วาล์วไฮโดรเจนเหลวจากมุมมองของอุตสาหกรรม

ไฮโดรเจนเหลวมีข้อได้เปรียบหลายประการในการจัดเก็บและการขนส่ง เมื่อเทียบกับไฮโดรเจนแล้ว ไฮโดรเจนเหลว (LH2) มีความหนาแน่นสูงกว่าและต้องการความดันในการจัดเก็บต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนต้องอยู่ในอุณหภูมิ -253°C จึงจะเปลี่ยนเป็นของเหลวได้ ซึ่งหมายความว่าค่อนข้างยาก อุณหภูมิที่ต่ำมากและความเสี่ยงต่อการติดไฟทำให้ไฮโดรเจนเหลวเป็นสื่อกลางที่อันตราย ด้วยเหตุนี้ มาตรการด้านความปลอดภัยที่เข้มงวดและความน่าเชื่อถือสูงจึงเป็นข้อกำหนดที่เด็ดขาดเมื่อออกแบบวาล์วสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้อง

โดย ฟาดิลา เคลฟาอุย, เฟรเดริก บลังเกต์

วาล์วเวลัน (Velan)

การประยุกต์ใช้งานของไฮโดรเจนเหลว (LH2)

ปัจจุบัน ไฮโดรเจนเหลวถูกนำมาใช้และถูกนำไปใช้ในโอกาสพิเศษต่างๆ ในด้านการบินและอวกาศ ไฮโดรเจนเหลวสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับการปล่อยจรวด และยังสามารถสร้างคลื่นกระแทกในอุโมงค์ลมความเร็วเหนือเสียงได้อีกด้วย ด้วยการสนับสนุนจาก “วิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่” ไฮโดรเจนเหลวจึงกลายเป็นวัสดุสำคัญในระบบตัวนำยิ่งยวด เครื่องเร่งอนุภาค และอุปกรณ์ฟิวชันนิวเคลียร์ เนื่องจากความต้องการการพัฒนาที่ยั่งยืนของผู้คนเพิ่มมากขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไฮโดรเจนเหลวจึงถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงโดยรถบรรทุกและเรือมากขึ้นเรื่อยๆ ในสถานการณ์การใช้งานข้างต้น ความสำคัญของวาล์วจึงเห็นได้ชัดเจนมาก การทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของวาล์วเป็นส่วนสำคัญของระบบนิเวศห่วงโซ่อุปทานไฮโดรเจนเหลว (การผลิต การขนส่ง การจัดเก็บ และการจัดจำหน่าย) การดำเนินงานที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนเหลวเป็นเรื่องท้าทาย ด้วยประสบการณ์จริงและความเชี่ยวชาญกว่า 30 ปีในด้านวาล์วประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิต่ำถึง -272°C บริษัท Velan ได้มีส่วนร่วมในโครงการนวัตกรรมต่างๆ มาเป็นเวลานาน และเป็นที่ประจักษ์ว่าบริษัทสามารถเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคในการให้บริการไฮโดรเจนเหลวได้ด้วยความแข็งแกร่งของบริษัท

ความท้าทายในขั้นตอนการออกแบบ

ความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นของไฮโดรเจน ล้วนเป็นปัจจัยหลักที่พิจารณาในการประเมินความเสี่ยงในการออกแบบวาล์ว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวาล์ว การออกแบบและการเลือกวัสดุจึงมีบทบาทสำคัญ วาล์วที่ใช้ในงานไฮโดรเจนเหลวต้องเผชิญกับความท้าทายเพิ่มเติม รวมถึงผลกระทบด้านลบของไฮโดรเจนต่อโลหะ ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุของวาล์วไม่เพียงแต่ต้องทนต่อการโจมตีของโมเลกุลไฮโดรเจน (กลไกการเสื่อมสภาพที่เกี่ยวข้องบางประการยังคงเป็นที่ถกเถียงกันในแวดวงวิชาการ) แต่ยังต้องคงการทำงานปกติเป็นเวลานานตลอดอายุการใช้งาน ในแง่ของระดับการพัฒนาทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน อุตสาหกรรมมีความรู้เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้วัสดุที่ไม่ใช่โลหะในงานไฮโดรเจนอย่างจำกัด เมื่อเลือกวัสดุปิดผนึก จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยนี้ การปิดผนึกที่มีประสิทธิภาพก็เป็นเกณฑ์สำคัญในการออกแบบเช่นกัน ไฮโดรเจนเหลวมีความแตกต่างของอุณหภูมิเกือบ 300°C และอุณหภูมิแวดล้อม (อุณหภูมิห้อง) ส่งผลให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิ ส่วนประกอบแต่ละส่วนของวาล์วจะเกิดการขยายตัวและหดตัวเนื่องจากความร้อนในระดับที่แตกต่างกัน ความแตกต่างนี้อาจนำไปสู่การรั่วไหลที่เป็นอันตรายบนพื้นผิวปิดผนึกที่สำคัญ ความแน่นหนาของซีลก้านวาล์วก็เป็นหัวใจสำคัญของการออกแบบเช่นกัน การเปลี่ยนจากความเย็นเป็นความร้อนจะสร้างการไหลเวียนของความร้อน ส่วนที่ร้อนของช่องฝากระโปรงอาจแข็งตัว ซึ่งอาจขัดขวางประสิทธิภาพการซีลก้านวาล์วและส่งผลต่อการทำงานของวาล์ว นอกจากนี้ อุณหภูมิที่ต่ำมากที่ -253°C หมายความว่าจำเป็นต้องมีเทคโนโลยีฉนวนที่ดีที่สุดเพื่อให้มั่นใจว่าวาล์วสามารถรักษาไฮโดรเจนเหลวที่อุณหภูมินี้ได้ พร้อมกับลดการสูญเสียที่เกิดจากการเดือดให้น้อยที่สุด ตราบใดที่ความร้อนถูกถ่ายเทไปยังไฮโดรเจนเหลว ความร้อนก็จะระเหยและรั่วไหล ไม่เพียงเท่านั้น การควบแน่นของออกซิเจนยังเกิดขึ้นที่จุดแตกหักของฉนวน เมื่อออกซิเจนสัมผัสกับไฮโดรเจนหรือวัสดุติดไฟอื่นๆ ความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้จะเพิ่มขึ้น ดังนั้น เมื่อพิจารณาถึงความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ที่วาล์วอาจเผชิญ วาล์วจึงต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงวัสดุป้องกันการระเบิด รวมถึงตัวกระตุ้น อุปกรณ์ และสายเคเบิลที่ทนไฟ ซึ่งทั้งหมดต้องได้รับการรับรองที่เข้มงวดที่สุด เพื่อให้มั่นใจว่าวาล์วจะทำงานได้อย่างถูกต้องในกรณีที่เกิดไฟไหม้ แรงดันที่เพิ่มขึ้นก็เป็นความเสี่ยงที่อาจทำให้วาล์วไม่สามารถใช้งานได้ หากไฮโดรเจนเหลวติดอยู่ในช่องว่างของตัววาล์ว ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนและการระเหยของไฮโดรเจนเหลวในเวลาเดียวกัน จะทำให้ความดันเพิ่มขึ้น หากความแตกต่างของความดันสูง จะทำให้เกิดโพรงอากาศ (cavitation)/สัญญาณรบกวน ปรากฏการณ์เหล่านี้อาจทำให้วาล์วหมดอายุการใช้งานก่อนกำหนด และอาจเกิดความสูญเสียมหาศาลจากข้อบกพร่องในกระบวนการ โดยไม่คำนึงถึงสภาวะการทำงานที่เฉพาะเจาะจง หากสามารถพิจารณาปัจจัยข้างต้นอย่างครบถ้วนและสามารถใช้มาตรการแก้ไขที่เกี่ยวข้องในกระบวนการออกแบบได้ ก็จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าวาล์วจะทำงานได้อย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ นอกจากนี้ ยังมีความท้าทายในการออกแบบที่เกี่ยวข้องกับปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การรั่วไหลที่ฟุ้งกระจาย ไฮโดรเจนมีความพิเศษเฉพาะตัว คือ โมเลกุลขนาดเล็ก ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และระเบิดได้ คุณสมบัติเหล่านี้จึงเป็นตัวกำหนดความจำเป็นอย่างยิ่งยวดที่จะไม่มีการรั่วไหล

ที่สถานีไฮโดรเจนเหลวชายฝั่งตะวันตกของ North Las Vegas

วิศวกรวาล์ว Wieland ให้บริการด้านเทคนิค

โซลูชันวาล์ว

วาล์วสำหรับการใช้งานไฮโดรเจนเหลวทุกประเภทต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทั่วไปบางประการ ไม่ว่าจะมีฟังก์ชันการทำงานหรือประเภทใด ข้อกำหนดเหล่านี้ประกอบด้วย: วัสดุของชิ้นส่วนโครงสร้างต้องมั่นใจว่าสามารถรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุทั้งหมดต้องมีคุณสมบัติป้องกันอัคคีภัยตามธรรมชาติ ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ ส่วนประกอบซีลและปะเก็นของวาล์วไฮโดรเจนเหลวต้องเป็นไปตามข้อกำหนดพื้นฐานที่กล่าวไว้ข้างต้น สเตนเลสออสเทนนิติกเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับวาล์วไฮโดรเจนเหลว เนื่องจากมีความแข็งแรงต่อแรงกระแทกที่ดีเยี่ยม สูญเสียความร้อนน้อยที่สุด และสามารถทนต่อการไล่ระดับอุณหภูมิได้สูง นอกจากนี้ยังมีวัสดุอื่นๆ ที่เหมาะสำหรับสภาวะไฮโดรเจนเหลวเช่นกัน แต่จำกัดเฉพาะสภาวะการทำงานของกระบวนการเฉพาะ นอกจากการเลือกใช้วัสดุแล้ว รายละเอียดการออกแบบบางประการที่ไม่ควรมองข้าม เช่น การขยายก้านวาล์วและการใช้คอลัมน์อากาศเพื่อป้องกันปะเก็นซีลจากอุณหภูมิต่ำมาก นอกจากนี้ การขยายก้านวาล์วยังสามารถติดตั้งวงแหวนฉนวนเพื่อป้องกันการควบแน่น การออกแบบวาล์วให้เหมาะสมกับสภาพการใช้งานเฉพาะ ช่วยให้สามารถแก้ไขปัญหาทางเทคนิคต่างๆ ได้อย่างสมเหตุสมผลยิ่งขึ้น Vellan นำเสนอวาล์วผีเสื้อสองแบบ ได้แก่ วาล์วผีเสื้อแบบสองเอ็กเซนทริกและสามเอ็กเซนทริก การออกแบบทั้งสองแบบมีความสามารถในการไหลแบบสองทิศทาง ด้วยการออกแบบรูปทรงของแผ่นดิสก์และวิถีการหมุน ทำให้สามารถปิดผนึกได้อย่างแน่นหนา ตัววาล์วไม่มีช่องว่างที่ไม่มีตัวกลางตกค้าง ในกรณีของวาล์วผีเสื้อแบบเยื้องศูนย์คู่ Velan วาล์วนี้ใช้การออกแบบการหมุนเยื้องศูนย์ของแผ่นดิสก์ ร่วมกับระบบปิดผนึก VELFLEX อันเป็นเอกลักษณ์ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการปิดผนึกวาล์วที่ยอดเยี่ยม การออกแบบที่จดสิทธิบัตรนี้สามารถทนต่อความผันผวนของอุณหภูมิในวาล์วได้แม้ในสภาวะที่รุนแรง แผ่นดิสก์เยื้องศูนย์สามชั้น TORQSEAL ยังมีวิถีการหมุนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวของแผ่นดิสก์จะสัมผัสกับบ่าวาล์วเฉพาะในขณะที่วาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดเท่านั้น และไม่เกิดรอยขีดข่วน ดังนั้น แรงบิดขณะปิดวาล์วจึงสามารถขับเคลื่อนแผ่นดิสก์ให้บ่าวาล์วที่ยืดหยุ่น และสร้างเอฟเฟกต์ลิ่มที่เพียงพอในตำแหน่งปิดวาล์ว ขณะเดียวกันก็ทำให้แผ่นดิสก์สัมผัสกับเส้นรอบวงทั้งหมดของพื้นผิวปิดผนึกบ่าวาล์วอย่างสม่ำเสมอ ความยืดหยุ่นของบ่าวาล์วช่วยให้ตัววาล์วและแผ่นดิสก์มีฟังก์ชัน "ปรับตัวเอง" จึงหลีกเลี่ยงการยึดติดของแผ่นดิสก์เมื่ออุณหภูมิผันผวน เพลาวาล์วสแตนเลสสตีลเสริมแรงมีรอบการทำงานสูงและทำงานได้อย่างราบรื่นแม้ในอุณหภูมิต่ำมาก การออกแบบ VELFLEX แบบเยื้องศูนย์คู่ ช่วยให้สามารถซ่อมบำรุงวาล์วได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย ด้วยตัวเรือนด้านข้าง ทำให้สามารถตรวจสอบหรือซ่อมบำรุงบ่าวาล์วและดิสก์ได้โดยตรง โดยไม่ต้องถอดประกอบตัวกระตุ้นหรือเครื่องมือพิเศษ

Tianjin Tanggu Water-Seal Valve Co.,ltdกำลังรองรับวาล์วที่นั่งแบบยืดหยุ่นที่มีเทคโนโลยีขั้นสูง รวมถึงวาล์วที่นั่งแบบยืดหยุ่นวาล์วผีเสื้อเวเฟอร์, วาล์วผีเสื้อแบบดึง, วาล์วผีเสื้อแบบหน้าแปลนคู่วาล์วผีเสื้อนอกรีตหน้าแปลนคู่ตะแกรงกรองรูปตัว Y, วาล์วปรับสมดุล,เช็ควาล์วแผ่นคู่เวเฟอร์ฯลฯ