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Die Anatomie einer Verschraubung für Wasserstoffanwendungen

Die Anatomie einer Verschraubung für Wasserstoffanwendungen

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 wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen und der zugehörigen Infrastruktur liegt in der Natur des Wasserstoffs selbst.

Wasserstoff ist ein kleinmolekulares Gas. Als solches kann es mühelos durch kleinste Spalten 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 notwendige Energiedichte für Fahrzeuge erzielt wird. Hinzu kommt, dass durch rasche Temperatur- und Druckveränderungen unter Umständen die Systemintegrität leidet, da Wasserstoff sich beim Verlassen des 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 für die Technologie 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 sind leistungsfähigere Optionen erhältlich. In diesem Artikel betrachten wir einige Konstruktionsmerkmale von Verschraubungen genauer, die eine optimale Leistung in der Wasserstofftechnik ermöglichen:

Dichtheit.

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

Herkömmliche Rohrverschraubungen sind oft entlang einer einzigen Kontaktlinie auf einer schmalen Fläche abgedichtet. Diese Art Dichtung mag für etliche Flüssigkeiten und einige Gase genügen, allerdings kann es sein, dass der kompromisslose Wasserstoff deren Dichtfähigkeit bereits nach der ersten Inbetriebnahme herabsetzt. Auch Vibrationen fordern Dichtungen mit einer Kontaktlinie heraus.

Besser geeignet für die Wasserstoffspeicherung ist eine Ausführung mit zwei Kontaktlinien entlang längerer Dichtflächen, wobei eine Dichtung am Rohr und eine weitere Dichtung an der Verschraubung verläuft. Diese Kontaktflächen sollten leicht abgewinkelt sein, um ein optimales Spannungsniveau zu schaffen, damit die Dichtung sicher hält. Spezielle Ausführungsformen mit zwei Klemmringen liefern die gewünschte Zuverlässigkeit der Abdichtung.

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 in einem Fahrzeug standhält.

Daher ist eine kombinierte mechanische Haltekonstruktion mit zwei Klemmringen die optimale Lösung für zuverlässige Wasserstoffverschraubungen. Über den gehärteten vorderen Klemmring „verbeißt“ sich die Verschraubung buchstäblich in der Rohrleitung. Das schafft einen außerordentlich hohen Druckeinsatzbereich. 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 Zwei-Klemmring-Design, das ein Zurückfedern ermöglicht, gleicht heftige Temperaturschwankungen aus, in deren Folge sich Materialien mitunter ausdehnen bzw. zusammenziehen. Beim Tankvorgang kann die Temperatur von Wasserstoffgas zwischen -40 °C und Umgebungstemperatur schwanken, was bei herkömmlichen Konus-/Gewindeverschraubungen unweigerlich Leistungseinbußen zur Folge hat.

Einfache Montage.

Ein optimales Verschraubungsdesign ist entscheidend für den zuverlässigen Praxiseinsatz. Zudem profitieren sowohl Hersteller von mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen als auch Wasserstoffinfrastruktur-Entwickler, wenn sich die Installations- und Montageeffizienz erhöht.

Einige am Markt erhältliche Klemmringverschraubungen sind mit vorgefertigten Patronen ausgestattet. 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, wartet die FK-Serie von Swagelok® dank ihres innovativen Designs mit beträchtlichen Vorteilen bei der Installation und Montage auf. Eine zuverlässige Konus-/Gewindeverschraubung erfordert spezielle Ausrüstung sowie ein hohes Maß an Know-how und Können seitens des Monteurs und geht im Vergleich zur FK-Serie von Swagelok in der Regel mit dem fünffachen Zeitaufwand für die Montage und Prüfung einher. Beim Fahrzeugbau kommt es jedoch auf Geschwindigkeit an, und ebenso ist eine einfache Montage wichtig, wenn die Wasserstoffinfrastruktur weiter ausgebaut wird. Die richtige Verbindungstechnik beschleunigt die Prozesse in beiden Bereichen.

Erfüllung der Anforderungen von Wasserstoffanlagen.

Das Angebot an Klemmringverschraubungen und sonstigen Ausführungen für Wasserstoffbrennstoffzellen-Systeme ist groß, allerdings werden nur sehr wenige den spezifischen Ansprüchen von Wasserstoffanwendungen gerecht.

Rohrverschraubungen der FK-Serie von Swagelok sind hier die Ausnahme. Mit ihrem patentierten Design und einem Druckeinsatzbereich von bis zu 1551 bar ist die FK-Serie speziell auf den Einsatz in Wasserstoffanwendungen zugeschnitten. Seit ihrer Einführung konnte sich die FK-Serie in zahlreichen Branchen und Anwendungen behaupten. Vor allem aber für die Fahrzeuge von heute – und morgen – und die zugehörige Infrastruktur ist sie nach wie vor die optimale Lösung.

Ob Wasserstoff im Transport- und Verkehrssektor langfristig eine tragfähige Option ist, hängt in hohem Maße davon ab, ob sich Fahrzeuge und Infrastruktur als sicher, zuverlässig und widerstandsfähig erweisen. Möglich ist es – durch die Auswahl und Spezifikation der richtigen Komponenten für kritische Systeme.

Sie möchten mehr erfahren? Nehmen Sie noch heute Kontakt mit Swagelok auf, und erfahren Sie mehr darüber, wie wir Sie im Bereich Transport und Verkehr unterstützen können.

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