PTFE系ガスケット付きボルトフランジ締結体の高温・長期特性評価
1. はじめにガスケット付き管フランジ締結体は石油精製プラント、化学

バルカー技術誌

Spring 2017No.32

プラント、発電プラントなどで高温及び長期条件で使用される密封性能がかなり優れていることが示されている8）が、しかし高温下における特性は不明瞭な部分が多い。8）そのため、高温下におけるクリープ及び密封性能などの締結体の力学的特性の研究が必要とされている。

ことが多い。日本ではその高い耐熱性、シール性、強度、取本報では、実験とFEM 解析によって高温下における扱性、低コスト性から、2008 年の規制まで多くの石綿ガスケッ

PTFE 系ガスケット付き管フランジ締結体のクリープ特性とそトが使用されていた。これまでに石綿ガスケットに関する研の影響を含むボルト軸力挙動及び密封性能などの力学的特究1）─ 5）は多くなされ、石綿ガスケット付き締結体の密封性能な性を評価することを目的としている。まずはPTFE 系ガスケッ

どの特性が明らかにされている。日本では2008 年からの石トの応力－ひずみ特性、線膨張率及び基本漏れ特性などの綿製品の使用の禁止に基づき非石綿製品の使用が義務づ基礎特性を測定し、高温下のクリープ特性も測定する。有6）

けられ 、これに伴い非石綿ガスケット製品の開発改良が進限要素（FEM）解析では、PTFE 系ガスケット付きフランジ締んでいる。

結体のボルト軸力変動、フランジハブ応力及びガスケット接従来の石綿ガスケットは大別すると、石綿フィラーを含むう触応力分布を算出し、各温度における漏れ量をガスケット接ず巻形ガスケット、石綿ジョイントシートガスケットの2 種類で触応力分布及び基本漏れ特性を用いて推測する。実験かあった。石綿代替においては、うず巻形ガスケットでは膨張ら得られたボルト軸力、フランジハブ応力及び漏れ量と比較黒鉛に置き換えることにより大きな問題は生じなかったが、石も行うことによりFEM 解析の妥当性も確認する。

綿ジョイントシートガスケットでは非石綿ジョイントシートガスケッ
ト、膨張黒鉛シートガスケットとPTFE 系シートガスケットの改7）

実験ではPTFE系ガスケット付き締結体の密封特性、ハブ応力及びボルト軸力の変化を測定する。

良が進められた。 アラミド繊維を含んだジョイントシートガス

本研究では、評価ガスケットを当社製品No.GF300とする。

ケットは多くのゴム成分を含有するために耐熱性がより低く、No.GF300は耐熱性が高くゴム分を一切含まないために熱や膨張黒鉛シートガスケットは傷がつきやすいという課題が残さ時間の劣化がなく、力学的な検討では精度良い評価が可能れていた。そこで、日本ではPTFE 系ガスケットが新しく改良である。

され、広く使用されている。新しく開発されたPTFE 系ガスケットは、課題であったクリープ特性が大きく改善されたと認
識されているが、ガスケットの応力―ひずみ線図、基本漏れ

2. 実験装置特性（文献、JIS B 2490）及びクリープ特性などの機械的特Figure1は締結体試験装置を示し、この試験装置を用い性の詳細は明らかにされていない。更に従来の石綿ガスケッて締結体からのヘリウムガスの漏れ量、ボルト軸力及びフラント付き締結体の密封性能に対してこのPTFE 系ガスケット付ジハブ応力を測定する。SUS304 製のフランジで、寸法はき締結体の密封性能が良好なのかどうかも十分示されていASME/ANSI class300 2inchとしている。締結体にはヒーない。

ターが埋め込まれており、3℃/minの速度で加熱される。熱これまでの研究で常温におけるPTFE 系ガスケット付き締電対を用いて温度を測定及び制御し、ひずみゲージによって結体の密封性能、フランジのハブ応力、ボルト軸力変動（内フランジハブ応力を測定する。各ボルトにもひずみゲージが貼力係数）及びガスケット接触応力分布などの力学的特性はり付けられており、ボルト軸力の測定を行う。ボルト締付けは研究され、石綿ジョイントシートガスケット付き締結体に比べて“JIS B 2251-2008 フランジ継手締付け方法”に準拠して行っ

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技術論文

ることによりガスケット材料が軟化したためだと考える。

た。
漏れ量は圧力降下法を用いて測定し、式（1）を用いて算出する。
⑴、M：モル質量［kg］、V：
ここで、L：漏れ率［Pa･m3/s］
装置内容積［mm3］、t：測定時間［s］、R：気体定数［J/kg･K］、T1：測定開始時温度［℃］、T2：測定時間後温度［℃］、P1：測定開始時内圧［MPa］、P2：測定時間後内圧

Figure2 プ
 ラテンによるガスケットの漏れ量測定装置、
JIS B 2490）［MPa］としている。

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ガスケット寸法はASME/ANSI class300 2inchに準拠し、厚さは1.5mmとしている。作用内圧は2MPa、管温度が常温、100℃及び 200℃としている。ボルト初期締付けは平均ガスケット応力35MPaに相当するボルト軸力が一様に16.4kNになるように締付け作業を行っている。

Spring 2017

Figure3測定されたガスケットの応力－ひずみ関係

３-2）密封特性
JIS B 249011）に準拠した常温漏れ量測定と、200℃における除荷過程での漏れ量測定を行う。試験装置は圧縮試験
同様にFigure2に示すものを用い、試験ガスは2MPaのヘリウムガスとしている。
Figure4は実験から得られた常温基本漏れ率（単位時間
Figure1

締結体試験装置あたりの漏れ率、Pa･m3/s）を示している。ガスケット接触応力が 20MPa 以上の場合は漏れ率が定測下限値 5×10−53.ガスケット特性測定

Pa･m3/s 以下であったため測定できなかった。

FEM 解析に用いるガスケット圧縮特性、基本漏れ特性、線膨張係率、及びクリープ特性を測定する。
３-1）ガスケット応力－ひずみ特性
Figure2に示す装置を用いて常温、50℃、100℃、200℃及び 300℃におけるガスケット応力－ひずみ関係を測定する。
装置はJIS 10K50Aに基づいた寸法とし、フランジに埋め込まれたヒーターにより管内壁（Figure1）を加熱する。
Figure3は各温度におけるガスケット接触応力とひずみの測定結果を示している。温度がより高いほどひずみが大きくなっており、温度依存性が示されている。これは、高温にな

Figure4 プ ラテン試験による常温下の漏れ率－ガスケット接触応力関係
34No.32PTFE 系ガスケット付きボルトフランジ締結体の高温・長期特性評価

Figure5は 初 期ガスケット接 触 応 力を198、25.5 及 び35.0MPaとした場合の200℃における除荷時の基本漏れ率を示している。結果より、高温の場合のほうが密封特性は高いことが分かる。これは、高温時にガスケット材料が軟化することにより、フランジの微小隙間をより密に埋められたからだと推測される。
３-3）線膨張率
Figure6にTMA（Thermal Mechanical Analysis）を用いて測定して線膨張率を示す。温度が高くなるほど線膨張

Figure6 ガスケットの線膨張率率は高くなることがわかる。

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３-4）
クリープ特性
長期使用を想定し、Figure7に示す装置を用いてガスケットのクリープ特性を測定する。ガスケット寸法はφ22−φ58とし、ガスケット応力は12.5、25.0 及び 35.0MPa、温度は200℃としている。Figure8は測定されたガスケットのクリープひずみを示している。横軸は測定時間、縦軸はクリープひずみを表

Spring 2017している。時間経過とともにクリープひずみが増加していることが示されている。また、ガスケット応力がより高いほどクリープひずみが大きくなり、応力依存性も確認できた。これらの実験結果を式（2）で同定し、有限要素（FEM）解析に入力する。

Figure7 ガスケットのクリープ試験装置

（2）

No.32

ここで、 :クリープひずみ速度［/s］、σ : 応力［MPa］、t: 測定時間［s］、a 、n 、j 実験から得られる定数 a =1.61×
10−5［/MPa］、n =1.25、j =−0.915。

Figure8測定されたガスケットのクリープひずみ

4. 有限要素（FEM）解析
有限要素（FEM）
解析は汎用コードABAQUS（Ver.6.13.4）を用いる。Figure9はFEM解析モデルを示す。対称性を考慮し、軸方向に1/2、周方向に1/16としている。ボルトとナットは一体とし、ねじは省略している。また、ナットは六角形かFigure5 プラテン試験による常温と200℃下の除荷過程におけるガスケット接触応力が漏れ率に及ぼす影響
35

ら円形に簡略化している。
Figure10は境界条件を示している。ボルトの対称面に各技術論文ボルト応力を負荷している。Step2では容器内側に温度と内Figure11 及び12より、ボルト軸力は締結体の温度に大きく圧を作用させている。フランジ及びボルト・ナットは弾性 - 伝熱影響を受けていることが分かる。初期の加熱時には、ガス要素、ガスケットは弾塑性 - 伝熱 - 粘性要素でモデリングしてケットの剛性低下により、ガスケットひずみの増加、すなわちガいる。Table1は各材料の材料定数を示している。

スケット厚さが減少することによりボルト軸力が比較的大きく低下している。熱サイクルの温度増減とともにボルト軸力も増減するのは、各部材の熱膨張の差によるものである。ボルト軸力の変化については、加熱温度が 100℃の場合よりも200℃の場合の方が大きいことからも温度の影響が大きいことが分かる。200℃の場合、ガスケット接触応力が 4.3MPaに相当する2kNまでボルト軸力が低下したが、漏れは確認されなかった。

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Figure9FEM 解析モデル

Figure10Table1
縦弾性係数
［GPa］
ポアソン比

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各部材の材料定数

フランジボルトガスケット

200200Fig.3
0.450.30.3
1.09
E-05
1.1E-02

比熱［J/kg・K］

5005001000

密度 ( 常温 ［) kg/m ］

7800

7800

2.3

熱伝導率
［W/m・K］

3100℃での締結体のボルト軸力変化の比較

境界条件

1.12E-05
4.4E-02

線膨張率［/K］

Spring 2017

Figure11Fig.6
2.5E-05

Figure12200℃での締結体のボルト軸力変化の比較

5. 実験及びFEM解析結果
５-1）ボルト軸力変化

５-2）
フランジハブ応力

Figure11 及び 12はFEM 解析から得られた100℃及びFigure13は初期ボルト締付け時及び、その後に加熱した200℃条件下におけるボルト軸力変化を示す。実線はFEM時のフランジハブ応力の値を示している。同図にはASME解析結果、破線は実験結果を表している。なお、同図にはBoiler & Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 114）

フランジ温度も示している。初期ボルト軸力は16.4kNである。に基いて計算した結果も併記している。フランジハブ応力のフランジを100℃まで加熱し24 時間保持、その後に24 時間毎値についても、実験結果と解析結果はかなり良く一致しておに室温まで冷却する熱サイクルを4 回行っている。

り、FEM 解析の妥当性が示されている。
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PTFE 系ガスケット付きボルトフランジ締結体の高温・長期特性評価

Figure13 フランジハブ応力
Figure14

FEM 解析によるガスケット接触応力分布５-3）ガスケット接触応力分布と漏れ率

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Figure14は初期ボルト締付け時、100℃加熱時及び200℃加熱時の締結体中のガスケット接触応力分布を表したコンター図である。外径側はフランジ座と接触していないために接触応力はゼロである。接触部においては、フランジローテーションに起因して外径側になるほどガスケット接触応力が大きく、円周方向においては分布がかなり小さいことが確認

Spring 2017

できる。加熱時にはボルトとの接触で外径側の一部が変形していることも認められる。
Figure15はガスケット接触応力の半径方向の平均値とFigure15

実験から得られた締結体の漏れ率とFEM 解析から推測された漏れ率の比較

Figure16

FEM 解析から推測した10 年間の締結体のガスケット接触応力挙動

Figure4 及び 5に示す密封特性を用いて漏れ量を推測した結果を示している。縦軸は漏れ率を接触外径で除した単位長さ当たりの漏れ率、横軸はガスケット接触応力としている。

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FEM 解析結果と実験結果はかなり良く一致しており、FEM解析を用いた漏れ率推測の妥当性が示されている。
５-4）締結体の高温・長期特性予測
ガスケット締結体は高温・長期条件で使用されるため、高温・長期条件で密封性能を評価することが必要である。
Figure16はFEM解析を用いて推測した10 年間のガスケット接触応力挙動を示している。同図には密封限界応力（1.7×10−4Pa･m3/s 以上の漏れ率が生じる応力）も記載しており、ガスケット接触応力がこの値を下回ると漏れが生じるとする。

6. おわりに

締 結 体 条 件はこれまでの評 価と同 様で寸 法はASME/ANSI class 300 2inch、流体（管内壁）温度は200℃として

本研究では実験とFEM 解析を用いてPTFE 系ガスケットいる。2 年毎にシャットダウンがあり、FEM 解析でも考慮して（No.GF300）付き2インチフランジ締結体の高温・長期特性をいる。初期ガスケット応力が 25MPaの場合、シャットダウンの評価し、締結体の常温及び 200℃での長期健全性に関して際にシール限界面圧を下回り、漏れが生じるおそれがあると良好な性能を示すことを明らかにした。得られた結論は以下いう結果となった。それに対し、初期ガスケット応力を35MPaの通りである。とした場合、ガスケット面圧は密封限界応力以上を保持し、⑴ PTFE 系ガスケット（No.GF300）の圧縮特性や基本密シール性も保持されると考えられる。増締めを行った場合も封特性における温度依存性、クリープ特性の応力依存性同様で、密封特性の保持が可能である。など示した。その結果、常温では本 PTFE 系ガスケット付

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技術論文

き締結体の密封性能が良好であることを示した。

ASME PVP Vol.457,（2003）, pp.111-118.

⑵ PTFE 系ガスケット付き締結体におけるボルト軸力が熱5）KOBAYASHI, T., NISHIDA, T., YAMANAKA, Y.,

サイクルに大きな影響を受けることを示し、更に200℃にお“Consideration on the Representations of Sealing

ける締結体の密封性能も良好であることを示した。なお、

Behavior of Gaskets: Effects of the Internal Pressure

ハブ応力はASME Codeの計算値よりも小さいことを確認

and the Gasket Width”, ASME PVP Vol.457,（2003）,

した。

pp.133-138.

⑶ FEM から算出したガスケット接触応力分布と実験から得られた漏れ率－ガスケット接触応力関係を用いて締結体からの漏れ率を予測した。また、その予測値が実験値と6）労働安全衛生法令第 318 号（2008）7）
日本バルカー工業株式会社“ノ, ンアスガスケット”,カタログ
No.ZY03,（2011）.

比較することで漏れ量予測手法の妥当性を確認した。常8）SATO, K., MURAMATSU, A., KOBAYASHI, T.,

温では密封限界応力が 10MPa 程度、200℃では35MPa

SAWA, T.,“FEM Stress Analysis and Sealing

程度まで良好な密封特性が得られることを示した。

Performance of Bolted Flanged Connections using
PTFE Blended Gaskets under Internal Pressure”,

体の高温・長期条件の挙動を予測する手法を提案した。

PVP2015-45268, Proceeding of ASME PVP 2015

その結果、本研究の場合には初期ガスケット接触応力がConference,m（2015）.

35MPaとすれば10 年間の長期にわたり健全性が確保できることを示し、増締めを行えば更に健全性が良好となること

9）ANSI/ASME B 16.5,“Pipe Flanges and FlangedFittings”（1996）,.
10）日本工業規格 . JIS B 2251“フランジ継手締付け方法”,を示した。

11）日本工業規格 . JIS B 2490“管フランジ用ガスケットの密7. 参考文献

封特性試験方法”（2008）,.

１）TAKAKI, T., SATOU, K., YAMANAKA, Y., FUKUOKA

12）OMIYA, Y., SAWA, T., TAKAGI, Y.,“Stress Analysis

T.,“Effects of Flange Rotation on the Sealingand Design of Bolted Flange Connections under

Performance of Pipe Flange Connections”, ASME

Internal Pressure”, PVP2014-28606, Proceeding ofPVP Vol.478,（2004）, pp.121-128.

ASME PVP 2014 Conference,（2014）.

２）高木知弘 , 福岡俊道 , 山中幸 ,“FEMによる管フランジの

13）OMIYA, Y., SAWA, T.,“Stress Analysis and Sealing

ボルト締 付けシミュレーション”, Valqua Technology

Performance Evaluation of Bolted Pipe Flange

News, No.2,（2002）, pp5-13

Connections with Smaller and Larger Nominal３）澤俊行, 尾方尚文, 西田隆仁,“内圧を受ける渦巻き型ガスDiameter under Repeated Temperature Changes”,

ケット付き管フランジ締結体の応力解析と密封性能評価”,

PVP2014-28730, Proceeding of ASME PVP 2014

日 本 機 械 学 会 論 文 集（A 編 ）, 68 巻 671 号（2002）,

Conference,（2014）.
14）ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section Ⅷ

pp.1120-1128.
4）KOBAYASHI, T., NISHIDA, T., YAMANAKA, Y.,

Division 1“Rules for construction of Pressure“Effect of Creep-Relaxation Characteristics ofVessels”App.2,（2004）.

Gaskets on the Bolt Loads of Gasketed Joints”,

佐藤 広嗣
研究開発本部 開発部
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Spring 2017（2008）.

バルカー技術誌⑷ PTFE 系ガスケット（No.GF300）付きボルトフランジ締結

No.32