夏号
No.29 Summer 2015

【ソフトガスケット特集号】● ご挨拶・
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・1
常務執行役員 研究開発本部長

青木

陸郎

● 総論

ガスケットをとりまく社会環境の変化 ・
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・2

シール営業本部 テクニカルソリューショングループ

野々垣肇● 技術論文ガスケット締結体の面圧挙動と増締めの効果・
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・7

ソリューション開発部

栗原和也● 技術論文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・
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・11
研究開発本部

佐藤

広嗣

開発部

開発グループ● 製品の紹介

高機能シートガスケットの紹介と使い分け・
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・15
研究開発本部

黒河

真也

開発部

● 寄稿

開発グループジョイントシートガスケット付き
管フランジ締結体の密封特性について・
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・19
広島大学

澤

俊行

名誉教授

ご挨拶

読者の皆さまには日頃から本誌をご愛読いただき、深く御礼申し上げます。

バルカー技術誌

Summer 2015
No.29

当社では、この4月から新たな中期経営計画“NV・S7”をスタートさせました。
創業90周年に向けて『THE VALQUA WAY』のもと、｢選択と集中｣ による更なる成長力の強化を図り、経営理念である ｢顧客感動の提供｣ の実現を目指し、社会への安全・安心な製品・サービスの提供を行ってまいります。その活動の柱の一つとして、H&Sの視点※に立脚しながら新たな技術経営の仕組みを取り入れて、お客さまにとって独創的な技術開発成果を迅速に提供させていただくために、技術開発活動の一層の充実強化を行ってまいります。
このような、当社の技術開発に対する道筋を改めて見据えていくために、今回のバルカー技術誌夏号におきましては、当社として最も基本となる技術テーマの一つに立ち戻り「ソフトガスケット｣ を中心テーマとして取り上げることにいたしました。
当社は創業以来、世界の市場でシール製品の提供を行う中で、広範なシールエンジニアリングの知識を蓄えてまいりました。現在は、そこで培われた技術ベースを活用し、高品質で多様な機能を備えたシール製品と共に、シールの使用に対するソリューションパッケージを提供させていただいておりますが、お客さまの安全で安心なオペレーションに貢献するシールメーカーとして、皆さまに更なる信頼をいただくことを目指し、今後もたゆまぬ技術開発活動を展開してまいります。今号は、そのようなシール技術の中でも、重要な技術領域として位置づけられる ｢ソフトガスケット｣ について、◦近年の社会を取り巻く環境変化にともなうガスケットの変遷◦当社の独自高機能製品のふっ素樹脂系ガスケットを中心とした開発の歴史◦それぞれの製品が持つ特徴◦製品の寿命評価・使い方といった点を総論的にまとめた内容になっておりますので、座右に置かれてご利用いただけると幸いです。
また、当社シニアフェロー西田隆仁による ｢現代ガスケット概論｣（日本バルカー工業㈱ 5月10日発刊）が出版されました。是非、ご一読をいただき、本誌と併せてご活用いただきたくお願いいたします。
今後とも、『THE VALQUA WAY』のもとに当社から発信される技術成果にご期待いただきながら、当社製品を将来にわたりご愛顧いただけるようお願い申し上げます。
常務執行役員

研究開発本部長※『H&Sの視点』とは、H（ハード＝製品）とS（シールエンジニアリング･サービス）を通じて顧客価値の最大化を図ることを指します。

1

青木

陸郎

総論

ガスケットをとりまく社会環境の変化

2. 石綿規制

シールとは、各種プラントの配管や機器、装置において、石綿の健康障害に関する報告が 20 世紀初頭になされ、流体が内部から外部へ、あるいは外部から内部へ流れない

その危険性が広く認識されるようになった。石綿の販売、使ようにすること、またはその部材を指す。固定部のシールをガ用の制限が、欧米を中心として進められ、日本でも2004 年

スケット、運動部のシールをパッキンと呼ぶ。ガスケットやパッに、石綿製品について輸入、製造、譲渡、提供、使用がキンは機械要素の一つであり、一般の認知度は低いが、機禁止された。しかし、石綿の使用用途のほとんどが建材であ

械装置の重要な部品である。

り、また実績で石綿に代わるシール材がなかったことから、シール製品、石綿紡織品は対象外であった。2006 年には全も給配水管の遺構が発見されている。そこでは、アスファル

石綿製品の使用等が禁止されたが、特定分野の部材につト、タールなどが、コーキング材のように使われていたことが想いては、代替品が確立していないとの理由で、規制猶予対像される。細い管同士のねじ込み継手を経て、産業革命に

照表（ポジティブリスト）が設定され使用が続けられた。ポジよる紡績産業、製鉄業の発展に伴い、溶接技術とねじ切り

ティブリストが完全撤廃されたのは、2012 年 3月のことであっ旋盤の出現によって、ボルト締めフランジ継手が実用化された。

るようになり、今日見られるガスケットの原型が整備されるに至った。
石 綿ジョイントシートが 1887 年オーストリアのRichard

このように、シール製品における全面的な非石綿化には長い年月を要したが、これはガスケットの非石綿化に大きな技
術的課題が存在していたためであった。

Klingerによって発明され、うず巻形ガスケットは1912 年アメ

石綿ガスケットの代表的なものとしては、石綿ジョイントシー

リカのHenry Bohmerによって発明された。さらには、20 世

ト、及び石綿フィラーうず巻形ガスケットが挙げられる。しか紀初頭にドイツでHaber-Bosch法による高温高圧下でのアン

し、うず巻形ガスケットはシール性や耐薬品性、耐熱性に優

モニア合成が実用化され、重化学工業の発展によって各種れた膨張黒鉛フィラーやふっ素樹脂フィラーを用いた高級化の高圧用金属ガスケットが開発された。

がすでになされていた。そのため、非石綿化の際に、無機

日本では、明治以降、石綿ジョイントシートの高級品を輸入

フィラーを用いたうず巻形ガスケットも開発されたが、多くはすに頼っていたが、国産化が進み、1935 年当社において、日でに市場で実績のあった膨張黒鉛フィラーうず巻形ガスケッ

本人だけによる純国産品が誕生した。またこれは、
120インチトに代替された。

という大型シートであり、世界的に見ても画期的な製品であった。

Summer 2015

漏れを防ぐということは、重要な技術であり、古代遺跡からバルカー技術誌

1. はじめに一方、低温・低圧及びユーティリティ用途として最も汎用性の高い石綿ジョイントシートは、JISなどに示された常態物

こうした黎明期を経て、戦後は石油化学工業をはじめとす性試験で石綿ジョイントシートと同等と評価された非石綿ジョる各種産業が発展していったのに伴い、ガスケットもその適

イントシートが、フィールドにおいて多くの問題を引き起こした。

用範囲を広げるとともに、多種多様な新材料が使われるよう

当社は、石綿ジョイントシートが長年に渡る使用実績があったになっていった。しかし、こうした急激な産業の発展は、多くが、そのため、その物性試験は実績のある製品の、生産工の環境問題も発生させることになった。

程管理のための品質検査であり、実際に使用するにあたって本当に必要とされる機能を評価するものではなかったということを明らかにした。
2

No.29

ガスケットをとりまく社会環境の変化

石綿ジョイントシートの場合、石綿繊維の配合量は65～化（毛羽立ち）による繊維同士の絡み合いを利用して非石綿85%であったのに比べ、非石綿ジョイントシートの場合、アラミ

ジョイントシートは開発されたが、石綿繊維の絡み合いに比ド繊維などの有機繊維、及びロックウール、炭素繊維などのべて弱く、ゴムバインダーが強度因子のかなりの部分を担う

無機繊維は5～25%しか配合されていない。ジョイントシート

形になっている。そのため、ゴムバインダーが高温にさらされの材料構成をFigure1に示す。また、石綿繊維は細く長く、硬化した場合、配管応力や増締めなどの外部応力が負荷さ

繊維同士が強く絡み合い、繊維自身が強度因子となっていれると、ガスケットに割れが生じる事故が多発した。

るため、ゴムが硬化してもガスケットとしての機能が維持でき

こうした非石綿ジョイントシートの割れの問題は、ゴムバインていた。一方、非石綿ジョイントシートは繊維量が少なく、まダーによることがほぼ確実であると見られたが、市場にある

た繊維も太く短く、剛直であるので、アラミド繊維のフィブリル

非石綿繊維では、石綿繊維の様な補強効果は期待できない
ことが明らかになった。そのため、当社はいち早くゴムを使わないシートガスケットの開発に着手した。
バルカロン®のような充填材入りふっ素樹脂シートは、非石

バルカー技術誌

綿化以前から耐薬品性の求められる化学プラントに多く使用されており、非石綿化の初期にはジョイントシートに代えて使用されることもあった。しかし、ふっ素樹脂特有のフローにより、高温時の締付力低下が大きく、耐熱性については、石綿ジョイントシートを完全に代替することはできなかった。
ふっ素樹脂のフローを改善するには、その流動性を抑制

Summer 2015

するために多量な充填材が必要となるため、相対的にふっ素樹脂の含有量が少なくなり、その少ないふっ素樹脂含有量で充填材の間の空隙を埋めて、適正なシール性が維持できるよう、配合と加工方法を検討する必要があった。その開発は困難を極めたが、ついには石綿ジョイントシートと同等以上のクリープ緩和特性とシール性を有する高機能シートガスケット“No.GF300”を開発した。こうした、低クリープ緩和仕様

No.29のシートガスケットは他 社にはないものであり、このNo.
GF300、及びそれに続くNo.SF300、No.MF300、No.UF300といった高機能シートガスケットによって、石綿ジョイントシートの代替は完成した。
Figure1 ジョイントシートの材料構成イメージ

Figure2にガスケットの変遷についてまとめた。

Figure2 ガスケットの変遷
3

総論

3. 信頼性評価技術

スケットの新たな分類体系、及び非石綿ガスケットの試験温

また、同時に当社は、実績に代わる新たな信頼性評価技“パッキン及びガスケット用語（2015）”の改正にも引き継がれ、術の開発にも着手した。非石綿製品の実績は乏しく、長期

ガスケットの分類体系、及び非石綿ガスケットの関連用語が使用に対する信頼性を得るには、ユーザー個々の使用条件

新たに登録された。これにより非石綿ガスケットの中でのにおける実証試験を行うとともに、長期性能を理論的に評価

No.GF300の位置が明確になった。

度などの評価基準が明確にされた。この成果はJIS B 0116

推定する技術が必要であると考えたからである。
ガスケットの長期信頼性評価のための寿命推定方法は、
使用済み核燃料輸送貯蔵容器（キャスク）用ガスケットの開発を契機として検討が始められた1）-3）。その方法は使用環境

4. 大気濃度規制
大気汚染物質の大気中への排出を規制すべく、米国は1963 年に大気浄化法（Clean Air Act；CAA）
を制定した。
その後、数度の改正を経て，1990 年改正大気浄化法（Clean

ものである。ただ、こうした試みは、締切型フランジにおける

Air Act Amendment of 1990；CAAA）
が公布された。こ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のCAAAでは、酸性雨対策、自動車排ガス規制の強化、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

毒性化学物質の排出規制の強化、オゾン層破壊の抑制を目

ケット残留応力について考慮する必要がある。

的とし、189 種類の有害大気汚染物質（VHAP）が指定された。これらは工業プラントからの揮発性有機化合物（VOC）

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、の微少漏れ（Low Emission）を規制するものである。漏れ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の規制値としては、大気濃度 500ppm が規定され、大気汚については、ガスケットだけではなく、フランジ継手の応力変

染の深 刻なカリフォルニア州では、1997 年 州 規 制により化をも考慮する必要がある。最近では、こうした締込型フラ100ppmに規制強化されている。

ンジにおけるガスケット応力の経時変化については、ガスケッ

微少漏れの規制は、
ドイツにおいても1986 年に大気浄化法

トを 粘 弾 性 体とし た 有 限 要 素 解 析（Finite Element（Technische Anleitung zur reinhaltung der Luft；TA-

Analysis；FEA）
による研究

4）-7）

が進められている。特に、Luft）として制定され、イギリスでも1990 年にEnvironmental

常温で締付け、温度サイクル下で使用するという、非定常か

Protection Act of 1990 が施行されるなど、環境規制が拡

つ長期運転条件を考慮に入れ、ガスケット圧縮特性の温度大している。

依存性、非線形性、ヒステリシス特性、熱膨張などを考慮しプラントでの漏れの管理は、基本的には閾境界での環境て有限要素解析を行うことによって、より現実的なガスケット

濃度と、各プラントでの物質収支を基にした排出総量で管理

応力の経時変化の推定が可能となった。

してきたが、環境規制ではガスケットからの微小漏れを直接

ガスケットの材料劣化による寿命評価への取り組みとして管理するために、フランジ継手周辺の環境濃度を測定するこは、 非 石 綿 化のための緊 急プロジェクトである2006 年とを要求した。このことはガスケットを選定する上での重要な

NEDO 開発支援事業において、膨張黒鉛の酸化減量に評価基準となりつつある。すなわち、継手からの漏れは、従Arrhenius式を適用することを検討した。ライン入りマイカフィ

来の漏れるか漏れないかの定性的な検査ではなく、定量的

ラーうず巻形ガスケット（No.M596L）について、膨張黒鉛フィ

な漏れ量としてとらえる必要が高まってきた。

ラー酸化の活性化エネルギーから寿命予測が可能であるこ８）

一般に、“漏れが無い”という状況は存在せず、微少な漏とを確認した 。さらに、膨張黒鉛フィラーうず巻形ガスケット

れは必ず存在する。すなわち、“漏れが無い”というのは、漏（No.6596）については、熱減量後の圧縮復元線から、ガスれ試験の検出感度を越える漏れが無いということであり、そ９）

ケット残留応力を求める手法 も提案した。
高圧力技術協会（HPI）のSTOP 委員会では、従来のASME codeに代わるフランジ継手設計の検討がなされ、非れを設計上“漏れが無い”状態として許容しているにすぎない。
各種ガスケットの漏れ量をFigure 3に示す。

石綿ガスケットを評価するために高圧力技術協会規格 HPIS
Z108“ボルト締めフランジ締結体用ガスケットの分類及び特性評価指針（2014）”
が新たに制定された。この規格では、ガ
4Summer 2015

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

バルカー技術誌におけるガスケット応力の経時変化を応力緩和線より予測し、
ガスケット残留応力が密封限界点に達する時点を寿命とする

No.29

ガスケットをとりまく社会環境の変化技術と併せ、非石綿化に貢献できたものと自負する。
また、フロンや環境ホルモン（外因性内分泌撹乱物質）、
及び一部のふっ素樹脂の製造に使用される助剤である
PFOA（パーフルオロオクタン酸及びその塩類を含む化合物の総称）などの環境負荷物質への対応として、シール材料の配合変更など、その安全性について不断の検証を続けている。
大気濃度規制に伴う漏れ量の管理や、漏れ量を前提とす
る合理的なフランジ継手設計など、今後起こるであろう様々な環境変化に対しても真摯に取り組み、シールにかかわる全ての人々に貢献するべく努力する所存である。

Figure3 ガスケットの漏れ量

バルカー技術誌

石油化学プラントやその周辺機器では、通常は発泡漏れ試験によって漏れの有無が検査されるが、発泡漏れ試験の検出感度は、3×10−４ Pa･m3/s 程度であるとされている。

1）Nishida T., Sealability of Spring-Energized Elastic

日本におけるこうした目視での検査は、世界的に見ても厳Metal Gaskets, SAE Technical Paper Series 870004、

しい基準のもとに行われているが、漏れを数値化して環境へ

Proc、’87 SAE International Congress and Expositionの影響度を評価しようという動きに対しては、数値化された漏

Detroit、Michigan, Feb（1987）, pp23-27

Summer 20152）掘 井賢二、トライパックの長期性能評価、バルカーレ

れ量でない限り評価の対象にはならない。
なお、CAAAで規定された管理値である500ppm 及び100ppm が、どの程度の漏れ量に相当するのか、その換算を示した公的なものはないが、当社では、同一条件で行った
環境濃度測定結果とガスケット漏れ試験結果を比較し、より厳しい100ppmでも、3～6×104）高木知弘、名護典寛、佐藤広嗣、山中幸、ガスケットのPa･m /s 程度で、発評 価、日 本 機 械 学 会 論 文 集 C 編、vol.73、No.728,

Pa･m /sであり、
3

泡漏れ試験によって検知できる漏れとほぼ同程度であることを示した

カー技術誌、No.6, pp.1-5（2003）.
粘弾塑性挙動を考慮したボルト締結体の力学的特性の500ppmに相当する漏れ量は2～4×10−４ビュー、vol.35、No.3, pp.7-13（1991）.
3）野々垣、肇 大断面径トライパックの長期性能評価、バル

3

−3

No.29

6. 参考文献

pp.1245-1252（2007）.
5）名護典宏、高木知弘、佐藤広嗣、ガスケットの粘弾塑性

10，11）。

また、漏れ量を考慮したフランジ継手のシール設計が検討されている。これらはいずれも気体の漏れを基準としたもので特性とボルト締結体の軸力緩和予測、バルカー技術誌、Vol.16, pp.11-19（2009）.

ある。これは、液体の微小漏れは定量測定が困難であると

6）渡辺将広、山口篤志、本田尚、辻裕一、フランジ継手用いうことと、液体漏れ量は気体漏れ量に対して極めて少ない

ガスケットの高温粘弾性特性の評価、日本機械学会山梨と考えられていたためである。それに対して、当社で液体の講演会講演論文集 , pp.145-146（2008）.

微小漏れ量を測定し、同様の条件で測定した気体漏れ量を7）佐藤広嗣、黒河真也、高木知弘、ガスケットを用いた締比較したところ、両者の体積漏れ量には1×10 倍の差がみら

結体の長期漏洩特性の予測手法の検討、日本機械学会れたが、質量漏れ量はほぼ同じオーダーであることを見出し

山梨講演会講演論文集 , pp.139-140（2008）.

8

12）た 。これは、質量漏れ量を基準とすることで、気液ともに合理的なシール設計ができる可能性を示している。

8）NEDO 平成 18 年度成果報告書、緊急アスベスト削減実用化基盤技術開発プロジェクト、シール材の非石綿代替製品に関する寿命推定実証技術の研究開発、2007 年 3月

5. おわりに
石綿規制に対して、当社は独自技術による取り組みを進め、石綿ジョイントシートを代替しうる、No.GF300をはじめとする高機能シートガスケットを開発した。更に、信頼性評価
59）Asahina, M., Nishida, T. and Yamanaka, Y., Gasket
Performance of SWG in ROTT and Short Term
Estimation at Elevated Temperature, ASME PVP ,Vol.326,（1996）, pp47-59
10）宮本悟、地球環境に対応のバルブ（ベローズバルブ）、バ総論12）赤松淑子、佐藤広嗣、野々垣肇、西田隆仁、液体漏

ルカーレビュー、Vol.43、No.2, pp.7-12（1998）.

洩量の実測と気体漏洩量との比較、日本機械学会論文11）山中幸、赤松淑子、黒河真也、ガスケットの環境規制に

集 A 編、Vol.77、No.777, pp.749-753（2011）.

関する技術動向、トライボロジスト、Vol.56, No.2, pp.8792（2011）.
（Abstract）

VALQUA reviewed the impact of gasket on the social environment. In particular, with respect to Asbestos regulations, wehave taken steps ahead of the competitors, developed high-performance sheet including No.GF300 and we also started
long-term reliability assessment considering long service life of asbestos products. Moreover, the necessity of leakage
amount management for atmospheric concentration regulation and the measurement of liquid micro- leakage were alsomentioned.

Asbestos regulations, long-term reliability assessment, atmospheric concentrations regulation, liquid micro-leakage（摘要）简单介绍了为应对社会环境变化公司在密封垫片方面开展的工作。特别是在石棉规制方面，先于其它公司开发了以No.GF300
为代表的高机能板材，并且在取代石棉产品的实绩，建立长期可靠性评价方面也开展了一些工作。另介绍了大气浓度规制背Summer 2015

景下泄漏量管理的重要性以及液体微小泄漏的测定。

バルカー技術誌

Keywords:关键词：石棉规制、长期可靠性评价、大气浓度规制、液体微小泄漏

No.29
野々垣 肇
シール営業本部
テクニカルソリューショングループ

6ガスケット締結体の面圧挙動と増締めの効果

バルカー技術誌

1. はじめにこれにより締結後のガスケット面圧の変化を継続的に評価しガスケットのシール性は面圧の影響を大きく受ける。長期に結体を電気炉やバンドヒータなどで加熱することにより高温でわたりシールを維持するためには面圧を高く保ち続けることがの使用環境を模擬した状況で評価を行うことが可能である。

重要である。しかしながら、ガスケットには時間や温度の影響

この試験装置を用いて常温／ 200℃、および常温－200℃

により、応力緩和やクリープ（以後、クリープ緩和と呼ぶ）
が生の運転サイクルを模擬した温度条件での面圧の変化を測定じるため、徐々に面圧が低下することは避けられない。低下した。

た。また、ひずみゲージは耐熱性のあるものを用いており、締Summer 2015

した面圧を回復させるための手段としては増締めが有効でTable1に試験条件を示す。試料ガスケットには、石綿ガス

あるが、増締めの実施タイミングや方法は規格などにより定め

ケット代替品として広く普及している高機能シートガスケットでられてはおらず、ユーザーの判断に委ねられているのが現状あるNo.GF300を用いた。

である。

Table1

本報では、より面圧を高く保持することを目標に、温度、時間が応力緩和に与える影響や、増締めの実施タイミングによ

試験温度る効果の違いについて定量的な評価を行い、検討した結果

ガスケット

を示す。

フランジ座寸法
フランジ仕様No.29

2. クリープ緩和と増締め効果の定量的把握

ボルト（ひずみゲージ付）

試験条件

常温、200℃
常温 /200℃サイクル（24 時間）No.GF300
厚さ：1.5mm
JIS 10K 50A RF
材質：SS400
シール面粗さ（Rz）：14.4μm（Ave.）
材質：SS400
寸法・本数：M16×4 本

２- １）時間経過に伴うガスケット面圧の低下
増締めの効果を定量的に評価するため、まず面圧の低下を測定した。Figure1に試験装置の概要図を示す。
試料とするガスケットをひずみゲージを取り付けたボルトで試験フランジに締結する。ひずみゲージにより測定されたボル
ト軸力と、ガスケットのシール面の面積から面圧を算出する。

Figure2

時間経過に伴う面圧の低下

結果をFigure2に示す。200℃およびサイクル条件では昇温や冷却に伴って面圧が低下することが分かる。昇温時の面圧低下については、高温ではガスケットの剛性が低下して塑性変形が進むことからボルトが緩み、軸力が低下したため
Figure1 フランジ締結体の面圧測定装置
7と考えられる。

技術論文

冷却時の面圧低下については、高温においてガスケットととコールドボルティングを比較すると、ホットボルティングによるフランジやボルトの線膨張係数の差から熱応力が生じ、ガス増締めを実施した場合の方が、増締め後の残留面圧が高くケットの圧縮永久ひずみが更に大きくなった状態から冷却さ保たれる結果となった。これは、コールドボルティングの場合れることでボルトが緩み、軸力が低下したためと考えられる。

はガスケットの剛性が比較的高い状態で増締めを行うため、再加熱後も温度を200℃で保持し続けた場合と比較して早く増締め後に再度昇温する過程で、初期の昇温時と同様に、面圧が低下していく結果となった。

ガスケットの剛性低下による塑性変形が生じるためと考えら

高温箇所で漏洩のリスクが高まることは経験則で知られてれる。一方、ホットボルティングによる増締めは高温で行われ、いるが、実験結果からもそれが裏付けされた。また、サイク

増締め作業時とその後でガスケットの剛性に変化が無いた

ル運転が行われた場合、冷却時に面圧が大きく低下し、再め面圧の低下が小さいと考えられる。

始動時に漏洩するリスクが高まるほか、定常運転を行った場合と比較して面圧が落ちやすいことが確認された。

ただし、ホットボルティングは剛性が低下した変形しやすい
状態のガスケットを締付けるため、過剰な締付けによるガスケットの破壊を招きやすい。いわゆる締めごたえも、常温で締付ける場合と比較して感じにくくなるため、トルク管理などを行

増締めには、所定温度に到達後、高温にて行うホットボル

うことを推奨する。また、２－１）
で示したように面圧が最も低ティングと、サイクル運転における冷却時に常温で行うコール

下するタイミングは冷却時であり、この時点でコールドボルティ

ドボルティングの2 種類がある。２－１）で示したサイクル運転

ングによる増締めを行うことは、再始動時の漏洩を防止する条件に対して、ホットボルティングとコールドボルティングによるという観点からは効果が高いと考えられる。

増締めをそれぞれ実施し、その効果を比較した。試験条件

Table2
試験温度
ガスケット
フランジ座寸法
フランジ仕様ボルト（ひずみゲージ付）
増締めタイミング

試験条件

200℃
No.GF300
厚さ：1.5mm
JIS 10K 50A RF
材質：SS400
シール面粗さ（Rz）：14.4μm（Ave.）
材質：SS400
寸法・本数：M16×4 本
ホットボルティング：
加熱 24 時間後（200℃）
コールドボルティング：
加熱 24 時間後冷却時（常温）

3. 増締めタイミングの違いによる影響
３- １）増締め実施温度の違いの影響
ホットボルティングによる増締めは所定温度到達後に実施されることが多いが、大口径の配管などでは所定温度に到達するまでに時間を要するため、待機時間が増加することになる。昇温中の増締めでもガスケット面圧が高く保持できれば、温度到達まで待つ必要がないため、施工時間が短縮でき、工事費が削減できると考えられる。ここでは昇温中に増締めを実施した場合のガスケット面圧挙動を確認した。試験条件をTable3に示す。目標温度を200℃とし、常温、100℃、150℃、200℃（所定温度到達直後）
にてそれぞれ増締めを実施した。常温での増締めは、ガスケットのクリープ緩和が安定すると考えられる、初期締結から24 時間経過後に実施した。試料ガスケットには、No.GF300と同じ高機能シートガス
ケットであるNo.MF300を用いた。
Table3
試験温度
ガスケット

Figure3 ホットボルティングとコールドボルティングの比較

フランジ座寸法
フランジ仕様

増締めを実施した場合、いずれの方法においても増締めを実施しない場合と比較して残留ガスケット面圧が高くなり、面圧を保持する効果が確認された。また、ホットボルティング

Summer 2015

をTable 2に、結果をFigure3に示す。

バルカー技術誌

２- ２）増締めの効果

ボルト（ひずみゲージ付）
増締めタイミング

増締め試験条件

200℃
No.MF300
厚さ：1.5mm
JIS 10K 50A RF
材質：SS400
シール面粗さ（Rz）：14.4μm（Ave.）
材質：SS400
寸法・本数：M16×4 本常温（締結後 24 時間）
100℃、150℃、200℃

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No.29

ガスケット締結体の面圧挙動と増締めの効果

Figure4に結果を示す。もっとも残留面圧が大きいのは所

残留面圧が大きかったのは、所定温度到達後、96 時間経過

定温度到達後に増締めを実施した場合であった。その他のしてから増締めを実施した場合であった。次点が 24 時間経

条件においては、増締めを実施した際の温度が高いほど残過後に増締めを実施した場合であり、増締め実施までの時

留面圧が大きい結果となった。より高温で実施するほど増締間が長いほど増締めの効果が高い結果となった。

めの効果が高いことがわかる。ホットボルティングとコールドボ

いずれの条件も増締め前後の温度変化は無いためガス

ルティングを比較した際と同様に、増締め温度が高いほど増ケットの剛性変化の影響は受けておらず、高温での保持時

締め前後のガスケットの剛性の変化が小さくなり、昇温による間のみが増締め効果に影響する要因である。この場合、面塑性変形が小さくなるためと考えられる。

圧の低下はガスケットがクリープによって厚さを漸減し、ボルトが緩むことで生じると考えられる。このとき、高温で長時間保持されたガスケットは、昇温直後のガスケットと比較してクリープ緩和による変形をより多く生じ厚みが薄くなっている。ガス
ケットの材質と試験温度が同等であれば一定時間で生じるク

バルカー技術誌

リープ緩和により生じるひずみも同等であるが、元の厚さが薄Summer 2015
No.29

ければ薄いほど同じひずみを生じた際のガスケット厚さの変化は小さくなり、ボルトの緩みも小さくなる。よって、高温でより長時間保持されてガスケットが薄くなっているほど、増締め
後のガスケットのクリープ緩和によるボルト軸力の低下が小さ
くなり、残留面圧が高く保たれるものと推測する。
Figure4

昇温中に実施した増締めの効果の比較

３- ２）所定温度到達後の保持時間の違いによる影響
所定温度到達から増締め実施までの経過時間の違いが、

4. おわりに長期にわたり、より確実に締結体のシールを維持する方法を示すことを目的に、フランジ締結体の模擬実験でガスケット

増締めの効果に影響を及ぼさなければ増締めのタイミングを

面圧低下の定量的な評価を行うとともに、ホットボルティングと自由に決定可能となる。ここでは前項と同様の試験方法によコールドボルティングの比較、昇温中の増締めにおける増締り、所定温度到達後に直ちに増締めを実施した場合、およめ実施温度や所定温度到達後の保持時間がガスケット面圧

び 24 時間後、96 時間後に実施した場合のガスケット面圧挙

挙動に与える影響を比較評価し、以下の結論を得た。

動を比較した。増締め実施タイミング以外の試験条件はTable3と同様である。結果をFigure5に示す。

・ガスケット面圧は昇温に伴い低下する。
・サイクル運転を行う場合、同じ温度での定常運転と比較して早く面圧が低下する。更に、冷却時に大きな面圧低下を生じる。
・ホットボルティングによる増締めは、コールドボルティングと比較して面圧を高く保持できる。
・昇温中の増締めは、できるだけ高温で実施することが望ましい。
・ 増締めは所定温度到達後、できるだけ遅いタイミングで実施する方が有効である。

Figure5

所定温度到達後に実施した増締めの効果の比較

増締めを実施する温度やタイミングがガスケット面圧挙動に及ぼす影響を、ガスケット締結体の模擬実験によって比較それぞれの増締め条件の効果を、増締め実施から100 時
間経過後時点での残留面圧の大小により比較した。もっとも9検討した結果を報告した。今後ともユーザーの抱える困難な課題の解決に貢献していく所存である。

技術論文

5. 参考文献

2）高 橋 聡美、野々垣 肇、森本吏一、バルカー技術誌、No.24, pp.2-4（2013）.

1）野々垣 肇、山邊 雅之、森本吏一、バルカー技術誌、

3）JIS B 2251
（Figure3 増締め効果の比較 2008）
フラン

No.20, pp.2-7（2011）.

ジ継手締付方法（Abstract）

Maintaining high gasket stress is very important for the long service life of gaskets. Stress relaxation and creep causedby the inﬂuence of time and temperature, reduces gasket stress. In this paper, for expanded PTFE gasket which is widelyused as a non-asbestos gasket, stress relaxation, creep are quantitatively evaluated, indicating more effective re-tightening
methods.
Keywords:（摘要）为使密封件能够长期使用，保持较高的表面压力是重要事项，但是垫片受时间和温度的影响会产生应力松弛和蠕变，使表面压力下降。本文以用途较广的无石棉垫片-膨体四氟垫片为例，通过试验定量评价表面压力下降和增加紧固的效果，介绍一种更有效的增加紧固的方法。

バルカー技術誌

stress relaxation, creep, non-asbestos gasket, re-tightening

Summer 2015关键词：应力松弛，蠕变，无石棉垫片，增加紧固

No.29
栗原 和也
ソリューション開発部

10

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
1. はじめに
近年の実験的研究により、ガスケットを含む管フランジ締結

バルカー技術誌

Summer 2015
No.29

体のシール性や緩和のメカニズムが明らかになりつつある。
しかしながら、管フランジ締結体は圧力レート、呼び径、内圧力、温度、フランジ形状、締結体材料など非常に多岐にわたる使用条件があり、それら全てに対して実験アプローチを行うためには莫大な費用と時間が必要になる。そのため、計算アプローチによる管フランジ締結体評価手法が望まれている。特に、プラントの安全操業、環境への影響がますます重要と考えられる近年では、締結体の長期特性を予測する手法を構築することが必要となっている。

Figure1

長期特性予測概要

3. 有限要素解析
3-1）解析方法

本報では、有限要素解析を用いたガスケットを含む管フラ

汎用有限要素解析コードABAQUSを用い、締結体におンジ締結体の長期特性予測手法を紹介する。熱サイクルやけるガスケット面圧挙動を予測する。ここではJIS 10K 600A

増締めなど、非定常な条件を対象に、実験によって取得した

RF 管フランジ締結体に200℃、内圧 1MPaの流体を作動さ

ガスケットの基礎特性を用いて有限要素解析によって長期的せた場合の例で示す。Figure2に有限要素モデルを示す。

な評価を行う。

締結体を軸対称体と仮定し、軸方向の対称性も考慮している。ボルトは周方向に連続的に存在するモデルとなり、実機

2. 長期特性予測概要と異なるため、ボルトモデルのヤング率と密度は実機とモデル

Figure1に長期特性予測手法の概要を示す。ガスケット

ルトは軸対称 4 節点伝熱弾性要素を用い、線形弾性体としのシール性はガスケット面圧に依存し、一定のガスケット面圧てモデル化した。ガスケットは軸対称4 節点伝熱弾塑性要素

以下になると漏れが生じるという考えに基づき、有限要素解を用い、応力－ひずみ関係の非線形特性と負荷－除荷曲線

析を用いてガスケット面圧挙動を予測する。ガスケット面圧はのヒステリシス特性、温度依存性、粘性を入力している。用

内圧力、温度、時間によって低下するが、有限要素解析でいた材料特性をTable1に示す。ガスケットの圧縮特性は

はそれらの影響も考慮する。

Figure3を用いる。高温時には剛性が低下する温度依存性の断面積の割合から換算した値を用いている。フランジ、ボ

ここではガスケットをNo.GF300 厚さ3.0mm、流体温度を考慮している。Figure4に示す線膨張係数も温度依存性

200℃とした場合を例として検討する。No.GF300は耐薬品を考慮し、Figure5に示すクリープは応力依存性を考慮して性、耐熱性が非常に優れており、石綿ガスケットの代替品といる。

してすでに広く使用されている。構成材料の耐熱性が高いこFigure6の境界条件に示すように、締付け時には呼びガとから上限温度 300℃以下では材料劣化がなく、短期的なスケット面圧に相当するボルト応力をボルトモデル下端部に与評価から精度の高い長期的な予測が可能であると考える。

え、締付け完了時には軸方向に拘束する。ここでは軸対称モデルを用いているため、複数のボルトを同時に締付ける条件となる。運転時の内部流体の影響は管内部に内圧と温度

11

技術論文

を与えることで再現している。本来、管断面に負荷されるスラ
スト力は管モデル断面に相当する力を負荷して再現している。締付け時には定常問題として扱い、締付け後の運転時には非定常問題とし、運転開始による加熱、時間の影響を考慮した評価を行った。
締結体条件として、フランジ及びボルト材料はSS400、ガ
スケットはNo.GF300とする。初期ガスケット面圧を35MPaとし、温度 200℃、内圧 1MPaの流体を作動させる場合を予測

Figure3 ガスケットの応力－ひずみ関係する。
運転条件として以下の4 種類の場合の挙動を予測した。
◦基本条件
基本条件では締付け後、運転開始による内部流体の加バルカー技術誌

熱と内圧が作用され、温度が一定となった後は外力がな
い条件◦増締め条件
運転開始 1日後に初期ガスケット面圧に相当する締付けを行う条件

Figure4 ガスケットの線膨張係数◦運転サイクル条件

Summer 2015

1 年毎に内部流体による内圧と温度の作用を停止し、1日後に再運転する条件◦運転サイクル+ 増締め条件
運転開始 1日後に初期ガスケット面圧に相当する締付けを行い、その後 1 年毎に内部流体による内圧と温度の作用を停止し、1日後に再運転する条件

Figure5 ガスケットのクリープ特性

No.293-2）解析の妥当性確認
解析手法の妥当性を確認するため、”ガスケット締結体のTable1

材料特性

特性

フランジ

ボルト

ガスケット

ヤング率［GPa］

200

37

Fig.3

ポアソン比

0.3

0.3

0.46

線膨張係数［/℃］

11.8×10-6

11.8×10-6Fig.4

熱伝導率［W/m・K］

5160

5160

25

比熱［J/kg・K］

500

500

1000

密度［kg/m3］

7800

1923

2500

クリープ

Figure6

境界条件

Fig.5

Figure7

解析手法の妥当性確認

面圧挙動と増締めの効果”（本誌 7～10 ページ記載）の実験
Figure2

有限要素モデル値と比較した結果をFigure7に示す。ボルト締付け完了後に12

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

加熱、熱サイクル、ホットボルティング条件としている。全ての条件において、実験結果と解析結果は比較的よく一致しており、本解析手法の妥当性が確認できている。

4. 長期特性予測
Figure8に有限要素解析から得られたガスケット面圧挙動を示す。また、同図にはシール限界面圧も併記している。この値を下回った場合に漏れが発生する。なお、各条件デー
タは見やすくするためにデータを0.03 年ずつ横軸方向にずら

Figure8

長期特性予測して記載している。
基本条件、増締め条件ではガスケット面圧は十分な大きさ

バルカー技術誌

Summer 2015
No.29を維持するが、運転サイクル条件では運転停止時にガスケッ
ト面圧は大きく低下することがわかる。加えて、サイクルを重ねるごとに面圧も低下している。これは、ガスケット交換を行わない場合でも定修を繰り返すことで漏れのリスクが高くなることを示す。それに対し、運転サイクル条件でも増締めを行った場合は運転停止時にも大きなガスケット応力を維持している。運転サイクル条件における漏れのリスクに対し、増締めが有効であることがわかる。

Figure9 ボルトとガスケットの荷重とひずみ

基本条件の場合、初期に35MPa から約 23MPaまで面圧は大きく低下し、その後は緩やかに低下していることがわかすることで各部材が熱収縮を起こす。ガスケットは高温時のる。解析結果から考察した結果、初期の大きな面圧低下は剛性低下によって大きく圧縮塑性変形している上に更に熱運転開始直後の温度変化（昇温）時に生じたものとわかっ収縮する。その際に、延伸されていたボルトは収縮するためた。初期（ガスケット面圧が高い条件）にガスケットクリープが締結力が低下し、ガスケット面圧も大きく低下する。再運転顕著であることに加え、温度変化時には各部材の熱膨張、時、再び加熱されることで各部材は膨張し、運転停止前より

ガスケットの剛性低下の影響がある。特にふっ素樹脂ガスケッ

も小さい値で面圧挙動は安定する。またFigure8より、サイトでは剛性低下によって、ガスケット厚さは小さくなり面圧は大クル毎に面圧も低下していることもわかる。

きく低下する。ガスケットひずみが大きくなることでボルト締結

運転サイクル+ 増締め条件の場合、運転停止時でも面圧力が低下する現象をFigure9の締結線図に示す。ガスケット

は約 10MPaとなっており、増締めによって ガスケット面圧保

ひずみδg が増加することで、延伸されていたボルトが収縮持が改善できている。

（δbの減少）し、締結力が低下する。ガスケットクリープによ以上の結果より、運転開始直後や運転サイクル時の温度

る締結力低下も同様の現象である。温度安定後はガスケット

変化時に締結体におけるガスケット面圧の変動が大きいこと

クリープによる影響だけとなり、面圧低下は緩やかになる。

がわかった。また、増締めによってガスケット面圧を増加させ、増締め条件の場合、増締め後の面圧低下勾配は基本条

漏れのリスクを改善できることがわかった。

件に比べて若干大きいものの、基本条件よりも大きな面圧を保持し続ける。増締め後は温度変化がなく、ガスケットクリー
プだけの影響を受けるため、初期締付時のような大きな面圧

5. 長期特性予測を使って低下がない。基本条件に比べて低下勾配が大きいのはガス

上記の長期特性予測手法を用い、Figure10に示すアプ

ケットクリープに応力依存性があり、応力が大きいほうがク

ローチによって適切な施工条件の検討ができる。使用条件を

リープは顕著であるためである。

入力し、次回定修までの漏れ有無の予測が可能となる。仮運転サイクル条件の場合、運転停止－再運転時に面圧がに、漏えいが生じると予測された場合でも、増締めや初期締大きく低下していることがわかる。運転停止時に温度が低下

付力の改善案も検討できることがこの予測手法の長所であ

13

技術論文

Table2

使用条件

フランジ寸法・形状・材料
締結体条件

ボルト寸法・形状・材料・数
ガスケット寸法・材料
流体温度

運転条件

流体圧力
使用期間

施工条件

初期締付力
増締め条件

6. おわりに
Figure10

施工条件の検討アプローチ

実績に代わる信頼性評価方法として、当社独自の取り組みであるFEM解析技術を用いた管フランジ締結体の長期特る。
り、ユーザー、使用箇所によって非常に多岐にわたる。このした場合を例として紹介したが、他のふっ素樹脂ガスケットにような条件に対して、実験による対応では膨大な費用と時間も適用が可能である。この手法によって、次回定修までの漏が必要となる。しかしながら、有限要素解析では基礎データ

れ有無の評価、その場合の改善の検討が可能になる。これさえあれば、コンピューターへの入力条件を変更することでまで不明瞭であった数年後の予測を行うことで、プラントの安比較的簡便に対応ができる。加えて、高温や極低温、高圧、

全安心操業のための有効なデータとなる。弊社では高機能

大口径、長期間など、実験では再現困難な条件でも有限要

なシール製品を提供すると共に、このような技術アプローチも素解析では対応可能であり、非常に有用であると言える。

行うことで、総合的にシールを提供していきたいと考える。

（Abstract）
This paper introduced a long-term characteristic evaluation method of pipe ﬂange joints using FEM simulation technology

Summer 2015

性評価手法を紹介した。ここではNo.GF300ガスケットを使用

バルカー技術誌

また、ガスケットの使用条件はTable2に示すように多数あas reliable evaluation method to replace the experience based evaluation. To evaluate the possibility of leakage fromgasket part before maintenance or to propose solution or improvement to prevent potential leakage are possible by thistechnology. Comparing with previous unclear method using track record, new method provides effective data for safety andsecurity operations of the plant.
Keywords:
pipe ﬂange joints, FEM, gasket（摘要）介绍一种替代实绩的可靠性评价方法-FEM（有限元）解析技术用于管法兰连接体的长期可靠性评价。应用此法可以检测定期
修理前垫片部位的有无泄漏，以及可以进行泄漏后的改善对策探讨。使几年后的预测工作明瞭化，并可取得化工装置安全安心作业的有效数据。
关键词：
FEM（有限元），法兰连接体，垫片

佐藤 広嗣
研究開発本部
開発部 開発グループ
14

No.29

高機能シートガスケットの紹介と使い分け

1. はじめにバルカー技術誌

Summer 2015
No.29

で、事故リスク軽減や管理コスト低減の観点から、ガスケット

ガスケットは、化学、石油精製、製紙、繊維などのプランの装着間違いや選定不良を回避するため、使い分けられてトやプラント関連機器、造船、住宅設備、自動車等各種産いるガスケットの種類を“統合化”する動きが顕在化している。

業に使用されている密封部材である。ガスケットの機能として本報では、主として300℃以下の領域に幅広く使用されておは流体の漏れを防止することであるが、漏れによる経済損失

り“、ガスケットの統合化”に効果的な高機能シートガスケットをを防ぐとともに、プラントを安全に操業する上で欠かせない重紹介するとともに、効果的な使い分けについても一例を示

要部材である。

す。

ガスケットを構成する材料は、ゴム、樹脂、繊維、充填材、金属と多岐にわたり、使用される流体や温度、圧力ばかりでなく、フランジの強度、交換頻度などの多様性に合わせて、各種ガスケットが開発、販売され、使用されてきた。とりわけ、

2. 高機能シートガスケットの紹介
２- １）ブラックハイパー ®No.GF300

石綿繊維を対象とした2004 年の労働安全衛生法施行令の石綿ジョイントシートの代替を目的とし、2003 年 12月に販売改正と2005 年の健康被害に関する報道を受けて、石綿を使を開始したシートガスケットである６,７）。バインダーとしてPTFE

用したガスケットを他の製品に代替する“非石綿化”の動きがを配合しており、微細に分散させ効率的に機能させることに活発化し、結果として、多くのガスケットが使用されるように

より、シール性と高温応力緩和特性を高い次元で両立したなった１,２,３）。特に、石綿ジョイントシートはその汎用性の高さ製品である。最高使用温度を300℃とし、その高温特性かから使われている流体や環境も様々であり、これを代替する

ら、蒸気などユーティリティ配管や機器用途を中心に使用さために何種類ものガスケットを使い分ける必要があった。結れている。販売開始後十余年が経過し、多くの実績がその果として、ガスケットの選定や施工の管理面で煩雑さを強い

信頼性を物語っている。

ることとなった。
また、石綿に関する規制が強化される以前から、ふっ素
樹脂が、その耐薬品性の高さから、化学薬品など腐食性の2-2）ユニバーサルハイパー ®No.UF300
No.GF300の高温特性を生かしながら、耐薬品性を飛躍

高い流体の製造プロセス配管に多く使用されていた。ここでTable1も腐食性の種別や温度などの条件に合わせて、ふっ素樹脂のみで構成されたふっ素樹脂シート、無機充填材を混合した充填材入りふっ素樹脂圧延シート、ジョイントシートと複合化したふっ素樹脂ジャケットガスケットなどを使い分ける必要が

分類
アルカリ

あった。

No.UF300 浸漬試験結果
浸漬条件
重量減少率
（168時間） （%）

流体
水酸化ナトリウム50%

炭酸ナトリウム

20%

100℃

0

200℃

1

100℃

0

100℃

0

200℃

0

硫酸

98%

塩酸

35%

100℃

0

喫緊の課題となりつつある。高度経済成長期を経た保全技

硝酸

65%

100℃

0

りん酸

85%

100℃

0

術者の離職が進み、後継者育成の必要性に迫られるなか、

ふっ酸

55%

常温

0

トルエン

100%

常温

0

近年、製造業を取り巻く経済環境は依然、厳しい状況にあるが、プラントを操業する上では保全技術の維持、継続が業界団体では対策に乗り出している４,５）。このような環境下
15

酸

溶剤

製品の紹介Table2
業種

化学

流体

温度

水酸化ナトリウム25%

－

ふっ酸

－

硝酸

60℃

ガスケットの内径端面は流体と接触しており、流速が高い、150℃

スラリー状あるいは高粘度の流体の場合、ガスケットを侵食－することがある。流体全体量からみてガスケットのパーティクル

硫酸、水酸化ナトリウム
次亜塩素酸ナトリウム
塩酸、水酸化ナトリウム
次亜塩素酸ナトリウム
青酸
硫酸 75%
水酸化ナトリウム24%
エチレングリコール

製紙

80℃
90℃
－

水酸化ナトリウム22%

100℃

黒液

160℃

３- ２）汚染性（欠損粒子）
はきわめて少量であるが、黒色のガスケットを使用した場合、流体に細かな黒色異物が混じることとなる。このような事例を避けるために、白色系のガスケットを選定することがある。

緑液

90℃

白液

90℃

亜硫酸＋亜硫酸マグネシウム

140℃

ガスケットはフランジ間に装着し、ボルトを締付けることによ

硫酸 30%

60℃

硫酸混合蒸気（硫酸 0.5%）

190℃

りシール材として機能を果たすことになるが、寸法、ボルト材

３- ３）締付環境

質、締付工具、あるいは、フランジ周辺に工具を取り回すだ
けの十分な空間があるかどうかなどの条件により、負荷され化ナトリウム（苛性ソーダ）などの強アルカリと、硫酸や塩酸、る締付面圧は大きく変動する。規格フランジの場合、口径が硝酸といった強酸のいずれにも優れた耐性を有しており、か大きくなるにつれて締付面圧は低くなる傾向にあり、また、樹つ、高温特性も兼ね備えた、汎用性の高いガスケットである。

脂ライニング、グラスライニングフランジではその強度が問題

これにより、高温の酸とアルカリが共存するプラントにおいてガとなり、締付面圧を低くせざるを得ない。

スケットの統合化を可能とする。2013 年 7月に販売を開始し、締付面圧が低くなればガスケットからの漏れも大きくなるこ

二ヵ年が経過した現時点では、Table2に示すように、化学とから、締付環境に合わせてガスケットを選定する必要があ

メーカーや製紙メーカーを中心に実績が蓄積しつつある。

る。

２- ３）ホワイトハイパー ®No.SF300
黒色材料や着色剤を使用していない白色のシートガスケッ
トであり、流体への黒色異物の混入を嫌う箇所に適してい10）る 。高温特性等はNo.GF300と同等である。

4. ガスケットの使い分けと統合化

No.29

使用条件に合わせてガスケットは選定されているが、指針のひとつとして当社で案内している選定基準を紹介する。なお、これは新設、増設プラントにガスケットを選定する際の指２- ４）ブライトハイパー ®№ MF300

針であり、各ユーザーが実績や評価を経て使用されている

No.SF300と同様に白色のシートガスケットであり、かつ、耐酸性、耐アルカリ性を有することが特長である11, 12）。高温の強アルカリを除く各種流体に適用することができる。

3. ガスケットを選定する条件
３- １）流体
ガスケットを選定する上で、第一条件となるものが流体に関する情報であり、流体の腐食性、温度、圧力を元にガスケットを選定することとなる。一般的には、腐食性の強い流体にはふっ素樹脂系シートガスケット、温度あるいは圧力が高い場合はうず巻形ガスケットやメタルジャケットガスケットなどのセミメタリックガスケットかリングジョイントガスケットなどのメタル

Summer 2015

的に向上させた製品である８,９）。Table1に示すように、水酸

バルカー技術誌

機器

ガスケットを選定することが多い。

No.UF300 採用状況
（抜粋）

Figure1 用途別代表製品の選定基準
16

高機能シートガスケットの紹介と使い分け

ガスケットに影響を与えるものではない。

5. おわりに

300℃以下の温度領域に対して、石綿規制が強化される
以前は石綿ジョイントシートが主に使われていたが、規制強顧客の使用環境に適合した製品を提供することを責務と化を受けて、非石綿のジョイントシート（ノンアス®ジョイントシー

して、使用環境に合わせた製品を多数開発してきたが、そト）、充填材入りふっ素樹脂圧延シート（バルカロン®）、高機の結果として、複数のガスケットを使い分ける煩雑さを生ん

能シートガスケット、膨張黒鉛シート、うず巻形ガスケットなどだ。プラントの安定、安全操業を図る上で、実績を重視しこ

様々な製品が使われるようになった。汎用性の高い一つの製れまで使用していたガスケットを使い続けるのも一策ではある品から多数の製品への代替は、管理面で煩雑さを生んだ。

が、ここ数年、保全作業員の施工ミスを防ぐ予防安全（アク

これを解消するソリューションとして、高機能シートガスケッ

ティブセーフティ）の一つとして、ガスケットの統合化を検討す

トの活用を提案する。ユニバーサルハイパー®No.UF300は、る事象も顕在化した。ガスケットメーカーとして、用途と時代

優れた耐薬品性と高温特性を併せ持つことから、プロセスに適合した製品を供給し続けることにより、顧客各位の保全

配管全般に適用することができる。ユーティリティ配管にも適技術維持向上に貢献できるよう邁進する次第である。

バルカー技術誌用できることから、300℃以下の用途全般を
“統合化”
すること
ができる。また、No.GF300の長期使用実績があるプラントで6. 参考文献は、ユーティリティを中心にNo.GF300、シビアプロセスを中心に№ UF300を適用することも有効である。なお、付帯条件と

1）朝 比 奈 稔、岡田勝 志、バルブ技 法、No.56, pp.70-78

し て、 白 色 が 必 要 な 場 合 に はNo.SF300あ る い は（2006）.

No.MF300、締付面圧が低い場合はふっ素樹脂ジャケットガ

2）西田隆仁、黒河真也他、最新 シーリングテクノロジー

Summer 2015

スケットNo.N7030を選定する。

－密封・漏れの解析とトラブル対策－, pp.81-87（2010）.
3）黒河真也、西田隆仁、配管技術 , pp.68-71（2011）.
4）化学業界一体で対応

事故防止へ検討会、日刊工業

新聞、（2012.11.8）
5）石化協保安トップ懇談会開催、化学工業日報、（2012.11.29）
6）
山中幸、検査技術 , pp.50-54（2008）.

No.297）小池真二、バルカー技術誌、No.22, pp.17-22（2012）.
8）黒河真也、バルカー技術誌、No.25, pp.18-21（2013）.
9）黒河真也、西田隆仁、配管技術 , pp.77-81（2014）.
10）小池真二、バルカー技術誌、No.15, pp.12-14（2008）.
11）出口聡美、プラントエンジニア、No.1, pp.24-29（2011）.
12）小池真二、バルカー技術誌、No.20, pp.12-15（2011）.
Figure2

300℃以下におけるガスケット統合化の提案（Abstract）
Various gaskets are used for plants according to the location environment. Compressed asbestos ﬁber sheet was shifted tovarious alternate products because of stopping manufacturing compressed asbestos ﬁber sheet. This paper introduced theline-up of high performance sheet and proposed the gasket integration for less than 300℃.
Keywords:
high performance sheet, gasket integration

17

製品の紹介（摘要）
化工装置中使用到的垫片种类因顾客的使用环境不同而多种多样。特别是伴随着石棉密封压缩板的停产，出现了各种各样的
替代品。本文在介绍高机能板材产品线的同时，针对300℃以下的领域提出垫片整合方案。
关键词：
高机能板材、整合

黒河 真也
バルカー技術誌

研究開発本部
開発部 開発グループ

Summer 2015
No.29

18

ジョイントシートガスケット付き
管フランジ締結体の密封特性について
1. はじめに
圧力設備の配管接続部に多用されるガスケット付き管フランジ締結体には、長い間石綿系ガスケットが使用されてきた。
しかし、平成 17 年夏ごろに発覚した石綿被害と環境問題から、平成 20 年 11月の労働安全衛生施行令等改正以降、代替品として非石綿ガスケットが使用されている１）。非石綿ガスケット使用が先行した欧米では、ふっ素樹脂系（PTFE）
ガス
ケットの吹き抜けなどによる漏洩事故が発生した２）。このような事故は、石綿ガスケットと非石綿ガスケットの特性の差異に

バルカー技術誌

Summer 2015
No.29

対する知見の欠如によるものと考えられる。このため最近使用されるようになった非石綿ガスケット付き管フランジ締結体の密封性能が従来使用されていた石綿ガスケット付き管フランジ締結体のそれに対して良好なのか劣っているのかを調３）べる必要がある 。これが本報の第一の目的である。なおこ
こでは締結体の各ボルトの初期締付力を同一で行う。
このためガスケット単体での応力―ひずみ線図のほかに

Figure1

JIS B2490に基づく基本密封特性試験の模式図

方法を示す。内部媒体はヘリウムガスを用い、漏洩量L を石
けん膜流量計を用いて測定する。
基本漏洩量L s は、基本密封特性試験で測定された漏洩
量L を用いて、寸法比を考慮して求める。得られた応力－変JIS B2490 による密封性能試験によりガスケット単体での密形線図及び基本漏洩量特性の関係を用いて計算により管フ

封性能比較及び実際の管フランジ締結体に石綿および非石ランジ締結体のガスケット接触応力分布から管フランジ締結

綿ジョイントシートガスケットを挿入し締結体の密封性能を比

体の漏洩量評価を行う。

４）

Figure2はジョイントシートガスケット（CSG）を用いた管フラ

較する。
第二の目的はボルト初期締付力のばらつきが密封性能にンジ締結体の密封試験の模式図を示す。試験に用いた管フ

及ぼす影響 5）を調べることである。ボルト初期締付の２つのランジの材質はステンレス鋼、SUS304であり、呼び径、呼びにより締付け、ばらつきの圧力はそれぞれ ASME 規格の3インチ、クラス600である。

程度を明らかにし、更にばらついたボルト初期締付力で締結締結用のボルトの材質はSUS304、呼び径はM20、ボルト本

6）7）

方法（ASME 法および JIS 法）

されたジョイントシート付き管フランジ締結体の漏洩特性を調数N は8 本である。各ボルト軸部の２枚のひずみゲージによべる。米国 PVRC（Pressure Vessel Research Council, 圧

り、内圧作用時のボルト軸力の変化を測定する。内部流体力容器研究委員会）のBFC（Bolted Flanged Connection

はヘリウムガスを用いた。内圧はひずみゲージ式圧力変換器

Committee, ボルトフランジ締結体委員会）がボルト初期締付力のばらつきを補正するための係数、すなわちボルト初期締付力基準締付効率ηを提案している8）。本報では漏洩量基準の新たな締付係数（Assembly Efficiency）を述べ、許
容漏洩量を満足するボルト初期締付力の設定法を示す。

2. ジョイントシートガスケット（CSG）の力学特性評価と管フランジ締結体の基本漏洩量
まず非石綿ジョイントシートガスケット（以下、CSGと表す
る。）単体の密封性能試験を行う。使用するガスケットの寸法
は、内径 88.9mm、外径 149.4mm、厚さ1.5mmである。JIS
B2490の基本密封特性試験４）に基づいてガスケットの応力－
変形特線図を作成後、漏洩量を測定した。Figure1は試験
19

Figure23インチ管フランジ締結体の密封試験の概略図

寄稿

により、漏洩量は圧力降下法により測定する。

いる。これは、
Figure2に示すように非石綿CSGは石綿CSGに比べて若干ではあるが除荷（復元）時の直線の傾き（縦弾２-1）ガスケットの力学的特性（応力 - 変形の関係）
Figure3は測定されたCSG単体の応力－変位の関係を示
9）性係数）がより小さい。ばらつきはあるが、使用した非石綿CSGではある点での傾き（縦弾性係数）は4.4Gpaであり、石す。石綿 CSGについては小林らの結果 を参照した。除荷綿 CSGのそれは5.6Gpaであった。傾きがより小さい非石綿過程での石綿 CSGと非石綿 CSGの縦弾性係数は、わずか

CSGを用いた締結体の密封性能は石綿CSGのそれより良好ではあるが非石綿 CSGのほうが小さい。

と推測される。
２-3）内圧を受ける管フランジ締結体の力学関係と漏洩量推定法
Figure5は管フランジ締結体の力学関係を示し、一般的にN 本のボルト・ナットでボルト初期締付力F f で均一に締付けより管端面には軸方向引張り力W が発生し、各ボルトにはボ
ルト軸力はF t だけ増加し、F f +F t となる。ガスケット接触面には力F c が減少し
（ボルト１本あたり）、F f −F cとなる。この時、
φ＝F t /（W /N ）の値を内力係数と呼ぶ。接触面から失われる力F c =（１−φ）
×（W /N ）となる。内力係数の値が大きけれ
Figure3中の傾きをより小さくすることである。Figure5の場

Figure3

CSG（ジョイントシートガスケット）
単体の応力 - 変位線図
（JIS B2490に準拠して測定）

合の石綿CSG及び非石綿CSGを用いた管フランジ締結体の密封性能及びガスケット接触応力分布を弾性論と三次元有限要素法（FEM）
により解析する3）。ガスケット付き管フランジ２-2）CSG（ジョイントシートガスケット）の基本漏洩量

締結体の漏洩量は、計算で求めるガスケット接触応力分布よFigure4は、
JIS B2490 ４）で得られたCSGのガスケットの厚り推定する。ガスケット接触面を円周方向に分割し、各部分

み方向の変形量δとガスケット単体の基本漏洩量L s の関係をの平均ガスケット接触応力と基本密封特性試験結果 4）より得示す。非石綿 CSGは石綿 CSGに比べて、同じ変形量δのられるガスケット接触応力と漏洩量の関係（Figure4）を用い場合には基本漏洩量L s がより小さく、密封性能がより優れてて各部分の漏洩量を推定する。各部分の漏洩量の総和より
管フランジ締結体の漏洩量とする。解析の詳細は文献３）を参照願いたい。

Figure4 C
 SG（ジョイントシートガスケット）の基本漏洩量とガスケット変形量の関係（測定値）

Summer 2015

ば、F c の値が小さくなり密封性能は向上する。このためには

バルカー技術誌られた締結体に内圧P が作用した状態を示す。内圧作用に

Figure5

内圧が作用する管フランジ締結体の力学関係
20

No.29

ジョイントシートガスケット付き管フランジ締結体の密封特性について

Table1
手順

締付方法

仮締付け
（インストール）

本締付け
増締め

ボルトを手で軽く締付ける。その後４本ないし８本のボルトを選び、対角締付けにより締付トルクを漸増させ、数巡で目標締付トルクの100％に近い
締付トルクを与える。同時にフランジ面間距離を均等にする。
（ボルト本数が 8 本以下の場合は全ボルトを上記の方法で締付ける）
目標締付トルクの100%で、時計回りに規定周回（フランジ呼び径が 10インチ以上は6 回、10イン
チ未満は4 回）締付ける。
必要ならば、4 時間以上経過後に本締付けと同様の方法で1 周ないし2 周締付ける。

Table2
手順

バルカー技術誌

Summer 2015
No.29

Figure6 管
 フランジ締結体の漏洩量推定結果及び漏洩量測定
結果２-4）締結体の漏洩量

ASME PCC-1 の締付手順
締付方法

仮締付け

手で軽く
（15-30Nm) 締付ける
（目標値の20％を超えてはならない）

１周目

対角上に目標締付トルクの20-30％で締付ける

２周目

対角上に目標締付トルクの50-70％で締付ける

3 周目

対角上に目標締付トルクの100％で締付ける

Figure6はCSG 付き管フランジ締結体（Figure2）の漏洩

4 周目

量 推 定 結 果 及び 漏 洩 量 測 定 実 験 の 実 験 結 果を示 す

5 周目（P =3MPaの場合）。縦軸は漏洩量 L を、横軸はボルト初期

JIS B 2251 の締付手順

時計回りに目標締付トルクの100％でナットが回転しなくなるまで締続ける
４時間以上経過した後、4 周目と同様の方法で締続ける

締付時の平均ガスケット接触応力σzmを示す。密封性能は常小口径（3”）及び大口径（20”）
ガスケット付き管フランジ締温の場合であるが、非石綿 CSGを用いた締結体（▲印）の結体を用いてトルクレンチによるボルト・ナットを締付け（トルク

漏洩量は従来の石綿 CSGを用いた締結体（■印）のそれと法）、ボルト初期締付力のばらつき測定及び管フランジ締結

少なくとも同等以上の密封性能（計算値）
を有することが示さ

体からの漏洩量測定実験を行う。実験により得られた各段れている。推定結果（▲印）は実験結果（●印、非石綿）とも

階のボルト軸力を有限要素応力解析に用い、最終的ガスケッ

かなりよく一致している。

ト接触応力分布を求め、漏洩量を推定する。

3. ボルト初期締付力のばらつきが管フランジ
締結体の密封性能に及ぼす影響

３-1）締付時のボルト軸力変動及び漏洩量測定実験
Figure7は非石綿 CSG 付き２０”管フランジ締結体の寸法

Figure5に示したようにN 本のボルト・ナットで締結する管フと写真を示す（フランジ外径 775mm）。非石綿 CSG 付き20”

ランジ締結体はトルクレンチにより、JIS B 2251に規定されて管フランジ締結体（ボルト本数 N=24）とFigure2に示した３”6）

7）

いる方法 とボルトを対角に締付けるASME PCC-１ が考え6）られる。Table1はJIS 法の締 付 方 法 を示し、Table2は
7）

ASME 法 を示す。ここでの目的は、1）締付手順（JIS B
6）7）2251 及び ASME PCC-1 ）及び管フランジ呼び径（3”（小管フランジ締結体（N=8）
に対してボルト初期締付時のボルト
軸力測定及びヘリウムガスを用いた漏洩量測定実験を行う。
各締付段階のボルト軸力は軸部に貼られたひずみゲージにより測定する。管フランジ締結体のボルト1 本当たりのボルト初口径）及び 20”（大口径））の差異がボルト初期締付力のばら

期締付力F f は、ボルト初期締付時の平均ガスケット接触応つきに及ぼす影響、2）締付手順（JIS B 2251 及び ASME

力σg とガスケット- 管フランジ接触面の面積A gとの積をボルト

PCC-1）及び管フランジ呼び径の差異が管フランジ締結体の本数N で除した値とする（F f =σg×A g /N ）。目標とするボルト

密封性能に及ぼす影響、3）有限要素法（FEM）解析による締付トルクT はトルク係数k 、ボルト初期締付力F f 、ボルトのボルト初期締付力のばらつきが管フランジ締結体のガスケット

呼び径d を用いて、T ＝k ×F f×d により算出する。なおトルク

接触応力分布に及ぼす影響などを調べ、4）漏洩量基準の係数 kはボルト・ナットにより、管フランジの1 本のボルト穴周

5）

締付効率η を示すこと、である。
21

辺をアナロジーした一対の中空円筒（3”管フランジ用：内径寄稿

バルカー技術誌

Figure7 ２０インチ管フランジ締結体の写真（ボルト呼び径 M33、ボルト本数 N＝24、管内径φ476、フランジ
外径φ775）22mm×外径 42mm 及び高さ40mm、20”
管フランジ用：内Summer 2015

径35mm×外径60mm及び高さ65mm）を締付ける実験により予め測定した。この結果、小口径（3”）管フランジのトルク係
数はk =0.16、大口径（20”）管フランジはk＝0.13となった。管
フランジ、ナット座面及びボルト・ナットねじ山の各接触面には潤滑剤として速乾性の二硫化モリブデンを塗布している。
管フランジ締結体の密封性能（漏洩量）
を評価するために、PVRCより提案されているタイトネスパラメータT P 10）を用い

No.29

る。T P の値が大きいほど漏洩量が少なく密封性能が良いことを示している。
Figure8３-2）実験結果
Figure8は大口径（20”）管フランジ締結体に対して、ボルJIS 法 6）および ASME 法 7）によるボルト締付過程におけるボルト軸力変動の測定結果（２０“管フランジ締結体）

ト初期締付時の平均ガスケット接触応力σzm が 60MPaとなる

Pass6を4 周目（Round4）とし、Pass6の結果のみを示していように目標締付トルクを設定した場合の、各ボルト締付段階でる。同様に増締め（Pass7、Pass8）についても、Pass8の結のボルト軸力変動の測定結果を示す。Figure8（a）
はJIS法、

果を5 周目（Round5）として示す。図中の一点鎖線は締付完

Figure8（b）
はASME 法である。1 本あたりの目標ボルト初了時の全ボルト軸力の平均値（Average bolt preload）
を示

期締付力F f は159.0kN（F f =T /kd ）である。縦軸はボルト1し、破線は目標ボルト軸力（Target bolt preload）を示す。２本あたりの各段階でのボルト軸力F を示し、横軸はボルト締つの手順（JIS 法および ASME 法）
とも、ボルト締付完了時の付手順の各段階を示している。ASME PCC -1 では各段階

全ボルト軸力は、ばらつきが生じている。さらに締付完了時

7）

を仮締付け
（Round0）、１周目（Round1）、2 周目（Round2）の全ボルトの平均ボルト軸力が目標ボルト軸力に達していなとしており5 周目（Round5）で完了である。JIS B 22516）ではいことが示されている。ボルト軸力の最大値と最小値の差締付手順を大きく、仮締付け、本締付けおよび増締めの三は、JIS法では約40kN（25%）
、
ASME法では約33kN（21%）

段階としている。ASME PCC-1 との比較のため、仮締付けであった。ASME 法の方が JIS 法に比べ、ばらつきがより小（Round0）、本締付けにおいて管フランジ締結体を一周締

さいが、この差異は極めて小さい。両締付方法が締結体の付けるごとにPass1、Pass2とする。また、Pass 4、Pass5、ボルト初期締付力のばらつきに及ぼす影響は小さい。更に

7）22

ジョイントシートガスケット付き管フランジ締結体の密封特性について

両結果の比較から、JIS 法による締付けの方が、ボルト軸力

周 回 数 が 少 ないため、Figure9の 横 軸 はRound0 からの収束性が良い。ボルト締付けの周回数はJIS 法がより少な

Round3までを仮締付けとしRound4を本締付け、Round5をく、締付所要時間もより短く効率的である。

増締めとする。ボルト締付完了時のボルト軸力の最小値に対６）

Figure9はJIS B 2251 による小口径（3”）管フランジ締結

する、ボルト軸力の最大値と最小値の差の割合は、それぞ体（Figure9（a））及 び 大 口 径（20”）管 フランジ 締 結 体

れ小口径（3”）管フランジ締結体では22.3％、大口径（20”）管（Figure9（b））
でのボルト締付時の、各段階でのボルト軸力

フランジ締結体では23.7％であった。この結果よりばらつきの変動の比較を示す。目標ボルト締付トルクは平均ガスケット接程度はほぼ同程度である。目標ボルト軸力（Target bolt

触応力σzm が 30MPaとなるように定めている。前述のように

preload）と平均ボルト軸力（Average bolt preload）の差

両方法でのばらつきの差異は小さいため、ここではJIS法によは、小口径（3”）管フランジ締結体では9.9％、大口径（20”）

りボルト締付けを行い、管フランジ呼び径の差異（3”および管フランジ締結体では5.8％であった。従って、ボルト軸力の20”）について比較する。小口径管フランジ締結体（特にボルばらつきの程度は管フランジ締結体の呼び径の差異（3”およト本数 8 本以下）
は、すべてのボルトが仮締付対象及び締付び 20”）には大きく依存しない。

バルカー技術誌

Figure10は、内圧作用下で、小口径（3”）管フランジ締結
体および大口径（20”）管フランジ締結体の各目標平均ガス
ケット接触応力σzm が非石綿ガスケット付き管フランジ締結体のタイトネスパラメータ（T p ）の値（漏洩量）に及ぼす影響を示す。縦軸はタイトネスパラメータT P を示し、横軸はボルト締付時の目標平均ガスケット接触応力σzmを示す。丸印（○）
で示Summer 2015

す線はボルト初期締付時のボルト軸力のばらつきのない状
態、すなわちボルト軸力が同一（Uniform）の管フランジ締結
体の密封性能を示す。四角印（□）
で示す線はJIS B 2251６）
により締付けた時の結果を示し、ひし形印（◇）
で示す線はASME PCC-1 ７）により締付けた時の結果を示す。破線は小口径（3”）管フランジ締結体の結果を示し、実線は大口径（20”）管フランジ締結体の結果を示す。これらの結果より、

No.29

JIS 法６）とASME 法７）より得られる密封性能は同等であることが示されている。ボルト初期締付力がばらついた締結体のタ
イトネスパラメータT p の値はボルト軸力が同一である締結体

Figure9 小 口径（3インチ）と大口径（20インチ）
管フランジ締結体のボルト締付過程（JIS 法）におけるボルト軸力変動の測定結果
23Figure10 初 期ガスケット接触応力が小口径（3インチ）と大口径（20インチ）管フランジ締結体のタイトネスパラメータTP に及ぼす影響

寄稿のそれより小さく、密封性能が劣ることが示されている。また

小口径（3”）管フランジ締結体の場合、ボルト初期締付力の密封性能の差異は目標ボルト締付トルクが大きいほど、
（平均

ばらつき
（Scattered）
はガスケット外半径からガスケット内半

ガスケット接触応力σzm が大きいほど）大きくなることが示され、径にかけてガスケット接触応力分布に影響し、ガスケット接触

その度合いからボルト初期締付力のばらつきの影響は、大口

応力分布が比較的一様に分布することが分かる。大口径

径管フランジ締結体の方がより大きいことが分かる。小口径（20”）管フランジ締結体の場合、ガスケット外半径位置での（3”）管フランジ締結体のT P の値は平均ガスケット接触応力

ガスケット接触応力分布は大きく分布し、ガスケット内径位置が20～40MPaの間では大口径（20”）管フランジ締結体のそでのガスケット接触応力分布の変化は小さいことが示されてれより大きく、小口径（3”）管フランジ締結体の密封性能が大いる。大口径（20”）管フランジ締結体では、ボルト初期締付

口径締結体のそれより良いことを示している。大口径管フラン

力が外半径付近のガスケット接触応力のみに大きく影響する

ジ締結体はフランジローテーションの影響が大きいため、密ため局所的にガスケット接触応力が著しく小さくなる、いわゆ

封性能は劣ることが知られている。

るフランジローテーションが発生していると推測される。従って、大口径（20”）管フランジ締結体は、小口径（3”）管フラン
ジ締結体より密封性能がより低下する。

Figure11はボルト軸力測定実験により得られた各締付段
階のばらついたボルト軸力の値を用いてFEM 解析を行い、

３-4）漏洩量基準の締付効率ηの提案
PVRCでは、ばらついた軸力の平均値を目標とする値にな作用させたときの最終的ガスケット接触面での円周方向接触

るように締付効率ηを決めている。しかし漏洩量は別問題で応力分布を示す。非石綿 CSG 付き3”
及び 20“管フランジ締あり、ばらつきに最小のボルト軸力に依存する。このため許結体の内半径および外半径位置における円周方向ガスケッ

容漏洩量を達成するために、締結体の漏洩量基準の締付ト接触応力分布を示す。計算はFEMコードANSYSを用い

効率ηを定義する。すなわち実際のボルト初期締付力は目標た。ここでは、小口径（3”）管フランジ締結体と大口径（20”）

ボルト初期締付力F f の1/η倍し（F f /η）
として締付けると、実管フランジ締結体で密封性能が異なるため、小口径（3”）管

際の漏洩量が設計された許容漏洩量以下になることを意味

フランジ締結体はボルト初期締付時の目標平均ガスケット接している。

触応力σzm を30MPa、大口径（20”）管フランジ締結体は、

管フランジ締結体のボルト初期締付力がばらついた場合

σzm を60MPaとしている。 縦 軸 はガスケット接 触 応 力（Scattered）
における密封性能を表すタイトネスパラメータを

σz を締付時の目標平均ガスケット接触応力σzm で無次元化しT psとし、またボルト初期締付力が同一（Uniform）
である場た値を示し、横軸には円周方向角度θを示す。この図より、合でのそれをT pu する。この両者の比を締付効率η
（＝T ps /T pu ）とする。
Figure12はηに関する結果を示す。縦軸は締付効率ηを示し、横 軸は初 期 平 均ガスケット接 触 応 力σzm を示 す。
PVRCが提案する締付効率η=0.85（ボルト軸力基準）と比較すると漏洩量基準の締付効率ηの方がPVRCのそれより小さい値になる。管フランジ締結体の密封性能が良い場合すな
わちボルト初期締付時の目標平均ガスケット接触応力を大きく設定した場合（σzm =60MPa 程度）
ではガスケット外周部分
での大きなボルト軸力のばらつきの影響によりボルト初期締付力が同一の締結体より密封性能が低くなる。この割合はガスケットの使用範囲内では一定値に収束することが示されている。従って、大口径管フランジ締結体（8”以上）について漏洩
量（T p ）基準の締付効率ηを0.65、小口径管フランジ締結体
Figure11 内
 圧作用時の大口径（２０“）
管フランジ締結体及び小口径（３”）
管フランジ締結体の円周方向ガスケット接触
応力分布の比較ではηを0.8にすべきである。すなわちPVRCの提案するη
=0.85では許容漏洩量を満足しない危険側の設定となることを示している。なお永田 11）の研究による石綿ガスケット付き小24

Summer 2015

ガスケット接触面での接触応力分布を計算した後に内圧をバルカー技術誌

３-3）有限要素法（FEM）解析結果

No.29

ジョイントシートガスケット付き管フランジ締結体の密封特性について

口径（3”）管フランジ締結体の結果を破線で示す。非石綿部技術開発センター）の学位論文（広島大学,平成26 年1月）

CSGの場合の方が石綿 CSGを用いた締結体の場合よりηのに関したものであることを付記させていただく。

値が大きく、非石綿 CSG 付き管フランジ締結体ではボルト初期締付力のばらつきが密封性能に及ぼす影響がより小さい

5. 参考文献

ことを示している。

1）沢俊行、辻裕一、アスベスト代替化製品化検討会の結果と今後について、配管技術、Vol.48、No.13, pp.1-6（2006）.
2）Ando F., Sawa T. Ikeda M., A New Design Method
for Piping Components Against Leakage andDamage Subjected to High Level Earthquake Load,
Proceedings of the ASME Pressure Vessel andPiping Conference, PVP-Vol.44, No.1,（2002）, pp.113118.

バルカー技術誌

3）高木愛夫、大宮祐也、小林隆志、沢Summer 2015
No.29

俊行、 内圧作用下における非石綿ジョイントシートガス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、圧力技術、49 巻
5 号 , pp.216-224.（2011）.
4）
日本工業規格、JIS B 2490、管フランジ用ガスケットの密封特性試験方法、（2008）.
Figure 12 初期平均ガスケット接触応力が締付効率ηに及ぼす影響

4. おわりに本報では、まず長い間使用されてきた石綿ジョイントシート
ガスケット（石綿 CSG）と最近使用され始めた非石綿ジョイント5） 高木愛夫、大宮祐也、小林隆志、沢俊行、管フランジ呼び径とボルト初期締付け力のばらつきが内圧を受ける非石綿ガスケット付き管フランジ締結体の密封性能に及
ぼす、圧力技術、50 巻、6 号 , pp.315-325（2012）.
6）
日本工業規格、JIS B 2251、フランジ継手締付け方法、

シート（非石綿 CSG）の密封性能に関して述べ、１）
ガスケット（2008）.

単体の密封性能は非石綿 CSGの方がやや良好である、２）

7）
ASME Post Construction Code, PCC-1,Guidelines for3”
管フランジ締結体に挿入したときの密封性能も非石綿CSG

Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly,の場合の方が同等かそれ以上であることを示した。

（2010）.

次に、JIS 法および ASME 法による管フランジ締結体のボ

8）Bouzid, A. H., Derenne, M., El-Rich, M., Effect of

ルト初期締付実験を行い、１）
目標ボルト初期締付力に対しFlange Rotation and Gasket Width on the Leakageて実際のボルト初期締付力は小さくなることを示し、２）JIS 法

Behavior of Bolted Flanged Joints, WeldingとASME法によるボルト締付力のばらつきは同程度であること

Research Council Bulletin, 496,（2004）.

を示した。ただしボルト本数が多くなると、JIS 法の方が締付

9）小林隆志、清家永太、低レーティングフランジへのSWG

時間の節約が大きい。３）
ばらついたボルト初期締付力の下適用のための密封特性比較、山梨講演会講演論文集、で、締結体に内圧を作用させたときの漏洩基準の締付効率

652（2007）.

ηを新たに定義し、PVRCの定義するηとの差異を示した。４）10）ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII

ηの値は非石綿 CSGを用いた締結体では呼び径に依存し、Division 1 Nonmandatory Appendix BFJ,

呼び径が大きくなるほどηの値は大きくなることを示し、ηはAlternative Rules for Bolted Flange Joints with

0.65とし、その逆数を目標ボルト初期締付力に乗じると許容

Ring Type Gaskets-Draft,（2000）.

漏洩量を満足できる締結体の組立ができることを示した。η

11）永田聡、松本光広、沢俊行、“内圧作用下でのガスケットの値も非石綿 CSG 付き（３“）締結体の方が石綿 CSG（３”）締付管フランジ締結体の応力解析と密封性能評価（ボルト初結体に比べて大きいことも示した。

期締付け力のばらつきの影響）、日本機械学会論文集（Ａ終りに本報に関する研究は、東京電力と広島大学（澤）との共同研究及び高木愛夫氏（東京電力株式会社技術統括
25編）、Vol.70、No.699, pp. 1595-1602（2004）.

寄稿（Abstract）
The sealing performance of bolted pipe ﬂange joints with non-asbestos joint sheet gaskets under internal pressure wasinvestigated by FEM calculation and experiment. A new prediction method of seal performance was established and results
showed better result than that with the asbestos gaskets. Then, the effects of scatters in bolt preloads tightened according
to ASME PCC-1 and JIS B 2490 are examined on scatters in bolt preloads of 3”and 20“ bolted pipe ﬂange joints. The
scatter in bolt preload is approximately the same between ASME PCC-1 and JIS B 2490 however the tightening elapsed
time by JIS B2490 is smaller than that by ASME PCC-1. In addition, the difference in the sealing performance is smallerwhen the bolt preloads are tightened the above two methods. Finally, assembly efﬁciency is proposed newly based on theamount of leakage. The new assembly efﬁciency proposed is 0.65 for pipe ﬂange joints with joint sheet gaskets.
Keywords:
sealing performance, pipe ﬂange joints, joint sheet gaskets, scatter, assembly efﬁciency

通过有限元和实验方法，确立了带内压无石棉辊压垫片管法兰连接体的推断泄漏的方法，并确认了和石棉垫片法兰连接体相
比密封性能良好。根据ASME PCC- 1和JIS B2490标准，调查了3和20英寸法兰连接体的初期紧固力的偏差，得出两种标准方法的初期紧固力偏差较小，而JIS的紧固方法效率高。对于初期紧固后的法兰连接体而言，两种方法影响泄漏量的差异也较
小，同时提出新的组装效率方案。本研究得出的软质垫片法兰连接体的组装效率为0.65。

バルカー技術誌（摘要）

Summer 2015关键词：辊压垫片、法兰连接体，密封性能，偏差，组装效率

No.29

澤 俊行
広島大学
名誉教授

26

■本社
（代）

☎（03）5434-7370

Fax.（03）5436-0560■大阪事業所☎（06）6443-5221

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Fax.（042）798-1040■奈良事業所☎（0747）26-3330

Fax.（0747）26-3340●札幌営業所☎（011）736-5620

Fax.（011）736-5621●日立営業所☎（0294）22-2317

Fax.（0294）24-6519●仙台営業所●京浜営業所●豊田営業所☎（022）264-5514☎（045）444-1715☎（0566）77-7011

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Fax.（0566）77-7002●名古屋営業所☎（052）811-6451

Fax.（052）811-6474●岡山営業所☎（086）435-9511

Fax.（086）435-9512●北陸営業所●中国営業所●周南営業所●松山営業所☎（076）442-0522☎（0827）54-2462☎（0834）27-5012☎（089）974-3331

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夏号 No.29
Summer 2015
2015年7月10日