Katup cryogenic – Foundry Aksesori Katup Kustom

Katup kriogenik adalah komponen kontrol fluida khusus yang dirancang untuk beroperasi dengan andal suhu ≤ -150 ° C. (sesuai ASME B31.3 dan ISO 2801)—kisaran di mana katup industri standar gagal karena kerapuhan material, degradasi segel, dan tekanan termal.

Ini katup mengatur aliran kriogen—gas cair seperti gas alam cair (LNG, -162 ° C.), oksigen cair (LOX, -183 ° C.), nitrogen cair (LIN, -196 ° C.), dan hidrogen cair (LH₂, -253 ° C.)—dalam aplikasi yang mencakup energi, Aerospace, Perawatan kesehatan, dan pengolahan industri.

Berbeda dengan katup konvensional, desain kriogenik harus mengatasi tantangan unik: kontraksi termal yang ekstrim,

risiko patah getas, dan konsekuensi bencana dari kebocoran kriogen (MISALNYA., LNG menguap 600x volume cairnya, menciptakan bahaya ledakan).

Artikel ini membahas katup kriogenik dari teknis, desain, dan perspektif operasional, memberikan panduan komprehensif untuk teknik mereka, pemilihan materi, pengujian, dan aplikasi dunia nyata.

1. Apa Itu Katup Kriogenik: Fungsi Inti dan Batasan Operasional

A katup kriogenik adalah perangkat rekayasa presisi yang dirancang untuk mengendalikan mengalir, tekanan, atau arah cairan kriogenik dengan tetap menjaga integritas struktural, Kencangkan bocor, dan keandalan operasional di suhu sangat rendah.

Berbeda dengan katup konvensional, katup kriogenik dirancang khusus untuk tahan kontraksi termal yang ekstrim, penggetasan material, dan agresivitas kimia terkait

dengan cairan seperti nitrogen cair (LIN), gas alam cair (LNG), oksigen cair (LOX), dan hidrogen cair (LH₂).

Batasan Operasional

Katup kriogenik harus beroperasi dengan andal dalam kondisi yang melebihi batas desain katup konvensional:

• Kisaran suhu: Khas −150 °C hingga −273 °C, dengan beberapa desain (MISALNYA., layanan LH₂) mentoleransi suhu di bawah ini −253 °C.
• Peringkat tekanan: Menjangkau sistem tekanan rendah (≤ 2 MPa, MISALNYA., LIN di bidang kesehatan) ke aplikasi tekanan ultra-tinggi (≥ 30 MPa, MISALNYA., saluran bahan bakar LH₂ dirgantara).
• Toleransi Kebocoran: Kebocoran yang diizinkan sangat rendah, sering ≤ 1 × 10⁻⁹ Pa·m³/s (setara helium, untuk ISO 15848-1), untuk mencegah akumulasi embun beku, kehilangan cairan, dan risiko keselamatan.
• Bersepeda Termal: Harus tahan terhadap transisi berulang antara suhu lingkungan dan suhu kriogenik, seperti yang terlihat di Bongkar muat kapal tanker LNG atau siklus penyimpanan industri, tanpa mengorbankan integritas struktural.
• Kendala Materi: Pemilihan badan katup, memangkas, segel, dan pengencang harus tahan kerapuhan, korosi, penggetasan hidrogen, dan ketidakstabilan dimensi di bawah tekanan termal.

2. Tantangan Desain pada Katup Kriogenik

Katup kriogenik beroperasi di bawah termal yang ekstrim, mekanis, dan kondisi kimia, yang menerapkan tiga batasan desain mendasar.

Untuk mengatasi hal ini memerlukan solusi teknis yang ditargetkan dan menjamin keandalan, keamanan, dan masa pakai jangka panjang.

Kontraksi Termal dan Manajemen Stres

• Tantangan: Semua bahan berkontraksi saat didinginkan, tetapi koefisien muai panasnya tidak sesuai (CTE) antar komponen (MISALNYA., badan dan batang katup) menyebabkan stres termal yang merusak.
• Contoh: Badan katup baja tahan karat 316L (CTE: 13.5 × 10⁻⁶/° C.) dan batang titanium (CTE: 23.1 × 10⁻⁶/° C.) lebih 100 panjang mm akan berkontraksi 1.35 mm dan 2.31 mm, masing -masing,
  dari 20 ° C ke -196 ° C., menciptakan a 0.96 diferensial mm. Perbedaan ini dapat menyita batang atau merusak segel.
• Solusi Rekayasa:

• • Pencocokan Materi: Pilih komponen dengan CTE serupa (MISALNYA., 316L tubuh + 316L batang) untuk meminimalkan kontraksi diferensial.
  • Desain yang Sesuai: Integrasikan elemen fleksibel seperti Inconel 625 bellow untuk menyerap ekspansi/kontraksi termal.
    Bellow juga berfungsi sebagai segel sekunder, mencegah kebocoran batang.
  • Isolasi Termal: Gunakan insulasi berjaket vakum atau busa kriogenik sel tertutup (MISALNYA., poliuretan) untuk mengurangi masuknya panas, pembentukan embun beku, dan tekanan termal siklik.

Pencegahan Fraktur Rapuh

• Tantangan: Logam dapat kehilangan keuletannya pada suhu kriogenik, mengalami transisi ulet ke getas (DBTT).
  Baja karbon, Misalnya, memiliki DBTT di sekitarnya -40 ° C., sehingga tidak cocok untuk layanan LN₂ atau LH₂.
• Solusi:

• • Pemilihan materi: Prioritaskan baja tahan karat austenitik (304L, 316L), Paduan Nikel (Inconel 625), dan titanium, yang mempertahankan keuletan di bawah -270 ° C..
  • Pengujian dampak: Lakukan Charpy V-notch (CVN) pengujian per ASTM A370—minimum 27 J at -196 °C untuk 316L, 40 J untuk Inconel 625.
  • Minimalkan Stres: Hindari sudut atau takik yang tajam; gunakan fillet bulat (radius ≥2mm) dan pemesinan halus untuk mengurangi konsentrasi tegangan.

Kebocoran pada Suhu Sangat Rendah

• Tantangan: Cairan kriogenik memiliki viskositas rendah dan sangat mudah menguap; bahkan celah kecil pun dapat mengakibatkan kebocoran yang signifikan.
  Elastomer konvensional (MISALNYA., EPDM) menjadi rapuh di bawah -50 °C dan kehilangan kemampuan penyegelan.
• Solusi:

• • Elastomer Suhu Rendah: Perfluoroelastomer (FFKM, MISALNYA., Kalrez® 8085, -200 ° C ke 327 ° C.) atau PTFE yang diperkuat serat kaca (-269 ° C ke 260 ° C.) mempertahankan elastisitas pada suhu kriogenik.
  • Segel Logam-ke-Logam: Untuk layanan tekanan ultra tinggi atau oksigen, logam lunak (tembaga anil, tembaga OFHC) berubah bentuk di bawah kompresi untuk membentuk segel yang rapat.
  • Penyegelan Ganda: Gabungkan segel kursi primer dengan bellow sekunder atau segel kelenjar untuk memberikan redundansi dan mengurangi risiko kebocoran.

3. Jenis Katup Kriogenik: Kesesuaian Desain dan Aplikasi

Katup kriogenik dikategorikan berdasarkan mekanisme kontrol alirannya, masing-masing dioptimalkan untuk fungsi tertentu (hidup/mati, pembatasan, tidak dapat dikembalikan). Di bawah ini adalah jenis yang paling umum:

Kriogenik Katup bola

• Desain: Bola bulat dengan lubang tengah berputar 90° untuk mengontrol aliran. Fitur versi kriogenik:

• • Batang anti ledakan (mencegah ejeksi batang di bawah tekanan).
  • Kursi anti ledakan (lubang ventilasi untuk mengurangi tekanan jika kursi rusak).
  • Mayat berjaket vakum (untuk layanan LNG) untuk meminimalkan masuknya panas.

    

• Pertunjukan: Pengoperasian hidup/mati yang cepat (0.5–2 detik), penurunan tekanan rendah (Desain port penuh), dan kebocoran sesak (Iso 15848 Kelas AH).
• Aplikasi: Pemuatan/pembongkaran LNG, saluran bahan bakar LH₂, dan transfer kriogen industri (layanan hidup/mati).
• Contoh: Katup bola kriogenik API 6D untuk terminal LNG (peringkat tekanan: 150–600 Kelas ANSI, suhu: -162 ° C.).

Kriogenik Katup globe

• Desain: Sebuah steker (cakram) bergerak secara linier melawan aliran kursi ke throttle. Modifikasi kriogenik meliputi:

• • Topi yang diperluas (meningkatkan jarak antara aktuator suhu sekitar dan cairan kriogenik, mencegah pembekuan aktuator).
  • Colokan seimbang (kurangi torsi pengoperasian dengan menyamakan tekanan pada kedua sisi cakram).

    

• Pertunjukan: Kontrol pelambatan yang luar biasa (rasio penurunan aliran: 100:1), tetapi penurunan tekanan lebih tinggi dari katup bola.
• Aplikasi: Regulasi cairan kriogenik (MISALNYA., Aliran LOX di mesin roket, Aliran LIN dalam pendingin MRI).
• Contoh: Katup globe ASME B16.34 untuk sistem LH₂ dirgantara (suhu: -253 ° C., tekanan: 20–30 MPa).

Kriogenik Katup gerbang

• Desain: Sebuah gerbang geser (baji atau paralel) membuka/menutup jalur aliran. Fitur desain kriogenik:

• • Irisan yang fleksibel (mengakomodasi kontraksi termal tanpa mengikat).
  • Batang yang dilumasi (menggunakan minyak yang kompatibel dengan cryo, MISALNYA., Krytox®).

    

• Pertunjukan: Penurunan tekanan rendah (aliran penuh saat terbuka), cocok untuk diameter besar (2–24 inci), tapi pengoperasiannya lambat (5–10 detik).
• Aplikasi: Tangki penyimpanan LNG, jaringan pipa kriogenik, dan jalur proses industri (layanan on/off untuk arus besar).
• Contoh: API 600 katup gerbang untuk peternakan tangki LNG (tekanan: 600 Kelas ANSI, suhu: -162 ° C.).

Kriogenik Periksa Katup

• Desain: Katup satu arah mencegah aliran balik, menggunakan bola, cakram, atau si kecil. Versi kriogenik termasuk:

• • Bola pegas (memastikan penutupan pada instalasi vertikal, dimana gravitasi saja tidak cukup).
  • Kursi polimer (FFKM) untuk penyegelan yang rapat.

    

• Pertunjukan: Respon cepat terhadap arus balik (0.05–0,2 detik), mencegah aliran balik kriogen yang dapat merusak pompa atau tangki.
• Aplikasi: Jalur pembuangan pompa LNG, Jalur pengembalian penyimpanan LOX, dan sistem bahan bakar LH₂.
• Contoh: API 594 katup periksa bola pegas (suhu: -196 ° C., tekanan: 150 Kelas ANSI).

4. Pemilihan materi: Landasan Keandalan Katup Kriogenik

Pemilihan material secara langsung menentukan kinerja katup, dengan pilihan yang dipandu oleh ketangguhan suhu rendah, pencocokan CTE, dan kompatibilitas kimia dengan kriogen. Di bawah ini adalah rincian bahan-bahan utama berdasarkan komponennya:

Tubuh katup (Batas Tekanan)

• Austenitic Baja tahan karat (316L, 304L):

• • Properti: 316L (16–18% Kr, 10–14% Masuk, 2–3% Bulan) menawarkan CVN = 27 J at -196 ° C., CTE = 13.5 × 10⁻⁶/° C., dan ketahanan terhadap pengotor LNG (H₂s, klorida).
  • Aplikasi: Layanan kriogenik umum (LNG, LIN, LOX).

• Paduan Nikel (Inconel 625, Monel 400):

• • Inconel 625 (Ni-21% Cr-9% Mo): CVN = 40 J at -253 ° C., kekuatan tarik = 1,200 MPa dan -196 °C—ideal untuk layanan LH₂ dan tekanan ultra tinggi.
  • Monel 400 (Ni-67% Cu): Tahan terhadap oksidasi LOX dan korosi air laut—digunakan pada katup LNG laut.

• Titanium Paduan (TI-6AL-4V):

• • Properti: Rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi (tarik = 1,100 MPa dan -196 ° C.), kepadatan rendah (4.5 g/cm³), dan kompatibilitas hidrogen.
  • Aplikasi: Katup LH₂ dirgantara (sensitif terhadap berat badan).

Memangkas (Cakram, Kursi, Tangkai)

• 316L stainless steel (Pekerjaan Dingin): Kekerasan = 250 HV (vs.. 180 HV dianil), meningkatkan ketahanan aus untuk antarmuka bola/kursi.
• Stellite 6: Paduan berbasis kobalt (Co-270% cr-5% w) dengan kekerasan = 38 HRC—tahan terhadap keausan dan oksidasi yang disebabkan oleh LOX (digunakan pada dudukan katup LOX).
• Inconel 718: Paduan nikel dengan kekuatan lelah yang tinggi (10⁷ siklus di -196 ° C.)—ideal untuk batang katup dalam servis siklik (MISALNYA., mesin roket).

Segel

• FFKM (Perfluoroelastomer): Mempertahankan elastisitas hingga -200 ° C., kompatibel dengan semua kriogen—digunakan dalam segel berkinerja tinggi (LH₂, LOX).
• PTFE yang dimodifikasi: PTFE yang diperkuat serat kaca atau perunggu meningkatkan ketangguhan (CVN = 5 J at -196 ° C.)—hemat biaya untuk layanan LIN dan LNG.
• Segel Tembaga/Monel: Logam lunak untuk penyegelan logam ke logam (LH₂ bertekanan sangat tinggi, 50 MPa)—membentuk segel yang rapat melalui deformasi plastis.

Pengencang

• A4-80 (316L stainless steel): Kekuatan tarik = 800 MPa dan -196 ° C., sesuai dengan ISO 898-4—digunakan untuk baut/mur kriogenik umum.
• Inconel 718: Kekuatan tarik = 1,400 MPa dan -253 °C—untuk pengencang bertekanan sangat tinggi (sistem LH₂).

5. Pengujian dan Sertifikasi: Memastikan Keandalan Kriogenik

Katup kriogenik menjalani pengujian ketat untuk memvalidasi kinerja terhadap standar industri. Tes utama meliputi:

Tes Bersepeda Termal Kriogenik (ASTM E1457)

Katup diputar antara suhu lingkungan (20 ° C.) dan suhu kriogenik operasional (MISALNYA., -162 °C untuk LNG) 50–100 kali.

Setelah bersepeda, mereka diperiksa kebocorannya, kerusakan struktural, dan fungsionalitas operasional. Kriteria Lulus: Tidak ada retakan yang terlihat, tingkat kebocoran ≤ 1 × 10⁻⁹ Pa·m³/s.

Pengujian Kebocoran Helium (Iso 15848-1)

Standar emas untuk deteksi kebocoran—katup diberi tekanan dengan helium (molekul kecil yang menembus celah mikro) dan diuji dengan spektrometer massa. Kelas:

• Kelas AH: ≤ 1 × 10⁻⁹ Pa·m³/s (layanan kritis: LNG, LH₂).
• Kelas BH: ≤ 1 × 10⁻⁸ Pa·m³/s (tidak kritis: LIN).

Pengujian dampak (ASTM A370)

Spesimen Charpy V-notch diambil dari komponen katup (tubuh, tangkai) dan diuji pada suhu operasional.

Persyaratan Minimal: 27 J untuk 316L pada -196 ° C., 40 J untuk Inconel 625 pada -253 ° C..

Pengujian Tekanan (API 598)

Katup tunduk pada:

• Tes Kerang: 1.5 × tekanan terukur (air atau nitrogen) untuk memeriksa integritas tubuh—tidak ada kebocoran atau deformasi.
• Tes Kursi: 1.1 × tekanan terukur (helium atau nitrogen) untuk memverifikasi kekencangan kursi—tingkat kebocoran ≤ ISO 15848 batas.

6. Aplikasi: Dimana Katup Kriogenik Sangat Diperlukan

Katup kriogenik memungkinkan operasi penting di seluruh industri, masing-masing dengan persyaratan unik:

Industri LNG (-162 ° C.)

• Pabrik Pencairan: Katup gerbang mengontrol aliran gas umpan; katup globe refrigeran throttle (MISALNYA., propana) dalam siklus pendinginan.
• Kapal Tanker dan Terminal: Katup bola menangani pemuatan/pembongkaran LNG (hidup/mati dengan cepat, Kencangkan bocor); katup periksa mencegah aliran balik di jalur transfer.
• Fasilitas Regasifikasi: Katup globe mengatur penguapan LNG (kontrol pelambatan); katup bola mengisolasi tangki penyimpanan.

Dirgantara dan Pertahanan (-183 ° C ke -253 ° C.)

• Penggerak Roket: Katup globe throttle LOX dan LH₂ mengalir ke mesin (bertekanan tinggi, 30 MPa); katup periksa mencegah aliran balik bahan bakar.
• Pendinginan Satelit: Katup bola miniatur (1/4–1/2 inci) mengontrol aliran LIN untuk manajemen termal satelit (tekanan rendah, ≤ 2 MPa).

Perawatan Kesehatan dan Penelitian (-196 ° C.)

• Mesin MRI: Katup periksa kecil mengatur aliran LIN untuk mendinginkan magnet superkonduktor (kekencangan kebocoran sangat penting untuk menghindari pendinginan magnet).
• Kriopreservasi: Katup globe membatasi aliran LIN/LH₂ untuk penyimpanan sampel biologis (kontrol suhu yang tepat).

Pengolahan Industri (-78 ° C ke -196 ° C.)

• Manufaktur Kimia: Katup bola menangani CO₂ cair (-78 ° C.) dalam proses karbonasi; katup gerbang mengontrol pelarut kriogenik (MISALNYA., etana cair).
• Pengolahan Logam: Katup globe mengatur aliran LIN untuk perlakuan panas (MISALNYA., pengerasan kriogenik pada baja).

7. Pertimbangan Pemeliharaan dan Umur

Katup kriogenik memerlukan perawatan khusus untuk memastikan masa pakai yang lama (10–20 tahun untuk unit yang terawat baik):

Pemeriksaan Rutin

• Pemeriksaan Kebocoran: Pengujian kebocoran helium bulanan pada segel (fokus pada sendi batang dan tubuh) untuk mendeteksi degradasi dini.
• Penumpukan Embun Beku: Periksa isolasi dari kerusakan—embun beku pada badan katup menunjukkan masuknya panas (segera ganti isolasi).
• Fungsi Aktuator: Uji aktuator listrik/pneumatik pada suhu sekitar dan suhu kriogenik untuk memastikan kelancaran pengoperasian (hindari pembekuan aktuator dengan pita pemanas jika diperlukan).

Pemeliharaan Pencegahan

• Penggantian segel: Segel FFKM bertahan 2–3 tahun dalam layanan siklus; ganti segel PTFE setiap 1–2 tahun (lebih cepat jika kebocoran melebihi batas).
• Pelumasan: Gunakan gemuk yang kompatibel dengan cryo (MISALNYA., DuPont Krytox® GPL 227) pada batang dan bagian yang bergerak—hindari minyak mineral (mereka mengeras pada suhu kriogenik).
• Pereda Stres Termal: Setelah pemeliharaan besar (MISALNYA., perbaikan tubuh), melakukan satu siklus termal (lingkungan ke -196 ° C.) untuk menghilangkan sisa stres.

Mode Kegagalan Umum dan Solusinya

8. Tren Masa Depan dalam Teknologi Katup Kriogenik

Inovasi dalam katup kriogenik didorong oleh meningkatnya permintaan LNG, energi hidrogen, dan eksplorasi ruang angkasa:

• Katup Kriogenik Cerdas: Integrasikan sensor (suhu, tekanan, getaran) dan konektivitas IoT untuk memantau tingkat kebocoran dan kesehatan komponen secara real time.
  Misalnya, sensor serat optik yang tertanam di badan katup mendeteksi tekanan termal sebelum terjadi keretakan.
• Materi Lanjutan: Paduan dengan entropi tinggi (Bagus, MISALNYA., AlCoCrFeNi) menawarkan ketangguhan yang unggul di -270 ° C. (CVN = 50 J) dan ketahanan terhadap korosi—ditargetkan untuk aplikasi LH₂ dan eksplorasi ruang angkasa.
• Pembuatan aditif (PAGI): 3Badan katup bercetak D (Inconel 718) Aktifkan geometri internal yang kompleks (MISALNYA., bellow terintegrasi) yang mengurangi berat badan sebesar 30% vs.. desain pemeran.
  AM juga meningkatkan keseragaman material, mengurangi risiko patah getas.
• Aktuasi Energi Rendah: Aktuator listrik dengan motor dengan rating kriogenik (MISALNYA., motor DC tanpa sikat) mengganti aktuator pneumatik, mengurangi konsumsi energi dan menghilangkan sistem udara bertekanan di fasilitas LNG terpencil.

9. Kesimpulan

Katup kriogenik adalah pahlawan tanpa tanda jasa dalam sistem bersuhu sangat rendah, menerjemahkan prinsip-prinsip teknik yang kompleks menjadi aman, kontrol cairan yang andal.

Desain mereka harus menyeimbangkan ilmu material (kekerasan, pencocokan CTE), teknologi penyegelan (Kencangkan bocor), dan tuntutan operasional (siklus termal, tekanan), semuanya dengan tetap mematuhi standar industri yang ketat.

Dari terminal LNG yang menggerakkan kota hingga mesin roket yang menjelajahi luar angkasa, katup ini memungkinkan efisiensi, penggunaan kriogen yang aman dan penting bagi energi dan teknologi modern.

Saat dunia beralih ke energi yang lebih ramah lingkungan (LNG, hidrogen) dan kemampuan luar angkasa yang canggih, teknologi katup kriogenik akan terus berkembang—didorong oleh kebutuhan akan kinerja yang lebih tinggi, emisi yang lebih rendah, dan daya tahan yang lebih besar.

Untuk insinyur dan operator, memahami nuansa desain katup kriogenik, pemilihan materi, dan pemeliharaan bukan hanya persyaratan teknis namun merupakan keharusan strategis untuk memastikan keberhasilan sistem kriogenik generasi berikutnya.

FAQ

Dapatkah katup konvensional dimodifikasi untuk layanan kriogenik?

Tidak—katup konvensional tidak memiliki fitur penting seperti kap yang diperpanjang, segel suhu rendah, dan komponen yang cocok dengan CTE.

Memodifikasinya (MISALNYA., menambahkan isolasi) berisiko patah getas, kebocoran, atau kegagalan aktuator pada suhu kriogenik.

Berapa tingkat kebocoran maksimum yang diijinkan untuk katup LNG?

Untuk ISO 15848-1 Kelas AH, Katup LNG harus memiliki tingkat emisi buronan ≤ 1 × 10⁻⁹ Pa·m³/s (tingkat kebocoran helium). Hal ini mencegah penumpukan uap LNG yang berbahaya di ruang tertutup.

Mengapa baja tahan karat austenitik lebih disukai daripada baja karbon untuk katup kriogenik??

Baja tahan karat austenitik (304L, 316L) tidak memiliki suhu transisi ulet ke getas (DBTT) di atas -270 ° C., mempertahankan keuletan pada suhu kriogenik.

Baja karbon menjadi rapuh pada ≤ -40 ° C., membuatnya rentan pecah.

Bagaimana katup kriogenik mencegah pembekuan aktuator?

Kap yang diperluas meningkatkan jarak antara cairan kriogenik dan aktuator, menjaga aktuator pada suhu sekitar.

Beberapa desain juga menyertakan pita pemanas listrik atau insulasi di sekitar kap mesin untuk mencegah penumpukan embun beku.

Berapa masa pakai katup kriogenik?

Katup kriogenik yang terpelihara dengan baik (316L tubuh, segel FFKM) memiliki umur layanan 10–20 tahun dalam layanan LNG.

Dalam aplikasi yang lebih menuntut (LH₂, Aerospace), masa pakai adalah 5–10 tahun karena tekanan siklik yang lebih tinggi.