يتميز الهيدروجين السائل بمزايا معينة في التخزين والنقل. فمقارنةً بالهيدروجين، يتميز الهيدروجين السائل (LH2) بكثافة أعلى ويتطلب ضغطًا أقل للتخزين. ومع ذلك، يجب أن تكون درجة حرارة الهيدروجين -253 درجة مئوية ليصبح سائلًا، مما يعني صعوبة تحويله إلى سائل. درجات الحرارة المنخفضة للغاية ومخاطر الاشتعال تجعل الهيدروجين السائل وسطًا خطيرًا. ولذلك، تُعدّ إجراءات السلامة الصارمة والموثوقية العالية من المتطلبات الأساسية عند تصميم الصمامات للتطبيقات ذات الصلة.
بقلم فضيلة الخلفاوي، فريديريك بلانكيه
صمام فيلان (فيلان)
تطبيقات الهيدروجين السائل (LH2).
يُستخدم الهيدروجين السائل حاليًا، ويُحاول استخدامه في مناسبات خاصة مختلفة. ففي مجال الفضاء، يُمكن استخدامه كوقود لإطلاق الصواريخ، كما يُمكنه توليد موجات صدمية في أنفاق الرياح الأسرع من الصوت. وبفضل "التقدم العلمي الكبير"، أصبح الهيدروجين السائل مادةً أساسيةً في أنظمة التوصيل الفائق، ومُسرّعات الجسيمات، وأجهزة الاندماج النووي. ومع تزايد رغبة الناس في التنمية المستدامة، ازداد استخدام الهيدروجين السائل كوقود في الشاحنات والسفن في السنوات الأخيرة. في سيناريوهات التطبيقات المذكورة أعلاه، تتجلى أهمية الصمامات جليةً. يُعد التشغيل الآمن والموثوق للصمامات جزءًا لا يتجزأ من منظومة سلسلة توريد الهيدروجين السائل (الإنتاج، والنقل، والتخزين، والتوزيع). تُشكل العمليات المتعلقة بالهيدروجين السائل تحديًا. بخبرة عملية تزيد عن 30 عامًا في مجال الصمامات عالية الأداء حتى -272 درجة مئوية، شاركت شركة فيلان في العديد من المشاريع المبتكرة لفترة طويلة، ومن الواضح أنها تغلبت على التحديات التقنية في مجال خدمات الهيدروجين السائل بفضل قوتها.
التحديات في مرحلة التصميم
يُعد الضغط ودرجة الحرارة وتركيز الهيدروجين عوامل رئيسية تُدرس في تقييم مخاطر تصميم الصمام. ولتحسين أداء الصمام، يلعب التصميم واختيار المواد دورًا حاسمًا. تواجه الصمامات المستخدمة في تطبيقات الهيدروجين السائل تحديات إضافية، بما في ذلك الآثار الضارة للهيدروجين على المعادن. ففي درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يجب ألا تقتصر مقاومة مواد الصمامات لتأثير جزيئات الهيدروجين فحسب (لا تزال بعض آليات التدهور المرتبطة بها موضع نقاش في الأوساط الأكاديمية)، بل يجب أيضًا أن تحافظ على أدائها الطبيعي لفترة طويلة طوال دورة حياتها. وفي ظل التطور التكنولوجي الحالي، لا تزال معرفة الصناعة بقابلية تطبيق المواد غير المعدنية في تطبيقات الهيدروجين محدودة. عند اختيار مادة مانعة للتسرب، من الضروري مراعاة هذا العامل. كما يُعدّ المانع التسرب الفعال معيارًا رئيسيًا لأداء التصميم. يوجد فرق في درجة الحرارة يقارب 300 درجة مئوية بين الهيدروجين السائل ودرجة الحرارة المحيطة (درجة حرارة الغرفة)، مما يؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة. ويخضع كل مكون من مكونات الصمام لدرجات مختلفة من التمدد والانكماش الحراري. وقد يؤدي هذا التفاوت إلى تسرب خطير لأسطح المانعة للتسرب المهمة. يُركز التصميم أيضًا على إحكام غلق ساق الصمام. يُؤدي الانتقال من البارد إلى الساخن إلى تدفق حراري. قد تتجمد الأجزاء الساخنة من تجويف غطاء المحرك، مما قد يُعطل أداء غلق ساق الصمام ويؤثر على قابلية تشغيله. إضافةً إلى ذلك، فإن انخفاض درجة الحرارة إلى -253 درجة مئوية يعني ضرورة استخدام أفضل تقنيات العزل لضمان قدرة الصمام على الحفاظ على الهيدروجين السائل عند هذه الدرجة مع تقليل الفاقد الناتج عن الغليان. طالما أن الحرارة تنتقل إلى الهيدروجين السائل، فإنه سيتبخر ويتسرب. ليس هذا فحسب، بل يحدث تكثف الأكسجين عند نقطة انكسار العازل. بمجرد ملامسة الأكسجين للهيدروجين أو غيره من المواد القابلة للاحتراق، يزداد خطر الحريق. لذلك، ونظرًا لخطر الحريق الذي قد تواجهه الصمامات، يجب تصميم الصمامات بمواد مقاومة للانفجار، بالإضافة إلى مشغلات وأجهزة وكابلات مقاومة للحريق، وجميعها حاصلة على أعلى الشهادات. هذا يضمن عمل الصمام بشكل صحيح في حالة نشوب حريق. كما يُعد ارتفاع الضغط خطرًا محتملًا قد يُعطل الصمامات. إذا احتُجز الهيدروجين السائل في تجويف جسم الصمام، وتزامن انتقال الحرارة وتبخره، فسيؤدي ذلك إلى زيادة الضغط. في حال وجود فرق ضغط كبير، يحدث التجويف/الضوضاء. قد تؤدي هذه الظاهرة إلى انتهاء مبكر لعمر الصمام، بل وحتى إلى خسائر فادحة بسبب عيوب في العملية. بغض النظر عن ظروف التشغيل الخاصة، فإن مراعاة العوامل المذكورة أعلاه واتخاذ التدابير اللازمة في عملية التصميم، بغض النظر عن ظروف التشغيل، يضمن التشغيل الآمن والموثوق للصمام. بالإضافة إلى ذلك، هناك تحديات تصميمية تتعلق بالقضايا البيئية، مثل التسرب الهارب. يتميز الهيدروجين بخصائص فريدة: جزيئاته صغيرة، عديمة اللون والرائحة، وقابلة للانفجار. هذه الخصائص تُحدد الضرورة المطلقة لعدم وجود أي تسرب.
في محطة تسييل الهيدروجين على الساحل الغربي لشمال لاس فيغاس،
يقدم مهندسو شركة Wieland Valve الخدمات الفنية
حلول الصمامات
بغض النظر عن الوظيفة والنوع المحددين، يجب أن تستوفي صمامات جميع تطبيقات الهيدروجين السائل بعض المتطلبات العامة. تشمل هذه المتطلبات: يجب أن تضمن مادة الجزء الهيكلي الحفاظ على سلامة الهيكل عند درجات حرارة منخفضة للغاية؛ يجب أن تتمتع جميع المواد بخصائص طبيعية للسلامة من الحرائق. وللسبب نفسه، يجب أن تستوفي عناصر الختم وحشو صمامات الهيدروجين السائل المتطلبات الأساسية المذكورة أعلاه. يُعد الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مادة مثالية لصمامات الهيدروجين السائل، إذ يتميز بمتانة ممتازة للصدمات، وفقدان حراري ضئيل، ويمكنه تحمل تدرجات حرارة عالية. هناك مواد أخرى مناسبة أيضًا لظروف الهيدروجين السائل، ولكنها تقتصر على ظروف عملية محددة. بالإضافة إلى اختيار المواد، لا ينبغي إغفال بعض تفاصيل التصميم، مثل تمديد ساق الصمام واستخدام عمود هواء لحماية حشوة الختم من درجات الحرارة المنخفضة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تجهيز امتداد ساق الصمام بحلقة عازلة لمنع التكثف. يساعد تصميم الصمامات وفقًا لظروف التطبيق المحددة على إيجاد حلول أكثر منطقية لمختلف التحديات التقنية. تقدم فيلان صمامات الفراشة بتصميمين مختلفين: صمامات فراشة معدنية ثنائية المركز وثلاثية المركز. يتميز كلا التصميمين بقدرة تدفق ثنائية الاتجاه. من خلال تصميم شكل القرص ومسار دورانه، يمكن تحقيق إحكام إغلاق محكم. لا يوجد تجويف في جسم الصمام حيث لا توجد أي مواد متبقية. في صمام الفراشة المزدوج المركز من فيلان، يعتمد تصميم الدوران القرصي اللامركزي، جنبًا إلى جنب مع نظام إحكام VELFLEX المميز، لتحقيق أداء ممتاز في إحكام إغلاق الصمام. يتحمل هذا التصميم الحاصل على براءة اختراع حتى التقلبات الكبيرة في درجة حرارة الصمام. يتميز قرص TORQSEAL الثلاثي المركز أيضًا بمسار دوران مصمم خصيصًا يضمن ملامسة سطح إحكام القرص للمقعد فقط عند الوصول إلى وضع الصمام المغلق دون خدش. لذلك، يمكن لعزم إغلاق الصمام أن يدفع القرص لتحقيق إحكام إغلاق متناسق، وينتج تأثير إسفين كافٍ في وضع الصمام المغلق، مع ضمان ملامسة القرص بالتساوي لمحيط سطح إحكام المقعد بالكامل. تسمح مرونة مقعد الصمام لجسم الصمام والقرص بوظيفة "الضبط الذاتي"، مما يمنع تجمد القرص أثناء تقلبات درجات الحرارة. عمود الصمام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ المقوى قادر على تحمل دورات تشغيل عالية ويعمل بسلاسة في درجات حرارة منخفضة جدًا. تصميم VELFLEX المزدوج اللامركزي يسمح بصيانة الصمام عبر الإنترنت بسرعة وسهولة. بفضل الغطاء الجانبي، يمكن فحص المقعد والقرص وصيانتهما مباشرةً، دون الحاجة إلى تفكيك المشغل أو استخدام أدوات خاصة.
شركة تيانجين تانجو لختم المياه المحدودةتدعم الصمامات ذات المقاعد المرنة ذات التكنولوجيا المتقدمة للغاية، بما في ذلك الصمامات ذات المقاعد المرنةصمام فراشة الرقاقة, صمام فراشة العروة, صمام الفراشة متحدة المركز ذو شفة مزدوجةصمام فراشة ذو شفة مزدوجة لامركزية،مصفاة على شكل حرف Yصمام التوازن،صمام فحص ثنائي اللوحة، إلخ.
وقت النشر: ١١ أغسطس ٢٠٢٣
