Kryogene Armaturen für tiefkalte Medien
Kryogene Armaturen arbeiten dort, wo es extrem kalt wird. Sie öffnen, schließen oder regeln Leitungen mit verflüssigten Gasen. Dazu gehören zum Beispiel LNG, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und flüssiges Kohlendioxid. Je nach Medium kann die Temperatur weit unter minus 100 Grad Celsius liegen. Eine normale Armatur ist dafür oft nicht geeignet. Dichtungen können hart werden, Bauteile können sich unterschiedlich zusammenziehen und Eis kann die Bedienung stören. Eine Kryo Armatur ist deshalb speziell aufgebaut, aus passenden Werkstoffen gefertigt und für den vorgesehenen Einsatz geprüft.
Kurz gesagt Die richtige Tieftemperaturarmatur hält das Medium sicher in der Leitung und bleibt auch bei großer Kälte bedienbar.
Was ist eine kryogene Armatur
Das Wort kryogen bedeutet sehr kalt. In der Technik spricht man damit über Medien und Anlagen bei sehr niedrigen Temperaturen. Kryogene Armaturen sind Ventile, Schieber, Kugelhähne oder Rückschlagarmaturen, die für solche Bedingungen ausgelegt sind. Sie unterscheiden sich nicht nur durch ihren Namen von einer Standardarmatur. Entscheidend sind die kleinsten geplanten Temperaturen, der Druck, das Medium, die Einbaulage, die Dichtheit und die Prüfung. Erst wenn diese Punkte zusammenpassen, ist die Armatur für die Aufgabe geeignet.
Anschlüsse und Antriebe
Flanschanschlüsse erleichtern den Ein und Ausbau. Schweißenden schaffen eine dauerhaft dichte Verbindung und werden oft bei hohen Anforderungen gewählt. Muffenschweiß oder Gewinde sind eher für kleinere Abmessungen und passende Betriebsbedingungen gedacht.
Die Bedienung kann von Hand, pneumatisch oder elektrisch erfolgen. Ein Antrieb braucht genügend Kraftreserve. Außerdem muss über dem langen Oberteil genug Platz für Montage und Wartung bleiben.
Werkstoffe für große Kälte
Bei Kälte ziehen sich Werkstoffe zusammen. Manche Metalle werden spröde. Deshalb genügt es nicht, nur „Edelstahl“ oder „Stahl“ zu bestellen. Der genaue Werkstoff muss zur kleinsten Auslegungstemperatur, zum Medium und zum Regelwerk passen.
Für sehr tiefe Temperaturen werden häufig austenitische Edelstähle eingesetzt. Für weniger extreme Tieftemperaturen können geeignete Tieftemperaturstähle infrage kommen. Beispiele aus internationalen Projekten sind ASTM A351 CF8 oder CF8M bzw. 1.4408, 1.4541 sowie Bronze C95800 oder äquivalent, sowie ASTM A352 LCB oder LCC. Die endgültige Auswahl darf nur nach technischer Prüfung erfolgen.
Wichtig bei Sauerstoff Bei Sauerstoff gelten besondere Anforderungen an Werkstoffe, Reinigung und Fettfreiheit. Die Armatur muss ausdrücklich für den Sauerstoffeinsatz freigegeben sein. Die Armatur muss daher Öl & Fettfrei sein.
Prüfungen und Regelwerke
Eine Kryo Armatur sollte nicht nur bei Raumtemperatur betrachtet werden. Je nach Projekt werden Gehäusefestigkeit, Sitzdichtheit, Spindelabdichtung und Bedienbarkeit unter festgelegten Bedingungen geprüft. Häufig genannte internationale Grundlagen sind Kryogenic Tests.
Welches Regelwerk wirklich gilt, hängt vom Projekt, dem Land, der Armaturenart und der Anwendung ab. Legen Sie Prüftemperatur, zulässige Leckage, Prüfmedium, Dokumentation und Abnahmestelle bereits in der Anfrage fest.
Warum haben Kryo Armaturen ein langes Oberteil
Das verlängerte Oberteil schafft Abstand zwischen dem kalten Medium und der Stopfbuchse. Dort sitzt die Packung, die die bewegliche Spindel nach außen abdichtet. Der Abstand hilft, diese Dichtung und den Antrieb aus der kältesten Zone herauszuhalten. So sinkt das Risiko, dass die Packung einfriert oder ihre Aufgabe nicht mehr zuverlässig erfüllt.
- Die Packung bleibt weiter weg vom tiefkalten Medium.
- Handrad oder Antrieb lassen sich besser bedienen und warten.
- Eine Gassäule im verlängerten Oberteil wirkt als zusätzliche Wärmesperre.
- Bei Einbau in einer Cold Box kann eine andere Verlängerung nötig sein als bei freier Aufstellung. Einen optionalen Coldbox-Flansch installieren wir auf Anfrage.
Typische Medien und Anwendungen
Flüssiger Sauerstoff
Flüssiger Sauerstoff wird bei einer Temperatur von etwa −183 °C gelagert und über speziell gereinigte, isolierte Leitungen transportiert. Durch die starke Abkühlung wird der Sauerstoff flüssig und benötigt deutlich weniger Platz als im gasförmigen Zustand. Kryogene Armaturen steuern den Durchfluss und sperren Tanks, Leitungen oder Anlagenteile sicher ab. Da Sauerstoff Brände stark beschleunigen kann, müssen die Armaturen für den Sauerstoffeinsatz geeignet sowie frei von Öl, Fett und anderen brennbaren Verunreinigungen sein.
Für Armaturen mit flüssigem Sauerstoff kommen häufig folgende metallische Werkstoffe infrage:
- austenitische Edelstähle, beispielsweise 1.4301, 1.4307, 1.4401 oder 1.4404, 1.4408, CF8M usw.
- Bronze zum Beispiel C95800.
LNG und Erdgas
LNG ist Erdgas, das auf etwa −162 °C gekühlt wurde. Dadurch wird es flüssig und benötigt wesentlich weniger Platz. Es lässt sich so leichter lagern und transportieren.LNG wird in speziellen Tanks bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert. Beim Verladen steuern kryogene Armaturen den sicheren Transport zwischen Tank, Schiff, Tankwagen oder Rohrleitung. Vor der Einspeisung in das Erdgasnetz wird das flüssige LNG in Verdampfern wieder gasförmig gemacht. Die Armaturen regeln dabei den Durchfluss und sperren einzelne Leitungen oder Anlagenteile bei Wartungsarbeiten und im Notfall sicher ab.
Flüssiger Stickstoff
Flüssiger Stickstoff wird in speziellen Tanks bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert und über isolierte Leitungen verteilt. Kryogene Armaturen steuern dabei den Durchfluss und sperren einzelne Leitungen oder Anlagenteile sicher ab. Der Stickstoff wird unter anderem zum Kühlen, Gefrieren oder zum Schutz empfindlicher Prozesse vor Sauerstoff eingesetzt. In Luftzerlegungsanlagen regeln die Armaturen außerdem den sicheren Transport zwischen Herstellung, Speicherung und Verbrauchsstelle.
Flüssiges CO₂
Flüssiges Kohlendioxid wird meist gekühlt und unter Druck in isolierten Tanks gelagert. Typische Lagertemperaturen liegen zwischen etwa −40 und −15 °C bei einem Druck von ungefähr 10 bis 25 bar. Anders als Stickstoff oder Sauerstoff kann CO₂ bei normalem Luftdruck nicht flüssig bleiben: Fällt der Druck zu stark ab, entstehen gasförmiges CO₂ und festes Trockeneis.
Kryogene Armaturen steuern das Befüllen und Entleeren der Tanks, regeln den Durchfluss und sperren Leitungen oder Anlagenteile sicher ab. Sie werden beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, Getränkeherstellung, Kühltechnik und chemischen Industrie eingesetzt. Da sich bei einem starken Druckabfall Trockeneis bilden und Leitungen blockieren kann, müssen Druck, Temperatur und Entleerung kontrolliert werden. Austretendes CO₂ kann außerdem Sauerstoff aus der Umgebung verdrängen und sich besonders in tiefer gelegenen Bereichen ansammeln
Wasserstoff
Flüssiger Wasserstoff wird bei einer Temperatur von etwa −253 °C in besonders gut isolierten Tanks gelagert. Durch die starke Abkühlung wird Wasserstoff flüssig und benötigt deutlich weniger Platz als im gasförmigen Zustand. Schon eine geringe Wärmezufuhr führt jedoch dazu, dass ein Teil des Wasserstoffs wieder verdampft. Dieses sogenannte Boil-off-Gas muss kontrolliert abgeführt oder weiterverwendet werden.
Für Armaturen mit flüssigem Wasserstoff kommen vor allem Werkstoffe infrage, die bei etwa −253 °C ausreichend zäh bleiben und gegenüber Wasserstoff beständig sind:
- Austenitische Edelstähle zum Beispiel 304L oder 316L, 1.4541, 1.4401, 1.4301 usw. werden häufig für Gehäuse, Oberteile, Spindeln und Rohrleitungen eingesetzt.
- PTFE oder PCTFE kommen je nach geprüfter Ausführung für Ventilsitze und Dichtungen infrage.
- Graphit und speziell geprüfte Packungswerkstoffe können außerhalb der kältesten Zone eingesetzt werden.
Kohlenstoffstahl, viele Kunststoffe und gewöhnliche Elastomere sind für den direkten Kontakt mit flüssigem Wasserstoff meist ungeeignet. Sie können bei dieser extrem niedrigen Temperatur spröde werden. Auch bei geeigneten Edelstählen müssen Wasserstoffversprödung, Schweißnähte, Bauteilbelastung und Temperaturwechsel berücksichtigt werden.
Werkstoffe für große Kälte
Bei Kälte ziehen sich Werkstoffe zusammen. Manche Metalle werden spröde. Deshalb genügt es nicht, nur „Edelstahl“ zu bestellen. Der genaue Werkstoff muss zur kleinsten Auslegungstemperatur, zum Medium und zur Spezifikation passen.
Für sehr tiefe Temperaturen werden häufig austenitische Edelstähle eingesetzt. Für weniger extreme Tieftemperaturen können geeignete Tieftemperaturstähle infrage kommen. Beispiele aus internationalen Projekten sind ASTM A351 CF8 oder CF8M bzw. 1.4408, 1.4541 oder äquivalent, sowie Bronze C95800 oder ASTM A352 LCB oder LCC. Die endgültige Auswahl darf nur nach technischer Prüfung erfolgen.
Wichtig bei Sauerstoff Bei Sauerstoff gelten besondere Anforderungen an Werkstoffe, Reinigung und Fettfreiheit. Die Armatur muss ausdrücklich für den Sauerstoffeinsatz freigegeben sein. Die Armatur muss daher Öl & Fettfrei sein.
Häufige Fragen zu kryogenen Armaturen
Kryogen beschreibt sehr niedrige Temperaturen. In Industrieanlagen sind damit meist tiefkalte, oft verflüssigte Gase gemeint.
Das hängt von Bauart, Werkstoffen und Prüfung ab. Anwendungen mit flüssigem Stickstoff oder LNG liegen häufig nahe minus 196 Grad Celsius. Maßgeblich ist immer die bestätigte Mindesttemperatur der konkreten Armatur.
Der Abstand schützt die Packung und den Antrieb vor der kältesten Zone. Dadurch bleiben Dichtung und Bedienung zuverlässiger.
Typische Medien sind LNG, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff, CO₂, Wasserstoff und weitere tiefkalte Prozessmedien. Für jedes Medium gelten eigene Anforderungen.
Ja. Pneumatische und elektrische Antriebe sind möglich. Kraft, Bauhöhe, Umgebung und Sicherheitsstellung müssen zum Projekt passen.
Mindestens Medium, Temperatur, Druck, Nennweite, Anschluss, Aufgabe, Einbauort, Antrieb und gewünschte Prüfunterlagen.
Nein. Der genaue Werkstoff, die Konstruktion, die Dichtungen und die Prüfung müssen für die vorgesehene Mindesttemperatur geeignet sein.
Je nach Auftrag können Datenblatt, Maßzeichnung, Werkstoffzeugnisse sowie Druck und Dichtheitsprüfungen bereitgestellt werden.
