Vetyjärjestelmän liitosten suunnittelu

Mukaillen Chuck Hayesin (Swagelokin liikennealan johtava sovellussuunnittelija) blogia: Anatomy of Hydrogen Fitting.

Turvallisia, luotettavia ja tiiviitä vetyjärjestelmiä kehittäessä yksi suurimmista haasteista on itse vedyn luonne. Vety on hyvin pienimolekyylinen kaasu, jonka molekyylit voivat helposti kulkeutua pienimmistäkin raoista ja siirtyä diffuusion avulla järjestelmän materiaaleihin. Vetyä on myös voitava varastoida yli 875 baarin paineessa, jotta ajoneuvoissa saavutetaan tarvittava energiatiheys. Tankkauksen aikana nopeat lämpö- ja paineenmuutokset voivat myös olla haastavia, kun vety siirtyy varastosäiliöistä ajoneuvoon ja purkautuu ajoneuvon tankkiin.

Yllä mainitut haasteet korostavat korkeapaineisten vetyjärjestelmien vaatimaa tinkimätöntä suorituskykyä. Tässä blogissa tarkastellaan erityisesti vetyjärjestelmien kannalta kriittistä liitinsuunnittelua, jolla toteutetaan kaasutiiveys, putken tartuntalujuus, tärinänkestävyys, materiaalien yhteensopivuus sekä oikeaoppinen asennus.

Puhtaiden energiaratkaisujen tulevaisuudennäkymät liikennetoimialalla

Maailmalla pyritään aktiivisesti rajoittamaan fossiilisten polttoaineiden päästöjä sekä kehittämään toimivia, vaihtoehtoisia polttoaineteknologioita henkilöautojen ja raskaiden ajoneuvojen markkinoille. Täyssähköautot ja hybridit ovat saavuttaneet viime vuosina merkittävän suosion henkilöautojen markkinoilla, mutta sähköautoteknologiasta löytyy edelleen joitakin rajoituksia, jotka voivat estää kokonaisvaltaisen bensiini- ja dieselöljyjen korvaavuuden.

Tällaisia rajoituksia voivat olla:

Toimintasäde. Sähköautojen toimintasäde on usein huomattavasti lyhyempi kuin fossiilisia polttoaineita hyödyntävillä ajoneuvoilla. Tämänhetkinen toimintasäde täyssähköautoissa on tavallisesti 200—600 km täydellä akkukapasiteetilla. Tämä voi olla haastavaa erityisesti raskaan liikenteen kaukokuljetuksille.

Pitkät latausajat. Sähköauton uudelleen lataus täyteen kapasiteettiin voi kestää 3—12 tuntia. Uusimmissa henkilöautomalleissa välilatauksella voidaan saavuttaa 30 minuutissa 80 % kapasiteetti pikalatauksella. Latausajat voivat kuitenkin olla haaste pitkillä ajomatkoilla sekä raskaanliikenteen kuljetuksissa.

Korkeammat kustannukset ja kierrätettävyys. Tämänhetkisessä akkuteknologissa haasteita tuovat vielä akkujen kustannukset, elinkaari, vaihtotiheys sekä vaihdettujen akkujen loppusijoitus ja kierrätys ympäristön näkökulmasta.

Vetyliikenneteknologia on jo voittanut nämä haasteet, vaikka sähköautoteknologiaa kehitetään jatkuvasti. Polttokennoajoneuvo saavuttaa helposti yli 500 km toimintasäteen yhdellä tankkauksella. Raskaan kaluston sovelluksissa täydellä vetysäiliöllä voidaan saavuttaa 1500 km toimintasäde. Vedyn tankkaus kestää keskimäärin alle neljä minuuttia. Lisäksi vetyajoneuvoissa käytetään samaa kehittynyttä teknologiaa, mihin olemme sähköautoissa jo tottuneet, esimerkiksi regeneratiivistä jarrutusta, korkeita vääntötasoja sekä vähäisempiä vikatiloja.

Vetyajoneuvot ovatkin yksi lupaavimmista liikenneteknologioista, jolla pystytään tarjoamaan sekä kuljettajien odottamaa suorituskykyä että ympäristöhyötyjä. Vetyajoneuvot ja niiden tankkausinfrastruktuuri edellyttävät korkealaatuisia komponentteja pitkän elinkaaren, suorituskyvyn ja luotettavuuden takaamiseksi.  

Vetyjärjestelmien liitosten määrittäminen ja suunnittelu

Yksittäisen vetyatomin koko golfpalloon verrattuna on sama suhde kuin golfpallon koko maapallon kokoon verrattuna.

Vety on yksi pienimmistä molekyyleistä, minkä vuoksi tiiveys aiheuttaa usein haasteita vetyjärjestelmissä. Vetymolekyylit ovat niin pieniä, että ne voivat tihkua jopa teräksen läpi ja siirtyä putkiliitosten pienimmistäkin raoista. Koko järjestelmän tiiveys on erityisen tärkeää, kun otetaan huomioon korkeat paineet, joissa vetyä on kuljetettava ja varastoitava.

Kaasun vuotaminen mistä tahansa järjestelmästä aiheuttaa luonnollisesti turvallisuusriskin, mutta erityisen tärkeitä turvallisuusaspektit ovat, jos loppukäyttäjä on vetytankkausasemaa käyttävä kuluttaja.
Tiiviys on myös tehokkuuden kannalta olennaisen tärkeää. Tiivis järjestelmä pystyy tehokkaasti hyödyntämään kaiken vetykaasun, jolloin ylimääräistä hävikkiä ei synny.

Mitä vetyhaurastuminen on?

Vetymolekyylit voivat imeytyä ruostumattoman teräksen pintaan, jolloin yksittäiset atomit hajoavat erilleen. Niiden halkaisija on hyvin pieni ja ne voivat diffundoitua austeniittiseen kiderakenteeseen, jonka muodostavat paljon suuremmat rauta-, nikkeli-, kromi- ja molybdeeniatomit.

Diffuusio 316/316L ruostumattomaan teräkseen tapahtuu hyvin hitaasti, mutta korkeissa paineissa ja pitkällä aikavälillä vetyatomeja voi kerääntyä metallin kiderakenteeseen. Tämä ilmiö tunnetaan vetyhaurastumisena. 316/316L -materiaalin lujuuteen vetyatomit eivät vaikuta negatiivisesti edes niiden siirryttyä kiderakenteeseen.

Heikompilaatuisissa ruostumattomissa teräksissä vetyhaurastumista voi kuitenkin ilmetä ja jos väsymissäröjä ilmenee, vetyatomit kiihdyttävät säröjen etenemistä läpi komponentin.

Miksi liittimillä on merkitystä?

• Halutun energiatiheyden saavuttamiseksi vety varastoidaan ajoneuvon polttoainesäiliöihin 350-700 baarin paineessa. Järjestelmän tulisi siis kestää huomattava määrä painetta.
• Ajoneuvon liikkuessa järjestelmiin kohdistuu merkittävää rasitusta ja tärinää. Järjestelmien on kyettävä kestämään kovia nopeuksia, kuoppaisia teitä ja erilaisia sääolosuhteita.
• Kuluttajien käytössä olevien tankkausasemien tulee olla helppoja, nopeita ja turvallisia käyttää.

On siis ratkaisevan tärkeää, että ajoneuvon sisäiset järjestelmät ja tarvittava infrastruktuuri suunnitellaan ja rakennetaan laadukkaasti. Putkien liitososat ovat erityisen tärkeässä roolissa vetypolttoainejärjestelmissä. Niiden on oltava tiiviitä ja säilytettävä suorituskykynsä vuosien, jopa vuosikymmenten ajan.

Suorituskykyominaisuudet

Kaasutiiviys

Tiiviys jokaisessa vetyjärjestelmän liitoksessa on olennaisen tärkeää turvallisuuden, luotettavuuden ja tehokkuuden kannalta. Vetymolekyylien pienestä koosta johtuen tällaisen tiivisteen luominen perinteisellä liitäntätekniikalla voi olla haastavaa.

Perinteiset kartio- ja kierreliitokset tiivistyvät ainoastaan yhden kappaleen kosketuspinnalla.
Tämäntyyppinen tiivistys riittää moniin yleisen teollisuuden sovelluksiin, joissa prosessiaineet ovat suurempi molekyylisiä, mutta vetyjärjestelmissä ne eivät ole optimaalinen vaihtoehto.

Vetyä varten suunnitellulla liittimellä voidaan saavuttaa tarvittava tiiveys kahden helmen avulla. Mekaanisesti tarttuvassa kaksoishelmiliittimessä etummainen helmi luo pitkän kosketuspinnan putkeen ja takimmainen helmi, joka tarttuu tehokkaasti itse putkistoon, luo oman pintatiivisteensä. Näiden kosketuspintojen tulisi olla hieman vinossa, jolloin saavutetaan optimaalinen jännitystaso tiiviyden ylläpitämiseksi. Pitkä, tarkkaan työstetty pinta etummaisessa liitoshelmessä parantaa kaasutiiveyttä.

Liittimien pitovoima

Toinen keskeinen suorituskykyominaisuus vetyjärjestelmissä on liittimien pitovoima, jolla liitos tarttuu putkeen. Liittimet, joissa on kaksi matalassa lämpötilassa karkaistua helmeä, luovat joustavan kiinnityksen ja sopivat erityisen hyvin vetyjärjestelmiin. Karkaistu etuhelmi mahdollistaa liittimen fyysisen kiinnittymisen putkeen, luoden paineen kestoa jopa 1050 barin (15 229 psi) asti. Nämä liittimet sopivat ihanteellisesti käytettäväksi vedyn varastointijärjestelmissä, ajoneuvoissa ja tankkausinfrastruktuurissa.

Perinteisten kartio- ja kierre- (NPT, R-kartio) ja O-rengastiivisteisten liittimien haasteena voi olla heikompi tärinän kesto, mikä vaarantaa liitosten tiiveyden. Kartio- ja kierreliitososilla on myös taipumus "leikata kiinni", jolloin kaksi metallia kylmähitsautuvat yhteen. Liitoksen kiinni leikkaaminen voi vaarantaa luotettavan liitoksen ja vaikeuttaa vaihtoa tai huoltoa.

Tärinänkestävyys

Liikkuvassa ajoneuvossa tai tankkausinfrastruktuurissa olevat putkiliitokset ovat merkittävästi alttiimpia iskuille ja tärinälle, kuin paikallaan olevat järjestelmäsovellukset.
Kaksoishelmiliitin mahdollistaa hyvin pienen liikkeen liitoksessa säilyttäen samalla pito- ja voimatason. Liittimen mahdollistama "takaisin jousto", luo liitokselle vankan tärinänkestävyyden. Jousto auttaa myös liitoksia kestämään merkittäviä lämpömuutoksia, jotka voivat saada metalliseokset laajenemaan ja supistumaan. Vetykaasun lämpötila voi vaihdella niinkin alhaisesta kuin -40ºC:sta jopa 85ºC:een.

Materiaalin koostumus

Korroosion hallinta on tärkeää kaikissa sovelluksissa. Korroosio tapahtuu, kun metalliatomi hapettuu väliaineen vaikutuksesta, mikä johtaa materiaalin häviämiseen metallipinnassa. Korroosio vähentää komponentin seinämän paksuutta ja tekee siitä alttiimman mekaanisille vioille. Vetysovelluksissa sekä ajoneuvoihin että polttoaineen tankkausinfrastruktuuriin kohdistuu säännöllisesti epäsuotuisia sääolosuhteita, minkä vuoksi hyvä korroosionkesto on erityisen tärkeää koko järjestelmän käyttöiän ajan.

American Society for Testing and Materials (ASTM) määritelmän mukaan ruostumattomassa teräksessä on oltava vähintään 10 % nikkeliä. On kuitenkin osoitettu, että ruostumatonteräs, jossa on vähintään 12 % nikkeliä, soveltuu paremmin käytettäväksi vetyjärjestelmissä. Korkeammat kromi- ja nikkelipitoisuudet tekevät ruostumattomasta teräksestä sitkeämmän ja suojaavat tehokkaammin korroosiolta sekä vetyhaurastumiselta kriittisissä komponenteissa.

Asennuksen helppous

Kun vedyn tankkausinfrastruktuurin rakentamiseen panostetaan, nousee vetyajoneuvojen kysyntä kasvuun. Infrastruktuurin suunnittelun määrittelyssä tulisi huomioida myös komponenttien asentamisen helppous ja toistettavuus laadukkaan liitoksen varmistamiseksi.

Kartio- ja kierreliittimet vaativat erikoistyökaluja sekä voiteluöljyjä kitkan vähentämiseksi asennusprosessin aikana. Liittimien lisäksi putken on oltava asianmukaisesti kartioitu ja kierteitetty, ennen kuin se liitetään liittimeen. Kun putkiston esivalmistelut on tehty, on putkessa kierteet ja liitosmutteri asennettu liitosrunkoon lopullista asennusta varten. Lisäksi asennusprojektissa on huolehdittava, ettei jäysteitä, lovia tai naarmuja ole syntynyt esivalmisteluiden aikana. Asennusprosessiin kuluu huomattavasti aikaa ja prosessi on monimutkainen jopa ammattitaitoisille asentajille.

Kaksi helmiset puristusrengasliittimet mahdollistavat asennukset noin viisi kertaa nopeammin kuin vertailukelpoiset kartio- ja kierreliittimet. Lisäksi ne takaavat tiiviin ja vuotamattoman liitoksen heti ensiasennuksessa. Tämä toiminto poistaa uudelleentyöstämisen tarpeen ensimmäisen asennuksen jälkeen ja vähentää samalla merkittävästi huoltokustannuksia.

Asennuksen helppoudesta johtuen myös asennusvirheitä syntyy vähemmän ja liitos säilyy suorituskykyisenä koko elinkaaren ajan. Lisäksi asennuksessa ei tarvita erikoistyökaluja, jolloin liitososat vaativat vain yksinkertaisen jakoavain asennuksen, joko momentti- tai kierrosasennusmenetelmällä.

Swagelok® FK-sarjan liittimet ovat vetyjärjestelmiä varten suunniteltu ratkaisu

Yhteenvetona blogin sisällöstä: tiiveys, pitolujuus, tärinänkesto, materiaalin koostumus ja asennuksen helppous ovat kaikki olennaisia yksityiskohtia vetyjärjestelmän turvallisuudelle. Näiden ominaisuuksien pohjalle on suunniteltu Swagelokin FK-sarjan liittimet.

FK-sarjan liittimet ovat yhteensopivia eri putkityyppien ja materiaalien kanssa.
Matalassa lämpötilassa karkaistut helmet sekä "takaisin jousto" tuottavat tiiveyden, luotettavan tartunnan putkeen sekä tehokkaan tärinänkeston.

FK-sarjan liittimet ovat EC-79, HGV 3.1 ja EIHP- sekä H70-paineluokkaan sertifioituja.

FK-sarjan liitososat valmistetaan 316/316L haponkestävästä teräksestä, jossa vähintään 12 % nikkelipitoisuudella varmistetaan korroosionkestävyys ja vetyhaurastumisen estäminen.

Yksinkertainen, patentoitu, kaksiosainen rakenne koostuu naarasliittimen rungosta ja valmiiksi kootusta patruunasta, joka sisältää urosmutterin, sekä värikoodatut etu- ja takahelmet kertakäyttöisellä muovikannattimella. Esikoottu patruuna varmistaa, että asentajilla on helmien suuntaus oikein naarasrunkoon asentamista varten. Komponentit vapautuvat vasta, kun mutteri on kierretty sormitiukkuuteen liitinrunkoon. Tämä yksinkertaistettu työprosessi tarkoittaa, että FK-sarjan liitososat asennetaan jopa viisi kertaa nopeammin, kuin perinteiset kartio- ja kierreliitokset, eivätkä ne vaadi erikoistyökaluja.

FK-sarjan liitososien tukena tarjoamme koko palveluvalikoimamme, mukaan lukien räätälöidyt koulutukset, paikan päällä tehtävät arvioinnit ja konsultoinnit sekä suunnittelu-, kokoonpano- ja asennuspalvelut.

Vetyliikenteen tulevaisuus riippuu turvallisista, luotettavista ja kestävistä ajoneuvoista sekä niiden ympärille rakennetusta infrastruktuurista. Oikealla komponenttivalinnalla mahdollistetaan vetyliikennetoimialan pitkäaikainen kannattavuus. FK-sarjan liittimet ovat optimaalinen valinta nykypäivän ja tulevaisuuden vetyajoneuvoihin sekä infrastruktuuriin.

Haluatko oppia lisää? Otathan yhteyttä asiakaspalveluumme jo tänään aloittaaksesi keskustelun FK-sarjan liitososista, palveluista ja tuesta, joita olemme sitoutuneet tarjoamaan vetyliikenneteollisuuden tulevaisuudelle.

Tutustu FK-liittimiin Swagelok verkkokaupassa