الإطار التنظيمي العالمي لاعتماد خزانات الهيدروجين 70 ميجاباسكال

FMVSS رقم 308 (الولايات المتحدة)، UN GTR رقم 13 (UN-ECE)، و ISO 15869: المتطلبات الأساسية المنسقة لاعتماد خزانات الهيدروجين

تعتمل سلامة خزان الهيدروجين بشكل كبير على المعايير الدولية التي تنظم كل شيء بدءًا من الت manufacturing وصولاً إلى الأداء. وتبرز ثلاث لوائح رئيسية: FMVSS 308 من الحكومة الأمريكية، وUN GTR 13 المطورة من قبل الأمم المتحدة، وISO 15869 التي تغطي تطبيقات صناعية أوسع. وتضع هذه القواعد متطلبات صارمة للخزانات التي تُخزن الهيدروجين عند ضغط 70 ميجاباسكال. فهي تشترط إجراء اختبارات الانفجار حيث يجب أن يتجاوز الضغط 175 ميجاباسكال قبل حدوث الفشل، بالإضافة إلى اختبارات الت-fatigue المكثفة التي تحاكي ما يقارب 5,500 مرة من عمليات التّanke الت العادية. ويجب أن تبقى معدلات التّنفيس أقل من 0.15 نانومتر مكعب في الساعة لكل لتر عندما تصل درجات الحرارة إلى 85 درجات مئوية. أما بالنسبة للتسربات، فلا يُسمح بأي انبعاثات قابلة للكشف بعد الحفاظ على ضغط الخزان لمدة 200 ساعة متواصلة. كما يجب أن تفي المواد المستخدمة في التصنيع بمواصفات صارمة أيضًا؛ فالألياف الكربونية يجب أن تمتلك مقاومة شد تبلغ على الأقل 3,500 ميجاباسكال، ويجب أن تتحمل مصفوفة الراتنج الحرارة فوق 120 درجات مئوية. ويجب على جميع المصنعين إخضاع منتجاتهم لاختبارات تُجرى من قبل مختبرات مستقلة ذات اعتماد رسمي. ويضمن ذلك قدرة الخزانات على تحمل الاستخدام العادي فضلاً عن المواققات القصوى مثل التصادمات التي قد تصل القوى المؤثرة فيها إلى 30G جانبيًا. وتساعد مثل هذه الت стандنطة في تمكين الدول المختلفة من العمل معًا بسلاسة، مع الحفاظ على احتمال حدوث فشل كارثي في غاية الانخفاض — حوالي فرصة واحدة من بين مليون ساعة من التشغيل.

الاختلافات الرئيسية: حدود مقاومة الحريق في المعيار UN R134 مقارنةً بـ FMVSS 308 وتأثيرها على تصميم خزانات الهيدروجين

تُجبر معايير مقاومة الحريق المختلفة المهندسين على اتخاذ خيارات صعبة عند تصميم الأنظمة. ف regulation 134 للاتحاد الأوروبي يشترط أن تتحمل المكونات لمدة 20 دقيقة في حرائق هيدروكربونية شديدة السخونة (حوالي 1,100 درجة مئوية) دون أن تفقد وظيفتها كحماية حرارية، في الوقت الذي يضع فيه المعيار الأمريكي FMVSS 308 عتبة أدنى عند 12.5 دقيقة و800 درجات. وقد دفع هذا الفرق الكبير في متطلبات درجة الحرارة علماء المواد إلى تطوير حلول جديدة. وغالبًا ما تخلط الشركات التي تبيع منتجاتها عالميًا كريات مصغرة خزفية في راتنجاتها وتثبت حواجز عازلة سميكة من الأيروجل بعمق حوالي 15 مليمترات. وتجعل هذه التغييرات النظام بأكمله أثقل بنحو 3.8 كيلوغرامات، لكنها تقلل من مخاطر تفكك ألياف الكربون بما يقارب النصف. ويستلزم الامتثال للقواعد الأوروبية الأقسى استبدال المكونات الألمنيومية العادية بصمامات التيتانيوم باهظة الثمن، ما يضيف نحو 18% إلى تكلفة الإنتاج، لكنه يمنع حدوث أعطال كارثية أثناء ارتفاعات الضغط المفاجئة. ويكشف تحليل هذه الاختلافات التنظامية سبب تصميم خزانات تخزين الهيدروجين بشكل مختلف عبر المناطق — فما قد يكون مناسبًا في سوق معين قد لا يستوفي متطلبات السلامة في مكان آخر.

سلامة الهيكل وموثوقية المواد في خزانات الهيدروجين 70 ميجا باسكال

تدهور مركب الكربون/إيبوكسي تحت ضغط دوري وإجهاد حراري

تُعدّ مركبات CFRP خفيفة الوزن مناسبة لصناعة خزانات تخزين الهيدروجين، لكنها تواجه بعض المشكلات عند استخدامها عمليًا. فعندما تتعرض هذه الخزانات لتغيرات متكررة في الضغط تتراوح بين 5 و70 ميجا باسكال، تبدأ شقوق دقيقة بالظهور في الجزء المصنوع من الراتنج الإبوكسي. كما أن التقلبات الحرارية تشكل مشكلة أيضًا، حيث تتراوح درجات الحرارة بين باردة جدًا عند 40 درجة مئوية تحت الصفر إلى ساخنة عند 85 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انفصال الطبقات عند نقاط الالتقاء بينها. وعند دمج هذين العاملين معًا، نلاحظ انخفاضًا في قوة الانفجار بنسبة تتراوح بين 15٪ و25٪ بعد حوالي 15 ألف دورة. وتُظهر الاختبارات التي تُجرى بوتيرة أسرع من الظروف الطبيعية أمرًا مثيرًا للاهتمام، إذ إن التعرّض للتغيرات الحرارية يسبب تقريبًا ضعف كمية التشققات مقارنةً بالتعرض لتغيرات الضغط فقط. وهذا يدلّنا على أن الفروق في درجات الحرارة تلعب دورًا أكبر في تحديد مدى موثوقية هذه الخزانات مع مرور الوقت. وللتغلب على هذه المشكلة، يلجأ المصنعون عادةً إلى استخدام راتنجات إبوكسي خاصة ذات قدرة عالية على التحمل ومقاومة أكبر للتكسّر. كما يقومون بتعديل زاوية لف الألياف، التي تكون غالبًا حول زاويتي موجب أو سالب 55 درجة، لتوزيع إجهادات الحلقة بشكل أفضل. وبعض الشركات تضيف بطانات معدلة بجزيئات النانو طينية للمساعدة في منع تسرب الهيدروجين.

اختبارات ضغط الانفجار، وعمر التعب، وسلامة التسرب وفقًا لمعايير SAE J2579 و ISO 15869 الملحق D

عندما يتعلق الأمر بالشهادة الأمنية لهذه الأنظمة، فهناك في الأساس ثلاثة أمور رئيسية يتم التتحقق منها: كمية الضغط التي يمكن للخزان تحملها قبل الانفجار، ومدة بقائه تحت إجهاد متكرر، وما إذا كان يتسرب أم لا. بالنسبة لاختبار الانفجار، فإن المطلب واضح تمامًا - يجب أن يصمد الخزان أمام ضغط لا يقل عن 157.5 ميجاباسكال، أي ما يعادل نحو 2.25 مرة من ضغط التشغيل العادي، دون أي مشكلات هيكلية. أما اختبار الت-fatigue فيتضمن تعريض الخزانات لآلاف دورات الضغط. وتختلف الأرقام الدقيقة حسب المعيار المطبق: حوالي 11,000 دورة وفق SAE J2579، أو 15,000 دورة إذا تم الالتزام بمعيار ISO 15869 المرفق D. وتُحاكي هذه الاختبارات ما يحدث بعد نحو 15 عامًا من التزوّد بالوقود بشكل منتظم في ظروف واقعية. أما التتحقق من التسرب فيتم عادةً باستخدام ما يُعرف بتحليل الطيف الكتلي للهيليوم. عند ضغط 87.5 ميجاباسكال، فإن أقصى معدل مسموح للتسرب هو إما 0.15 نانومتر مكعب/ساعة/لتر وفق معايير SAE، أو 0.25 نانومتر مكعب/ساعة/لتر وفق إرشادات ISO. وهناك في الواقع فرق بسيط بين المعايير فيما يتعلق بهوامش الأمان أيضًا. فمعيار SAE J2579 يتطلب عامل أمان مقدار 2.25 مرة فوق مستويات الضغط العادية، في المقابل معيار ISO 15869 المرفق D يطلب 2.35 مرة فوق ضغط التصميم. وباستثناء كل هذه الاختبارات، يُجري المصنعون أيضًا محاكاة للحريق المشتعل والرصاص لإثبات مدى متانة هذه الخزانات بالفعل. ولا ننسَ أجهاز الإ relief الضغط الحراري (TPRDs) التي تُفعّل تلقائيًا بمجرد أن يصل ضغط الهيدروجين إلى 110٪ من القيمة المحددة للخزان.

تحديات إدارة الحرارة أثناء التزويد بالهيدروجين عند 70 ميجاباسكال

الارتفاعات في درجة الحرارة الناتجة عن تأثير جول-تومسون: الفيزياء، القياس، والتداعيات على سلامة خزانات الهيدروجين

عند ضغط الهيدروجين بسرعة أثناء عمليات التزود بالوقود عند ضغط 70 ميجا باسكال، ترتفع درجة الحرارة في بعض المناطق إلى ما يزيد عن 85 درجة مئوية، وذلك بسبب ما يُعرف بتأثير جول-طومسون. ببساطة، عندما يُضغط الغاز بهذه السرعة، يسخن أسرع من قدرة النظام على تبريده. تُشكل هذه المناطق الساخنة مشكلة حقيقية لخزانات النوع الرابع. تتطلب المعايير التي وضعتها منظمات مثل SAE J2601 مراقبة مستمرة عبر كاميرات الأشعة تحت الحمراء وأجهزة استشعار مدمجة طوال العملية. إذا ارتفعت درجة الحرارة بشكل مفرط، يجب إيقاف عملية التعبئة حتى تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون 85 درجة مئوية. يؤدي ترك درجات الحرارة ترتفع بشكل كبير إلى زيادة تسرب الهيدروجين بنسبة 15% لكل 10 درجات مئوية إضافية. والأسوأ من ذلك، أنه يُعرّض الطبقات المركبة لخطر التفكك. لهذا السبب، تتضمن الأنظمة الحديثة الآن أنظمة تحكم ذكية تُعدّل كمية الوقود المُدخلة بناءً على التوقعات، بالإضافة إلى أجهزة تخفيف الضغط التي تعمل قبل أن تصل درجات الحرارة إلى مستويات غير آمنة. على الرغم من أن إجراءات السلامة هذه تقلل من الكفاءة قليلاً بنسبة 2% كحد أقصى أثناء عمليات التعبئة السريعة، إلا أنها ضرورية للغاية للحفاظ على سلامة الجميع على الطريق.

قسم الأسئلة الشائعة

ما هي المعايير الرئيسية للسلامة الخاصة بخزانات الهيدروجين 70 ميجا باسكال؟

تشمل المعايير الرئيسية للسلامة الخاصة بخزانات الهيدروجين 70 ميجا باسكال معايير FMVSS 308، وUN GTR 13، وISO 15869، التي تحدد متطلبات ضغط الانفجار، واختبارات التعب، ومعدلات النفاذية.

كيف تختلف مقاومة الحريق بين اللوائح الأمريكية والأوروبية؟

تطلب لوائح FMVSS 308 الأمريكية أن تتحمل المكونات درجة حرارة 800 مئوية لمدة 12.5 دقيقة، في حين تتطلب لائحة الاتحاد الأوروبي رقم 134 مدة 20 دقيقة عند 1100 مئوية، مما يؤثر على اختيار المواد والتصميم.

ما هي التحديات التي تواجهها مواد CFRP المركبة؟

تواجه مواد CFRP المركبة مشكلات تتمثل في تشكل شقوق في الإيبوكسي نتيجة إجهاد الضغط والحرارة الدوري، مما يؤدي إلى تدهور أبكر من المتوقع.

ما هي اختبارات الضغط التي تخضع لها خزانات الهيدروجين؟

تخضع خزانات الهيدروجين لاختبارات ضغط الانفجار بحيث تتحمل ما لا يقل عن 157.5 ميجا باسكال، واختبارات عمر التعب التي تشمل آلاف دورات الضغط وفقًا لمعايير مثل SAE J2579 وISO 15869 الملحق D.

كيف يؤثر تأثير جول-تومسون على عملية إعادة التزود بالهيدروجين؟

يمكن أن يؤدي تأثير جول-تومسون إلى حدوث قفزات في درجة الحرارة تزيد عن 85 درجة مئوية أثناء الانضغاط السريع عند 70 ميجا باسكال، مما يستدعي اتخاذ إجراءات رصد وتبريد لضمان السلامة.