O-ring per stazioni di rifornimento di idrogeno

Dove si trovano gli O-ring in una stazione di rifornimento idrogeno?

Gli O-ring e le tenute correlate si trovano in diversi punti di una stazione di rifornimento idrogeno. Sul lato dispenser, le tenute sono presenti tra l’altro in blocchi valvola, interfacce dei tubi flessibili, alloggiamenti dei filtri, connettori e punti di strumentazione. All’interfaccia con il veicolo sono particolarmente rilevanti nozzles, receptacles e breakaways.

Anche high pressure valves, check valves, shut-off valves, raccordi ORFS, regolatori di pressione, sensori e interfacce di stoccaggio o compressore possono contenere O-ring o tenute alternative. Il carico varia da componente a componente. Una tenuta statica di un filtro richiede caratteristiche diverse rispetto a una tenuta dinamica di una valvola o a un nozzle che viene collegato e scollegato frequentemente.

Non ogni tenuta in una stazione a idrogeno è automaticamente un classico O-ring elastomerico. Nelle valvole dinamiche, nelle sezioni criogeniche o nelle connessioni ultra-low-leak, tenute in PTFE, PCTFE, energizzate a molla o metalliche possono essere più adatte.

Pressione e temperatura: H35, H70 e preraffreddamento

Le principali classi di pressione per le stazioni di rifornimento idrogeno sono H35 e H70. H35 si riferisce a sistemi intorno a 35 MPa o 350 bar. H70 si riferisce a sistemi intorno a 70 MPa o 700 bar. In pratica, le pressioni massime di esercizio e i rating dei componenti sono superiori alla designazione nominale, perché il sistema deve poter gestire aumento di pressione, variazioni di temperatura e margini di sicurezza.

Per gli O-ring, quindi, non conta solo la pressione massima. Soprattutto la combinazione di pressione, temperatura, cicli e velocità di depressurizzazione determina se una tenuta rimane affidabile. Durante il rifornimento rapido a 700 bar, l’idrogeno viene spesso preraffreddato. Di conseguenza, temperature intorno a -40 °C possono diventare rilevanti per le tenute nell’interfaccia di rifornimento.

Le basse temperature possono rendere gli elastomeri più rigidi. L’alta pressione aumenta il rischio di estrusione. La decompressione rapida può causare bolle o cricche interne. La compressione prolungata può generare compression set, riducendo la forza di tenuta.

Principali rischi per le tenute per idrogeno

Permeazione e microperdite

L’idrogeno può diffondere relativamente facilmente nei polimeri. Di conseguenza, il gas può migrare attraverso un elastomero, anche se l’O-ring è meccanicamente ben posizionato nella sede. Questo fenomeno si chiama permeazione. Nelle stazioni di rifornimento idrogeno è particolarmente rilevante in presenza di alta pressione, piccole sezioni di tenuta, lunghi tempi di permanenza e applicazioni con requisiti di perdita molto bassi.

Le microperdite possono anche formarsi attraverso l’interfaccia tra O-ring, sede e superficie di contatto. In quel caso la causa non è solo il materiale, ma anche squeeze, qualità superficiale, tolleranza, montaggio o contaminazione.

Rapid gas decompression

La rapid gas decompression, spesso abbreviata in RGD, è un importante meccanismo di guasto nell’idrogeno ad alta pressione. Sotto pressione, l’idrogeno può dissolversi nell’elastomero. Se la pressione scende rapidamente, il gas assorbito tende a espandersi e a fuoriuscire. Se ciò avviene più velocemente di quanto il materiale possa degassare, possono formarsi bolle, cricche o perdita di tenuta.

Per questo i compound resistenti ad AED o RGD sono rilevanti nelle posizioni ad alta pressione. Le condizioni di prova restano determinanti. Un compound deve essere validato alla pressione, temperatura, velocità di depressurizzazione e applicazione corrette.

Estrusione e compression set

Ad alta pressione, un O-ring può essere spinto nella fessura tra due parti metalliche. Questo fenomeno si chiama estrusione. Il rischio aumenta con un extrusion gap troppo grande, durezza troppo bassa o supporto insufficiente. Gli anelli anti-estrusione in PTFE possono supportare meccanicamente l’O-ring e aiutare a limitare l’estrusione.

Il compression set si verifica quando un O-ring non recupera sufficientemente la propria forma dopo una compressione prolungata. In una stazione di rifornimento idrogeno, questo può portare a perdite dopo variazioni di pressione, cicli termici o manutenzione.

Scelta del materiale per O-ring nelle stazioni di rifornimento idrogeno

Non esiste un materiale universalmente migliore per O-ring per idrogeno. EPDM, HNBR, FKM, FFKM, PTFE e tenute metalliche possono essere tutti rilevanti, ma solo nell’applicazione corretta. La mescola e la validazione contano almeno quanto la famiglia del polimero.

Una mescola EPDM validata per idrogeno può essere un candidato logico in molte posizioni HRS statiche, soprattutto quando sono state dimostrate bassa temperatura, compression set e resistenza alla RGD. HNBR può essere interessante quando la robustezza meccanica è importante. FKM è rilevante soprattutto a temperature più elevate o con co-fluidi come l’olio, ma deve essere validato accuratamente in H70 e in caso di decompressione rapida.

PTFE, PCTFE e tenute metalliche entrano in gioco quando gli O-ring elastomerici classici non offrono sufficiente sicurezza. Si pensi a valvole dinamiche, componenti criogenici lato supply, requisiti di perdita molto bassi o connessioni statiche fire-safe.

Norme e linee guida

Per le stazioni di rifornimento idrogeno si applicano contemporaneamente diverse norme. Un materiale può sembrare adatto, ma questo non significa che il componente completo sia stato approvato.

Tra i quadri importanti rientrano ISO 19880-1 per le stazioni di rifornimento idrogeno, ISO 19880-3 per high pressure valves, ISO 19880-5 per dispenser hoses, ISO 17268 per nozzles e receptacles, SAE J2601 per protocolli di rifornimento e preraffreddamento, ISO 14687 e EN 17124 per la qualità dell’idrogeno, ISO 3601 per dimensioni degli O-ring e housing dimensions, e PGS 35 per le stazioni di rifornimento idrogeno olandesi fino a 700 bar. Inoltre, PED, ATEX, ISO 11114-2, ISO 11114-4, DVGW ZP 5101, ISO 23936-2 o NORSOK M-710 possono essere rilevanti.

Le norme aiutano a definire i requisiti. L’approvazione finale deve avvenire a livello di componente, includendo tra l’altro test di perdita, test di temperatura, cicli di pressione, test RGD, test di invecchiamento e controllo della traceability.

Progettazione della sede, durezza e anelli anti-estrusione

Nelle tenute per idrogeno, la geometria è importante quanto il materiale. Una buona mescola può comunque cedere se la sede è troppo piena, lo squeeze è errato, l’O-ring viene stirato eccessivamente o l’extrusion gap è troppo grande.

ISO 3601 è un punto di partenza logico per le dimensioni degli O-ring e la progettazione della sede. Nelle applicazioni con idrogeno deve essere affiancata da un controllo specifico della mescola. Il fornitore deve poter indicare quali squeeze, groove fill, qualità superficiale e durezza siano adatti alla pressione, alla temperatura e al movimento nell’applicazione.

Nei sistemi H35 e H70 sono spesso necessari mescole più dure e anelli anti-estrusione. Un anello anti-estrusione in PTFE supporta l’O-ring sul lato di bassa pressione e aiuta a limitare l’estrusione. Il montaggio resta importante: spigoli vivi, contaminazione, torsione o strumenti di montaggio errati possono causare rapidamente perdite nelle applicazioni con idrogeno.

Consiglio di selezione per componente

La selezione inizia dalla posizione del componente. Seguono classe di pressione, profilo termico, uso statico o dinamico, co-fluidi, progettazione della sede, requisito di perdita e durata desiderata. Solo dopo ha senso indicare un nome di materiale.

Test, validazione e manutenzione

Nelle stazioni di rifornimento idrogeno, la validazione è spesso più importante della consegna rapida. Soprattutto con H70, nozzles, receptacles, high pressure valves e interfacce del dispenser, la tenuta deve funzionare in modo dimostrabile nelle condizioni corrette.

Un pacchetto di test può comprendere test di perdita, test di permeazione, test RGD, cicli di temperatura, pressure cycling, hydrostatic o burst testing, durability cycling, accelerated aging, misurazione del compression set, controllo della pulizia e batch traceability.

La manutenzione richiede la stessa disciplina. La sostituzione di un O-ring in una stazione a idrogeno non è una normale operazione standard quando la tenuta fa parte di un’apparecchiatura a pressione o di un componente critico per la sicurezza. Pulizia, traceability, corretto ausilio di montaggio e ispezione dei danni sono necessari.

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