バルブシールの知識

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バルブのシールに関する知識　バルブのシール性能に求められることは、漏れを防ぐという観点からです。漏れる部位や程度によってバルブの漏れ状況は異なるため、それぞれに適した防漏対策を講じる必要がある。 バルブのシール性の原理　シールとは漏れを防ぐことであり、したがってバルブのシール性の原理も漏れ防止の観点から研究される。漏れを引き起こす要因は主に2つあり、1つはシール性能に最も大きな影響を与える要因で、すなわちシール対の間に隙間が存在すること、もう1つはシール対の両側に圧力差が存在することです。バルブのシール性の原理も、液体のシール性、ガスのシール性、漏れ経路のシール原理、およびバルブのシールペアという4つの観点から分析される。 1、液体の密封性 液体の密封性は、液体の粘度と表面張力によって決まります。バルブから漏れ出た毛細管がガスで満たされている場合、表面張力が液体を反発させたり、液体を毛細管内に引き込んだりする可能性がある。こうして接線角ができる。接線角が90°未満の場合、液体が毛細管内に注入され、漏れが発生します。漏れが発生する原因は、媒体の性質の違いにある。異なる媒体を使って試験を行うと、条件が同じであっても異なる結果が得られる。水や空気、灯油などを使うことができる。そして、接線角が90°を超えると、漏れも発生する。金属表面の油脂やワックス質の薄膜と関係があるからです。これらの表面の薄膜が溶解すると、金属表面の特性が変化し、元々は反発されていた液体が表面に浸透して漏れが生じる。上記の状況に対して、ポアソンの式に基づき、毛細管の直径を小さくし、媒体の粘度を高くすることで、漏れを防ぐか、または漏れ量を減少させることが可能である。 2、気体の密封性 ポアソンの式によれば、気体の密封性は気体分子と気体の粘性に関連している。漏れは、毛細管の長さおよび気体の粘度に反比例し、毛細管の直径および駆動力に正比例する。毛細管の直径と気体分子の平均自由度が同じである場合、気体分子は自由な熱運動によって毛細管内に流れ込む。したがって、バルブのシール試験を行う際には、シール効果を得るためには必ず水を使用しなければならず、空気やガスではシール効果は得られません。たとえ塑性変形によって毛細管の直径をガス分子以下まで小さくしても、ガスの流れを止めることはできない。その理由は、ガスが依然として金属壁を通って拡散できるからです。ですから、ガス試験を行う際には、液体試験よりもさらに厳格に行わなければなりません。 3、漏れ経路のシール原理 バルブのシールは、波形面に存在する凹凸や波峰間距離による波形の乱れという2つの要素、すなわち粗さによって構成されている。我が国のほとんどの金属材料では弾性歪み応力が低いため、密封状態を実現するには金属材料にかかる圧縮力をより高くする必要があり、つまり材料の圧縮力はその弾性限界を超えなければならない。したがって、バルブの設計を行う際には、シールペアにある程度の硬度差を持たせて適合させ、圧力がかかることである程度の塑性変形が生じ、シーリング効果が得られるのです。もし密封面がすべて金属材料である場合、表面の凹凸のある突起が最も早く現れ、初期段階では比較的小さな荷重でこれらの凹凸のある突起を塑性変形させることができる。接触面が大きくなると、表面の凹凸は塑性－弾性変形になる。このとき、凹んだ部分の両面には粗さが生じます。基材に深刻な塑性変形を引き起こす荷重をかけ、かつ2つの表面を密着させる必要がある場合、連続線および環状方向に沿ってのみ、これらの残存する通路を密着させることができる。 4、バルブのシールペア バルブのシールペアとは、バルブシートと閉鎖部品が互いに接触することで閉じる部分のことです。金属製のシール面は、使用過程で介在物の混入、腐食、摩耗粒子、キャビテーション、および洗い流しによる損傷を受けやすい。例えば摩耗粒子です。摩耗粒子が表面の凹凸よりも小さい場合、シール面の馴染み期間中にその表面精度は悪化することなく向上する。逆に、表面の精度が悪化します。したがって、摩耗粒子を選定する際には、その材料、作業条件、潤滑性、およびシール面への腐食状況などの要因を総合的に考慮する必要がある。摩耗粒子と同様に、シール部品を選定する際には、その性能に影響を与えるさまざまな要因を総合的に考慮し、漏れ防止の機能を発揮させる必要があります。したがって、耐腐食性、耐擦傷性、耐洗掘性に優れた材料を選ばなければならない。そうでなければ、いずれかの要件が欠けていると、その密封性能が**低下します。 二、バルブのシールに影響を与える主な要因 バルブのシールに影響を与える要因は多く、主に以下のものがある： 1、シールペアの構造 温度やシール力の変化により、シールペアの構造が変化する。また、このような変化はシールペア同士の作用力に影響を与えて変化させ、その結果バルブのシール性能が低下する。したがって、シール部品を選ぶ際には、必ず弾性変形するシール部品を選ばなければなりません。同時に、シール面の幅にも注意する必要があります。その原因は、シールペアの接触面が完全に一致しないためであり、シール面の幅が広くなると、シールに必要な作用力も大きくなる。 2、シール面の比圧　シール面の比圧の大きさは、バルブのシール性能と使用寿命に影響を与える。したがって、シール面の比圧も非常に重要な要素です。同じ条件の下で、比圧が高すぎるとバルブが損傷するが、比圧が低すぎるとバルブから漏れが発生する。したがって、設計時には比圧の適切さを十分に考慮する必要があります。 3、媒体の物理的性質：媒体の物理的性質もバルブのシール性能に影響を与えます。これらの物理的性質には、温度、粘度、表面の親水性などが含まれます。温度変化は、シールペアの緩みや部品寸法の変化に影響を与えるだけでなく、ガスの粘度とも密接な関係があります。気体の粘度は、温度が上昇または下降するにつれて増大または減少する。したがって、温度がバルブのシール性能に与える影響を軽減するために、シールペアの設計時には、熱補償機能を持つ弾性バルブシートなどのバルブとして設計する必要があります。粘度は流体の浸透能力に関連している。同じ条件の下では、粘度が高いほど、流体の浸透能力は低くなる。表面の親水性とは、金属表面に薄膜が存在する場合、その薄膜を除去しようとする性質のことです。この薄い油膜が表面の親水性を損ない、流体の流路を塞いでしまうからです。 4、シールペアの品質 シールペアの品質とは、主に材料の選定、マッチング、製造精度を管理することを指します。例えば、バルブの弁弁とシートのシール面がよく密着することで、シール性が向上します。環状の波形が多いという特徴は、その迷路式シール性能が優れていることです。 バルブの漏れは、日常生活や生産活動において非常によく見られる問題です。軽度の場合は無駄が生じたり、生活に危険をもたらしたりします。例えば水道のバルブが漏れるといったケースです。一方、重度の場合には、化学工業分野で見られるような、有毒で有害、可燃性や爆発性があり、腐食性のある物質の漏れなどが起こり、人命や財産の安全、さらには環境汚染といった深刻な結果を招くことになります。外部の力によって回転させて開閉するバルブには、すべて密封装置が備えられており、これはパッキンケーシング内に一定量のパッキンリングを取り付けることで密封効果を得るためのものです。しかし、その密封状態はどうなっているのでしょうか？バルブのシール部分からの漏れは、バルブで最も漏れトラブルが発生しやすい部位の一つですが、その原因は大きく2つあります。三、バルブのシール方式 シール部品もバルブにおいて非常に重要な部品です。バルブのシール性能とは、バルブの各シール部が媒体の漏れを防ぐ能力のことであり、バルブにおいて最も重要な技術的指標です。 バルブのシール部分には3か所あります。開閉部品とバルブシートの2つのシール面が接する部分、パッキンとバルブシャフトおよびパッキンケーシングが噛み合う部分、そしてバルブボディとバルブカバーの接続部分です。そのうち、先の漏れは内部漏れと呼ばれ、一般的にはしっかり閉じられない状態を指し、バルブが媒体を遮断する能力に影響を与えます。遮断弁の場合、内部からの漏れは許されません。最後の2か所での漏れは外部漏れと呼ばれ、つまり媒体がバルブ内部から外部に漏れ出ることです。 外部への漏れは、材料の損失や環境汚染を引き起こし、深刻な場合には事故にもつながります。可燃性・爆発性、毒性、または放射性のある媒体においては、外漏れは絶対に許されず、したがってバルブは信頼性の高い密封性能を備えていなければならない。シールの問題を解決することは軽視できず、バルブの漏れや滴りといった現象は、ほとんどがここで発生します。次に、バルブの動的シールおよび静的シールの問題について検討します。 1、動的シール　バルブの動的シールとは、主にバルブステムのシールを指す。バルブ内の媒体がバルブステムの動きに伴って漏れ出さないようにすることは、バルブの動的シールにおける中心的な課題である。 1) パッキンハウジング方式　バルブの動的シールは、パッキンハウジングを主とする。フィラーハウジングの基本形態は、(1)プレート式で、これが最も多く使用される形態です。 統一された形式でありながら、多くの詳細を区別できる。例えば、締め付けボルトについては、T字ボルト（圧力が16キログラム/平方センチメートル以下の低圧バルブ用）、両頭ボルト、リベットなどに分けられます。キャップの観点からは、一体型と組み立て式に分けられる。 (2)圧縮ナット式 このタイプは外形サイズが小さいが、圧縮力に制限があり、小型バルブにのみ使用される。 2) パッキン　パッキンケーシング内で、パッキンがバルブシャフトと直接接触し、パッキンケーシング全体を覆うことで、媒体の漏れを防ぐ。充填材には以下の要件がある：(1)密封性が高い； (2)耐侵食性； (3)摩擦係数が小さい； (4)媒体の温度と圧力に適応する。 よく使用される充填材には、以下のものがある：(1)アスベスト・ダンパー：アスベスト・ダンパーは耐熱性と耐腐食性に優れているが、単独で使用するとシール効果が不十分なため、常に他の材料を含浸させたり併用したりする。油浸アスベストストッパー：その基本的な構造形態には2種類あり、1つはねじり式、もう1つは編み込み式です。また、円形と方形に分けられる。 (2)ポリテトラフルオロエチレン編みストッパー：ポリテトラフルオロエチレンの細帯を編んで作られたストッパーで、優れた耐腐食性を持ち、極低温媒体にも使用できる。 (3)ゴムOリング：低圧状態でのシール性能が優れている。使用温度に制限があり、例えば天然ゴムは60℃でのみ使用可能です。 (4)プラスチック成形用充填材：一般的には3ピース式で作られるが、他の形状にすることも可能。使用されるプラスチックは、ポリテトラフルオロエチレンが多い。 また、例えば250℃の蒸気バルブでは、アスベストのリングと鉛のリングを交互に重ね合わせることで、漏れが軽減される；バルブがあり、媒体が頻繁に変わる場合は、アスベストのリングとポリテトラフルオロエチレンのテープを組み合わせて使用すると、シール効果が向上します。バルブシャフトの摩擦を軽減するため、場所によっては二硫化モリブデン（MoS2）やその他の潤滑剤を添加できる。 新規な充填剤に対する需要が高まっている。例えば、ポリアクリロニトリル繊維をポリテトラフルオロエチレン乳剤に浸漬し、さらに予備酸化処理を行った後、金型内で焼結圧縮することで、優れた密封性能を持つ成形充填材が得られる；また、ステンレス薄板とアスベストを用いて波形の充填材を作ると、高温・高圧および腐食に耐えることができる。チューブシールは化学工業や原子力工業が急速に発展する中で、可燃性、爆発性、強毒性、放射性を持つ物質が増え、バルブのシールに対する要求がより厳しくなった。一部の場所ではパッキンシールの使用が不可能となり、新たなシール方式であるチューブシールが登場した。この種のシールにはパッキンが不要で、無パッキンシールとも呼ばれます。 ベローズの両端は、他の部品と溶接して固定される。バルブシャフトが上下すると、リブ付きチューブが伸縮し、チューブ自体に漏れがないため、媒体は漏れ出すことがない。万が一に備えて、通常はリブ付きチューブとパッキンの二重シールが用いられる。 2、静密封　静密封とは何でしょうか？静密封とは、通常、2つの静止した面の間のシールを指します。密封方法は主にワッシャーを使用することです。 1) ウェッジ材質 (1) 非金属材料：紙、麻、牛革、アスベスト製品、プラスチック、ゴムなど。紙や麻、牛革などには毛細孔があり、浸透しやすいため、使用する際には油やワックス、またはその他の防浸透材を含浸させる必要がある。一般的なバルブではほとんど使用されない。 アスベスト製品には、アスベストテープ、ロープ、板、アスベストゴム板などがある。その中でも、アスベストゴム板は構造が密で、耐圧性に優れ、耐熱性も良好であるため、バルブ自体やバルブと配管のフランジの接続部において広く使用されている。 プラスチック製品は耐侵食性に優れ、広く使用されている。種類にはポリエチレン、ポリプロピレン、ソフトポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ナイロン66、ナイロン1010などがあります。 ゴム製品は柔らかく、各種ゴムには酸耐性、アルカリ耐性、油耐性、海水耐性といった特性がある。品種には天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、イソブテンゴム、ポリウレタンゴム、フッ素ゴムなどがある。 (2)金属材料：一般的に、金属材料は強度が高く、耐熱性も優れている。しかし、鉛は実際にはそうではなく、希硫酸に対する耐性という特性のみが活かされている。よく使われる材質には、真鍮、赤銅、アルミニウム、低炭素鋼、ステンレス鋼、モネル合金、銀、ニッケルなどがあります。 (3)複合材料：例えば金属被覆（内部にアスベスト）のワッシャー、組み合わせ波形ワッシャー、環状絡み合いワッシャーなど。 2) ウェッジを頻繁に使用するバルブの場合、状況に応じて元のウェッジに交換することが多い。一般的なワッシャーには、ゴム平ワッシャー、ゴムOリング、プラスチック平ワッシャー、ポリテトラフルオロエチレン被覆ワッシャー、アスベストゴムワッシャー、金属平ワッシャー、金属異形ワッシャー、金属被覆ワッシャー、波形ワッシャー、巻き込み型ワッシャーなどがある。 (1)ゴム平ワッシャー：変形しやすく、圧着時の負担も少ないが、耐圧性と耐熱性は低く、低圧で低温の場所でのみ使用される。天然ゴムにはある程度の耐酸耐アルカリ性があり、使用温度は60度を超えないようにすべきです℃；クロロプレンゴムも一部の酸やアルカリに耐えられ、使用温度は80度℃；ニトリルゴムは耐油性があり、80まで使用可能℃；フッ素ゴムは耐侵食性に優れ、一般的なゴムよりも耐熱性が高く、150℃の媒体中で使用できる。 (2)ゴム製Oリング：断面形状は正円で、一定の自己締め付け作用があり、平らなワッシャーよりも密封性が高く、圧縮力はより小さい。 (3)プラスチック平ワッシャー：プラスチックの最大の特徴は耐腐食性が高いことで、ほとんどのプラスチックは耐熱性に劣る。ポリテトラフルオロエチレンはプラスチックの中でも最高峰で、耐腐食性に優れ、使用可能な温度範囲も広く、-180℃から+200℃の間で長期間使用できます。 (4)ポリテトラフルオロエチレン被覆ワッシャー：ポリテトラフルオロエチレンの長所を十分に生かし、同時にその弾性が低いという欠点を補うため、ポリテトラフルオロエチレンでゴムまたはアスベストゴム製のワッシャーを被覆したもの。これにより、ポリテトラフルオロエチレン製の平らなワッシャーと同等の耐食性を持ちつつ、優れた弾性も備えており、シール性能を高め、圧縮力を低減します。 (5)アスベストゴムワッシャー：アスベストゴム板を切り出して作る。その成分は、60～80％のアスベストと10～20％のゴム、そして充填剤や硫化剤などです。耐熱性、耐寒性、化学的安定性に優れ、供給源も豊富で、価格も安い。使用する際、圧縮力はそれほど大きくなくてもよい。金属に接着でき、取り外し時の手間を避けるためには、概ねグラファイト粉を塗るとよい。 (6)金属製ヒートサークル：鉛、耐熱温度100℃；アルミ430℃；銅315℃；低炭素鋼550℃；銀650℃；ニッケル810℃；モネル（ニッケル銅）合金は810℃、ステンレス鋼は870℃。その中で鉛の耐圧能力は低く、アルミニウムは64キログラム/平方センチメートルに耐えられ、他の材料は高圧に耐えられる。 (7)金属異形ワッシャー：レンズワッシャー：自己締め付け機能があり、高圧バルブに使用される。 楕円形ワッシャー：これも高圧自己締め付けワッシャーに分類されます。 円錐面二重ワッシャー：高圧下での内部密封に使用される。また、正方形、菱形、三角形、歯形、ウィング形状、B字形、C字形などもあり、一般的には高圧・中圧のバルブで使用される。 (8)金属被覆ワッシャー：金属は優れた耐熱性と耐圧性に加え、優れた弾性も持っている。被覆材にはアルミニウム、銅、低炭素鋼、ステンレス鋼、モネル合金などがある。中の充填材にはアスベスト、ポリテトラフルオロエチレン、ガラス繊維などがある。 (9)波形ワッシャー：圧縮力が小さく、密封性に優れているのが特徴です。金属と非金属の組み合わせがよく用いられる。 (10)環状絡み合いワッシャー：非常に薄い金属帯と非金属帯を密着させ、複数層にわたって円形に絡ませたもので、断面は波形をしており、優れた弾力性と密封性を持つ。金属帯は、08鋼、0Cr13、1Cr13、2Cr13、1Cr18Ni9Ti、銅、アルミニウム、チタン、モネル合金などで作られる。非金属帯材料にはアスベスト、ポリテトラフルオロエチレンなどがある。 以上、シールガスケットの性能について説明する際に、いくつかの数値を挙げました。言うまでもなく、これらの数値はフランジの形状、媒体の状況、取り付けや修理の技術などと密接な関係があり、耐圧性や耐温性も相互に変化する。例えば温度が高くなると耐圧能力はしばしば低下する。このような微妙な問題は、実践を通じてこそ理解できるものである。 四、バルブのシール材　バルブのシール材は、バルブのシール機能において重要な要素であり、バルブのシール部分が直接接する面として機能します。では、バルブのシール材にはどのようなものがあるのでしょうか。バルブのシールリング材には、金属と非金属の2つの大きなカテゴリーがあることはご存知ですね。 バルブのシール材は、バルブシールの重要な構成要素であり、バルブのシール部が直接接する面として機能します。では、バルブのシール材にはどのようなものがあるのでしょうか。バルブのシールリング材には、金属と非金属の2つの大きなカテゴリーがあることはご存知ですね。ここでは、各種シール材の使用条件と、よく使われるバルブの種類について簡単に紹介します。 1、合成ゴム 合成ゴムは、耐油性、耐熱性、耐腐食性などの総合的な性能が天然ゴムよりも優れている。一般的な合成ゴムの使用温度はt≤150℃、天然ゴムはt≤60℃であり、ゴムは公称圧力PN≤1MPaの遮断弁、ゲートバルブ、ダイアフラムバルブ、バタフライバルブ、逆止弁、クランプバルブなどのバルブのシールに使用される。 2、ナイロン ナイロンは摩擦係数が低く、耐腐食性に優れているという特徴があります。ナイロンは、温度t≤90℃、公称圧力PN≤32MPaのボールバルブや遮断弁などに多く使用されます。 3、ポリテトラフルオロエチレン　ポリテトラフルオロエチレンは、温度t≤232℃、公称圧力PN≤6.4MPaの遮断弁、ゲートバルブ、ボールバルブなどに多く使用される。 4、鋳鉄 鋳鉄は、温度t≤100℃、公称圧力PN≤1.6MPaのガスや油類用のゲートバルブ、ストップバルブ、コックなどに使用される。 5、バス合金 バス合金は、温度t-70～150℃、公称圧力PN≤2.5MPaのアンモニア用遮断弁に使用される。 6、銅合金　銅合金の一般的な材料には、6-6-3のスズ青銅や58-2-2のマンガン黄銅などがある。銅合金は耐摩耗性に優れており、温度t≤200℃、公称圧力PN≤1.6MPaの水や蒸気中で使用され、ゲートバルブ、ストップバルブ、チェックバルブ、コックバルブなどによく用いられます。 7、クロムステンレス鋼 クロムステンレス鋼の一般的な材質には2Cr13や3Cr13があり、調質処理を施すことで耐食性が向上する。温度t≤450℃、公称圧力PN≤32MPaの水、蒸気、石油などの媒体用のバルブによく使用されます。 8、クロムニッケルチタンステンレス鋼 クロムニッケルチタンステンレス鋼の一般的な材質番号は1Cr18Ni9Tiで、耐食性、耐侵食性、耐熱性に優れている。温度t≤600℃、公称圧力PN≤6.4MPaの蒸気、硝酸などの媒体に適し、遮断弁、ボールバルブなどに使用される。 9、窒化鋼　窒化鋼でよく使われる鋼種は38CrMoAlAで、浸炭処理を施すことで優れた耐食性と耐擦傷性を持つ。温度t≤540℃、公称圧力PN≤10MPaの発電所用ゲートバルブによく使用される。 10、ホウ素浸透処理：ホウ素浸透処理では、バルブ本体や弁弁体の材料から直接シール面を加工し、その後ホウ素浸透処理を施すことで、シール面の耐摩耗性が大幅に向上する。発電所の排泥弁に使用されます。