Die Anatomie einer Verschraubung für Wasserstoffanwendungen

Vier Qualitätsmerkmale von Verschraubungen für die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie

Charles Hayes, Lead New Product Development Engineer, und Charles Erml, Product Manager, Swagelok

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von sicheren, zuverlässigen und leckagefreien Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb und der zugehörigen Infrastruktur liegt in der Natur des Wasserstoffs selbst.

Wasserstoff ist ein kleinmolekulares Gas. Als solches kann es mühelos durch kleinste Spalte entweichen und in die Materialien eindringen, die das Gas eigentlich einschließen sollen. Im Transport- und Verkehrssektor muss Wasserstoff bei einem Druck von mehr als 700 bar gelagert werden, damit die für Fahrzeuge notwendige Energiedichte erzielt wird. Hinzu kommt, dass durch rasche Temperatur- und Druckveränderungen unter Umständen die Systemintegrität leidet, da sich Wasserstoff beim Verlassen der Speichertanks ausdehnt.

Diese Faktoren verdeutlichen, warum Verschraubungen, die als Verbindung für wichtige Teile in Hochdruck-Wasserstoff-Kraftstoffanlagen zur Anwendung kommen, kompromisslos leistungsfähig sein müssen. Verschraubungen in Technologien der Wasserstoff-Brennstoffzellen müssen eine Reihe kritischer Merkmale aufweisen, damit ihre langfristige Zuverlässigkeit gewährleistet ist. Früher wurden herkömmliche Konus-/Gewindeverschraubungen für diese Anwendungen eingesetzt; inzwischen stehen leistungsfähigere Optionen zur Verfügung. In diesem Artikel nehmen wir einige Konstruktionsmerkmale dieser Verschraubungen genauer unter die Lupe und erfahren, warum sie für höchste Leistung in der Wasserstofftechnik sorgen:

Leckagefreie Abdichtung

Wasserstoff neigt dazu, selbst durch kleinste Öffnungen zu dringen. Gasdichtheit und Leckagebeständigkeit sind daher zwei der wichtigsten Leistungskriterien für Verschraubungen.

Herkömmliche Rohrverschraubungen sind oft entlang einer einzigen Kontaktlinie auf einer schmalen Fläche abgedichtet. Diese Art Dichtung mag für etliche Flüssigkeiten und einige Gase ausreichend sein. Wasserstoff kann allerdings die Dichtfähigkeit bereits nach der ersten Inbetriebnahme herabsetzen. Auch Vibrationen stellen Dichtungen mit nur einer Kontaktlinie auf die Probe.

Besser geeignet für die Wasserstoffspeicherung ist eine Ausführung mit zwei Kontaktlinien entlang längerer Dichtflächen, mit einer am Rohr und einer weiteren am Verschraubungskörper verlaufend. Diese Kontaktflächen sollten leicht abgewinkelt sein, um ein optimales Spannungsniveau zu schaffen und damit sicherzustellen, dass die Dichtung hält. Spezielle Ausführungsformen mit zwei Klemmringen liefern die gewünschte Zuverlässigkeit der Dichtung.

Haltekraft

Die Haltekraft der Verschraubung am Rohr ist eine weitere wichtige Leistungseigenschaft. Sie stellt sicher, dass die Verschraubung den hohen Drücken bei der Wasserstoffbetankung sowie der starken Vibrationsbelastung im fahrenden Fahrzeug standhält.

Eine mit zwei Klemmringen mechanisch erzeugte Haltekraft ist besonders robust und damit perfekt geeignet für Wasserstoff-Verschraubungen. Über den gehärteten vorderen Klemmring „verbeißt“ sich die Verschraubung buchstäblich in der Rohrleitung. Das schafft eine außerordentlich hohe Druckrate. Die innovative Konstruktion des hinteren Klemmrings toleriert geringfügige Bewegungen in der Verschraubung („Zurückfedern“), ohne dabei an Klemmfestigkeit und Haltekraft einzubüßen. Diese spezielle Ausführung zeichnet sich durch eine hohe Vibrationsbeständigkeit aus und eignet sich somit ideal für den Einsatz in Fahrzeugen sowie in Betankungsinfrastrukturen – dort also, wo sowohl Kompressoren als auch dynamische Bedingungen beträchtliche Schwingungen erzeugen.

Ein mechanisches Doppelklemmring-Design, das ein Zurückfedern ermöglicht, gleicht drastische Temperaturschwankungen aus, in deren Folge sich Materialien mitunter ausdehnen bzw. zusammenziehen. Während des Betankungsvorgangs kann die Temperatur von Wasserstoffgas zwischen -50 °C und Umgebungstemperatur schwanken. Bei herkömmlichen Konus-/Gewindeverschraubungen führt dies unweigerlich zu Leistungseinbußen.

Einfache Montage

Ein optimales Verschraubungsdesign ist entscheidend für einen zuverlässigen Praxiseinsatz. Hersteller von Brennstoffzellen-Fahrzeugen und der zugehörigen Infrastruktur profitieren außerdem von verkürzten Installationszeiten und somit geringeren Montage- und Wartungskosten.

Einige der zur Verfügung stehenden mechanischen Halteverschraubungen sind mit vormontierten Patronen erhältlich. So können Monteure gängige Werkzeuge verwenden und auch mit minimalem Schulungsaufwand eine schnelle, fehlerfreie Montage sicherstellen. Gegenüber herkömmlichen Konus-/Gewindeverschraubungen, die bisher üblicherweise in Anlagen für die Wasserstoffbetankung eingesetzt worden sind, bietet die FK-Serie von Swagelok^®   mit ihrem innovativen Design beträchtliche Vorteile hinsichtlich Installation und Montage.

Für die sachgemäße Installation einer Konus-/Gewindeverschraubung müssen Monteure spezielle Ausrüstung und ein hohes Maß an Know-how und Kompetenz mitbringen. Im Vergleich zur FK-Serie von Swagelok ist für Montage und Prüfung außerdem mit einem fünffachen Zeitaufwand zu rechnen. Im Fahrzeugbau ist Schnelligkeit jedoch ein gewichtiger Faktor und bei einem weiteren Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur wird auch eine einfache Montage immer wichtiger. Mit der richtigen Verschraubungstechnologie lassen sich die Prozesse in beiden Bereichen beschleunigen.

Werkstoffintegrität

Korrosionskontrolle ist in all den Anwendungsbereichen wichtig, wo von Rohrverschraubungen höchste Zuverlässigkeit erwartet wird. Wenn ein Metallatom durch eine Flüssigkeit oxidiert wird, führt dies zu einem Materialverlust auf der Metalloberfläche. So entsteht Korrosion. Durch diesen Verlust reduziert sich die Wandstärke eines Bauteils und das Risiko eines mechanischen Versagens steigt. In Anwendungen für den Wasserstofftransport sind sowohl Fahrzeuge als auch Betankungspumpen regelmäßig schlechter Witterung ausgesetzt. Daher ist es besonders wichtig, dass die Materialien, aus denen diese Systeme gefertigt sind, über die gesamte Lebensdauer hinweg korrosionsbeständig sind.

Darüber hinaus kann es auf Edelstahloberflächen zu einer Absorption von Wasserstoffmolekülen und einer Aufspaltung der einzelnen Atome kommen. Diese haben einen sehr geringen Durchmesser und sind in der Lage, in das austenitische Kristallgitter zu diffundieren, das aus den viel größeren Eisen-, Nickel-, Chrom- und Molybdän-Atomen besteht. Die Diffusion in Edelstahl 316/316L erfolgt sehr langsam, aber unter hohem Druck und über lange Zeit, sodass sich Wasserstoffatome im Gitter unter Umständen in signifikanter Menge ansammeln. Dieses Phänomen wird auch als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Selbst bei hoher Konzentration beeinträchtigen Wasserstoffatome die Festigkeit von Edelstahl 316/316L in der Regel nicht. Sollten sich jedoch Ermüdungsrisse in einem Bauteil zeigen, würden sich diese durch die eintretenden Wasserstoffatome leichter fortsetzen. Bei weniger leistungsfähigen Legierungen liegt dieses Risiko langfristig eventuell höher.

Eine höhere Konzentration von Chrom und Nickel in Bauteilen eines Fluidsystems kann für eine höhere Dehnfestigkeit in kritischen Bauteilen sorgen und üblicher Korrosion und Wasserstoffversprödung vorbeugen. Die ASTM (American Society for Testing and Materials) schreibt für den Edelstahl 316 einen Nickelanteil von mindestens 10 % vor. Allerdings hat sich gezeigt, dass eine hochwertigerer 316er Edelstahl mit einem Nickelanteil von mindestens 12 % den besonderen Herausforderungen in Wasserstoffsystemen besser standhält.

Wasserstoffsysteme und ihre Anforderungen

Es gibt eine Reihe von Klemmverschraubungen und anderer Typen, die für Wasserstoffsysteme geeignet sein könnten. Jedoch erfüllen nur wenige die vielen einzigartigen Leistungsanforderungen von Wasserstoffanwendungen.

Verschraubungen der FK-Serie von Swagelok sind die Ausnahme. Mit ihrem patentierten Design, der Zertifizierung nach EC-79 & EIHP und einer Druckstufe von bis zu 1050 bar ist die FK-Serie speziell auf Wasserstoffanwendungen zugeschnitten. Hergestellt aus Edelstahl 316 mit mindestens 12 % Nickelanteil kommt sie inzwischen in einem großen Spektrum von Branchen und Anwendungen zum Einsatz und ist für Fahrzeuge und Infrastrukturen der Zukunft eine optimale Wahl.

Ob sich wasserstoffbasierte Transport- und Verkehrslösungen langfristig durchsetzen, wird davon abhängen, ob es sichere, zuverlässige und nachhaltige Wasserstofffahrzeuge und -Infrastruktur geben wird. Möglich ist es – durch die Auswahl und Spezifikation der richtigen Komponenten für kritische Systeme.  Möchten Sie noch mehr erfahren? Nehmen Sie noch heute Kontakt mit Swagelok auf: Wir beraten Sie gern zu Ihren Anforderungen im Bereich Transport und Verkehr.

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