การตัดสินใจด้านวิศวกรรมแบบครบวงจรสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกและวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกในการใช้งานกับไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว: จากการคำนวณองค์ประกอบไปจนถึงข้อกำหนดการจัดซื้อ

สองแนวป้องกัน หนึ่งเป้าหมายด้านความปลอดภัย

ไฮโดรเจนเหลวเดือดที่ -253 องศาเซลเซียส และฮีเลียมเหลวสามารถลดลงได้ต่ำถึง -269 องศาเซลเซียส ในช่วงอุณหภูมิคริโอเจนิกสุดขั้วนี้ ความปลอดภัยด้านวิศวกรรมขึ้นอยู่กับสองแนวป้องกันที่เสริมซึ่งกันและกัน ซึ่งทั้งสองแนวเกี่ยวข้องโดยตรงกับความเหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำของวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิก

แนวป้องกันขั้นแรกคือความมั่นคงของวัสดุ ชิ้นส่วนที่รับแรงดันในอุปกรณ์ไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลวต้องผลิตจากเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกที่มีความมั่นคงสูงอย่างยิ่ง และห้ามเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ที่เปราะบางโดยอัตโนมัติภายใต้สภาวะไครโอเจนิก หลักเกณฑ์ทางวิศวกรรมหลักคือสัมประสิทธิ์ความมั่นคงของออสเทนไนต์ (Δ) และอุณหภูมิเริ่มต้นของการเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms) ซึ่งยังเป็นตัวบ่งชี้สำคัญสำหรับการรับรองวัสดุของวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกด้วย

แนวป้องกันขั้นที่สองคือการระบายแรงดันส่วนเกิน ในภาชนะไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลวที่ปิดสนิท การไหลเข้าของความร้อนอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดการกลายเป็นไอและการเพิ่มแรงดัน จึงทำให้วาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกเป็นเกราะป้องกันเชิงกลสุดท้ายต่อแรงดันส่วนเกินในระบบไครโอเจนิก วัสดุเฉพาะ ความน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิ -253°ซ / -269°ซ สมรรถนะการปิดผนึกที่อุณหภูมิต่ำ การออกแบบป้องกันการแข็งตัวของน้ำแข็ง และรูปแบบการติดตั้ง ล้วนมีบทบาทกำหนดว่าแนวป้องกันนี้จะยังคงมีประสิทธิภาพในการใช้งานจริงหรือไม่

จุดตัดที่สำคัญของระบบป้องกันทั้งสองนี้มักถูกมองข้าม: ชิ้นส่วนทั้งหมดที่รับแรงดันภายในวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิก รวมถึงตัวเรือน ฝาครอบ และที่นั่ง ต้องเป็นไปตามเกณฑ์ Δ และ Ms เดียวกันกับวัสดุที่ใช้ทำถังเก็บไฮโดรเจนเหลว/ฮีเลียมเหลว หากเลือกใช้เฉพาะวาล์วที่ระบุว่าเป็น "สแตนเลสสตีล" โดยไม่มีการตรวจสอบค่า Ms อาจเกิดการเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนไซติกขณะทำความเย็นก่อนที่วาล์วจะเปิดใช้งานจริง ส่งผลให้ที่นั่งเสียหาย ชิ้นส่วนนำทางล้มเหลว และสูญเสียความสามารถในการป้องกันแรงดันเกิน

บทความนี้ผสานการคำนวณวัสดุ การตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล ข้อกำหนดตามมาตรฐาน การเลือกวาล์วความปลอดภัย การวิเคราะห์สาเหตุความล้มเหลว และเกณฑ์การรับรองการจัดซื้อเข้าด้วยกันเป็นสายการตัดสินใจเชิงวิศวกรรมเดียวสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกที่ใช้งานกับไฮโดรเจนเหลว (LH2) และฮีเลียมเหลว (LHe)

ส่วนที่ 1: เกณฑ์วัสดุ: ความหมายเชิงวิศวกรรมของ Δ และ Ms สำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์

1.1 ทำไมเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกแบบทั่วไปจึงไม่เพียงพอสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์สำหรับไฮโดรเจนเหลว (LH2) และฮีเลียมเหลว (LHe)

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์คริโอเจนิกส์ เนื่องจากโครงสร้างผลึกแบบเฟซเซ็นเตอร์คิวบิก (FCC) ของมันยังคงรักษาความเหนียวไว้ได้แม้ที่อุณหภูมิต่ำ อย่างไรก็ตาม เกรดทั่วไป เช่น 304, 316 และ 316L อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์โดยอัตโนมัติภายใต้สภาวะไฮโดรเจนเหลวที่ −253°C หรือฮีเลียมเหลวที่ −269°C โดยเฉพาะเมื่อมีแรงเครียดเชิงกลร่วมกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ

สำหรับวาล์วความปลอดภัยที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ถือเป็นความเสี่ยงสำคัญต่อความล้มเหลว ซึ่งมาร์เทนไซต์ที่เปราะบางอาจทำให้เกิดการรั่วบริเวณที่นั่งวาล์ว (seat leakage) แกนวาล์วติดขัด (stem sticking) ชิ้นส่วนนำทางเสียหาย (guide component damage) หรือแม้แต่รอยแตกที่ตัววาล์ว (body cracking) ดังนั้น การเลือกวัสดุสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์จึงไม่สามารถพึ่งพาเพียงเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมเท่านั้น แต่จำเป็นต้องตรวจสอบความเหมาะสมผ่านการคำนวณองค์ประกอบทางเคมีอย่างละเอียด

1.2 สัมประสิทธิ์ความมั่นคงของออสเทนไนต์ (Δ) สำหรับการรับรองวัสดุวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์

สัมประสิทธิ์ Δ ใช้ประเมินความต้านทานของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกต่อการเปลี่ยนรูปเป็นมาร์เทนไซต์ภายใต้สภาวะไครโอเจนิก มันเป็นเกณฑ์ขั้นต้นที่จำเป็นสำหรับการรับรองวัสดุของวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก

สูตรเคมี:
δ = Ni + 0.5Mn + 35C − 0.0833(Cr + 1.5Mo − 20)² − 12
โดยที่องค์ประกอบทั้งหมดแสดงในหน่วยเปอร์เซ็นต์ตามน้ำหนัก (%)

เกณฑ์ด้านวิศวกรรมสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก:

• δ < 0: มีความเสี่ยงสูงต่อการเปลี่ยนรูปเป็นมาร์เทนไซต์ และความเหนียวลดลงอย่างมีนัยสำคัญภายใต้สภาวะไครโอเจนิก จึงไม่สามารถใช้กับชิ้นส่วนที่รับแรงดันของวาล์วความปลอดภัยสำหรับ LH2/LHe ได้

• δ ≥ 0: มีความเสถียรของเฟสออสเทนไนต์ดี และมีแนวโน้มการเปลี่ยนรูปต่ำ เหมาะสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกที่ใช้งานกับไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว

1.3 อุณหภูมิเริ่มต้นของการเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms): เกณฑ์อุณหภูมิในการใช้งานสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก

อุณหภูมิ Ms กำหนดอุณหภูมิต่ำสุดที่อาจเริ่มเกิดการเปลี่ยนรูปเป็นมาร์เทนไซต์ มันเป็นพารามิเตอร์เชิงปริมาณหลักที่ใช้แยกแยะวาล์วความปลอดภัยเกรดไฮโดรเจนเหลวกับวาล์วความปลอดภัยเกรดฮีเลียมเหลว

สูตรเคมี:
Ms = 1.875(14.6 − Cr) + 110(8.9 − Ni) + 60(1.33 − Mn) + 50(0.47 − Si) + 3000[0.068 − (C + N)] − 321.8

เกณฑ์การให้บริการ:

• สำหรับวาล์วความปลอดภัยไฮโดรเจนเหลว (ใช้งานที่ −253°ซ): Ms ≤ −253°ซ

• สำหรับวาล์วความปลอดภัยฮีเลียมเหลว (ใช้งานที่ −269°ซ): Ms ≤ −269°ซ

ค่า Ms ที่ต่ำกว่า บ่งชี้ถึงความเสถียรของออสเทนไนต์ที่ดีขึ้น และความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปแบบเปราะที่ดีขึ้นระหว่างการหยุดทำงานที่อุณหภูมิต่ำจัด การเปลี่ยนแปลงแรงดัน และการรอใช้งานระยะยาว

ส่วนที่ 2: การตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูล — การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบเพียงเล็กน้อย ส่งผลต่อความเหมาะสมของวาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำจัดอย่างมาก

2.1 ตัวอย่างองค์ประกอบทางเคมี
ธาตุ ตัวอย่าง ก ตัวอย่าง ข ตัวอย่าง ค
C 0.025 0.060 0.070
Si 0.50 0.45 0.50
แมงกานีส 1.50 1.30 1.40
โครเมียม 17.0 16.5 16.6
นิกเกิล 11.0 11.2 11.4
โมลิบดีนัม 2.20 2.20 2.15
ไนโตรเจน 0.030 0.080 0.095

ผลการคำนวณข้อ 2.2 และความเหมาะสมของวาล์วความปลอดภัยสำหรับอุณหภูมิต่ำมาก
ดัชนี ตัวอย่าง A ตัวอย่าง B ตัวอย่าง C
เดลตา -2.18 +2.67 +4.31
อุณหภูมิเริ่มต้นของการเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนไซต์ (องศาเซลเซียส) -287.6 -315.2 -331.8
การตัดสินใจ เดลตา < 0; มีความเสี่ยงสูงต่อการเปลี่ยนรูปแบบ; ไม่เหมาะสมสำหรับวาล์วความปลอดภัยของไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว เดลตา > 0 และอุณหภูมิเริ่มต้นของการเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนไซต์ ≤ -269 องศาเซลเซียส; เหมาะสำหรับวาล์วความปลอดภัยของไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว มีความเสถียรสูงสุด; เป็นวัสดุที่แนะนำเป็นพิเศษสำหรับวาล์วความปลอดภัยของฮีเลียมเหลว

2.3 ข้อสังเกตสำคัญสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์

คาร์บอนและไนโตรเจนเป็นปัจจัยควบคุมความเสถียรที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด จากตัวอย่าง A ไปยังตัวอย่าง B การเพิ่ม C และ N เพียงเล็กน้อยก็สามารถทำให้ค่า Δ เปลี่ยนจากลบเป็นบวกได้ คำนิพจน์ 3000[0.068-(C+N)] มีความไวสูงมาก หากรวมปริมาณ C+N ไม่เพียงพอ จะทำให้ค่า Ms เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และเพิ่มความเสี่ยงของการเปลี่ยนรูปแบบเปราะในวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์

นิกเกิลส่งผลเชิงเส้น ในขณะที่คาร์บอนและไนโตรเจนมีผลในการเพิ่มความเสถียรที่เข้มข้นกว่า จากตัวอย่าง B ไปยังตัวอย่าง C การเพิ่มปริมาณนิกเกิลเพียงเล็กน้อยร่วมกับคาร์บอนและไนโตรเจนรวมที่สูงขึ้นเล็กน้อย ส่งผลให้ความเสถียรดีขึ้นอย่างชัดเจน และอุณหภูมิ Ms ลดลง

โมลิบดีนัมไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ช่วยเพิ่มความเสถียร โมลิบดีนัมปรากฏในรูปของพจน์ลบในสูตร Δ ประสิทธิภาพการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำจัดของเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L เมื่อเปรียบเทียบกับเกรด 304L ดีกว่าเป็นส่วนใหญ่เนื่องจากมีนิกเกิลมากกว่าและการควบคุมองค์ประกอบที่แม่นยำยิ่งขึ้น ไม่ใช่เพราะตัวโมลิบดีนัมเอง

2.4 การตีความค่า Ms ที่ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์

ค่า Ms ที่คำนวณได้สำหรับตัวอย่าง B และ C ต่ำกว่า -273.15 องศาเซลเซียส ซึ่งไม่มีความหมายทางกายภาพในฐานะอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงจริง อย่างไรก็ตาม ในเชิงวิศวกรรม ผลลัพธ์เช่นนี้บ่งชี้ว่าออสเทนไนต์มีความเสถียรสูงมากที่อุณหภูมิใช้งานจริงที่ -269 องศาเซลเซียส (อุณหภูมิของฮีเลียมเหลว) โดยแรงขับเคลื่อนสำหรับการเกิดมาร์เทนไซต์แบบไม่ขึ้นกับปัจจัยภายนอกนั้นมีค่าน้อยมาก

การตีความเชิงปฏิบัติสำหรับวาล์วความปลอดภัยที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำจัด:

• สตริงค์เอ็มเอส ที่ -269 องศาเซลเซียส: อุณหภูมิการเปลี่ยนรูปจริงอาจถึงได้ในการให้บริการด้วยของเหลวไฮโดรเจนเหลว (LHe) จึงไม่เหมาะสมสำหรับวาล์วความปลอดภัยที่ใช้กับของเหลวไฮโดรเจนเหลว

• -273.15 องศาเซลเซียส < สตริงค์เอ็มเอส ≤ -269 องศาเซลเซียส: ไม่มีการเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซติกแบบเกิดขึ้นเองภายใต้สภาวะของเหลวไฮโดรเจนเหลว (LHe) จึงยอมรับได้

• สตริงค์เอ็มเอส < -273.15 องศาเซลเซียส: เป็นเพียงการประมาณค่าทางคณิตศาสตร์ แต่บ่งชี้ถึงความเสถียรของออสเทนไนต์ที่ยอดเยี่ยมและขอบเขตความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัดที่กว้างมาก

ส่วนที่ 3 ข้อกำหนดบังคับสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบเย็นจัดที่ใช้งานในสภาวะอุณหภูมิต่ำสุดขั้ว

3.1 ความเหนียวต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ

สำหรับสภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำกว่า -196 องศาเซลเซียส วัสดุที่ใช้ทำวาล์วความปลอดภัยแบบเย็นจัดต้องผ่านการทดสอบแรงกระแทกที่อุณหภูมิออกแบบ:

• การใช้งานกับไฮโดรเจนเหลว: ทดสอบแรงกระแทกที่ -253 องศาเซลเซียส

• การใช้งานกับฮีเลียมเหลว: ทดสอบแรงกระแทกที่ -269 องศาเซลเซียส

เกณฑ์การยอมรับ:

• ค่าเฉลี่ย KV2 ≥ 54 จูล

• ค่าเฉลี่ยการขยายตัวด้านข้าง (LE) ≥ 0.53 มิลลิเมตร

หากทดสอบที่อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส ค่าที่เข้มงวดยิ่งขึ้นจะถูกกำหนดไว้:

• KV2 ≥ 70 จูล

• LE ≥ 0.76 มิลลิเมตร

3.2 การควบคุมปริมาณเฟอร์ไรต์

เฟอร์ไรต์เป็นเฟสที่เปราะและอาจทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของการแตกร้าวภายใต้สภาวะไครโอเจนิก สำหรับชิ้นส่วนที่รับแรงดันของวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก ปริมาณเฟอร์ไรต์ต้องไม่เกิน 3% โดยการทดสอบตามมาตรฐาน GB/T 13305

3.3 การตรวจสอบแต่ละล็อตด้วยการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีจริง

ค่า Δ และ Ms ต้องคำนวณจากผลการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีจริงที่ระบุในรายงานการทดสอบวัสดุ ไม่ใช่จากค่าทฤษฎี วาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกแต่ละล็อตต้องได้รับการตรวจสอบแยกต่างหาก

ส่วนที่ 4 วาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก: อุปสรรคเชิงกลขั้นสุดท้ายสำหรับระบบ LH2/LHe

4.1 เหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้วาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกเฉพาะสำหรับไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว

ไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลวมีจุดเดือดต่ำมาก ในภาชนะที่ปิดสนิท ความร้อนที่ไหลเข้าอย่างต่อเนื่องจะก่อให้เกิดการกลายเป็นไอและการเพิ่มแรงดัน หากไม่มีอุปกรณ์ระบายแรงดันที่เชื่อถือได้ แรงดันเกินอาจนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างรุนแรง

เมื่อเปรียบเทียบกับวาล์วทั่วไป หรือแม้แต่วาล์วที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำทั่วไป วาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัดจำเป็นต้องทนต่ออุณหภูมิสุดขั้ว และรักษาสมรรถนะการปิดผนึกและการทำงานซ้ำได้อย่างเชื่อถือได้ วัสดุสปริงและระบบปิดผนึกทั่วไปอาจเกิดปัญหา เช่น สปริงเปราะหัก รอยรั่วบริเวณที่นั่งวาล์ว การเกิดน้ำแข็ง การติดขัดของแกนวาล์ว และการหดตัวของซีลที่อุณหภูมิ -253℃ หรือ -269℃

มาตรฐานภายในประเทศที่สำคัญคือ GB/T 46630-2025 วาล์วความปลอดภัยสำหรับภาชนะเก็บสภาวะเย็นจัด ซึ่งจะมีผลบังคับใช้ตั้งแต่วันที่ 1 พฤษภาคม 2569 และปรับปรุงมาจากรุ่น ISO 21013-1:2021 มาตรฐานนี้ใช้กับวาล์วปล่อยแรงดันสำหรับก๊าซสภาวะเย็นจัดที่อุณหภูมิต่ำกว่า -10℃ จนถึงขนาด DN150 และจัดแบ่งประเภทไว้ดังนี้

• กลุ่ม A: วาล์วที่อาจทำงานระหว่างการใช้งานปกติ ต้องตรวจสอบการรั่วบริเวณที่นั่งวาล์วหลังจากทดสอบการทำงานซ้ำครบ 1,000 รอบ
• กลุ่ม B: วาล์วที่ยังคงอยู่ในตำแหน่งปิดระหว่างการใช้งานปกติ ต้องตรวจสอบการรั่วบริเวณที่นั่งวาล์วหลังจากทดสอบการทำงานซ้ำครบ 20 รอบ

หลักการพื้นฐานคือ ชิ้นส่วนทั้งหมดที่รับแรงดันของวาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัด ต้องสอดคล้องตามข้อกำหนด Δ และ Ms เดียวกันกับวัสดุที่ใช้ทำถังบรรจุ

4.2 กรณีศึกษา 1: CERN LHC – วาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์จำนวน 400 ตัวสำหรับการใช้งานกับ LHe

เครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (LHC) ของ CERN เป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องการวาล์วความปลอดภัยสำหรับไฮโดรเจนเหลวอย่างเข้มงวดที่สุดในโลก ระบบซูเปอร์คอนดักเตอร์ความยาว 27 กิโลเมตรประกอบด้วยวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส์ประมาณ 400 ตัว ซึ่งทำหน้าที่ปกป้องภาชนะแม่เหล็กที่บรรจุฮีเลียมซูเปอร์ฟลูอิดที่อุณหภูมิ 1.9 เคลวิน (-271.25 องศาเซลเซียส) โดยมีค่าความดันที่ตั้งไว้ประมาณ 17 บาร์ และความดันที่เปิดเต็มที่ประมาณ 20 บาร์

ความท้าทายหลักๆ ได้แก่:

• การดำเนินงานในฮีเลียมซูเปอร์ฟลูอิดใกล้ศูนย์สัมบูรณ์

• การรับความร้อนเข้ามาต่ำมาก

• ทนต่อรังสี

• ความสามารถในการควบคุมจากระยะไกล

• ความดันที่ตั้งไว้อย่างคงที่ภายใต้แรงดันย้อนกลับ

• ไม่มีการเกิดน้ำแข็งหรือการติดขัดระหว่างการใช้งานซ้ำๆ

กรณีศึกษานี้แสดงให้เห็นว่า วาล์วความปลอดภัยสำหรับงานไครโอเจนิกส์ที่ใช้กับฮีเลียมเหลว (LHe) ไม่ใช่สินค้าทั่วไป แต่ต้องอาศัยวิศวกรรมเฉพาะทาง รวมถึงแกนที่มีการนำความร้อนต่ำ ซีลแบบเบลโลวส์ โครงสร้างชดเชยอุณหภูมิ และแอคทูเอเตอร์แบบควบคุมจากระยะไกล ผู้จัดจำหน่ายรายใหญ่ในสาขานี้ ได้แก่ Toko Valex และ WEKA AG

ประเด็นสำคัญ: ห้ามเลือกวาล์วความปลอดภัยสำหรับฮีเลียมเหลวโดยอิงจากประสบการณ์การใช้งานกับไนโตรเจนเหลว (LN2) เพียงอย่างเดียว เพราะช่วงอุณหภูมิจาก −196 องศาเซลเซียส ลงไปถึง −269 องศาเซลเซียส มีความแตกต่างมากกว่าช่วงจาก −196 องศาเซลเซียส ขึ้นไปถึงอุณหภูมิห้อง

4.3 กรณีศึกษา 2: Herose – ข้อมูลประสิทธิภาพการใช้งานซ้ำๆ แบบไครโอเจนิกส์

Herose เป็นผู้จัดจำหน่ายวาล์วไครโอเจนิกส์อุตสาหกรรมระดับโลก โดยวาล์วความปลอดภัยของบริษัทสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิต่ำสุดถึง −270 องศาเซลเซียส ผลิตภัณฑ์ครอบคลุมการใช้งานกับออกซิเจน ไนโตรเจน อาร์กอน คาร์บอนไดออกไซด์ ฮีเลียม และไฮโดรเจน โดยมีปริมาณการผลิตต่อปีมากกว่า 200,000 ตัว

การทดสอบความทนทานที่สำคัญหนึ่งรายการแสดงให้เห็นว่า วาล์วความปลอดภัยของ Herose สามารถทำได้:

• 144,000 รอบ ที่อุณหภูมิห้อง

• 2,000 รอบภายใต้สภาวะก๊าซเยือกแข็ง

ในการทดสอบแบบเฉพาะเจาะจงรุ่น 06388 ภายใต้สภาวะที่ไม่มีการดึงก๊าซออก วาล์วสามารถทำงานได้เกือบ 1,000 ครั้งภายในถังไนโตรเจนเหลว โดยมีพื้นที่ก๊าซสำรองน้อยมาก สิ่งนี้พิสูจน์ว่า วาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเยือกแข็งต้องยังคงเชื่อถือได้แม้ในสภาวะชั่วคราวที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น ระดับของเหลวน้อย การขนส่ง หรือการใช้งานชั่วคราวโดยไม่มีพื้นที่ก๊าซที่มั่นคง

วาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเยือกแข็งรุ่น Herose 06011 ทำจากสแตนเลส ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ -255 องศาเซลเซียส ถึง +65 องศาเซลเซียส จึงเหมาะสำหรับการใช้งานกับ LNG และไฮโดรเจน วาล์วรุ่นนี้ผ่านการรับรองการทดสอบชนิดตามมาตรฐาน TÜV และสำหรับเวอร์ชันที่ใช้งานกับไฮโดรเจน จะต้องผ่านการตรวจสอบการรั่วของเปลือกและที่นั่งด้วยฮีเลียม หรือด้วยส่วนผสมของไนโตรเจน 95% กับไฮโดรเจน 5%

4.4 กรณีศึกษา 3: โรงงาน LNG Hammerfest ของ Equinor – ความเสี่ยงแฝงระหว่างการบำรุงรักษาและการแยกระบบ

เมื่อวันที่ 31 พฤษภาคม 2566 เกิดเหตุรั่วของก๊าซครั้งใหญ่ที่โรงงานแอลเอ็นจีแฮมเมอร์เฟสต์ของบริษัทอีควิโนร์ สาเหตุโดยตรงเกิดจากปลั๊กเปิดระบายความดันที่มีเกลียวแบบซ้ายมือ ซึ่งติดตั้งอยู่บนท่อตอนต้นของวาล์วความปลอดภัย ระหว่างการถอดฉนวนหุ้มออก ผู้ปฏิบัติงานไม่คุ้นเคยกับข้อต่อพิเศษนี้ และจึงไม่ได้ปิดมันอย่างถูกต้อง

เหตุรั่วใช้เวลานานประมาณ 6.5 ชั่วโมง ปล่อยก๊าซออกมาประมาณ 9,300 กิโลกรัม และทำให้โรงงานต้องหยุดดำเนินการเป็นเวลา 8 วัน

กรณีนี้แสดงให้เห็นว่า แม้ว่าวาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัดจะยังทำงานได้ตามปกติ แต่ขั้นตอนการแยกวงจร การระบายความดัน และการบำรุงรักษาอาจทำให้ระบบป้องกันเสียประสิทธิภาพ สำหรับวาล์วความปลอดภัยสภาวะเย็นจัดสำหรับ LH2 และ LHe สิ่งต่อไปนี้มีความสำคัญยิ่ง:

• ขั้นตอนการปฏิบัติงานที่ชัดเจนสำหรับชิ้นส่วนระบายความดันที่ไม่ใช่มาตรฐาน

• การระบุตำแหน่งที่เปิดหรือปิดตามปกติอย่างถาวร

• การจัดวางระบบแยกวงจรที่สามารถล็อกได้ หรือออกแบบให้ต้องใช้เครื่องมือเฉพาะในการเปิด

• การทบทวนปัจจัยด้านมนุษย์สำหรับจุดเชื่อมต่อที่ใช้ในการบำรุงรักษา

4.5 พารามิเตอร์ที่ใช้ในการเลือกวาล์วความปลอดภัยสภาวะเย็นจัดสำหรับ LH2 และ LHe
พารามิเตอร์ วาล์วความปลอดภัยสภาวะเย็นจัดสำหรับ LH2 (-253 องศาเซลเซียส) วาล์วความปลอดภัยสภาวะเย็นจัดสำหรับ LHe (-269 องศาเซลเซียส)
วัสดุทำตัววาล์ว: สแตนเลสสตีลออสเทนิติก, Δ ≥ 0, อุณหภูมิเริ่มเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms) ≤ -253°ซ, สแตนเลสสตีลออสเทนิติก, Δ ≥ 0, อุณหภูมิเริ่มเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms) ≤ -269°ซ
การออกแบบซีล: ที่นั่งโลหะ หรือพีทีเอฟอีที่เติมคาร์บอนพร้อมการรับรองสำหรับสภาวะไครโอเจนิก; แนะนำให้ใช้ที่นั่งโลหะเป็นหลัก; ซีลที่ไม่ใช่โลหะจำเป็นต้องผ่านการตรวจสอบพิเศษ
อุณหภูมิออกแบบต่ำสุด: ≤ -255°ซ, ≤ -270°ซ
การทดสอบหลัก: การรั่วของที่นั่งและประสิทธิภาพความทนทานต่อการเปิด-ปิดซ้ำที่อุณหภูมิ -253°ซ; ความทนทานต่อการเปิด-ปิดซ้ำและสมบูรณ์ของที่นั่งที่อุณหภูมิ -269°ซ
มาตรฐานที่ใช้ได้: GB/T 46630-2025, ISO 21013-1; GB/T 46630-2025, EN 13648-1 พร้อมการรับรองพิเศษ

หมายเหตุ: GB/T 40011-2021 ครอบคลุมวาล์วความปลอดภัยไครโอเจนิกแบบควบคุมด้วยแรงดันย่อย (pilot-operated) ที่ใช้งานได้ต่ำสุดถึง -196°ซ ซึ่งไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานกับไฮโดรเจนเหลว (LH2) ที่ -253°ซ หรือฮีเลียมเหลว (LHe) ที่ -269°ซ สำหรับสภาวะสุดขั้วเหล่านี้ การคัดเลือกต้องอาศัยข้อมูลผลการทดสอบชนิด (type-test data) จากผู้ผลิต และความเทียบเท่ากับมาตรฐานสากล เช่น ISO 21013-1 และ EN 13648-1

ส่วนที่ 5: ข้อกำหนดการจัดซื้อหลักสามประการสำหรับวาล์วความปลอดภัยไครโอเจนิก

5.1 ข้อกำหนดข้อที่ 1: อุณหภูมิเริ่มเกิดมาร์เทนไซต์ (Ms) ของวัสดุต้องไม่สูงกว่าอุณหภูมิในการใช้งาน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดในการจัดซื้อคือการระบุเพียงแค่ "เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก" โดยไม่ได้กำหนดเกณฑ์ความเสถียร

ข้อกำหนดในการจัดซื้อ:
ชิ้นส่วนที่รับแรงดัน รวมถึงตัวเรือน ฝาครอบ และที่นั่ง ต้องผลิตจากเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก ผู้จัดจำหน่ายต้องจัดทำรายงานผลการวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีจริงจากรายงานผลการทดสอบวัสดุ และคำนวณค่า Δ และ Ms ตามสูตรที่ระบุข้างต้น สำหรับการใช้งานกับไฮโดรเจนเหลว ค่า Ms ต้องไม่เกิน -253 องศาเซลเซียส; สำหรับการใช้งานกับฮีเลียมเหลว ค่า Ms ต้องไม่เกิน -269 องศาเซลเซียส ในทุกกรณี ต้องมีค่า Δ มากกว่าหรือเท่ากับศูนย์ เนื้อหาเฟอร์ไรต์ต้องไม่เกินร้อยละ 3 ตามมาตรฐาน GB/T 13305 ค่า Ms ที่ต่ำกว่า -273.15 องศาเซลเซียส ถือว่าเป็นไปตามข้อกำหนดของ Ms

การตรวจสอบเพิ่มเติม:

• การใช้งานกับ LH2: รายงานผลการทดสอบการกระแทกที่อุณหภูมิ -253 องศาเซลเซียส

• การใช้งานกับ LHe: รายงานผลการทดสอบการกระแทกที่อุณหภูมิ -269 องศาเซลเซียส

• หากทำการทดสอบที่อุณหภูมิ -196 องศาเซลเซียส ต้องมีค่า KV2 ไม่น้อยกว่า 70 จูล และค่า LE ไม่น้อยกว่า 0.76 มิลลิเมตร

ข้อกำหนดข้อที่ 2: ต้องตรวจสอบข้อมูลการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไครโอเจนิก

ความล้มเหลวของวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกส่วนใหญ่เกิดจากการเสื่อมสภาพของที่นั่งหรือการติดขัดหลังการเปิด-ปิดซ้ำๆ ไม่ใช่จากความล้มเหลวในการเปิดเพียงครั้งเดียว ข้อกำหนดในการจัดซื้อต้องระบุให้มีการพิสูจน์ประสิทธิภาพในการเปิด-ปิดซ้ำได้

ข้อกำหนดในการจัดซื้อ:
ผู้จัดจำหน่ายต้องจัดเตรียมข้อมูลผลการทดสอบประสิทธิภาพในการเปิด-ปิดซ้ำภายใต้สภาวะคริโอเจนิกจากรายงานการทดสอบชนิด (type-test report) หรือบันทึกความทนทานที่ผู้ผลิตยืนยันแล้ว อุณหภูมิในการทดสอบต้องไม่สูงกว่าอุณหภูมิการออกแบบต่ำสุดของวาล์ว จำนวนรอบการเปิด-ปิดต้องไม่น้อยกว่าค่าที่ผู้ผลิตประกาศไว้สำหรับการใช้งานในสภาวะคริโอเจนิก หลังการทดสอบเปิด-ปิดซ้ำ ค่าอัตราการรั่วของที่นั่งต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐาน GB/T 46630-2025 สำหรับระดับที่ระบุไว้ วาล์วที่ไม่มีข้อมูลการทดสอบเปิด-ปิดซ้ำภายใต้สภาวะคริโอเจนิกจะไม่ได้รับการยอมรับสำหรับการใช้งานกับ LH2/LHe

การตรวจสอบเพื่อการยอมรับ:

• ทบทวนส่วนการทดสอบคริโอเจนิกในรายงานการทดสอบชนิด ไม่ใช่เฉพาะส่วนที่ทดสอบที่อุณหภูมิแวดล้อมเท่านั้น

• ห้ามปรับแต่งหรือบำรุงรักษาวาล์วที่ใช้ในการทดสอบระหว่างรอบการทดสอบคริโอเจนิก

• หากมีเฉพาะข้อมูล LN2 เท่านั้น จะต้องระบุอย่างชัดเจนว่าไม่เทียบเท่ากับการรับรอง LHe

ข้อกำหนดข้อที่ 5.3 ข้อที่ 3: การแยกส่วนและการจัดวางระบบระบายอากาศต้องป้องกันความผิดพลาดของมนุษย์

แม้วาล์วความปลอดภัยสำหรับสารทำความเย็นจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ก็อาจถูกทำให้ใช้งานไม่ได้จากแบบการแยกส่วนที่ออกแบบมาไม่ดี

ข้อกำหนดในการจัดซื้อ:
ควรหลีกเลี่ยงการติดตั้งวาล์วแยกส่วนไว้ด้านต้นทางหรือปลายทางของวาล์วความปลอดภัยสำหรับสารทำความเย็น หากข้อกำหนดของกระบวนการจำเป็นต้องมีการแยกส่วน ระบบจัดวางจะต้องใช้แบบเปิดแบบคงที่ (carve-open) แบบล็อกเปิด (lock-open) หรือแบบปิดสองชั้นพร้อมระบายน้ำ (double-block-and-bleed) เพื่อให้มั่นใจว่าจะมีเส้นทางปล่อยแรงดันอย่างน้อยหนึ่งเส้นทางพร้อมใช้งานเสมอ วาล์วควบคุมด้วยมือใด ๆ ที่ติดตั้งในท่อระบายอากาศจะต้องล็อกไว้ในตำแหน่งเปิด หรือเป็นแบบเปิดแบบคงที่ และต้องติดป้ายกำกับถาวรไว้ว่า “ท่อระบายอากาศของวาล์วความปลอดภัย – ห้ามปิด” ส่วนประกอบที่ไม่ธรรมดา เช่น ปลั๊กระบายพิเศษ จะต้องมีคำแนะนำการปฏิบัติงานแบบถาวร ผู้จัดจำหน่ายจะต้องจัดเตรียมแผนผังการติดตั้งและการแยกส่วนเพื่อให้วิศวกรด้านความปลอดภัยของกระบวนการของผู้ซื้อตรวจสอบ

ส่วนที่ 6: การปิดวงจรความปลอดภัย: ความเสถียรของวัสดุและวาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิก

ความเสถียรของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติกทำให้ภาชนะและชิ้นส่วนที่รับแรงดันไม่เปราะบางเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิต่ำมาก วาล์วความปลอดภัยแบบไครโอเจนิกทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้ระบบเกิดการระเบิดจากแรงดันเกิน ทั้งสองฟังก์ชันนี้เสริมกันและมีความสำคัญเท่าเทียมกัน

คำแนะนำที่ใช้งานได้จริงที่สุดสำหรับโครงการ LH2/ LHe คือ การระบุข้อกำหนดสามประการไว้ในเอกสารข้อกำหนดการจัดซื้อวาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัด

• วัสดุต้องมีค่า Ms น้อยกว่าหรือเท่ากับอุณหภูมิในการใช้งาน

• ต้องมีหลักฐานยืนยันประสิทธิภาพภายใต้การใช้งานแบบไซเคิลที่อุณหภูมิเย็นจัด

• ต้องมีการจัดวางระบบแยกส่วนที่ป้องกันความผิดพลาดจากมนุษย์

ข้อกำหนดเหล่านี้มีความหมายมากกว่าการอ้างอิงเพียงตัวเลขมาตรฐานเพียงอย่างเดียว ควรจัดวางไว้ในส่วน “ข้อกำหนดทางเทคนิค” เป็นข้อความอิสระแยกต่างหาก ไม่ควรถูกซ่อนอยู่ภายใต้หัวข้อ “ข้อกำหนดทั่วไป”

สรุป

สำหรับวาล์วความปลอดภัยสำหรับสภาวะเย็นจัดที่ใช้กับไฮโดรเจนเหลวที่ −253 °C และฮีเลียมเหลวที่ −269 °C ไม่มีโซลูชันสำเร็จรูปที่ใช้งานได้ทั่วไป ดังนั้น จำเป็นต้องตรวจสอบร่วมกันทั้งการคำนวณวัสดุ การทดสอบที่อุณหภูมิต่ำ การรับประกันความแน่นสนิทของระบบปิดผนึก และการแยกส่วนของระบบ

สัญลักษณ์ Δ บ่งชี้ความเสี่ยงของการเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนไซติก
ค่า Ms กำหนดเกณฑ์อุณหภูมิต่ำสุดที่สามารถใช้งานได้
ข้อมูลการใช้งานแบบไซเคิลที่อุณหภูมิเย็นจัดยืนยันความน่าเชื่อถือของระบบปิดผนึกหลังจากการทำงานซ้ำ ๆ
ข้อกำหนดด้านการแยกและล็อกเปิดป้องกันไม่ให้ปัจจัยของมนุษย์ทำให้เส้นทางระบายแรงดันหยุดทำงาน

การรับประกันความปลอดภัยที่แท้จริงสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกในการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำสุดอยู่ที่การรวมกันของ:

• การวิเคราะห์ทางเคมีจริง

• ผลการทดสอบการกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ

• การควบคุมเฟอไรต์

• การตรวจสอบประสิทธิภาพแบบวงจรคริโอเจนิก

• การออกแบบเพื่อแยกส่วนและป้องกันข้อผิดพลาด

นี่คือเกณฑ์วิศวกรรมหลักสำหรับวาล์วความปลอดภัยแบบคริโอเจนิกในการใช้งานกับไฮโดรเจนเหลวและฮีเลียมเหลว และเป็นพื้นฐานสำคัญต่อการดำเนินงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของระบบไฮโดรเจนและฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำสุด