжимными кольцами.

Прочность обхвата

Прочность обхвата трубки фитингом — еще одна важная эксплуатационная характеристика, которая позволяет фитингу выдерживать высокое давление, необходимое при заправке водородом, а также возможную значительную вибрацию при движении транспортного средства.

Совокупный механический обхват двух обжимных колец позволяет фитингу для водородных систем обеспечить надежный обхват. Упрочненное переднее обжимное кольцо создает возможность фитингу физически обжать трубку, создавая очень высокое номинальное давление. А уникальная конструкция заднего обжимного кольца обеспечивает незначительное движение фитинга (обусловленное «пружинным эффектом»), сохраняя обхват и силу. Такая конструкция обеспечивает надежную виброустойчивость, которая идеально подходит для как эксплуатации на транспортных средствах, так и для применения в заправочной инфраструктуре, где компрессоры и динамические условия могут стать причиной значительной вибрации.

Механическая конструкция с двумя обжимными кольцами, обеспечивающая «пружинный эффект», также помогает фитингу выдержать значительные температурные изменения, которые могут вызвать расширение или сжатие материала. Во время заправки температура газообразного водорода может быть от –50 ºC до температуры окружающей среды, что может вызвать проблемы при эксплуатации традиционных фитингов с конусом и резьбой.

Простая процедура монтажа

Надлежащая конструкция фитингов имеет решающее значение для надежности в ходе эксплуатации. Она также может обеспечить высокую эффективность монтажа и сборки для OEM-производителей транспортных средств на водородных топливных элементах и разработчиков инфраструктуры для них.

Некоторые доступные фитинги с механическим обхватом предусматривают наличие предварительно собранных картриджей. Это позволяет монтажникам использовать простые инструменты и требует минимального обучения быстрой и безошибочной сборке. В сравнении с традиционными фитингами с конусом и резьбой, которые обычно использовались в водородных заправочных системах, инновационная конструкция фитингов Swagelok^® серии FK предлагает значительные преимущества при монтаже и сборке.

Надежное соединение с конусом и резьбой требует специального оборудования, высокого уровня навыков монтажника и обычно занимает в 5 раз больше времени для сборки и испытания, чем фитинги Swagelok серии FK. Для производства транспортных средств очень важна скорость, поэтому простота монтажа будет критически важным аспектом с учетом расширения водородной инфраструктуры. Надлежащие технические решения, примененные в конструкции фитингов, могут ускорить оба процесса.

Целостность материала

Предотвращение коррозии имеет важное значение в любой сфере, где требуется надежная работа трубных обжимных фитингов. Коррозия происходит при окислении атомов металла под влиянием жидкости или газа, что ведет к утрате материала на его поверхности. В результате этой утраты толщина стенок компонента уменьшается, что делает его более уязвимым для механических повреждений. В сфере водородного транспорта автомобили и топливозаправочные насосы регулярно подвергаются воздействию неблагоприятных погодных условий, что делает коррозионную стойкость материалов в течение всего срока службы системы особенно важной.

Кроме того, на поверхности нержавеющей стали могут накапливаться молекулы водорода и разделяться на отдельные атомы. У этих атомов очень малый диаметр, и они могут проникать в аустенитную кристаллическую решетку, образуемую более крупными атомами железа, никеля, хрома и молибдена. Проникновение атомов в нержавеющую сталь 316/316L происходит очень медленно, но при высоком давлении в течение длительного периода времени в кристаллической решетке может накопиться значительное количество атомов водорода. Это явление называется водородным охрупчиванием. Даже в высокой концентрации атомы водорода обычно не оказывают негативного воздействия на прочность стали 316/316L. Однако при наличии усталостных трещин в компонентах атомы водорода упрощают их распространение. Низкокачественные сплавы могут быть больше подвержены данной проблеме в долгосрочной перспективе.

Повышенная концентрация хрома и никеля в компонентах жидкостных и газовых систем обеспечивает защиту от распространенных видов коррозии и водородного охрупчивания за счет большей пластичности критически важных компонентов. Согласно требованиям Американского общества по испытанию материалов (American Society for Testing and Materials, ASTM) нержавеющая сталь 316 должна содержать как минимум 10 % никеля. Однако исследования показали, что высококачественная нержавеющая сталь 316 с содержанием никеля не менее 12 % лучше подходит для уникальных условий эксплуатации водородных систем.

Соответствие требованиям водородных систем

Несмотря на наличие разнообразных компрессионных трубных фитингов и фитингов других видов, применимых в водородных топливных системах, лишь немногие из них соответствуют уникальным требованиям водородных систем в отношении эксплуатационных характеристик.

Фитинги Swagelok серии FK являются исключением. Фитинги серии FK с запатентованной конструкцией, сертификатами EC-79 и EIHP и номинальными параметрами давления до 1551 бара были разработаны специально для применения в водородных системах. С момента своего появления эти фитинги, изготовленные из нержавеющей стали 316 с содержанием никеля не менее 12 %, использовались в различных системах и отраслях промышленности, и они остаются оптимальным выбором для применения в транспортных средствах и инфраструктуре в настоящее время и в будущем.

Долгосрочная жизнеспособность транспортных средств на водородном топливе будет зависеть от безопасности и надежности водородного транспорта и инфраструктуры для него, а также от длительности срока их службы. Выбор правильных компонентов для критически важных систем и составление технических требований для их производства помогут в достижении этих целей. Хотите узнать больше? Обратитесь в компанию Swagelok сегодня, чтобы узнать, как мы можем помочь вам в решении ваших транспортных потребностей.

Обратиться в региональный центр продаж и сервисного обслуживания Swagelok