Как работают криогенные клапаны?

Криогенные клапаны — это специализированные устройства, предназначенные для работы в экстремально низких температурах, которые характерны для хранения, транспортировки и переработки криогенных газов, таких как сжиженный природный газ (СПГ), кислород или азот. Эти клапаны играют ключевую роль в обеспечении безопасного и эффективного процесса работы с такими жидкостями и газами, чьи температуры могут достигать значительных минусов, в том числе -196 °C (при температуре кипения азота).

Принципы работы криогенных клапанов

1. Рабочий диапазон температур: Криогенные клапаны проектируются для работы в условиях температур до -196 °C (или -320 °F). Это требует использования материалов и технологий, которые могут выдерживать такие экстремальные температуры, а также обеспечивать герметичность и надежную работу при столь низких температурах.

2. Герметичность и закрытое положение: Как и другие клапаны, криогенные клапаны находятся в закрытом положении до тех пор, пока не будет приложено достаточное давление для их открытия. Однако в отличие от обычных клапанов, которые могут открываться при изменении потока или давления, криогенные клапаны специально спроектированы так, чтобы выдерживать постоянное высокое давление и экстремально низкие температуры.

3. Открытие под действием давления: Когда давление внутри трубопровода или резервуара достигает определенной величины, оно заставляет клапан открыться, позволяя криогенному газу или жидкости свободно проходить через систему. Важно отметить, что такие клапаны открываются и закрываются исключительно под действием давления — они не зависят от механизма управления, как это бывает в обычных клапанах.

4. Автоматическое закрытие: После того как давление снижается и потока нет, клапан автоматически закрывается. Закрытие происходит с помощью металлического седла, которое герметично закрывает клапан и предотвращает любые утечки. Это важно для безопасной работы с криогенными газами, которые могут быть опасными в случае утечек, например, из-за высокого давления или рисков возникновения взрывов.

5. Особенности герметизации: Из-за использования криогенных газов, которые могут быть чрезвычайно холодными, герметизация клапанов имеет решающее значение. Для предотвращения утечек при низких температурах криогенные клапаны часто используют металлокерамические или металлические седла, которые обеспечивают лучшую герметичность по сравнению с обычными уплотнителями. Это необходимо для того, чтобы избежать замерзания уплотнителей или их износа в условиях экстремальных температур.

Применение криогенных клапанов

Криогенные клапаны применяются в различных областях, где работают с очень низкими температурами и криогенными жидкостями:

1. Нефтегазовая промышленность: Один из самых распространенных применений криогенных клапанов — это транспортировка и хранение сжиженного природного газа (СПГ). Криогенные клапаны обеспечивают безопасное движение газа по трубопроводам, предотвращая его утечку и обеспечивая его правильное хранение при низких температурах.

2. Криогенные установки и лаборатории: Эти клапаны также используются для управления потоками жидких газов в лабораториях и промышленных установках, где требуется точное управление температурой и давлением, например, в криогенных холодильниках, установках для хранения жидкого кислорода, азота или аргона.

3. Космическая индустрия: Криогенные клапаны играют важную роль в транспортировке жидких топлив (например, кислород и водород) в космических ракетах. Для обеспечения безопасности в таких критичных приложениях клапаны должны быть способны работать при экстремально низких температурах и высоком давлении.

4. Медицинская техника: В медицинских устройствах, таких как системы хранения и подачи жидкого кислорода для медицинского использования, также применяются криогенные клапаны, чтобы обеспечить безопасное и эффективное использование этих средств в экстренных случаях.

Основные характеристики и материалы

Криогенные клапаны, помимо своих специализированных функций, также обладают особыми конструктивными и материальными характеристиками:

• Материалы: Для изготовления криогенных клапанов используется нержавеющая сталь и другие металлы, обладающие хорошей стойкостью к низким температурам. Кроме того, важна их стойкость к воздействию криогенных жидкостей, которые могут вызвать хрупкость или трещины в других материалах.

• Технические характеристики: Криогенные клапаны могут работать при номинальном давлении до 750 psi (фунтов на квадратный дюйм) и выдерживать экстремальные температурные условия. Это важно для обеспечения безопасной работы в условиях, где давление и температура могут изменяться быстро.

• Уплотнители и герметизация: Как уже упоминалось, для предотвращения утечек криогенные клапаны оснащены металлическими седлами, которые обеспечивают герметичность в условиях низких температур. В некоторых случаях могут использоваться металлокерамические уплотнения для повышения эффективности герметизации.

Почему стандартные клапаны не справляются с криогенными газами

Криогенные газы и другие экстремальные среды требуют особого внимания при выборе клапанов, так как утечки в таких системах могут привести к серьезным последствиям, включая значительные финансовые потери. Вот несколько причин, почему стандартные клапаны не всегда подходят для работы с криогенными газами:

1. Чувствительность к экстремальным температурам: Стандартные клапаны не предназначены для работы в условиях низких температур, характерных для криогенных процессов. При охлаждении до криогенных температур материалы клапанов могут сжиматься и расширяться с разной скоростью, что приводит к механическим напряжениям. Это может вызвать разрывы уплотнений и, как следствие, утечки.
2. Материалы конструкции: Стандартные клапаны часто изготавливаются из материалов, которые не способны выдерживать экстремальные условия криогенной среды. Металлы и полимеры, используемые в стандартных клапанах, могут терять свои механические свойства при низких температурах, что снижает их прочность и герметичность.
3. Уплотнительные элементы: Уплотнения в стандартных клапанах могут не быть рассчитаны на работу при криогенных температурах. При низких температурах резинотехнические изделия могут терять эластичность, что приводит к утечкам. Специальные уплотнения, предназначенные для криогенных приложений, должны сохранять свою герметичность и эластичность даже при экстремально низких температурах.
4. Тепловые потоки: При работе с криогенными газами необходимо учитывать тепловые потоки, которые могут вызывать изменение температуры в клапане и окружающих системах. Стандартные клапаны не всегда могут эффективно управлять этими потоками, что может привести к перегреву или переохлаждению и, как следствие, к повреждениям.
5. Неправильная установка: В условиях криогенной обработки важно правильно установить клапаны, чтобы избежать дополнительных напряжений и деформаций. Стандартные клапаны могут не иметь необходимых характеристик для обеспечения надежной установки в таких условиях.
6. Сложность эксплуатации: Стандартные клапаны могут не обеспечивать необходимую точность и контроль в системах, работающих с криогенными газами. Это может привести к неправильному управлению потоком и повышенному риску утечек.

Выбор правильных криогенных клапанов

Существует пять типов криогенных клапанов, которые идеально подходят для криогенных сред. Каждый из этих типов имеет свой собственный набор характеристик, которые делают их подходящими для одних применений и непригодными для других.

1. Шаровые клапаны.  Названные так из-за своей сферической формы, эти клапаны имеют внутренний подвижный диск — обтюратор — который вращается на 90 градусов к плоскости своего скоординированного седла корпуса. Эти криогенные клапаны обеспечивают большую надежность для долгосрочного уплотнения, но восприимчивы к влаге и не подходят для ситуаций, когда скорость потока имеет первостепенное значение.
2. Шаровые краны. Эти краны используют шар в качестве затвора и обычно включают седло корпуса из политетрафторэтилена. Они имеют лучшие характеристики потока, чем шаровые краны, но более подвержены износу вдоль своих уплотнений и самого шара. Таким образом, они наиболее ценны для применений, в которых необходим неограниченный путь потока.
3. Шаровые краны с верхним входом.  Подобно стандартным шаровым  криогенным кранам, эта новая модель имеет цельную конструкцию с соединениями, сваренными встык, что упрощает обслуживание. Отсутствие механических соединений также делает ее предпочтительным вариантом для пожаробезопасных применений.
4. Задвижки. Задвижки используют клиновой затвор в качестве обтюратора, который качается, чтобы закрыться параллельно седлу корпуса. Они похожи на шаровые краны в том, что обеспечивают хорошие характеристики потока, но их работа затрудняется износом. 
5. Поворотные клапаны. Поворотные клапаны являются частью семейства четвертьоборотных и используют круглый диск в своем центре. Этот диск позволяет поворотным криогенным клапанам быть короче вышеупомянутых вариантов, что делает их легче и дешевле, а также быстрее и проще в эксплуатации. Но чрезмерное использование приводит к сокращению их срока службы.