LNG-Ventile: 8 Auswahlkriterien für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen

LNG-Ventile sind wichtige Komponenten zur Durchflussregelung, die in allen Systemen zur Produktion, Speicherung, zum Transport, zur Be- und Entladung sowie zur Regasifizierung von Flüssigerdgas zum Einsatz kommen. Zu ihren Hauptfunktionen zählen das Absperren von LNG-Rohrleitungen, die Regelung von Durchfluss und Druck, die Verhinderung von Rückströmungen, die Steuerung von Notabschaltabläufen sowie der Schutz der Anlagen vor unsicheren Betriebsbedingungen.

Flüssigerdgas ist Erdgas, das auf etwa −162 °C bzw. −260 °F abgekühlt wurde, damit es in flüssiger Form gelagert und transportiert werden kann. Bei dieser Temperatur kann es bei herkömmlichen Industrieventilen zu Materialversprödung, Schrumpfung der Dichtungen, übermäßiger Leckage, erhöhtem Betätigungsdrehmoment oder Schäden durch thermische Kontraktion kommen.

Zuverlässige LNG-Ventile müssen daher als komplette kryogene Baugruppen konstruiert werden. Die Werkstoffe des Ventilkörpers, die Ventilsitze, die Spindeldichtung, die Ventildeckelverlängerungen, die Einrichtungen zur Druckentlastung des Hohlraums, die Antriebe, die Prüfverfahren und die Einbaulage müssen alle unter Berücksichtigung der tatsächlichen LNG-Prozessbedingungen bewertet werden.

Fujian JST Valve Manufacturing Co., Ltd. verfügt über fast 33 Jahre Erfahrung im Bereich der industriellen Ventiltechnik. JST Valve bietet maßgeschneiderte Ventillösungen für Niedertemperatur-, korrosive, Hochdruck-, abrasive und andere anspruchsvolle industrielle Anwendungen. Ventilaufbauten, Werkstoffe, Dichtungssysteme, Antriebe und Prüfanforderungen können entsprechend den Datenblättern der Kunden und den Projektspezifikationen konfiguriert werden.

Was sind LNG-Ventile?

LNG-Ventile sind Ventile, die für Flüssigerdgas (LNG) und die damit verbundenen kryogenen oder Niedertemperatur-Prozesssysteme ausgelegt oder ausgewählt wurden. Je nach ihrem Einsatzort können sie in direkten Kontakt mit LNG, kaltem Erdgasdampf, Boil-off-Gas, Kältemitteln, Betriebsflüssigkeiten oder Erdgas bei Temperaturen oberhalb der Haupttemperatur des kryogenen Prozesses kommen.

Nicht jedes Ventil in einer LNG-Terminalanlage arbeitet bei −162 °C. Vorgelagerte Gasaufbereitungsleitungen, Kompressorsysteme, Boil-off-Gas-Anlagen, Versorgungsanlagen und Pipelines für regasifiziertes Gas können bei deutlich abweichenden Temperaturen und Drücken betrieben werden. Die im Datenblatt des Ventils angegebene Auslegungstemperatur muss daher den tatsächlichen Einsatzort im Prozess widerspiegeln und nicht die allgemein mit LNG verbundene Temperatur.

Ein richtig ausgewähltes LNG-Ventil sollte während des Normalbetriebs, beim Abkühlen, beim Anfahren, beim Abschalten sowie in Notfallsituationen die Druckdichtheit, die Sitzdichtheit, ein akzeptables Betätigungsdrehmoment, die Dichtungsleistung der Spindel sowie eine zuverlässige Betätigung gewährleisten.

Wo LNG-Ventile zum Einsatz kommen

LNG-Anlagen umfassen zahlreiche Prozessstufen, in denen jeweils unterschiedliche Ventilfunktionen zum Einsatz kommen. Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:

• Systeme zur Vorbehandlung und Entfernung von Verunreinigungen aus Erdgas
• Verflüssigungsanlagen und Kältemittelkreisläufe
• Kryogene LNG-Speichertanks und zugehörige Rohrleitungen
• LNG-Verladearme und Schiffsverladesysteme
• Be- und Entlademanifolde für LNG-Tanker
• LKW-, Bahn-, Container- und Bunkeranlagen
• Systeme zur Rückgewinnung von Verdampfungsgas und Kompressorsysteme
• LNG-Pumpen, Verdampfer und Regasifizierungsanlagen
• Brennstoff- und Gasversorgungsleitungen sowie Gasabgabeleitungen
• Notabschalt- und Prozessisolierungssysteme

Warum der Betrieb von kryogenen LNG-Anlagen eine Herausforderung darstellt

Bei kryogenen Temperaturen ziehen sich die Ventilwerkstoffe zusammen. Verschiedene Bauteile können sich unterschiedlich stark zusammenziehen, wodurch sich die Abstände zwischen Kugel, Scheibe, Sitz, Spindel, Gehäuse, Ventildeckel, Packung und Lagern verändern. Ein Ventil, das bei Umgebungstemperatur korrekt abdichtet, kann sich nach dem Abkühlen anders verhalten.

Die niedrigen Temperaturen können zudem die Zähigkeit oder Flexibilität ungeeigneter Werkstoffe beeinträchtigen. Weiche Sitze und Elastomerdichtungen müssen sorgfältig ausgewählt werden, da nicht jedes Polymer oder Elastomer bei LNG-Temperaturen seine Eigenschaften in ausreichendem Maße beibehält.

Ein weiteres Problem ist eingeschlossene Flüssigkeit. Wenn sich LNG in einem geschlossenen Hohlraum ansammelt und später Wärme aufnimmt, kann es verdampfen und zu einem raschen Anstieg des Hohlraumdrucks führen. Kryogene Kugelhähne erfordern daher unter Umständen eine projektgenehmigte Vorrichtung zur Druckentlastung des Hohlraums, wie beispielsweise eine selbstentlastende Sitzkonstruktion oder eine andere technisch ausgearbeitete Methode zur Druckentlastung.

8 Auswahlkriterien für LNG-Ventile

1. Mindestauslegungstemperatur

Die Mindestauslegungstemperatur ist einer der ersten Parameter, die bei der Auswahl von LNG-Ventilen berücksichtigt werden müssen. Sie bestimmt die zulässigen Werkstoffe für Gehäuse, Ventildeckel, Spindel, Schraubverbindungen, Sitz, Stopfbuchse, Dichtung und Stellantrieb.

In den Ventilspezifikationen sollte zwischen normaler Betriebstemperatur, Mindestbetriebstemperatur, Mindestauslegungstemperatur des Metalls, Abkühlbedingungen und einer möglichen Einwirkung von kaltem Dampf unterschieden werden. Die Angabe “LNG-Betrieb” allein reicht für eine genaue Ventilauswahl nicht aus.

2. Werkstoffe für Ventilkörper und Ventilgarnitur

Austenitische Edelstähle kommen häufig für den direkten Einsatz in kryogenen LNG-Anlagen in Betracht, da sie auch bei sehr niedrigen Temperaturen eine ausreichende Zähigkeit beibehalten. Je nach Anwendungsfall können auch ausgewählte Nickellegierungen und andere für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen geeignete Werkstoffe vorgeschrieben werden.

Kohlenstoffstähle für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen können in wärmeren Bereichen einer LNG-Anlage verwendet werden, sofern ihre zertifizierten Temperaturgrenzen geeignet sind; sie sollten jedoch nicht automatisch für Rohrleitungen eingesetzt werden, die die volle LNG-Temperatur erreichen können.

Die endgültige Werkstoffauswahl sollte auf der Auslegungstemperatur, der Druckklasse, der Prozesszusammensetzung, den Korrosionsanforderungen, den Anforderungen an die Schlagprüfung, den geltenden Normen und der vom Kunden genehmigten Werkstoffspezifikation basieren.

3. Erweiterter Schutz für Motorhaube und Ventilstopfbuchse

Viele kryogene LNG-Ventile verfügen über eine verlängerte Ventilhaube oder eine verlängerte Spindel. Durch diese Verlängerung werden die Packungs- und Spindeldichtungskomponenten weiter von der kältesten Prozesszone entfernt positioniert.

Die Länge der Haubenverlängerung und die Einbaulage müssen sorgfältig ausgewählt werden. Bei der Auslegung sollten außerdem die Dämmstoffdicke, die Zugänglichkeit, die Frostbildung, die Befestigung des Stellantriebs, die Wärmeleitung sowie die Möglichkeit, dass kalter Dampf in den Dichtungsbereich gelangt, berücksichtigt werden.

4. Sitzkonstruktion und Dichtungsleistung

Die Konstruktion des Sitzes wirkt sich unmittelbar auf die Absperrleistung, das Betätigungsdrehmoment, den Verschleiß, den Kammerdruck und die Lebensdauer aus. Kryogene Sitze müssen Maßänderungen während des Abkühlvorgangs ausgleichen und dabei die erforderliche Dichtkraft aufrechterhalten.

Je nach Ventiltyp und Projektanforderungen kann das Dichtungssystem aus kryogenverträglichen Polymersitzen, verstärkten Polymersitzen, Metallsitzen, elastischen Einsätzen oder Verbundkonstruktionen bestehen. Die erforderlichen Akzeptanzkriterien für die Leckage sollten vor der Angebotserstellung und Fertigung festgelegt werden.

5. Druckklasse und Differenzdruck

Die Druckklasse eines Ventils allein ist kein ausschlaggebendes Kriterium für die Eignung im Betrieb. Der maximale Differenzdruck beeinflusst die Sitzbelastung, das Drehmoment der Spindel, die Kräfte auf die Klappe oder Kugel, die Dimensionierung des Stellantriebs sowie die Fähigkeit des Ventils, unter Notfallbedingungen zu öffnen oder zu schließen.

Käufer sollten den Auslegungsdruck, den Betriebsdruck, den Absperrdifferenzdruck, die Durchflussrichtung, die Anforderungen an die Druckentlastung sowie den maximalen Druck angeben, der bei Verstopfung oder thermischer Ausdehnung auftreten kann.

6. Anforderungen an den Brandschutz und an die Vermeidung flüchtiger Emissionen

Da in LNG-Anlagen brennbare Kohlenwasserstoffflüssigkeiten verarbeitet werden, können die Projektspezifikationen Anforderungen hinsichtlich Brandprüfungen, antistatischer Auslegung, ausbruchsicherer Anschlüsse, kontrollierter externer Leckagen und der Leistung im Hinblick auf flüchtige Emissionen enthalten.

Diese Anforderungen müssen für den jeweiligen Ventiltyp, die Größe, die Druckstufe, die Sitzkonfiguration und die gewählte Norm bestätigt werden. Eine allgemeine Aussage, dass ein Ventil “brandsicher” ist, sollte die projektspezifischen Unterlagen und Prüfanforderungen nicht ersetzen.

7. Leistung des Stellantriebs und der Notabschaltung

Zum Betätigen von LNG-Ventilen können pneumatische, hydraulische, elektrische oder elektrohydraulische Antriebe verwendet werden. Der Antrieb muss unter den anspruchsvollsten Betriebsbedingungen – einschließlich niedriger Umgebungstemperatur, maximalem Differenzdruck, Reibung bei ausgefahrener Spindel und Notabschaltbetrieb – ein ausreichendes Drehmoment bzw. einen ausreichenden Schub bereitstellen.

Zu den Spezifikationen des Stellantriebs können gehören:

• Fail-Open-, Fail-Close- oder Fail-in-Place-Verhalten
• Vorgeschriebene Öffnungs- und Schließzeiten
• Mindestanforderungen an die Luft-, Hydraulik- oder Stromversorgung
• Teilhub- oder Vollhubprüfung
• Positionsanzeige vor Ort und aus der Ferne
• Elektrische Klassifizierung für explosionsgefährdete Bereiche
• Brandschutz- oder Umweltschutzanforderungen

8. Kryogene Prüfungen und Dokumentation

Prüfungen bei Umgebungsdruck und Sitzprüfungen allein reichen möglicherweise nicht aus, um die Ventilleistung bei LNG-Temperatur nachzuweisen. In den Projektanforderungen können daher Produktionsprüfungen bei niedrigen Temperaturen, kryogene Typprüfungen, Prüfungen auf flüchtige Emissionen, die Rückverfolgbarkeit der Werkstoffe, Berichte über Schlagprüfungen, zerstörungsfreie Prüfungen sowie Funktionsprüfungen der Stellantriebe vorgeschrieben sein.

Der Prüfumfang sollte die Prüftemperatur, das Prüfmedium, die Einbaulage der Armatur, die Leckagegrenzwerte, die Anzahl der Betriebszyklen, die Druckstufen, das Messverfahren, die Anforderungen an die Anwesenheit von Zeugen sowie die mit der Armatur einzureichenden Unterlagen festlegen.

Gängige Ventiltypen in LNG-Anlagen

Auf Mobilgeräten wischen Sie bitte horizontal, um die gesamte Tabelle anzuzeigen.

Werkstoffaspekte bei LNG-Ventilen

Bei der Materialauswahl für LNG-Ventile müssen sowohl die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen als auch die Prozessverträglichkeit berücksichtigt werden. Die ausgewählten Werkstoffe müssen für die vorgesehene Auslegungstemperatur und den vorgesehenen Auslegungsdruck geeignet sein und gleichzeitig die Projektanforderungen hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Schweißbarkeit, Wärmebehandlung, Schlagprüfung, Rückverfolgbarkeit und zerstörungsfreier Prüfung erfüllen.

Materialempfehlungen müssen anhand des vollständigen Projektdatenblatts und der geltenden Normen überprüft werden.

Häufig herangezogene Normen für LNG-Ventile

Die geltenden Normen hängen vom Ventiltyp, der Einbaulage, dem Prozesssystem, den Kundenspezifikationen und den geltenden Vorschriften ab. In den Projektunterlagen kann auf Normen verwiesen werden, die sich auf die Auslegung von Niedertemperaturventilen, Rohrleitungsventile, Druck- und Temperaturwerte, Kryogenprüfungen, Brandprüfungen, Emissionen und Druckgeräte beziehen.

• ISO 28921-1: Konstruktion, Werkstoffe, Fertigung und Produktionsprüfung für ausgewählte Niedertemperatur-Absperrventile und Rückschlagventile.
• ISO 28921-2: Typenprüfung bei niedrigen Temperaturen für Absperrventile.
• ISO 21011: Anforderungen an die Konstruktion, Herstellung und Prüfung von Ventilen für kryogene Behälter.
• ASME B16.34: Druck- und Temperaturwerte, Werkstoffe, Abmessungen, Prüfungen, Untersuchungen und Kennzeichnungen für entsprechende Industriearmaturen.
• API-Spezifikation 6D: Anforderungen an Rohrleitungs- und Armaturenventile, sofern im Projekt festgelegt.

Wie JST Valve LNG-Projekte unterstützt

JST Valve arbeitet eng mit seinen Kunden zusammen, um die Betriebsbedingungen der Armaturen zu bewerten und projektspezifische Lösungen zu erarbeiten. Je nach Anwendungsbereich und genehmigter Spezifikation kann der Lieferumfang kryogene Kugelhähne, Absperrschieber, Durchgangsventile, Rückschlagventile, Absperrklappen, angetriebene Ventilpakete sowie maßgeschneiderte Produkte zur Durchflussregelung umfassen.

Die technische Unterstützung durch JST Valve kann Folgendes umfassen:

• Auswertung der Daten zu Medium, Temperatur, Druck und Differenzdruck
• Auswahl der Werkstoffe für Gehäuse, Verkleidung, Sitze, Dichtungen und Dichtungsmaterialien
• Konfigurationen mit verlängerter Motorhaube und verlängertem Schaft
• Bewertung der Druckentlastung im Hohlraum und der Sitzrichtung
• Pneumatische, elektrische, hydraulische oder ausfallsichere Antriebspakete
• Maßgeschneiderte Abmessungen, Anschlüsse und Betriebsausführungen
• Prüfung, Test, Rückverfolgbarkeit und Dokumentation gemäß den Einkaufsbedingungen

Erforderliche Angaben zur Auswahl von LNG-Ventilen

Um eine genaue technische Empfehlung und ein Angebot für LNG-Ventile zu erhalten, geben Sie bitte Folgendes an:

• Prozessmedium und vollständige Flüssigkeitszusammensetzung
• Minimale, normale und maximale Betriebstemperatur
• Mindestauslegungstemperatur des Metalls
• Betriebsdruck und Auslegungsdruck
• Maximaler Differenzdruck bei Absperrung
• Ventiltyp, Nennweite und Druckklasse
• Vorgeschriebene Durchflussrichtung und Einbaulage
• Vorgeschriebene Akzeptanzkriterien für Leckagen
• Anforderungen an Karosserie, Verkleidung, Sitze, Dichtungen und Dichtungsmaterial
• Anschluss- und Baulängenstandard
• Antriebstyp, Endlage bei Ausfall und erforderliche Betätigungszeit
• Anforderungen an Kryo-, Brand-, Emissions- und Funktionstests
• Erforderliche Zertifikate, Prüfpläne, Zeichnungen und Unterlagen
• Menge, Liefertermin und Projektort

Häufig gestellte Fragen zu LNG-Ventilen

Welchen Temperaturen müssen LNG-Ventile standhalten?

Bei direktem LNG-Betrieb können Temperaturen von etwa −162 °C erreicht werden. Die erforderliche Auslegungstemperatur der Armaturen hängt jedoch vom genauen Standort und den Prozessbedingungen ab. Einige Armaturen in einer LNG-Anlage werden in wärmeren Umgebungen betrieben, beispielsweise im Niedertemperatur-, Dampf-, Versorgungs- oder Wiedervergasungsbetrieb.

Warum werden bei kryogenen LNG-Ventilen verlängerte Ventildeckel verwendet?

Eine verlängerte Motorhaube oder Spindel trägt dazu bei, den Bereich der Packung und der Spindeldichtung weiter vom kältesten Prozessbereich zu entfernen. Bei deren Abmessungen und Ausrichtung müssen die Isolierung, die Wärmeleitung, der Kaltdampf, die Zugänglichkeit und der Einbau des Stellantriebs berücksichtigt werden.

Warum ist der Druckausgleich im Hohlraum bei LNG-Kugelhähnen wichtig?

In einem geschlossenen Ventilhohlraum eingeschlossenes LNG kann Wärme aufnehmen, verdampfen und einen steigenden Druck erzeugen. Die Anordnung des Kugelventilsitzes und die Druckentlastungsrichtung müssen daher im Hinblick auf die Rohrleitungsführung und das Absperrkonzept des Projekts überprüft werden.

Welche Ventile werden üblicherweise zur Absperrung von LNG verwendet?

Zur Absperrung kommen üblicherweise kryogene Kugelhähne und Absperrschieber in Betracht. Für bestimmte Anwendungen mit großem Nennweite können Absperrklappen gewählt werden, wobei die endgültige Entscheidung von den Anforderungen an die Leckage, dem Druckabfall, dem Betätigungsdrehmoment, dem Platzbedarf, dem Gewicht und den Projektnormen abhängt.

Können LNG-Ventile auch Durchfluss und Druck regeln?

Ja. Absperrklappen, Regelventile, segmentierte Kugelhähne und ausgewählte Absperrklappen können für die Durchfluss- oder Druckregelung ausgelegt werden. Bei der Dimensionierung von Regelventilen müssen der Durchflusskoeffizient, der Druckabfall, das Verdampfen, die Kavitation, die Geräuschentwicklung, der erforderliche Regelbereich und das Ansprechverhalten des Stellantriebs berücksichtigt werden.

Kann JST Valve maßgeschneiderte LNG-Ventile herstellen?

JST Valve kann maßgeschneiderte Ventilkonfigurationen auf der Grundlage der Prozessdaten, Zeichnungen, Materialanforderungen, geltenden Normen, Antriebsspezifikationen, des Prüfplans, des Prüfumfangs und der Dokumentationsanforderungen des Kunden bewerten.

Technische Hinweise

Weitere technische Informationen finden Sie unter

Übersicht zur LNG-Versorgung der US-Energieinformationsbehörde

der

ISO 28921-1 – Norm für Niedertemperaturventile

die

ISO 21011 – Norm für Kryo-Ventile

und

ASME B16.34