วาล์วแช่แข็ง – Foundry อุปกรณ์เสริมวาล์วที่กำหนดเอง

วาล์วแช่แข็งเป็นส่วนประกอบควบคุมของเหลวเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ อุณหภูมิ≤ -150 องศาเซลเซียส (ต่อ ASME B31.3 และ ISO 2801)- ช่วงที่วาล์วอุตสาหกรรมมาตรฐานล้มเหลวเนื่องจากความเปราะบางของวัสดุ, การเสื่อมสภาพของตราประทับ, และความเครียดจากความร้อน.

เหล่านี้ วาล์ว ควบคุมการไหลของ cryogens - ก๊าซที่มีผลกระทบเช่นเดียวกับก๊าซธรรมชาติเหลว (แอลเอ็นจี, -162 องศาเซลเซียส), ออกซิเจนเหลว (คนอื่น ๆ, -183 องศาเซลเซียส), ไนโตรเจนเหลว (หลิน, -196 องศาเซลเซียส), และไฮโดรเจนเหลว (lh₂, -253 องศาเซลเซียส)- ในการใช้งานที่ครอบคลุมพลังงาน, การบินและอวกาศ, การดูแลสุขภาพ, และการแปรรูปอุตสาหกรรม.

ไม่เหมือนวาล์วทั่วไป, การออกแบบที่แช่แข็งจะต้องจัดการกับความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร: การหดตัวทางความร้อนที่รุนแรง,

ความเสี่ยงของการแตกหักเปราะ, และผลที่ตามมาจากความหายนะของการรั่วไหลของ cryogen (เช่น, LNG ไอได้ 600x ปริมาณของเหลว, การสร้างอันตรายจากการระเบิด).

บทความนี้สำรวจวาล์ว cryogenic จากทางเทคนิค, ออกแบบ, และมุมมองการดำเนินงาน, ให้คำแนะนำที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวิศวกรรมของพวกเขา, การเลือกใช้วัสดุ, การทดสอบ, และแอปพลิเคชันโลกแห่งความเป็นจริง.

1. วาล์วแช่แข็งคืออะไร: ฟังก์ชั่นหลักและขอบเขตการปฏิบัติงาน

ก วาล์วแช่แข็ง เป็นอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำออกแบบมาเพื่อควบคุม ไหล, ความดัน, หรือทิศทางของของเหลวแช่แข็ง ในขณะที่รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้าง, ความหนาแน่นของการรั่วไหล, และความน่าเชื่อถือในการดำเนินงานที่ อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ.

ไม่เหมือนวาล์วทั่วไป, วาล์วแช่แข็งได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อทนต่อ การหดตัวทางความร้อนที่รุนแรง, วัสดุ embrittlement, และความก้าวร้าวทางเคมี ที่เกี่ยวข้อง

ด้วยของเหลวเช่น ไนโตรเจนเหลว (หลิน), ก๊าซธรรมชาติเหลว (แอลเอ็นจี), ออกซิเจนเหลว (คนอื่น ๆ), และไฮโดรเจนเหลว (lh₂).

ขอบเขตปฏิบัติการ

วาล์วแช่แข็งจะต้องทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือภายใต้เงื่อนไขที่เกินขีด จำกัด ของการออกแบบวาล์วทั่วไป:

• ช่วงอุณหภูมิ: โดยทั่วไป −150 ° C ถึง −273 ° C, ด้วยการออกแบบบางอย่าง (เช่น, บริการlh₂) ทนต่ออุณหภูมิด้านล่าง −253 ° C.
• อันดับความดัน: ช่วง ระบบแรงดันต่ำ (≤ 2 MPa, เช่น, หลินในการดูแลสุขภาพ) ถึง แอปพลิเคชันแรงดันสูงเป็นพิเศษ (≥ 30 MPa, เช่น, สายการบินและอวกาศ).
• ความอดทนรั่ว: การรั่วไหลที่อนุญาตต่ำมาก, บ่อยครั้ง ≤ 1 ×10⁻⁹ pa ·m³/s (ฮีเลียมเทียบเท่า, สำหรับ ISO 15848-1), เพื่อป้องกันการสะสมน้ำค้างแข็ง, การสูญเสียของเหลว, และความเสี่ยงด้านความปลอดภัย.
• การปั่นจักรยานความร้อน: ต้องอดทนต่อการเปลี่ยนแปลงซ้ำ ๆ ระหว่างอุณหภูมิโดยรอบและอุณหภูมิแช่แข็ง, เท่าที่เห็นใน LNG Tanker Loading/Unloading หรือรอบการจัดเก็บอุตสาหกรรม, โดยไม่ลดทอนความสมบูรณ์ของโครงสร้าง.
• ข้อจำกัดด้านวัสดุ: การเลือกร่างกายวาล์ว, เล็ม, แมวน้ำ, และตัวยึดจะต้องต้านทาน ความเปราะบาง, การกัดกร่อน, การแตกตัวของไฮโดรเจน, และความไม่แน่นอนของมิติ ภายใต้ความเครียดจากความร้อน.

2. การออกแบบความท้าทายในวาล์วแช่แข็ง

วาล์วแช่แข็งทำงานภายใต้ ความร้อนที่รุนแรง, เครื่องกล, และเงื่อนไขทางเคมี, ซึ่งกำหนดข้อ จำกัด การออกแบบขั้นพื้นฐานสามข้อ.

การจัดการกับสิ่งเหล่านี้ต้องการโซลูชั่นวิศวกรรมเป้าหมายที่มั่นใจในความน่าเชื่อถือ, ความปลอดภัย, และอายุการใช้งานระยะยาว.

การหดตัวด้วยความร้อนและการจัดการความเครียด

• ท้าทาย: วัสดุทั้งหมดทำสัญญาเมื่อเย็นลง, แต่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกัน (ซีทีอี) ระหว่างส่วนประกอบ (เช่น, ร่างกายวาล์วและลำต้น) กระตุ้นความเครียดจากความร้อนที่ทำลายล้าง.
• ตัวอย่าง: ตัววาล์วสแตนเลส 316L (ซีทีอี: 13.5 ×10⁻⁶/° C) และก้านไทเทเนียม (ซีทีอี: 23.1 ×10⁻⁶/° C) เกิน 100 ความยาวมิลลิเมตรจะทำสัญญา 1.35 มม. และ 2.31 มม, ตามลำดับ,
  จาก 20 ° C ถึง -196 องศาเซลเซียส, การสร้างไฟล์ 0.96 mm differential. ความแตกต่างนี้สามารถยึดแมวน้ำลำต้นหรือความเสียหาย.
• โซลูชั่นวิศวกรรม:

• • การจับคู่วัสดุ: เลือกส่วนประกอบที่มี CTE ที่คล้ายกัน (เช่น, 316l ร่างกาย + 316L ลำต้น) เพื่อลดการหดตัวที่แตกต่างกัน.
  • การออกแบบที่สอดคล้อง: รวมองค์ประกอบที่ยืดหยุ่นเช่น Inconel 625 สูบลมเพื่อดูดซับการขยายตัวของความร้อน/การหดตัว.
    เครื่องสูบลมยังทำหน้าที่เป็นแมวน้ำรอง, ป้องกันการรั่วไหลของลำต้น.
  • ฉนวนกันความร้อน: ใช้ฉนวนกันความร้อนแบบแจ็คเก็ตสูญญากาศหรือโฟม cryogenic เซลล์ปิด (เช่น, โพลียูรีเทน) เพื่อลดการเข้าสู่ความร้อน, การก่อตัวของน้ำค้างแข็ง, และความเครียดจากความร้อนด้วยวงจร.

การป้องกันการแตกหักแบบเปราะ

• ท้าทาย: โลหะสามารถสูญเสียความเหนียวที่อุณหภูมิแช่แข็ง, ระหว่างการเปลี่ยนผ่านที่เหนียว (DBTT).
  เหล็กกล้าคาร์บอน, ตัวอย่างเช่น, มี DBTT อยู่รอบ ๆ -40 องศาเซลเซียส, ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับบริการln₂หรือlh₂.
• โซลูชั่น:

• • การเลือกใช้วัสดุ: จัดลำดับความสำคัญ (304ล, 316ล), โลหะผสมนิกเกิล (อินโคเนล 625), และไทเทเนียม, ซึ่งรักษาความเหนียวด้านล่าง -270 องศาเซลเซียส.
  • การทดสอบแรงกระแทก: ดำเนินการ charpy v-notch (CVN) การทดสอบต่อ ASTM A370 - MINIMUM 27 j ที่ -196 ° C สำหรับ 316L, 40 j for Inconel 625.
  • การลดความเครียด: หลีกเลี่ยงมุมที่คมชัดหรือรอยบาก; ใช้เนื้อกลม (รัศมี≥2มม.) และการตัดเฉือนที่เรียบเพื่อลดความเข้มข้นของความเครียด.

ความหนาแน่นรั่วที่อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ

• ท้าทาย: ของเหลวแช่แข็งมีความหนืดต่ำและมีความผันผวนสูง; แม้แต่ช่องว่างขนาดเล็กก็อาจส่งผลให้เกิดการรั่วไหลอย่างมีนัยสำคัญ.
  อีลาสโตเมอร์ทั่วไป (เช่น, อีพีดีเอ็ม) เปราะด้านล่าง -50 ° C และสูญเสียความสามารถในการปิดผนึก.
• โซลูชั่น:

• • อีลาสโตเมอร์อุณหภูมิต่ำ: perfluoroelastomers (ffkm, เช่น, Kalrez® 8085, -200 ° C ถึง 327 องศาเซลเซียส) หรือ PTFE เสริมใยแก้ว (-269 ° C ถึง 260 องศาเซลเซียส) รักษาความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิแช่แข็ง.
  • ซีลโลหะกับโลหะ: สำหรับบริการความดันสูงเป็นพิเศษหรือออกซิเจน, โลหะอ่อน (ทองแดงอบอ่อน, OFHC Copper) เสียรูปภายใต้การบีบอัดเพื่อสร้างซีลที่แน่น.
  • การปิดผนึกสองครั้ง: รวมซีลที่นั่งหลักเข้ากับเครื่องสูบลมทุติยภูมิหรือซีลต่อมเพื่อให้ความซ้ำซ้อนและลดความเสี่ยงการรั่วไหล.

3. ประเภทของวาล์วแช่แข็ง: การออกแบบและความเหมาะสมของแอปพลิเคชัน

วาล์วแช่แข็งถูกจัดหมวดหมู่โดยกลไกการควบคุมการไหลของพวกเขา, แต่ละรายการที่เหมาะสมสำหรับฟังก์ชั่นเฉพาะ (เปิด/ปิด, การควบคุมปริมาณ, ไม่กลับมาอีก). ด้านล่างนี้เป็นประเภทที่พบบ่อยที่สุด:

แช่แข็ง บอลวาล์ว

• ออกแบบ: ลูกบอลทรงกลมที่มีเจาะกลางหมุน 90 °เพื่อควบคุมการไหล. คุณลักษณะของเวอร์ชันแช่แข็ง:

• • ลำต้นต่อต้านการระเบิด (ป้องกันการปลดลำต้นภายใต้ความกดดัน).
  • ที่นั่งป้องกันการระเบิด (ช่องระบายอากาศเพื่อบรรเทาแรงกดดันหากที่นั่งล้มเหลว).
  • หุ่นยนต์แจ็คเก็ต (สำหรับบริการ LNG) เพื่อลดการเข้าสู่ความร้อน.

    

• ผลงาน: เปิด/ปิดการทำงานอย่างรวดเร็ว (0.5–2 วินาที), แรงดันต่ำลดลง (การออกแบบพอร์ตเต็มรูปแบบ), และความหนาแน่นรั่วไหล (ไอเอสโอ 15848 คลาส AH).
• การใช้งาน: LNG โหลด/ขนถ่าย, สายเชื้อเพลิงlh₂, และการถ่ายโอนแช่แข็งอุตสาหกรรม (บริการเปิด/ปิด).
• ตัวอย่าง: API 6D วาล์วบอล cryogenic สำหรับเทอร์มินัล LNG (คะแนนความดัน: 150–600 คลาส Ansi, อุณหภูมิ: -162 องศาเซลเซียส).

แช่แข็ง โกลบวาล์ว

• ออกแบบ: ปลั๊ก (แผ่นดิสก์) เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงกับที่นั่งเพื่อไหลเวียนคันเร่ง. การดัดแปลงแช่แข็งรวมถึง:

• • Bonnets ขยาย (เพิ่มระยะห่างระหว่างแอคชูเอเตอร์อุณหภูมิโดยรอบและของเหลวแช่แข็ง, การป้องกันแอคทูเอเตอร์แช่แข็ง).
  • ปลั๊กที่สมดุล (ลดแรงบิดในการทำงานโดยการทำให้แรงดันเท่ากันทั้งสองด้านของแผ่นดิสก์).

    

• ผลงาน: การควบคุมการควบคุมปริมาณที่ยอดเยี่ยม (อัตราส่วนการไหลของการไหล: 100:1), แต่ความดันลดลงกว่าวาล์วบอล.
• การใช้งาน: กฎระเบียบของเหลวแช่แข็ง (เช่น, Lox Flow ในเครื่องยนต์จรวด, หลินไหลในคูลเลอร์ MRI).
• ตัวอย่าง: ASME B16.34 วาล์วลูกโลกสำหรับระบบการบินและอวกาศLH₂ระบบ (อุณหภูมิ: -253 องศาเซลเซียส, ความดัน: 20–30 MPa).

แช่แข็ง วาล์วประตู

• ออกแบบ: ประตูเลื่อน (ลิ่มหรือขนาน) เปิด/ปิดเส้นทางการไหล. คุณสมบัติการออกแบบแช่แข็ง:

• • เวดจ์ยืดหยุ่น (รองรับการหดตัวด้วยความร้อนโดยไม่ผูกพัน).
  • ลำต้นหล่อลื่น (ใช้จาระบีที่เข้ากันได้กับ cryo, เช่น, Krytox®).

    

• ผลงาน: แรงดันต่ำลดลง (ไหลเต็มเมื่อเปิด), เหมาะสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ (2–24 นิ้ว), แต่การทำงานช้า (5–10 วินาที).
• การใช้งาน: ถังเก็บ LNG, ท่อแช่แข็ง, และสายกระบวนการอุตสาหกรรม (บริการเปิด/ปิดสำหรับการไหลขนาดใหญ่).
• ตัวอย่าง: เอพีไอ 600 ประตูวาล์วสำหรับฟาร์มถัง LNG (ความดัน: 600 คลาส ANSI, อุณหภูมิ: -162 องศาเซลเซียส).

แช่แข็ง ตรวจสอบวาล์ว

• ออกแบบ: วาล์วทางเดียวป้องกันการไหลย้อนกลับ, ใช้ลูกบอล, แผ่นดิสก์, หรือป๊อปพ็อต. เวอร์ชันแช่แข็งรวมถึง:

• • ลูกบอลสปริงโหลด (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปิดการติดตั้งแนวตั้ง, ที่ซึ่งแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอ).
  • ที่นั่งพอลิเมอร์ (ffkm) สำหรับการปิดผนึกแน่น.

    

• ผลงาน: การตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการไหลย้อนกลับ (0.05–0.2 วินาที), การป้องกันการไหลย้อนกลับของ cryogen ที่อาจสร้างความเสียหายต่อปั๊มหรือถัง.
• การใช้งาน: สายปล่อยปั๊ม LNG, Lox Storage Return Lines, และระบบเชื้อเพลิงLH₂.
• ตัวอย่าง: เอพีไอ 594 วาล์วตรวจสอบลูกบอลสปริงโหลด (อุณหภูมิ: -196 องศาเซลเซียส, ความดัน: 150 คลาส ANSI).

4. การเลือกใช้วัสดุ: รากฐานของความน่าเชื่อถือของวาล์วแช่แข็ง

ตัวเลือกวัสดุจะกำหนดประสิทธิภาพของวาล์วโดยตรง, ด้วยตัวเลือกที่ได้รับการชี้นำจากความเหนียวอุณหภูมิต่ำ, การจับคู่ CTE, และความเข้ากันได้ทางเคมีกับ cryogens. ด้านล่างคือการแยกส่วนของวัสดุสำคัญโดยส่วนประกอบ:

ตัววาล์ว (ขอบเขตความดัน)

• ออสเตนนิติก สแตนเลส (316ล, 304ล):

• • คุณสมบัติ: 316ล (16–18% cr, 10-14% มี, 2–3% mo) เสนอ cvn = 27 j ที่ -196 องศาเซลเซียส, CTE = 13.5 ×10⁻⁶/° C, และความต้านทานต่อสิ่งสกปรก LNG (h₂s, คลอไรด์).
  • การใช้งาน: บริการแช่แข็งทั่วไป (แอลเอ็นจี, หลิน, คนอื่น ๆ).

• โลหะผสมนิกเกิล (อินโคเนล 625, โมเนล 400):

• • อินโคเนล 625 (in-21% cr-9% i): cvn = 40 j ที่ -253 องศาเซลเซียส, แรงดึง = 1,200 MPA ที่ -196 ° C-เหมาะสำหรับบริการLH₂และความดันสูงเป็นพิเศษ.
  • โมเนล 400 (Ni-67% กับ): ต่อต้านการเกิดออกซิเดชันของ LOX และการกัดกร่อนน้ำทะเล - ใช้ในวาล์ว LNG ทางทะเล.

• ไทเทเนียม โลหะผสม (Ti-6Al-4V):

• • คุณสมบัติ: อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง (แรงดึง = 1,100 MPA ที่ -196 องศาเซลเซียส), ความหนาแน่นต่ำ (4.5 กรัม/ซม.³), และความเข้ากันได้ของไฮโดรเจน.
  • การใช้งาน: การบินและอวกาศLH₂วาล์ว (ไวต่อน้ำหนัก).

ตัดแต่ง (แผ่นดิสก์, ที่นั่ง, ก้าน)

• 316L สแตนเลส (ทำงานเย็น): ความแข็ง = 250 เอชวี (เทียบกับ. 180 HV อบอ่อน), เพิ่มความต้านทานการสึกหรอสำหรับอินเทอร์เฟซบอล/ที่นั่ง.
• สเตลไลท์ 6: โลหะผสมที่ใช้โคบอลต์ (CO-270% CR-5% W) ด้วยความแข็ง = 38 HRC-การสึกหรอและการเกิดออกซิเดชันที่เกิดจาก LOX (ใช้ในที่นั่งวาล์ว Lox).
• อินโคเนล 718: โลหะผสมนิกเกิลที่มีความแข็งแรงสูง (10⁷รอบที่ -196 องศาเซลเซียส)- เหมาะสำหรับลำต้นวาล์วในบริการวงจร (เช่น, เครื่องยนต์จรวด).

ซีล

• ffkm (perfluoroelastomers): รักษาความยืดหยุ่นลงไป -200 องศาเซลเซียส, เข้ากันได้กับ cryogens ทั้งหมด-ใช้ในซีลประสิทธิภาพสูง (lh₂, คนอื่น ๆ).
• แก้ไข PTFE: PTFE ที่เสริมด้วยแก้วหรือบรอนซ์ช่วยเพิ่มความทนทาน (cvn = 5 j ที่ -196 องศาเซลเซียส)-คุ้มค่าสำหรับบริการ LIN และ LNG.
• ซีลทองแดง/monel: โลหะอ่อนสำหรับการปิดผนึกโลหะกับโลหะ (LH₂ความดันสูงเป็นพิเศษ, 50 MPa)- ฟอร์มซีลแน่นผ่านการเปลี่ยนรูปพลาสติก.

รัด

• A4-80 (316L สแตนเลส): แรงดึง = 800 MPA ที่ -196 องศาเซลเซียส, สอดคล้องกับ ISO 898-4-ใช้สำหรับสลักเกลียว/ถั่วแช่แข็งทั่วไป.
• อินโคเนล 718: แรงดึง = 1,400 MPA ที่ -253 ° C-สำหรับตัวยึดแรงดันสูงเป็นพิเศษ (ระบบLH₂).

5. การทดสอบและการรับรอง: สร้างความมั่นใจในความน่าเชื่อถือของแช่แข็ง

วาล์วแช่แข็งได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานกับมาตรฐานอุตสาหกรรม. การทดสอบที่สำคัญรวมถึง:

การทดสอบการปั่นจักรยานความร้อนแช่แข็ง (ASTM E1457)

วาล์วจะขี่จักรยานระหว่างอุณหภูมิแวดล้อม (20 องศาเซลเซียส) และอุณหภูมิแช่แข็งในการดำเนินงาน (เช่น, -162 ° C สำหรับ lng) 50–100 ครั้ง.

หลังจากขี่จักรยาน, พวกเขาได้รับการตรวจสอบการรั่วไหล, ความเสียหายเชิงโครงสร้าง, และฟังก์ชั่นการปฏิบัติงาน. ผ่านเกณฑ์: ไม่มีรอยแตกที่มองเห็นได้, อัตราการรั่วไหล≤ 1 ×10⁻⁹ pa ·m³/s.

การทดสอบการรั่วไหลของฮีเลียม (ไอเอสโอ 15848-1)

มาตรฐานทองคำสำหรับการตรวจจับการรั่วไหล - วาล์วถูกดันด้วยฮีเลียม (โมเลกุลขนาดเล็กที่แทรกซึมช่องว่างขนาดเล็ก) และทดสอบด้วยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวล. ชั้นเรียน:

• คลาส AH: ≤ 1 ×10⁻⁹ pa ·m³/s (บริการที่สำคัญ: แอลเอ็นจี, lh₂).
• ชั้น BH: ≤ 1 ×10⁻⁸ pa ·m³/s (ไม่สำคัญ: หลิน).

การทดสอบแรงกระแทก (ASTM A370)

ตัวอย่าง charpy v-notch นำมาจากส่วนประกอบวาล์ว (ร่างกาย, ลำต้น) และทดสอบที่อุณหภูมิการปฏิบัติงาน.

ข้อกำหนดขั้นต่ำ: 27 j สำหรับ 316L ที่ -196 องศาเซลเซียส, 40 j for Inconel 625 ที่ -253 องศาเซลเซียส.

การทดสอบแรงดัน (เอพีไอ 598)

วาล์วอยู่ภายใต้:

• การทดสอบเปลือกหอย: 1.5 ×ความดันที่ได้รับการจัดอันดับ (น้ำหรือไนโตรเจน) เพื่อตรวจสอบความสมบูรณ์ของร่างกาย - ไม่มีการรั่วไหลหรือการเสียรูป.
• การทดสอบที่นั่ง: 1.1 ×ความดันที่ได้รับการจัดอันดับ (ฮีเลียมหรือไนโตรเจน) เพื่อตรวจสอบความหนาแน่นของที่นั่ง - อัตราดอกเบี้ย≤ iso 15848 ขีด จำกัด.

6. การใช้งาน: ที่วาล์วแช่แข็งนั้นขาดไม่ได้

วาล์วแช่แข็งช่วยให้การดำเนินงานที่สำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ, แต่ละคนมีข้อกำหนดเฉพาะ:

อุตสาหกรรม LNG (-162 องศาเซลเซียส)

• พืชเหลว: วาล์วเกตควบคุมการไหลของก๊าซฟีด; ลูกโลกวาล์วเค้นสารทำความเย็น (เช่น, โพรเพน) ในรอบการระบายความร้อน.
• เรือบรรทุกน้ำมันและขั้ว: วาล์วบอลจัดการการโหลด/ขนถ่าย LNG (เปิด/ปิดอย่างรวดเร็ว, ความหนาแน่นของการรั่วไหล); ตรวจสอบวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับในสายการถ่ายโอน.
• สิ่งอำนวยความสะดวกในการสร้างใหม่: วาล์วลูกโลกควบคุมการระเหยของ LNG (การควบคุมการควบคุมปริมาณ); บอลวาล์วแยกถังเก็บ.

การบินและอวกาศและกลาโหม (-183 ° C ถึง -253 องศาเซลเซียส)

• การขับเคลื่อนจรวด: Globe Valves Throttle Lox และLH₂ไหลไปยังเครื่องยนต์ (แรงกดดันสูง, 30 MPa); ตรวจสอบวาล์วป้องกันการไหลย้อนกลับของน้ำมันเชื้อเพลิง.
• การระบายความร้อนด้วยดาวเทียม: วาล์วลูกบอลขนาดเล็ก (1/4–1/2 นิ้ว) control LIN flow for satellite thermal management (แรงดันต่ำ, ≤ 2 MPa).

การดูแลสุขภาพและการวิจัย (-196 องศาเซลเซียส)

• MRI Machines: Small check valves regulate LIN flow to cool superconducting magnets (leak tightness critical to avoid magnet quenching).
• Cryopreservation: Globe valves throttle LIN/LH₂ flow for biological sample storage (precise temperature control).

การแปรรูปอุตสาหกรรม (-78 ° C ถึง -196 องศาเซลเซียส)

• Chemical Manufacturing: Ball valves handle liquid CO₂ (-78 องศาเซลเซียส) in carbonation processes; gate valves control cryogenic solvents (เช่น, liquid ethane).
• Metal Processing: Globe valves regulate LIN flow for heat treatment (เช่น, cryogenic hardening of steel).

7. การบำรุงรักษาและการพิจารณาอายุการใช้งาน

Cryogenic valves require specialized maintenance to ensure long service life (10–20 years for well-maintained units):

การตรวจสอบตามปกติ

• Leak Checks: Monthly helium leak testing of seals (focus on stem and body joints) to detect early degradation.
• Frost Buildup: Inspect insulation for damage—frost on the valve body indicates heat ingress (replace insulation immediately).
• Actuator Function: Test electric/pneumatic actuators at ambient and cryogenic temperatures to ensure smooth operation (avoid actuator freeze-up with heating tapes if needed).

การบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

• การเปลี่ยนตราประทับ: FFKM seals last 2–3 years in cyclic service; replace PTFE seals every 1–2 years (sooner if leakage exceeds limits).
• การหล่อลื่น: Use cryo-compatible grease (เช่น, DuPont Krytox® GPL 227) on stems and moving parts—avoid mineral oils (they solidify at cryogenic temps).
• Thermal Stress Relief: After major maintenance (เช่น, body repair), perform a single thermal cycle (ambient to -196 องศาเซลเซียส) to relieve residual stress.

โหมดความล้มเหลวทั่วไปและโซลูชัน

8. แนวโน้มในอนาคตของเทคโนโลยีวาล์วแช่แข็ง

Innovation in cryogenic valves is driven by the growing demand for LNG, hydrogen energy, and aerospace exploration:

• Smart Cryogenic Valves: Integrate sensors (อุณหภูมิ, ความดัน, การสั่นสะเทือน) and IoT connectivity to monitor leak rates and component health in real time.
  ตัวอย่างเช่น, fiber-optic sensors embedded in valve bodies detect thermal stress before cracking occurs.
• วัสดุขั้นสูง: โลหะผสมเอนโทรปีสูง (ใน HEA, เช่น, AlCoCrFeNi) offer superior toughness at -270 องศาเซลเซียส (cvn = 50 เจ) and corrosion resistance—targeted for LH₂ and space exploration applications.
• การผลิตสารเติมแต่ง (เช้า): 3D-printed valve bodies (อินโคเนล 718) เปิดใช้งานรูปทรงภายในที่ซับซ้อน (เช่น, integrated bellows) that reduce weight by 30% เทียบกับ. cast designs.
  AM also improves material uniformity, reducing brittle fracture risk.
• Low-Energy Actuation: Electric actuators with cryogenic-rated motors (เช่น, brushless DC motors) replace pneumatic actuators, reducing energy consumption and eliminating compressed air systems in remote LNG facilities.

9. บทสรุป

Cryogenic valves are the unsung heroes of ultra-low-temperature systems, translating complex engineering principles into safe, reliable fluid control.

Their design must balance material science (ความเหนียว, การจับคู่ CTE), sealing technology (ความหนาแน่นของการรั่วไหล), and operational demands (การปั่นจักรยานความร้อน, ความดัน), all while complying with strict industry standards.

From LNG terminals powering cities to rocket engines exploring space, these valves enable the efficient, safe use of cryogens that are critical to modern energy and technology.

As the world shifts toward cleaner energy (แอลเอ็นจี, ไฮโดรเจน) and advanced aerospace capabilities, cryogenic valve technology will continue to evolve—driven by the need for higher performance, lower emissions, and greater durability.

For engineers and operators, understanding the nuances of cryogenic valve design, การเลือกใช้วัสดุ, and maintenance is not just a technical requirement but a strategic imperative to ensure the success of next-generation cryogenic systems.

คำถามที่พบบ่อย

วาล์วธรรมดาสามารถแก้ไขได้สำหรับบริการแช่แข็ง?

No—conventional valves lack critical features like extended bonnets, low-temperature seals, and CTE-matched components.

Modifying them (เช่น, adding insulation) risks brittle fracture, การรั่วไหล, or actuator failure at cryogenic temperatures.

อัตราการรั่วไหลสูงสุดที่อนุญาตสำหรับวาล์ว LNG คืออะไร?

Per ISO 15848-1 คลาส AH, LNG valves must have a fugitive emission rate ≤ 1 ×10⁻⁹ pa ·m³/s (helium leak rate). This prevents hazardous LNG vapor buildup in enclosed spaces.

เหตุใดสแตนเลสสตีลออสเทนนิติกจึงต้องการมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนสำหรับวาล์วแช่แข็ง?

สแตนเลสสตีลออสเทนนิติก (304ล, 316ล) have no ductile-to-brittle transition temperature (DBTT) ข้างบน -270 องศาเซลเซียส, retaining ductility at cryogenic temperatures.

Carbon steel becomes brittle at ≤ -40 องศาเซลเซียส, making it prone to shattering.

วาล์วแช่แข็งจะป้องกันการแช่แข็งแบบแอคทูเอเตอร์ได้อย่างไร?

Extended bonnets increase the distance between the cryogenic fluid and actuator, keeping the actuator at ambient temperature.

Some designs also include electric heating tapes or insulation around the bonnet to prevent frost buildup.

อายุการใช้งานของวาล์วแช่แข็งคืออะไร?

Well-maintained cryogenic valves (316l ร่างกาย, FFKM seals) have a service life of 10–20 years in LNG service.

In more demanding applications (lh₂, การบินและอวกาศ), service life is 5–10 years due to higher cyclic stress.