Гелий — химический элемент с символом He и атомным номером 2. Это редкий атмосферный газ, бесцветный, безвкусный, нетоксичный, негорючий, лишь незначительно растворимый в воде. Концентрация гелия в атмосфере составляет 5,24 × 10⁻⁴ по объему. Он имеет самые низкие температуры кипения и плавления среди всех элементов и существует только в газообразном состоянии, за исключением экстремально низких температур.

Гелий в основном транспортируется в газообразном или жидком виде и используется в ядерных реакторах, полупроводниках, лазерах, лампах накаливания, сверхпроводимости, приборах, полупроводниках и волоконной оптике, криогенных системах, МРТ и научно-исследовательских лабораториях.

Низкотемпературный источник холода

Гелий используется в качестве криогенного хладагента для источников криогенного охлаждения, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), сверхпроводящий ускоритель квантовых частиц, Большой адронный коллайдер, интерферометр (SQUID), электронный спиновый резонанс (ЭСР) и сверхпроводящие накопители магнитной энергии (SMES), МГД-сверхпроводящие генераторы, сверхпроводящие датчики, передача электроэнергии, магнитолевитационный транспорт, масс-спектрометр, сверхпроводящий магнит, сепараторы сильного магнитного поля, кольцевые сверхпроводящие магниты для термоядерных реакторов и другие криогенные исследования. Гелий охлаждает криогенные сверхпроводящие материалы и магниты почти до абсолютного нуля, при котором сопротивление сверхпроводника резко падает до нуля. Очень низкое сопротивление сверхпроводника создает более мощное магнитное поле. В случае оборудования МРТ, используемого в больницах, более сильные магнитные поля позволяют получить более детализированные рентгеновские изображения.

Гелий используется в качестве сверххладагента, поскольку он имеет самые низкие температуры плавления и кипения, не затвердевает при атмосферном давлении и 0 К, а также химически инертен, что делает практически невозможным его взаимодействие с другими веществами. Кроме того, гелий становится сверхтекучим при температуре ниже 2,2 Кельвина. До настоящего времени эта уникальная сверхподвижность не использовалась ни в одном промышленном применении. При температурах ниже 17 Кельвинов гелий не имеет замены в качестве хладагента в криогенных источниках.

Аэронавтика и космонавтика

Гелий также используется в воздушных шарах и дирижаблях. Поскольку гелий легче воздуха, дирижабли и воздушные шары заполняются гелием. Преимуществом гелия является его негорючесть, хотя водород обладает большей плавучестью и меньшей скоростью утечки через мембрану. Еще одно вторичное применение — в ракетостроении, где гелий используется в качестве среды для удаления топлива и окислителя из резервуаров и конденсации водорода и кислорода для получения ракетного топлива. Его также можно использовать для удаления топлива и окислителя из наземного вспомогательного оборудования перед запуском, а также для предварительного охлаждения жидкого водорода в космическом аппарате. Для запуска ракеты «Сатурн V», использовавшейся в программе «Аполлон», требовалось около 370 000 кубических метров (13 миллионов кубических футов) гелия.

Обнаружение утечек в трубопроводах и анализ причин их возникновения

Еще одно промышленное применение гелия — обнаружение утечек. Обнаружение утечек используется для выявления утечек в системах, содержащих жидкости и газы. Поскольку гелий диффундирует через твердые тела в три раза быстрее, чем воздух, он используется в качестве трассирующего газа для обнаружения утечек в высоковакуумном оборудовании (например, криогенных резервуарах) и сосудах высокого давления. Объект помещается в камеру, которая затем вакуумируется и заполняется гелием. Даже при скорости утечки всего 10⁻⁹ мбар•л/с (10⁻¹⁰ Па•м³/с) утечка гелия через место протечки может быть обнаружена чувствительным устройством (гелиевым масс-спектрометром). Процедура измерения обычно автоматизирована и называется тестом интеграции гелия. Другой, более простой метод — заполнить исследуемый объект гелием и вручную искать утечки с помощью портативного устройства.

Гелий используется для обнаружения утечек, потому что это самая маленькая молекула, одноатомная, поэтому он легко протекает. Во время обнаружения утечек в объект закачивается гелий, и если происходит утечка, гелиевый масс-спектрометр сможет определить её место. Гелий можно использовать для обнаружения утечек в ракетах, топливных баках, теплообменниках, газопроводах, электронике, телевизионных трубках и других производственных компонентах. Обнаружение утечек с помощью гелия впервые было применено в рамках Манхэттенского проекта для обнаружения утечек на заводах по обогащению урана. Гелий для обнаружения утечек можно заменить водородом, азотом или смесью водорода и азота.

Сварка и металлообработка

Гелий используется в качестве защитного газа при дуговой и плазмодуговой сварке благодаря более высокой энергии ионизации по сравнению с другими атомами. Гелий вокруг сварного шва предотвращает окисление металла в расплавленном состоянии. Высокая энергия ионизации гелия позволяет использовать плазмодуговую сварку разнородных металлов, применяемых в строительстве, судостроении и аэрокосмической отрасли, таких как титан, цирконий, магний и алюминиевые сплавы. Хотя гелий в защитном газе может быть заменен аргоном или водородом, некоторые материалы (например, титановый гелий) не могут быть заменены при плазмодуговой сварке. Это связано с тем, что гелий является единственным газом, безопасным при высоких температурах.

Одной из наиболее активно развивающихся областей является сварка нержавеющей стали. Гелий — инертный газ, то есть он не вступает в химические реакции при контакте с другими веществами. Это свойство особенно важно для защитных газов при сварке.

Гелий также хорошо проводит тепло. Именно поэтому его часто используют в сварных швах, где требуется более высокая тепловая мощность для улучшения смачиваемости сварного шва. Гелий также полезен для ускорения процесса сварки.

Гелий обычно смешивают с аргоном в различных количествах в защитной газовой смеси, чтобы в полной мере использовать полезные свойства обоих газов. Гелий, например, действует как защитный газ, помогая обеспечить более широкое и поверхностное проплавление при сварке. Но гелий не обеспечивает такой же очистки, как аргон.

В результате производители металлопроката часто рассматривают смешивание аргона с гелием как часть своего рабочего процесса. При сварке в защитной газовой среде гелий может составлять от 25% до 75% газовой смеси в смеси гелия и аргона. Регулируя состав защитной газовой смеси, сварщик может влиять на распределение тепла в сварном шве, что, в свою очередь, влияет на форму поперечного сечения сварного металла и скорость сварки.

Электронная полупроводниковая промышленность

Будучи инертным газом, гелий настолько стабилен, что практически не вступает в реакцию с другими элементами. Это свойство позволяет использовать его в качестве защитного газа при дуговой сварке (для предотвращения загрязнения воздуха кислородом). Гелий также имеет другие важные применения, например, в производстве полупроводников и оптического волокна. Кроме того, он может заменить азот при глубоководном погружении, предотвращая образование пузырьков азота в крови и, таким образом, предотвращая дайверскую болезнь.

Объем мировых продаж гелия (2016-2027 гг.)

Объем мирового рынка гелия в 2020 году достиг 1825,37 млн ​​долларов США и, как ожидается, вырастет до 2742,04 млн долларов США к 2027 году, при среднегодовом темпе роста (CAGR) в 5,65% (2021-2027 годы). В ближайшие годы отрасль будет испытывать большую неопределенность. Прогнозные данные на 2021-2027 годы, представленные в данной работе, основаны на историческом развитии последних нескольких лет, мнениях экспертов отрасли и аналитиков.

Гелиевая промышленность отличается высокой степенью концентрации, добывается из природных ресурсов и имеет ограниченное количество глобальных производителей, в основном в США, России, Катаре и Алжире. В мире потребительский сектор сосредоточен в США, Китае, Европе и других странах. США имеют долгую историю и непоколебимую позицию в этой отрасли.

Многие компании имеют несколько заводов, но обычно они расположены далеко от целевых рынков сбыта. Поэтому транспортные расходы на продукцию высоки.

За первые пять лет производство росло очень медленно. Гелий — невозобновляемый источник энергии, и в странах-производителях действуют меры, обеспечивающие его дальнейшее использование. Некоторые предсказывают, что в будущем запасы гелия исчерпаются.

В этой отрасли высока доля импорта и экспорта. Гелий используется почти во всех странах, но лишь немногие обладают запасами гелия.

Гелий имеет широкий спектр применения и будет использоваться во всё большем количестве областей. Учитывая дефицит природных ресурсов, спрос на гелий, вероятно, будет расти в будущем, что потребует соответствующих альтернатив. Ожидается, что цены на гелий продолжат расти с 2021 по 2026 год, с 13,53 долл. США/м³ (2020 г.) до 19,09 долл. США/м³ (2027 г.).

На отрасль влияют экономические и политические факторы. По мере восстановления мировой экономики все больше людей обеспокоены улучшением экологических стандартов, особенно в слаборазвитых регионах с большим населением и быстрым экономическим ростом, поэтому спрос на гелий будет расти.

В настоящее время к крупнейшим мировым производителям относятся «Расгас», Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Dz) и «Газпром» (Россия) и др. В 2020 году доля продаж шести ведущих производителей превысит 74%. Ожидается, что в ближайшие несколько лет конкуренция в отрасли усилится.

Криогенное оборудование HL

В связи с дефицитом ресурсов жидкого гелия и ростом цен, важно сократить потери и обеспечить извлечение жидкого гелия в процессе его использования и транспортировки.

Компания HL Cryogenic Equipment, основанная в 1992 году, является брендом, принадлежащим HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment занимается проектированием и производством высоковакуумных изолированных криогенных трубопроводных систем и сопутствующего вспомогательного оборудования для удовлетворения разнообразных потребностей клиентов. Вакуумные изолированные трубы и гибкие шланги изготавливаются в условиях высокого вакуума с использованием многослойных многоэкранных специальных изоляционных материалов и проходят ряд чрезвычайно строгих технических обработок и высоковакуумной обработки. Они используются для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, сжиженного этилена (LEG) и сжиженного природного газа (СПГ).

Серия вакуумных труб с рубашкой охлаждения, вакуумных шлангов с рубашкой охлаждения, вакуумных клапанов с рубашкой охлаждения и фазовых сепараторов компании HL Cryogenic Equipment Company, прошедшая ряд чрезвычайно строгих технических испытаний, используется для перекачки жидкого кислорода, жидкого азота, жидкого аргона, жидкого водорода, жидкого гелия, сжиженного природного газа и СПГ. Эти изделия используются в криогенном оборудовании (например, криогенных резервуарах, сосудах Дьюара и холодильных камерах и т. д.) в таких отраслях, как разделение воздуха, газовая промышленность, авиация, электроника, сверхпроводники, микросхемы, автоматизированная сборка, пищевая промышленность, фармацевтика, больницы, биобанки, резиновая промышленность, производство новых материалов, химическая промышленность, металлургия, научные исследования и т. д.

Компания HL Cryogenic Equipment Company стала квалифицированным поставщиком/подрядчиком для Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani, Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang) и др.