ステンレスパッキンは振動にも強いんです!

メタルガスケットを使用した管継手の振動試験に関する実験研究 

卜楠、上野直弘、小柳 悟、福田 修、秋山守人
814-0052 佐賀県鳥栖市宿町807-1
独立行政法人 産業技術総合研究所
812-0014 福岡県福岡市博多区比恵町1-18
TOKiエンジニアリング株式会社

 

 要約 : 管継手は、振動による動荷重が密封性能に大きく影響を及ぼしている、工業配管プラントでは幅広く利用されて
 いる。  しかし、管継手の振動試験のために開発された設計コードや実験手順はまだない。本論文では、振動状態にお
 けるメタルガスケットを用いた管継手の試験用実験装置として作成した。 また、 本試験装置には、 配管の応力を監視
 するためにフレキシブル圧電フィルムセンサーを採用している。 本提案の試験装置を使用することにより、 管継手の
 振動試験による漏れテストを実施することが可能となった。 従って、 ガスケットとの接触面の疲労解析、 及び漏れな
 ど、 更なる調査及びメタルガスケットや密封装置の漏れ限界テストなど、 コンピュータ解析も容易に行うことができるよ
 うになる。 最後に1.5インチのステンレス・ガスケット、ノンガスケット付フランジ継手を用いた実験結果について報告する。

 キーワード : 管継手、 メタルガスケット、 ノンガスケット継手、 振動実験、 密封性能、 リークフリー (漏れ無し)


 1 はじめに
  管と管を繋ぐ継手は、 発電所、 食品加工設備、 製薬工業などで最もよく使用される要素のうちの1つである。
 エラストマー材料が長く静的 (固定) シール技術の分野の主流となってきた。 しかし、 産業技術の進展により、 高
 圧、 高真空、 超高温、 及び様々な化学操作状況の下で機能する管継手に対する新たな要求が急速に高まってきて
 いる。 これらの要求に対処するために、 さまざまなメタルガスケットやセミメタルガスケットが開発されている(参考文献
 [1]~[3]参照)。 これらのガスケットは高いシール性能を発揮するが、 通常はるかに硬い材料でできているフランジと
 一緒に使用するよう設計されているので、 ガスケット接触面が回復不能に変形するため、 これらのガスケットは再使用
 すべきではない。
  最近、 SUSDETOP ステンレスガスケット1と呼ばれる新概念のメタルガスケットが提案された (参考文献[4]参照)。
 組立工程時、 ガスケットのテーパ面とフェルールの溝のエッジで環状シールラインを形成する (図1参照)。 このガスケ
 ットは管のフェルールと同じステンレス鋼材を使用しているので、 良好な回復特性が期待できる。
                                       (※1:SUSDETOP はTOKiエンジニアリング株式会社の商標である。)

  ほとんどの配管系統において、 振動は重大な問題である。(参考文献[5]、[6] 参照)。 管継手では、 振動により
 継手部分が緩むと、 最終的には密封不良となる可能性がある。 特に、 メタルガスケットの場合、 振動によりガスケ
 ット応力の変動やシール面の疲労を引き起こす可能性がある。 信頼できる性能を得るためには、 管継手、 特にメタ
 ルガスケットを用いているものは、 振動状態において実験し調査を行う必要がある。

  今までに、 有限要素モデリング(FEM) などの実験的方法やコンピュータ解析を使用したガスケットの特性を調査する
 ための研究が数多く行われている (参考文献[7]~[10] 参照)。 また、 ASME や CEN 、ISO といった国際組織も
 ガスケット及び管継手の規格の開発に取り組んでいる (参考文献[11] 参照)。 しかし、 その取り組みのほとんどは、
 内部加圧状態及び無加圧状態時の管継手の水圧リーク試験や応力 ・ ひずみ関係 (ボルト応力やガスケットの接触応力
 など) に焦点が置かれている (参考文献[7]~[9] 参照)。 Nash 氏と Abid 氏 (参考文献[7] 参照) により、 曲げ
 モーメントの二重を考慮したガスケット付フランジ継手における運転荷重の組み合わせについての研究が行われたが、
 静荷重の調査のみであった。 他に、 ガスケットの疲労について作動圧力の脈動サイクルにおいての調査が行われた
 が、 この研究では曲げモーメントが考慮されておらず、 使用されたガスケットは非金属製であった (参考文献[10]参
 照)。 我々著者の知る限りでは、 振動運転状態におけるメタルガスケット付管継手の試験のためのガイドライン及び
 規格はまだ存在しない。

   図1 :SUSDETOP メタルガスケット

 本論文では、繰り返し振動状態におけるメタルガスケットの密封性能を調べるための試験方法を提案する。 この試験
 方法では、 振動の周波数と振幅をパラメータとしている。 また、 管の応力を監視するために、 提案の試験装置に
 フレキシブル圧電フィルムセンサ (参考文献[12] 参照) を採用している。 提案の方法によって、 さまざまなガスケッ
 ト継手、 及び継手を締付け後の振動試験を行うことができる。 さらに、 実験結果に基づき、 接触面の疲労解析及び
 キズなどの更なる調査、 及びメタルガスケットや密封装置の FEM解析と組み合わせた詳細な研究を行うことも可能と
 なる。
  本論文の構成は次のとおりである。 次項では、 本論文の実験で使用している SUSDETOP ステンレスガスケットに
 ついて簡潔に紹介する。 第 3 項では、提案の振動試験装置と実験手順について述べる。 第 4 項では、我々の研究
 の予備段階の結果について述べる。 最後に、 第 5 章で本論文をまとめる。

     

  

a ) 2個のフェルールで組み立てた管継手の概略図
    ( Fa: 組立力))

b ) シール面の拡大図

              
 

  SUSDETOP タイプのメタルガスケットは、 接触面に溝のあるフェルールまたはフランジ用として設計されている。
 図1は、 ガスケット1個と2個のフェルールから成る管継手の概略図を示している。 フェルールを用いた継手の組立て
 は、 テーパ面を要したメタルガスケットリング1個と調節可能な 2分割または 3分割のクランプバンドを使用して、 ある
 いは 2個のルーズ形ハブ付フランジとボルトを使用して行うことができる。

         
                 図2: 片持ち構造の管 
 
 

   SUSDETOP メタルガスケット
  このメタルガスケットの主要な特徴の1つは、 ガスケットのテーパ面とフランジ溝の内端 (内側のエッジ)によって形成
 されるシール面である。 密封性能はガスケットと両フランジ間の接触面の接触応力に比例するので、 シール面が小さく
 なるほど、 接触応力は大きくなり得る。 従って、 特に、 ガスケットとフランジの両方がステンレス鋼のような同一の硬
 い材料製である場合には、 環状シールラインが最良の選択であろう。 テーパ面の角度を α とすると、 フランジ溝の
 内壁と水平線との角度 ( β とする ) が α よりも小さい ( α > β ) 場合、 理論的にシールラインが成立する (形成
 される) ことになる。 図 )では、 β=0 である。 これは、 いろいろなフェルールやフランジをこのガスケットと
 一緒に使用できるということを意味している。 組み立て時に、 組立力 Fa が継手に加えられ、ガスケットは自働調整を
 行ってシールラインを形成する。 また、 テーパー面と線による、 シーリング (密封) は何度も繰り返して使用できると
 考えられる (参考文献[1]参照)。 このガスケットの構造は非常にシンプルなので、 製造が容易で低価格となる。 この
 メタルガスケットを使用することにより、 効果的且つリークフリー (漏れ無し) の管継手が期待できる。
  
  このガスケットの内径は管の内径と同じ ( dg = dp )であることに注目すべきである。 エラストマーガスケットが使用
 されているサニタリー (衛生) 器具で大きな問題であると考えられている管路におけるガスケットの押し出しはない。
 結果として、 継手の溜まりとコンタミネーション (汚濁) を大きく軽減することができる。 また、 このガスケットはステン
 レス鋼製なので、 衛生的であり、 着香もなく、 FDA 適合のサニタリー用途に十分適しており、 多種の化学流体で
 使用することができる。 さらに、 このガスケットは ISO 2852 で定義されているフェルールや管継手 (参考文献[13]
 参照) にぴったり合うので、 食品工業や製薬工業での用途にも容易に使用することができる。


  本項では、 提案の振動試験装置及び実験手順について述べる。
 3.1 振動試験装置
   本研究では、 図2に示すような片持ち構造の管について検討する。 フランジから距離 L のところで管に正弦波加振
 力 F(t)  が加えられるとしよう。
             F(t)=Fosin(2πft)      (1)
  ここで、Fo は加振力の振幅で、  は周波数を表す。 次に、 振動側の等価剛性と等価慣性 (力) によって変位量
 δ を算出することができる。 δ(t)F(t)  と同じ周波数 を持つので、 次の式で表すことができる。
             δ(t)=δosin(2πft)    (2)

 

 
ここで、 δo は変位の振幅を表す。 従って、
繰り返し曲げモーメント M(t) がフランジ継手に
加えられることになる。
  提案の試験装置を図3 に示す。 管はベースに
締め付けられている。 ハンドポンプを使用して内
圧を加える。 加振力には、 本研究では振動モー
タを使用する。 モータを振動側の L=500mm
のところに取り付ける。 F(t) の方向は周波数
によって変わるので、曲げだけでなくねじり振動
もフランジ継手に作用する。
モータはインバータで制御され、インバータにより
周波数  が変調される。振動モータの出力 Fo
は周波数  によって異なる。

           3 振動試験のセットアップ


  δo は等価剛性と等価慣性 (力) と Fo の関数なので、   の関数でもある。 所定の振動モータにおいて一連の
 f, δo) の組が決定されるが、 出力の異なるモータでも δo を調整することができる。 CCDレーザ変位センサを
 利用して、 垂直方向のδ を測定する。 この試験方法では、 周波数 f  と変位の振幅 δo を主要なパラメータと
 する。

 

  3. 2 管壁応力の測定

  ガスケットとフランジとの接触面の接触応力を直接測定す
ることは通常困難である。 なぜなら、フランジ及びガスケッ
トの特性の評価には FEM 解析が広く使用されているから
である。 本論文で提案する 振動試験ははるかに複雑で、
ボルト力と管壁応力の両方を測定することにより、 接触応
力を測定することができ、 FEM 法を用いてより正確な解析
を行うことができる。 これまで、 管の解析には圧電変換器
が利用されている。 というのは、 圧電センサは軽いので、
容易に管壁に取り付けることができ、 またほとんど電力を
使用せず、 ひずみや振動の小さな変化にも反応する。
(参考文献[14]参照) からである。 また、 圧電素子の横
効果は管壁のひずみの測定に特に適している。


 上野氏などによって提案されたスマート圧電薄膜センサ (参考文献[12] 参照) を、 応力測定用に試験装置に組み込ん
 でいる。 このセンサは窒化アルミニウム (AIN) で作られており、 熱安定性が高い。 AIN がポリエチレンテレフタレー
 ト (PET) フイルム上に蒸着されている。 また、 積層センサ構造も開発されている (参考文献[12] 参照)。 このセンサ
 は、 センシティビティ (感度)、 フレキシビリティ (柔軟性)、 疲労耐久性が得られるように、 Pt 電極 (厚さ 0.1μm
 と、 AIN (厚さ 1μm) 及び PETフィルム (厚さ 9μm) により構成される (参考文献[15]参照)。 AIN薄膜センサを
 管の中央、 フランジ継手から 250mm のところに取り付ける。 センサの出力を電圧信号に変換するために、電荷増幅
 器を使用する。

      ( a ) 管壁の応力を測定するために管に取り付けられた圧電薄膜センサ
      ( b ) 圧電素子の横効果



 3. 3 実験手順 
   まず、 管に振動モータを取り付けないで、 管継手を正しく組み立てる。 次に、 ハンドポンプを使って、 試験装置
 に 2.5MPa の内圧を加える。 T字管部を使って管内の空気を外へ出す。 全試験過程を通して、 内圧レベルを変えず

 

に、 漏れを目で観察する。 5分間漏れが観察されない場合、
管の他方の側に振動モータを取り付けて、 変位センサを試験
装置にセットする。
周波数 の変調を 5 Hz から行う。 各周波数の試験時間は
10 分間とする。
漏れが観察されない場合、 周波数を 1 Hz ずつ上げていく。
漏れが観察されるか、 または変位量 δ2.5mmより大きく
なった時点で、 試験を中止する。 この限界は安全を考慮して
設定されている。 この試験過程において、 圧電センサ及び
変位センサの信号が記録される (サンプリン周波数: 1000 Hz)

       図 5 : 変位量 δ の例 ( f= 8 Hz )



 4 実験結果 
   我々のプロジェクトの予備研究として、 SUSDETOP メタルガスケット (直径 1.5 インチ、SUS316 ) について、提案
 の振動試験方法によって調査を行った。 ステンレス鋼管 ( 1.5インチ ) を使用した。 2分割クランプとルーズ形ハブ付
 フランジそれぞれによる組み立てでの試験を行った。 2個のルーズ形ハブ付フランジを、 M5ボルトを6個使用して管フ
 ェルールとガスケットで組み立てた。
  振動モータ ( KM 5-2PA、 Exen 社製 ) の最大出力は 60Hz 時 490N で、 重量は 5.5 kg である。 CCDレーザ変位
 センサ ( センサヘッド: LK-030 ;  アンプユニット: LK-2000、キーエンス社製 ) を使用して、 変位量 δ を測定した。
 データの取得には 14 ビットの A/D コンバータ (USB-6009、ナショナルインスツルメンツ社製) を使用した。
 AIN圧電センサ (サイズ: 50mm × 5mm )を、 管の上側の長手方向に沿ってエポキシ接着剤で取り付けた。 この実験
 の一場面を図3 に示している。


 4.1 振動と変位
  試験装置のセットアップ後、 第 3項で述べた手順に従って、 f=5Hz で実験を開始した。 f=8Hz の時、 2分割

 

クランプで組み立てた管継手から漏れが生じた。 一方、 ルー
ズ形ハブ付フランジを用いた管継手では漏れは観察されなかっ
た。 これは、 2 分割クランプはフランジに比べて組立力が小
さく、  クランプの構造は大きな曲げモーメントに耐えるほど頑
丈ではないからである。


図5は、 f=8Hz の時の変位量 δ  の例を示している。
この図のプラス記号側は F(t)  の垂直下向き方向を表す。
この図によって 8Hz の繰り返し振動を確認することができる。
また、 この試験装置では、 変位振幅平均 δo=0.340mm
が得られる。


 図6は 11 Hz 時の変位量 δ の例を示している。  =11Hz 時、 変位振幅は大きく変動している。 加振力が大きす
 ぎたと考えられ、 試験装置の振動を無視することはできない。 12Hz 時には変位量が 2.5mm を超えたので、 試験実
 験を中止した。 このときまで、 ルーズ形ハブ付フランジで組み立てた管継手では漏れは観察されなかった。
   表1は、 振動モータ ( KM 5-2PA )によるいろいろな周波数での変位量の平均値と偏差をまとまたものである。
 < 10 Hz の各周波数では、試験装置の振動は比較的安定していたことがわかる。 一方、 10 Hz と 11 Hz の周波数
 では、 モータの加振力が大きいので、試験装置は不安定になっている。 また、 変位の振幅も大きく増加し、 試験装
 置の共振周波数は 11 Hz に近いかもしれない。


 4.2 管壁のひずみ 
    管に加えられる繰り返し振動及び曲げモーメントによって、 管壁に応力が生じる。 管の上側の応力を AIN 圧電セ
 ンサで測定した。 図7 は、 振動に対する AIN 圧電センサの信号 ( f = 11 Hz ) を表している。 図6 と図7 を比較す

 

 ると、 データが互いによく一致していることがわかる。 図6
 と図7 に示されたデータ間の相関比は高く、 η= 0.9958
 である。 これにより、 AIN 圧電センサは振動により生じる
 管壁の応力を測定できると結論付けることができる。 応力
 とセンサの電圧の関係を詳細に調査するために、 さらなる
 研究が必要である。

 5 まとめ
   振動試験の規格や試験方法がないということが本研究の動機となった。 本論文では、 メタルガスケットを用いた管
 継手の振動試験のための新しい試験装置及び実験手順を提案した。 振動モータと片持ち構造の管を使用して、 シー
 ル面に曲げ振動とねじり振動の両方を加えるというものである。 SUSDETOP タイプのメタルガスケットを使用して実験
 を行った。 実験では、振動の振幅と周波数を変調して、 異なる大きさの振動をシミュレートした。


   我々の今後の研究では、 ここで提案した試験方法の改良が焦点となるであろう。 例えば、 試験する周波数の範囲
 に関しては、 試験装置の共振周波数を考慮すべきである。 また、 周波数はさらに高いが振幅はより小さい振動につ
 いても考慮すべきである。 この種の振動は配管系統では広くみられるもので、 シーリングの疲労の主因 『ゴムパッキン
 類の劣化による異物混入の要因 』 である。 さらに、 振動による接触応力について詳細に調査するために、 振動試験
 の実験結果と併せて、 FEM 法を使用したコンピュータ解析を行うべきである。


  謝辞 : 我々著者は、TOKiエンジニアリング株式会社のご支援とご協力に感謝いたします。
  商品名
    テストした商品名   (TOKiエンジニアリング株式会社 製)
  ○メタル・ガスケット (ステンレス・パッキン 1.5S  SUS316 使用)
  ○ノン・ガスケット   (ノンパッキン・フェルール ( 1.5S ) = パッキン無し継手 SUS304 使用

   「 参考文献 」 以下、 省略。

 
 




TOP-P ステンレスパッキンの取扱いについて [漏れが発生した時の検証方法 ]




 ※ステンレスは、雑菌が繁殖しにくい材質ですので、清潔に使用することができます。なお頻繁に交換が不可能な
   高い場所、高温、高圧な箇所に非常に適しています。 分解、固定配管いずれも洗浄は簡単にできます。








 TOKi エンジニアリング株式会社