Vijf aspecten die van belang zijn bij de keuze van fittingen in waterstoftechnologie
Een van de grootste uitdagingen bij de ontwikkeling van veilige, betrouwbare en lekdichte waterstofvoertuigen en -infrastructuur is het waterstof zelf.
Waterstof is een gas met een zeer kleine molecuulstructuur. Het kan gemakkelijk ontsnappen door de kleinste openingen en doordringen in de materialen waarin het zich bevindt. In de transportmarkt moet waterstof ook worden opgeslagen bij drukken van meer dan 700 bar om de noodzakelijke energiedichtheid in een voertuig te bereiken. En bij tankstations kunnen snelle thermische en drukveranderingen ook de systeemintegriteit beïnvloeden wanneer waterstof de opslagtanks verlaat en decomprimeert.
Deze omstandigheden onderstrepen het belang van optimale prestaties in koppelingen die kritieke onderdelen van hogedruk-waterstofbrandstofsystemen verbinden. Fittingen voor waterstof-brandstofceltechnologie moeten diverse essentiële eigenschappen bezitten om langdurige betrouwbaarheid te garanderen.
Hoewel in deze toepassingen traditionele cone- en schroefdraadfittingen zijn gebruikt, zijn er tegenwoordig beter presterende opties beschikbaar. Lees verder over de specifieke ontwerpkenmerken van fittingen die ideaal zijn voor waterstoftechnologie.
1. Dichtheid
Gezien de neiging van waterstof om door de kleinste openingen te glippen, zijn gasdichtheid en lekbestendigheid enkele van de belangrijkste prestatiecriteria voor een fitting.
Veel traditionele tubeverbindingen zijn afgedicht langs één enkele contactlijn op een smal oppervlak. Hoewel deze afdichting toereikend kan zijn voor veel vloeistoffen en sommige gassen, kan de specifieke aard van waterstof de afdichting in gevaar brengen bij gebruik. Trillingen kunnen ook een uitdaging vormen voor een enkelvoudige afdichting.
Een beter ontwerp voor het insluiten van waterstof bestaat uit twee contactlijnen over langere afdichtingsoppervlakken - één langs de tube en één langs de fitting. Deze contactoppervlakken moeten onder een lichte hoek staan, zodat een optimaal spanningsniveau ontstaat voor een optimale afdichting. Bepaalde soorten tubefittingen met twee ferrules kunnen deze afdichtingsintegriteit leveren.
2. Gripsterkte
De grip van de fitting op de tube is een ander belangrijk prestatiekenmerk dat ervoor zorgt dat de fitting bestand is tegen de hoge druk die nodig is voor het tanken van waterstof. Tevens bestand is tegen de aanzienlijke trillingen die kunnen optreden in een rijdend voertuig.
Een "gekraagde" mechanische grip met twee ferrules is een ideaal ontwerp voor een waterstoffitting om een krachtige grip te creëren. Een geharde voorste ferrule kan ervoor zorgen dat de fitting zich fysiek vastbijt in de tubing, waardoor een zeer hoge druk ontstaat. Ondertussen zorgt een uniek ontwerp van de ferrule aan de achterkant voor een lichte beweging in de fitting (terugvering genoemd) terwijl de grip en kracht behouden blijven. Dit type ontwerp zorgt voor een optimale weerstand tegen trillingen, ideaal voor zowel gebruik in voertuigen als gebruik op tankinfrastructuur, waar compressoren en dynamische omstandigheden aanzienlijke trillingen kunnen veroorzaken.
Een mechanisch ontwerp met twee ferrules dat terugvering mogelijk maakt, helpt fittingen ook om bestand te zijn tegen grote thermische veranderingen waardoor materialen kunnen uitzetten of krimpen. Tijdens het tanken kan de temperatuur van het waterstofgas variëren van -50ºC tot omgevingstemperatuur, waardoor de werking van conventionele cone- en schroefdraadfittingen wordt verstoord.
3. Eenvoudige installatie
Een goed fittingontwerp is essentieel voor betrouwbare prestaties tijdens het gebruik. Het kan ook leiden tot aanzienlijke installatie- en assemblage-efficiëntie voor fabrikanten van waterstofvoertuigen en ontwikkelaars van waterstofinfrastructuur.
Sommige beschikbare mechanische fittingen zijn ontworpen met voorgemonteerde cartridges. Hierdoor kunnen installateurs gewoon gereedschap gebruiken en is er minimale training nodig voor een snelle, foutloze montage. In vergelijking met traditionele kegel- en schroefdraadfittingen, die van oudsher in waterstoftanksystemen worden gebruikt, biedt een innovatief ontwerp zoals de Swagelok® FK-serie fittingen aanzienlijke installatie- en montagevoordelen.
Een betrouwbare cone- en schroefdraadverbinding vereist gespecialiseerde apparatuur, een hoog installateursniveau en het duurt doorgaans 5x langer om te monteren en te testen dan de Swagelok FK serie. Bij de productie van voertuigen draait alles om snelheid en installatiegemak zal van belang zijn naarmate de waterstofinfrastructuur zich uitbreidt. De juiste montagetechnologie kan beide versnellen.
4. Integriteit van materiaal
Corrosiebeheersing is belangrijk in elke toepassing waar van tubefittingen betrouwbare prestaties worden verwacht. Corrosie treedt op wanneer een metaalatoom wordt geoxideerd door een vloeistof, wat leidt tot materiaalverlies in het metaaloppervlak.
Hierdoor wordt de wanddikte van een onderdeel verminderd, waardoor het gevoeliger wordt voor mechanische defecten. In waterstoftransporttoepassingen worden zowel voertuigen als tankpompen regelmatig blootgesteld aan ongunstige weersomstandigheden, waardoor het extra belangrijk is dat constructiematerialen bestand zijn tegen problematische corrosie gedurende de levensduur van een systeem.
Bovendien kunnen waterstofmoleculen geabsorbeerd worden op het oppervlak van roestvrij staal, waarbij de individuele atomen uit elkaar vallen. Ze hebben een zeer kleine diameter en kunnen diffunderen in het austenitische kristalrooster dat gevormd wordt door de veel grotere ijzer-, nikkel-, chroom- en molybdeenatomen. Diffusie in 316/316L roestvast staal treedt zeer langzaam op, maar bij hoge druk en gedurende lange perioden kunnen aanzienlijke hoeveelheden waterstofatomen zich ophopen in het rooster. Dit fenomeen staat bekend als waterstofbrosheid. Zelfs wanneer aanwezig in grote concentraties, hebben waterstofatomen niet de neiging om de sterkte van 316/316L negatief te beïnvloeden. Echter, indien scheuren vanwege metaalmoeheid aanwezig zijn in een onderdeel, zouden waterstofatomen het gemakkelijker maken voor deze scheuren te vergroten in een onderdeel. Lager presterende legeringen kunnen gevoeliger zijn voor dit probleem op de lange termijn.
Hogere concentraties chroom en nikkel in onderdelen van gas- en vloeistofsystemen kunnen helpen bij het tegenhouden van gewone corrosie en waterstofbrosheid, door een grotere flexibiliteit in kritieke onderdelen te behouden. De American Society for Testing and Materials (ASTM) vereist een minimum van 10% nikkel in 316 roestvast staal. Het is echter aangetoond dat een hogere kwaliteit 316 roestvast staal met minimaal 12% nikkel beter geschikt is voor de unieke uitdagingen van waterstof.
5. Voldoen aan de behoeften van waterstofsystemen
Hoewel er een verscheidenheid aan compressie-tubefittingen en andere soorten zijn die van toepassing kunnen zijn op waterstofbrandstofsystemen, zijn er maar heel weinig ontworpen om te voldoen aan de vele unieke prestatie-eisen die waterstoftoepassingen vereisen.
Swagelok's FK serie fittingen zijn de uitzondering. Met een gepatenteerd ontwerp, EC-79 & EIHP certificeringen en drukwaarden tot 1050 bar is de FK serie speciaal ontworpen voor gebruik in waterstoftoepassingen. Ze zijn gemaakt van roestvrij staal 316 met een minimaal nikkelgehalte van 12% en worden al geruime tijd gebruikt in een groot aantal industrieën en toepassingen. Ze blijven een optimale keuze voor de voertuigen en infrastructuur van vandaag en morgen.
De levensvatbaarheid op lange termijn van waterstoftransport zal afhangen van veilige, betrouwbare en duurzame waterstofvoertuigen en -infrastructuur. Het selecteren en specificeren van de juiste onderdelen voor kritieke systemen kan helpen om deze doelen te bereiken.
Bent u geïnteresseerd? Neem direct contact op met Swagelok om te bespreken hoe we u kunnen helpen.