L'hydrogène liquide présente certains avantages en matière de stockage et de transport. Comparé à l'hydrogène, l'hydrogène liquide (LH2) possède une densité plus élevée et nécessite une pression de stockage plus faible. Cependant, l'hydrogène doit atteindre une température de -253 °C pour se liquéfier, ce qui représente une opération complexe. 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 incontournables 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 fait l'objet d'expérimentations dans diverses applications spécifiques. Dans le domaine aérospatial, il peut servir de carburant pour les lancements de fusées et générer des ondes de choc dans les souffleries transsoniques. Grâce aux avancées de la recherche fondamentale, l'hydrogène liquide est devenu un matériau clé pour les systèmes supraconducteurs, les accélérateurs de particules et les dispositifs de fusion nucléaire. Face à la demande croissante de développement durable, l'hydrogène liquide est de plus en plus utilisé comme carburant par les camions et les navires. Dans ces différents cas d'utilisation, l'importance des vannes est manifeste. Leur fonctionnement sûr et fiable est essentiel à la chaîne d'approvisionnement de l'hydrogène liquide (production, transport, stockage et distribution). Les opérations liées à l'hydrogène liquide représentent un véritable défi. Fort de plus de 30 ans d'expérience et d'expertise dans le domaine des vannes haute performance fonctionnant jusqu'à -272 °C, Velan participe depuis longtemps à de nombreux projets innovants et a su relever les défis techniques liés à l'hydrogène liquide.
Défis liés à la phase de conception
La pression, la température et la concentration en hydrogène sont des facteurs majeurs analysés lors de l'évaluation des risques liés à la conception des vannes. Afin d'optimiser les performances des vannes, la conception et le choix des matériaux sont déterminants. 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 dégradation associés font encore l'objet de débats scientifiques), mais aussi garantir un fonctionnement normal pendant toute leur durée de vie. Au vu du niveau de développement technologique actuel, l'industrie dispose de connaissances limitées sur l'applicabilité des matériaux non métalliques dans les applications à hydrogène. Il est donc essentiel de prendre en compte ce facteur lors du choix d'un matériau d'étanchéité. Une étanchéité efficace est également un critère de performance clé. L'écart de température entre l'hydrogène liquide et la température ambiante atteint près de 300 °C, créant ainsi un gradient thermique. Chaque composant de la vanne subit une dilatation et une contraction thermiques différentes. Cet écart peut entraîner des fuites dangereuses au niveau des surfaces d'étanchéité critiques. L'étanchéité de la tige de la vanne est également un point essentiel de la conception. La transition du froid au chaud génère un flux de chaleur. Les parties chaudes de la cavité du chapeau peuvent geler, ce qui peut compromettre l'étanchéité de la tige et affecter le fonctionnement de la vanne. De plus, la température extrêmement basse de -253 °C exige une isolation optimale pour garantir le maintien de l'hydrogène liquide à cette température tout en minimisant les pertes dues à l'ébullition. Dès qu'il y a transfert de chaleur à l'hydrogène liquide, celui-ci s'évapore et fuit. Par ailleurs, la condensation de l'oxygène se produit au niveau des points de rupture de l'isolation. Au contact de l'oxygène avec l'hydrogène ou d'autres combustibles, le risque d'incendie augmente. Par conséquent, compte tenu du risque d'incendie auquel les vannes sont exposées, elles doivent être conçues avec des matériaux antidéflagrants, ainsi que des actionneurs, des instruments et des câbles résistants au feu, le tout certifié selon les normes les plus strictes. Ceci garantit le bon fonctionnement de la vanne en cas d'incendie. Une augmentation de pression constitue également un risque potentiel pouvant rendre les vannes inopérantes. Si de l'hydrogène liquide est piégé dans la cavité du corps de la vanne et que le transfert de chaleur et l'évaporation de l'hydrogène liquide se produisent simultanément, la pression augmentera. En cas de forte différence de pression, la cavitation (ou bruit de cavitation) se produit. Ce phénomène peut entraîner une usure prématurée de la vanne et même des pertes considérables dues à des défauts de fabrication. Quelles que soient les conditions de fonctionnement, si les facteurs susmentionnés sont pleinement pris en compte et que des mesures correctives appropriées sont mises en œuvre lors de la conception, le fonctionnement sûr et fiable de la vanne est garanti. Par ailleurs, des défis de conception liés à l'environnement, tels que les fuites fugitives, se posent. L'hydrogène présente des caractéristiques uniques : petites molécules, incolore, inodore et explosif. Ces caractéristiques imposent l'impératif absolu d'une étanchéité parfaite.
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
Quelle que soit leur fonction et leur type, les vannes pour applications à hydrogène liquide doivent répondre à des exigences communes. Parmi celles-ci : le matériau de la structure doit garantir son intégrité à très basse température ; tous les matériaux doivent présenter des propriétés ignifuges naturelles. Pour la même raison, les éléments d’étanchéité et les garnitures des vannes à hydrogène liquide doivent également satisfaire aux exigences de base mentionnées ci-dessus. L’acier inoxydable austénitique est un matériau idéal pour les vannes à hydrogène liquide. Il offre une excellente résistance aux chocs, des pertes de chaleur minimales et supporte d’importants gradients de température. D’autres matériaux conviennent également aux conditions de l’hydrogène liquide, mais leur utilisation est limitée à des conditions de process spécifiques. Outre le choix des matériaux, certains détails de conception ne doivent pas être négligés, tels que le prolongement 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, le prolongement de la tige de vanne peut être équipé d’une bague isolante pour éviter la condensation. La conception de vannes adaptées aux conditions d’application spécifiques permet d’apporter des solutions plus pertinentes aux différents défis techniques. Vellan propose des vannes papillon en deux versions : à siège métallique à double excentration et à triple excentration. Ces deux versions permettent un écoulement bidirectionnel. Grâce à la conception de la forme du disque et de sa trajectoire de rotation, une étanchéité parfaite est obtenue. Le corps de vanne ne présente aucune cavité où le fluide résiduel pourrait se trouver. La vanne papillon à double excentrique Velan, par exemple, utilise une rotation excentrique du disque, associée au système d'étanchéité exclusif VELFLEX, pour garantir d'excellentes performances d'étanchéité. Cette conception brevetée résiste même aux fortes variations de température. Le disque à triple excentrique TORQSEAL bénéficie également d'une trajectoire de rotation spécialement conçue pour assurer que la surface d'étanchéité du disque n'entre en contact avec le siège qu'au moment de la fermeture de la vanne, évitant ainsi tout contact avec celui-ci. Le couple de fermeture de la vanne permet ainsi au disque d'assurer une fermeture souple et de créer un effet de coin suffisant en position fermée, tout en assurant un contact uniforme du disque avec toute la circonférence de la surface d'étanchéité du siège. La souplesse du siège de vanne permet au corps de vanne et au disque de s'auto-ajuster, évitant ainsi le grippage du disque lors des variations de température. L'arbre de vanne en acier inoxydable renforcé est conçu pour un grand nombre de cycles de fonctionnement et fonctionne sans à-coups même à très basse température. La conception à double excentrique VELFLEX permet une maintenance en ligne rapide et facile de la vanne. Grâce au carter latéral, le siège et le disque peuvent être inspectés ou entretenus directement, sans démontage de l'actionneur ni outils spéciaux.
Tianjin Tanggu Valve d'étanchéité à l'eau Co., Ltdprennent 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,passoire en Y, soupape d'équilibrage,Clapet anti-retour à double plaque Wafer, etc.
Date de publication : 11 août 2023
