低温バルブの使用とシール要件低温バルブの材料の選択方法

低温バルブの使用とシール要件低温バルブの材料の選択方法

2. 低温がバルブのシール性能に与える影響
2.1 非金属シーリングペア
常温で作動するボールバルブとバタフライバルブは、一般に金属と非金属材料のシール対を使用します。非金属材料は弾性が高いため、シールに必要な比圧が小さく、シール性が良好です。しかし、低温では、非金属材料の膨張係数が金属材料よりもはるかに大きいため、低温での収縮と金属シール、バルブ本体、その他の部品の収縮が大きく異なり、シール比圧が大幅に低下し、シールできなくなります。ほとんどの非金属材料は極低温で硬化して脆くなり、靭性が失われ、冷間流動と応力緩和が生じます。たとえば、ゴムはガラス温度よりも低い温度では完全に弾性を失い、ガラス状になり、密閉性が失われます。また、ゴムはLNG媒体で気泡膨張するため、LNGバルブには使用できません。そのため、現在、低温バルブの設計では、一般的な温度が-70℃以下の場合は、非金属のシール補助材料を使用しなくなり、または、非金属材料を特殊なプロセスで金属と非金属の複合構造タイプにしています。
海外の記録によると、一部の非金属材料は極低温状態でも問題なく使用できます。1970年代、アイリッシュアロイ株式会社の新しいプラスチック「スリップショッド」は一種の超高分子量ポリエチレンで、-269℃で優れた靭性を持ち、一定の衝撃応力下では破損せず、かなりの耐摩耗性を維持しました。フランスで開発されたマイラープラスチックは、液体水素の温度（-253℃）でも非常に弾力性があります。旧ソ連のHTロマネンコのポリカーボネートシールホルダーは、液体窒素（-196℃）でテストされました。データによると、ポリカーボネートは低温で優れた密封効果を発揮します。
2.2 金属シールペア
低温条件下では、金属材料の強度と硬度が増加し、可塑性と靭性が低下し、程度の異なる低温脆性現象が現れ、バルブの性能と安全性に重大な影響を及ぼします。 材料の低温での低応力脆性破壊を防止するために、低温バルブを設計する際には、温度が-100℃以上の場合は一般にフェライト系ステンレス鋼材料が使用され、温度が-100℃以下の場合は、バルブ本体、バルブカバー、バルブステム、シールシートには主に面心立方格子オーステナイト系ステンレス鋼、銅と銅合金、アルミニウムとアルミニウム合金などが使用されます。 しかし、アルミニウムとアルミニウム合金は硬度が高くないため、シール面の耐摩耗性と耐摩耗性が悪いため、低温バルブにはほとんど使用されません。一般的に使用されるオーステナイト系ステンレス鋼材料は、0Cr18Ni9、00Cr17Ni12Mo2（304、316L）などがよく使用されます。これらの材料は低温脆性臨界温度を持たず、低温条件下でも高い靭性を維持できます。
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼を低温バルブメタルシール補助材料として使用する場合、いくつかの欠点もあります。これらの材料のほとんどは室温で準安定状態にあるため、温度が相転移点（MS）以下に下がると、材料内のオーステナイトがマルテンサイトに変化します。マルテンサイトの体心立方格子の密度はオーステナイトの面心立方格子の密度よりも低く、一部の炭素原子が体心立方格子の位置を規制して配列するため、格子はC軸に沿って成長し、内部応力による体積変化が増加し、研磨後に元々シール面のシール要件を満たさなかった部分が座屈変形し、シールが機能しなくなります。
低温相変態によるシール面の変形破損に加え、各部品の温度差や異なる材料間の物性差により不均一な収縮が生じ、温度変化応力も発生します。応力が材料の弾性限界を下回ると、シール面に可逆的な弾性変形が生じます。部品の温度応力が材料の降伏限界を超えると、部品に不可逆的な変形や歪みが生じ、シール面の破損を引き起こし、シール効果にも影響を及ぼします。
低温が金属シールペアに与える影響を考慮して、金属シール面の変形を小さくするか、シール面の変形がシール性能にほとんど影響を与えないようにするために、対応する対策を講じる必要があります。まず、材料については、金属組織の安定性が高い材料（316Lなどですが、コストが高い）を選択するように努める必要があります。次に、ボディ、カバー、ステム、シールなどのオーステナイト系材料で作られた部品は、低温で処理して、仕上げ前に材料のマルテンサイト変態と変形が十分に行われるようにする必要があります。低温処理の温度は、材料の相変化温度（MS）よりも低く、バルブの実際の動作温度よりも低くする必要があり、処理時間は2〜4時間にする必要があります。必要に応じて、複数回の低温処理または適切な時効処理を実施できます。上記の対策に加えて、シール面の変形がシール性能に与える影響を減らすために構造設計も考慮する必要があります。たとえば、ゲートバルブ、ボールバルブ、バタフライバルブの設計では、弾性シール構造の使用を検討して、低温変形を部分的に補償することができます。グローブバルブの場合は、円錐シール構造にして、低温変形がシール面に与える影響を小さくする必要があります。
3. 低温がバルブのシール性能に与える影響
3.1 ステムパッキング
ゴム材料の低温での欠陥と、ほとんどの非金属材料の冷間脆性と深刻な冷間流動現象のため、低温バルブのステムとバルブ本体の間のシール設計では、シールリングの形式を使用できず、パッキングボックスシール構造とベローズシール構造のみを使用できます。一般的なベローズシールは、媒体に使用され、微量の漏れを許容せず、パッキングの機会には適していません。その単層構造の寿命は非常に短く、多層構造のコストが高く、加工が難しいため、一般的には使用されません。
スタッフィングボックスの密封構造は、製造と加工が容易で、保守と交換が容易で、実際のアプリケーションでは非常に一般的です。ただし、パッキンの一般的な動作温度は-40℃未満にすることはできません。パッキンの密封性能を確保するために、低温バルブのパッキンボックス装置は、周囲温度に近い状態で動作する必要があります。低温では、温度の低下とともに、充填材の弾性が徐々に失われ、漏れ防止性能が低下します。パッキンとバルブステムの氷による媒体漏れにより、バルブステムの正常な動作に影響するだけでなく、バ​​ルブステムの動きによりパッキンに傷がつき、重大な漏れが発生します。したがって、通常の状況では、低温バルブパッキンは0℃以上の温度で動作する必要があります。そのためには、ロングネックバルブカバー構造を設計し、パッキンボックスを低温媒体から遠ざけ、低温特性を持つパッキンを選択する必要があります。一般的に使用される充填材は、ポリテトラフルオロエチレン、アスベスト、含浸ポリテトラフルオロエチレンアスベストロープ、フレキシブルグラファイトですが、アスベストは浸透漏れが避けられず、ポリテトラフルオロエチレンの線膨張係数は非常に大きく、コールドフロー現象が深刻であるため、一般的には使用されません。フレキシブルグラファイトは優れたシール材で、ガス、液体は不浸透性で、圧縮率は40％以上、復元力は15％以上、応力緩和は5％未満で、より低い締め付け圧力でシールできます。また、自己潤滑性があり、バルブパッキンとして使用すると、パッキンとバルブステムの摩耗を効果的に防ぎ、シール性能は従来のアスベスト材料よりも明らかに優れているため、最も優れたシール材の1つです。
フィラーは一般に非金属材料であるため、線膨張係数は金属製のフィラーボックスやバルブステムよりもはるかに大きい。そのため、常温で組み立てられたパッキンが一定の温度まで下がると、その収縮はパッキン穴やバルブステムの収縮よりも大きくなり、予圧圧力の低下により漏れが発生する可能性があります。設計では、パッキングランドボルトに複数のディスクスプリングガスケットを予圧することができ、低温でのパッキンの予圧力を継続的に補償して、パッキンのシール効果を確保することができます。
米国ガーロック社が製造した低漏れ複合ステムパッキンで、エンドリングはカーボンファイバー編組ディスクルートで作られ、シールリングは高純度ダイヤモンドテクスチャグラファイトストリップ成形で作られ、カップアンドコーン構造とラジアル拡張特性により、シール性能が向上します。
ステム材料の低温変形はパッキンのシール性能にも影響します。そのため、バルブ本体、バルブカバー、シール付属材料と同様に、ステムも仕上げ後に極低温処理して、低温変形を小さくする必要があります。また、極低温ステム材料に使用されているオーステナイト系ステンレス鋼は、熱処理して表面硬度を向上させることができないため、ステムとパッキンの接合部が互いに傷つきやすくなり、パッキンからの漏れが発生します。そのため、ステム表面に硬質クロムメッキまたは窒化物メッキを施して表面硬度を向上させる必要があります。
3.2 中間フランジガスケット
バルブの中間フランジシールとフランジ接続バルブの外部接続は、どちらも一般的にガスケットの形式になっています。ガスケット材料は低温で硬化し、可塑性が低下するため、低温バルブ用のガスケットにはより高い要求があります。常温、低温、温度変化で信頼性の高いシールと回復が必要です。低温がガスケットのシール性能に与える影響を総合的に考慮する必要があります。
一般的に使用されるガスケットシール形式によれば、ボルトの長さ、ガスケット、フランジの厚さは温度が下がるにつれて縮みます。低温でも信頼性の高いガスケットシールを確保するには、
Δ HT3 Δ HT – Δ HT1 – Δ H1 入力してください
ΔH1 — ボルトアセンブリの引張変形、mm
Δ H1 = 1 / E1H シグマ
ΔHT1 — ΔT の温度範囲におけるボルトの収縮率、mm
Δ HT1 Δ T = H アルファ 1
ΔHT — ΔT温度ゾーンにおけるガスケットの収縮率、mm
Δ HT = アルファ 2 Δ h T
ΔHT3 — ΔT温度ゾーンにおける上部フランジと下部フランジの収縮率、mm
Δ HT3 = アルファ 3 Δ T1 (H – H)
σ1 — ボルトの予圧、N/mm
E1 — ボルトの弾性係数、N/mm
α1、α2、α3はそれぞれボルト、ガスケット、フランジ材料の線膨張係数（mm/m）です。
H、H – mm
ガスケットシールが室温から設計された作動低温に達したとき、ガスケットが作動温度で依然として一定の予荷重を保持し、シール能力を維持するために、上部フランジと下部フランジの収縮とガスケットの収縮の合計は、ボルトの収縮とボルトアセンブリの引張変形の合計よりも小さくなければなりません。
したがって、設計では4つの側面を考慮する必要があります。①ボルトは線膨張係数が大きく、低温での収縮が大きい材料で作られています。②フランジは線膨張係数が小さい材料で作られ、ΔHT3が減少します。③ガスケットの厚さを減らし、線膨張係数が小さい材料をガスケットとして使用します。（4）ボルトの引張変形を大きくします。
-100℃以下の低温バルブの場合、本体材質とボルト材質は一般的にオーステナイト系ステンレス鋼で作られており、線膨張係数は同じであるため、適切なガスケット材質を選択してボルトの引張変形を増やすことがより重要です。理想的な低温ガスケット材質は、室温での硬度が低く、低温での弾力性が良好で、線膨張係数が小さく、一定の機械的強度を備えています。実際の用途では、アスベストまたはポリテトラフルオロエチレンを充填したステンレス鋼テープまたはフレキシブルグラファイトで作られた巻き取りガスケットが一般的に使用されており、フレキシブルグラファイトとステンレス鋼で作られた巻き取りガスケットのシール効果は理想的です。ボルトの引張変形の増加については、ボルトの取り付け予圧の制限により、増加マージンがあまりないため、皿ばねガスケットを設定して補償することを検討できます。