صمامات الهيدروجين السائل من منظور صناعي

يتمتع الهيدروجين السائل بمزايا معينة في التخزين والنقل. فمقارنةً بالهيدروجين العادي، يتميز الهيدروجين السائل (LH2) بكثافة أعلى ويتطلب ضغطًا أقل للتخزين. مع ذلك، يجب أن تصل درجة حرارة الهيدروجين العادي إلى -253 درجة مئوية ليصبح سائلاً، مما يجعل هذه العملية صعبة للغاية. وتجعل درجات الحرارة المنخفضة للغاية ومخاطر الاشتعال الهيدروجين السائل مادة خطرة. لهذا السبب، تُعدّ إجراءات السلامة الصارمة والموثوقية العالية من المتطلبات الأساسية التي لا غنى عنها عند تصميم الصمامات للتطبيقات ذات الصلة.

بقلم فضيلة الخلفاوي، فريديريك بلانكيه

صمام فيلان (فيلان)

تطبيقات الهيدروجين السائل (LH2).

يُستخدم الهيدروجين السائل حاليًا، ويجري العمل على استخدامه، في العديد من التطبيقات الخاصة. ففي مجال الطيران والفضاء، يُمكن استخدامه كوقود لإطلاق الصواريخ، كما يُمكنه توليد موجات صدمية في أنفاق الرياح فوق الصوتية. وبفضل التقدم العلمي الكبير، أصبح الهيدروجين السائل مادة أساسية في أنظمة الموصلات الفائقة، ومسرعات الجسيمات، وأجهزة الاندماج النووي. ومع تزايد رغبة الناس في التنمية المستدامة، ازداد استخدام الهيدروجين السائل كوقود في الشاحنات والسفن بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة. وفي سيناريوهات التطبيق المذكورة أعلاه، تبرز أهمية الصمامات بشكل جليّ. فالتشغيل الآمن والموثوق للصمامات جزء لا يتجزأ من منظومة سلسلة إمداد الهيدروجين السائل (الإنتاج، والنقل، والتخزين، والتوزيع). وتُعدّ العمليات المتعلقة بالهيدروجين السائل بالغة الصعوبة. وبفضل خبرة شركة فيلان العملية التي تمتد لأكثر من 30 عامًا في مجال الصمامات عالية الأداء حتى درجة حرارة -272 درجة مئوية، شاركت الشركة في العديد من المشاريع الابتكارية لفترة طويلة، ومن الواضح أنها تغلبت على التحديات التقنية لخدمة الهيدروجين السائل بفضل كفاءتها العالية.

التحديات في مرحلة التصميم

يُعدّ الضغط ودرجة الحرارة وتركيز الهيدروجين من العوامل الرئيسية التي تُدرس في تقييم مخاطر تصميم الصمامات. ولتحسين أداء الصمام، يلعب التصميم واختيار المواد دورًا حاسمًا. وتواجه الصمامات المستخدمة في تطبيقات الهيدروجين السائل تحديات إضافية، بما في ذلك الآثار السلبية للهيدروجين على المعادن. ففي درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يجب ألا تقتصر قدرة مواد الصمامات على مقاومة هجوم جزيئات الهيدروجين (ولا تزال بعض آليات التدهور المرتبطة بها محل نقاش في الأوساط الأكاديمية)، بل يجب أيضًا أن تحافظ على التشغيل الطبيعي لفترة طويلة طوال دورة حياتها. وفي ظل المستوى الحالي للتطور التكنولوجي، لا تزال معرفة الصناعة محدودة بشأن إمكانية استخدام المواد غير المعدنية في تطبيقات الهيدروجين. لذا، من الضروري مراعاة هذا العامل عند اختيار مادة مانعة للتسرب. كما يُعدّ منع التسرب الفعال معيارًا أساسيًا لأداء التصميم. ويوجد فرق في درجة الحرارة يصل إلى 300 درجة مئوية تقريبًا بين الهيدروجين السائل ودرجة حرارة الغرفة، مما ينتج عنه تدرج حراري. وسيخضع كل مكون من مكونات الصمام لدرجات متفاوتة من التمدد والانكماش الحراري. ويمكن أن يؤدي هذا التباين إلى تسرب خطير من أسطح منع التسرب الحساسة. يُعدّ إحكام إغلاق ساق الصمام أحد أهمّ جوانب التصميم. فالانتقال من البرودة إلى السخونة يُولّد تدفقًا حراريًا. وقد تتجمّد الأجزاء الساخنة من تجويف غطاء الصمام، مما قد يُؤثّر سلبًا على أداء إحكام إغلاق الساق ويُعيق عمل الصمام. إضافةً إلى ذلك، فإنّ درجة الحرارة المنخفضة للغاية التي تبلغ -253 درجة مئوية تستلزم استخدام أفضل تقنيات العزل لضمان قدرة الصمام على الحفاظ على الهيدروجين السائل عند هذه الدرجة مع تقليل الفاقد الناتج عن الغليان. فما دام هناك انتقال للحرارة إلى الهيدروجين السائل، فسيتبخّر ويتسرّب. ليس هذا فحسب، بل يتكثّف الأكسجين عند نقطة انقطاع العزل. وبمجرد ملامسة الأكسجين للهيدروجين أو المواد القابلة للاشتعال الأخرى، يزداد خطر نشوب حريق. لذلك، ونظرًا لمخاطر الحريق التي قد تواجهها الصمامات، يجب تصميمها باستخدام مواد مقاومة للانفجار، بالإضافة إلى مشغلات وأجهزة قياس وكابلات مقاومة للحريق، جميعها حاصلة على أعلى معايير الجودة. وهذا يضمن عمل الصمام بشكل سليم في حالة نشوب حريق. كما يُشكّل ارتفاع الضغط خطرًا محتملاً قد يُعطّل عمل الصمامات. إذا انحصر الهيدروجين السائل في تجويف جسم الصمام، وتزامن انتقال الحرارة مع تبخر الهيدروجين السائل، فسيؤدي ذلك إلى ارتفاع الضغط. وفي حال وجود فرق كبير في الضغط، يحدث التكهف (التجويف) أو الضوضاء. قد تؤدي هذه الظواهر إلى إنهاء عمر الصمام قبل الأوان، بل وإلى خسائر فادحة نتيجة عيوب التصنيع. وبغض النظر عن ظروف التشغيل، فإن مراعاة العوامل المذكورة أعلاه واتخاذ التدابير المضادة المناسبة في عملية التصميم يضمن التشغيل الآمن والموثوق للصمام. إضافةً إلى ذلك، توجد تحديات تصميمية تتعلق بالقضايا البيئية، مثل التسرب. يتميز الهيدروجين بخصائص فريدة: جزيئات صغيرة، عديم اللون والرائحة، وقابل للاشتعال. هذه الخصائص تُحتّم ضرورة منع التسرب تمامًا.

في محطة تسييل الهيدروجين على الساحل الغربي لشمال لاس فيغاس،

يقدم مهندسو شركة Wieland Valve خدمات فنية

حلول الصمامات

بغض النظر عن الوظيفة والنوع المحددين، يجب أن تستوفي صمامات جميع تطبيقات الهيدروجين السائل بعض المتطلبات المشتركة. تشمل هذه المتطلبات ما يلي: يجب أن تضمن مادة الجزء الهيكلي الحفاظ على سلامة الهيكل في درجات حرارة منخفضة للغاية؛ ويجب أن تتمتع جميع المواد بخصائص طبيعية لمقاومة الحريق. وللسبب نفسه، يجب أن تستوفي عناصر منع التسرب وحشوات صمامات الهيدروجين السائل المتطلبات الأساسية المذكورة أعلاه. يُعد الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مادة مثالية لصمامات الهيدروجين السائل، فهو يتميز بمقاومة ممتازة للصدمات، وفقدان حراري ضئيل، وقدرة على تحمل تدرجات حرارية كبيرة. توجد مواد أخرى مناسبة أيضًا لظروف الهيدروجين السائل، ولكنها تقتصر على ظروف تشغيل محددة. بالإضافة إلى اختيار المواد، يجب مراعاة بعض تفاصيل التصميم، مثل إطالة ساق الصمام واستخدام عمود هوائي لحماية حشوة منع التسرب من درجات الحرارة المنخفضة للغاية. كما يمكن تزويد امتداد ساق الصمام بحلقة عازلة لتجنب التكثيف. يساعد تصميم الصمامات وفقًا لظروف التطبيق المحددة على إيجاد حلول أكثر فعالية لمختلف التحديات التقنية. تقدم شركة فيلان صمامات الفراشة بتصميمين مختلفين: صمامات الفراشة ذات المقعد المعدني ثنائية اللامركزية وصمامات الفراشة ذات المقعد المعدني ثلاثية اللامركزية. يتميز كلا التصميمين بقدرة تدفق ثنائي الاتجاه. ومن خلال تصميم شكل القرص ومسار دورانه، يمكن تحقيق إحكام غلق ممتاز. لا يوجد تجويف في جسم الصمام حيث لا يوجد وسط متبقٍ. في حالة صمام الفراشة ثنائي اللامركزية من فيلان، فإنه يعتمد تصميم دوران القرص اللامركزي، بالإضافة إلى نظام منع التسرب VELFLEX المميز، لتحقيق أداء ممتاز في منع التسرب. هذا التصميم الحاصل على براءة اختراع يمكنه تحمل حتى تقلبات درجات الحرارة الكبيرة داخل الصمام. يتميز قرص TORQSEAL ثلاثي اللامركزية أيضًا بمسار دوران مصمم خصيصًا يساعد على ضمان أن يلامس سطح منع التسرب للقرص المقعد فقط عند الوصول إلى وضع إغلاق الصمام دون خدشه. لذلك، يمكن لعزم إغلاق الصمام دفع القرص لتحقيق إحكام غلق سلس، وإنتاج تأثير إسفيني كافٍ في وضع إغلاق الصمام، مع ضمان تلامس القرص بالتساوي مع المحيط الكامل لسطح منع التسرب للمقعد. تتيح مرونة مقعد الصمام لجسم الصمام والقرص وظيفة "الضبط الذاتي"، مما يمنع انحشار القرص أثناء تقلبات درجات الحرارة. يتميز عمود الصمام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى بقدرته على تحمل دورات تشغيل عالية ويعمل بسلاسة في درجات حرارة منخفضة للغاية. يتيح تصميم VELFLEX ذو اللامركزية المزدوجة صيانة الصمام أثناء التشغيل بسرعة وسهولة. بفضل الغلاف الجانبي، يمكن فحص المقعد والقرص أو صيانتهما مباشرةً، دون الحاجة إلى تفكيك المشغل أو استخدام أدوات خاصة.

شركة تيانجين Tanggu لصمام المياه الختم المحدودةتدعم هذه التقنية المتطورة للغاية الصمامات ذات المقاعد المرنة، بما في ذلك الصمامات ذات المقاعد المرنةصمام فراشة رقائقي, صمام فراشة لوغي, صمام فراشة متحد المركز ذو شفة مزدوجةصمام فراشة لا مركزي ذو شفة مزدوجة،مصفاة على شكل حرف Yصمام موازنة،صمام فحص مزدوج اللوحة من نوع الرقاقة، إلخ.