Joints toriques pour turbines à hydrogène

Où les joints toriques sont utilisés dans les turbines à hydrogène

Les applications les plus logiques se trouvent dans les zones périphériques froides à chaudes de l’installation de turbine. Pensez à l’alimentation en combustible, aux fuel skids, aux fuel gas valves, aux filtres, aux régulateurs de pression, aux analyzer panels, aux ports d’instrumentation, aux raccordements de service et aux lignes externes de purge ou de ventilation. Dans ces zones, le joint est souvent statique ou légèrement dynamique. Un joint torique, éventuellement avec une bague anti-extrusion, peut donc convenir techniquement et pratiquement.

Pour les vannes et organes de régulation, une nuance supplémentaire est nécessaire. Un body seal, un stem seal et un seat seal ne subissent pas la même sollicitation. Les body seals sont généralement statiques. Les stem seals peuvent être exposés à un léger mouvement. Les seat seals doivent surtout limiter les fuites sous pression. À pression plus élevée, en cas de mouvement ou de classe de fuite plus stricte, un joint torique classique en élastomère peut être remplacé par un joint à base de PTFE ou un joint spring-energized.

Autour des injecteurs et des manifolds, le choix dépend fortement de la distance par rapport au brûleur. Dans les parties upstream plus froides du manifold, un joint torique peut encore convenir. Plus près de la zone de combustion, la température et la marge de sécurité augmentent rapidement. Là, les joints soudés, le graphite ou les joints métalliques sont souvent plus logiques.

Pourquoi le H2 est différent du gaz naturel

Un joint torique qui fonctionne bien avec le gaz naturel n’est pas automatiquement adapté au H2 ou aux mélanges H2/CH4. Les molécules d’hydrogène sont petites et peuvent diffuser relativement facilement à travers les polymères. Par conséquent, il ne faut pas seulement tenir compte des fuites visibles le long de la ligne d’étanchéité, mais aussi de la perméation à travers le matériau.

Une décompression rapide des gaz peut également se produire. À haute pression, l’hydrogène peut se dissoudre dans l’élastomère. Si la pression chute ensuite rapidement, ce gaz se dilate dans le joint torique. Cela peut provoquer des cloques, de petites fissures, du pitting ou une fuite permanente. Ce risque augmente avec le fonctionnement start-stop, le blowdown, la mise à l’évent lors de la maintenance et les cycles de pression.

Le fluide autour du joint compte également. Dans les turbine fuel systems, en plus du H2, on peut trouver du méthane, des traces d’huile ou de graisse, du condensat, de l’air, de l’azote ou des fluides de maintenance. C’est pourquoi « résistant à l’hydrogène » ne suffit jamais comme affirmation isolée. Le compound doit correspondre au fluide complet, à la température, à la pression et à la manière dont le système est utilisé.

Choix des matériaux pour les joints toriques dans les turbines à hydrogène

Le FKM est souvent un candidat solide pour les zones fuel gas, surtout lorsque des températures plus élevées, une faible perméation aux gaz ou une influence possible de l’huile et du combustible entrent en jeu. Pourtant, le FKM n’est pas un choix automatique. Avec l’hydrogène, le compound doit également être évalué en matière de perméation, de comportement RGD, de température et de classe de fuite.

Le FFKM offre une marge chimique et thermique plus importante. Cela le rend intéressant pour les joints statiques critiques dans des zones chaudes ou exigeantes. Son prix plus élevé rend le FFKM surtout logique lorsque les coûts de défaillance, de fuite ou de maintenance pèsent plus lourd que les coûts matériau.

Le HNBR peut être intéressant dans les blocs de vannes, les régulateurs de pression et les composants périphériques mécaniquement sollicités. Le matériau offre souvent un bon équilibre entre résistance mécanique, résistance à l’usure et résistance à l’extrusion. Le NBR peut être une option pratique dans des zones plus douces et plus froides, mais il offre moins de marge de température et de résistance au vieillissement que le FKM ou le HNBR.

L’EPDM demande une attention particulière. Le matériau est performant avec l’eau, la vapeur, les glycols et de nombreux fluides polaires, mais il n’est généralement pas un choix logique dans les trajets fuel gas où un contact avec de l’huile, de la graisse ou du combustible est possible. Pour les systèmes de purge, d’eau ou auxiliaires, l’EPDM peut convenir, à condition que le fluide soit correct.

Le PTFE, le PEEK, le graphite et les joints métalliques entrent en jeu lorsque les élastomères atteignent leurs limites. Le PTFE est intéressant en cas de charge chimique, de faible friction ou de dynamique, mais il présente un retour élastique inférieur à celui du caoutchouc. Le PEEK est souvent utilisé comme bague anti-extrusion ou élément anti-extrusion. Le graphite et les joints métalliques conviennent mieux aux brides chaudes, aux classes de fuite plus élevées et aux zones où l’élastomère n’est pas suffisamment sûr.

Critères de conception pour les joints toriques en service H2

Un bon choix de joint torique ne commence pas uniquement par le matériau. La gorge, le taux de compression, la dureté, la rugosité de surface, la taille du jeu et le montage déterminent aussi si le joint continue à bien fonctionner. À pression plus élevée ou en cas de variations de pression, le jeu d’extrusion est particulièrement important. Si le jeu devient trop important, le bord du joint torique peut être endommagé ou poussé dans le jeu.

Les bagues anti-extrusion aident à limiter l’extrusion. Dans les systèmes hydrogène, les bagues anti-extrusion en PTFE ou PEEK sont souvent utiles à pression plus élevée, avec des pulsations de pression ou lorsque le joint est soumis à une charge prolongée. Elles ne remplacent pas le joint torique, mais le soutiennent mécaniquement.

La mise à l’évent du système joue également un rôle. Une baisse de pression trop rapide peut tout de même endommager un compound adapté. Il est donc judicieux d’inclure le blowdown et la mise à l’évent de maintenance dans l’évaluation du joint.

Pour le service H2, les validations spécifiques au compound comme AED et NORSOK M710 sont pertinentes. Consultez les certificats disponibles pour les joints toriques de notre assortiment.

Choix pratique par zone de turbine

 
Chaque zone de turbine présente une plage de température différente, des manifolds upstream froids aux zones de brides chaudes. Consultez notre guide de résistance des matériaux à la température pour un aperçu par élastomère.

Vous avez une question d’étanchéité pour une turbine à hydrogène ? Partagez avec nous l’application, la pression, la température, le fluide et la dimension de gorge. Nous réfléchirons volontiers avec vous à un matériau de joint torique adapté et indiquerons où une validation supplémentaire ou un autre concept d’étanchéité est nécessaire.

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