Vannes pour applications hydrogène

Alors que l'hydrogène gagne du terrain en tant que vecteur d'énergie propre, la demande de vannes spécialement conçues pour les applications liées à l'hydrogène augmente rapidement. Les vannes à hydrogène doivent répondre à des exigences strictes en matière de sécurité et de performance afin de garantir une manipulation sûre et efficace de la nature hautement inflammable et volatile de l'hydrogène. Cet article donne une vue d'ensemble des considérations clés lors de la spécification des vannes pour les applications hydrogène, y compris la sélection des matériaux, les caractéristiques de conception et les normes d'essai.

Table des matières

• Les défis de l'hydrogène
• Importance de la haute performance dans les vannes à hydrogène
• Vannes pour le service de l'hydrogène
• FAQ

Les défis de l'hydrogène

L'hydrogène joue un rôle essentiel dans les transports et les sources d'énergie respectueux de l'environnement. Il a plusieurs applications, qu'il s'agisse de fournir une source de carburant alternative pour les transports ou d'être utilisé dans les piles à combustible. En outre, lorsqu'il est mélangé au gaz naturel dans un rapport de 20:80, il produit un gaz générateur d'électricité qui peut réduire les émissions de CO2 d'environ 6 à 7 %.

Lors du choix et du dimensionnement des vannes de contrôle pour les applications liées à l'hydrogène, plusieurs facteurs doivent être pris en compte.

• L'hydrogène a l'une des plus petites tailles moléculaires. Ces minuscules molécules peuvent pénétrer dans l'acier inoxydable de moindre qualité, ce qui entraîne une fragilisation par l'hydrogène. Avec le temps, cela peut provoquer des fissures dans le matériau et potentiellement créer des problèmes importants dans les services d'hydrogène.
• En raison de leur légèreté, les molécules d'hydrogène sont petites, ce qui augmente le risque de fuites dans les garnitures et les joints et influe sur la taille de la vanne. Il est essentiel de garantir l'intégrité des systèmes à hydrogène en raison de la nécessité d'une étanchéité totale à chaque jonction. Les fuites présentent des risques pour la sécurité, en particulier lors du ravitaillement des pompes, et entraînent des pertes inutiles lorsque le gaz s'échappe des véhicules ou des installations de stockage.
• La propension de l'hydrogène à s'enflammer en présence de concentrations d'air faibles ou élevées est un autre facteur qui influe sur le choix des vannes, en particulier des garnitures et des joints.

Importance de la haute performance dans les vannes à hydrogène

Les conditions d'exploitation des systèmes à hydrogène sont naturellement difficiles. Tous les robinets à hydrogène doivent répondre aux exigences suivantes.

1. Pressions : L'hydrogène doit être stocké dans des réservoirs de véhicules à une pression comprise entre 350 et 700 bars (5076 - 10152 psi) pour atteindre la densité requise.
2. Stress et vibrations : Les systèmes doivent être suffisamment résistants pour supporter des vitesses élevées, des routes accidentées et des conditions météorologiques difficiles.
3. La sécurité : Les stations de ravitaillement doivent être suffisamment sûres pour fonctionner.
4. Entretien : Le système doit permettre de réparer facilement les joints étanches lors de l'entretien.

Ils doivent être étanches au point de raccordement et à leur point d'arrêt ou de contrôle, tout en respectant les conditions de fonctionnement propres aux applications de l'hydrogène.

Sélection des matériaux

La fragilisation par l'hydrogène (HE) est la dégradation des propriétés mécaniques d'un métal causée par la présence d'hydrogène. Elle peut résulter d'un mauvais choix de matériaux et de conditions environnementales et entraîne une réduction de la flexibilité des métaux en raison de l'absorption d'atomes d'hydrogène.

La plupart des métaux sont immunisés contre l'HE à des températures supérieures à 150𐩑C (302 𐩑F). La pression d'hydrogène optimale pour la fragilisation se situe entre 20 et 103 bars (300 - 1500 psi). L'HE se produit dans les aciers et les métaux similaires à des concentrations d'hydrogène relativement faibles. Des normes telles que NACE MR-0175 et NACE MR-0103 définissent les exigences en matière de vannes de contrôle pour les gaz d'hydrogène.

• Les matériaux adaptés à l'utilisation de l'hydrogène sont les alliages d'aluminium, les aciers inoxydables austénitiques, le cuivre et les alliages de cuivre. Le nickel et la plupart des alliages de nickel, ainsi que les fontes ductiles, grises et malléables, ne doivent pas être utilisés car ils sont susceptibles d'être gravement fragilisés par l'hydrogène.
• Le joint ISO est un joint mécanique avancé conçu pour répondre aux besoins rigoureux du service de l'hydrogène. Sa structure est constituée d'une série d'anneaux construits à partir de matériaux tels que le PTFE ou le graphite. Ceux-ci sont organisés dans une configuration particulière pour former un bouclier qui empêche l'hydrogène sous pression d'interagir avec l'environnement.
• Les matériaux utilisés pour les membranes et l'étanchéité dans les applications hydrogène doivent être soigneusement étudiés, en tenant compte des conditions de température et de pression. La compatibilité de l'hydrogène avec les polymères fait encore l'objet d'essais approfondis sur le terrain.

Émissions fugitives

Une émission fugitive est une fuite ou une décharge involontaire de gaz provenant d'un équipement sous pression tel qu'une vanne. Les tests d'émissions fugitives font référence aux tests utilisés pour vérifier l'étanchéité externe des joints de la tige de la vanne et des joints du corps des vannes de contrôle. Ces tests reflètent les conditions de service réelles, couvrant toutes les températures et pressions de fonctionnement. Les normes d'essai courantes comprennent ISO-15848-1 et 2, TA-Luft/VDI 2440, ANSI/FCI 91-1, API-622 et ANSI/ISA S93.00.01.

On estime qu'environ 60 % des émissions qui s'échappent proviennent des soupapes, près de 80 % des fuites par soupape provenant de la garniture de la tige. Les orifices d'échappement ou de purge des électrovannes, des positionneurs et d'autres accessoires de contrôle contribuent également à ces émissions. Des inspections et un entretien de routine peuvent contribuer à prévenir ces émissions.

Vannes pour le service de l'hydrogène

Robinets à boisseau sphérique pour l'hydrogène

Les vannes à bille contrôlent le débit d'hydrogène gazeux dans les systèmes à hydrogène. Lors du choix des robinets à tournant sphérique pour les applications de l'hydrogène gazeux, il est essentiel de choisir des robinets dont les joints d'étanchéité de la tige sont durables. Un bon choix peut être un boisseau sphérique de type tourillon avec une conception à charge directe, qui garantit une étanchéité sûre à chaque fois que la vanne est mise en marche et arrêtée. La conception d'une tige chargée par le bas peut également minimiser le risque d'éclatement de la tige, ce qui améliore la sécurité. Enfin, veillez à ce qu'ils soient hautement compatibles avec les raccords spécifiquement conçus pour l'utilisation de l'hydrogène.

Vannes à aiguille pour l'hydrogène

Les vannes à pointeau permettent d'effectuer des réglages précis de la circulation des fluides dans un système. Lorsqu'ils sont utilisés dans des systèmes à hydrogène, quelques facteurs importants doivent être pris en compte.

• Les robinets à pointeau sont généralement entièrement métalliques et nécessitent une force importante pour assurer une étanchéité correcte. Cette force peut déformer l'aiguille ou même le siège, entraînant un risque potentiel et une maintenance coûteuse.
• Cette force nécessite généralement de gros actionneurs pneumatiques pour fermer et ouvrir les vannes, ce qui peut prendre jusqu'à deux minutes pour fonctionner pleinement.

Compte tenu de ces facteurs, il est essentiel d'utiliser des robinets à pointeau en acier inoxydable 316 de haute qualité qui peuvent résister aux déformations dues à une utilisation répétée. Choisissez également une vanne à pointeau approuvée pour les pressions de service élevées des systèmes à hydrogène (350/700 bars). Et, comme pour les vannes à bille, assurez-vous qu'elles sont compatibles avec d'autres composants approuvés pour l'hydrogène.

Clapets anti-retour pour l'hydrogène

Les clapets anti-retour jouent un rôle de sécurité crucial dans les compresseurs d'hydrogène utilisés dans les systèmes de ravitaillement, car ils gèrent les retours d'eau excessifs pour protéger l'utilisateur. Les clapets anti-retour pour l'hydrogène doivent faire face à quelques défis par rapport aux applications de service ordinaires.

La plupart des clapets de non-retour ont des ressorts généralement fabriqués à partir d'un matériau qui se durcit sous l'effet de la contrainte, ce qui le rend plus sensible à la fragilisation par l'hydrogène que l'acier inoxydable 316 de haute qualité. En outre, les applications de ravitaillement en carburant exposent ces vannes à des changements rapides et importants de température et de pression, ce qui exerce une pression supplémentaire sur les joints en caoutchouc de la vanne. Compte tenu de ces facteurs, les clapets anti-retour à bille constituent un choix plus approprié pour les compresseurs d'hydrogène.

Électrovannes à hydrogène

Les électrovannes contrôlent le flux d'hydrogène dans les stations de ravitaillement en hydrogène, la production d'énergie, les usines pétrochimiques et les industries aérospatiales. En général, les électrovannes à action directe peuvent fonctionner entre 0 et 1000 bars (0 - 14 503 psi), tandis que les électrovannes à action indirecte fonctionnent entre 10 et 1000 bars (145 - 14 503 psi). Le corps de la soupape et les autres composants doivent être constitués de matériaux résistant à la fragilisation et à la diffusion de l'hydrogène. Le titane, l'acier inoxydable et d'autres métaux résistants à la corrosion sont généralement utilisés. En outre, le polymère utilisé pour la fabrication de la soupape doit être approuvé contre la décompression explosive (libération rapide et incontrôlée de la pression dans un environnement scellé).

Soupapes de sécurité et de surpression pour l'hydrogène

Les soupapes de décharge et de sécurité sont utilisées dans les réservoirs de stockage d'hydrogène, les systèmes de piles à combustible et les installations de production pour libérer automatiquement la pression excédentaire des systèmes d'hydrogène lorsque la pression dépasse un point de consigne prédéterminé. L'acier inoxydable et les alliages à base de nickel sont couramment utilisés dans la construction des soupapes, car ces matériaux résistent à la fissuration induite par l'hydrogène.

Lisez notre article sur le couple pour les vannes quart de tour pour plus de détails sur l'effet du couple pour l'actionnement des vannes quart de tour.

FAQ

Qu'est-ce qu'une vanne à hydrogène ?

Une vanne d'hydrogène gazeux est un type spécialisé conçu pour contrôler le flux d'hydrogène gazeux dans diverses applications, telles que les véhicules à pile à hydrogène et la production et le stockage d'hydrogène.

Quelles sont les applications des vannes de contrôle de l'hydrogène ?

Les vannes de contrôle de l'hydrogène sont utilisées dans diverses applications, notamment les systèmes de piles à combustible, les installations de production d'hydrogène et les systèmes de stockage de l'hydrogène.