(57)【要約】【課題】高温領域かつ低締付力の場合でも、良好なシール性能が発揮できるとともに、健全性の確保および長寿命化等が図れる膨張黒鉛製リング状グランドパッキンおよび蒸気弁用シール機構を提供する。【解決手段】膨張黒鉛製テープ２の外周をステンレス細線３によって編組被覆した編糸４を、さらに複数本編組するとともにリング状に成形したパッキン体５を備える。パッキン体５の径方向断面を四角形、かつ当該断面の対角位置における一対の角部６ａ，６ｂを鋭角とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張黒鉛製テープの外周をステンレス細線によって編組被覆した編糸を、さらに複数本編組するとともにリング状に成形したパッキン体を備え、前記パッキン体の径方向断面を四角形、かつ当該断面の対角位置における一対の角部を鋭角としたことを特徴とする膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項２】
前記パッキン体の内周面および外周面は、前記リング形状における中心線に対して平行かつ同心円上に配された円筒面であり、かつ前記パッキン体のリング形状における径方向断面は平行四辺形である請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項３】
前記パッキン体に対する前記ステンレス細線の占める体積割合は、２〜６％である請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項４】
前記パッキン体に、四フッ化エチレン重合体樹脂、固体潤滑剤、および液体潤滑剤から選ばれる１種以上の潤滑剤を含浸させた請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項５】
前記パッキン体は、リング形状における周方向の１箇所に形成した切断面を介して開閉可能とされている請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項６】
前記パッキン体は、前記リング形状の軸方向に沿って分割された複数の分割体を当該軸方向に重合した構成とされており、前記各分割体における内周面と外周面との軸方向に沿う長さは相違する一方、重合時における前記パッキン体の内周面と外周面との軸方向に沿う全体長さは略同一とされている請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれかに記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを複数個、それらの内周面および外周面に形成されるテーパ面を互いに接触させて軸方向に沿って積層し、蒸気弁の駆動軸周りに形成されたパッキンケース内に収容して前記駆動軸の外周面の蒸気シールを行う構成としたことを特徴とする蒸気弁用シール機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気プラントの蒸気弁、例えば原子力発電プラントの蒸気タービン系統に配設される主蒸気止め弁、あるいは蒸気加減弁等の蒸気シール用として適用される膨張黒鉛製リング状グランドパッキンおよび同パッキンを用いたシール機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば原子力発電プラントにおいては、原子炉の定期点検がほぼ１年毎に実施されており、その際、蒸気タービン系統に配設される主蒸気止め弁、あるいは蒸気加減弁等の蒸気弁における弁機器の分解点検も同時に実施されている。
【０００３】
上記弁機器の分解点検の際には、蒸気弁のシール機構を構成しているグランドパッキンの交換作業が行われる。そして、通常では定期点検後における次の定期点検までの期間中、プラントは停止することなく運転継続することが基本的な運転サイクルとされている。したがって、プラントは順調であれば１３ないし１４箇月連続運転されることになるため、弁機器のシール性能については健全性の確保、長寿命化が必要不可欠となっている。
【０００４】
ところで、原子力発電プラントにおける主蒸気止め弁、あるいは蒸気加減弁等の蒸気弁のシール機構を構成するグランドパッキンについては、従来一般的に、石綿を主材料として、油分及び黒鉛を主体とした中芯の外周を金属線入り石綿糸により袋編みし、これに液体潤滑剤と微粉末黒鉛による潤滑処理を施して構成され、単体で使用が可能なグランドパッキンが多用されている。
【０００５】
このような金属線入り石綿糸を使用したグランドパッキンは、一般に径方向断面が略四角形のリング状とされ、かつ材料的には強固で流動性がない、すなわち変形量の少ない構成とされている。そのため、成形時において四角形断面をなすグランドパッキンの各角部に丸みが発生し、逆にいえば完全に四角形に成形できずに例えば図９に断面形状を示したように、グランドパッキン１ａの装着時に、シールボックス内における角部ａに隙間ｂが残留する構造となり、弁の軸作動時の影響によってグランドパッキン１９の構成材が残留空間ｂに移動し、これによりグランドパッキン１９の歪み率及び密度が場所によって変動し、それに起因してシール性能が不安定となる場合があった。
【０００６】
なお、他分野において適用されるグランドパッキンについては、膨張黒鉛テープなどのテープ状素材をうず巻き状に巻き重ね、リング状にダイモールド成形してなる構成の膨張黒鉛製グランドパッキンが知られている（特許文献１参照）。
【０００７】
但し、このようなテープ状素材をうず巻き状に巻き重ねて構成される膨張黒鉛製グランドパッキンの場合には、一般にテープ状素材の巻き重ね部に微小な隙間が形成されることが避けられず、この微小な隙間に加圧流体が浸透して加圧流体の漏れが発生し易いという難点がある。
【０００８】
この点を克服するため、近年においては、テープ状膨張黒鉛の外周をステンレス細線により編組被覆した編糸を編組して得られるグランドパッキンを、リング状にダイモールド成形した構成のものが提案されている（特許文献２〜５参照）。
【０００９】
さらに、グランドパッキンの形状として、例えば径方向断面が台形をなす形状を適用し、このような形状の複数のグランドパッキンを台形の斜面が接する状態で積層することにより、積層方向に沿う圧縮時に斜面に沿う移動性を高めてシール性を高める技術も提案されている（特許文献６参照）。
【００１０】
しかし、このような構成のグランドパッキンにおいても、高い圧縮力が作用して、高温流体の負荷を直接受ける雰囲気下においては、補助材料が硬化劣化を発生し、さらに石綿繊維製の場合には裁断によるグランドパッキンの体積減少により応力緩和が発生し、頻繁に増し締め作業を必要とする場合があった。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−３０１３３８号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平９−２８０３７９号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００１−１３２８４８号公報
【００１４】
【特許文献４】
特開２００１−１８２８４１号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開２００２−２２０２３号公報
【００１６】
【特許文献６】
実開平２−８４０６２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術においては、金属線入り石綿糸を使用したパッキンの場合、構造が強固で材料の流動性がない、すなわち変形量が少ないため、成形時に角部に丸みが発生してグランドパッキン装着時にシールボックス内に隙間が残留する構造となり、弁の軸作動時の影響によりグランドパッキンが残留空間に移動し、グランドパッキンの歪み率及び密度が場所によって変動することによりシール性能が不安定となる課題があった。
【００１８】
また、高い圧力が作用し、高温流体の負荷を直接受ける雰囲気下では補助材料が硬化劣化を発生したり、石綿繊維の裁断によるグランドパッキンの体積減少により応力緩和が発生し、頻繁に増し締め作業をする課題があった。
【００１９】
また一般的なグランドパッキンは、断面正方形状に構成されているため、低締付力時においては応力変換比が小さく、すなわち締付力がパッキンに十分に伝わらずにシール性能が不安定となる課題があった。
【００２０】
一方、従来の膨張黒鉛製ダイモールド成形グランドパッキンについては、テープ状素材の巻き重ね部に微小な隙間が形成されることが避けられず、この微小な隙間に加圧流体が浸透して加圧流体の漏れが発生し易いという課題があった。
【００２１】
したがって、従来では長期間に亘って高温蒸気に晒されるような蒸気プラント等に適用される弁機器のシール機構、それに適用されるグランドパッキンについて、低締付力のもとであっても良好なシール性能が維持できること、健全性が確保できること、長寿命化等が図れること等が課題となっている。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高温領域かつ低締付力の場合でも、良好なシール性能が発揮できるとともに、健全性の確保および長寿命化等が図れる膨張黒鉛製リング状グランドパッキンおよび蒸気弁用シール機構を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、膨張黒鉛製テープの外周をステンレス細線によって編組被覆した編糸を、さらに複数本編組するとともにリング状に成形したパッキン体を備え、前記パッキン体の径方向断面を四角形、かつ当該断面の対角位置における一対の角部を鋭角としたことを特徴とする膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２４】
請求項２に係る発明では、前記パッキン体の内周面および外周面は、前記リング形状における中心線に対して平行かつ同心円上に配された円筒面であり、かつ前記パッキン体のリング形状における径方向断面は平行四辺形である請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２５】
請求項３に係る発明では、前記パッキン体に対する前記ステンレス細線の占める体積割合は、２〜６％である請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２６】
請求項４に係る発明では、前記パッキン体に、四フッ化エチレン重合体樹脂、固体潤滑剤、および液体潤滑剤から選ばれる１種以上の潤滑剤を含浸させた請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２７】
請求項５に係る発明では、前記パッキン体は、リング形状における周方向の１箇所に形成した切断面を介して開閉可能とされている請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２８】
請求項６に係る発明では、前記パッキン体は、前記リング形状の軸方向に沿って分割された複数の分割体を当該軸方向に重合した構成とされており、前記各分割体における内周面と外周面との軸方向に沿う長さは相違する一方、重合時における前記パッキン体の内周面と外周面との軸方向に沿う全体長さは略同一とされている請求項１記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを提供する。
【００２９】
請求項７に係る発明では、請求項１から請求項６までのいずれかに記載の膨張黒鉛製リング状グランドパッキンを複数個、それらの内周面および外周面に形成されるテーパ面を互いに接触させて軸方向に沿って積層し、蒸気弁の駆動軸周りに形成されたパッキンケース内に収容して前記駆動軸の外周面の蒸気シールを行う構成としたことを特徴とする蒸気弁用シール機構を提供する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る膨張黒鉛製リング状グランドパッキンおよびシール機構の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。まず、図１〜図７によって一実施形態を説明する。
【００３１】
図１は、本発明の一実施形態による膨張黒鉛製リング状グランドパッキンの構成を一部断面として示す拡大斜視図である。この図１に示すように、本実施形態の膨張黒鉛製リング状グランドパッキン１では、例えば平行に引き揃えた複数本の膨張黒鉛製テープ２の外周を、ステンレス細線３によって編組被覆することにより、基本的構成要素として１本の編糸４が形成されている。膨張黒鉛は緻密な組織構造を有し、成形性および形状保持性に優れた材料であり、ステンレス細線３の編成被覆により、いわゆるニット編み補強として強度向上処理が施された構成となる。
【００３２】
この基本的構成要素である編糸４が、さらに複数本編組され、これにより太径な紐状体が構成されている。この紐状体を編組する編糸４の望ましい本数は、４本以上であり、図示の例では９本としている。このように、４本以上の編糸４により紐状体を構成することにより、均整のとれた立体構成とすることができる。図１の例では、縦横方向にそれぞれ３本の編糸４を編素した立体構成とすることにより、縦横に十分な厚みを有する紐状体が得られている。
【００３３】
このような紐状体を、図示省略の金型に装填してダイモールド成形することにより、リング状のパッキン体５が構成されている。このパッキン体５は、図１に示すように、リング形状における径方向断面が四角形、かつ当該断面の対角位置における一対の角部６ａ，６ｂが鋭角となる形状とされている。この鋭角とされた一対の角部６ａ，６ｂの角度は、例えば共に４５°である。パッキン体５における上記と異なる対角位置にある別の１対の角部７ａ，７ｂは、共に１３５°の鈍角となっている。但し、これらの角度は上記の例に限定されるものではなく、寸法、締付け力、雰囲気温度等に対応して種々変更することが可能である。
【００３４】
このようなリング形状をなすパッキン体５の内周面５ａおよび外周面５ｂは、当該リング形状における中心線Ｏに対し、互いに平行かつ同心円上に配された円筒面とされている。また、パッキン体５のリング形状における径方向断面は平行四辺形（例えば菱形）とされている。そして、これらの構成要素に基づき、リング形状の内外周面と接する軸交差方向の面（図１における上面５ｃおよび下面５ｄ）は、それぞれテーパ面（傘状）となっている。
【００３５】
なお、パッキン体５の全体に対するステンレス細線の占める体積割合は、２〜６％とされている。ステンレス細線３の占める体積割合が２％未満であると、形状保持力が低下し、逆に６％を超えると柔軟性が低下するとともに、柔軟性および潤滑性が低下するためである。
【００３６】
また、パッキン体５の表面および内部等には、例えば四フッ化エチレン重合体樹脂（ＰＴＦＥ）、あるいは微粉末黒鉛等の固体潤滑剤８と、液体潤滑剤９とが含浸されている。四フッ化エチレン重合体樹脂と微粉末黒鉛の含浸により潤滑処理が施されとともに、液体潤滑剤の含浸により蒸気，液体等の不浸透処理が施され、これにより後述するシール機構の対象となる弁の駆動軸（弁棒）等との摺接面における潤滑推進および流体進入阻止が図られている。
【００３７】
なお、上記潤滑剤８，９の種類は一例であり、他の固体潤滑剤等を適用することも可能である。すなわち、各種固体潤滑剤８および液体潤滑剤９の中から選ばれる少なくとも１種以上の潤滑剤が含浸される構成であればよい。
【００３８】
図２は、上述したグランドパッキン１を適用する蒸気弁を備えた蒸気タービンプラントを示す系統構成図である。この図２に示すように、本実施形態のグランドパッキン１は、例えば原子力発電プラントにおける主蒸気管に設けられる蒸気弁に適用される。このプラントは、図示省略の原子炉から蒸気タービン１０に蒸気を供給する主蒸気管１１を備え、この主蒸気管１１に主蒸気止め弁１２および蒸気加減弁１３が設けられている。これらの主蒸気止め弁１２および蒸気加減弁１３等のシール機構１４，１５として、上記グラントパッキン１が適用される。
【００３９】
シール機構１４，１５は、主蒸気止め弁１２および蒸気加減弁１３を駆動するシリンダ機構１６，１７の駆動軸（弁棒）１８，１９の外周面に配置したシールボックス２０，２１内に複数（例えば３体）のグランドパッキン１を積層して充填し、駆動軸（弁棒）１８，１９の外周面からの高温蒸気漏洩用として機能する。
【００４０】
図３は、蒸気弁等に対するグランドパッキン取付け状態を示す断面図である。この図３の例では、蒸気弁等における駆動軸（弁棒）１８，１９の周囲にシールボックス２０，２１が形成されており、３体のグランドパッキン１が駆動軸（弁棒）１８，１９の周囲に配置され、軸方向に沿って重合状態で積層され、軸方向からパッキン押え２２により圧縮力Ｆを受けている状態が示されている。本実施形態のグランドパッキン１では、リング形状における中心軸Ｏと平行な内周面と外周面とを有し、断面を平行四辺形としたことにより、軸方向に沿う締付力Ｆは、半径方向への力ｆ（シール圧）に変換され、このシール圧により蒸気の漏洩を防止している。
【００４１】
図４は、本実施形態におけるグランドパッキン１の平面図であり、図５は図４の側面図である。これらの図に示すように、パッキン体５は、リング形状における周方向の１箇所に形成した切断面２３を介して開閉可能とされている。この切断面は、斜面として形成されている。そして、パッキン体５を切断面２３から拡径する方向に向う外力を与えることにより、パッキン体５を開動することができるとともに、その反対方向の外力により閉動作することができ、さらに軸方向に沿う圧縮力によって傾斜面としての切断面２３を重合状態で閉鎖することができるようになっている。
【００４２】
このような構成とすることにより、蒸気弁等の駆動軸（弁棒）１８，１９にグランドパッキン１を装着、取外し等する際に、軸直角方向から装着することができ、着脱作業を容易に行うことができる。ただし、この構成は着脱を容易に行えるという望ましい構成を例示したものであり、本発明では必ずしもこのような切断リング構成とする必要はなく、例えば閉じたリング構成とすることもできる。
【００４３】
次に、上記構成に基づく機能について説明する。
【００４４】
図６は、本実施形態のグランドパッキン１に対する締付圧（縦軸）と歪み率（横軸）との関係を、従来の石綿製グランドパッキンと対比して示す特性図である。
【００４５】
本実施形態のグランドパッキン１については、図６に特性線Ａ（実線）として示したように、締付圧に対する歪み率の変化が小さいのに対し、従来の石綿製グランドパッキンの場合は、図６に特性線Ｂ（破線）として示したように、締付圧に対する歪み率の変化が大きい。このことは本実施形態のグランドパッキン１では確実に締付圧がシール部にシール圧として働くことを意味しており、応力変換比が大きいことを示している。
【００４６】
これは、図３に示したように、本実施形態では、グランドパッキン１の断面形状を平行四辺形とするとともに、グランドパッキン１の径方向断面の対向する一対の角部６ａ，６ｂを鋭角に形成したことから、上述した締付力Ｆを半径方向への力ｆに変換する側面圧伝達特性が向上し、シール性能を安定させることができるためである。
【００４７】
一方、従来の一般的な石綿製グランドパッキンにおいては、径方向断面が略正方形状に構成されているため、低締付力時において応力変換比が小さい。図６の特性により、従来構成においては、シール性能が不安定となる可能性があることが分かる。
【００４８】
図７は、応力緩和特性を示す特性図であり、本実施形態のグランドパッキン１に対する締付圧残留率（縦軸）の時間経過（横軸）における変化を、従来の石綿製グランドパッキンと対比して示している。
【００４９】
本実施形態のグランドパッキンについては、図７に特性線Ｃとして示したように、高い締付圧残留率が長時間に亘って持続し、同図に特性線Ｄとして示した石綿製グランドパッキンに比して応力緩和率が低い。
【００５０】
これは、本実施形態のグランドパッキンが、膨張黒鉛製で緻密な構造を有するとともに、グランドパッキン全体の体積に占めるステンレス細線の量を２〜６ｖｏｌ％とすることに基づく。
【００５１】
このような応力緩和特性を有することにより、本実施形態の場合には、グランドパッキン１の角部７ａ〜７ｄの強度を保ったまま、シャープな角部構造を有するものとして成形することが可能であり、しかもグランドパッキン装着状態においてシールボックス２０，２１とパッキン抑え２２との残留空間（図９におけるｂ）が発生しない。これにより、弁棒動作時の影響による残留空間ｂの移動も防止することが可能となり、パッキン密度変化による締付圧の低下が回避できる。
【００５２】
このため、図７に示したように、シール性能を安定させることができるものである。そして、締付圧の低下を回避できることにより、弁制御機能も安定させることができる。
【００５３】
この結果、本実施形態によれば、蒸気弁等にシール機構として適用した場合、グランドパッキン１の応力緩和特性を減少させることが可能であるため、従来の石綿製グランドパッキン１ａと異なり、頻繁に増し締め作業をする必要がなく、長寿命化が可能となる。
【００５４】
よって、本実施形態によれば、高温領域かつ低締付力の場合でも、良好なシール性能が発揮できるとともに、健全性の確保および長寿命化等が図れるようになる。
【００５５】
図８は本発明に係るグランドパッキンの他の実施形態を示す断面図である。
【００５６】
この図８に示す実施形態では、パッキン体５が、リング形状の軸方向に沿って分割された複数の分割体２３，２４を軸方向に重合した構成とされている。そして、各分割体２３，２４における内周面と外周面との軸方向に沿う長さが相違する一方、重合時におけるパッキン体５の内周面と外周面との軸方向に沿う全体長さが略同一となっている。
【００５７】
すなわち、各分割体２３，２４の断面形状は内径側から外径側にかけてテーパ状をなしており、一方の分割体（図８の上部）２３は、内周面の軸方向長さ（Ｌ１）が大きく、外周面の軸方向長さ（Ｌ２）が小さい。逆に、他方の分割体（図８の下部）２４は、内周面の軸方向長さ（Ｌ２）が小さく、外周面の軸方向長さ（Ｌ１）が大きい。そして、テーパ面を介して分割体同士を重合した場合におけるパッキン体５の内周面と外周面との軸方向に沿う全体長さは共に（Ｌ１＋Ｌ２）で同一である。
【００５８】
なお、各分割体の構成要素については、図１と略同様であるから、図６に図１と同符号を付して説明を省略する。
【００５９】
このような他の実施形態におけるグランドパッキン１の構成によると、内外径長さＬ１，Ｌ２を各々異なったものとして組合せることにより、締付力がテーパ面Ｅに加わり、さらにシール圧を向上させることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高温領域かつ低締付力の場合でも、良好なシール性能が発揮できるとともに、健全性の確保および長寿命化等が図れる膨張黒鉛製リング状グランドパッキンおよび蒸気弁用シール機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るグランドパッキンの一実施形態を示す断面図。
【図２】本発明の一実施形態によるプラントへのグランドパッキン適用例を示す系統図。
【図３】本発明の一実施形態によるグランドパッキンを用いたシール機構を示す断面図。
【図４】本発明に係るグランドパッキンの一実施形態の平面図。
【図５】図４の側面図。
【図６】本発明の一実施形態におけるグランドパッキンの締付圧と歪み率との関係を示す特性図。
【図７】本発明の一実施形態におけるグランドパッキンの応力緩和率を示す特性図。
【図８】本発明の他の実施形態を示す断面図。
【図９】従来の石綿製グランドパッキンの一例を示す説明図。
【符号の説明】
１  グランドパッキン
２  膨張黒鉛製テープ
３  ステンレス細線
４  編糸
５  パッキン体
６ａ，６ｂ  角部
７ａ，７ｂ  角部
５ａ  内周面
５ｂ  外周面
５ｃ  上面
５ｄ  下面
８  固体潤滑剤
９  液体潤滑剤
１０  蒸気タービン
１１  主蒸気管
１２  主蒸気止め弁
１３  蒸気加減弁
１４，１５  シール機構
１６，１７  シリンダ機構
１８，１９  駆動軸（弁棒）
２０，２１  シールボックス
２２  パッキン押え
２３，２４  分割体
Ｅ  テーパ面
Ｆ  圧縮力
ｆ  半径方向への力
Ｏ  リング形状における中心線
【図１】
2005003056.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005003056.tif 000009
【図８】
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【図９】
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