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現代の工業や科学技術が急速に発展するにつれて、流体シールに対する要求も高まってきています。そのため、石油化学、航空宇宙、動力、原子力などの産業分野で使用される配管におけるボルト・フランジ・ガスケットを用いたこの静的シール方式に関する研究は、特に重要となっています。複雑で巨大な配管システムにおいて、ボルトフランジ接続のシールポイントは数万個にも及ぶことが多く、現在国際的に広く用いられている規格に基づく設計手法による。一般的な密封要件は満たせるものの、高温高圧といったより厳しい作業条件では、必ずしも密閉性が保たれるわけではない。媒体の圧力と温度が相互に作用することで、ボルト・フランジ・ガスケット式接続システムの密封性が容易に失われます。一度密封性が失われると漏れが発生し、軽度の場合は生産に支障をきたし一定の経済的損失をもたらし、重度の場合は大量の原材料やエネルギーが無駄になり、予測不可能な環境汚染が引き起こされ、さらには重大な安全事故につながることもあります。そのため、現代では容器や配管のシールに対する要求がますます厳しくなっています。シールの概要として、シール面同士の相対的な動きによって、シールは一般的に静止シールと動的シールの2つの大きなカテゴリーに分けられます。静密封の密封部は相対的に静止しており、配管のフランジ、ねじ接続、圧力容器と蓋の密封などがこれにあたる。動的密封の密封部は相対運動をするもので、回転密封や往復密封などがある。 作業圧力に応じて、静的シールは中低圧シールと高圧シールに分けられる。中低圧の静的シールには、比較的柔らかくて幅の広いガスケットがよく使われ、高圧の静的シールには、より硬くて接触幅が非常に狭い金属製のガスケットが使用される。 作動原理によって、静止密封はフランジ接続用ガスケット密封、自己密着型密封、研削面密封、Oリング密封、パッキン密封、ゴムリング密封、ねじ接続用ガスケット密封、ねじ接続密封、挿入接続密封、シーリング剤密封に分けられる。 シールの目的は、流体や固体粒子が隣接する接合面から漏れ出るのを防ぎ、またほこりや水分といった外部の不純物が機械装置の内部部品に侵入するのを防ぐことです。シール部品は漏れを防ぐための重要な基本要素であるため、その要求仕様はかなり厳しいものとなります。 シール部品の基本的な要求は以下の通りです：1、一定の圧力および温度範囲において優れたシール性能を持つこと。 2、摩耗が少なく、摩耗後もある程度自動的に補償され、使用寿命が長い。 3、摩擦抵抗が小さく、摩擦係数が安定している。 4、作業媒体に適応できる。 5、構造がシンプルで取り付け・取り外しが容易、価格も安い。 6、互換性を保証し、標準化とシリーズ化を実現する。 本稿では主にフランジ接続用のガスケットによるシールについて解説する。このシールとは、2つの接続部品（フランジ）のシール面の間にさまざまな形状のガスケットを挿入し、その後ねじやボルトを締め付けることで、その締め付け力によってガスケットが弾性的・塑性的に変形し、シール面の凹凸を埋めてシール効果を得るものである。 ガスケットとその基本的な性能 ガスケットの一般的な構造 ガスケットの一般的な構造は図2.1に示されている。図中の2はシール要素の本体で、漏れを防ぐための重要な部分です。一般的に使用される材料は、フレキシブルグラファイト、ポリテトラフルオロエチレン、繊維強化ゴム系複合板などの非金属材料です。また、シール部品の本体材料は柔軟性のある金属や剛性のある金属でもよく、通常は高温高圧の環境で使用されます。非金属材料は、通常、金属材料5（強化層）によって強化される。同時に、黒鉛などの破壊しやすい材料を用いたシール部品の製造加工も容易になります。強化材としては金属の薄板や金網が用いられ、金属薄板の場合は強化効果を高め弾性を向上させるためにしばしばプレス加工が施され、ロール圧着や接着剤によって一体化される。シール部品には、シール効果を高め、フランジのシール面との接着を防ぐために、表面層4または6を設けることもできる。表面層の材料としては、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）や、降伏強度が低い金属材料（金、真鍮、軟鋼、ニッケル、モネルなど）が使用されることもあります。また、表面にめっきを施す方法（鉛、スズ、PTFE、金、銀など）も用いられます。シール部品はPTFEや金属製の保護カバーで覆うこともでき、これによりコア材がシールされる流体の化学的腐食から守られると同時に、各種の被覆構造を持つガスケットのようにコア材の弾性も保持される。 シール部品の幅はガスケットの種類によって異なります。金属製のガスケットは一般的に幅が狭いが、全面ガスケットのようなものは幅が広く、PVE（ポリビニルエーテル）、鋳鉄、エナメル、ガラスライニングなどのフランジで、負荷が小さい場合によく使用される。ほとんどのガスケットは、幅の狭い突起平面フランジを使用している。 内側の補強リング1の主な機能は、剛性が不十分であるためにシール部品本体が内側に屈曲するのを防ぐこと、そしてシール部品と容器や配管のフランジ面との間の隙間を埋めて、その隙間が流体の流れを妨げたり、それによってガスケットが侵食されるのを避けることです。また、内側のリングは流体と接触するため、シールされる媒体による腐食に耐えられる材質でなければなりません。 外側の補強リング3または外側リングの材質はいずれも実質的な金属であり、その主な機能は、シール部品の取り付け時の位置合わせを助けること、シール部品が過度に圧縮されて破損するのを防ぐこと、ガスケット本体を補強すること、ガスケットが飛び出すのを防ぎフランジの回転を減少させることなどです。外部補強リングは、シール媒体と接触しないため媒体による腐食に耐える必要がなく、通常は炭素鋼で作られる。外部の補強リングも、波形歯付き複合ガスケットや金属製の歯形ガスケットなど、シール部品と一体化して作られることがある。 ガスケットの種類 フランジ接続用のシールガスケットには多くの種類があり、そのシール部材の本体材料や構造的特徴によって大きく分けると、非金属製の柔らかいガスケット、金属複合ガスケット（または金属－非金属組み合わせガスケット）、および金属製ガスケットに分類されます。その中の各種類は、図2.2に示すように、さらにいくつかの種類に細分される。 ガスケットの基本性能とパラメータ ガスケットの基本性能とパラメータは、一般的に次の2点から説明することができる。一つは力学的性能で、圧縮および復元性能、応力緩和性能などが含まれる。もう一つはシール性能で、これは漏れ率と関連しており、ガスケットの総合的な性能を評価するための重要な指標である。 1、圧縮復元性能 ガスケットの圧縮復元性能は、ガスケットの軸方向荷重と変形の関係を示している。ガスケットの圧縮特性とは、圧縮後のガスケットの厚さの変化量を指し、それはガスケットの剛性の大きさを表す物理量です。ガスケットの反発特性とは、圧縮荷重が除去された後のガスケットの厚さの回復量を指し、作動条件下での媒体圧力やその他の要因によってガスケットとシール面が分離するのを効果的に補償し、ガスケットのシール性能を維持することができる。 異なる材料や構造形式のガスケットでは、その圧縮および復元曲線はそれぞれ異なる。ガスケットの圧縮性および復元力は、その数値の大きさから評価することもできるし、異なる形状の圧縮・復元曲線から評価することもできる。最も重要なのは、荷重を解除した後の復元曲線の傾きを観察することであり、傾きが小さいほどガスケットの弾性的補償能力は高くなり、それによってガスケットの応力損失も少なくなり、負荷の繰り返し作用に対してより容易に適応できるようになる。ガスケットの圧縮性および復元性を評価する際には、適切な圧縮率と最大の復元率だけでなく、圧縮曲線および復元曲線が最適な形状をしていることも求められる。 図2.3および2.4は、フレキシブルグラファイト複合ガスケットの圧縮および復元特性曲線である。図2.3は、温度を500℃に一定にし、異なるガスケット応力下での圧縮およびリバウンド特性曲線である。図2.4は、ワッシャーの予圧比が70MPaの場合における、異なる試験温度下での圧縮および復元特性曲線である。 図2.3および2.4を観察すると、ガスケットの応力が増加するにつれて、その弾性的変形量と塑性的変形量の両方が増加する。また、温度が上昇するとガスケットの変形は増加するが、復元性能は低下する。圧縮曲線と復元曲線はどちらも直線ではなく、重なり合わないため、非線形的かつ非保存的な特性を持っている。図2.4を観察すると、温度が上昇するにつれてガスケットの反発性能は逆に低下し、温度がある一定値に達すると、ガスケットの反発力では外部要因などによって引き起こされるフランジの密封面の分離を補うことができなくなります。これによりガスケットの密封に漏れが生じ、結果としてガスケットの密封が失敗することになります。したがって、ガスケットの圧縮応力と温度は、ガスケットの圧縮特性および復元特性に影響を与える主要な要因である。 ガスケットの圧縮および復元曲線は、以下の式で表すことができる。2、応力緩和特性 ボルト・フランジ・ガスケットを用いた密封接続システムにボルトの予緊荷重を加えると、ガスケットに作用する圧縮応力によってガスケットは薄くなり、一定時間稼働した後もガスケットの厚さはさらに減少し、ガスケット上の応力も徐々に低下する。この応力の低下現象を応力緩和と呼ぶ。ガスケットの応力が時間とともに変化する傾向こそが、応力緩和特性です。実際、ガスケットの応力緩和は、応力緩和とクリープという2つの要因の相互作用によるものである。応力緩和とは、一定ひずみ下でのガスケットの応力の変化であり、初期負荷時のガスケットの応力変化量のパーセンテージで表される。一方、クリープとは、一定応力下でのひずみの変化であり、通常は初期負荷時のガスケットの厚さ変化量のパーセンテージで表される。 ボルトとフランジの間にあるガスケットを用いた密封接続というプレストレス非定常系において、ガスケットの応力はボルトの伸びによって生じるものである。そのため、一定の応力状態ではガスケットのクリープは起こらない。ガスケットの厚さが変化すると、それに伴ってボルトの伸びも変わり、結果としてガスケットの応力も変化する。このようなガスケットとボルトの相互作用は、ガスケットの「クリープ緩和」と呼ばれる。ボルトの伸び量はボルト自体の剛性に影響され、それがひいてはワッシャーの応力緩和の程度に影響を与える。ガスケットのクリープ緩和特性は、フランジ継手の密封性能に影響を与える非常に重要な力学的特性であり、これによってガスケットの応力が低下し、最終的に継手から漏れが生じる原因となります。 図2.5は、異なる応力レベルおよび異なる温度におけるフレキシブルグラファイト複合ガスケットのクリープ曲線である。 図2.5からわかるように、温度、時間、および予圧力は、ガスケットのクリープ緩和特性に影響を与える主要な要因である。図からわかるように、温度が高くなるほどクリープ量は大きくなる。試験の初期段階ではクリープ変形量が大きいが、約15分経過するとクリープ曲線は緩やかになる。これにより、ガスケットが経過する時間が長くなるほど、クリープ変位は大きくなり、予圧応力も大きくなるとクリープ変位も大きくなることがわかる。また、ガスケットのクリープ変位の大きさは、予圧荷重下での初期変形量にも関係している。上記の各種データを処理することで、クリープ量と時間の変化の法則は式2-3で表すことができる。3、シール性能 ガスケットのシール性能とは、ある実際の運転条件下において、ガスケットのシール部からの漏れ率が一定の基準で定められた漏れ率よりも低いこと、または、ある規定された基準漏れ率の下で、ガスケットのシールが耐えうる限界の運転条件（温度や圧力など）を指す。漏れ率とは、標準試験条件の下で、単位時間あたりに漏れ出る媒体の量を指す。 ガスケットのシール性能は、その品質の良し悪しを総合的に示すものであり、漏れ率はガスケットの品質の良し悪しを最も直感的に示す指標です。ガスケットの漏れ率は、一般的に標準的なガスケット試験片を用いて室温または高温条件下で測定される。 図2.6は、試験温度が300℃の場合におけるフレキシブルグラファイト複合ガスケットの漏れ率と媒体圧力およびガスケットの圧縮応力との関係曲線である。図2.7は、予緊応力が50MPaの場合における、異なる温度下での漏れ率と媒体圧力の関係曲線である。図2.6および2.7を観察すると、漏れ率は媒体圧力とほぼ線形の関係にあることがわかる。関連する研究によれば、漏れ率はガスケットの圧縮応力とほぼ負の指数関数の関係にあり、つまり圧縮応力が大きくなるほど漏れ率は逆に小さくなる。また、漏れ率は温度とほぼ指数関数の関係にあり、温度が上昇するにつれて漏れ率もそれに応じて増加する。漏れ率は、媒体の圧力、ガスケットの作用応力、および温度に関連する関数で表すことができ、その関係式は式(2-4)で表される。結語 静的シール装置は、工業、農業、国防、そして人々の日常生活に広く利用されている。ボルトフランジガスケットによるこの静的シール接続は、石油化学装置、タンク、パイプラインで最も一般的に使用される接続形態です。この種のシール構造が動作状態で故障する場合、一般的に強度不足によるものはほとんどなく、主にボルト・フランジ・ガスケットシステムからの漏れによってシールが失われることが原因であり、ガスケットがその漏れに最も大きな影響を与える要素である。したがって、ガスケットの密封性能に関する研究は、フランジ接続の研究において常に重要な焦点となってきました。