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原子力発電所用バルブのシール材研究およびパッキンの構造設計 原子力発電所の付帯設備であるバルブは、原子力発電所の設計・建設・運用において、多く使用される媒体輸送制御装置である。原子力発電所の安全な運転を保証するための重要な構成要素です。それは原子力発電所のあらゆるエネルギー変換やシステム制御を担っており、炉心温度の調整、循環システムの流量制御、熱エネルギーの出力・入力、配管内の媒体の遮断または接続といった多様な機能を有している。通常のバルブと比較して、原子力発電所用バルブの性能要求および特徴とは、その使用における安全性、高温高圧環境下での作動安定性、そして24時間体制での信頼性を確保することである。使用環境の特殊性から、原子力発電用バルブのシールには高い技術水準が求められる。原子力発電を運用する上での前提は、安全が最優先であることです。バルブの性能が信頼でき、動作が敏感であり、十分な密封性と使用寿命を持っている場合にのみ、原子力エネルギーを安全に利用することができます。 統計によると、100万kWの原子炉を2基備えた第2世代加圧水型原子力発電所には、各種バルブが3万個以上ある。AP1000の第3世代技術においては、モジュール式設計を採用しているにもかかわらず、1万台以上に上ります。原子力発電所の運用データの分析によると、原子力発電所の運転用バルブの故障率の約34％はバルブシャフト部のシール材の漏れが原因であるため、バルブシャフトの密封を確保するための高性能で長寿命なシール材が急務となっている。自然界のあらゆる材料の物性において、グラファイトは間違いなく最も理想的なシール材である。高度に加工されたフレキシブルグラファイトは、アスベストの使用禁止後、バルブシャフトのシールに最も適した素材です。 一、グラファイト材料の特性 グラファイトは六角形の平面網目構造を持つ結晶で、六角形の平面上にある3つのSP2混成軌道が120°の間隔で配置されている。また、平面の上下にあるπ電子同士が重なり合ってファンデルワールス結合を形成しており、優れた化学的安定性を持ち、どんな強酸や強アルカリ、有機溶剤にも侵食されない。グラファイトはγ線、α線、β線などの放射線に対して優れた耐性を持ち、かつ熱中性子に対する断面積も非常に小さいため、原子炉において唯一選択可能な減速材となっている。原子炉の減速剤や核放射線を防ぐためのケースとして使用でき、国防および原子力産業分野において重要な材料です。 現在、シール業界で最も広く使用されている材料はフレキシブルグラファイトで、－200℃～600℃の範囲で安全に使用できます。低温でも脆くならず、時効によっても劣化せず、高温でも軟化せず、変形や分解もしないという特性を持っています。また、加工しやすい優れた可塑性と良好な潤滑性も備えており、固体潤滑剤として使用した場合、どのような温度条件下でも油脂系潤滑剤よりも摩擦係数が低く、バルブステムの頻繁な動作に非常に適しています。ガスや液体のシールにおいても、優れた透過防止性能を発揮します。 二、黒鉛の加工工程 核用バルブのシール材に使用される黒鉛は、天然鉱物を選鉱・精製し、化学的な処理や膨張処理、圧延、巻き取りといった複数の工程を経て柔軟性のある黒鉛板に加工され、その後さらに切断・成形されてバルブ用のシール材となる。選ばれる原材料である黒鉛粒子は、天然の高品質な大きな鱗片状黒鉛でなければならない。このような原料は不純物が少なく純度が高く、膨張させた後のウォーム粒子の直径も大きいため、作られる黒鉛板の強度が高く、有害な化学元素の含有量も低い。また、製造工程も安定しており、製品の成形性も優れている。異なる目数の黒鉛の比較は表1を参照し、天然結晶質（鱗片）黒鉛は図1に、膨張処理後の黒鉛および板状製品は図2に示す。 充填材用黒鉛材料の要求事項 特に規定がない限り、原子力用バルブ用のフレキシブル黒鉛充填材の主要な化学成分、物理的特性、および機械的特性は、表2の規定に適合しなければならない。 照射試験では、一般的に柔軟な黒鉛板を試料とし、1900KGyのR60Coγ線のもとで190時間照射する。その結果、表面に明らかな異常は見られず、外観も滑らかである。同様に、充填剤を用いた製品でも同じ照射条件の下で、その機械的性質の低下は10％以下である。 三、充填材構造の設計 現在使用されているバルブのシール用充填材は、ほとんどが組み合わせ式の設計が採用されており、両端にある2つのバルブステム用スケアリングリングがバルブステムの表面を清掃し、中央にある純グラファイト製リングが媒体によって損傷されないように保護する機能を果たしている；中央には、システム全体の密封を担う主要な部品として、数個の高純度グラファイトリングが配置されている。断面形状の設計において代表的なものには、平面環、円錐形環、V字型環、そしてバタフライ型環がある。核用バルブ用のシール材の設計パラメータは、表3の要求を満たさなければならない。 （1）コンビネーションフィラーの両端にあるスケール除去リング。媒体の圧力が過度に高くなった際に、シール部品が侵食されて破損するのを防ぐためです；次に、均一な整平機能と軸方向の予圧力伝達機能も備えている；両端のリングの接触面には、できるだけ一定の粗さを持たせ、バルブシャフトが動く際に往復して摩擦が生じ、常にバルブシャフトの表面を滑らかで清潔な状態に保つようにする。現在一般的に使用されている材料には、炭素繊維や金属線で補強されたグラファイト、あるいはグラファイトの外側を金属線で覆ったものなどから作られたリングがあります。しかし実際の使用において、これらのリングにはいくつかの欠点が存在します。それでも、通常のバルブのシールとして使用する上では問題ありません。しかし、高級な原子力発電用のバルブのシールには対応しきれません。ここでは、高純度の柔軟な黒鉛にニッケル線を編み込んだメッシュ状のリングについて説明する。その設計の意義は、グラファイトの柔軟性と高い圧縮率を活用し、ニッケル線網のしなやかさと高い弾力性を組み合わせることで製品の物理的・機械的性質を向上させることにあります。このようにして作られたスケール除去リングには、グラファイトリングの高純度、高炭素含有量、および低焼損率を保証するため、強化繊維や複合用接着剤は一切添加されていません。いくつかのスケール除去用エンドリングを図3に示す。 外部にニッケル線を編み込んだグラファイト製スケール除去リングは、炭素繊維で編まれたリングや内部に強化繊維を含むグラファイト製リングよりも優れた性能を持っており、表4はこれら3種類のスケール除去リングの物性を比較したものです。 （2）充填材セットの中央部分がシールの本体である。バルブのシール材の設計深さに基づき、そのグラファイトリングを何個配置できるかを計算することができる。 パッキンシールは接触式の嵌合シールであるため、パッキンケーシングの内壁とバルブロッドの外表面に嵌合するために、自己が容易に変形できることが求められる。パッキンシールの原理は、軸方向に予圧力を加えて半径方向に変形させ、バルブシャフトとバルブのパッキンケーシングの接合面を埋め尽くすことで媒体の漏出を防ぎ、バルブシャフトを密封することです。 最も理想的な半径方向の変形を追求する際に。図4に示すいくつかのパッキングセットについて構造解析を行うため、まずこれらのパッキングをそれぞれバルブ内のパッキンケーシングに組み込み、プレートを取り付けて同じボルト予圧トルクを加える。一定時間保圧した後に開封して充填材を取り出し、各リングの配置位置を記録して前後で比較すると、軸方向に予圧力が加わると、まず両端が力を受けて変形し、中央部に力が伝わる頃にはそのエネルギーが既に消耗されており、全体としては半径方向に完全には変形しない。これにより有効な接触面積が減少し、シール性能も不安定になる。 図5はバルブの充填状況を示したもので、試験の結果、V字型の構造を持つパッキング組み合わせのみが負荷状態が改善され、軸方向に予圧をかけた後も全体的な変形はまずまずだったが、すべてのリングに均等な負荷がかかることはなかった。必要に応じて、良好な半径方向の変形を得るために中間のグラファイトリングの密度も下げる必要がある。 （3）著者は、原子力発電用バルブに適用される一種のパッキングセット（図6参照）について研究した。この疑似弾性のバタフライ形状の設計では、グラファイトリングと2つのスケーリングリングが接合する部分、すなわち図中のL、3の位置が上が凹んで下が凸になる形状になっている。パッキング群に予圧力が加えられると、パッキングの両端の受圧方向は正反対となり、パッキング群全体の受力形態はN字型となる。予圧過程において、パッキンの変形領域には一部の降伏ポテンシャルエネルギーが蓄積される。バルブロッドが動く際に生じる摩耗やプレートの予圧力が不十分な場合、以前に蓄えられたポテンシャルエネルギーが解放され、運転中のパッキンの損耗を補償する。媒体の圧力に変動や熱振動があると、充填材群の変形もそれに応じて変化する。これにより、バルブのシール材が強い力には強く、弱い力には弱く反応する自己シール機能が実現される。 （4）このN字型のねじれ変形に用いられる予圧力は、充填材の軸面の約1/3の位置にのみ作用し、圧力伝達効率（側圧係数）は倍増する。充填材群間の圧力伝達効率も最も高くなり、それに伴ってボルトの予圧トルクも減少し、バルブロッドの往復抵抗も大幅に低下する。この構造設計の意義は、これまで一貫して軸方向の圧縮と半径方向の伸長変形によるパッキンシールの設計思想を変え、軸方向の圧縮と半径方向にパッキンケーシングの内側へ楔状に挿入しつつバルブロッドの外壁に向かって収縮して締め付ける方式へと発展させ、パッキンシールの設計コンセプトに革新をもたらした点にある。図7に示すように、同じ漏れ等価値の条件下で、異なる断面形状を持つパッキング群における予圧力とバルブシャフトの抵抗との関係を分析した。 （5）断面形状の設計から分析すると、リング同士の間には空洞も設けられており、これにより低トルクボルトによる予圧下で、パッキンの半径方向への移動を選択的に制御し、パッキングセット内の各リングが受ける予圧力が均一に伝達され、各単一リングの半径方向変形量が一致するようになっている。バルブシャフトとパッキンの接合面が十分に嵌合するようにし、媒体の外部への漏れを防ぎ、確実なシールを実現する。取り付け時は、一般的にグラファイトパッキングセットの突起面を媒体の方向に向けます。バルブ内の媒体圧力が変化すると、スケール除去用エンドリングを通じてまずL位置の突起部に作用する。凸部がバルブシャフトに近いため、内部圧力が高くなるほどパッキンの変形も大きくなり、シール性がより確実になります。 （6）パッキングリングの製造経験に基づき、厚さ0.2～0.38mmの柔軟な黒鉛板を使用すると柔らかく、成形時の黒鉛板の曲がりやすさが高く、加工性に優れている。切断したグラファイト板を歯形ロールで波形帯に圧延し、さらに金型で成形する。対応する製品密度において、グラファイト充填リングの断面が選択的な圧延形状を呈するようにする。迷路状のW字型の折りしわが形成される。バルブを予圧する際の小さな軸方向圧力によって、最大の半径方向変形が得られる。また、グラファイト帯の波形は、充填材の半径方向への容易な変形に有利である。充填リングの圧縮高さ、規格、および密度の要件は、以下の式に従って計算できる：（7）複合充填材の密度は、軸方向圧力の大きさを決定するだけでなく、圧縮率と復元率の関係にも影響を与える。実際には、一般的に一定の圧力下では、材料の圧縮率と復元率は反比例の関係にあり、つまり圧縮が大きくなるほど復元率は小さくなる。「JB/T6370 柔性黒鉛パッキンリングの物理的・機械的性能試験方法」規格に準じて、バタフライ型原子力用パッキンセットと前述のいくつかの構造を持つパッキンセットについて、異なる密度で圧縮率および復元率の試験を比較した結果、バタフライ型原子力用パッキンの圧縮および復元曲線の傾向はより合理的な範囲にあることがわかる（図8参照）。 四、バタフライ型核用パッキング群の熱サイクル検証 『NB/T20010.14-2010 加圧水型原子力発電所用バルブ 第14部：フレックシブルグラファイトパッキングリングの技術仕様』に定められた検証要件に基づき、「バルブパッキングの熱サイクルシミュレーション試験装置（図9参照）」を用いて、複数のパッキングについて比較試験を行った。検証結果は表5に示す。 表の検証結果の分析から、充填材の構造設計が実験における漏れ量、バルブシャフトの抵抗、および予圧力（キャップの締め付け回数）に大きな影響を与えていることがわかる。構造的に放射状変形が容易になるほど、媒体の漏れは少なくなり、バルブステムの抵抗も低減される。平環充填材の場合、その構造自体が合理的でないために半径方向の変形が困難となり、良好な変形量を得るために運転中の予圧回数を増やして予圧力を高めても、依然としてシールの故障を引き起こしてしまう。この試験過程においても、蝶形を模した原子力用充填材セットは設計変形が容易であり、半径方向およびバルブロッドの表面との接触が最も十分になるため、最も顕著なシール効果を発揮することが示された。 五、結論 （1）関連する基準や製品の技術的条件に照らして黒鉛の物理化学的性質を検証した結果、大きな鱗片状を持つ高品質な黒鉛のみが、現在、自然界に存在する数少ない中性子やその他の放射線を減速できる材料であり、また原子力発電所のバルブ用のシール材として最も理想的な材料でもある； （2）大きな鱗片を持つ高品質な天然結晶質黒鉛を使用して製造される柔軟性黒鉛板は、製造工程において製品内の有害な微量元素の残留量を極めて低く抑えることができ、また柔軟性黒鉛充填材の物理的・機械的性能も大幅に向上し、あらゆる性能が原子力発電所の安全な運用要件を満たすことができる； （3）原子力用バルブのシール部にある両端のスケール除去用リングは、ニッケル線で編んだ高純度の柔軟な黒鉛を用いて成形されたものであり、他の材料製のリングと比べて、摩耗速度、耐圧性、高温における損失、安全性などの面で大幅に優れている； （4）独自のバタフライ型構造設計により、組み立て時に同じボルト予圧力のもとで、バルブロッドのストロークトルクを最小限に抑えることができる。プレートの予圧力により、パッキング群がN字型にねじれ変形し、パッキンハウジングの内壁とバルブステムおよびグラファイトパッキングとの接合面が十分に密着することで、半径方向の有効なシール接触面積が大幅に向上する； （5）軸面構造の凹凸設計により、低いボルトトルクで十分な低予圧荷重（LS）を実現し、それによって低漏れ（LE）という目標を達成できる； （6）弾性バタフライ断面を持つこのパッキンは、原子力発電所のバルブに最適であり、原子力プラントの運転時に冷却水、蒸気、ホウ酸、空気、窒素、脱塩水などの媒体のシールに使用される。高耐熱性、低クリープ性、自己潤滑性といった優れた特性を有し、温度が変動しても体積変化がない。