الحكم الهندسي الشامل للصلب المقاوم للصدأ الأوستنيتي وصمامات الأمان cryogenic في خدمة الهيدروجين السائل والهيليوم السائل: من حساب التركيب إلى مواصفات الشراء

خطان للدفاع، وهدف أمان واحد

يغلي الهيدروجين السائل عند −٢٥٣°م، ويمكن أن ينخفض الهيليوم السائل إلى ما دون −٢٦٩°م. وفي هذا النطاق الكريوجيني القاسي للغاية، تعتمد السلامة الهندسية على خطين دفاعيين متكاملين، وكلاهما مرتبط ارتباطًا وثيقًا بمدى ملاءمة صمامات السلامة الكريوجينية للاستخدام في درجات الحرارة المنخفضة جدًّا.

أول خط دفاع هو استقرار المادة. ويجب أن تُصنع المكونات التي تحتوي على الضغط في معدات الهيدروجين السائل والهيليوم السائل من فولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي عالي الاستقرار، وألا تتحول تلقائيًّا إلى مارتنسيت هشٍّ في الظروف الكريوجينية. وتشمل معايير الهندسة الأساسية معامل استقرار الأوستنيت Δ ودرجة حرارة بدء التحول إلى المارتنسيت Ms، وهما مؤشران جوهريان أيضًا لأهلية مواد صمامات الأمان الكريوجينية.

ثاني خط دفاع هو تخفيف الضغط الزائد. وفي الأوعية المغلقة للهيدروجين السائل والهيليوم السائل، يؤدي دخول الحرارة المستمر إلى التبخر وزيادة الضغط، ما يجعل صمامات الأمان الكريوجينية آخر حاجز ميكانيكي لحماية الأنظمة الكريوجينية من الضغط الزائد. وتحدد المادة الخاصة، والموثوقية عند درجة حرارة −٢٥٣°م‏‏ / −٢٦٩°م‏‏، وأداء الإحكام عند درجات الحرارة المنخفضة، وتصميم مقاومة التجمد، وترتيب التركيب ما إذا بقي هذا الخط الدفاعي فعّالًا في الخدمة الفعلية أم لا.

يُهمَل في الغالب التداخل الحرج بين هاتين الطريقتين للحماية: فجميع الأجزاء التي تتحمّل الضغط في صمام الأمان الكريوجيني، بما في ذلك الجسم والغطاء ومقعد الصمام، يجب أن تستوفي معايير Δ وMs نفسها المطبَّقة على مادة وعاء الهيدروجين السائل/الهيليوم السائل. فإذا اختير صمامٌ ما بوصفه «فولاذًا لا يصدأ» فقط دون التحقق من قيمة Ms، فقد تحدث تحولات مارتنسيتية أثناء التبريد حتى قبل فتح الصمام، مما يؤدي إلى تلف المقعد، وفشل مكونات التوجيه، وفقدان الحماية من الضغط الزائد.

يجمع هذا المقال بين حساب المواد، والتحقق من صحة البيانات، والمتطلبات القياسية، واختيار صمامات الأمان، وتحليل حالات الفشل، ومعايير قبول الشراء في سلسلة واحدة مترابطة من الأحكام الهندسية الخاصة بصمامات الأمان الكريوجينية المستخدمة مع الهيدروجين السائل والهيليوم السائل.

الجزء ١. معايير المواد: المعنى الهندسي لـ Δ وMs لصمامات الأمان الكريوجينية

١.١ لماذا لا يكفي «الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي العادي» لصمامات الأمان الكريوجينية للهيدروجين السائل/الهيليوم السائل

يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي على نطاق واسع في المعدات الكريوجينية لأن بنيته ذات المركز الوجهي تحتفظ بمرونتها عند درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، قد تتعرض الدرجات الشائعة مثل ٣٠٤ و٣١٦ و٣١٦لـ لتحول مارتنسيتي تلقائي في ظروف الهيدروجين السائل عند −٢٥٣°م أو الهيليوم السائل عند −٢٦٩°م، وبخاصة تحت تأثير الإجهاد الميكانيكي المتزامن مع التغيرات الحرارية الدورية.

بالنسبة لصمام الأمان منخفض الحرارة، يشكّل التحول المارتنسيتي خطر فشل جسيمًا. إذ يمكن أن يؤدي المارتنسيت الهش إلى تسرب عند المقعد، وعلق الجذع، وتلف مكونات التوجيه، بل وحتى تشقق الجسم. ولذلك، لا يجوز الاعتماد في اختيار المادة لصمامات الأمان الكريوجينية على درجة الفولاذ المقاوم للصدأ وحدها، بل يجب التحقق منها عبر حساب التركيب الكيميائي.

١.٢ معامل استقرار الأوستنيت Δ لأهلية مواد صمامات الأمان الكريوجينية

يُستخدَم معامل دلتا (Δ) لتقييم مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي لحدوث التحول المارتنسيتي في الظروف الكريوجينية. وهو شرطٌ مسبقٌ لقبول المواد المستخدمة في صمامات الأمان الكريوجينية.

الصيغة:
دلتا (Δ) = نيكل + ٠٫٥ من المنغنيز + ٣٥ من الكربون − ٠٫٠٨٣٣ × (كروم + ١٫٥ من الموليبدنوم − ٢٠)² − ١٢
حيث تكون جميع العناصر معطاة بالنسبة المئوية بالوزن (%).

المعايير الهندسية لصمامات الأمان الكريوجينية:

• دلتا (Δ) < ٠: خطرٌ أعلى لحدوث التحول المارتنسيتي، وانخفاضٌ كبيرٌ في المتانة في الظروف الكريوجينية؛ لذا لا يُقبَل استخدام هذه المواد في الأجزاء الحاملة للضغط في صمامات الأمان الخاصة بالهيدروجين السائل والهيليوم السائل.

• دلتا (Δ) ≥ ٠: استقرارٌ جيّدٌ للأوستنيت وميولٌ منخفضٌ للتحول؛ ومناسبٌ لصمامات الأمان الكريوجينية المستخدمة في تطبيقات الهيدروجين السائل والهيليوم السائل.

١٫٣ درجة حرارة بدء التكوّن المارتنسيتي (Ms): عتبة درجة الحرارة التشغيلية لصمامات الأمان الكريوجينية

تحدد درجة حرارة Ms أدنى درجة حرارة يمكن أن يبدأ عندها التحول المارتنسيتي. وهي المعلَّمة الكمية الأساسية التي تميِّز بين صمامات الأمان المخصصة للهيدروجين السائل وصمامات الأمان المخصصة للهيليوم السائل.

الصيغة:
Ms = 1.875(14.6 − Cr) + 110(8.9 − Ni) + 60(1.33 − Mn) + 50(0.47 − Si) + 3000[0.068 − (C + N)] − 321.8

معايير الخدمة:

• لصمام الأمان الهيدروجيني السائل (الخدمة عند −253°م): يجب أن يكون Ms ≤ −253°م

• لصمام الأمان الهيليومي السائل (الخدمة عند −269°م): يجب أن يكون Ms ≤ −269°م

كلما انخفضت قيمة Ms، زادت ثباتية الأوستنيت وتحسَّنت مقاومته للتحول الهش أثناء عمليات الإيقاف عند درجات الحرارة المنخفضة جدًّا، وتقلُّبات الضغط، والانتظار الطويل.

الجزء الثاني: التحقق من صحة البيانات: التغييرات الصغيرة في التركيب تُحدث فرقًا كبيرًا في ملاءمة صمام الأمان للبيئات شديدة البرودة

٢.١ عينات التركيب الكيميائي
العنصر عينة أ عينة ب عينة ج
C ٠.٠٢٥ ٠.٠٦٠ ٠.٠٧٠
Si ٠.٥٠ ٠.٤٥ ٠.٥٠
من ١,٥٠ ١,٣٠ ١,٤٠
كر ١٧,٠ ١٦,٥ ١٦,٦
ني ١١,٠ ١١,٢ ١١,٤
مو ٢,٢٠ ٢,٢٠ ٢,١٥
ن ٠,٠٣٠ ٠,٠٨٠ ٠,٠٩٥

نتائج الحسابات وملاءمة صمام الأمان للظروف الكريوجينية
المؤشر العينة أ العينة ب العينة ج
دلتا -٢,١٨ +٢,٦٧ +٤,٣١
مس (°م) -٢٨٧,٦ -٣١٥,٢ -٣٣١,٨
الحكم دلتا < ٠؛ خطر عالٍ لحدوث التحول؛ غير مقبول لصمامات الأمان الخاصة بالهيدروجين السائل/الهيليوم السائل دلتا > ٠، ومس ≤ -٢٦٩°م؛ مناسب لصمامات الأمان الخاصة بالهيدروجين السائل والهيليوم السائل أفضل استقرار؛ المادة المفضلة لصمامات الأمان الخاصة بالهيليوم السائل

٢.٣ الملاحظات الرئيسية المتعلقة بصمامات الأمان الكريوجينية

الكربون والنيتروجين هما العاملان الأكثر فعالية في التحكم باستقرار المادة. ومن العينة أ إلى العينة ب، أدّت زيادات طفيفة فقط في محتوى الكربون والنيتروجين إلى رفع قيمة Δ من سالبة إلى موجبة. وعبارة ٣٠٠٠[٠.٠٦٨-(C+N)] شديدة الحساسية؛ إذ إن انخفاض محتوى C+N بشكل غير كافٍ قد يرفع درجة حرارة Ms بشكل كبير ويزيد خطر التحول الهش في صمامات الأمان الكريوجينية.

يُسهم النيكل بشكل خطي، بينما يمتلك الكربون والنيتروجين تأثيراً مثبتاً أقوى. ومن العينة باء إلى العينة جيم، يؤدي ازدياد طفيف في النيكل مع ارتفاع طفيف في مجموع الكربون والنيتروجين إلى تحسّن ملحوظ في الاستقرار وانخفاض في درجة الحرارة المارتنسيتية (Ms).

الموليبدنوم ليس العامل المثبت الرئيسي. ويظهر الموليبدنوم كحدٍّ سالب في معادلة التغير (Δ). وينبع الأداء الأفضل لمعدن 316L عند درجات الحرارة المنخفضة جداً مقارنةً بمعدن 304L أساساً من ارتفاع نسبة النيكل والتحكم الأدق في التركيب، وليس من الموليبدنوم نفسه.

٢٫٤ تفسير قيم درجة الحرارة المارتنسيتية (Ms) دون الصفر المطلق

تحسب العينتان باء وجيم أن درجة الحرارة المارتنسيتية (Ms) أقل من −٢٧٣٫١٥°م، وهي قيمة لا معنى فيزيائياً لها كدرجة حرارة فعلية لتحول طوري. ومع ذلك، من الناحية الهندسية، تشير هذه النتائج إلى أن الأوستنيت مستقرٌ للغاية عند درجة حرارة الخدمة الفعلية البالغة −٢٦٩°م (الهيليوم السائل)، مع وجود قوة دافعة ضئيلة جداً لتكوين المارتنسيت تلقائياً.

تفسير عملي لصمامات الأمان ذات الاستخدام عند درجات الحرارة المنخفضة جداً:

• سيدة -269°م: قد تُحقَّق درجة الحرارة الفعلية للتحول أثناء الخدمة في الهيليوم السائل؛ غير مقبولة لصمامات الأمان الخاصة بالهيليوم السائل.

• -273.15°م < سيدة ≤ -269°م: لا يحدث تحول مارتنزيتي تلقائي في ظروف الهيليوم السائل؛ مقبولة.

• سيدة < -273.15°م: استنتاج رياضي فقط، لكنه يشير إلى ثبات ممتاز للأوستنيت وهامش أمان كريوجيني كبير.

الجزء ٣: المتطلبات الإلزامية لصمامات الأمان الكريوجينية في الخدمة ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية.

٣.١ متانة التأثير عند درجات الحرارة المنخفضة.

لدرجات حرارة الخدمة دون -196°م، يجب اختبار المادة المستخدمة في صمامات الأمان الكريوجينية بتأثير عند درجة حرارة التصميم:

• الخدمة في الهيدروجين السائل: اختبار التأثير عند -253°م.

• الخدمة في الهيليوم السائل: اختبار التأثير عند -269°م.

معايير القبول:

• المتوسط الحجمي لكـڤي² ≥ ٥٤ جول.

• المتوسط الحجمي للتمدد الجانبي لـإي ≥ ٠٫٥٣ مم.

إذا أُجري الاختبار عند درجة حرارة -١٩٦°م، فتتطلب القيم الأكثر صرامة:

• KV2 ≥ ٧٠ جول

• LE ≥ ٠٫٧٦ مم

٣٫٢ التحكم في محتوى الفريت

الفريت طور هش يمكن أن يعمل كموقع لبدء التشقق في الظروف الكريوجينية. ولأجزاء صمامات الأمان الكريوجينية التي تحتوي على ضغط، يجب ألا يتجاوز محتوى الفريت ٣٪، ويُجرى الاختبار وفقًا للمعيار GB/T ١٣٣٠٥.

٣٫٣ التحقق من الدفعة بواسطة التحليل الكيميائي الفعلي

يجب حساب قيم Δ وMs من نتائج التحليل الكيميائي الفعلي الواردة في تقرير اختبار المادة، وليس من القيم النظرية. ويجب التحقق من كل دفعة من صمامات الأمان الكريوجينية بشكل فردي.

الجزء ٤: صمامات الأمان الكريوجينية — الحاجز الميكانيكي الأخير لأنظمة الهيدروجين السائل والهيليوم السائل

٤٫١ لماذا تتطلب أنظمة الهيدروجين السائل والهيليوم السائل صمامات أمان كريوجينية متخصصة

للهيدروجين السائل والهيليوم السائل نقاط غليان منخفضة للغاية. وفي الأوعية المغلقة، يؤدي دخول الحرارة المستمر إلى التبخر وزيادة الضغط. وبغياب أجهزة تخفيف الضغط الموثوقة، قد يؤدي ارتفاع الضغط إلى فشل كارثي.

بالمقارنة مع الصمامات العادية أو حتى صمامات درجات الحرارة المنخفضة العامة، يجب أن تتحمل صمامات الأمان الكريوجينية درجات الحرارة القصوى وأن تحافظ على إحكام الإغلاق وموثوقية التكرار. وقد تتعرض مواد النابض والأنظمة الإحكامية الشائعة إلى هشاشة النابض، وتسرب المقعد، وتكوُّن الجليد، ولزوجة الساق، وانكماش الإحكام عند −٢٥٣°م‏ / −٢٦٩°م‏.

المعيار المحلي الرئيسي هو غ ب/ت ٤٦٦٣٠-٢٠٢٥ «صمامات الأمان لحاويات التبريد الكريوجيني»، والذي يدخل حيز التنفيذ في ١ مايو ٢٠٢٦، وهو معدَّل عن المعيار الدولي آي إس أو ٢١٠١٣-١:٢٠٢١. ويطبَّق هذا المعيار على صمامات التفريغ للغازات الكريوجينية دون −١٠°م‏ وبأقصى قطر اسمي قدره د ن ١٥٠، ويصنِّفها إلى:

• الفئة أ: الصمامات التي قد تعمل أثناء الخدمة العادية؛ ويجب التحقق من تسرب المقعد بعد ١٠٠٠ دورة اختبار متكررة.
• الفئة ب: الصمامات التي تبقى مغلقة أثناء الخدمة العادية؛ ويجب التحقق من تسرب المقعد بعد ٢٠ دورة.

القاعدة الأساسية هي: أن تفي جميع الأجزاء الحاملة للضغط في صمام الأمان الكريوجيني بنفس متطلبات Δ و م س المفروضة على مادة الحاوية.

٤.٢ دراسة حالة ١: مسرّع الجسيمات الكبير في مركز البحوث النووي الأوروبي (CERN LHC) — ٤٠٠ صمام أمان تبريدية لخدمة الهيليوم السائل

يُعَدُّ مسرّاع الجسيمات الكبير في مركز البحوث النووي الأوروبي (LHC) أحد أكثر تطبيقات صمامات الأمان للهيليوم السائل طلبًا في العالم. ويشمل نظامه الفائق التوصيل البالغ طوله ٢٧ كيلومترًا نحو ٤٠٠ صمام أمان تبريدية تحمي أوعية المغناطيسات المملوءة بالهيليوم السائل الفائق عند درجة حرارة ١,٩ كلفن (−٢٧١,٢٥°م)، مع ضغوط إعداد تبلغ نحو ١٧ بار وضغط رفع كامل يبلغ نحو ٢٠ بار.

تشمل التحديات الرئيسية ما يلي:

• التشغيل في هيليوم سائل فائق القرب من الصفر المطلق

• تدفق حراري منخفض جدًّا

• المقاومة للإشعاع

• إمكانية التحكم عن بعد

• ضغط تعيين مستقر تحت ضغط عكسي

• لا يتكون الجليد ولا التصاق أثناء الدورات

توضح هذه الحالة أن صمامات الأمان الكريوجينية لخدمة الهيليوم السائل (LHe) ليست سلعاً قياسية. فهي تتطلب هندسة متخصصة، تشمل سيقاناً ذات توصيل حراري منخفض، وأختام بيلوز، وهياكل للتعويض الحراري، ومشغلات عن بُعد. ومن أبرز المورِّدين في هذا المجال شركتا توكو فاليكس وويكا آج.

النتيجة الأساسية: لا تختاروا صمامات أمان الهيليوم السائل استناداً فقط إلى الخبرة مع النيتروجين السائل (LN2). فالفرق بين −١٩٦°م و−٢٦٩°م أكبر بكثير من الفرق بين −١٩٦°م ودرجة حرارة الغرفة.

٤٫٣ دراسة حالة ٢: هيروز – بيانات الأداء الكريوجيني في الاختبارات الدورانية

هيروز شركة عالمية تورد صمامات كريوجينية صناعية، وتصل قدرة صمامات أمانها التشغيلية إلى −٢٧٠°م. وتشمل منتجاتها التطبيقات الخاصة بالأكسجين والنيتروجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون والهيليوم والهيدروجين، بإنتاج سنوي يتجاوز ٢٠٠٠٠٠ صمام.

أظهر اختبار متانة مهم أن صمامات أمان هيروز حققت:

• ١٤٤٠٠٠ دورة عند درجة حرارة الغرفة

• ٢٠٠٠ دورة في ظروف الغاز الكريوجيني

في اختبار معيّن من النوع ٠٦٣٨٨ تحت شرط «عدم سحب الغاز»، حقق الصمام ما يقارب ١٠٠٠ عملية في وعاء النيتروجين السائل مع وجود فراغ غازي عازل ضئيل جدًّا. ويُثبت هذا أن صمامات الأمان الكريوجينية يجب أن تظل موثوقة حتى في الظروف العابرة غير المواتية مثل انخفاض مستوى السائل أو أثناء النقل أو التشغيل المؤقت دون وجود فراغ غازي مستقر.

صمام الأمان الكريوجيني من الفولاذ المقاوم للصدأ من نوع هيروز ٠٦٠١١ يغطي نطاق درجات الحرارة من -٢٥٥°م إلى +٦٥°م، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الغاز الطبيعي المسال والهيدروجين. وقد حصل على شهادة الاختبار النموذجي من تي يو في، أما الإصدارات المخصصة لخدمة الهيدروجين فهي تتطلب إجراء اختبارات تسرب للغلاف والمقعد باستخدام الهيليوم أو خليط يتكون من ٩٥٪ نيتروجين و٥٪ هيدروجين.

٤٫٤ دراسة حالة رقم ٣: مشروع إكينور هامرفيست للغاز الطبيعي المسال – المخاطر الخفية أثناء الصيانة والعزل

في ٣١ مايو ٢٠٢٣، وقعت تسربٌ كبيرٌ للغاز في مصنع إكينور لِتَسْييل الغاز الطبيعي في هامرفيست. والسبب المباشر يتعلّق بسدادة تهوية مفتوحة ذات خيط يسار على أنبوب أمامي لصمام أمان أثناء أعمال إزالة العزل. ولم يكن المشغلون على دراية بهذا الاتصال الخاص، ولذلك لم يُغلقوا السدادة بشكلٍ صحيح.

استمر التسرب حوالي ٦٫٥ ساعة، وأطلق نحو ٩٣٠٠ كجم من الغاز، وتسبّب في إغلاق المنشأة لمدة ٨ أيام.

يبيّن هذا الحادث أنه حتى لو كان صمام الأمان الكريوجيني نفسه يعمل بكفاءة، فإن إجراءات العزل والتهوية والصيانة قد تُعطّل نظام الحماية. وفيما يخص صمامات الأمان الكريوجينية للهيدروجين السائل (LH2) والهيليوم السائل (LHe)، فإن العوامل التالية بالغة الأهمية:

• إجراءات تشغيل واضحة للمكونات غير التقليدية للتهوية

• تحديد دائم لمواقع الفتح/الإغلاق الاعتيادية

• تكوينات عزل قابلة للقفل أو التي تتطلب نحتًا لفتحها

• مراجعة عوامل الإنسان المتعلقة بواجهات الصيانة

٤٫٥ معايير الاختيار لصمامات الأمان الكريوجينية للهيدروجين السائل (LH2) والهيليوم السائل (LHe)
المعيار صمام الأمان الكريوجيني للهيدروجين السائل (عند −٢٥٣°م) صمام الأمان الكريوجيني للهيليوم السائل (عند −٢٦٩°م)
مادة الهيكل: فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي، Δ ≥ ٠، درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms) ≤ -٢٥٣°م؛ فولاذ مقاوم للصدأ أستنيتي، Δ ≥ ٠، درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms) ≤ -٢٦٩°م
تصميم الحشية: مقعد معدني أو بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) مملوء بالكربون مع التحقق من الأداء عند درجات الحرارة الكريوجينية؛ يُفضَّل استخدام المقعد المعدني؛ أما الحشيات غير المعدنية فتتطلب إجراءات تحقق خاصة
أدنى درجة حرارة تصميمية: ≤ -٢٥٥°م؛ ≤ -٢٧٠°م
الاختبارات الأساسية: تسرب المقعد وموثوقية التشغيل المتكرر عند -٢٥٣°م؛ وموثوقية التشغيل المتكرر وسلامة المقعد عند -٢٦٩°م
المعايير الواجب تطبيقها: GB/T 46630-2025، ISO 21013-1؛ GB/T 46630-2025، EN 13648-1 مع إجراء تحقق خاص

ملاحظة: يغطي المعيار GB/T 40011-2021 صمامات الأمان الكريوجينية ذات التحكم التمهيدي حتى -١٩٦°م، وهي درجة حرارة غير كافية لتطبيقات الهيدروجين السائل (LH2) عند -٢٥٣°م أو الهيليوم السائل (LHe) عند -٢٦٩°م. ولذلك، في هذه الظروف القصوى، يجب الاعتماد على بيانات الاختبار النموذجي للمصنِّع وعلى ما يعادلها من معايير دولية مثل ISO 21013-1 وEN 13648-1.

الجزء ٥: ثلاثة متطلبات أساسية لشراء صمامات الأمان الكريوجينية

٥.١ المتطلب الأول: أن تكون درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms) للمواد المستخدمة ≤ درجة حرارة الخدمة

أكثر خطأ شائع في الشراء هو تحديد «الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي» فقط دون تحديد معايير الاستقرار.

بند مواصفات الشراء:
يجب أن تُصنع أجزاء الجسم الخاضعة للضغط، بما في ذلك الجسم والغطاء ومقعد الصمام، من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. ويتعيّن على المورِّد تقديم التحليل الكيميائي الفعلي من تقرير اختبار المادة وحساب قيمتي Δ وMs وفقًا للصيغ الواردة أعلاه. ولخدمة الهيدروجين السائل، يجب أن تكون قيمة Ms ≤ -٢٥٣°م؛ ولخدمة الهيليوم السائل، يجب أن تكون قيمة Ms ≤ -٢٦٩°م. وفي جميع الحالات، يشترط أن تكون قيمة Δ ≥ ٠. ويجب ألا تتجاوز نسبة الفريت ٣٪ وفقًا للمعيار GB/T ١٣٣٠٥. وتُقبل قيم Ms الأقل من -٢٧٣,١٥°م كمستوفية لمتطلبات Ms.

التحقق الإضافي:

• لخدمة LH2: تقرير اختبار التأثير عند -٢٥٣°م

• لخدمة LHe: تقرير اختبار التأثير عند -٢٦٩°م

• إذا أُجري الاختبار عند -١٩٦°م، فيجب أن تكون القيمة KV2 ≥ ٧٠ جول وأن تكون القيمة LE ≥ ٠,٧٦ مم

٥,٢ المتطلب الثاني: يجب التحقق من بيانات اختبار التدوير الكريوجيني

يُسبَّب العديد من حالات فشل صمامات الأمان الكريوجينية تدهور المقعد أو التصاقه بعد دورات متكررة، وليس بسبب فشل في الفتحة الواحدة.

بند مواصفات الشراء:
يجب أن يقدِّم المورِّد بيانات اختبار الأداء الدوري الكريوجيني من تقارير الاختبار النموذجي أو السجلات الرسمية للمصنِّع الخاصة بالمتانة. ويجب ألا تتجاوز درجة حرارة الاختبار الحد الأدنى لدرجة حرارة التصميم الخاصة بالصمام. وعدد الدورات لا يقل عن القيمة التي أعلنها المصنِّع للاستخدام الكريوجيني. وبعد إتمام الدورات، يجب أن يتوافق معدل تسرب المقعد مع متطلبات المعيار GB/T 46630-2025 للتصنيف المحدَّد. ولا يجوز قبول الصمامات التي لا تتوفر لها بيانات أداء دوري كريوجيني للاستخدام مع الهيدروجين السائل LH2 أو الهيليوم السائل LHe.

فحص القبول:

• مراجعة قسم الاختبار الكريوجيني في تقرير الاختبار النموذجي، وليس فقط الجزء الخاص بدرجة حرارة الغرفة

• يمنع تمامًا إجراء أي تعديل أو صيانة على صمام الاختبار بين الدورات الكريوجينية

• إذا وُجدت فقط بيانات LN2، فيجب تحديدها بوضوح على أنها غير مكافئة لتحقق LHe.

المتطلب ٣ من القسم ٥.٣: يجب أن تمنع ترتيبات العزل وتوجيه التهوية حدوث أخطاء بشرية.

حتى صمام السلامة الكريوجيني العامل بكفاءة تامة يمكن أن يُعطَّل بسبب سوء تصميم نظام العزل.

بند مواصفات الشراء:
يُفضَّل ألا تُركَّب صمامات العزل قبل أو بعد صمام السلامة الكريوجيني. وإذا اقتضت متطلبات العمليات ضرورة تركيبها، فيجب أن يعتمد الترتيب إحدى الطرق التالية: فتح منقوش، أو قفل في وضع الفتح، أو التثبيت المزدوج مع التفريغ. ويجب أن يظل مسار واحد على الأقل للتفريغ متاحًا دائمًا. ويجب قفل أي صمام يدوي في خط التفريغ في وضع الفتح أو جعله من النوع «فتح منقوش»، مع وضع علامة دائمة عليه تشير إلى: «خط تفريغ صمام السلامة – ممنوع الإغلاق». أما المكونات غير التقليدية مثل سدادات التفريغ الخاصة، فيجب أن ترفق بها تعليمات تشغيل دائمة. وعلى المورِّد أن يقدم مخططًا لتوضيح طريقة التركيب والعزل، ليتم مراجعته من قِبل مهندس سلامة العمليات لدى المشتري.

الجزء ٦. إغلاق حلقة الأمان: استقرار المادة وصمامات الأمان الكريوجينية

يضمن استقرار الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ألا تصبح الحاويات والأجزاء الحاملة للضغط هشّة عند درجات الحرارة الكريوجينية. وتضمن صمامات الأمان الكريوجينية ألا ينفجر النظام بسبب فرط الضغط. وهاتان الوظيفتان مكملتان لبعضهما البعض ومتساويتان في الأهمية.

التوصية الأكثر عمليةً لمشاريع الهيدروجين السائل والهيليوم السائل هي تضمين ثلاثة متطلبات في مواصفات شراء صمامات السلامة الكريوجينية:

• درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms) أقل من أو تساوي درجة حرارة التشغيل

• أداء مُحقَّق في دورات التشغيل الكريوجينية

• تكوين عزل يمنع الأخطاء البشرية

هذه المتطلبات ذات معنى أكبر من مجرد الإشارة إلى رقم معياري. وينبغي وضعها في قسم «المتطلبات الفنية» كبنود مستقلة، وليس إخفاؤها ضمن «المتطلبات العامة».

الخاتمة

في حالة صمامات السلامة الكريوجينية المستخدمة مع الهيدروجين السائل عند −٢٥٣°م والهيليوم السائل عند −٢٦٩°م، لا توجد حلول جاهزة عالمية. ويجب التحقق من حساب المواد واختبارها عند درجات الحرارة المنخفضة جداً، وموثوقية الإغلاق، والعزل النظامي معاً.

δ يشير إلى خطر التحول المارتنسيتي.
تحدد درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms) الحد الأدنى لعتبة درجة حرارة التشغيل.
بيانات الدورات الكريوجينية تثبت موثوقية الإغلاق بعد التشغيل المتكرر.
تمنع متطلبات العزل وفتح القفل عوامل الإنسان من تعطيل مسار التفريغ.

يتمثل الضمان الفعلي للسلامة في صمامات الأمان الكريوجينية المستخدمة في ظروف درجات الحرارة المنخفضة للغاية في المزيج التالي:

• التحليل الكيميائي الفعلي

• نتائج اختبار الصدم عند درجات الحرارة المنخفضة

• التحكم في الفريت

• التحقق من أداء الدورات الكريوجينية

• تصميم العزل ومنع الأخطاء

وهذا هو معيار الهندسة الأساسي لصمامات الأمان الكريوجينية المستخدمة في خدمة الهيدروجين السائل والهيليوم السائل، وكذلك الأساس الجوهري لتشغيل أنظمة الهيدروجين والهيليوم فائقة الانخفاض في درجة الحرارة بشكل آمن وموثوق.