液体水素は、貯蔵と輸送においていくつかの利点があります。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抑えられます。しかし、水素を液体にするには-253℃まで冷却する必要があり、これは非常に難しいことを意味します。極低温と可燃性のリスクがあるため、液体水素は危険な媒体です。このため、関連用途向け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不可欠な要件となります。
ファディラ・ケルファウイ、フレデリック・ブランケ著
ベラン弁（ベラン）
液体水素（LH2）の応用例。
現在、液体水素はさまざまな特別な場面で利用され、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使用できるほか、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」に支えられ、液体水素は超伝導システム、粒子加速器、核融合装置の主要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、近年ではトラックや船舶の燃料として液体水素がますます多く使用されるようになっています。上記の応用シナリオにおいて、バルブの重要性は非常に明白です。バルブの安全かつ信頼性の高い動作は、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、流通）の不可欠な部分です。液体水素に関連する運用は困難を伴います。Velanは、-272℃までの高性能バルブの分野で30年以上の実務経験と専門知識を有し、長年にわたりさまざまな革新的なプロジェクトに携わってきました。その強みにより、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、バルブ設計のリスク評価で検討される主要な要素です。バルブの性能を最適化するには、設計と材料の選択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、追加の課題に直面します。極低温では、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学術界でまだ議論されています）、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に関して、業界は水素用途における非金属材料の適用性に関する知識が限られています。シール材を選択する際には、この要素を考慮する必要があります。効果的なシールも重要な設計性能基準です。液体水素と周囲温度（室温）の間には300℃近い温度差があり、温度勾配が生じます。バルブの各コンポーネントは、異なる程度の熱膨張と収縮を受けます。この差は、重要なシール面からの危険な漏洩につながる可能性があります。バルブステムのシールの気密性も設計の焦点となります。低温から高温への移行により熱流が発生します。ボンネットキャビティ領域の高温部分は凍結する可能性があり、ステムシール性能を損ない、バルブの動作に影響を与える可能性があります。さらに、-253℃という極めて低い温度では、沸騰による損失を最小限に抑えながら、この温度で液体水素を維持できるように、最高の断熱技術が必要となります。液体水素に熱が伝達される限り、液体水素は蒸発して漏れます。それだけでなく、断熱材の破損箇所では酸素の凝縮が発生します。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し、バルブは防爆材料、耐火アクチュエータ、計装機器、ケーブルなど、すべて最も厳格な認証を念頭に置いて設計する必要があります。これにより、火災発生時にもバルブが適切に動作することが保証されます。圧力の上昇も、バルブが動作不能になる可能性のある潜在的なリスクです。液体水素がバルブ本体の空洞内に閉じ込められ、熱伝達と液体水素の蒸発が同時に起こると、圧力が上昇します。圧力差が大きい場合、キャビテーション（キャビテーション）/騒音が発生します。これらの現象はバルブの耐用年数の早期終了につながり、プロセス上の欠陥により大きな損失を被る可能性もあります。具体的な運転条件に関わらず、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、バルブの安全かつ信頼性の高い運転を確保できます。さらに、漏洩などの環境問題に関連する設計上の課題もあります。水素は、分子が小さく、無色無臭で爆発性があるという特異な性質を持っています。これらの特性により、漏洩ゼロが絶対的に必要となります。
ノースラスベガス西海岸水素液化ステーションでは、
ヴィーラントバルブのエンジニアが技術サービスを提供しています
バルブソリューション
特定の機能やタイプに関わらず、すべての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、構造部品の材料が極低温でも構造的完全性を維持できること、すべての材料が自然な耐火性を有することなどが含まれます。同様の理由で、液体水素バルブのシール要素とパッキンも、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。優れた耐衝撃性、最小限の熱損失、大きな温度勾配に耐えることができます。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、バルブステムの延長や、シールパッキンを極低温から保護するためのエアカラムの使用など、いくつかの設計の詳細を見落としてはなりません。さらに、バルブステムの延長には、結露を防ぐために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解決策を提供できます。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れに対応しています。ディスクの形状と回転軌道を設計することで、高い密閉性を実現できます。バルブ本体には残留媒体が存在しない空洞はありません。Velanダブル偏心バタフライバルブの場合、ディスク偏心回転設計と独自のVELFLEXシール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動にも耐えることができます。TORQSEALトリプル偏心ディスクも、ディスクシール面がバルブ閉位置に達した瞬間にのみシートに接触し、傷がつかないように特別に設計された回転軌道を備えています。そのため、バルブの閉鎖トルクによってディスクがスムーズに着座し、バルブ閉位置で十分なくさび効果を生み出し、同時にディスクがシートシール面の全周に均等に接触します。バルブシートの柔軟性により、バルブ本体とディスクに「自己調整」機能を持たせることができ、温度変動時のディスクの固着を防ぎます。強化ステンレス鋼製のバルブシャフトは、高い作動サイクルに耐え、極低温下でもスムーズに作動します。VELFLEXのダブル偏心設計により、バルブのオンラインメンテナンスを迅速かつ容易に行うことができます。サイドハウジングのおかげで、アクチュエータや特殊工具を分解することなく、シートとディスクを直接点検・整備することが可能です。
天津塘沽ウォーターシールバルブ株式会社高度な技術を備えた弾性シートバルブ、弾性シートバルブなどをサポートしています。ウェハーバタフライバルブ, 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、ウェハー型二重プレートチェックバルブなど
投稿日時：2023年8月11日
