技術論文

ガスケットの寿命推定技術の開発
シールマーケティング開発本部

シール開発グループ

野々垣肇
バルカー技術誌

Summer 2012

Nowadays, we have to focus on non-asbestos gaskets development and evaluate the long term reliabilityof gaskets. The long-term reliability evaluation is especially important depending on demand for safety andreliability over a long period of time.
Our company was a pioneer in introducing life time evaluation technology of the various gaskets.
Aging of gasket stress is predicted from a stress-time curve. This is a lifetime evaluation technique. Duration oflifetime is determined when residual gasket stress reaches the limiting sealing point. Another lifetime evaluation
technique is measuring activation energy degradation during oxidation of expanded graphite. Lot of problems
still remain in predicting lifetime of composite materials containing organic material.
However, aging of gasket stress is the most important factor to predict the lifetime of a seal. One of the meritsof creep relaxation characteristics at high temperature is that it gives a clear view of reliability fluctuation for
non-asbestos gaskets.
Keywords:
long term reliability, safety and reliability, creep relaxationNo.23

1. はじめに評価方法が必要となった。非石綿製品の実績は乏しく、長期労働安全衛生法施行令の一部を改正する政令（平成 18

使用条件における実証試験とともに、長期性能を理論的に評

年政令第 257 号）
により、平成 18 年（2006 年）9月1日から、石綿等の製造、輸入、譲渡、提供または使用が一部を除き禁止された。さらに、平成 24 年
（2012 年）3月1日をもって、一間使用の安全性に対する信頼を得るには、ユーザー個々の価推定する技術が必要であると考えられる。
本報では、当社が他社に先駆けて技術開発を行ってきた各種ガスケットの寿命評価技術について紹介する。

部の適用除外事例も廃止され、石綿品の製造などは全面禁止となった。
非石綿化の過程にあっては、非石綿ガスケットの開発と並行して、その信頼性評価についても様々な検討が加えられて2. 締切型フランジにおけるメタルガスケットの事例きた。非石綿ジョイントシートにおいては、従来からの規格物信頼性評価のための寿命推定方法は、使用済み核燃料性試験で石綿ジョイントシートと同等の性能を持つことが確認

輸送貯蔵容器（キャスク）用ガスケットの開発を契機として検されたにもかかわらず、実際のフィールドでは、非石綿ジョイン討が始められた 1）−3）。その方法はFigure1に示すように、使トシートには多くの課題があることが明らかとなった。このこと

用環境におけるガスケット応力の経時変化を応力緩和線よりは、従来の規格物性試験が、実績評価に代わる信頼性評価予測し、ガスケット残留応力が密封限界点に達する時点を試験としては使えないことを意味し、実績に代わる新たな機能寿命とするものである。
2

ガスケットの寿命推定技術の開発

さらに、ガスケット応力の低下がシール寿命に関係することから、加藤ら４）５）はLMP（Larson-Miller Parameter）を適用し、塑性変形（圧縮永久歪）およびシール性能の温度・時間依存性の相関を求め、所定温度におけるシール寿命を予測する手法を提案した。
ただ、こうした試みは、締切型フランジにおけるメタルガスケットについての事例であり、非石綿ガスケットに適用するについては、より一般的な締込型フランジにおけるガスケット残留応力について考慮する必要がある。

3. 締込型フランジへの適用
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Summer 2012
No.23

締込型フランジにおける寿命評価についても、ガスケット残Figure1

留応力が密封限界応力に達する時点を寿命とするという、寿命予測の考え方基本的な考え方は同じである。ただし、ガスケット残留応力

使用済核燃料輸送貯蔵容器用ガスケットには、バネ入りメについては、ガスケットだけではなく、フランジ締結体の応力

タルCリング（トライパック®）が採用され、断面径φ10のバネ入変化をも考慮する必要がある。最近では、こうした締込型フ３）

りメタルCリングの200℃における寿命評価を実施した 。

ランジにおけるガスケット応力の経時変化について、粘弾性Figure2に示す応力緩和試験装置を用い、ガスケット溝まで模型を用いた有限要素解析（Finite Element Analysis；の締切を想定したガスケット変位を与え、変位量一定状態でFEA）による研究６）−９）が進められている。特に、常温で締めの応力経時変化を荷重計で測定した。Figure3に応力緩和付け、高温で使用するという、非定常条件や長期条件を考試験結果を示す。別途、200℃における密封限界応力を測慮に入れ、ガスケット圧縮特性の温度依存性、非線形性、ヒ定し、Figure3の応力緩和線の外挿線が密封限界応力となステリシス特性、粘弾性、熱膨張などを考慮した有限要素る経過時間を寿命とした。このとき、200℃における密封限界解析を行うことによって、より現実的なガスケット応力の経時応力は30kN/mであり、推定寿命は500 年以上という結果と変化の推定が可能となった。
Figure4に粘弾性要素モデルの一例を、Figure5にふっなった。

素樹脂系シートガスケットであるNo.GF30010）の200℃におけるシミュレーション結果を示す。なお、ふっ素樹脂系ガスケットでは、推奨使用温度が、材料の耐熱温度を超えることがないため、密封限界応力は熱劣化によって上昇することはなく、むしろ軟化による“なじみ”の向上によって低下する傾向にあるため、寿命予測においては、ガスケットの熱劣化は考慮す
Figure2

Figure33

応力緩和試験装置

３）
応力緩和試験結果（時間軸対数整理）

る必要はなく、応力減少だけを考慮すればよいと考えた。

Figure4

粘弾性要素モデル

技術論文ての使用が一般的であり、非石綿ジョイントシートのように繊維成分が少ないと、熱劣化による割れといった初期故障が発生する場合があり、そのガスケット応力変化から寿命を推定するには至っていない。また、熱劣化がある場合、石綿ジョイントシートの密封限界応力の経時変化 12）はFigure10のように増加傾向を示す。そのため、ゴムなどの有機材料については、高温下での熱劣化をも考慮した密封限界応力の経時変化を確認する必要があり、今後の課題である。
Figure5

有限要素解析による寿命推定例

Figure5に示すように、No.GF300は温度サイクルが負荷される使用条件であっても長期使用が可能であるが、ガスバルカー技術誌

ケット種によっては温度低下時などの面圧低下時に密封限界を下回るケースも見られた。
また、締結ボルトに取り付けた歪みゲージにより、ボルト軸力の経時変化を測定することで、ガスケット応力緩和を実験的に求めることも行っている11）。Figure6にその試験装置概要図を、Figure7に熱サイクル試験結果の一例を示す。

Figure8

No.GF300 増締めによる面圧変動

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Figure6

Figure7

応力緩和試験装置概要図

熱サイクル応力緩和試験結果

この取り組みの中では、ガスケットの寿命評価以外に、増締めの効果［Figure8］や片締めの影響［Figure9］など、非石綿ガスケットを安全に使用するための管理手法についても検討している。
一方、ジョイントシートでは、ゴムバインダの耐熱限界を超え

Figure9

Figure10

No.GF300 片締め時のボルト軸力変動10）
石綿ジョイントシートの寿命予測（200℃）

4. 材料劣化による寿命
原子力工学分野にあっても非金属材料の健全性評価 13）が検討されていた。ASME QME（Qualification of Active
Mechanical Equipment Used in Nuclear PowerPlants）
4ガスケットの寿命推定技術の開発

は、電気絶縁用ゴム材料の規格を参考に、非金属材料識ギーから対象温度での膨張黒鉛消失の速度定数を求め、別のためにArrhenius式による活性化エネルギーを規定して膨張黒鉛消失速度を算出する。さらに消失速度から、限いた。しかし、複合材の劣化反応は複雑であり、劣化の指界減量率となる時間を導出する。

標となる代用物性の設定にも課題が残るため、Arrhenius式

 NEDOの実証試験では、Table1に示したように、600℃のシール材への適用は限定的なものとなると考えられる。

で4.5ヶ月、450℃で約 16ヶ月といった寿命予測結果が得ら

そうした中、非石綿化のための緊急プロジェクトであるれた。

2006 年 NEDO 開発支援事業において、膨張黒鉛の酸化減

 また膨張黒鉛については、熱減量後の圧縮復元線か量にArrhenius 式の適用を検討した。内外周にマイカフィ

ら、ガスケット残留応力を求める手法 15）も開発されている。

ラーを配した複合型膨張黒鉛系うず巻形ガスケット［Figure Figure13は、うず巻形ガスケット（SWG）のガスケット応11］について、膨張黒鉛フィラー酸化の活性化エネルギーを力と歪みの関係に対する熱減量の影響を表している。

14）

測定し、その寿命予測が可能であることを確認した 。

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Figure11

複合型うず巻形ガスケットの構成と使用状態の消失量（限界消失量）が求まれば、膨張黒鉛消失の反応速度定数から算出される膨張黒鉛の消失速度によって、No.23

Figure12

すなわち、許容漏洩量以上の漏洩が発生する膨張黒鉛

シール寿命を推定できると考えるものである。フランジ締結状態での膨張黒鉛の反応速度は、膨張黒鉛熱減量線の傾き

温度
推定寿命

膨張黒鉛熱減量と漏洩量の関係

Table1 シール寿命推定例℃
600500monthday
h4.5
136
3,260

9.8
294
7,066

450

15.7
470
11,272から求められ、この温度領域での任意温度での反応速度定数は活性化エネルギーを用いて求めることができる。
複合型うず巻形ガスケットにおいて提案した寿命推定手
順を、内圧 0.1MPaの場合について、以下に示す。
①

許容漏洩量を確認する。

 通常、許容漏洩量は、使用者が使用条件に応じて決定するが、ここでは、石綿うず巻形ガスケットのシール性能データから、内圧が 0.1 MPaの場合の漏洩量を換算し、許容漏洩量として4.7×10−3 Pa･m3/sを用いた。
②

膨張黒鉛限界減量率を確認する。

 Figure12に示す膨張黒鉛の熱減量と漏洩量の関係から、ガスケットの漏洩量が、許容漏洩量に達する膨張黒鉛の限界減量率を求める。

Figure14は、膨張黒鉛 SWGの熱減量とガスケット応力の−3 漏洩量が、①で求めた4.7×10Pa･m /sになる膨張3

黒鉛減量率は、約 67%であった。
③

寿命を推定する。

 フランジ締結状態での膨張黒鉛消失の活性化エネル
5Figure13 エイジングした膨張黒鉛 SWG の圧縮曲線関係を示している。
減量の生じたガスケット（エイジングガスケット）の圧縮応力
は、その歪みが、フィラー減量を生じていないガスケット（バージンガスケット）の所定応力での歪みに等しいとして、

技術論文

Figure13 から求められる。ここで、所定応力として膨張黒鉛SWGの初期締付応力 50MPaとすると、Figure13よりバージ

３）野々垣 , 大断面径トライパックの長期性能評価 , バルカー
技術誌 , No.6, p1（2003）

ンガスケットの所定応力による歪みは0.28mmとなる。ガスケッ４）加藤 , 伊藤 , 使用済核燃料貯蔵容器用ガスケットの長期

ト圧縮応力の減少は、フィラーの熱減量による応力低下であ密封特性 , 電力中央研究所報告 , U92009（1992）

るとして、Figure14の縦座標は高温時のガスケット残留応力５）加藤 , 伊藤 , 三枝 , 使用済核燃料貯蔵キャスクの長期密を意味する。すなわち、Figure14は熱減量と高温時の残留応力の関係を表すものとなる。

封性能評価手法の開発 , 日本原子力学会誌 , 38（6），p95（1996）６）高木 , 名護 , 佐藤 , 山中, ガスケットの粘弾塑性挙動を考慮したボルト締結体の力学的特性の評価 , 日本機械学会論文集 C 編 , 73（728），p1245（2007）７）名護 , 高木 , 佐藤 , ガスケットの粘弾塑性特性とボルト締結 体の軸 力緩 和 予 測 , バルカー技 術 誌 , No.16 p11
8）渡辺, 山口, 本田, 辻, フランジ継手用ガスケットの高温粘弾性特性の評価 , 日本機械学会山梨講演会講演論文
集 , p145（2008）９）佐藤, 黒河, 高木, ガスケットを用いた締結体の長期漏洩特性の予測手法の検討 , 日本機械学会山梨講演会講

膨張黒鉛 SWG の熱減量とガスケット応力の関係

演論文集 , p139（2008）10）黒河 , 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」, バルカー技術誌 , No.9, p5（2004）

5. おわりに11）野々垣 , 山邊 , 森本 , ガスケット締結体の応力緩和特性 ,石綿ガスケットの長期実績に代わる、非石綿ガスケットの12）山中, 石綿ジョイントシートガスケットにおける高温寿命評

信頼性評価のための寿命評価方法の検討はまだ緒についた段階であり、特に、有機材料を用いた複合材の熱劣化についてはまだまだ課題が多く残されている。

配管技術 , 52（7），p28（2010）
価 , バルカー技術誌 , No.7, p10（2003）
13）西田 , 原子力用非金属シールの環境劣化と寿命の予測 ,バルカーレビュー, 44（6），p6（2000）

しかしながら、シール寿命については、ガスケット応力の経14）NEDO平成18 年度成果報告書, 緊急アスベスト削減実時変化が最も重要な要素であり、高温でのクリープ緩和特用化基盤技術開発プロジェクト, シール材の非石綿代替性の優劣が非石綿ガスケットの信頼性を大きく左右するもの

製品に関する寿命推定実証技術の研究開発, 2007 年3であることは明白である。

月

今後更に、
「安全 ･ 安心」
をキーワードに、信頼性評価の15）Asahina, M., Nishida, T. and Yamanaka, Y., Gasket

ための寿命評価技術を構築していくとともに、信頼性の高いPerformance of SWG in ROTT and Short Term

製品の研究開発を進めていく所存である。

Estimation at Elevated Temperature, ASME PVP
326, p28（1996）

6. 参考文献
１）Nishida T., Sealability of Spring-Energized Elastic
Metal Gaskets, SAE Technical Paper Series
870004, Proc. ’87 SAE International Congress andExposition Detroit, Michigan, Feb 23-27（1987）
２）掘井 , トライパックの長期性能評価 , バルカーレビュー, 35（3），p7（1991）
6Summer 2012

Figure14

バルカー技術誌（2009）

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