ふっ素樹脂系ガスケット付きボルト締結体のゆるみ挙動評価
1. はじめに2008 年の石綿規制を受け、ガスケットにおいても一部を除

バルカー技術誌

Summer 2020
No.39

いて石綿製品が使用出来なくなった。うず巻形ガスケットでは石綿フィラーに替わって膨張黒鉛フィラーを用いることで大きな問題はなかったが、シートガスケットではいくつかの課題があった。石綿ジョイントシートガスケットはその高い耐熱性、耐薬品性、強度から非常に広範囲で使用されていたが、代替繊維を用いたノンアスジョイントシートは繊維分が少ないことから強度や耐熱性が大きく低下している。膨張黒鉛のガス

Figure1 ガスケット応力の長期挙動の予測

ケットは高いシール性、耐熱性、耐薬品性を有するが、非常に傷つきやすいことから取り扱い性に課題がある。一方で、ふっ素樹脂は高い耐熱性と耐薬品性、シール性も優れてお2.FEM条件

り、従来より課題であったクリープも近年の材料開発によってFigure2に本研究で用いたFEモデルを示す。単一ボルト改善されており、石綿ジョイントシートガスケットの代替として広の締結体を対象とし、単純な条件での評価を行う。軸対称く使用されるようになった 1〜3）。

要素を用いてモデル化しているが、この際、六角形のボルトしかしながら改善されてはいるものの、ふっ素樹脂系ガス頭及びナットは面積が等価な円形に簡素化している。フラン

ケットのクリープに起因した締結力低下は懸念事項であり、

ジ及びボルトは弾性要素、ガスケットは非線形粘弾塑性要素

長期使用についての信頼性評価は課題であった。そこで、を用いる。本FEMではガスケットのみ粘弾性を考慮し、電熱当社では石綿規制以降、ふっ素樹脂系ガスケット付き締結については非定常問題として評価する。

体の長期特性予測手法の検討を行ってきた。これまでに各部品の材料定数をTable1に示す。ガスケットは圧縮特FEMを用いてガスケットのクリープだけではなく、熱膨張及び性に強い非線形性とヒステリシスを示している。また、温度が収縮、圧縮特性の温度依存性などを考慮することで、ふっ高いほどひずみが大きくなるという温度依存性も見られる。線

素樹脂系ガスケット付き締結体の長期特性を精度良く予測

膨張係数も温度が高いほど増加している。FEMではこれらすることが可能となっている4〜6）。の特性も考慮する。加えて、
Figure5に示される応力依存性

本報では高温環境下のふっ素樹脂系ガスケット付きボルト締結体を対象にガスケットの諸特性及びフランジやボルトのを有するガスケットのクリープも考慮する。フランジ及びボルトは各特性を固定値として扱う。

特性が締結体の軸力特性に及ぼす影響を評価する。ここでボルトモデル端部に締付けに相当する圧力を負荷すること

は、締結体を単純な単一ボルト締結体とし、ガスケットをで締付けを再現し、締結体外縁部に温度変化を与えること

No.GF300とする。

で加熱及び冷却を再現する。本FEMではボルト軸力の変化を算出する。

9技術論文Figure5 ガスケットのクリープ

Table1

3. FEM妥当性確認のための実験

FEモデル

2 項で述べたFEMの妥当性を確認するため、実験結果と各部品の材料定数
ボルト

ガスケット

SUS304

SNB7No.GF300

ヤング率［GPa］200200

Fig.3

ポアソン比0.30.30.45

料

線膨張率
［/K］

1.12×10 −5

熱伝導率［W/m・K］ 4.4×10−2

1.09×10 −5Fig.4

1.1×10

2.5×10−2

比熱［J/kg・K］

5005001000

密度(常温) [kg/m3］

7800

7800

2.3

クリープなしなし

Fig.5

Figure6に実験装置の概要図を示す。主な条件はFEMと同様である。締付けはボルト胴部に張り付けたひずみゲー
ジで計測される軸力を指標に行う。締結体温度はフランジ表−5面に張り付けた熱電対によって測定される。目標軸力115kN（ガスケット応力35MPa相当）まで素早く締め付け、電気炉で200℃まで加熱する。24 時間加熱後に自然冷却する。

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フランジ材の比較を行う。

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Figure2

No.39

Figure3 ガスケットの応力 - ひずみ関係

Figure6

実験装置概要Figure4 ガスケットの線膨張係数10ふっ素樹脂系ガスケット付きボルト締結体のゆるみ挙動評価

4. FEM及び実験結果
Figure7に単 一ボルト締 結 体の軸 力 変 化についての

5. 各部品の諸特性が‌
締結体ボルト軸力挙動におよぼす影響

FEM 及び実験結果を示す。縦軸にボルト軸力、横軸に加ここでは、フランジ、ボルトガスケットの各部品の諸特性が熱開始時（締付け直後）からの時間を示している。ボルト軸締結体ボルト軸力挙動に及ぼす影響を評価する。現実には力は昇温中及び降温中に大きく低下し、温度が一定の間は実在しないが、任意の特性だけ変更したり、ないものとしたり低下が比較的小さいことが分かる。これまでの研究により、出来るのもFEM 評価の長所である。

それぞれのステップではTable2に示される現象が生じている

Figure8はボルト軸力挙動に対するフランジ及びボルト材ことが分かっている。被締結体であるガスケットとフランジは料のヤング率と線膨張係数の影響を評価した結果を示して熱膨張によってボルト軸力を増加させる。一方でボルトが熱いる。フランジ及びボルトのヤング率を1/2とした場合、比較

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膨 張した 場 合 はボルト軸 力 が 低 下 する。 加 熱 時には的軸力挙動へ及ぼす影響は小さかった。Figure7の結果かFigure3に表されるようにガスケット剛性が低下し、ガスケットらも分かるように、温度変化時に軸力変化が大きく、ヤング率がより圧縮されることで延伸されたボルトが収縮し、軸力は低は温度変化への影響が小さいためと考える。フランジの熱膨下する。この剛性変化は温度変化時に生じるもので、高温張率を1/2 及びゼロとした場合、加熱時に大きく軸力低下し、安定時には生じない。ガスケットクリープは全てのステップで冷却時には増加する結果となった。加熱時の被締結体（フラ生じている。

ンジ+ガスケット）の熱膨張が小さくなり、冷却時の熱収縮のFEM結果と実験結果は比較的よく一致しており、本FEM手法の妥当性が確認出来た。

影響が小さくなったためと考える。ボルトの熱膨張を1/2 及びゼロとした場合、加熱時及び高温安定時には基準条件と大Summer 2020きな違いはなかったが、冷却時にボルト軸力が大きく低下した。
Figure9はガスケット材料の熱膨張、クリープ、剛性変化のそれぞれの各特性だけを有する場合の軸力挙動を表している。なお、フランジ及びボルトは通常の条件とする。熱膨張は軸力を増加、クリープと剛性変化は軸力を減少させるということが分かる。しかしながら、加熱時及び高温安定時のNo.39

現実の結果は剛性変化だけの結果と酷似している。このこと
から各特性の影響の単純な和が総合的な結果となっていないことが分かる。これは、剛性変化やクリープは応力依存性があり、それぞれの特性の結果が相互作用する複雑な現象
Figure7であるためである。

FEM 及び実験結果

これまでの軸力挙動結果は各部品の寸法形状にも影響をTable2

各ステップで起きている現象が軸力へ及ぼす影響
加熱

高温保持

冷却

ガスケット熱膨張↑↓

フランジ熱膨張↑↓

ボルト熱膨張↓↑ガスケット剛性変化↓

ガスケットクリープ

↓↓

↓

合計

↓↓↓

受けるものであり、全てのボルト締結体に適用出来るものではない。

Figure8 フランジ及びボルトの材料特性が締結体ボルト軸力挙動に及ぼす影響
11

技術論文

7. 参考文献1）‌黒河真也，“高機能ノンアスベストシートガスケット「ブラックハイパーNo.GF300」”，Valqua Technology News, Vol.9,
p5-11,（2004）2）‌小池真二，“圧延成形による充填剤入りふっ素樹脂シートガ
スケット バルカロン®シリーズとNo.GF300シリーズ ”，Valqua Technology News, Vol.22, p17-22,（2012）3）‌株式会社バルカー：“ガスケット”，
CATALOGUE No.YC08，（2020）4）‌佐藤広嗣，野々垣肇，黒河真也，出口聡美，“有限要素解Figure9 ガスケット特性が締結体ボルト軸力挙動に及ぼす影響析を用いたガスケット締結体の長期特性予測手法の構

6. おわりに5）‌佐藤広嗣 ,“有限要素解析を用いたふっ素樹脂ガスケットの長期特性予測”, Valqua Technology News, Vol.29,

本報ではFEMを用いて高温環境下のふっ素樹脂系ガスp11-14,（2015）6）‌佐藤広嗣, 澤俊行, 小林隆志，“PTFE系ガスケット付きボルフランジやボルトの特性が締結体の軸力挙動に及ぼす影響

トフランジ 締 結 体 の 高 温・長 期 特 性 評 価 ”, Valquaを評価し、紹介した。ここでの評価は多岐にわたるボルト締Technology News, Vol.32, p33-38,（2017）

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ケット付き単一ボルト締結体を対象にガスケットの諸特性及びバルカー技術誌

築”, Valqua Technology News, Vol.17, p2-8,（2009）

結体条件の極一部に限られる。無限とも言える締結体条件をすべて考慮する評価は現状ではFEMを用いることが現実的と考える。様々な締結体条件に対応するため、引き続きガスケット締結体の評価手法を検討する。

No.39
佐藤 広嗣
研究開発本部
商品開発部
ガスケット・グランドパッキンチーム12