(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体により全閉状態とした弁本体二次側の常温での内部圧を圧力センサで測定すると共に、弁本体一次側のみに、液体窒素と加圧用窒素からなる低温加圧流体を加圧供給しつつ、弁本体一次側内部の低温加圧流体を弁本体一次側内部から当該一次側の配管接続部側に導いて外部に放出しながら弁本体一次側内部を一定圧に保持することにより弁本体一次側のみを冷却し、かつ弁本体一次側と弁本体二次側との温度勾配を生じさせた状態下で、弁本体二次側の内部圧における圧力変動を前記圧力センサで検知することにより弁座封止性能を確認するようにしたことを特徴とするバルブの試験・検査方法。
【請求項２】
請求項１におけるバルブの試験・検査方法において、前記弁本体一次側の配管接続部に蓋をして弁本体一次側を密封し、前記低温加圧流体を弁本体一次側に加圧供給するには、流体供給管を外部より前記蓋体を通して弁体の近傍まで導いて配設し、弁本体一次側内の低温加圧流体を排出するには、流体排出管を蓋体に配設し、この流体排出管により弁本体一次側内部の低温加圧流体を外部に排出させたことを特徴とするバルブの試験・検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）等の低温流体を流体とする流路に設置され、主に、常温〜−１９６℃までの広い温度領域の流体を流したり封止したりする機能を有する仕切弁、玉形弁、逆止弁、ボール弁、バタフライ弁或いはその他の弁からなる低温弁に好適なバルブの試験・検査方法と試験・検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の低温弁は、弁内部に低温流体が流れ、弁が冷却された状態での弁座の封止性能、操作性が重要な機能の一つであり、この性能を確認する方法として、通常、浸漬法と通気法という検査方法が知られている。前者の浸漬法は、図１１に示すようにバルブ（供試弁）２の内部温度を測定し、かつバルブ２内部に外部より加圧できるように特殊な治具３によって弁口径を塞ぎ、この弁全体を冷媒（例えば液体窒素）を満たした大きな冷却槽４に入れることにより、バルブ２を外部から冷却して所定の低温状態とした後に低温でも液化する恐れのないヘリウムガス等を用いて所定の圧力検査を行なうようにしたものである。
【０００３】
一方、後者の通気法は、バルブの流路内に直接液体窒素等の低温流体を流し、バルブを内側から冷却した後にヘリウムガス等を用いて所定の圧力検査等を行なうようにしたものであり、具体的には、液体窒素をバルブに流し、使用最低温度以下に完全に冷却した後にバルブを全閉して出口側の液体窒素を完全に排除し、入口側よりヘリウムガスにて加圧して弁座からの漏れを測定するようにしたものである。
【０００４】
この通気法は、弁座封止性を検査するために弁座を閉じると、その瞬間から低温流体が弁内部を流れなくなり、弁の温度が上昇し始める。その結果、弁内圧がボイル・シャルルの法則に従って上昇し、この圧力上昇も弁座漏れとして観察されてしまうため、例えば、微少量の弁座漏れを測定することは不可能である。
【０００５】
また、弁内部を冷却するための冷媒としては、液体窒素を用いるのが通例であるが、通気法の場合には、弁座を閉じた直後より弁内部に残留した液体窒素が気化してガスが発生するため、弁座検査を行なったとしても、漏れとして生じた気泡が弁座漏れによるものであるか、或は冷媒の気化ガスによるものであるかの判別が困難である。
以上のような欠点によって、低温弁の試験方法は浸漬法によって行われるのが主であり、浸漬法が標準的な実温弁座検査方法とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際の使用に際しては、低温弁は、低温流体によって内部から冷却されるものであり、浸漬法によるような外部からの冷却は起こりえないばかりか、弁内部側と弁外部側の温度がほぼ均一で安定した状態にはなり得ない。例えば、低温弁をＬＮＧラインのブロック弁（ラインの端部に取り付けられる末端弁）として使用した場合、弁の上流側においては−１６２℃である反面、下流側では大気温度という非常に大きな温度勾配が弁本体内部に生じることになり、従って、浸漬法では実際の測定結果を得ることは不可能であった。
【０００７】
このように、浸漬法は、弁全体を均一に冷却し、弁本体が冷却したときの冷却状態が実際の使用状態とは異なるため、ブロック弁等の弁本体に温度勾配が生じる弁の封止性能を確認する場合、部分的な熱変形の影響を考慮した結果を得ることができなかった。このため弁箱の押し湯座の有無が与える弁性能への影響や、或は、弁座構造の違いによる弁座封止性等の優位性の立証など、弁構造の良否を客観的に判断することが困難であった。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するために開発した試験・検査方法であり、その目的とするところは、実際の使用状況に近い状態でバルブの試験・検査を行なうことによって、温度変化によるバルブの性能の変化を得ることのできるバルブの試験・検査方法であり、特に、高精度が要求される低温流体流路に好適なバルブの試験・検査方法と試験・検査装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、弁体により全閉状態とした弁本体二次側の常温での内部圧を圧力センサで測定すると共に、弁本体一次側のみに、液体窒素と加圧用窒素からなる低温加圧流体を加圧供給しつつ、弁本体一次側内部の低温加圧流体を弁本体一次側内部から当該一次側の配管接続部側に導いて外部に放出しながら弁本体一次側内部を一定圧に保持することにより弁本体一次側のみを冷却し、かつ弁本体一次側と弁本体二次側との温度勾配を生じさせた状態下で、弁本体二次側の内部圧における圧力変動を前記圧力センサで検知することにより弁座封止性能を確認するようにしたバルブの試験・検査方法である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記弁本体一次側の配管接続部に蓋をして弁本体一次側を密封し、前記低温加圧流体を弁本体一次側に加圧供給するには、流体供給管を外部より前記蓋体を通して弁体の近傍まで導いて配設し、弁本体一次側内の低温加圧流体を排出するには、流体排出管を蓋体に配設し、この流体排出管により弁本体一次側内部の低温加圧流体を外部に排出させたバルブの試験・検査装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明におけるバルブの試験・検査方法と試験・検査装置の実施形態の一例を図面に基づいて詳述する。
図１において、１０は本発明における試験装置であり、１１は供試弁である。本例における供試弁１１はゲート弁であるが、グローブ弁、チェック弁、ボール弁、バタフライ弁等であっても良い。
この弁１１内に液体窒素を加圧用窒素（窒素ガス）と共に流し、弁１１の一次側１１ａの圧力を測定しながら後述する所定の圧力に加圧する。弁１１は、あらかじめ弁体１２を介して全閉状態としており、弁１１の一次側１１ａ内部のみに前記液体窒素と加圧用窒素からなる低温流体を加圧供給した状態下とし、弁二次側１１ｂの圧力変動を検知することにより弁座封止性を確認するようにしている。なお、図中１１ｃは供試弁用の蓋である。
【００１２】
図１及び図２において、弁１１の本体の一次側１１ａに二重管１３を接続し、この二重管１３の内筒１４を弁体１２の近傍まで導いて弁一次側１１ａに低温流体を圧力センサ１５によって一次側圧力として測定しながら供給し、外筒１６を弁配管接続部側に導いて逃がし弁１７から放出することによって弁一次側１１ａからの排気を可能とし、弁一次側１１ａ内部を低温流体で満たした状態で弁座封止性能を確認できるものであり、特に、弁１１に大きな温度勾配が生じるブロック弁状態での弁の封止性能を確認できるものである。図２の実施例においては、サイズ４Ｂのバルブの蓋１１ｃに、呼び径１／２Ｂの外筒１６を接続し、この外筒１６の内部に外径１０ｍｍの内筒１４を挿入している。このような二重管を用いることにより、流体供給管と蓋との接続部位を１ヶ所とすることができると共に、流体を弁体１２の近傍まで導き、且つ二重管の外筒と内筒との間の絞り作用を利用して弁外部に放出することにより、弁一次側１１ａの内部を効果的に流体で満たすことができる。なお、弁一次側への流体供給は、二重管を用いずに、弁体１２の近傍に流体供給管を導くと共に、この流体供給管とは別に、流体取入口が蓋１１ｃの近傍になるように配置した排出管によって行ってもよく、弁一次側１１ａの内部が流体で満たせる構造であればよい。
【００１３】
試験の実施手順としては、先ず弁体１２により閉止して弁１１を全閉状態として低温流体を弁一次側１１ａに加えたときには、この弁一次側１１ａの内圧力を１．０ＭＰａ、温度降下を出来るだけ一定（１〜３℃／ｍｉｎの降下速度）に保つよう液体窒素、窒素の流量をコントロールし、この状態で弁一次側１１ａ及び二次側１１ｂの温度と圧力変動を記録計２１によって記録し、弁座漏れが生じて弁二次側１１ｂの圧力が急上昇した時点で試験を終了するものとする。また、弁二次側圧力が単調に減少し続けた場合、液体窒素の流量を最大にしても弁一次側１１ａ温度が降下しなくなった時点においても試験終了とする。
【００１４】
従って、弁座１８が封止した状態でも確実に低温流体が弁１１内部の弁座１８に当たり、その後弁１１外部に排気されるため、この弁１１の冷却には液体窒素、弁１１内部への加圧力（検査圧力）として加圧用窒素（窒素ガス）を併用していることで冷却過程中も常に一定圧力を弁座１８に加えられる構造となっている。この冷却開始から終了までの弁座漏れの有無を弁下流側内部圧を測定する圧力センサ１９で測定記録する。
【００１５】
続いて、上記試験方法によって低温時弁座封止性を測定した測定結果の一例を図３に示す。図のグラフにおいて、横軸は、供試弁一次側１１ａの外表面温度、縦軸は弁二次側１１ｂの内部圧力を示す。弁は、クラス１５０ステンレス製仕切弁サイズ２Ｂを用い、Ａ、Ｂの２つのサンプルによって試験を行ない、測定結果を明らかにするために、本試験においては、サンプルＢを常温から低温まで弁座封止性が良好なバルブ、サンプルＡをサンプルＢより弁座封止性の劣るバルブとした。
【００１６】
サンプルＢの場合のように、弁座封止性が常温から低温まで良好な場合には、弁一次側１１ａが冷えるにつれ二次側１１ｂも冷えてくるため、弁二次側１１ｂの内部圧力は、ボイル・シャルルの法則に基づき単調に減少している。一方、サンプルＡの場合のように、弁一次側１１ａを冷却している過程で弁座漏れが発生した場合（図中弁一次側ボデー温度−１３６℃付近）には、弁二次側圧力は急激な上昇に転じている。
【００１７】
試験時における漏れ量は、計算により算出する必要があり、実際には試験中の弁温度によって算出式の定数が変わるが、弁二次側１１ｂの温度を常温〜−５０℃とし、弁二次側１１ｂの温度がＴ℃／ｍｉｎ降下したにもかかわらず二次側圧力が全く減少しないという条件で以下の計算式によって算出することができる。漏れ量Ｌ（ｍｌ／ｍｉｎ）＝０．００４ＶＴここで、Ｖ（ｃｍ３）は、弁二次側１１ｂの容積（配管内容積も含む）である。
【００１８】
このように、本発明のバルブの試験方法によって、従来の浸漬法による弁座検査では全く発見できなかった製品設計構造上の違いによる弁座封止性能の差を明確にすることができ、過酷な状況下において使用されるブロック弁としての適否が容易に判定できる。
【００１９】
次に、鋳物押し湯座の有無が低温弁の性能に与える影響を本発明のバルブの試験によって確認する。一般に、低温弁に限らず、弁のボデーは内部欠陥が少なく、内圧を内封する圧力容器として、健全性が高い鋳造品が必要とされる。特に、形状が複雑なボデーである場合は、鋳造時に多数の押し湯を設定し、健全性を高めるようにするのが常であり、このときボデー中央部には各鋳造現場の違いに関係なくほぼ押し湯座が設定されている。この押し湯座跡がボデー本体に残っていると、図４の（ａ）に示すように弁本体の形状が流体の流れ方向に対して非対称形状を呈することになる。
【００２０】
一般的な工業用として供される弁は、この非対称形状はそのまま残して使用されてきたが、その理由としては、第１に、常温より高温側で使用される弁の弁座面には、通常は摺動時の傷発生防止のため油脂類を塗布するが、この油脂効果によって弁座封止性が飛躍的に向上する。第２に、常温より高温側の使用条件では、弁全体が高温になることはあっても低温ブロック弁のように日常的・継続的に弁本体内部に極端な温度勾配が生じることは殆どない。第３に、非対称形状の鋳物をグラインダ作業等により対称形状に仕上げる工数を省き、鋳物製造コストを低く抑えることができる等が挙げられる。一方、低温弁にこの非対称形状を採用した場合においても、弁の内外部とも均一に冷却されてしまう浸漬法による試験では、弁本体に非対称形状が残っていても実際の使用時に生じると考えられる温度勾配を再現することができない。また、非対称形状による悪影響は推定できても、その影響の大きさが全く定量化されていなかった。これらの理由によって、弁製造コストの上昇を招いてしまう対称形状のボデーを超低温弁に採用すべきかどうかを定量的に判断できず、押し湯座を残した非対称形状の弁をそのまま残して使用するのが無難となっていた。
【００２１】
この問題に対応するため、先ず、ブロック弁として低温流体を流した状態を想定した有限要素法（ＦＥＭ）による熱変形解析を実施した。仕切弁を考えた場合、弁の封止性に支配的影響を与えるのは弁座面の平面度変化であるため、有限要素法による熱変形解析によってこの平面度を測定し、このときの弁の形態としては、図４の（ａ）に示す非対称形状と（ｂ）に示す対称形状をモデリングした。解析する条件としては、弁口径サイズ４インチの仕切弁を想定し、弁は閉じた状態で、弁一次側内部の冷却はＬＮＧ（液化天然ガス）流入を想定して−１６２℃に設定し、また、弁外部は大気開放で２０℃とした。この解析結果例を図５の弁座面の変形解析結果として示した。図７は、バルブボデーを模式的に表したものであり、図５の横軸の角度（°）は、ボデーの弁座面１８ａ縁に沿った角度に対応し、このときの弁座面１８ａのＸ方向変位を縦軸に示した。図４（ａ）の場合の変位差は２．５μｍ、一方、（ｂ）の場合の変位差は２．０μｍであった。
【００２２】
図５において、以下のことが定量的に判明した。（ａ）の非対称形状のボデー１９の弁座面は、（ｂ）の対称形の弁座面に比較すると、２．５（μｍ）／２．０（μｍ）＝１．２５より、２５％平面度が悪化した。また、非対称形状部である押し湯座１９ａの存在により、弁に温度勾配が生じた際の弁座面の相似的変形が妨げられ、弁体弁座面が追従しにくい変形が生じている。
【００２３】
次に、上記の解析結果を実証すべく、ボデー１９、２０のそれぞれについて本発明による試験を実施し、この結果を図６に示した。図より、弁本体に温度勾配を生じさせるような厳しい使用条件での弁座封止性において、明らかに鋳物押し湯座跡を対称形状に仕上げたボデー２０の方がボデー１９より優れており、有限要素法による熱変形解析結果が実際の弁座封止性の差として再現できた。尚、当該供試弁の従来浸漬法による低温時の弁座封止性は、両者共２分間漏れ０で、全く性能差が観察されなかった。
【００２４】
この有限要素法と低温ブロック弁試験による確認プロセスを繰り返した結果、ブロック弁として使われる弁の弁座封止性を確保するためには、弁本体形状は、図７においてＸ軸、Ｙ軸の両軸に対して対称形状をなし、この対称部位の肉厚差が肉厚の２５％を越えないことが必要条件であることが定量的に確認できた。
【００２５】
以上のように、有限要素法による熱変形解析によると、押し湯座１９ａのあるボデー１９の弁座面の平面度に影響を与えることが定量的に確認でき、弁座封止性にもこの影響が生じることが推察される。従来の浸漬法では、押し湯座の有無による弁座封止性の差を確認することはできなかったが、本発明のバルブの試験方法は、二次側圧力を測定して押し湯座の有無による弁座封止性の差を図６に示すように明らかにすることができた。
【００２６】
次に、本体弁座形式が異なる場合に低温弁の性能に与える影響を本発明のバルブの試験・検査方法によって確認する。仕切弁を想定した場合、弁本体に設置する弁座の形式としては、図８（ａ）に示す本体鋳物部に直接ステライト等を硬化肉盛・加工して弁座とする場合（以後、インテグラルタイプと呼ぶ）、図８（ｂ）に示すあらかじめ硬化肉盛されたシートリングと呼ばれる別部品を本体にシール溶接し、弁座とする場合（以後、シートリングタイプと呼ぶ）の二種類が存在する。
【００２７】
低温用の仕切弁、逆止弁には、通常シートリングタイプが採用されるが、この理由としては、シートリングタイプの方が弁座封止性が良いことが現場において経験的に分かっていることと、弁内部の圧力変動等による弁本体の変形が、別部品であるシートリング弁座面に伝播しにくい等の定性的推定に基づいているものであり、定量的に判断するのは難しかった。
【００２８】
この問題について対応するため、先ず、ブロック弁としての使用状態において弁が冷却される前後での本体弁座面の変化を有限要素法による熱変形解析によって解析した。 解析する条件としては、弁口径サイズ４インチの仕切弁のインテグラルタイプとシートリングタイプの長さ１１ｍｍ、１５ｍｍについて先述の解析と全く同じ条件設定にて弁座面の熱変形解析を実施した。その結果を図９に示す。
【００２９】
図９において、以下のことが定量的に判明した。図８（ｂ）のシートリングタイプの弁座面と比較して、（ａ）のインテグラルタイプの弁座面は、２倍以上平面度が悪化した。また、ブロック弁状態での冷却による熱変形のみを考えた場合、シートリングの長さが長くなるほど弁座面の平面度が少ないことが判明した。
【００３０】
次に、この結果を実証すべく、インテグラルタイプとシートリングタイプについて本発明による試験を実施し、この結果を図１０に示した。図は、インテグラルタイプとシートリングタイプの長さ１１ｍｍの試験結果であるが、明らかにシートリングタイプの方が弁座封止性に優れており、有限要素法による熱変形解析結果が実際の弁座封止性の差として再現された。また、図示しないが、同様の確認プロセスを弁口径サイズ２インチ、８インチの仕切り弁についても実施した結果、シートリングタイプの方が優れていることが確認され、通常使用される低温弁の製作範囲においては普遍的な結果であることが確認された。尚、当該供試弁の従来浸漬法による低温時の弁座封止性は、両方とも２分間漏れ０で全く性能差が観察されなかった。
【００３１】
シートリングの長さについては、弁口径の１０〜２５％が適当であり、仮に１０％より短くした場合には、上述したシートリングタイプ固有の弁座封止性への優位性が薄れてくることと、弁本体にシートリングをシール溶接したときに変形・熱影響が弁座面に及ぶことがあるため、望ましいとはいえない。一方、弁口径の２５％よりシートリングを長くした場合には、弁座封止性は向上するが、シートリングをはめ込む部分の弁本体肉厚が薄くなって、付肉が必要になるという新たな問題が発生すると同時に、不必要に長いシートリングは弁製造コストを引き上げ、費用の点で不経済である。以上のことから、低温用仕切弁、逆止弁の本体弁座形式は、シートリングタイプで、その長さは弁口径の１０〜２５％が適当であることが望ましい。
【００３２】
以上のように、有限要素法による熱変形解析によると、図８（ａ）のインテグラルタイプの方が弁座面の平面度に影響を与える度合いが大きいことが確認でき、また、（ｂ）のシートリングタイプでは、図９のようにその長さの違いが弁座面の平面度に影響を与えることが定量的に確認でき、この弁座形式の違いが弁座封止性に影響を与えていることが確認される。従来の浸漬法では、弁座形式の違いによる弁座封止性の差を確認することはできなかったが、本発明のバルブの試験方法は、二次側圧力を測定して弁座形式の違いによる弁座封止性を図１０に示すように明らかにすることができる。
【００３３】
このように、本発明のバルブの試験方法を用いた試験を行なった結果、十分な弁座封止性能を有する弁の基本的設計構造を定量的に合理性を確認した上で決定することができる。また、この試験結果に基づいた低温弁の設計を行なった上で、更に、例えば、品質基準を常温弁検査基準の１．５〜２．５倍にて実施することでより高い品質の低温弁を設けることができ、試験時において、ほとんど漏れのない低温弁を提供できる。
【００３４】
本発明のバルブの試験方法の主用途は低温弁であり、弁に温度勾配が生じるという条件下において、弁一次側と二次側とで５０℃以上の温度勾配が生じる弁に好適な検査方法であり、ゲート弁、グローブ弁、チェック弁、ボール弁及びバタフライ弁等、低温時において高い弁座封止性を要求される全ての弁に適用できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のことから明らかなように、請求項１に係る発明によると、弁本体に温度勾配を生じさせた状態で弁座封止性能を測定することができ、実際の使用状況に近い状態で評価を行なうことができる。この測定結果は、有限要素法による解析の結果と整合する結果であり、温度変化によるバルブの性能変化を定量的に確認することができる。
【００３６】
請求項２又は請求項３に係る発明によると、弁一次側内部を低温流体で満たした状態で弁座封止性能を確認することができ、実際の使用状況に近い状態で評価を行なうことができる。
【００３７】
また、弁本体に温度勾配が生じる過酷な状況下に使用することのできる弁座封止性能の確認を行なったバルブを提供することができ、実流ラインにおいても所定の弁座封止性能を発揮することができるバルブの試験・検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるバルブの試験装置を示した概略図である。
【図２】図１における弁一次側への流体供給構造を示した拡大断面図である。
【図３】本発明におけるバルブの試験方法の試験結果を示したグラフである。
【図４】（ａ）は、非対称形状のボデーを示した斜視図である。（ｂ）は、対称形状のボデーを示した斜視図である。
【図５】有限要素方法による弁座面の変形解析結果の一例を示したグラフである。
【図６】鋳物押し湯座有無の違いによる弁座封止性の差を示したグラフである。
【図７】ゲート弁のボデー弁座付近を模式的に表した斜視図である。
【図８】（ａ）は、インテグラルタイプの弁座形式を示した概略断面図である。（ｂ）は、シートリングタイプの弁座形式を示した概略断面図である。
【図９】有限要素法による弁座面の変形解析結果の一例を示したグラフである。
【図１０】弁座形式の違いによる弁座封止性の差を示したグラフである。
【図１１】浸漬法によるバルブの試験方法を示した説明図である。
【符号の説明】
１０ 試験装置本体
１１ 弁
１１ａ 弁一次側
１１ｂ 弁二次側
１３ 二重管
１４ 内筒
１６ 外筒
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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