低温がバルブのシール材に与える影響

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現代工業の発展に伴い、バルブは石油、化学、発電所などの長距離パイプライン、原子力産業、各種低温工学、宇宙開発、海洋油田開発といった国民経済のあらゆる分野で広く利用されており、その性能と信頼性はこれらの産業機器の安全かつ経済的な運用に直結している。調査研究によると、かなりの数のバルブが低温環境下で使用されており、高緯度や高地では地理的な条件の影響を強く受け、あらゆる種類のバルブが長期にわたって比較的低い温度の環境で稼働している。 我が国は非常に広大な**であり、いくつかの気候帯にまたがっています。東北、華北、チベット高原など多くの地域では、毎年数ヶ月間、あるいは一年中、0℃を下回る低温の気候が続き、最低気温は-50℃を下回ることもある。これらの地域の建設や開発に使用される各種バルブは、長時間にわたり自然の低温環境下で稼働するため、低温という環境要因がバルブ製品の使用に多くの特有の技術的問題をもたらします。あらゆる過酷な環境条件の試験に耐えられる製品こそが合格品であり、その本来の性能を発揮することができるのです。 長期にわたって低温環境下で使用されるバルブは、そのシール材質に大きな影響を与えます。密封材料は低温下での弾性および圧縮永久変形率が変化し、一定の低温に達すると脆化し、さらにはガラス化することがある。そのため、バルブのバルブステムとバルブボディの接合部、フランジ接続部、および内部のシール材が低温の影響を受けて漏れが発生することになります。シール面は、シール材の使用性能を確保するために、常温下で十分な強度、靭性、および加工性を有するだけでなく、低温下でも脆化に対する耐性と良好な低温性能を持つことが求められる。低温とは、-29～-196℃未満の範囲を指し、-196～269℃未満が超低温の範囲であり、石油化学企業では-20℃未満を低温と定めている。 実験室環境下で低温環境を模擬し、バルブのシール材に関する試験を行うことで、そのシール材が低温環境においてどの程度適応できるかを評価する。これにより、低温下での性能指標を明らかにし、隙間が生じて漏れが発生するのを防ぐことができる。これは、バルブ製品の漏れ防止性能を向上させる上で極めて重要な意味を持つ。 シール材とは、継ぎ目の変位に耐えて気密や液密などを実現するために、部品の継ぎ目に挿入される材料のことです。形状によって、流体封止材と非流体封止材に分けられる。流体密封材料は、2つの部品の接触面で相対的な動きがない静的な密封部分に使用され、例えばバルブステムとバルブボディの間の密封設計や、バルブボディ内部の密封に用いられ、パッキンケーシング密封構造やリブ付きチューブ密封構造が採用される；非流体密封はシール部品とも呼ばれ、静止した部分のシーリングに使用されるだけでなく、2つの部品の接続面が相対的に動く動的シーリングの場所にも用いられます。例えば、バルブの中間フランジ用ガスケットや、フランジ接続式バルブの外部接続部には、すべてガスケットが使用されています。シール材には金属製のもの（アルミニウム、鉛、ステンレス鋼など）や、非金属製のもの（ゴム、プラスチック、セラミック、黒鉛など）、そして複合材料（ゴム－アスベスト板など）もあるが、最も多く使用されているのはゴム系の弾性体材料である。一般的なバルブのシール材は表1-2を参照してください。 一定の温度において、ゴムのシール性能は、その温度での引張りや圧縮変形後の回復度に依存します。温度が下がるにつれて、この引っ張りや圧縮による変形の回復はますます遅くなり、材料は徐々に硬くなっていきます。皮革状態を経た後、最終的にはガラスのように硬くてもろくなり、これがガラス転移です。このような行為は、低温下でのエラスティックシールリングの使用に悪影響を及ぼします。シール材の低温特性は、ベースゴムに依存します。耐油性に優れたシール材は、低温下では一般的に耐油性が劣るシール材ほど低温性能が良くない。 バルブのシール材において、バルブシャフトとバルブ本体部品のパッキンシール、バルブのミドルフランジガスケット、およびフランジ接続式バルブの外部接続はすべて外部シールである。充填材は一般的に非金属材料であり、その線膨張係数は金属製の充填ケーシングやバルブシャフトに比べて大きい。常温で組み立てられたパッキンは、ある一定の温度に下がると、その収縮量がパッキンの孔やバルブシャフトの収縮量を上回り、予圧が低下して漏れが発生する可能性があります；また、ガスケットの材料は主にゴムやプラスチック製であり、低温下では硬化して可塑性が低下し、それによって漏れが発生する。