يتمتع الهيدروجين السائل بمزايا معينة في التخزين والنقل. بالمقارنة مع الهيدروجين، يتمتع الهيدروجين السائل (LH2) بكثافة أعلى ويتطلب ضغطًا أقل للتخزين. ومع ذلك، يجب أن تكون درجة حرارة الهيدروجين -253 درجة مئوية ليصبح سائلاً، مما يعني أن الأمر صعب للغاية. درجات الحرارة المنخفضة للغاية ومخاطر القابلية للاشتعال تجعل الهيدروجين السائل وسيلة خطيرة. ولهذا السبب، تعتبر تدابير السلامة الصارمة والموثوقية العالية متطلبات لا تقبل المساومة عند تصميم الصمامات للتطبيقات ذات الصلة.
بقلم فضيلة الخلفاوي، فريديريك بلانكيه
صمام فيلان (فيلان)
تطبيقات الهيدروجين السائل (LH2).
في الوقت الحاضر، يتم استخدام الهيدروجين السائل ويحاول استخدامه في مختلف المناسبات الخاصة. وفي الفضاء الجوي، يمكن استخدامه كوقود لإطلاق الصواريخ ويمكنه أيضًا توليد موجات صدمية في أنفاق الرياح العابرة للصوت. وبدعم من "العلم الكبير"، أصبح الهيدروجين السائل مادة أساسية في أنظمة فائقة التوصيل، ومسرعات الجسيمات، وأجهزة الاندماج النووي. ومع تزايد رغبة الناس في التنمية المستدامة، تم استخدام الهيدروجين السائل كوقود بواسطة المزيد والمزيد من الشاحنات والسفن في السنوات الأخيرة. في سيناريوهات التطبيق المذكورة أعلاه، تكون أهمية الصمامات واضحة جدًا. يعد التشغيل الآمن والموثوق للصمامات جزءًا لا يتجزأ من النظام البيئي لسلسلة توريد الهيدروجين السائل (الإنتاج والنقل والتخزين والتوزيع). تمثل العمليات المتعلقة بالهيدروجين السائل تحديًا كبيرًا. مع أكثر من 30 عامًا من الخبرة العملية والخبرة في مجال الصمامات عالية الأداء حتى -272 درجة مئوية، شاركت فيلان في العديد من المشاريع المبتكرة لفترة طويلة، ومن الواضح أنها فازت بالتحديات التقنية خدمة الهيدروجين السائل بقوته.
التحديات في مرحلة التصميم
يعد الضغط ودرجة الحرارة وتركيز الهيدروجين من العوامل الرئيسية التي يتم فحصها في تقييم مخاطر تصميم الصمام. من أجل تحسين 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. في درجات الحرارة المنخفضة جدًا، يجب ألا تقاوم مواد الصمامات هجوم جزيئات الهيدروجين فقط (لا تزال بعض آليات التدهور المرتبطة بها موضع نقاش في الأوساط الأكاديمية)، ولكن يجب أيضًا أن تحافظ على التشغيل الطبيعي لفترة طويلة طوال دورة حياتها. فيما يتعلق بالمستوى الحالي للتطور التكنولوجي، فإن الصناعة لديها معرفة محدودة بإمكانية تطبيق المواد غير المعدنية في تطبيقات الهيدروجين. عند اختيار مادة الختم، فمن الضروري أن تأخذ هذا العامل في الاعتبار. يعد الختم الفعال أيضًا معيارًا رئيسيًا لأداء التصميم. هناك فرق في درجة الحرارة يبلغ حوالي 300 درجة مئوية بين الهيدروجين السائل ودرجة الحرارة المحيطة (درجة حرارة الغرفة)، مما يؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة. سيخضع كل مكون من مكونات الصمام لدرجات مختلفة من التمدد الحراري والانكماش. يمكن أن يؤدي هذا التناقض إلى تسرب خطير لأسطح الختم الحرجة. إن إحكام إغلاق ساق الصمام هو أيضًا محور التصميم. الانتقال من البارد إلى الساخن يخلق تدفق الحرارة. قد تتجمد الأجزاء الساخنة من منطقة تجويف غطاء المحرك، مما قد يؤدي إلى تعطيل أداء إغلاق الجذع ويؤثر على تشغيل الصمام. بالإضافة إلى ذلك، فإن درجة الحرارة المنخفضة للغاية البالغة -253 درجة مئوية تعني أن أفضل تكنولوجيا عزل مطلوبة لضمان قدرة الصمام على الاحتفاظ بالهيدروجين السائل عند درجة الحرارة هذه مع تقليل الخسائر الناجمة عن الغليان. وطالما أن هناك حرارة تنتقل إلى الهيدروجين السائل، فإنه سوف يتبخر ويتسرب. ليس هذا فحسب، بل يحدث تكثيف الأكسجين عند نقطة كسر العزل. بمجرد أن يتلامس الأكسجين مع الهيدروجين أو المواد القابلة للاحتراق الأخرى، يزداد خطر نشوب حريق. لذلك، وبالنظر إلى خطر الحريق الذي قد تواجهه الصمامات، يجب تصميم الصمامات مع وضع مواد مقاومة للانفجار في الاعتبار، بالإضافة إلى المحركات والأجهزة والكابلات المقاومة للحريق، وكل ذلك بموجب الشهادات الأكثر صرامة. وهذا يضمن أن الصمام يعمل بشكل صحيح في حالة نشوب حريق. يعد الضغط المتزايد أيضًا خطرًا محتملاً يمكن أن يجعل الصمامات غير صالحة للعمل. إذا تم احتجاز الهيدروجين السائل في تجويف جسم الصمام وحدث نقل الحرارة وتبخر الهيدروجين السائل في نفس الوقت، فسيؤدي ذلك إلى زيادة الضغط. إذا كان هناك اختلاف كبير في الضغط، يحدث التجويف (التجويف)/الضوضاء. هذه الظواهر يمكن أن تؤدي إلى نهاية مبكرة لعمر خدمة الصمام، وحتى تكبد خسائر فادحة بسبب عيوب العملية. بغض النظر عن ظروف التشغيل المحددة، إذا كان من الممكن أخذ العوامل المذكورة أعلاه في الاعتبار بشكل كامل ويمكن اتخاذ التدابير المضادة المقابلة في عملية التصميم، فيمكن ضمان التشغيل الآمن والموثوق للصمام. بالإضافة إلى ذلك، هناك تحديات في التصميم تتعلق بالقضايا البيئية، مثل التسرب الهارب. الهيدروجين فريد من نوعه: جزيئات صغيرة، عديمة اللون، عديمة الرائحة، ومتفجرة. تحدد هذه الخصائص الضرورة المطلقة لعدم التسرب.
في محطة تسييل الهيدروجين بالساحل الغربي لشمال لاس فيغاس،
يقدم مهندسو شركة Wieland Valve الخدمات الفنية
حلول الصمامات
بغض النظر عن الوظيفة والنوع المحددين، يجب أن تلبي الصمامات الخاصة بجميع تطبيقات الهيدروجين السائل بعض المتطلبات الشائعة. وتشمل هذه المتطلبات: يجب أن تضمن مادة الجزء الهيكلي الحفاظ على السلامة الهيكلية عند درجات حرارة منخفضة للغاية؛ يجب أن تتمتع جميع المواد بخصائص السلامة من الحرائق الطبيعية. لنفس السبب، يجب أيضًا أن تلبي عناصر الختم والتعبئة لصمامات الهيدروجين السائل المتطلبات الأساسية المذكورة أعلاه. يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مادة مثالية لصمامات الهيدروجين السائل. إنه يتمتع بقوة تأثير ممتازة، والحد الأدنى من فقدان الحرارة، ويمكنه تحمل التدرجات الكبيرة في درجات الحرارة. 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 الهواء لحماية مواد الختم من درجات الحرارة المنخفضة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تجهيز امتداد ساق الصمام بحلقة عازلة لتجنب التكثيف. يساعد تصميم الصمامات وفقًا لشروط التطبيق المحددة على تقديم حلول أكثر منطقية للتحديات التقنية المختلفة. تقدم شركة Vellan صمامات الفراشة بتصميمين مختلفين: صمامات الفراشة ذات المقعد المعدني اللامتراكز المزدوج والثلاثي اللامتراكز. يتمتع كلا التصميمين بقدرة تدفق ثنائية الاتجاه. من خلال تصميم شكل القرص ومسار الدوران، يمكن تحقيق الختم المحكم. لا يوجد تجويف في جسم الصمام حيث لا يوجد وسط متبقي. في حالة صمام الفراشة اللامركزي المزدوج Velan، فهو يعتمد تصميم الدوران اللامركزي للقرص، جنبًا إلى جنب مع نظام الختم المميز VELFLEX، لتحقيق أداء ممتاز لختم الصمام. يمكن لهذا التصميم الحاصل على براءة اختراع أن يتحمل حتى التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة في الصمام. يحتوي القرص اللامركزي الثلاثي TORQSEAL أيضًا على مسار دوران مصمم خصيصًا يساعد على ضمان أن سطح ختم القرص يلامس المقعد فقط في لحظة الوصول إلى موضع الصمام المغلق ولا يخدش. لذلك، يمكن لعزم دوران إغلاق الصمام دفع القرص لتحقيق الجلوس المتوافق، وإنتاج تأثير إسفيني كافٍ في موضع الصمام المغلق، مع جعل القرص ملامسًا بالتساوي مع محيط سطح إغلاق المقعد بالكامل. يتيح امتثال مقعد الصمام لجسم الصمام والقرص الحصول على وظيفة "الضبط الذاتي"، وبالتالي تجنب تشنج القرص أثناء تقلبات درجات الحرارة. إن عمود الصمام المقوى المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ قادر على القيام بدورات تشغيل عالية ويعمل بسلاسة في درجات حرارة منخفضة جدًا. يسمح تصميم VELFLEX المزدوج اللامركزي بصيانة الصمام عبر الإنترنت بسرعة وسهولة. بفضل الهيكل الجانبي، يمكن فحص المقعد والقرص أو صيانتهما مباشرة، دون الحاجة إلى تفكيك المشغل أو أدوات خاصة.
شركة تيانجين Tanggu لصمام المياه الختم المحدودةتدعم الصمامات المرنة ذات التقنية المتقدمة للغاية، بما في ذلك الصمامات المرنةصمام فراشة الويفر, صمام فراشة العروة, صمام فراشة متحدة المركز ذو شفة مزدوجة، صمام فراشة غريب الأطوار ذو شفة مزدوجة،مصفاة على شكل حرف Yصمام التوازن,صمام فحص الرقاقة ذو اللوحة المزدوجة، إلخ.
وقت النشر: 11 أغسطس 2023
