DN50クラス300のフローティングバルブが0.2 MPaで漏れる理由

01｜問題を隠す試験

DN50クラス300のフローティングボール バルブ は、定格圧力の規定倍数でのシェル試験およびシート試験に合格し、梱包・出荷・据付が完了した後、0.2 MPaで運転中の移送配管でわずかに滴下（ウェープ）を起こしました。このバルブは不良品ではありません。実際の使用では決して遭遇しない高圧条件下で試験が行われており、また、実使用圧力下では密封機能を発揮しない機構に依存しているためです。

水圧試験ではソフトシートに大きな負荷がかかるため、 バルブ シールが容易です。0.2 MPaでは、同一シートはほとんど圧力補助を発揮せず、すべての機能は組立時に設定された初期荷重（プレロード）に依存します。通常の試験手順では、購入者が明示的に要求しない限り、この条件は検証されません。

図1：DN50（2インチ）、クラス300のフローティングボール弁 バルブ wCB材質の本体で、サイズ、クラス、材質は本体鋳物に刻印されています。ボールは2つのシートリングのみで保持されています。上海シャオチャオ社製 バルブ .

02｜接触応力値

シート漏れは、圧力問題ではなく接触応力の問題です。軸方向荷重（スラスト）は、差圧に流路断面積を乗じたものであり、接触面積はシートの周長に接触帯域幅を乗じたものです。前者を後者で除算すると、流路径が相殺されて、単一の関係式が得られます。

σ ≈ ΔP × D ／ (4 × w)　D：シート内径（mm）、w：接触帯域幅（mm）、ΔP：MPa、σ：MPa

典型的な接触帯域幅3 mmの場合、DN50 バルブ 0.2 MPaでは、シート接触応力は約0.8 MPaに達します。クラス300（5.1 MPa）では、同一シートの接触応力は約21 MPaに達します。DN25の場合、0.2 MPaで約0.4 MPaの接触応力が生じます。圧縮強度が数十MPa程度のRPTFE製シートに対して、低圧条件では材料が耐えられる応力の数パーセント程度しか負荷がかかっておらず、圧力による寄与は実質的に消失し、密封は完全に初期締付け力のみに依存しています。

表1：接触幅3 mmにおける代表的なシート接触応力

この表は、購入者を驚かせるある傾向も示しています。すなわち、口径が小さくなるほど、低圧時の密封性能が悪化するという傾向です。 バルブ 口径が小さいほど、同一差圧下での接触応力が低下します。これは、推力が口径の2乗に比例して減少するのに対し、接触周長は口径に比例してしか減少しないためです。したがって、DN25の接触応力は、同一差圧下のDN50の半分以下になります。

また、この不具合へのクラス（圧力等級）の影響がない理由も説明できます。DN50のクラスを300から600に引き上げても、その定格圧力は変化しますが、0.2 MPaにおける接触応力は変わりません。配管系が0.2 MPaで運転されている場合、 バルブ は0.2 MPa バルブ ボディに刻印されているもの。

03｜プリロードが時間とともに消失する理由

プリロードとは、シートの幾何学的形状、エラストマーの圧縮、あるいは明示的に設けられたばねなどによって蓄えられるばね力です。このプリロードを消費するメカニズムは3つあり、いずれも工場出荷時には目視で確認できません。

クリープ変形（圧縮永久ひずみ）。柔らかいシートは荷重下で永続的な変形を起こし、その変形を生じさせた力が緩和されます。 バルブ 差圧が最大の状態で1年間閉止されていたバルブは、初回の低圧作動時に試験台上での測定値よりも小さいプリロードで動作を始めます。

熱サイクル。周囲温度から配管内流体温度へ、そして再び周囲温度へと移行する1サイクルごとに、プリロードの一部が緩み、その損失は累積します。 バルブ 1日に1回以上加熱・冷却を繰り返す配管で使用されるバルブは、 バルブ 200回の熱サイクル後にはまったく異なる挙動を示します。

長期間閉止。ボールが固定されたままシートに押し付けられた状態が続くと、シート材がクリープを起こします。シールを一時的に解除して再座らせることで接触状態が部分的に回復するため、滴下しているバルブを操作者が2度ほどストロークさせると、少なくとも一時的には漏れが止まったと報告することがあります。 バルブ バルブ

ガス用サービスでは、これらすべての課題がさらに悪化します。ガスは圧力が十分に高まらない限り、有効な自己作動効果を発揮しません。また、シートを透過して下方向へ減圧するため、シートへの浸透も起こります。低圧ガス用のソフトシート・フローティングバルブは、どのカタログにおいても最も取り扱いが難しいケースの一つであり、実際には水用と同様に仕様されることが日常的です。

04｜実用的な3つの対策

プリロードを高めることは、最もコストがかかる対策です。スプリングワッシャーやより強力なシートスプリングを備えたシートは、微小な差圧でも密封に必要な接触応力を維持できます。ただし、この対策には範囲の反対側で課題が生じます。つまり、プリロードを高めると摩擦が増し、高差圧時に必要な操作トルクも増大します。レバーオペレーション式のDN50バルブでは、これが「レバー操作」か「ギア操作」かの分かれ目になることもあります。

シートの原理を変更することが、より堅牢な対策です。圧力補助式シートでは、独立したピストンが小さな有効面積で密閉するため、同一の配管内圧力でもはるかに高い接触応力が生じます。ただし、方向性への配慮が必要です。通常、ピストン式シートは単一方向でのみ密閉し、設置向きを明確に指定する必要があります。両方向密閉に対応するタイプは、一般にコストが高くなります。しかし、低圧配管で両方向の保持が求められる場合、この方式が最適解となることが多くあります。

使用条件が実際的に厳しい場合には、設計そのものを変更することが誠実な対策です。公称通径DN50において、トランニオン式または上部入力式ボディにスプリング荷重付きシートを採用すれば、低圧域での挙動が予測可能になります。ただし、そのコストは汎用のフローティング式バルブでは到底まねできません。 バルブ 漏れが重大な影響を及ぼす配管では、この投資は十分に価値がありますが、漏れの影響が軽微な配管では無駄な出費となります。

効果のない対策として、口径を小さくすること、耐圧等級を上げること、あるいは高価なブランド製品を指定することが挙げられます。 バルブ これらのいずれも、0.2 MPaにおける接触応力を変えることはできません。この数値は、バルブの内径、シールバンド幅、および初期締付け力によって定まります。

05｜仕様書に記載すべき内容

仕様書には、バルブが耐えられる最高圧力だけでなく、確実に密封を保てる最低圧力も明記する必要があります。 バルブ 表2では、現場でよく報告される不具合を、本来仕様書に記載しておくべき仕様項目に変換しています。

表2：現場での症状・原因・それを防止するための仕様項目

受容基準は試験圧力と同様に重要です。「ゼロ漏れ」は仕様ではなく、漏れ等級が仕様です。ISO 5208のレートAは、目視で確認できない漏れを意味し、これが購入者が通常「ゼロ漏れ」と表現するものです。レートB、C、Dは、公称通径（DN）に応じて段階的に許容漏れ量が増加します。また、金属座面バルブは、軟質座面バルブよりも高いレートでの受容が通常認められます。 バルブ 漏れレート、試験流体、試験圧力を明記することで、据付時の議論を回避できます。

以下の5項目を順に記載します：

• バルブが確実に密封しなければならない最小作動差圧（数値で明示） 価値 .
• 標準的な高圧座面試験に加え、上記差圧における座面試験
• ISO 5208の漏れ等級（レートA～D）による漏れ受容基準。試験流体の種類も明記すること
• 座面材質および予圧条件。これらはメーカーからの情報提供を依頼し、勝手に想定してはいけません。
• 想定される作動回数および閉止保持時間。これらにより、圧縮永久ひずみが設計上の課題となるかどうかが決まります。

付録A｜画像アセット

図1は、提供された解像度のままセクション01に埋め込まれています。提供されたファイルは1440×960ピクセルで、ウェブ用の15 cm画像としては十分ですが、印刷用途には元の写真から再エクスポートする必要があります。

付録B｜参照した規格およびデータに関する注記

API 598「検査および試験」 バルブ 検査および試験：本体（シェル）およびシートに対する試験要件を定義しています。シート試験圧力は公称圧力（レーティング）の倍数で規定されるため、低圧用途を意味するものではありません。

ISO 5208：産業用 バルブ 金属製バルブの圧力試験：漏れ量等級A～Dは、公称通径（DN）および単位時間あたりの許容漏れ量として表され、受入基準を示す正しい表現方法です。

API 608：金属製ボールバルブ バルブ - フランジ形、ねじ形、溶接形の端部構造。フローティング構造が標準となる小口径フランジ形の範囲をカバー。

ASME B16.34「フランジ形・ねじ形・溶接形端部を有するバルブ」 バルブ - フランジ形、ねじ形、溶接形の端部構造。38℃におけるクラス300炭素鋼の許容圧力は51.0バールであり、本件では単なる参考圧力として用いる。