液体水素は、貯蔵・輸送において一定の利点を有します。水素と比較して、液体水素（LH2）は密度が高く、貯蔵に必要な圧力も低くなります。しかし、水素を液体にするには-253℃まで冷却する必要があるため、非常に困難です。極低温と可燃性のリスクにより、液体水素は危険な媒体となります。そのため、関連用途のバルブを設計する際には、厳格な安全対策と高い信頼性が絶対条件となります。
ファディラ・ケルファウイ、フレデリック・ブランケ著
ヴェラン弁（ヴェラン）
液体水素（LH2）の用途。
現在、液体水素は様々な特殊な用途で利用され、また利用が試みられています。航空宇宙分野では、ロケット打ち上げ燃料として利用されるほか、遷音速風洞で衝撃波を発生させることもできます。「ビッグサイエンス」の支援を受け、液体水素は超伝導システム、粒子加速器、核融合装置の重要な材料となっています。持続可能な開発への人々の願望が高まるにつれ、近年、液体水素はますます多くのトラックや船舶の燃料として利用されています。上記の応用シナリオにおいて、バルブの重要性は極めて明白です。バルブの安全で信頼性の高い操作は、液体水素サプライチェーンのエコシステム（生産、輸送、貯蔵、配送）に不可欠な要素です。液体水素に関連する操作は困難を伴います。Velanは、-272℃までの高性能バルブ分野で30年以上の実践経験と専門知識を有し、長年にわたり様々な革新プロジェクトに携わってきました。その強みによって、液体水素サービスの技術的課題を克服してきたことは明らかです。
設計段階における課題
圧力、温度、水素濃度は、いずれもバルブ設計リスク評価において検討される主要な要素です。バルブ性能を最適化するには、設計と材料選定が決定的な役割を果たします。液体水素用途で使用されるバルブは、水素が金属に及ぼす悪影響など、更なる課題に直面します。極低温下において、バルブ材料は水素分子の攻撃に耐えるだけでなく（関連する劣化メカニズムの一部は、依然として学界で議論されています）、ライフサイクル全体にわたって長期間にわたり正常な動作を維持する必要があります。現在の技術開発レベルでは、水素用途における非金属材料の適用性に関する産業界の知見は限られています。シール材料を選択する際には、この点を考慮する必要があります。効果的なシール性能も、設計性能の重要な基準です。液体水素と周囲温度（室温）の間には約300℃の温度差があり、温度勾配が生じます。バルブの各部品は、それぞれ異なる程度の熱膨張と収縮を受けます。この熱膨張と収縮の差は、重要なシール面から危険な漏れを引き起こす可能性があります。バルブステムのシール気密性も設計の焦点となります。低温から高温への移行は熱流を生み出します。ボンネットキャビティ部の高温部は凍結する可能性があり、ステムシール性能を損ない、バルブの操作性に影響を与える可能性があります。さらに、-253℃という極低温では、沸騰による損失を最小限に抑えながら、バルブがこの温度で液体水素を維持できるようにするために、最高の断熱技術が求められます。液体水素に熱が伝わる限り、蒸発して漏れ出します。それだけでなく、断熱材の破断点では酸素が凝縮します。酸素が水素やその他の可燃物と接触すると、火災のリスクが高まります。したがって、バルブが直面する可能性のある火災リスクを考慮すると、バルブは防爆材料、耐火性アクチュエータ、計装、ケーブルなど、すべて最も厳格な認証を取得して設計する必要があります。これにより、火災発生時にバルブが適切に作動することが保証されます。圧力の上昇もまた、バルブを作動不能にする潜在的なリスクとなります。液体水素がバルブ本体の空洞に閉じ込められ、伝熱と液体水素の蒸発が同時に起こると、圧力上昇を引き起こします。圧力差が大きいとキャビテーション（空洞化）/ノイズが発生します。これらの現象は、バルブの耐用年数の早期終了につながる可能性があり、プロセス欠陥による大きな損失を被ることもあります。具体的な動作条件に関係なく、上記の要因を十分に考慮し、設計プロセスで適切な対策を講じることができれば、バルブの安全で信頼性の高い動作を確保できます。さらに、環境問題に関連する設計上の課題として、漏洩があります。水素は独特です。分子が小さく、無色、無臭、爆発性があります。これらの特性により、ゼロリークが絶対に必要です。
ノースラスベガス西海岸水素液化ステーションでは、
ヴィーランドバルブのエンジニアが技術サービスを提供
バルブソリューション
具体的な機能や種類にかかわらず、あらゆる液体水素用途のバルブは、いくつかの共通要件を満たす必要があります。これらの要件には、構造部品の材質が極低温でも構造の完全性を維持できること、すべての材料が天然の耐火性を備えていることが含まれます。同じ理由から、液体水素バルブのシール部材とパッキンも、上記の基本要件を満たす必要があります。オーステナイト系ステンレス鋼は、液体水素バルブに最適な材料です。優れた衝撃強度、最小限の熱損失、そして大きな温度勾配への耐性を備えています。液体水素条件に適した他の材料もありますが、特定のプロセス条件に限定されます。材料の選択に加えて、バルブステムを延長し、気柱を使用してシールパッキンを極低温から保護するなど、いくつかの設計上の細部も見落とすべきではありません。さらに、バルブステムの延長部には、結露を防ぐための断熱リングを取り付けることができます。特定の用途条件に合わせてバルブを設計することで、さまざまな技術的課題に対してより合理的なソリューションを提供できます。Vellanは、ダブル偏心型とトリプル偏心型の2種類の金属シートバタフライバルブを提供しています。どちらの設計も双方向の流体流動性を備えています。ディスク形状と回転軌道の設計により、高い密閉性を実現しています。バルブ本体には残留媒体が溜まる空洞がありません。Velanダブル偏心バタフライバルブは、ディスク偏心回転設計と独自のVELFLEXシーリングシステムを組み合わせることで、優れたバルブシール性能を実現しています。この特許取得済みの設計は、バルブ内の大きな温度変化にも耐えることができます。TORQSEALトリプル偏心ディスクも、特別に設計された回転軌道を備えており、ディスクシール面がバルブ閉位置に到達した瞬間にのみシートに接触し、傷がつかないようにしています。そのため、バルブの閉弁トルクによってディスクが柔軟な着座状態になり、バルブ閉位置で十分なくさび効果を生み出すと同時に、ディスクがシートシール面の全周に均一に接触します。バルブシートの柔軟性により、バルブ本体とディスクは「自己調整」機能を発揮し、温度変化によるディスクの焼き付きを回避します。強化ステンレス鋼製のバルブシャフトは、高サイクル運転に対応し、極低温下でもスムーズに作動します。VELFLEXの二重偏心設計により、バルブはオンラインで迅速かつ容易にメンテナンスできます。サイドハウジングにより、アクチュエータを分解したり特殊工具を必要とせずに、シートとディスクを直接点検・メンテナンスできます。
天津塘沽ウォーターシールバルブ株式会社弾性シートバルブを含む高度な技術の弾性シートバルブをサポートしていますウェーハバタフライバルブ, ラグバタフライバルブ, ダブルフランジ同心バタフライバルブ、ダブルフランジ偏心バタフライバルブ、Y型ストレーナー、バランスバルブ、ウェーハデュアルプレートチェックバルブなど
投稿日時: 2023年8月11日
