極低温バルブ – カスタムバルブアクセサリーファウンドリ

極低温バルブは、で確実に動作するように設計された特殊な流体制御コンポーネントです 温度≤ -150 ℃ (ASME B31.3およびISOごと 2801) - 材料の脆性のために標準の産業用バルブが故障する範囲, シールの劣化, と熱応力.

これら バルブ 凍結剤の流れを調節します - 液化天然ガスのようなリークフィードガス (LNG, -162 ℃), 液体酸素 (lox, -183 ℃), 液体窒素 (リン, -196 ℃), および液体水素 (lh₂, -253 ℃) - エネルギーにまたがるアプリケーションで, 航空宇宙, 健康管理, および産業処理.

従来のバルブとは異なり, 極低温設計は、独自の課題に対処する必要があります: 極端な熱収縮,

脆性骨折のリスク, 極低温の壊滅的な結果 (例えば, LNGは600倍の液体体積を気化させます, 爆発的な危険を引き起こします).

この記事では、技術から極低温バルブについて説明します, デザイン, および運用上の視点, エンジニアリングの包括的なガイドを提供します, 材料の選択, テスト, および実際のアプリケーション.

1. 極低温バルブとは何ですか: コア関数と運用境界

あ 極低温バルブ を制御するように設計された精密設計デバイスです 流れ, プレッシャー, または極低温液の方向 構造的完全性を維持しながら, 漏れの強さ, での運用上の信頼性 超低温.

従来のバルブとは異なり, 極低温バルブは、特別に耐えるように設計されています 極端な熱収縮, 物質的な腹部, および化学攻撃性 関連する

などの液体があります 液体窒素 (リン), 液化天然ガス (LNG), 液体酸素 (lox), および液体水素 (lh₂).

運用境界

極低温バルブは、従来のバルブ設計の限界を超える条件下で確実に動作する必要があります:

• 温度範囲: 通常 -150°C〜 -273°C, いくつかのデザインで (例えば, lh₂サービス) 以下の温度を許容します -253°C.
• 圧力評価: スパン 低圧システム (≤ 2 MPa, 例えば, ヘルスケアのリン) に 超高圧アプリケーション (≥ 30 MPa, 例えば, 航空宇宙lh₂燃料ライン).
• 漏れ耐性: 非常に低い許容漏れ, 頻繁 ≤ 1 ×10⁻⁹Pa・m³/s (ヘリウム相当, ISOの場合 15848-1), 霜の蓄積を防ぐため, 流体損失, 安全リスク.
• サーマルサイクリング: 周囲温度と極低温の間の繰り返しの移行に耐えなければなりません, で見られるように LNGタンカーの荷重/アンロード または産業用貯蔵サイクル, 構造的完全性を損なうことなく.
• 材料の制約: バルブボディの選択, トリム, シール, ファスナーは抵抗する必要があります 脆さ, 腐食, 水素脆化, および寸法不安定性 熱応力下.

2. 極低温バルブの設計上の課題

極低温バルブは下で動作します 極端なサーマル, 機械的, および化学的条件, 3つの基本的な設計上の制約を課します.

これらに対処するには、信頼性を確保するターゲットを絞ったエンジニアリングソリューションが必要です, 安全性, 長期的なサービスライフ.

熱収縮と応力管理

• チャレンジ: 冷却されたときにすべての材料が契約します, しかし、不一致の熱膨張係数 (CTE) コンポーネント間 (例えば, バルブボディとステム) 破壊的な熱応力を誘発します.
• 例: 316Lステンレススチールバルブボディ (CTE: 13.5 ×10⁻⁶/°C) チタン茎 (CTE: 23.1 ×10⁻⁶/°C) 以上 100 MMの長さは契約します 1.35 mmと 2.31 mm, それぞれ,
  から 20 °Cに -196 ℃, 作成 0.96 mm差. この違いは、茎やダメージシールをつかむことができます.
• エンジニアリングソリューション:

• • マテリアルマッチング: 同様のCTEを持つコンポーネントを選択します (例えば, 316Lボディ + 316lステム) 差動収縮を最小限に抑えるため.
  • 準拠したデザイン: インコルエルのような柔軟な要素を統合します 625 熱膨張/収縮を吸収するためのベローズ.
    ベローズは二次シールとしても機能します, 茎の漏れを防ぎます.
  • 熱絶縁: 真空ジャケット断熱材または閉鎖細胞の極低温フォームを塗布します (例えば, ポリウレタン) 熱の侵入を減らすため, 霜の形成, 周期的な熱応力.

脆性骨折予防

• チャレンジ: 金属は極低温で延性を失う可能性があります, 延性から脆性への移行を受ける (DBTT).
  炭素鋼, 例えば, 周りにDBTTがあります -40 ℃, ln₂またはlh₂サービスに適さないようにします.
• ソリューション:

• • 材料の選択: オーステナイトのステンレス鋼に優先順位を付けます (304L, 316L), ニッケル合金 (インコネル 625), そしてチタン, 以下の延性を保持しています -270 ℃.
  • 衝撃試験: Charpy v-notchを実施します (CVN) ASTM A370ごとのテスト - 最小 27 Jで -196 316Lの°C, 40 Jインコルの場合 625.
  • ストレス最小化: 鋭い角やノッチを避けてください; 丸いフィレットを使用します (半径2 mm以上) ストレス集中を減らすための滑らかな機械加工.

超低温での漏れの強さ

• チャレンジ: 極低温液は低粘度であり、非常に揮発性です; マイクロギャップでさえ、かなりの漏れをもたらす可能性があります.
  従来のエラストマー (例えば, EPDM) 下に脆くなります -50 °Cとシーリング能力を失います.
• ソリューション:

• • 低温エラストマー: パーフルオロエラストマー (ffkm, 例えば, Kalrez® 8085, -200 °Cに 327 ℃) またはガラス繊維強化PTFE (-269 °Cに 260 ℃) 極低温で弾力性を維持します.
  • 金属間シール: 超高圧または酸素サービス用, 軟金属 (アニールされた銅, ofhc銅) 圧縮下で変形して、タイトシールを形成します.
  • ダブルシーリング: 一次シートシールと二次ベローズまたは腺シールを組み合わせて冗長性を提供し、漏れリスクを軽減する.

3. 極低温バルブの種類: 設計とアプリケーションの適合性

極低温バルブは、フロー制御メカニズムによって分類されます, それぞれ特定の機能に最適化されています (オン/オフ, スロットリング, 非ターン). 以下は最も一般的なタイプです:

極低温 ボールバルブ

• デザイン: 中央のボアを備えた球状ボールは90°回転して流れを制御します. 極低温バージョン機能:

• • ブローアウトステム (圧力下で茎の排出を防ぎます).
  • ブローアウトプルーフシート (座席が故障した場合に圧力を緩和するためのベントホール).
  • 真空ジャケットされたボディ (LNGサービス用) ヒートの侵入を最小限に抑えるため.

    

• パフォーマンス: 高速オン/オフ操作 (0.5–2秒), 低圧降下 (フルポートデザイン), そして漏れの強さ (ISO 15848 クラスAH).
• アプリケーション: LNGロード/アンロード, lh₂燃料ライン, および産業極低温移転 (オン/オフサービス).
• 例: LNG端子のAPI 6D極低温ボールバルブ (圧力評価: 150–600 ANSIクラス, 温度: -162 ℃).

極低温 グローブバルブ

• デザイン: プラグ (ディスク) シートに対して直線的に移動して、スロットルフローに移動します. 極低温修正には含まれます:

• • 拡張ボンネット (周囲温度アクチュエータと極低温液の間の距離を増やします, アクチュエータのフリーズアップを防ぎます).
  • バランスの取れたプラグ (ディスクの両側の圧力を均等化することにより、動作トルクを減らします).

    

• パフォーマンス: 優れたスロットリングコントロール (フローターンダウン比: 100:1), しかし、ボールバルブよりも高い圧力低下.
• アプリケーション: 極低温流体調節 (例えば, ロケットエンジンのLOXフロー, MRIクーラーのLINフロー).
• 例: ASME B16.34航空宇宙システム用のグローブバルブ (温度: -253 ℃, プレッシャー: 20–30 MPa).

極低温 ゲートバルブ

• デザイン: スライドゲート (ウェッジまたは平行) フローパスを開く/閉じます. 極低温設計機能:

• • 柔軟なウェッジ (結合せずに熱収縮に対応します).
  • 潤滑された茎 (凍結互換グリースを使用します, 例えば, Krytox®).

    

• パフォーマンス: 低圧降下 (開いたときのフルフロー), 大きな直径に適しています (2–24インチ), しかし、操作が遅い (5–10秒).
• アプリケーション: LNGストレージタンク, 極低温パイプライン, および産業プロセスライン (大きなフローのオン/オフサービス).
• 例: API 600 LNGタンクファーム用のゲートバルブ (プレッシャー: 600 ANSIクラス, 温度: -162 ℃).

極低温 逆止弁

• デザイン: 逆流を防ぐ一方向バルブ, ボールを使用します, ディスク, またはポペット. 極低温バージョンには含まれます:

• • スプリングロードボール (垂直インストールで閉鎖を確認してください, 重力だけでは不十分な場合).
  • ポリマーシート (ffkm) タイトシーリング用.

    

• パフォーマンス: 逆流への高速応答 (0.05–0.2秒), ポンプやタンクに損傷を与える可能性のある極低温逆流の防止.
• アプリケーション: LNGポンプ排出ライン, LOXストレージリターンライン, およびlh₂燃料システム.
• 例: API 594 スプリング荷重ボールチェックバルブ (温度: -196 ℃, プレッシャー: 150 ANSIクラス).

4. 材料の選択: 極低温バルブの信頼性の基礎

材料の選択により、バルブの性能が直接決定されます, 低温の靭性によって導かれるセレクション, CTEマッチング, 凍結剤との化学的互換性. 以下は、コンポーネントによる重要な資料の内訳です:

バルブ本体 (圧力境界)

• オーステナイト系 ステンレス鋼 (316L, 304L):

• • プロパティ: 316L (16–18％Cr, 10-14％があります, 2–3％mo) CVN =を提供します 27 Jで -196 ℃, cte = 13.5 ×10⁻⁶/°C, LNG不純物に対する抵抗 (h₂s, 塩化物).
  • アプリケーション: 一般的な極低温サービス (LNG, リン, lox).

• ニッケル合金 (インコネル 625, モネル 400):

• • インコネル 625 (In-21％Cr-9％i): cvn = 40 Jで -253 ℃, 引張強度= 1,200 MPAで -196 °C- LHHおよび超高圧サービス用のideal.
  • モネル 400 (NI-67％): LOX酸化と海水腐食に抵抗します - 海洋LNGバルブで使用します.

• チタン 合金 (Ti-6Al-4V):

• • プロパティ: 高い強度重量比 (Tensile = 1,100 MPAで -196 ℃), 低密度 (4.5 g/cm3), および水素互換性.
  • アプリケーション: 航空宇宙lh₂バルブ (体重に敏感).

トリム (ディスク, シート, 幹)

• 316Lステンレス鋼 (コールドワーク): 硬度= 250 HV (対. 180 HVアニール), ボール/シートインターフェイスの耐摩耗性の強化.
• ステライト 6: コバルトベースの合金 (CO-270％CR-5％w) 硬度で= 38 HRC- LOX誘発摩耗と酸化を耐えます (LOXバルブシートで使用されます).
• インコネル 718: 高疲労強度のニッケル合金 (10⁷サイクル -196 ℃) - 環状サービスのバルブステム用のideal (例えば, ロケットエンジン).

シール

• ffkm (パーフルオロエラストマー): 弾力性を保持します -200 ℃, 高性能シールで使用されるすべての凍結因子と互換性があります (lh₂, lox).
• 修正されたPTFE: ガラス繊維または青銅製強制PTFEは靭性を改善します (cvn = 5 Jで -196 ℃) - LINおよびLNGサービスのコスト効果.
• 銅/モネルシール: 金属間シーリング用のソフトメタル (超高圧lh₂, 50 MPa) - プラスチック変形を介してタイトなシールを形成します.

ファスナー

• A4-80 (316Lステンレス鋼): 引張強度= 800 MPAで -196 ℃, ISO 898-4に準拠 - 一般的な極低温ボルト/ナットで使用.
• インコネル 718: 引張強度= 1,400 MPAで -253 °C-超高圧ファスナー用 (lh₂システム).

5. テストと認証: 極低温信頼性を確保します

極低温バルブは、業界基準に対するパフォーマンスを検証するために厳しいテストを受けます. 重要なテストには含まれます:

極低温熱サイクリングテスト (ASTM E1457)

バルブは周囲温度の間に循環します (20 ℃) および運用上の極低温温度 (例えば, -162 LNGの°C) 50–100回.

サイクリング後, それらは漏れを検査します, 構造的損傷, および運用機能. パス基準: 目に見える亀裂はありません, リークレート≤ 1 ×10⁻⁹Pa・m³/s.

ヘリウムリークテスト (ISO 15848-1)

漏れ検出のためのゴールドスタンダード - バルブはヘリウムで加圧されます (マイクロギャップに浸透する小分子) 質量分析計でテストされました. クラス:

• クラスAH: ≤ 1 ×10⁻⁹Pa・m³/s (重要なサービス: LNG, lh₂).
• クラスBH: ≤ 1 ×10⁻⁸Pa・m³/s (非クリティカル: リン).

衝撃試験 (ASTM A370)

Charpy V-Notch標本は、バルブ成分から採取されています (体, 幹) 運用温度でテストされました.

最小要件: 27 j 316Lのa -196 ℃, 40 Jインコルの場合 625 で -253 ℃.

圧力テスト (API 598)

バルブにさらされます:

• シェルテスト: 1.5 ×定格圧力 (水または窒素) 身体の完全性を確認するには、漏れや変形はありません.
• シートテスト: 1.1 ×定格圧力 (ヘリウムまたは窒素) シートの緊張を確認するには、リリークレート≤ISOを確認します 15848 制限.

6. アプリケーション: 極低温バルブが不可欠です

極低温バルブは、業界全体で重要な運用を可能にします, それぞれが一意の要件を備えています:

LNG業界 (-162 ℃)

• 液化プラント: ゲートバルブ制御飼料ガスの流れ; グローブバルブスロットル冷媒 (例えば, プロパン) 冷却サイクルで.
• タンカーとターミナル: ボールバルブは、LNGの負荷/アンロードを処理します (速いオン/オフ, 漏れの強さ); バルブをチェックして、トランスファーラインの逆流を防ぎます.
• 再生施設: グローブバルブはLNG蒸発を調節します (スロットリングコントロール); ボールバルブは、貯蔵タンクを分離します.

航空宇宙と防衛 (-183 °Cに -253 ℃)

• ロケット推進: グローブバルブスロットルロックスとlh₂エンジンに流れます (高圧, 30 MPa); バルブをチェックして、燃料の逆流を防ぎます.
• 衛星冷却: ミニチュアボールバルブ (1/4–1/2インチ) 衛星熱管理のためのリンフローを制御します (低圧, ≤ 2 MPa).

ヘルスケアと研究 (-196 ℃)

• MRIマシン: 小チェックバルブはLINの流れを調整して、超伝導磁石を冷却する (磁石の消光を避けるために漏れの強さが重要です).
• 凍結保存: Globe Valves Throttle Lin/LH₂生物学的サンプル貯蔵のためのフロー (正確な温度制御).

産業処理 (-78 °Cに -196 ℃)

• 化学製造: ボールバルブは、液体CO₂を処理します (-78 ℃) 炭酸化プロセス; ゲートバルブは極低温溶媒を制御します (例えば, 液体エタン).
• 金属処理: グローブバルブは、熱処理のためにLINの流れを調節します (例えば, 鋼の極低温硬化).

7. メンテナンスと寿命の考慮事項

極低温バルブは、長いサービス寿命を確保するために特別なメンテナンスが必要です (10よく維持されたユニットでは20年):

定期的な検査

• リークチェック: シールの毎月のヘリウムリークテスト (茎と体の関節に焦点を当てます) 早期の劣化を検出する.
• 霜の蓄積: 断熱材の損傷の検査 - バルブ本体の霜は加熱を示します (断熱材をすぐに交換してください).
• アクチュエータ機能: 滑らかな動作を確保するために、周囲および極低温の温度で電気/空気圧アクチュエーターをテストします (必要に応じて、加熱テープでアクチュエーターのフリーズアップを避けてください).

予防保守

• シールの交換: FFKMシールは、周期的サービスで2〜3年間シールしています; 1〜2年ごとにPTFEシールを交換します (漏れが制限を超える場合、より早く).
• 潤滑: Cryo互換グリースを使用してください (例えば, DupontKrytox®Gpl 227) 茎と可動部品には、ミネラルオイルを回避します (彼らは極低温臨床で固化します).
• 熱応力緩和: 主要なメンテナンスの後 (例えば, 体の修理), 単一の熱サイクルを実行します (アンビエント -196 ℃) 残留応力を緩和するため.

一般的な障害モードとソリューション

8. 極低温バルブ技術の将来の傾向

極低温バルブの革新は、LNGの需要の高まりによって推進されています, 水素エネルギー, および航空宇宙探査:

• スマートクリージェニックバルブ: センサーを統合します (温度, プレッシャー, 振動) 漏れレートとコンポーネントの健康をリアルタイムで監視するためのIoT接続.
  例えば, バルブボディに埋め込まれた光ファイバーセンサーは、亀裂が発生する前に熱応力を検出します.
• 先端材料: 高エントロピー合金 (HEAで, 例えば, Alcocrfeni) で優れたタフネスを提供します -270 ℃ (cvn = 50 J) および腐食抵抗 - lh₂および宇宙探査アプリケーション用にターゲットにされています.
• 積層造形 (午前): 3D印刷されたバルブボディ (インコネル 718) 複雑な内部ジオメトリを有効にします (例えば, 統合ベローズ) 重量を減らします 30% 対. キャストデザイン.
  また、材料の均一性も向上します, 脆性骨折のリスクを減らす.
• 低エネルギーの作動: 極低温モーターを備えた電気アクチュエーター (例えば, ブラシレスDCモーター) 空気圧アクチュエーターを交換します, エネルギー消費を削減し、リモートLNG施設の圧縮空気システムを排除する.

9. 結論

極低温バルブは、超低温度システムの名もなきヒーローです, 複雑なエンジニアリングの原則を安全に変換します, 信頼できる流体制御.

彼らのデザインは、材料科学のバランスをとる必要があります (靭性, CTEマッチング), シーリングテクノロジー (漏れの強さ), および運用上の要求 (サーマルサイクリング, プレッシャー), 厳格な業界基準に準拠している間.

LNGターミナルから電源を張る都市からスペースを探索するロケットエンジンまで, これらのバルブは効率的になります, 現代のエネルギーとテクノロジーにとって重要な凍結因子の安全な使用.

世界がよりきれいなエネルギーにシフトするにつれて (LNG, 水素) 高度な航空宇宙能力, 極低温バルブ技術は進化し続けます。, 排出量が少ない, 耐久性が向上します.

エンジニアとオペレーター向け, 極低温バルブ設計のニュアンスを理解する, 材料の選択, そして、メンテナンスは単なる技術的要件ではなく、次世代の極低温システムの成功を保証するための戦略的な義務です.

よくある質問

従来のバルブは極低温サービスのために変更できますか?

いいえ - 拡張ボンネットなどの重要な機能があります, 低温シール, CTEマッチングコンポーネント.

それらを変更します (例えば, 断熱材の追加) 脆性骨折のリスク, 漏れ, または極低温でのアクチュエータの故障.

LNGバルブの最大許容漏れ速度はいくらですか?

ISOの場合 15848-1 クラスAH, LNGバルブには、逃亡率授与率≤が必要です 1 ×10⁻⁹Pa・m³/s (ヘリウムリークレート). これにより、囲まれた空間での危険なLNG蒸気の蓄積が防止されます.

オーステナイトのステンレス鋼が極低温バルブのために炭素鋼よりも好まれるのはなぜですか?

オーステナイト系ステンレス鋼 (304L, 316L) 延性から脆性の移行温度はありません (DBTT) その上 -270 ℃, 極低温での延性を保持します.

炭素鋼は≤で脆くなります -40 ℃, 粉砕する傾向があります.

極低温バルブは、どのようにアクチュエータの凍結を防ぐことができます?

拡張ボンネットは極低温液とアクチュエータの間の距離を増やします, アクチュエータを周囲温度に保ちます.

一部のデザインには、霜の蓄積を防ぐためにボンネットの周りの電気暖房テープや断熱材も含まれています.

極低温バルブのサービス寿命は何ですか?

よく維持された極低温バルブ (316Lボディ, FFKMシール) LNGサービスで10〜20年のサービス寿命を持っている.

より厳しいアプリケーションで (lh₂, 航空宇宙), 循環応力が高いため、サービス寿命は5〜10年です.