초저온 밸브는 액화 천연가스, 액화 질소, 액화 산소 배관상에 설치되며 주요 특징으로는 extended bonnet와 enclosed vapor chamber로서 초저온 유체로부터 packing을 isolation하여 packing의 기능을 제대로 수행하도록 한다. 재질 또한 초저온 조건에 적합하도록 선정되어야 한다.
초저온 밸브의 vent hole은 비정상적인 압력의 build-up을 방지하도록 valve의 cavity로부터 압력을 release하여 valve의 fail이나 폭발을 방지할 수 있다.
valve의 upstream side로 작은 구멍을 뚫어 valve가 닫힐 때 ball 내부에 형성된 액체의 팽창에 따른 압력을 upstream으로 배출할 수 있다. valve에는 flexible graphite packing이 설치되고, gasket은 저온에 견딜 수 있는 재질이어야 한다. 2"이하는 vent hole이 있고 3"이상은 upstream side에 seat spring이 있어서 비정상적인 압력을 방지하여 안전도와 신뢰도를 높인다.
gate valve가 많이 사용되며 ball valve도 증가하고 있지만 butterfly valve는 사용이 적은 편이다. globe valve의 경우 metal seated 대신 최근에는 soft seated valve를 적용하고 있다.
block valve로서 gate valve가 많이 사용되며 extension bonnet은 gland packing이 저온 유체에 노출되지 않도록 하며 insulation을 위한 space를 제공한다. drip plate가 thermal insulation을 위해 bonnet에 설치되며 이는 또한 빗물 유입을 방지하고 insulation의 위치에 대한 mark로도 사용된다.
seat surface는 galling을 방지하기 위해 hard faced처리되고, disc에 vent hole을 고려하여 excessive cavity pressure를 제거한다. 또 다른 특징으로 bonnet bush와 stuffing box로 sealant injection이 있다.
soft seated globe valve의 경우 저온에서의 기계적 강도와 안정성을 고려하여 PCTFE (Poly-chloro-tri-fluoro-ethylene)가 seat재질로 사용된다. backseat는 modified PTFE (Poly Tetra Fluoro Ethylene)로 만들고 bonnet bush에 integrated되어 valve open/close의 운전성을 높일 수 있다.
uni-body ball valve는 많이 적용되며 경제성을 고려하여 reduced bore type을 적용한다. ball seat 재질은 creep resistance가 좋은 modified PTFE를 사용하고, 저온에서 sealing performance가 좋은 PCTFE도 사용한다. ball valve는 stem bearing에 의해 sealed된 bonnet cavity내 trap된 액체에 의해 과도한 압력이 걸릴 수 있어서 cavity pressure를 relieve하기 위해 relief hole이 설치된다.
cryogenic service ball valve는 최근 많이 사용되고 있으며 seat 제작에 따라 2가지 type이 있으며 하나는 floating ball design이고, 다른 하나는 trunnion mounted ball design이다. floating ball design은 seat구조가 간단하여 300#이하와 8"이하에서 주로 사용되며, seal이 downstream side에 있고, ball seat재질로는 PTFE가 사용된다.
상온에서 사용되는 ball valve는 upstream과 downstream side에 동일한 ball seat가 사용되어 흐름방향에 제한이 없지만, 저온 서비스에 사용되는 ball valve는 ball의 vent hole이 upstream side에 향하여 excessive cavity pressure의 build-up을 방지한다.
저온에서 사용되는 밸브는 유체 온도에 민감하여 LNG에 특화된 밸브가 아닐 경우 fugitive emission에 따른 leak로 이어질 수 있다.
초저온 밸브의 특징으로 long stem (bonnet)이 있으며 이는 운전압력은 높고 운전온도는 매우 낮은 서비스에 적합하고, 주로 ball, butterfly, gate, globe type이 있다. ball valve는 TSO에 가장 적절하고 유체 흐름에 제한이 없지만 마모되기 쉽다. butterfly valve는 면간 길이가 짧고 운전이 용이하며 빈번한 quick open/close가 요구될 경우 적절하다. globe valve는 internal disc가 있는 linear motion valve로서 sealing성능이 높지만 높은 유량 서비스에는 제한적이다. gate valve 또한 extended bonnet가 있으며 full open시에 차압이 매우 낮은 특징이 있다.
초저온 밸브의 long stem의 기능으로는 packing이 저온에 노출되어 stuffing box로부터 leaking이 일어나지 않도록 stuffing box의 온도를 8도 이상으로 유지하며, stem의 길이가 길어서 jakcketing insulation material을 감싸는데 충분한 공간을 제공할 수 있다.
초저온 밸브인 cryogenic valve로 알려진 vented ball valve는 upstream side로 작은 구멍이 있어서 valve가 닫힐 때 밸브 내부 액체의 팽창으로 인한 압력 증가를 방지할 수 있다.
초저온 유체가 valve내로 유입될 때 온도, 압력 fluctuation 경향이 커지며 흐름이 정지될 때 온도 유지가 더 어려워진다. 이로 인해 액체 상태 유지가 어렵게 된다. 그리고 thermal expansion으로 인해 cryogenic material은 외부 열에 의해 압력이 증가하며 이로 인한 leakage나 valve failure를 피하기 위해 압력을 relief해야 한다. 그래서 vent가 없거나 standard ball valve는 이러한 상황에서 fail되어 약한 부위에서 leak가 일어날 수 있다.
cavity vent는 ball valve의 ball 내부에 trap된 LNG를 배출하기 위한 hole이며 LNG가 warming되거나 증발로 인해 과압에 노출되지 않도록 하기 위함이다. vent의 방향은 PSV가 설치되어 과압을 해소하는 방향으로 고려해야 하며, 일반적으로는 upstream side (high pressure)를 향하도록 설치해야 한다. downstream으로 향한다면 valve가 close일 때 일정량이 항상 leak될 수 있다.
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