管フランジ締結体の漏洩特性とガスケット接触応力の関係
Relationship between sealing performance and gasket contact stress of pipe flange connections○学佐藤 広嗣（神戸大･院）

正高木 知弘（神戸大･海科）

山中 幸（日本バルカー）

正 福岡 俊道（神戸大･海科）

Kouji SATOU, Kobe University, 5-5-1, Fukaeminami, Higashinada-ku, Kobe
Tomohiro TAKAKI, Kobe University
Yuki YAMANAKA, Nippon Valqua Indutries, Ltd. 5-2, Technopark Nara, Sugawa, Gojo, Nara
Toshimichi FUKUOKA, Kobe University

Key Words : Pipe Flange connection, Sealing Performance, Gasket Contact Stress, FEM.
1．緒言
今日の環境規制の強化に伴い，管フランジ締結体からの内部流体の漏洩量を精度良く予測し，漏洩量を設計変数とする新しい設計手順の確立が求められている．
ASME の PVRC は剛性の高い平坦な圧縮ジグを用いた ROTT 試
験の結果からシール特性を予測する方法を推奨している．しかしながら，ROTT 試験と実際の管フランジ締結体では様々な条件の相違点がある．
本研究では管フランジ締結体の漏洩特性を有限要素解析と漏洩実験により評価し，漏洩特性に対して最も支配的な因子を特定することを目的としている．
2．漏洩実験
窒素ガスを用いた漏洩実験を行う．
対象とするのは JPI class 4inch の一体型管フランジである．図 1 に実験で使用した管フランジの形状および各部寸法を示す．ボルトには M16 メートル並目ねじ，ガスケットには厚さ 1.5mm の石綿ジョイントシートガスケット（日本バルカー(株)製）を用いている．また，フランジローテーションを比較的広い範囲で検討するために，フランジ厚さの異なる 3種類のフランジと幅の異なる 3 種類のガスケットを用いている．ボルト軸力はボルト円筒部に貼り付けたひずみゲージにより測定する．初期締付け時のボルト軸力は呼びガスケット
接触応力 Sg が 20，30，40，50MPa となるように設定し，全てのボルト軸力が均一になるように締め付け作業を行う．フランジローテーション角度を測定するため，4 つの変位計を用いている．漏洩量の算出には圧力降下法を採用している(1)．
3．有限要素解析
汎用有限要素解析コード ABAQUS を用いて管フランジ締結体の有限要素解析を行う．
図 2 は使用した有限要素モデルと内圧作用時の境界条件を表している．管フランジはボルト穴を考慮しない軸対象体とし，ボルトは軸方向にのみ剛性を有する線形一次元ばねとしてモデル化している．ガスケットは厚さ方向にのみ剛性を有する非線形一次元ガスケット要素としてモデル化を行っている．ガスケットには圧縮試験に基づき同定した応力‑ひずみ関係を特性として与えている．
初期締付け時のボルト軸力はボルトモデルの下端の節点に節点力を与えることによって生じさせている．内圧作用時にはフランジ内部およびフランジ座面に内圧を作用させている．
また，内圧により生じる軸方向のスラスト力は管フランジ上端部に分布荷重として作用させている．
4．結果と考察
図 3 はボルト締付け時と内圧 P=5MPa 作用時におけるフランジローテーションθf の実験結果と解析結果を示している．図3 より，フランジローテーションはガスケット幅 w が大きいほど，またフランジ厚さ t が薄いほど大きくなっており，呼びガスケット応力 Sg の増加とともにその差が大きくなっている．また，解析結果と実験結果は良く一致しており，ここで行っている有限要素解析の妥当性が確認できる．
G3/8

φ 114.3
φ 94.38-φ 19

φ 135.0w

φ 157.2
φ 170.0
φ 190.0
φ 229.0

gasketflange thickness t
3/4t0 = 16.7
t0 = 22.3
3/2t0 = 33.5

gasket width w
1/3w 0 = 6.9
2/3w 0 = 13.7w 0 = 20.6dimensions in mm

Fig.1 Dimensions of pipe flange

Fig.2 Finite element model and boundary condition図 4 はガスケット座面外縁部単位長さ当たりの体積漏洩速度 L と，内圧が作用したときに残留している平均ガスケット接触応力 Sｍとの関係を両対数で示している．内圧 P は 1MPaと 5MPa で評価を行っている．Bazergui ら(2)の理想的な条件下での漏洩試験においては，L と Sｍが両対数上で線形関係を示すという結果が得られている．しかしながら，管フランジを用いた本実験では線形関係は得られなかった．
そこで，平均ガスケット接触応力 Sｍの代わりに有限要素解析から得られる最大ガスケット接触応力 Smax を用いて漏洩量の整理を行う．また，より良い線形関係を得るために片対数を採用する．その結果を図 5 に示す．図 4 の結果と比べると線形性が強く，またガスケット幅とフランジ厚さが変化しても，内圧 P が同じ場合，全データが 1 つの直線で整理できることがわかる．
図 6 は図 5 の全ての結果をまとめたものである．各データの最小二乗近似の結果も示している．図より，内圧が同じ場合，ガスケット幅 w とフランジ厚さ t の影響を 1 本の線で示すことができることが確認できる．また，P=1MPa の近似式は5MPa の近似式とほぼ同じ勾配になっている．
5．結言
管フランジ締結体の漏洩特性を，有限要素解析と漏洩試験により評価した．その結果，管フランジ締結体からの内部流体の漏洩速度は内圧作用時に残留するガスケット座面外縁部における最大ガスケット接触応力に依存することを示した．
参考文献(1) John H. Bickfort : Gasket and Gasketed Joints, 1997,
P137(2) Bazergui, A., and Payne, J. R., Progress in Gasket
Testing‑Milestone Results, ASME J. Pressure Vessel
Technol., 106(1984), 93‑103.

10-2
10-3
10-4
10-5
10-6

P=1[MPa] 5[MPa]
1/3w0
2/3w0
w0
gasket width

10-7
10-8
510 2

101

Mean gasket contact stress Sm [MPa](a) Effects of gasket width w (t=t0)

10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
5

P=1[MPa] 5[MPa]
3/4t0
t0
3/2t0
flange thickness

101

102

Mean gasket contact stress S m [MPa](b) Effects of flange thickness t (w=w0)
Fig.4 Relationship between leakrate L and mean gasket contact
stress Sm
10-2

P=1[MPa] 5[MPa]10-3

1/3w02/3w0w0
gasket width-41010-5
10-6
10-7
10-80
102030 405060
Maximum gasket contact stress Smax [MPa](a) Effects of gasket width w (t=t0)
0.25
0.20
0.15

10-2
initial P=5MPa
FEM
experiment

gasket width w

w0
2/3w0

0.10
0.05
0.00
10

1/3w0

P=1[MPa] 5[MPa]
4/3t0
t0
2/3t0
flange thickness

10-3
10-4
10-5
10-6
10-72030405060
Nominal gasket stress Sg [MPa](a) Effects of gasket width w (t=t0)0.35 initial P=5MPa
3/4t0
FEM0.30experiment
0.25
0.20
t0
0.15
0.10
3/2t00.05
flange thickness t0.00
10203040
5060
Nominal gasket stress Sg [MPa](b) Effects of flange thickness t (w=w0)
Fig.3 Flange rotation angle

10-80102030 40
5060
Maximum gasket contact stress Smax [MPa](b) Effects of flange thickness t (w=w0)
Fig.5 Relationship between leakrate L and mean gasket contact
stress Smax
10-2

ln(L)=-0.170Smax-7.09
ln(L)=-0.155Smax-7.64
ln(L)=-0.166Smax-5.38
ln(L)=-0.169Smax-5.11

10-3
10-410-510-6

t=t0,
P=1MPat=3/4t0, P=1MPa

10-7

t=t0,
P=5MPat=3/4t0, P=5MPa

10-80102030405060Maximum gasket contact stress Smax [MPa]Fig.6 Relationship between leakrate L and mean gasket contact
stress Smax