극저온 밸브 (Cryogenic Valve)

 

크라이오제닉 밸브(Cryogenic Valve)는 극저온 환경에서 사용되는 특수 밸브로, 보통 -196℃ 이하의 온도에서도 안정적으로 작동하도록 설계됩니다.

이러한 밸브는 액화 천연가스(LNG), 액화 산소, 액화 질소와 같은 극저온 유체를 제어, 조절, 차단하는 데 사용됩니다.

고도의 안전성과 내구성을 요구하는 만큼, 설계와 제조 과정에서 특별한 기술과 소재가 필요합니다.

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1. 크라이오제닉 밸브의 주요 특징

1.1. 극저온에서의 안정성

크라이오제닉 밸브는 극저온 환경에서도 변형 없이 작동해야 합니다. 이를 위해 밸브 본체와 부품에는 저온에서도 연성과 강도를 유지할 수 있는 재료(예: 스테인리스강, 브론즈 등)가 사용됩니다.

1.2. 연장된 스템 설계

극저온 밸브는 스템(Stem)이 길게 설계되는 경우가 많습니다. 이는 극저온의 온도가 밸브의 외부로 전달되지 않도록 하여, 밸브의 구동 장치나 작동 메커니즘이 냉동되지 않도록 방지하는 역할을 합니다.

1.3. 기밀성

극저온 유체는 매우 낮은 온도와 높은 휘발성을 가지고 있어, 작은 누출도 치명적일 수 있습니다. 크라이오제닉 밸브는 완벽한 기밀성을 유지하도록 설계되며, 일반적으로 헬륨 누출 테스트를 통해 그 성능이 검증됩니다.

1.4. 재료 선택

크라이오제닉 환경에서는 특정 재료가 열 충격으로 인해 균열이나 손상을 입을 수 있습니다. 따라서, 밸브는 저온 충격 저항성이 높은 재료를 사용하여 제조됩니다.

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2. 주요 구성 요소

2.1. 밸브 본체(Body)

밸브 본체는 극저온 유체와 직접 접촉하기 때문에, 부식과 열 변형에 강한 재료가 사용됩니다. 흔히 사용되는 재료로는 스테인리스강, 듀플렉스 스테인리스강, 청동 등이 있습니다.

2.2. 스템(Stem)

스템은 밸브의 중요한 작동 부품으로, 극저온 환경에서도 원활하게 작동해야 합니다. 이를 위해 스템의 마찰과 누출을 최소화하기 위해 정밀하게 가공됩니다.

2.3. 시트(Seat)

밸브 시트는 밸브 디스크와 함께 유체의 흐름을 차단하거나 허용합니다. 극저온 밸브의 시트는 금속-금속 접촉 방식이나 소프트 시트를 사용하며, 높은 내구성과 기밀성을 제공합니다.

2.4. 연장 보닛(Extended Bonnet)

연장 보닛은 밸브와 액체의 극저온 상태가 외부의 기온으로 전달되지 않도록 설계된 부품입니다. 이는 밸브의 열 손실을 줄이고 동결을 방지합니다.

 

 

예시 : 아래 Spec은 본인이 수행했던 프로젝트에 조달한 Cryogenic Valve의 사양으로 각 항목별, 어떤 조건이 극저온 조건에 부합하는지 살펴보겠습니다.

SS A351-CF8M 316SS TRIM - RTFE CL150 RF FP FL. SPLIT BODY API 6D B16.5 GRAPHITE LIMIT SWITCH SOUR SELF-RELIEVING DESIGN EXT. STEM LEVER

 

• 1. SS A351-CF8M  : 316 스테인리스강 기반 주조 재질로, 극저온 환경에서도 높은 내구성과 저온 충격 저항성을 제공합니다. 스테인리스강은 극저온에서도 연성을 유지하여 균열이나 파손을 방지하므로 Cryogenic Valve에 적합합니다.
• 2. RTFE (Reinforced Teflon) : RTFE는 테프론에 유리 섬유나 카본을 보강한 소재로, 극저온 환경에서 뛰어난 내화학성과 기밀성을 제공하므로 극저온 상태에서도 딱딱해지거나 성능이 저하되지 않아 누출 방지에 효과적임
• 3. Extended Stem (EXT. STEM) : 연장 스템 설계는 밸브 본체에서 외부로 극저온이 전달되지 않도록 하여 밸브 작동부(예: 레버 또는 액추에이터)가 동결되는 것을 방지합니다. 극저온 밸브의 가장 대표적인 특징 중 하나
• 4. Graphite Packing : 그라파이트는 극저온 및 고온 환경 모두에서 안정적인 성능을 제공하는 포장재로, 밸브 스템 주변의 밀봉 성능을 보장합니다.
• 5. Self-Relieving Design : 셀프 릴리빙(Self-Relieving) 설계는 밸브 내부에 가스가 갇혀 압력이 과도하게 상승하는 것을 방지하는데 이는 극저온 유체의 높은 휘발성과 팽창 특성을 고려한 설계로, 안전성을 강화하는 설계임
• 6. Split Body 설계 : 스플릿 바디(Split Body)는 밸브의 유지보수를 쉽게 하고, 극저온 환경에서 부품 교체 및 관리가 용이하도록 설계된 구조
  (어떤 사양은 일반 밸브와 차이가 없으나 예를 들면 스템 연장의 경우 극저온 밸브나 Insulation Thickness, Operation position 특수성과 같은 특수 조건이 영향을 끼치는 요소로 볼수 있음)

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3. 크라이오제닉 밸브의 주요 적용 분야

3.1. LNG(액화천연가스) 산업

크라이오제닉 밸브는 LNG 생산, 운송 및 저장 시설에서 필수적으로 사용됩니다. LNG는 -162℃에서 저장되기 때문에, 밸브의 안정성과 기밀성이 특히 중요합니다.

3.2. 의료 분야

액화 산소와 질소는 의료 산업에서 중요한 역할을 합니다. 크라이오제닉 밸브는 이러한 극저온 유체의 저장 및 분배 시스템에 사용됩니다.

3.3. 항공우주 산업

액체 수소와 액체 산소를 연료로 사용하는 항공우주 산업에서도 크라이오제닉 밸브는 핵심적인 부품입니다.

로켓 발사 시스템에서 극저온 연료를 안정적으로 공급하는 데 사용됩니다.

3.4. 화학 및 석유화학

극저온 밸브는 화학 공정에서 사용되는 극저온 가스 및 액체의 흐름을 제어하는 데 널리 활용됩니다.

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4. 밸브 유형

4.1. 게이트 밸브(Gate Valve)

게이트 밸브는 흐름을 완전히 차단하거나 허용하는 데 적합합니다.

단순한 설계로 인해 극저온 환경에서도 안정적으로 작동합니다.

4.2. 글로브 밸브(Globe Valve)

글로브 밸브는 흐름을 정밀하게 조절할 수 있어, 극저온 유체의 흐름 속도와 압력을 제어하는 데 적합합니다.

4.3. 볼 밸브(Ball Valve)

볼 밸브는 빠른 개폐가 가능하며, 높은 기밀성을 유지할 수 있어 극저온 유체의 흐름을 차단하는 데 널리 사용됩니다.

4.4. 버터플라이 밸브(Butterfly Valve)

버터플라이 밸브는 컴팩트한 설계와 경량으로 인해 대형 파이프라인에서 사용되며, 효율적인 유량 제어가 가능합니다.

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5. 유지보수 및 관리

5.1. 정기 점검

크라이오제닉 밸브는 극저온 환경에서 장시간 작동되므로, 정기적인 점검과 유지보수가 필수적입니다.

특히, 기밀성 및 작동 상태를 주기적으로 확인해야 합니다.

5.2. 재료 손상 점검

극저온 환경에서 재료가 열 피로와 충격을 받을 수 있으므로, 균열이나 변형 여부를 정기적으로 점검해야 합니다.

5.3. 부품 교체

마모된 부품(예: 시트, 스템 등)은 즉시 교체하여 밸브의 성능을 유지해야 합니다.

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크라이오제닉 밸브는 극저온 환경에서 필수적인 장치로, 안전하고 효율적인 유체 관리에 핵심적인 역할을 합니다.

정확한 재료 선택, 설계, 유지보수는 밸브의 성능과 수명을 좌우합니다.

크라이오제닉 밸브는 LNG, 의료, 항공우주, 화학 등 다양한 산업에서 그 중요성이 점점 더 커지고 있으며, 고도의 기술과 전문성이 요구되는 분야입니다.

Cryogenic valve testing

외형, 형상적으로는 다른 밸브와 차이는 없으나 각 부품별로 적합한 조합을 통해 만들어지며, 그에 따른 특별한 테스트를 통과하는 조건으로 완성됩니다. 다음 기회에는 Cruogenic Test 요건에 대해서도 풀어보겠습니다.