No.GF300付き24インチ管フランジ締結体の力学的特性とシール性評価
1. はじめにスケット付き管フランジ締結体の研究は2～6インチの比較的バルカー技術誌

ガスケットが組み込まれた管フランジ締結体は石油化学プ

小口径寸法を対象としたものがほとんどであり、大口径フランラント、発電プラント、製鉄プラントなどで数多く使用されていジ締結体の特性は不明瞭な点が多いというのが現状である。石綿ガスケットは高い耐熱性、シール性、高強度で取扱る。

いやすい上に安価であるので広く使用され、石綿ガスケット

Sawaらは20インチ寸法の管フランジ締結体を用いてうずWinter 2019に関する研究も行われてきた１）─３）。以前から欧米では進んで巻形ガスケット付き締結体の特性を明らかにし, 小口径管フラいたが、日本でも2000 年頃から人体への健康被害が数多くンジ締結体の特性と異なること及びシール性が劣ることを示報告されたことで規制が設けられ、2008 年より日本では石綿している9）─ 13）。しかし、ASME 規格では更に呼び径の大きいガスケットは使用出来ない４）。

24インチフランジ寸法が規定されており、加えて、広く使用さ石綿ガスケットには石綿フィラーうず巻形ガスケットと石綿れているPTFE 配合ガスケットが組み込まれた大口径管フラジョイントシートガスケットの2 種類が存在し、うず巻形ガスケッ

ンジ締結体の力学的特性やシール性の研究はなされていなトにおいては、膨張黒鉛フィラーを代替することで大きな問題いため、このようなガスケットを用いた管フランジ締結体の研は生じなかった。一方で、石綿ジョイントシートガスケットの代究が必要となっている。

替にはアラミド繊維を配合したノンアスジョイントシートガスケッ

No.36

言われている。しかし、費用や時間の問題からこれまでのガ本研究では、FEM 解析と実験によりNo.GF300 付き24イ

ト、膨張黒鉛シートガスケット、PTFE 配合シートガスケットがンチ管フランジ締結体の力学的特性を評価することを目的と開発検討された５）。アラミドジョイントシートガスケットはゴム分している。まず、JIS B 2490に準拠してNo.GF300ガスケットを多く含むために高温環境下において硬化して割れる、ボルの基礎特性を調べる14）。これら基礎データをFEM解析に入トの増締めが出来ないなどの問題があり、膨張黒鉛シートガ力し、ボルト軸力変動とガスケット接触応力分布を算出する。

スケットは容易に傷つきやすく取扱い性が悪いという課題が加えて、FEM 解析から算出したガスケット接触応力分布と実生じた。このような背景もあり、日本ではPTFE 配合ガスケッ

験から得られた漏れ量－ガスケット応力関係を用いて管フラトが広く使用されるようになった。PTFEは耐熱性、耐薬品

ンジ締結体からの漏れ量を推定する。FEM解析の妥当性を性、シール性に優れており、クリープが大きいという課題も配示すために実験を行い、実験結果とFEM 解析結果の比較合や製造方法の改良によって大きく改良されている。しかし、検討を行う。実験では管フランジ締結体からの漏れ量とボル

これまでは石綿ガスケットにあった実績がPTFE配合ガスケッ

ト軸力変動を測定する。本研究で用いる管フランジ締結体はトにはなく、理論的な特性研究データが必要となっている。こASME class300 24インチ寸法の締結体としている。

れまでに、筆者らは当社のPTFE 配合ガスケットNo.GF300

本研究で用いるNo.GF300をはじめとした当社のPTFE配ガスケットが組み込まれた管フランジ締結体に対し、常温下、合の高機能シートガスケットは耐熱性、耐薬品性、シール性、高温環境下及び配管曲げ作用下におけるガスケット付き管フ取扱性が優れているので広く使用されている。加えて、ゴムランジ締結体の力学的挙動解明に関する研究を進めてい分を一切含まないため、300℃以下の温度や経時では材料６）─８）劣化は生じず、本研究において精度良く力学的な特性を評

ガスケット付き管フランジ締結体には種々の呼び寸法があ価できると考えている。

る。

り、呼び径が異なるとその特性が変わることが知られている。
特に呼び径が大きくなると締結体のシール性が低下するとも
11

技術論文

定終了時の温度、P：
1 測定開始時の内圧力、P：
2 測定終了2. 実験方法

時の内圧力。

Figure1はボルト軸力変動及び漏れ量を測定するための初期内圧力 P1は2MPaとし、実験は常温環境下で行わ

No.GF300ガスケット付き管フランジ締結体装置を示す。管フれる。締付けは平均ガスケット応力 10、20、30、及び 40MPa

ランジ締結体寸法はASME class300 24インチ、材料はに相当する34.2、68.5、102.7、及び 136.9kNの初期ボルト

15）

SUS304 製である 。管の有無によって締結部の特性が大き軸力を負荷する。締付け後にボンベよりヘリウムガスを流入く変わることが知られており、本装置は実機と同様に長い管し、漏れ量を測定する。

を有するものとしている。ガスケットの寸法もASME class300
24インチ、厚さ3.0mmとし、ボルト呼び径はM39である。
24 本全てのボルトの軸部にはひずみゲージが貼り付けられており、ひずみ計と繋ぐことでボルト軸力を計測及び記録出来る。なお全てのひずみゲージは予め校正されている。締バルカー技術誌

結体からの漏れ量は圧力降下法を用いて、以下の式⑴によって計測する。
⑴

ここで、L：漏れ量、M：モル質量、V：装置の内容積、t：Figure2

24インチ管フランジ締結体の寸法

3. ガスケット特性
No.GF300ガスケットの圧縮特性及び漏れ量－ガスケット応Winter 2019

測定時間、R：ガス定数、T1：測定開始時の温度、T2：測力関係を予め実験により測定し、測定値をFEM 解析に用いる。

No.363-1）圧縮特性
Figure3に示す実験装置を用いて、まず常温下におけるNo.GF300ガスケットの圧縮特性を測定する。圧縮用のプラ
テンはJIS 10K50A寸法の平面座を有している。一対のプラテンの間にガスケットを挟み込み、材料試験機によって圧縮し、その際の圧縮量を測定する。Figure4は材料試験によっ

Figure1

24インチ管フランジ締結体の実験装置

Figure3 ガスケット特性測定装置
12

No.GF300 付き 24 インチ管フランジ締結体の力学的特性とシール性評価て得られた応力－圧縮量関係（圧縮特性）を示す。圧縮及方向に1/2）としている。本モデルでは、簡易化のために六び復元カーブには非線形性とヒステリシス性が見られる。

角形形状のナットを断面積が等価の円形とし、ねじも省略しFEM 解析にはこれら挙動も考慮し、計算する。ている。Figure7はFEM 解析における境界条件を示している。全ての要素は対称境界面で各方向に拘束されている。
ボルトモデルに軸方向の荷重を負荷することで初期締付力を与え、内圧負荷時には拘束する。内圧力はフランジ及び管内面に圧力を作用させている。
フランジ及びボルトのモデルには弾性要素を用い、ガスケッ
トに はABAQUSガ スケット要 素 を 用 い て い る。 このABAQUSガスケット要素は非線形性とヒステリシス特性を考慮することが可能である。FEM 解析では、ボルト軸力の変動とガスケット接触応力分布を算出する。

バルカー技術誌

Figure4 ガスケットの圧縮特性

3-2）
シール性
圧縮特性と同様にFigure3に示すプラテン装置を用い、JIS B 2490に準拠してガスケットの漏れ量－ガスケット応力関係を測定する。材料試験機によって段階的に圧縮し、ヘリウ

Winter 2019

ムガス2MPaを負荷した場合の漏れ量を測定する。ガスケット部から漏れ出たガスはゴムOリングとスリーブによって回収され、石鹸膜流量計を用いて測定される。Figure5は測定さFigure6管フランジ締結体の FEM 解析モデル

れた漏れ量－ガスケット応力関係である。縦軸は漏れ量の対数表示、横軸はガスケット応力を示している。ガスケット応力が大きくなるほど漏れ量は小さくなることが分かる。ガスケット

No.36

応力が 30MPa 以上では、漏れ量が微小で測定出来なかったため、データが示されていない。

Figure7

FEM 解析の境界条件

5. 実験及びFEM解析結果
5-1）ボルト軸力
Figure8は実験とFEM 解析から得られた内圧作用時のFigure5 ガスケットの漏れ量－応力関係

ボルト軸力変動の結果を示す。横軸は内圧力、縦軸はボルト軸力とし、実線は実験結果、破線はFEM 結果を示してい

4. FEM解析

る。実験結果のボルト軸力は、24 本のボルトの平均値として

Figure6は24インチ寸法のガスケット付き管フランジ締結

40MPaに 相 当 するボルト軸 力 34.2、68.5、102.7、 及 び

体 のFEM 解 析 モ デ ル で ある。 解 析 に は 汎 用 コード

136.9kNとする。全ての条件において、内圧力が大きくなるいる。初期締付けはガスケット接触応力 10、20、30、及びABAQUSを用い、要素数は2695、節点数は4408である。

ほどボルト軸力は低下した。これは、内圧力によってフランジ締結体の対称性を考慮し、1/96モデル（周方向に1/48、軸ローテーションが増大し、ボルト軸が収縮することによるものと

13

技術論文考えられる。実験結果とFEM解析結果はかなりよく一致しており、FEM 解析の妥当性が示されている。

Figure8内圧作用時のボルト軸力変動

バルカー技術誌

5-2）ガスケット接触応力と漏れ量
Figure9はFEM 解析から得られた締付時及び内圧 2MPa作用時におけるガスケット接触応力分布を示す。初期締付けにおける平均ガスケット接触応力は10、20、30 及び 40MPaである。得られた全てのコンター図において、ガスケット外径Winter 2019部はフランジ平面座から外れてフランジとは接触しておらず、接触応力がゼロであることが分かる。初期締付時のデータを見ると、フランジローテーションに起因して外径側ほど接触応力が大きくなっている。また、平均ガスケット接触応力が大きい場合でも、内径側のガスケット接触応力がゼロであることが分かる。これはフランジローテーションによってガスケット内径側がフランジと分離し、非接触になっているからである。加Figure9

FEM 解析から得られたガスケット接触応力分布No.36

えて、ガスケット接触応力の周方向の分布の変化は極めて小さいことも分かった。内圧作用時、軸方向のスラスト力によってガスケット接触応力の総和は減少する。
ここで、FEM 解析から得られたガスケット接触応力分布及び実験から得られたFigure4にも示されている漏れ量－ガスケット応力関係から、締結体からの漏れ量を推定する11）、12）。
Figure10は実験で測定した漏れ量と推定した漏れ量の比較を示す。縦軸は総漏れ量をガスケット接触外周長さで除することにより単位長さ当たりの漏れ量としている。ガスケット接触応力が大きくなるほど、漏れ量は小さくなることが分かる。
また、推定した漏れ量と実験結果はかなりよく一致しており、

Figure10 ガスケットからの漏れ量の測定値と推定値の比較

漏れ量推定の方法および FEM 解析の妥当性が示されている。

6. 考察
6-1）管フランジ締結体の呼び径がボルト軸力変動に及ぼす影響
Figure11はFEM 解析から算出したNo.GF300ガスケットを組み込んだ2、4、8、12、16、20、及び 24インチの管フランジ締結体に内圧を作用させた場合の内力係数の値を示し
14

No.GF300 付き 24 インチ管フランジ締結体の力学的特性とシール性評価ている。目標ガスケット接触応力の平均値を20MPa、内圧は2MPaとしている。縦軸に示される内力係数は外力（この場合は内圧力）を受けた場合のボルト軸力の増分割合であり、正の値はボルト軸力が増加、負の値は軸力が減少することを表している。管フランジ呼び径が大きくなるほど内力係数は小さくなる傾向であることが分かった。これは、管フランジ呼び径が大きいほどフランジリングの曲げ剛性が小さくなり、内圧作用時にフランジローテーションが助長されやすく、その結果ボルトが収縮しやすくなるためである。Figure12は各管フランジ呼び径寸法におけるガスケット接触応力分布を示している。横軸はガスケット幅に対する割合とし、無次元化していFigure13 管フランジ呼び径が単位長さ当たり漏れ量に及ぼす影響る。いずれの寸法条件においても内圧作用時にガスケット接バルカー技術誌触応力は低下しているが、これは呼び径が大きくなるほど顕りの漏れ量としている。管フランジ呼び径が大きくなるほど単著であった。呼び径が大きくなるほど内圧力の受圧面積が大位長さあたりの漏れ量は増加するが、縦軸は対数表示ではきくなり、スラスト力が大きくなること、及び内力係数の値が負なく線形表示であり、実際には差異はさほど大きくはない。になるため、ガスケット接触応力が失われる割合が大きくなることが原因と考えられる。
Figure13は、2～24インチ管フランジ締 結 体を対 象にWinter 2019

Figure10の結果と同様の方法で推定した漏れ量を表してい6-2）No.GF300と膨張黒鉛フィラーガスケッ‌トNo.6596Vを用いた各管フランジ締結体のシール性の比較
Figure14はNo.GF300と膨 張 黒 鉛フィラーガスケットる。目標ガスケット接触応力の平均値を30MPaとし、漏れ量No.6596Vを用いた管フランジ締結体の単位長さあたりの漏は総漏れ量をガスケット接触外周長さで除して単位長さ当たれ量とガスケット接触応力の関係を示す。これまでと同様に
管フランジ締結体寸法はASME class300 24インチ、内圧は2MPaである。No.6596Vを用いた管フランジ締結体に対してもFEM 解析と実験を比較し、FEM 解析手法の妥当性を確認している。ガスケット接触応力がより小さい場合は漏れNo.36

量が比較的大きいものの、ガスケット接触応力がより大きい場
合はNo.6596Vを用いた管フランジ締結体よりもNo.GF300を用いた管フランジ締結体の方がシール性は優れていることが分かった。No.6596Vのフィラー材料の膨張黒鉛を用いた締結体は比較的小さい応力でも良好なシール性を発揮する。
Figure11管フランジ呼び径が内力係数に及ぼす影響

一方で、No.GF300はより小さい応力ではフランジ面との馴染みが得られないが、ガスケット接触応力が大きくなった場合にFigure12 各
 管フランジ呼び径の締結体における半径方向のガスケット接触応力分布
15Figure14 No.GF300とNo.6596Vを用いた各管フランジ締結体の‌
シール性の比較技術論文

はフランジ面との馴染みが得られ、また、圧縮による高密度Internal pressure”, Transactions of the ASME,化によってより高いシール性を発揮したと考えられる。強度計

Journal of Pressure Vessel Technology, Vol.124,

算上、うず巻形ガスケットが適用出来ない管フランジ締結体（2002）, pp.22-27.にNo.GF300を用いてもうず巻形ガスケットを用いた場合と同等以上のシール性を得ることが分かった。

３）T. KOBAYASHI, T. NISHIDA, Y. YAMANAKA,“Effect of Creep-Relaxation Characteristics ofGaskets on the Bolt Loads of Gasketed Joints”,

7. おわりに本研究では、No.GF300 付きASME class300 24インチ管フランジ締結体を対象に、実験および FEM 解析により力学特性を調べ、以下の結論が得られた。
（1） JIS B 2490に準拠し、No.GF300の圧縮特性、漏れする法令”，政令第 349 号，（2008）．
５）
日本バルカー工業株式会社，“ガスケット”, カタログNo.
YC08,（2016）.
６）
K. SATO, A. MURAMATSU, T. KOBAYASHI, T. SAWA,“FEM Stress Analysis and Sealing Performance of（2） ‌上記のガスケット特性とFEM解析から得られたガスケッ

Bolted Flanged Connections using PTFE Blended

ト接触応力分布結果により、管フランジ締結体からのGaskets under Internal Pressure”, PVP2015-45268,

漏れ量を推定した。加えて、実験と比較し両結果はかProceeding of ASME PVP 2015 Conference,（2015）.

なりよく一致することを示し、その推定手法の妥当性を

７）K. SATO, T. SAWA, T. KOBAYASHI,“FEM STRESS示した。

ANALYSIS of Long-term Sealing Performance for
Bolted Pipe Flange Connections with PTFE Blended

管フランジ締結体に内圧が作用した場合にフランジGaskets under Elevated Temperature”, PVP2016-63372,

ローテーションによりボルト軸力が低下することを明らか

Proceeding of ASME PVP 2016 Conference,（2016）.にした。また、FEM 解析結果は実験結果とかなりよく

８）
K. SATO, T. SAWA, R. MORIMOTO, T. KOBAYASHI,一致していることを示した。

“FEM Stress Analysis and Mechanical（4） FEM 解析とガスケット基礎データを用いて、管フランジCharacteristics of Bolted Pipe Flange Connections

呼び径が大きくなるほど、内力係数は小さく、漏れ量はwith PTFE Blended Gaskets Subjected to External

大きくなる傾向にあることを明らかにした。

Bending Moments and Internal Pressure”,（5） No,GF300は推奨面圧 35MPaを負荷した場合、膨張黒鉛フィラーうず巻形ガスケットを用いた管フランジ締

PVP2017-65332, Proceeding of ASME PVP 2017
Conference,（2017）.

結体に比べて高いシール性を発揮することを明らかに

９）
Y . TAKAGI, T. SAWA, H. TORII, Y. OMIYA,した。強度計算上、うず巻形ガスケットが適用できない“Effects of Scatter in Bolt Preload on the Sealing

管フランジ締結体においても、No.GF300を用いた場合

Performance of Pipe Flange Connections Under

でもうず巻形ガスケットを用いた場合と同等以上のシーInternal Pressure（Case Where the Nominal Diameter

ル性を得ることが分かった。

of Pipe Flange Connection is 20”）”, PVP PVP201025499, Proceeding of ASME PVP2010 Conference,

8. 参考文献（2010）.
10）
Y . TAKAGI, T. SAWA, H. TORII, Y. OMIYA,

１）T . TAKAKI, K. SATO, Y. YAMANAKA, T.

“Effects of Scatter in Bolt Preload on the Sealing

FUKUOKA,“Effects of Flange Rotation on thePerformance of Pipe Flange Connections Under

Sealing Performance of Pipe Flange Connections”,

Internal Pressure （Case Where the Nominal

ASME PVP Vol.478,（2004）, pp.121-128.

Diameter of Pipe Flange Connection is 20”）”,２）T . SAWA, N. OGATA, T. NISHIDA,“StressAnalysis and Determination of Bolted Preload in
Pipe Flange Connections with Gasket under

PVP2010-25499, Proceeding of ASME PVP2010
Conference,（2010）.
11）Y. OMIYA, T. SAWA, Y. TAKAGI,“Stress Analysis
16

Winter 2019（3） FEM 解析及び実験によって、No.GF300 付き24インチ

バルカー技術誌

量－ガスケット接触応力関係を測定した。

ASME PVP Vol.457,（2003）, pp.111-118.
４）厚 生労働省“労働安全衛生法施行令等の一部を改正No.36

No.GF300 付き 24 インチ管フランジ締結体の力学的特性とシール性評価

and Design of Bolted Flange Connections underSAWA,“FEM Stress Analysis and the Sealing

Internal Pressure”, PVP2014-28606, Proceeding ofPerformance evaluation of Bolted Pipe Flange

ASME PVP 2014 Conference,（2014）.

Connections with Large Nominal Diameter12）Y. OMIYA, T. SAWA,“Stress Analysis and Sealing

Subjected to Internal Pressure”, PVP2016-63407,

Performance Evaluation of Bolted Pipe Flange

Proceeding of ASME PVP 2016 Conference,（2016）.

Connections with Smaller and Larger Nominal14）Japanese Industrial Standards. JIS B 2490“TestDiameter under Repeated Temperature Changes”,

method for sealing behavior of gaskets for pipe

PVP2014-28730, Proceeding of ASME PVP 2014flanges”,（2008）.
15）ANSI/ASME B 16.5,“Pipe Flanges and FlangedConference,（2014）.
13）A . MURAMATSU, K. SATO, M. U. KHAN, T.

バルカー技術誌

佐藤 広嗣

鄭研究開発本部
第 1 商品開発部

中国総合研究所
シールエンジ開発チーム

Winter 2019
澤No.36

俊行

広島大学

17Fittings”,（1996）.

名誉教授

興