Des composants conçus pour la fiabilité des systèmes à hydrogène

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La capacité de l’hydrogène à véritablement devenir une solution énergétique propre dépend de nombreux facteurs, mais plus particulièrement d’un facteur essentiel : le confinement du gaz à tous les stades, de la production à la distribution en passant par le transport. La fiabilité de ce confinement nécessite de surmonter deux grosses difficultés :

• La taille de molécules. Les molécules d’hydrogène sont parmi les plus petites molécules présentes dans la nature, ce qui pose une difficulté particulière aux concepteurs d’infrastructures. En effet, l’hydrogène peut s’échapper par les moindres interstices au niveau des raccords, causant fuites de gaz et problèmes de sécurité. Par ailleurs, les atomes d’hydrogène peuvent diffuser dans les métaux, ce qui entraîne un phénomène connu sous le nom de fragilisation par l’hydrogène et l’apparition de fissures.
• La pression de stockage. Les pressions élevées mises en œuvre (875 bar) nécessitent des composants très performants, là où les solutions traditionnelles ne sont tout simplement plus adaptées. Les variations de pression observées durant le transfert de l’hydrogène peuvent également entraîner des variations extrêmes de la température, d’où la nécessité d’utiliser des matériaux d’une grande robustesse pour confiner ce gaz.

Des raccords pour les systèmes à hydrogène

Des raccords pour tubes conçus spécialement pour les applications qui mettent en œuvre de l’hydrogène sont une voie à suivre. La conception de ces raccords – étanchéité parfaite, accroche puissante, résistance aux vibrations et matériaux robustes – en fait des raccords capables de répondre aux contraintes associées au confinement de l’hydrogène. Avec leur procédure d’installation efficiente et leur grande longévité, ils permettent aux professionnels de développer leurs opérations en toute sécurité, en toute confiance et de manière pérenne. Spécialement conçus pour les applications d’énergie propre, les raccords série FK Swagelok atteignent un niveau de fiabilité et de sécurité exceptionnel tout en ne demandant que très peu d’entretien. Différents des raccords pour tubes Swagelok^® standard, les raccords série FK répondent aux besoins du secteur de l’hydrogène.

Le paysage actuel des transports propres et de la mobilité hydrogène

Si les véhicules électriques prennent beaucoup de place dans le débat sur les transports propres, ils ont toutefois des limites importantes auxquelles l’hydrogène peut remédier. Le fait de stocker de l’hydrogène à bord des véhicules permet à ceux-ci de gagner en autonomie, qu’il s’agisse de véhicules à usage privé ou commercial. Par ailleurs, faire le plein d’hydrogène ressemble à ce que l’on connaît déjà avec l’essence ou le gazole, et ne prend que quelques minutes. De plus, le développement continu de l’infrastructure va probablement induire des économies d’échelle qui rendront l’hydrogène compétitif.

Cela signifie que l’hydrogène devrait connaître un essor important. Par conséquent, les professionnels de ce secteur ont besoin de technologies adaptées pour saisir l’opportunité à venir.

Des facteurs propres au stockage et au confinement de l’hydrogène

La nature même de l’hydrogène – avec la petite taille des molécules qui constituent ce gaz – représente LA difficulté à surmonter pour mettre au point des véhicules à hydrogène sûrs, fiables et étanches. Du fait de sa structure, l’hydrogène peut facilement s’échapper par la moindre fissure et diffuser dans les matériaux destinés à le contenir. Dans ce contexte, les systèmes fluides qui acheminent de l’hydrogène doivent respecter deux conditions importantes :

• L’étanchéité. Les systèmes traditionnels utilisés pour le pétrole et le gaz ne sont pas en mesure de faire face aux contraintes d’étanchéité associées au confinement de l’hydrogène. Contrairement à des molécules de grande taille, les molécules d’hydrogène peuvent facilement s’échapper par des interstices microscopiques. Les joints, matériaux et raccordements standard habituellement utilisés dans les applications pétrolières et gazières ne suffisent pas à garantir l’intégrité des systèmes à hydrogène.

  Cet aspect est particulièrement important au niveau des points de distribution, là où des consommateurs ordinaires sont en contact avec des systèmes qui acheminent de l’hydrogène. Pour dissiper les inquiétudes quant à la sécurité, les systèmes qui vont acheminer cet hydrogène devront impérativement être conçus en tenant compte de certains problèmes liés à l’utilisation de ce gaz.

• L’intégrité des matériaux. Si la lutte contre la corrosion est une considération importante dans toutes les applications utilisant des raccords pour tubes, le problème que pose le confinement de l’hydrogène est spécifique et unique. L’acier inoxydable 316 – un alliage très répandu pour fabriquer des raccords, des vannes et des tubes utilisés notamment dans les véhicules à hydrogène – est sujet au phénomène de fragilisation par l’hydrogène.

  Au fil du temps, l’hydrogène peut altérer des matériaux pourtant robustes comme l’acier inoxydable 316/316L. Lorsque le matériau est exposé continuellement à de l’hydrogène à des pressions élevées, les atomes d’hydrogène peuvent diffuser dans la structure cristalline du métal, ce qui finit par fragiliser celui-ci. Si le matériau conserve généralement sa résistance mécanique, la présence de ces atomes d’hydrogène peut aggraver des microfissures existantes, rendant ainsi les composants plus vulnérables aux défaillances dues à la fatigue. Ce risque est accru dans les alliages de moindre qualité, pour lesquels l’intégrité du matériau peut déjà être compromise. Pour les systèmes destinés aux infrastructures, en particulier ceux qui sont soumis à des contraintes constantes, choisir des matériaux conçus pour résister au phénomène de fragilisation par l’hydrogène est indispensable à la fiabilité de ces systèmes à long terme.

Des composants conçus pour l’hydrogène : un impératif

L’un des composants les plus importants d’un système à hydrogène, que ce soit dans les infrastructures de production, les applications embarquées, les unités de distribution ou toute autre application, est le raccord pour tube. Ces raccords, présents partout dans ces systèmes, sont absolument essentiels.

Le raccord pour tube série FK de Swagelok possède les caractéristiques de performance nécessaires pour répondre aux besoins de chaque application :

• Une étanchéité ultraperformante. Parce que prévenir les fuites est absolument capital avec l’hydrogène, les raccords doivent maintenir le plus haut niveau d’étanchéité aux gaz pour assurer une sécurité, une fiabilité et une efficacité optimales.

  Les raccords série FK comportent deux zones de contact formant des surfaces d’étanchéité plus grandes – l’une sur le tube et l’autre sur le raccord. Ces surfaces de contact sont légèrement inclinées, offrant ainsi des niveaux de contrainte optimisés pour maintenir une parfaite étanchéité. Dans le raccord, cette étanchéité est assurée par deux bagues : la première crée une grande surface de contact, tandis que la seconde enserre efficacement le tube en créant sa propre surface de contact. Sur la bague avant, de grandes surfaces usinées avec précision contribuent également à la très bonne étanchéité aux gaz du raccord.

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• Une tenue parfaite du tube. L’accroche du raccord sur le tube est un autre critère de performance essentiel garantissant que le raccord va pouvoir résister aux pressions élevées requises dans les stations d’hydrogène ainsi qu’aux importantes vibrations pouvant se produire à bord d’un véhicule en mouvement.

  Dans les raccords série FK, un serrage mécanique du tube est assuré par deux bagues assurant une action de sertissage et d’articulation – une solution idéale pour garantir le parfait maintien du tube dans le raccord. Une bague avant cémentée permet au raccord de véritablement « mordre » dans le tube, augmentant ainsi la pression nominale du raccord. Parallèlement, une bague arrière permet un léger déplacement du tube dans le raccord (appelé « retour élastique ») tout en maintenant l’emprise du raccord sur le tube. Un tel raccord offre une forte résistance aux vibrations et sera parfait pour une utilisation à la fois à bord d’un véhicule à hydrogène et dans les infrastructures associées, où les vibrations créées par les compresseurs et le mouvement peuvent être importantes.

  De plus, un raccord double bague à serrage mécanique avec possibilité de retour élastique résistera mieux aux fortes variations de température, qui peuvent amener les matériaux à se dilater ou à se contracter. Lors d’un plein d’hydrogène dans une station, la température du gaz peut passer de -50°C à la température ambiante, ce qui cause des problèmes dans les raccords filetés à extrémité conique classiques.

• Des matériaux ultraperformants. Si la fragilisation par l’hydrogène est le souci principal pour ce qui est de l’intégrité des matériaux utilisés dans les systèmes qui acheminent ce gaz, il existe aussi d’autres facteurs susceptibles d’entraîner une corrosion préjudiciable de ces systèmes. Par exemple, les composants embarqués peuvent subir les effets de conditions météorologiques défavorables, ce qui inclut les effets associés au salage des routes.

  Pour ces raisons, les raccords utilisés dans ces systèmes doivent être fabriqués dans des matériaux ultraperformants. Les raccords série FK Swagelok (et toute une gamme d’autres composants disponibles) sont donc fabriqués dans un acier inoxydable qui contient une teneur plus élevée en chrome et en nickel, afin d’apporter une protection contre la fragilisation par l’hydrogène et d’autres formes de corrosion en favorisant une plus grande ductilité et une résistance accrue à la corrosion. Si la norme de l’American Society for Testing and Materials (ASTM) impose une teneur minimale en nickel de 10 % dans la composition de l’acier inoxydable 316, l’acier utilisé par Swagelok, qui contient au moins 12 % de nickel, sera plus adapté aux problèmes particuliers posés par l’hydrogène.

• Facilité d’installation. Pour favoriser la montée en charge, un raccord optimal doit également pouvoir s’installer facilement et permettre ainsi aux professionnels de construire des systèmes à hydrogène critiques avec plus d’efficacité.

  L’assemblage des raccords filetés à extrémité conique demande beaucoup de temps et de main-d’œuvre. Cela nécessite également des outils et des matériaux particuliers – outils à fileter les tubes, huile de coupe, etc. – pour réaliser l’installation et réduire les frottements pendant l’opération de filetage.

En comparaison, les raccords série FK sont conçus avec des cartouches préassemblées. Ces raccords permettent aux installateurs d’utiliser des outils courants et n’exigent qu’une formation minimale pour pouvoir réaliser des assemblages avec efficacité en éliminant tout risque d’erreur. Par rapport aux raccords filetés à extrémité conique traditionnels, les raccords série FK offrent des avantages importants sur le plan du montage et de l’assemblage, notamment un risque d’erreur moindre, davantage de régularité et une longévité accrue de l’application.

Les avantages du raccord série FK Swagelok

Le raccord FK Swagelok offre les caractéristiques qu’exigent les applications qui mettent en œuvre de l’hydrogène, notamment :

• Une étanchéité fiable des joints
• Une tenue parfaite du tube
• Une excellente résistance aux vibrations
• Une intégrité supérieure des matériaux
• Une procédure d’installation simple et efficace

La conception brevetée du raccord FK – avec ses deux bagues et son action de sertissage-articulation – est compatible avec toutes sortes de tubes et de matériaux, offrant ainsi le niveau de performance requis dans les applications les plus exigeantes qui mettent en œuvre de l’hydrogène. Des installations de production aux infrastructures de transfert en passant par les applications embarquées et les systèmes de distribution, les concepteurs peuvent compter sur le raccord FK pour répondre à leurs besoins.

Le raccord FK satisfait en outre aux normes applicables du secteur de l’hydrogène et il est certifié par le projet EIHP (European Integrated Hydrogen Project). De plus, les raccords FK sont fabriqués dans un acier inoxydable 316/316L ultraperformant qui contient au minimum 12 % de nickel et 17 % de chrome afin de résister à la corrosion et à la fragilisation par l’hydrogène.

Élément d’une gamme complète de solutions conçues pour les systèmes à hydrogène, le raccord FK est proposé avec d’autres composants indispensables, et notamment les suivants :

• Vannes à boisseau sphérique
• Vannes à pointeau
• Clapets anti-retour
• Soupapes
• Vannes double arrêt et purge

Ces solutions sont également accompagnées d’une gamme complète de services d’ingénierie  proposés par Swagelok, parmi lesquels des formations spécialisées, des évaluations sur site et des services de conception et d’assemblage préfabriqués.

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