วาล์วไฮโดรเจนเหลวจากมุมมองของอุตสาหกรรม

ไฮโดรเจนเหลวมีข้อดีบางประการในการจัดเก็บและการขนส่ง เมื่อเทียบกับไฮโดรเจนทั่วไป ไฮโดรเจนเหลว (LH2) มีความหนาแน่นสูงกว่าและต้องการความดันในการจัดเก็บต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนจะต้องอยู่ในอุณหภูมิ -253°C จึงจะกลายเป็นของเหลว ซึ่งหมายความว่าค่อนข้างยาก อุณหภูมิต่ำมากและความเสี่ยงต่อการติดไฟทำให้ไฮโดรเจนเหลวเป็นสารอันตราย ด้วยเหตุนี้ มาตรการความปลอดภัยที่เข้มงวดและความน่าเชื่อถือสูงจึงเป็นข้อกำหนดที่ไม่สามารถประนีประนอมได้ในการออกแบบวาล์วสำหรับงานที่เกี่ยวข้อง

โดย ฟาดิลา เคลฟาอุย, เฟรเดริก บลังเกต์

วาล์วเวลาน (เวลาน)

การประยุกต์ใช้ไฮโดรเจนเหลว (LH2)

ปัจจุบัน ไฮโดรเจนเหลวถูกนำไปใช้และทดลองนำไปใช้ในโอกาสพิเศษต่างๆ มากมาย ในด้านอวกาศ สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในการปล่อยจรวด และยังสามารถสร้างคลื่นกระแทกในอุโมงค์ลมความเร็วเหนือเสียงได้อีกด้วย ด้วยการสนับสนุนจาก “วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่” ไฮโดรเจนเหลวได้กลายเป็นวัสดุสำคัญในระบบตัวนำยิ่งยวด เครื่องเร่งอนุภาค และอุปกรณ์ฟิวชั่นนิวเคลียร์ เมื่อความต้องการของผู้คนในการพัฒนาอย่างยั่งยืนเพิ่มมากขึ้น ไฮโดรเจนเหลวจึงถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในรถบรรทุกและเรือมากขึ้นเรื่อยๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในสถานการณ์การใช้งานข้างต้น ความสำคัญของวาล์วนั้นชัดเจนมาก การทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของวาล์วเป็นส่วนสำคัญของระบบนิเวศห่วงโซ่อุปทานไฮโดรเจนเหลว (การผลิต การขนส่ง การจัดเก็บ และการกระจาย) การดำเนินงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนเหลวนั้นมีความท้าทาย ด้วยประสบการณ์และความเชี่ยวชาญในด้านวาล์วประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิต่ำถึง -272°C มากว่า 30 ปี บริษัท Velan ได้มีส่วนร่วมในโครงการนวัตกรรมต่างๆ มาเป็นเวลานาน และเห็นได้ชัดว่าบริษัทได้เอาชนะความท้าทายทางเทคนิคในการให้บริการไฮโดรเจนเหลวด้วยความแข็งแกร่งของตน

ความท้าทายในขั้นตอนการออกแบบ

ความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นของไฮโดรเจน ล้วนเป็นปัจจัยสำคัญที่ใช้ในการประเมินความเสี่ยงในการออกแบบวาล์ว การออกแบบและการเลือกวัสดุจึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพของวาล์ว วาล์วที่ใช้ในงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนเหลวต้องเผชิญกับความท้าทายเพิ่มเติม รวมถึงผลกระทบด้านลบของไฮโดรเจนต่อโลหะ ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุของวาล์วไม่เพียงแต่ต้องทนต่อการกัดกร่อนของโมเลกุลไฮโดรเจน (กลไกการเสื่อมสภาพบางอย่างที่เกี่ยวข้องยังคงเป็นที่ถกเถียงกันในแวดวงวิชาการ) แต่ยังต้องรักษาการทำงานปกติได้เป็นเวลานานตลอดอายุการใช้งาน ในแง่ของระดับการพัฒนาทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน อุตสาหกรรมมีความรู้จำกัดเกี่ยวกับความเหมาะสมของวัสดุที่ไม่ใช่โลหะในงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน เมื่อเลือกวัสดุสำหรับซีล จำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยนี้ด้วย การซีลที่มีประสิทธิภาพยังเป็นเกณฑ์สำคัญในการออกแบบอีกด้วย มีความแตกต่างของอุณหภูมิเกือบ 300°C ระหว่างไฮโดรเจนเหลวกับอุณหภูมิแวดล้อม (อุณหภูมิห้อง) ส่งผลให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิ แต่ละส่วนประกอบของวาล์วจะมีการขยายตัวและหดตัวทางความร้อนในระดับที่แตกต่างกัน ความไม่สอดคล้องกันนี้อาจนำไปสู่การรั่วไหลที่เป็นอันตรายของพื้นผิวซีลที่สำคัญได้ ความแน่นสนิทของก้านวาล์วก็เป็นจุดสำคัญในการออกแบบเช่นกัน การเปลี่ยนจากอุณหภูมิเย็นเป็นร้อนทำให้เกิดการไหลของความร้อน บริเวณที่ร้อนในช่องว่างของฝาครอบอาจแข็งตัว ซึ่งอาจรบกวนประสิทธิภาพการปิดผนึกของก้านวาล์วและส่งผลต่อการทำงานของวาล์ว นอกจากนี้ อุณหภูมิที่ต่ำมากถึง -253°C หมายความว่าจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีฉนวนที่ดีที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าวาล์วสามารถรักษาไฮโดรเจนเหลวไว้ที่อุณหภูมินี้ได้ ในขณะที่ลดการสูญเสียที่เกิดจากการเดือดให้น้อยที่สุด ตราบใดที่มีการถ่ายเทความร้อนไปยังไฮโดรเจนเหลว มันจะระเหยและรั่วไหล ไม่เพียงเท่านั้น การควบแน่นของออกซิเจนจะเกิดขึ้นที่จุดที่ฉนวนแตก เมื่อออกซิเจนสัมผัสกับไฮโดรเจนหรือสารไวไฟอื่นๆ ความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้น เมื่อพิจารณาถึงความเสี่ยงจากไฟไหม้ที่วาล์วอาจเผชิญ วาล์วจะต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงวัสดุที่ป้องกันการระเบิด รวมถึงตัวกระตุ้น เครื่องมือวัด และสายเคเบิลที่ทนไฟ โดยทั้งหมดต้องได้รับการรับรองที่เข้มงวดที่สุด เพื่อให้แน่ใจว่าวาล์วทำงานได้อย่างถูกต้องในกรณีเกิดไฟไหม้ แรงดันที่เพิ่มขึ้นก็เป็นความเสี่ยงที่อาจทำให้วาล์วใช้งานไม่ได้เช่นกัน หากไฮโดรเจนเหลวติดอยู่ในโพรงของตัววาล์ว และเกิดการถ่ายเทความร้อนและการระเหยของไฮโดรเจนเหลวพร้อมกัน จะทำให้ความดันเพิ่มขึ้น หากมีความแตกต่างของความดันมาก จะเกิดปรากฏการณ์คาวิตี้ (cavitation) และเสียงดัง ปรากฏการณ์เหล่านี้อาจนำไปสู่การสิ้นสุดอายุการใช้งานก่อนกำหนดของวาล์ว และอาจทำให้เกิดความสูญเสียอย่างมากเนื่องจากข้อบกพร่องในกระบวนการผลิต ไม่ว่าสภาวะการทำงานจะเป็นอย่างไร หากสามารถพิจารณาปัจจัยข้างต้นอย่างครบถ้วนและใช้มาตรการแก้ไขที่เหมาะสมในกระบวนการออกแบบ ก็สามารถรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของวาล์ว นอกจากนี้ยังมีปัญหาด้านการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อม เช่น การรั่วไหล ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติเฉพาะ คือ โมเลกุลขนาดเล็ก ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และระเบิดได้ คุณลักษณะเหล่านี้กำหนดความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องไม่มีการรั่วไหลเลย

ที่สถานีผลิตไฮโดรเจนเหลวชายฝั่งตะวันตก นอร์ทลาสเวกัส

วิศวกรของ Wieland Valve ให้บริการด้านเทคนิค

โซลูชั่นวาล์ว

ไม่ว่าจะเป็นฟังก์ชันและประเภทใด วาล์วสำหรับงานไฮโดรเจนเหลวทุกประเภทต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทั่วไปบางประการ ข้อกำหนดเหล่านี้ได้แก่: วัสดุของชิ้นส่วนโครงสร้างต้องรับประกันว่าความสมบูรณ์ของโครงสร้างจะคงอยู่ได้ที่อุณหภูมิต่ำมาก และวัสดุทั้งหมดต้องมีคุณสมบัติป้องกันไฟไหม้ตามธรรมชาติ ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ ชิ้นส่วนซีลและซีลกันรั่วของวาล์วไฮโดรเจนเหลวก็ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดพื้นฐานที่กล่าวมาข้างต้นเช่นกัน เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกเป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวาล์วไฮโดรเจนเหลว มีความแข็งแรงต่อแรงกระแทกดีเยี่ยม การสูญเสียความร้อนน้อย และสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิได้มาก มีวัสดุอื่นๆ ที่เหมาะสมสำหรับสภาวะไฮโดรเจนเหลวเช่นกัน แต่มีข้อจำกัดในด้านเงื่อนไขกระบวนการเฉพาะ นอกเหนือจากการเลือกวัสดุแล้ว รายละเอียดการออกแบบบางอย่างก็ไม่ควรละเลย เช่น การต่อก้านวาล์วให้ยาวขึ้น และการใช้คอลัมน์อากาศเพื่อป้องกันซีลกันรั่วจากอุณหภูมิต่ำมาก นอกจากนี้ การต่อก้านวาล์วให้ยาวขึ้นยังสามารถติดตั้งวงแหวนฉนวนเพื่อป้องกันการควบแน่น การออกแบบวาล์วตามเงื่อนไขการใช้งานเฉพาะจะช่วยให้ได้โซลูชันที่เหมาะสมยิ่งขึ้นสำหรับความท้าทายทางเทคนิคต่างๆ Vellan นำเสนอวาล์วผีเสื้อสองแบบ ได้แก่ วาล์วผีเสื้อแบบโลหะเยื้องศูนย์สองตำแหน่งและสามตำแหน่ง ทั้งสองแบบมีคุณสมบัติการไหลแบบสองทิศทาง การออกแบบรูปทรงของแผ่นดิสก์และวิถีการหมุนช่วยให้ได้ซีลที่แน่นสนิท ไม่มีช่องว่างในตัววาล์วที่ไม่มีของเหลวตกค้าง ในกรณีของวาล์วผีเสื้อแบบเยื้องศูนย์คู่ของ Velan นั้น ใช้การออกแบบการหมุนแบบเยื้องศูนย์ของแผ่นดิสก์ ร่วมกับระบบซีล VELFLEX ที่เป็นเอกลักษณ์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการซีลวาล์วที่ยอดเยี่ยม การออกแบบที่ได้รับการจดสิทธิบัตรนี้สามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างมากภายในวาล์วได้ แผ่นดิสก์แบบเยื้องศูนย์สามชั้นของ TORQSEAL ยังมีวิถีการหมุนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวซีลของแผ่นดิสก์จะสัมผัสกับที่นั่งวาล์วเฉพาะในขณะที่วาล์วปิดสนิทเท่านั้น และจะไม่เกิดรอยขีดข่วน ดังนั้น แรงบิดในการปิดของวาล์วสามารถขับเคลื่อนแผ่นดิสก์ให้ปิดสนิทได้อย่างยืดหยุ่น และสร้างแรงกดที่เพียงพอในตำแหน่งวาล์วปิดสนิท ในขณะเดียวกันก็ทำให้แผ่นดิสก์สัมผัสกับพื้นผิวซีลของที่นั่งวาล์วอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเส้นรอบวง ความยืดหยุ่นของที่นั่งวาล์วช่วยให้ตัววาล์วและแผ่นดิสก์มีฟังก์ชัน "ปรับตัวเอง" จึงหลีกเลี่ยงการติดขัดของแผ่นดิสก์ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เพลาวาล์วสแตนเลสเสริมแรงสามารถรองรับรอบการทำงานสูงและทำงานได้อย่างราบรื่นที่อุณหภูมิต่ำมาก การออกแบบเยื้องศูนย์คู่ของ VELFLEX ช่วยให้สามารถซ่อมบำรุงวาล์วได้รวดเร็วและง่ายดายในขณะที่วาล์วกำลังทำงานอยู่ ด้วยตัวเรือนด้านข้าง ทำให้สามารถตรวจสอบหรือซ่อมบำรุงที่นั่งวาล์วและแผ่นดิสก์ได้โดยตรง โดยไม่จำเป็นต้องถอดชิ้นส่วนแอคชูเอเตอร์หรือเครื่องมือพิเศษ

Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co.,ltdสนับสนุนเทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับวาล์วแบบมีที่นั่งยืดหยุ่น รวมถึงวาล์วแบบมีที่นั่งยืดหยุ่นวาล์วผีเสื้อเวเฟอร์, วาล์วปีกผีเสื้อแบบหูยึด, วาล์วผีเสื้อแบบหน้าแปลนคู่ศูนย์กลางวาล์วผีเสื้อแบบเยื้องศูนย์สองหน้าแปลนตัวกรองรูปตัว Yวาล์วปรับสมดุลวาล์วกันกลับแบบแผ่นคู่ Waferเป็นต้น