適切なバルブステムシールのベストプラクティス

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バルブのシール方法の選択の詳細を掘り下げる前に、バルブステムのシールの課題を理解し、これをどのように行うかを説明することが最善です。制御バルブとブロックバルブは、スライディングステムまたはロータリーという 2 つの主要なカテゴリのいずれかに分類されます。

スライディングステムバルブは本体から突き出たロッドが上下してバルブを開閉します。ロータリーバルブには、バルブの側面から伸びるシャフトがあり、プラグ、ディスク、またはボールに接続されています。シャフトが回転すると、ロータリーバルブが開閉します。どちらの設計でも、バルブステムは本体から出て、プロセスを封じ込めて漏れを防ぎながら、比較的摩擦のない動きをすることができなければなりません。

バルブステムシーリングアセンブリはそれを可能にします。シールは通常、従来のパッキンまたはベローズシールの 2 つの方法のいずれかで行われます。これらの方法の仕組みと、各方法の長所と短所の詳細は次のとおりです。

バルブステムシールは 2 つの相反する目標を達成する必要があります。まず、バルブステムを完全に密閉し、プロセスからの漏洩排出を削減し、理想的には排除する必要があります。第二に、バルブステムが何千回もサイクルしても、バルブステムが自由に動き、シールを継続できるようにしながら、この偉業を達成する必要があります。いくつかの工業規格がこれらの要件に対応していますが、必要な性能とテスト方法は大きく異なります。

主要な 3 つの逃散排出規格は、TA Luft、FCI 91-1、および ISO 15848 です。TA Luft は 3 つの中で最も包括的ではなく、ガスケットサイズとプロセス温度に基づいてリーク率規格を提供します。ただし、必要なテストサイクル数や移動距離などの特定のテストパラメータが不足しているため、異なるバルブ設計間の漏れ結果を比較するのは困難です。

FCI 91-1 は流体制御協会によって作成され、環境保護庁 (EPA) によって義務付けられている漏れ検出および修理要件とより密接に一致しています。 EPA のメソッド 21 を使用してバルブパッキンを「嗅ぎ」、漏れ量を測定します (図 1)。この規格では、バルブのテスト方法について詳しく説明します。バルブステムシールの設計は、指定された回数の機械的および熱的サイクル後の漏れ量に基づいて、さまざまな分類評価を達成します。

これまでのところ、最も包括的な規格は ISO 15848 です。ISO 15848 には、機械サイクル、熱サイクル、ステムサイズに基づいて、制御バルブと隔離バルブの両方についてさまざまな漏れ分類率が含まれています。また、ヘリウムまたはメタンのいずれかを使用したテストも可能であり、ヘリウムのステムシール漏れを測定するための 2 つの異なる方法が規定されており、それぞれの方法は単純なスニッフテストよりもはるかに複雑です。具体的には、バルブの上部構造は気密エンクロージャに入れられ、バルブの内部がヘリウムで加圧されている間、テストガスでフラッシュされるか完全真空にさらされます。漏れの量を正確に測定できます。

バルブステムシール構成の性能を評価する場合、バルブがどのようにテストされたか、またバルブがどの特定の分類に適合したかを判断することが重要です。バルブの機械的なサイクル回数が少ない場合、非常に低い漏れ率を達成するのは比較的簡単です。熱サイクルにも耐えながら、バルブが何千回も機械的にサイクルされる場合、非常に低い漏れ率を達成して維持することは非常に困難です。 PTFE (テフロンとしても知られるテトラフルオロエチレンの合成フッ素ポリマー) の高い膨張率とグラファイトの回復率の低さにより、熱サイクルがシールに影響を及ぼし、パッキン設計が困難になります。

バルブステムのシールの最も一般的な方法では、バルブシャフトを取り囲む一連の PTFE またはグラファイトリングが使用されます (図 2 左)。リングは、パッキンフォロア、パッキンフランジ、およびパッキンリングをシャフトに対して押し下げるボルトの組み合わせによって圧縮されます。圧縮されたリングにより、バルブ本体とシャフトに対するシールを維持しながらバルブステムが移動できるようになり、プロセス流体がステムを通過して漏れるのを防ぎます。特定の用途では、パッキンはプロセス全体の漏れを防ぐだけでよいため、比較的少量の逃散排出は問題ではなく、ステムの自由な動きはより重要な要件と考えられます。

低排出を達成および維持するには、パッキンに「活荷重」をかけてシールリングに一定の圧力を維持する必要があります (図 2 右)。これは通常、圧縮された皿ばねを使用して実現されます。これらのスプリングはパッキンに一定の力を維持し、たとえステムの動きによってリングが摩耗したとしても、長期間にわたってパッキンを確実にシールします。残念ながら、圧力の上昇によりバルブの動きが制限される傾向があるため、バルブステムの動きを許容しながら逃散排出を最小限に抑えるために、シール材とバルブステムの仕上げを慎重に選択する必要があります。

バルブパッキンの代替品としてバルブベローズシールがあります。ベローズシールでは、アコーディオンのように圧縮および伸縮できるバルブステムの周囲に溶接または機械的に形成された金属バリアが使用されます (図 3)。シールは重要な領域の変形率が非常に低い金属でできているため、ベローズシールは実質的に漏れがゼロになります。

どちらのデザインも、折り目ごとにほぼ同じ距離を伸ばすことができますが、成形されたベローズは 1 インチあたりの折り目の数がはるかに少ないため、通常、全長は 3 倍長くなります (図 4)。ただし、溶接の数が減り、それに対応する機械的応力が軽減されるため、ほとんどの用途で成形ベローズの寿命が大幅に長くなります。

ベローズシールは比較的薄い金属で構成されており、機械的応力や腐食にさらされるため、時間の経過とともに亀裂が入ったり破損したりする可能性があります。このため、ベローズシールバルブには通常、ベローズが動作中に故障した場合にプロセスを封じ込める標準パッキンが上部に取り付けられています。

バルブステムのシール方法にはそれぞれ長所と短所があるため、最適な選択は用途によって異なります。おそらく、標準パッキンまたは環境パッキンの最大の利点は、比較的低コストであること、およびほとんどの用途に適合する多種多様なバルブパッキン材料と設計であることです。バルブを分解せずにバルブパッキンの調整・交換も可能です。

ベローズ設計の最大の利点は、漏れをゼロにできることです。このような仕様は、致命的なサービスアプリケーションにとって重要です。ベローズの材質は、高温や腐食性の用途に対応するために選択することもできます。ベローズシールの寿命はストロークの数と長さに基づいているため、故障までの推定時間をある程度の精度で予測でき、交換計画を立てることができます。

どの設計にも欠点があります。梱包の性能と寿命は多くの変数に基づいており、必ずしも簡単に予測できるわけではありません。小さな漏れは通常、パッキンを締めることで対処できますが、ある時点でパッキンを交換する必要があります。また、バルブステムの表面仕上げは、パッキン設計の寿命と性能に大きな影響を与える可能性があります。いずれにせよ、すべてのバルブパッキンはある程度の漏れを生じますが、これは特定の用途では許容できない場合があります。

前述したように、ベローズシールは疲労し、最終的には故障します。その場合は、バルブを完全に分解してベローズシールを交換する必要があります。このため、ベローズシールの総所有コストは通常、パッキンの総所有コストよりも高くなります。

中国の化学プラントでは、稼働中に実質的に漏れがゼロであることが要求される致死量のシアン化水素の用途があったため、ベローズシール設計が選択されました。試運転時、プラントは測定可能な排出量がゼロであると報告し、6 年経った現在でも漏洩は報告されていません。バルブは年間 50,000 回の完全サイクルと 10,000 回以上の部分サイクルを実行しました。

バルブステムシールの適切な選択は、バルブ仕様プロセスの重要な要素です。賢く選択すれば、その設計は長期にわたって確実に機能し、環境排出量、製品損失、メンテナンスコストの大幅な削減につながります。製品の損失が少ないと効率が向上し、エネルギー管理の重要な要素となります。

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Lisa Miller は、Emerson Automation Solutions の Fisher スライドステムバルブのシニアエンジニアリングマネージャーです。彼女は 20 年以上にわたり、フィッシャーのパッキンとベローズの主な技術コンサルタントを務めており、極低温バルブの設計、テスト、製造に関して 25 年の専門知識を持っています。ミラーは、ISA75.27.01、制御弁の極低温および低温シート漏れ試験委員会の委員長であり、ISA のメンバーとして 10 年間務めています。彼女はアイオワ大学で機械工学の学士号を取得しています。