Joints toriques pour stations de ravitaillement en hydrogène

Où se trouvent les joints toriques dans une station de ravitaillement en hydrogène ?

Les joints toriques et les joints associés sont présents à plusieurs endroits dans une station de ravitaillement en hydrogène. Côté distributeur, les joints se trouvent notamment dans les blocs de vannes, les interfaces de flexibles, les boîtiers de filtres, les connecteurs et les points d’instrumentation. À l’interface avec le véhicule, les buses, réceptacles et breakaways sont particulièrement pertinents.

Les high pressure valves, check valves, shut-off valves, raccords ORFS, régulateurs de pression, capteurs et interfaces de stockage ou de compresseur peuvent également contenir des joints toriques ou des joints alternatifs. La sollicitation varie selon le composant. Un joint de filtre statique exige autre chose qu’un joint de vanne dynamique ou qu’une buse fréquemment connectée et déconnectée.

Tous les joints d’une station hydrogène ne sont pas automatiquement des joints toriques classiques en élastomère. Dans les vannes dynamiques, les parties cryogéniques ou les connexions à ultra-faible fuite, les joints en PTFE, PCTFE, à ressort ou métalliques peuvent être plus adaptés.

Pression et température : H35, H70 et prérefroidissement

Les principales classes de pression pour les stations de ravitaillement en hydrogène sont H35 et H70. H35 fait référence à des systèmes autour de 35 MPa ou 350 bar. H70 fait référence à des systèmes autour de 70 MPa ou 700 bar. En pratique, les pressions de service maximales et les classifications des composants sont supérieures à la désignation nominale, car le système doit pouvoir gérer la montée en pression, les variations de température et les marges de sécurité.

Pour les joints toriques, la pression maximale n’est donc pas le seul facteur important. C’est surtout la combinaison de la pression, de la température, des cycles et de la vitesse de dépressurisation qui détermine si un joint reste fiable. Lors d’un remplissage rapide à 700 bar, l’hydrogène est souvent prérefroidi. Des températures autour de -40 °C peuvent ainsi devenir pertinentes pour les joints dans l’interface de ravitaillement.

Les basses températures peuvent rendre les élastomères plus rigides. La haute pression augmente le risque d’extrusion. Une décompression rapide peut provoquer des cloques ou des fissures internes. Une compression prolongée peut entraîner une déformation rémanente à la compression, ce qui réduit la force d’étanchéité.

Principaux risques pour les joints hydrogène

Perméation et microfuites

L’hydrogène peut diffuser relativement facilement dans les polymères. Le gaz peut ainsi migrer à travers un élastomère, même si le joint torique est mécaniquement bien positionné dans la gorge. C’est ce qu’on appelle la perméation. Dans les stations de ravitaillement en hydrogène, cela est particulièrement pertinent en cas de haute pression, de petites sections d’étanchéité, de longues périodes d’arrêt et d’applications avec des exigences de fuite très faibles.

Les microfuites peuvent également apparaître via l’interface entre le joint torique, la gorge et la surface d’appui. Dans ce cas, la cause ne réside pas seulement dans le matériau, mais aussi dans le taux de compression, la qualité de surface, les tolérances, le montage ou la contamination.

Décompression rapide des gaz

La décompression rapide des gaz, souvent abrégée en RGD, est un mécanisme de défaillance important dans l’hydrogène haute pression. Sous pression, l’hydrogène peut se dissoudre dans l’élastomère. Si la pression chute rapidement, le gaz absorbé cherche à se dilater et à s’échapper. Si cela se produit plus vite que le matériau ne peut dégazer, des cloques, des fissures ou une perte d’étanchéité peuvent apparaître.

C’est pourquoi les compounds résistants à l’AED ou à la RGD sont pertinents dans les positions haute pression. Les conditions d’essai restent déterminantes. Un compound doit être validé pour la pression, la température, la vitesse de décompression et l’application appropriées.

Extrusion et déformation rémanente à la compression

À haute pression, un joint torique peut être poussé dans l’interstice entre deux pièces métalliques. C’est ce qu’on appelle l’extrusion. Le risque augmente en cas de jeu d’extrusion trop important, de dureté trop faible ou de support insuffisant. Les bagues anti-extrusion en PTFE peuvent soutenir mécaniquement le joint torique et aider à limiter l’extrusion.

La déformation rémanente à la compression apparaît lorsqu’un joint torique ne retrouve pas suffisamment sa forme après une compression prolongée. Dans une station de ravitaillement en hydrogène, cela peut entraîner des fuites après des variations de pression, des cycles thermiques ou une opération de maintenance.

Choix des matériaux pour les joints toriques dans les stations de ravitaillement en hydrogène

Il n’existe pas de meilleur matériau universel pour les joints toriques destinés à l’hydrogène. L’EPDM, le HNBR, le FKM, le FFKM, le PTFE et les joints métalliques peuvent tous être pertinents, mais uniquement dans la bonne application. Le compound et la validation comptent au moins autant que la famille de polymères.

Un compound EPDM validé pour l’hydrogène peut être un candidat logique dans de nombreuses positions HRS statiques, surtout lorsque la basse température, la déformation rémanente à la compression et la résistance à la RGD ont été démontrées. Le HNBR peut être intéressant lorsque la robustesse mécanique est importante. Le FKM est surtout pertinent à température plus élevée ou avec des co-fluides comme l’huile, mais il doit être correctement validé en H70 et lors d’une décompression rapide.

Le PTFE, le PCTFE et les joints métalliques entrent en ligne de compte lorsque les joints toriques classiques en élastomère n’offrent pas une sécurité suffisante. Pensez aux vannes dynamiques, aux composants cryogéniques côté alimentation, aux exigences de très faible fuite ou aux connexions statiques fire-safe.

Normes et directives

Pour les stations de ravitaillement en hydrogène, plusieurs normes s’appliquent simultanément. Un matériau peut sembler adapté, mais cela ne signifie pas que le composant complet est homologué.

Les cadres importants incluent notamment ISO 19880-1 pour les stations de ravitaillement en hydrogène, ISO 19880-3 pour les vannes haute pression, ISO 19880-5 pour les flexibles de distributeur, ISO 17268 pour les buses et réceptacles, SAE J2601 pour les protocoles de ravitaillement et le prérefroidissement, ISO 14687 et EN 17124 pour la qualité de l’hydrogène, ISO 3601 pour les dimensions des joints toriques et les dimensions de logement, ainsi que PGS 35 pour les stations de ravitaillement en hydrogène néerlandaises jusqu’à 700 bar. En outre, PED, ATEX, ISO 11114-2, ISO 11114-4, DVGW ZP 5101, ISO 23936-2 ou NORSOK M-710 peuvent être pertinents.

Les normes aident à définir les exigences. La validation finale doit se faire au niveau du composant, notamment avec des essais de fuite, des essais de température, des cycles de pression, des essais RGD, des essais de vieillissement et un contrôle de la traçabilité.

Conception de gorge, dureté et bagues anti-extrusion

Dans les joints pour hydrogène, la géométrie est aussi importante que le matériau. Un bon compound peut tout de même défaillir si la gorge est trop remplie, si le taux de compression est incorrect, si le joint torique est trop étiré ou si le jeu d’extrusion est trop important.

ISO 3601 constitue un point de départ logique pour les dimensions des joints toriques et la conception des gorges. Dans les applications hydrogène, il faut y ajouter un contrôle spécifique au compound. Le fournisseur doit pouvoir indiquer quel taux de compression, quel remplissage de gorge, quelle qualité de surface et quelle dureté conviennent à la pression, à la température et au mouvement dans l’application.

Dans les systèmes H35 et H70, des compounds plus durs et des bagues anti-extrusion sont souvent nécessaires. Une bague anti-extrusion en PTFE soutient le joint torique côté basse pression et aide à limiter l’extrusion. Le montage reste important : arêtes vives, contamination, torsion ou aide au montage incorrecte peuvent rapidement entraîner des fuites dans les applications hydrogène.

Conseil de sélection par composant

La sélection commence par la position du composant. Viennent ensuite la classe de pression, le profil de température, l’utilisation statique ou dynamique, les co-fluides, la conception de la gorge, l’exigence de fuite et la durée de vie souhaitée. Ce n’est qu’après cela qu’un nom de matériau devient pertinent.

Essais, validation et maintenance

Dans les stations de ravitaillement en hydrogène, la validation est souvent plus importante qu’une livraison rapide. En particulier pour H70, les buses, les réceptacles, les vannes haute pression et les interfaces de distributeur, le joint doit fonctionner de manière démontrable dans les bonnes conditions.

Un ensemble d’essais peut comprendre des essais de fuite, des essais de perméation, des essais RGD, des cycles de température, du cyclage de pression, des essais hydrostatiques ou d’éclatement, du cyclage de durabilité, du vieillissement accéléré, la mesure de la déformation rémanente à la compression, le contrôle de propreté et la traçabilité des lots.

La maintenance exige la même discipline. Le remplacement d’un joint torique dans une station hydrogène n’est pas une opération standard ordinaire lorsque le joint fait partie d’un équipement sous pression ou d’un composant critique pour la sécurité. La propreté, la traçabilité, l’outil de montage approprié et l’inspection des dommages sont nécessaires.

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