Afsluiters voor cryogene en vloeibaar-gas-toepassingen: LNG, waterstof en ammoniak

Bij cryogene temperaturen gelden andere randvoorwaarden. Materiaaltaaiheid, krimp, afdichting en bedienbaarheid gedragen zich anders dan bij omgevingstemperatuur, en de afsluiter moet dicht en bedienbaar blijven van omgevingstemperatuur tot diep onder nul — vaak in een omgeving waar lekkage geen optie is. Dit speelt bij LNG, vloeibare waterstof, ammoniak en andere vloeibaar gemaakte gassen — media die met de energietransitie sterk in belang toenemen.

Andere condities bij cryogene temperatuur

Bij cryogene temperatuur verandert het materiaalgedrag fundamenteel. Materialen die bij omgevingstemperatuur taai zijn, kunnen bros worden; vloeistoffen verdampen bij de minste warmte-inval; en de hele afsluiter krimpt. Een ontwerp dat bij omgevingstemperatuur voldoet, is daarmee nog niet geschikt voor cryogene dienst — het gedrag bij temperatuur is bepalend.

Materiaalkeuze: taaiheid bij lage temperatuur

De belangrijkste eis is dat het materiaal taai blijft en niet bros breekt bij cryogene temperatuur. Austenitische roestvaste staalsoorten behouden hun taaiheid waar koolstofstaal verbrost. De materiaalkeuze voor huis, schijf, as en afdichting wordt daarmee een veiligheidskwestie, niet alleen een sterktekwestie.

Thermische krimp en de verlengde hals

Alles krimpt bij afkoelen, en verschillende onderdelen verschillend. Het ontwerp moet die krimp opvangen zodat de afsluiter dicht en bedienbaar blijft. Een verlengde bonnet of hals houdt bovendien de pakking en bediening op afstand van de koude — zodat de afdichting rond de as in een werkbaar temperatuurgebied blijft en gasvorming beheersbaar is.

Afdichting en bedienbaarheid van omgeving tot diep onder nul

De afsluiter moet niet alleen koud dicht zijn, maar de hele temperatuurgang door — van inbedrijfname bij omgeving tot bedrijf diep onder nul, en terug. Zittingsconcept, afdichting rond de as en bedienkrachten moeten over dat hele bereik kloppen. Een klep die alleen koud óf alleen warm goed werkt, is niet geschikt.

Waarom de gangbare metaal-op-metaal-uitvoering lekt bij cryogene temperatuur

Metaal krimpt voorspelbaar zolang een onderdeel overal even dik is. Is de afdichtende geometrie niet uniform, dan krimpen de delen verschillend — waar het ene het meest krimpt, krimpt het andere het minst — en lekt de afdichting bij diepe kou, ook al is dezelfde klep bij omgevingstemperatuur bubble-tight. Veelgebruikte grafiet-gelamineerde afdichting biedt dan geen uitkomst: onder circa −196 °C is grafiet niet meer geschikt om het verschil te overbruggen. EURAD kiest daarom een vlinderklep-ontwerp (5-offset) waarvan het afdichtingsvlak een echte cirkel is die uniform krimpt, ongeacht klepmaat of temperatuur — zodat de metaal-op-metaal-afdichting óók bij LNG, vloeibare stikstof en andere cryogene media dicht blijft. Met, waar gewenst, een Inconel O-ring-afdichting voor een volledig metalen, grafietvrije afdichting.

Lekdichtheid, doorstroming en onderhoud

De 5-offset-uitvoering sluit bidirectioneel af tot lekdichtheidsklasse A — nul lekkage in beide stroomrichtingen — en doet dat met een lager benodigd sluitmoment (Md) en een hogere doorstroming (Kv) dan voorgaande uitvoeringen. In een top-entry-uitvoering is de klep bovendien volledig in de leiding te onderhouden: de afdichting vervangen en visueel inspecteren kan zonder de klep uit te bouwen — ideaal wanneer de klep in de leiding is ingelast.

Waterstof en ammoniak

Vloeibare waterstof is met circa −253 °C nog kouder dan LNG; dat stelt de eisen aan materiaaltaaiheid en thermische krimp nog scherper. Waterstof is bovendien een zeer klein molecuul, wat hoge eisen aan de lekdichtheid stelt — bij voorkeur een metaal-op-metaal-afdichting met aantoonbaar nul lekkage, en een materiaalkeuze die waterstofverbrossing voorkomt. Ammoniak, in opkomst als waterstofdrager, wordt vloeibaar gemaakt verwerkt — gekoeld rond −33 °C of onder druk, dus niet cryogeen maar wel laagtemperatuur — en is toxisch en corrosief: dat vraagt om materiaalcompatibiliteit (geen koperlegeringen) en lekdichtheid met het oog op veiligheid. De afdichtings- en materiaalprincipes uit deze notitie gelden voor beide.

Beproeving en certificering

Voor cryogene dienst is beproeving bij lage temperatuur gangbaar — genormeerd in onder meer BS 6364 (klepbeproeving voor cryogene dienst) en ISO 28921 (cryogene afsluiters); de lekdichtheid wordt beproefd volgens EN 12266-1 (klasse A). Waar het medium brandbaar is — LNG, waterstof — komen fire-safe-eisen daarbij; de combinatie cryogeen én fire-safe stelt eisen die elkaar niet in de weg mogen zitten. EURAD levert de bijbehorende beproeving en documentatie voor zijn leveromvang.

Selectie per situatie

Temperatuur, medium, druk, dichtheids- en veiligheidseisen en de benodigde certificering bepalen samen de keuze. Voor vloeibare zuurstof (LOX) gelden naast deze cryogene eisen ook ontstekingseisen; die staan in de zuurstof-notitie. EURAD adviseert en levert op basis van de toepassing.