กรอบระเบียบข้อบังคับระดับโลกสำหรับการรับรองถังไฮโดรเจน 70 MPa

FMVSS ฉบับที่ 308 (สหรัฐอเมริกา), UN GTR ฉบับที่ 13 (UN-ECE), และ ISO 15869: ข้อกำหนดหลักที่เป็นสากลสำหรับการอนุมัติถังไฮโดรเจน

ความปลอดภัยของถังไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับมาตรฐานสากลที่ควบคุมทุกอย่างตั้งแต่การผลิตไปจนถึงสมรรถนะ โดยมีข้อบังคับหลักสามประการที่สำคัญ ได้แก่ FMVSS 308 จากรัฐบาลสหรัฐอเมริกา, UN GTR 13 ที่พัฒนาโดยองค์การสหประชาชาติ และ ISO 15869 ซึ่งครอบคลุมการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวาง ข้อกำหนดเหล่านี้กำหนดเงื่อนไขที่เข้มงวดสำหรับถังที่จัดเก็บไฮโดรเจนภายใต้ความดัน 70 เมกะพาสกาล รวมถึงการทดสอบการระเบิด (burst tests) ที่ต้องทนต่อความดันเกิน 175 เมกะพาสกาลก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว ตลอดจนการทดสอบความเหนื่อยล้าอย่างละเอียด ซึ่งจำลองสภาวะประมาณ 5,500 รอบของการเติมเชื้อเพลิงตามปกติ อัตราการซึมผ่าน (permeation rates) จะต้องไม่เกิน 0.15 ลิตรต่อชั่วโมงต่อลิตร เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 85 องศาเซลเซียส ส่วนเรื่องการรั่วไหล ต้องไม่มีการปล่อยก๊าซออกมาแม้แต่น้อยหลังจากที่คงความดันไว้ในถังเป็นเวลาต่อเนื่อง 200 ชั่วโมง วัสดุที่ใช้ต้องผ่านข้อกำหนดที่เข้มงวดด้วย เช่น เส้นใยคาร์บอนต้องมีความต้านทานแรงดึงอย่างน้อย 3,500 เมกะพาสกาล และเรซินแมทริกซ์จะต้องทนต่ออุณหภูมิสูงเกิน 120 องศาเซลเซียส ผู้ผลิตทุกรายต้องส่งผลิตภัณฑ์ไปทดสอบที่ห้องปฏิบัติการอิสระที่ได้รับการรับรองอย่างเหมาะสม เพื่อให้มั่นใจว่าถังสามารถทนต่อการใช้งานปกติ รวมถึงสถานการณ์สุดโต่ง เช่น การชนที่อาจเกิดแรงเฉือนได้ถึง 30G ในแนวข้าง มาตรฐานดังกล่าวช่วยให้ประเทศต่าง ๆ สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างไร้รอยต่อ และทำให้ความเสี่ยงของการล้มเหลวแบบร้ายแรงต่ำมาก คือประมาณหนึ่งในล้านต่อชั่วโมงของการดำเนินงาน

ความแตกต่างที่สำคัญ: ค่าเกณฑ์ความต้านทานไฟใน UN R134 เทียบกับ FMVSS 308 และผลกระทบต่อการออกแบบถังบรรจุไฮโดรเจน

มาตรฐานการทนไฟที่แตกต่างกันทำให้วิศวกรต้องตัดสินใจอย่างยากลำบากเมื่อออกแบบระบบ ข้อกำหนดระเบียบ 134 ของสหภาพยุโรปกำหนดให้ชิ้นส่วนต้องสามารถอยู่รอดได้นาน 20 นาทีในกองเพลิงไฮโดรคาร์บอนที่มีอุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 1,100 องศาเซลเซียส) โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพในการป้องกันความร้อน ในขณะที่มาตรฐานสหรัฐฯ FMVSS 308 ใช้เกณฑ์ที่ต่ำกว่าเพียง 12.5 นาที และอุณหภูมิ 800 องศา การต่างกันอย่างมากในข้อกำหนดด้านอุณหภูมินี้ ผลักดันให้นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุพัฒนาทางเลือกใหม่ๆ บริษัทที่ขายสินค้าทั่วโลกมักผสมไมโครสเฟียร์เซรามิกเข้าไปในเรซิน และติดตั้งชั้นกันความร้อนแบบแอโรเจลหนาประมาณ 15 มิลลิเมตร การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้ระบบโดยรวมมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นประมาณ 3.8 กิโลกรัม แต่ช่วยลดความเสี่ยงของการเสื่อมสภาพของเส้นใยคาร์บอนลงเกือบครึ่งหนึ่ง การปฏิบัติตามกฎระเบียบที่เข้มงวดของสหภาพยุโรปยังหมายถึงการเปลี่ยนจากอะลูมิเนียมธรรมดาไปใช้แผงควบคุมไทเทเนียมที่มีราคาแพงกว่า ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิตประมาณ 18% แต่สามารถป้องกันความล้มเหลวอย่างร้ายแรงในช่วงที่ความดันพุ่งสูงขึ้นได้ การพิจารณาความแตกต่างด้านกฎระเบียบนี้ชี้ให้เห็นว่าทำไมถังเก็บไฮโดรเจนจึงถูกออกแบบแตกต่างกันไปในแต่ละภูมิภาค — สิ่งที่ใช้งานได้ดีในตลาดแห่งหนึ่ง อาจไม่สามารถตอบสนองความคาดหวังด้านความปลอดภัยในอีกตลาดหนึ่ง

ความสมบูรณ์ทางโครงสร้างและความน่าเชื่อถือของวัสดุในถังไฮโดรเจน 70 MPa

การเสื่อมสภาพของคอมโพสิตคาร์บอน/อีพ็อกซี่ภายใต้ความดันแบบไซคลิกและความเครียดจากความร้อน

คอมโพสิต CFRP ทำให้ถังเก็บไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบา แต่ก็มีปัญหาเมื่อใช้งานจริง เมื่อถังเหล่านี้ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงความดันซ้ำๆ จากประมาณ 5 ถึง 70 เมกะพาสกาล รอยแตกเล็กๆ จะเริ่มก่อตัวในส่วนเรซินอีพ็อกซี่ และยังมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รุนแรงด้วย อุณหภูมิเย็นจัดที่ลบ 40 องศาเซลเซียส ไปจนถึงร้อนที่ 85 องศาเซลเซียส ซึ่งทำให้ชั้นวัสดุแยกตัวออกจากกันตามแนวเชื่อมต่อ เมื่อรวมปัญหาทั้งสองประการเข้าด้วยกัน จะพบว่าความแข็งแรงต่อการระเบิดลดลงประมาณ 15% ถึง 25% หลังจากผ่านรอบการใช้งานประมาณ 15,000 รอบ การทดสอบภายใต้สภาวะที่เร่งเร็วกว่าปกติเปิดเผยข้อมูลที่น่าสนใจ คือ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal cycling) ก่อให้เกิดรอยแตกประมาณสองเท่าของเพียงแค่การเปลี่ยนแปลงความดันอย่างเดียว ข้อมูลนี้บ่งชี้ว่าความแตกต่างของอุณหภูมิมีบทบาทสำคัญมากขึ้นต่อความน่าเชื่อถือของถังเหล่านี้ในระยะยาว ผู้ผลิตที่พยายามแก้ปัญหาการเสื่อมสภาพนี้มักจะใช้อีพ็อกซี่ชนิดพิเศษที่ทนต่อแรงดึงสูง ซึ่งมีความเหนียวและทนทานต่อการแตกหักได้ดีกว่า นอกจากนี้ยังมีการปรับมุมการพันเส้นใย โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณบวกหรือลบ 55 องศา เพื่อกระจายแรงตึงแนวดวงแหวน (hoop stresses) ได้ดียิ่งขึ้น บางบริษัทยังเพิ่มแผ่นรอง (liners) ที่ปรับปรุงแล้วด้วยอนุภาคนาโนคลาย (nanoclay particles) เพื่อลดการรั่วซึมของไฮโดรเจน

การทดสอบความดันระเบิด ชีวิตจากการความล้า และการรั่วซึมตาม SAE J2579 และ ISO 15869 ภาคผนวก D

เมื่อพูดถึงการรับรองความปลอดภัยสำหรับระบบนี้ มีสามสิ่งหลักที่พวกเขาตรวจสอบ คือ ความดันที่ถังสามารถรองรับก่อนเกิดการระเบิด ความทนทานภายใต้ความเครียดซ้ำเป็นเวลานาน และการรั่วซึมหรือไม่ สำหรับการทดสอบการระเบิด ข้อกำหนดค่อนข้างชัดเจน ถังต้องสามารถทนต้านทานความดันอย่างน้อย 157.5 MPa หรือประมาณ 2.25 เท่าของความดันการทำงานปกติ โดยไม่มีปัญหาทางโครงสร้าง การทดสอบความล้าเกี่ยวข้องกับการให้ถังผ่านรอบความดันหลายพันครั้ง ตัวเลขที่แน่นอนแตกต่างขึ้นตามมาตรฐานที่ใช้ ประมาณ 11,000 รอบตาม SAE J2579 หรือ 15,000 รอบหากปฏิบัติตาม ISO 15869 ภาคผนวก D การทดสอบเหล่านี้จำลองสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากใช้เชื้อเพลิงเป็นประจำประมาณ 15 ปีภายใต้สภาวะจริง การตรวจสอบการรั่วซึมมักใช้วิธีที่เรียกว่าสเปกโตรมิเตอร์มวลของฮีเลียม ที่ความดัน 87.5 MPa อัตราการรั่วซึมสูงสุดที่ยอมรับคือ 0.15 NmL/ชม/ลิตร ตามมาตรฐาน SAE หรือ 0.25 NmL/ชม/ลิตร ตามแนวทาง ISO นอกจากนี้ มาตรฐานต่างๆ ก็มีความต่างเล็กเล็กเกี่ยวกับขอบความปลอดภัยก็มี SAE J2579 ต้องการปัจจัยความปลอดภัย 2.25 เท่าเหนือระดับความดันปกติ ในขณะที่ ISO 15869 ภาคผนวก D ต้องการ 2.35 เท่าเหนือความดันออกแบบ นอกเหนือจากการทดสอบทั้งหมดเหล่านี้ ผู้ผลิตยังดำเนินการจำลองเพิงเพลิงและยิงด้วยกระสุนเพื่อพิสูจน์ว่าถังเหล่านี้ทนทานอย่างแท้จริง และอย่าลืมอุปกรณ์ปล่อยความดันที่ทำงานจากความร้อน (TPRDs) ที่จะทำงานโดยอัตโนมัติเมื่่อัตราความดันไฮโดรเจนถึง 110% ของค่าที่ถังได้รับรอง

ความท้าทายในการจัดการความร้อนระหว่างการเติมเชื้อเชิมที่ความดัน 70 MPa

การเพิ่มอุณหภูมิที่เกิดจากผลจูล-ธอมสัน: ฟิสิกส์ การวัด และนัยสำคัญต่อความปลอดภัยของถังไฮโดรเจน

เมื่อไฮโดรเจนถูกอัดแรงอย่างรวดเร็วในระหว่างการเติมเชื้อเพลิงที่ความดัน 70 เมกพาสกาล จะทำให้เกิดจุดที่อุณหภูมิพุ่งสูงกว่า 85 องศาเซลเซียส เนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าผลจูล-ธอมสัน (Joule-Thomson effect) โดยพื้นฐานแล้ว เมื่อก๊าซถูกบีบอัดอย่างรวดเร็ว มันจะเกิดความร้อนขึ้นเร็วกว่าระบบระบายความร้อนจะสามารถลดอุณหภูมิลงได้ บริเวณที่ร้อนจัดเหล่านี้กลายเป็นปัญหาที่แท้จริงสำหรับถังประเภท IV มาตรฐานที่กำหนดโดยองค์กรต่างๆ เช่น SAE J2601 กำหนดให้มีการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องตลอดกระบวนการผ่านกล้องอินฟราเรดและเซ็นเซอร์ในตัว หากอุณหภูมิสูงเกินไป จำเป็นต้องหยุดการเติมเชื้อเพลิงจนกระทั่งอุณหภูมิลดลงต่ำกว่าเกณฑ์อันตรายที่ 85 องศาเซลเซียส การปล่อยให้อุณหภูมิสูงเกินควบคุมยังทำให้ไฮโดรเจนรั่วไหลออกมากขึ้นประมาณ 15% ต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศาเซลเซียส ยิ่งไปกว่านั้น ยังเสี่ยงทำให้ชั้นวัสดุคอมโพสิตแยกตัวออกจากกัน อีกด้วย ด้วยเหตุนี้ ระบบสมัยใหม่จึงมีการติดตั้งระบบควบคุมอัจฉริยะที่ปรับปริมาณเชื้อเพลิงที่เติมตามการคาดการณ์ รวมถึงอุปกรณ์ปล่อยแรงดันที่ทำงานก่อนที่สถานการณ์จะถึงระดับที่ไม่ปลอดภัย แม้ว่ามาตรการความปลอดภัยเหล่านี้จะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงเล็กน้อยประมาณ 2% สูงสุดในระหว่างการเติมเร็ว แต่ก็เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการรักษาความปลอดภัยของผู้ใช้งานบนท้องถนน

ส่วน FAQ

มาตรฐานความปลอดภัยหลักสําหรับถังไฮโดรเจน 70 MPa คืออะไร?

มาตรฐานความปลอดภัยหลักสําหรับถังไฮโดรเจน 70 MPa ได้แก่ FMVSS 308, UN GTR 13 และ ISO 15869, ซึ่งกําหนดความต้องการสําหรับความดันการระเบิด, การทดสอบความเหนื่อยล้า, และอัตราการเจาะเข้าไป

ความทนทานต่อไฟแตกต่างกันอย่างไรระหว่างกฎหมายของสหรัฐอเมริกาและสหภาพยุโรป?

US FMVSS 308 ต้องการให้องค์ประกอบทน 12.5 นาทีที่ความร้อน 800 องศาเซลเซียส ขณะที่กฎหมายสหภาพยุโรป 134 ต้องการ 20 นาทีที่ความร้อน 1,100 องศาเซลเซียส ซึ่งส่งผลต่อการเลือกวัสดุและการออกแบบ

ปัญหา อะไร ที่ สาร ประกอบ CFRP ต้อง รับมือ?

คอมพอไซต์ CFRP มีปัญหาเกี่ยวกับการเกิดรอยแตกใน epoxy เนื่องจากความดันและความเครียดของอุณหภูมิ

ถังไฮโดรเจนต้องผ่านการทดสอบความดันอะไรบ้าง

ถังไฮโดรเจนต้องผ่านการทดสอบความดันการระเบิดเพื่อทนทานอย่างน้อย 157.5 MPa และการทดสอบอายุการใช้งานที่เหนื่อยล้าที่เกี่ยวข้องกับหมุนเวียนความดันพัน ๆ ครั้งตามมาตรฐานเช่น SAE J2579 และ ISO 15869 รายละเอียด D

อิฟเฟ็คต์จูล-ทอมสัน มีผลต่อการเติมน้ํามันอย่างไร

ปรากฏการ์ Joule-Thomson อาจทำให้อุณหภูมิพุ่งสูงเกิน 85 องศาเซลเซียส ระหว่างการอัดอย่างรวดเร็วที่ความดัน 70 MPa ซึ่งจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและมาตรการระบายความร้อนเพื่อความปลอดภัย