L'hydrogène liquide présente certains avantages en termes de stockage et de transport. Comparé à l'hydrogène, l'hydrogène liquide (LH2) présente une densité plus élevée et nécessite une pression de stockage plus faible. Cependant, pour devenir liquide, l'hydrogène doit atteindre -253 °C, ce qui rend son stockage assez difficile. Les températures extrêmement basses et les risques d'inflammabilité font de l'hydrogène liquide un fluide dangereux. C'est pourquoi des mesures de sécurité strictes et une fiabilité élevée sont des exigences absolues lors de la conception des vannes pour les applications concernées.
Par Fadila Khelfaoui, Frédéric Blanquet
Valve Velan (Velan)
Applications de l'hydrogène liquide (LH2).
L'hydrogène liquide est actuellement utilisé et testé dans diverses applications spécifiques. Dans l'aérospatiale, il peut servir de carburant pour le lancement de fusées et peut également générer des ondes de choc dans les souffleries transsoniques. Soutenu par la « big science », l'hydrogène liquide est devenu un matériau essentiel dans les systèmes supraconducteurs, les accélérateurs de particules et les dispositifs de fusion nucléaire. Face à la volonté croissante de développement durable, l'hydrogène liquide a été utilisé comme carburant par de plus en plus de camions et de navires ces dernières années. Dans les scénarios d'application mentionnés ci-dessus, l'importance des vannes est évidente. Leur fonctionnement sûr et fiable fait partie intégrante de l'écosystème de la chaîne d'approvisionnement en hydrogène liquide (production, transport, stockage et distribution). Les opérations liées à l'hydrogène liquide représentent un défi. Forte de plus de 30 ans d'expérience pratique et d'expertise dans le domaine des vannes haute performance jusqu'à -272 °C, Velan est impliquée depuis longtemps dans divers projets innovants et a clairement relevé les défis techniques liés à l'hydrogène liquide grâce à sa force.
Les défis de la phase de conception
La pression, la température et la concentration en hydrogène sont des facteurs majeurs examinés lors de l'évaluation des risques liés à la conception d'une vanne. Afin d'optimiser ses performances, la conception et le choix des matériaux jouent un rôle déterminant. Les vannes utilisées dans les applications à hydrogène liquide sont confrontées à des défis supplémentaires, notamment les effets néfastes de l'hydrogène sur les métaux. À très basse température, les matériaux des vannes doivent non seulement résister à l'attaque des molécules d'hydrogène (certains mécanismes de détérioration associés font encore l'objet de débats universitaires), mais aussi assurer un fonctionnement normal pendant une longue période tout au long de leur cycle de vie. Compte tenu du niveau actuel de développement technologique, l'industrie dispose de connaissances limitées sur l'applicabilité des matériaux non métalliques aux applications à hydrogène. Lors du choix d'un matériau d'étanchéité, il est nécessaire de prendre en compte ce facteur. Une étanchéité efficace est également un critère de performance clé pour la conception. L'écart de température de près de 300 °C entre l'hydrogène liquide et la température ambiante (température ambiante) crée un gradient de température. Chaque composant de la vanne subit des degrés différents de dilatation et de contraction thermiques. Cet écart peut entraîner des fuites dangereuses au niveau des surfaces d'étanchéité critiques. L'étanchéité de la tige de vanne est également au cœur de la conception. La transition du froid au chaud crée un flux thermique. Les parties chaudes de la cavité du chapeau peuvent geler, ce qui peut perturber l'étanchéité de la tige et affecter le fonctionnement de la vanne. De plus, la température extrêmement basse de -253 °C nécessite une technologie d'isolation optimale pour garantir que la vanne puisse maintenir l'hydrogène liquide à cette température tout en minimisant les pertes dues à l'ébullition. Tant que de la chaleur est transférée à l'hydrogène liquide, celui-ci s'évapore et fuit. De plus, une condensation d'oxygène se produit au point de rupture de l'isolation. Le contact de l'oxygène avec l'hydrogène ou d'autres combustibles augmente le risque d'incendie. Par conséquent, compte tenu du risque d'incendie auquel les vannes peuvent être exposées, celles-ci doivent être conçues avec des matériaux antidéflagrants, ainsi que des actionneurs, des instruments et des câbles résistants au feu, le tout répondant aux certifications les plus strictes. Cela garantit le bon fonctionnement de la vanne en cas d'incendie. Une augmentation de la pression constitue également un risque potentiel pouvant rendre les vannes inutilisables. Si de l'hydrogène liquide est emprisonné dans la cavité du corps de la vanne et que le transfert de chaleur et l'évaporation de l'hydrogène liquide se produisent simultanément, cela entraînera une augmentation de la pression. En cas de différence de pression importante, de la cavitation/du bruit se produit. Ces phénomènes peuvent entraîner une fin de vie prématurée de la vanne, voire des pertes importantes dues à des défauts de procédé. Quelles que soient les conditions de fonctionnement spécifiques, la prise en compte complète des facteurs susmentionnés et la mise en place de mesures correctives appropriées dès la conception garantissent un fonctionnement sûr et fiable de la vanne. De plus, la conception pose des défis liés aux problèmes environnementaux, tels que les fuites fugitives. L'hydrogène est unique : ce sont de petites molécules, incolores, inodores et explosives. Ces caractéristiques rendent absolument nécessaire l'absence totale de fuite.
À la station de liquéfaction d'hydrogène de la côte ouest de North Las Vegas,
Les ingénieurs de Wieland Valve fournissent des services techniques
Solutions de vannes
Quels que soient leur fonction et leur type, les vannes destinées à toutes les applications d'hydrogène liquide doivent répondre à des exigences communes. Ces exigences incluent : le matériau de la pièce structurelle doit garantir le maintien de l'intégrité structurelle à des températures extrêmement basses ; tous les matériaux doivent posséder des propriétés de sécurité incendie naturelles. Pour la même raison, les éléments d'étanchéité et la garniture des vannes d'hydrogène liquide doivent également répondre aux exigences de base mentionnées ci-dessus. L'acier inoxydable austénitique est un matériau idéal pour les vannes d'hydrogène liquide. Il présente une excellente résistance aux chocs, une perte de chaleur minimale et peut supporter d'importants gradients de température. D'autres matériaux conviennent également aux conditions d'hydrogène liquide, mais sont limités à des conditions de procédé spécifiques. Outre le choix des matériaux, certains détails de conception sont à prendre en compte, comme l'allongement de la tige de vanne et l'utilisation d'une colonne d'air pour protéger la garniture d'étanchéité des températures extrêmement basses. De plus, l'allongement de la tige de vanne peut être équipé d'une bague isolante pour éviter la condensation. Concevoir des vannes en fonction des conditions d'application spécifiques permet d'apporter des solutions plus judicieuses à différents défis techniques. Vellan propose deux modèles de vannes papillon : les vannes papillon à double et triple excentration à siège métallique. Les deux modèles offrent une capacité d'écoulement bidirectionnel. La conception de la forme du disque et de la trajectoire de rotation assure une étanchéité parfaite. Le corps de la vanne ne présente aucune cavité où le fluide résiduel ne puisse rester. La vanne papillon à double excentration Velan adopte la conception de rotation excentrique du disque, associée au système d'étanchéité VELFLEX, pour une excellente étanchéité. Cette conception brevetée résiste aux fortes variations de température. Le disque triple excentrique TORQSEAL présente également une trajectoire de rotation spécialement conçue pour garantir que la surface d'étanchéité du disque ne touche le siège qu'au moment de la fermeture de la vanne et ne se raye pas. Ainsi, le couple de fermeture de la vanne entraîne le disque pour obtenir une assise souple et produit un effet de coin suffisant en position fermée, tout en assurant un contact uniforme du disque sur toute la circonférence de la surface d'étanchéité du siège. La souplesse du siège de la vanne permet au corps de la vanne et au disque de s'auto-ajuster, évitant ainsi le grippage du disque lors des variations de température. L'axe de la vanne en acier inoxydable renforcé est capable de cycles de fonctionnement élevés et fonctionne sans à-coups à très basse température. La conception à double excentrique VELFLEX permet un entretien en ligne rapide et facile de la vanne. Grâce au boîtier latéral, le siège et le papillon peuvent être inspectés et entretenus directement, sans démontage de l'actionneur ni outils spéciaux.
Valve d'étanchéité Cie., Ltd de Tianjin Tangguprennent en charge les vannes à siège résilient de technologie très avancée, y compris les vannes à siège résilientvanne papillon à plaquette, Vanne papillon à oreilles, Vanne papillon concentrique à double bride, Vanne papillon excentrique à double bride,Crépine en Y, vanne d'équilibrage,Clapet anti-retour à double plaque Wafer, etc.
Date de publication : 11 août 2023
