99

空気駆動シリンダーのシール用NBR製Oリング
寿命評価手法の検討
A Study on the Method for Estimating the Life Time of O-Rings Made of NBR
Used in Sealing Air Operating Cylinders藤井有蔵（Yuzo Fujii）＊

満田†
安正（Yasumasa Mitsuta）

要約 原子力発電所の安全に関係する機器の中には密閉性を確保するためにゴム製のOリングを使用しているものが多くある．これらOリングは使用するに従い劣化し，最後には求められる機能を果たせなくなるため，正確な寿命評価に基づき適切な間隔でOリングの取替えを行うことが重要である．本研究では，換気空調系統のダンパー開閉用シリンダー（ダンパーオペレータ）に取り付けられているNBR（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）製Oリングを取り上げ，機能が果たせなくなる時期（寿命）について定量的な評価を実施した．寿命評価は以下の手順で実施した．（1）Oリングの劣化に影響を与える主要因が熱酸化反応であることを確認し，Oリングに対し異なる３温度で促進劣化試験を実施した．（2）促進劣化させたOリングの切断時伸び値に対しアレニウス則が成立することを確認したうえで，これをもとに寿命を推定した．（3）推定手法の信頼性を確認するために実機で使用されたOリングに対する測定の伸び値と推定の伸び値との比較を行った結果，（測定値−推定値）/推定値の平均と標準偏差はそれぞれ11％と８％であった．
この結果から推定値は測定値と大きな誤差はなく，この方法でOリングについてほぼ良い推定が可能であると言える．
キーワード

NBR製Oリング，寿命評価，促進劣化試験，アレニウス則

Abstract
At nuclear power plants, a large number of O-rings made of rubber are attached to safety
related machines and apparatus for sealing two metallic components. O-rings degrade during the long term
exposure in environmental conditions in use, and finally lose the requested functions. Therefore it isimportant to exchange them in a proper period based on the precise life time estimation.
This study aimed at to investigate the method for estimating the life time of O-rings made of NBR(acrylonitrile butadiene rubber) attached to the air cylinders which drive the dampers of ventilation systems
in nuclear power plants.
It has been conducted as follows：(1)After confirming that the main cause of degradation of O-rings isthermo-oxidation reaction, thermally accelerated aging tests were carried out for O-rings with threedifferent temperatures. (2)It was certified that the elongation values of O-rings obtained by the tests could
be fitted by the Arrhenius rule, and then the life time of O-rings was estimated using the Arrhenius rule.
(3)In order to validate the reliability of this estimation, we measured the elongation values of the O-rings
which had been actually used at nuclear power plants, and compared them to the predicted elongation
values obtained by the above estimation. The average and standard deviation of the values which is
calculated by the equation{(measured value-predicted value)/ predicted value}are 11% and 8%,
respectively and there are small errors between the measured value and the predicted values. As a result
we can judge that good estimation of life time of O-rings can be done by the above method.
Keywords

1.

O-ring made of NBR, estimation of life time, thermal acceleration aging test, Arrhenius rule

はじめに維持してピストンが摺動出来るようピストンヘッドにNBR（アクリロニトリル−ブタジエンゴム）製のO

原子力発電所の換気空調系統ではダンパーを開閉

リングが取り付けてある．

するために約300個の空気シリンダー方式の駆動機構

換気空調系統のダンパーは必要時に放射性物質を（ダンパーオペレータ）が設置されており，密閉性を建屋内に保持する等安全上重要な役目を持っている＊（株）原子力安全システム研究所†（株）原子力安全システム研究所

技術システム研究所
技術システム研究所

現在

関西電力
（株）

100

ことからOリングは劣化が進み，密閉性等の求められた．そこで促進劣化試験はグリスを塗布したOる機能が維持できなくなる前に取替えを行う必要がリングについて加熱により促進劣化させる手法

ある．

で実施し，その結果にアレニウス則の適用性を確認したうえで，実際の使用条件での寿命を評

一方，原子力発電所に使われているOリングの運転価した．

中における損傷原因の中にはOリング取り付け時の作業ミスに起因するものもあることから，必要以上のO（2）劣化要因の主体が熱酸化反応であることから劣リングの取り替えは損傷原因発生の機会を増やす可化指標として引張試験での切断時伸びおよび硬能性がある．

さを選んだ．また，両者の測定値の相関に基きこれらの点から，Oリングに求められる機能が維持

劣化指標の妥当性を確認した．寿命基準値につできなくなる期間（寿命）を定量的に求めた上でOリ

いては熱劣化評価で一般的に使われているもの

ングの使用期間を適切に設定することは原子力発電を使用するが，当該Oリングの実質的な使用限所の安全確保の点から重要である．

界に関する情報を得るために加熱可能なシリンダーを使用して劣化させたOリングについて摺ゴムの寿命を定量的に求める手法としては，ゴムの劣化に影響を与える要因についてその影響の程度

動試験を実施し，機能維持の確認を行った．

を実際より厳しくした促進劣化試験を実施し，試験（3）促進劣化試験では供試サンプル数を増やしてゴ

結果から実際の使用条件での寿命を推定する手法を

ム特性のバラツキによる影響を減らすとともにとる場合が多い．劣化の要因のうち一般的に影響の寿命推定の信頼性を確認するため発電所で実際大きい熱の促進劣化方法についてはJIS−6257に示さに使用されたOリングについて劣化状態（切断れており，寿命評価の方法として熱劣化に注目した

時伸び等）の測定を行い，推定値との比較を行場合にはアレニウス則，疲労劣化についてはマイナった．
以上を踏まえ，検討は図１のフローで実施した．

ー則等がある．しかしこれらの手法で精度良い評価を行う場合以下の課題がある．
（1）Oリングの劣化に影響を与える要因にはさまざ
まなものが考えられることから，それらの影響の程度を確実に把握するとともに促進劣化試験

ダンパオペレータ，
Oリングの仕様，
機能の調査

使用環境の調査
及び劣化への影響評価

Oリングの劣化要因の抽出，評価

寿命基準の検討・評価指標の選定

促進劣化試験の結果にアレニウス則を適用し，劣化の定量評価実施

実機で使用したOリングの劣化測定実施を行う場合は劣化に大きな影響を与える要因に注目した方法をとる必要がある．
（2）ダンパーオペレータはさまざまな場所に取り付けられていることから，劣化要因が個々のOリングへ与える影響の程度は異なる．従ってOリングの劣化程度を統一的に評価できる適切な指Oリングの実機環境での寿命推定

標を選び，当該指標による寿命基準を定める必要がある．
（3）促進劣化試験及びその結果に基き実機使用条件

寿命基準
との比較

での寿命を推定する際にはさまざまな誤差が含劣化品摺動試験

劣化推定値
との比較
評価手法の
信頼性確認

まれてくることから，それらを寿命評価の中で適切に考慮する必要がある．

図１

Oリング寿命評価フロー

本研究ではこれらの課題に対応するために以下の検討を行い，正確な寿命評価をめざした．

2.

ゴムの劣化要因（1）ゴムの劣化要因としては使用環境要因，薬品等の化学品による要因及び機械的要因が考えられる．

一般にゴムは環境要因，薬品類，機械的要因等にダンパーオペレータOリングの劣化についてはより劣化が進む．環境要因としては熱，光，酸素，

文献調査及び実機使用条件の確認により熱酸化

オゾン，放射線,動的疲労等があり，薬品類では油や反応の影響が大きく，Oリングに塗布されてい溶剤により膨潤や抽出が起こる．また機械的要因とるグリスの影響等も考慮すべきであると判断ししては圧縮・引張り応力や摩耗等が考えられる．

101

劣化要因の中で一般的な環境において最も重要な力，磨耗については半径方向及び円周方向圧縮力，劣化プロセスは酸素の自動酸化劣化反応による高分ピストンの摺動時にシリンダー内面との摩擦が生じ，子の架橋，主鎖切断である．

それによる発生する応力および接触面の磨耗が考え

その他の劣化要因も独自の影響を与えるのに加え，自動酸化劣化反応を促進することにより影響を与え（２）．
られる（１）

各要因がOリングの劣化にどのような影響を与えるかについて表１に示す．

る部分が多い．
ダンパーオペレータのOリングの劣化要因は一般環

さらに表１で抽出した劣化要因がダンパーオペレ

境での劣化を中心に薬品類については摺動摩擦低減

ータの駆動性能に影響を与える可能性を表２によりのために塗布されたグリスが考えられる．また，応

確認した．

表１
劣化要因

ゴム劣化要因のOリングへの影響

劣化への影響ダンパーオペレータOリングへの影響

酸素
（空気）

酸化劣化反応をおこす．
他の劣化要因（熱， 影響を考慮する必要がある．
シリンダー内は加圧されてお◎光等）が付加されると反応が促進される．
り，
酸化劣化が促進される可能性を検討する必要がある．

オゾン

引張り応力がかかった状態でき裂を発生さ ダンパーオペレータは屋内設置でありオゾンは少ない．
せる．
Oリングへの引張り応力はほとんどない．

×

熱

熱自体の劣化作用とともに酸化劣化反応を ダンパーオペレータ設置場所の温度はさまざまであり，
劣化への影響も異なる．
促進する．

◎

光

光自体の劣化作用とともに酸化劣化反応を Oリングはシリンダー内に設置されており光の影響は
促進する．
無い．

×

放射線

放射線がゴムの分子を切断する等の影響を ダンパーオペレータは放射線を受ける場所にも設置さ与えるほか酸化劣化との相乗効果もある． れており影響の評価が必要．

○

グリス

グリスがゴムの分子の中に入り込み膨らませ グリスをOリング及びシリンダー内面に塗布しておりこの影響を考慮する必要がある．
る（膨潤）等の影響が考えられる．

◎

引張りまたは
圧縮応力

圧縮とも応力的には小さいことから影響は少引張り状態の場合オゾン劣化によるき裂が 引張り，促進される．
また劣化に伴い変形が起こる． ない．

×

繰返し応力による疲労

グリス塗布によりOリングとシリンダー間の摩擦力は少なくゴムの分子が切れる等の影響を受ける． 影響は少ないと考えられるが摺動回数を踏まえ検討要． ○摺動時の摩擦による摩耗

摩耗によりゴムの表面が機械的に削り取ら グリスの膜によりOリングはシリンダーと直接接触しないようにしているが摺動回数を踏まえ検討要．
れる．

○◎：影響が大きく，十分な評価が必要○：影響を与える可能性があり，実機状況を踏まえ検討が必要
×：影響はない．あるいはほとんどない

表２
機能の低下

ダンパーオペレータの機能に影響を与えるOリングの劣化要因

機能低下の要因

駆動用空気の漏洩
ピストンが空気注入に伴う動きをしない機能低下の要因となる特性変化対応する劣化要因

発生の可能性（劣化要因評価に基き判断）Oリング表面の摩耗

摩耗

検討要Oリング表面の傷

オゾンによるき裂

可能性は少ない

・酸化劣化に関連するもの
Oリング・繰り返し応力
弾性低下・硬度上昇 ・化学反応を起こさせる
環境要因
Oリングの軟化

Oリングシリンダー
内面間の
摺動摩擦大

Oリングの表面割れ

Oリングの軟化変形

検討要

グリスによる膨潤

検討要

摩擦に伴う
引張り応力によるき裂可能性は少ない

オゾンによるき裂

可能性は少ない

グリスによる膨潤

検討要

102

表１，表２から判断すると，劣化要因のうち熱と酸素による酸化劣化反応が重要な要因となる他グリス，ピストンの摺動磨耗・疲労及び放射線について
は具体的な使用条件を考慮の上影響を検討する必要があるといえる．一方，光，オゾンの劣化への影響
ピストンヘッドはほとんどない．

Oリング
拡大

スプリング

3.

ダンパーオペレータ及びOリングの仕様
ダンパーオペレータは換気空調系統のファン出入

100mm

摺動

り口に取り付けたダンパーの開閉を行うものである．
シリンダー
ピストンロッドスプリング室内空気出入口

本研究で対象としたものは関西電力（株）の原子力発電所（主として格納容器内及び補助建屋内）で使

図２

303mｍ
駆動用空気注入・排出口

ダンパーオペレータの断面図

用されているダンパーオペレータであり，シリンダ
ー内に加圧された空気を注入し，内部のピストンを劣化要因の影響検討

4.

駆動する仕組みとなっている．（図２）
シリンダー，ピストンヘッドともに材料は鋳鋼でOリングの劣化に影響を与える可能性のある温度，あり，シリンダーの内面は硬度の高いクロムメッキ

空気圧，グリス，摺動及び放射線についてOリングのが施してある．Oリングはピストンヘッドに装着され，使用環境を調査し，影響を検討した．

シリンダー内面との密封性を維持している．
Oリングに使われているゴム材はNBRで基本仕様は

温度条件

4.1

中高ニトリル，硫黄架橋である．基本的な機械的特性
として切断時伸び値が355％，引張強さが18.14MPa，原子力発電所でダンパーオペレータOリングが使用

Hs）が71（いずれもメーカー実測値）でされている場所のうち比較的温度の高い格納容器内あり，また限界温度範囲は-30℃〜120℃となっている．

について年間の温度変化を図３に示す．

Oリングの形状仕様は内径約84.4mm，外形約とピストンヘッド溝部の直径の差が15mmであるのに

図３

02/9

02/7

02/5

02/3

02/1

01/11

01/9

ダーに挿入した場合，シリンダー内面（内径100 ｍｍ）

01/7

はOリングの内輪部分が円周方向に微少な引張り力（伸び率：0.7％）を受ける．また，ピストンをシリン01/5れた状態ではめ込むようになっている．装着状態で高さ11.6m位置
高さ19.0m位置
高さ26.0m位置
高さ33.8m位置

01/3

ンヘッドの溝（直径85mm）にグリスを全面に塗布さ

温度（°
C）

形状としてだるま型になっている．Oリングはピスト

50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

01/1

100.6mm（平均値）で，断面はシリンダー摺動用の02/11

硬さ（JIS

高浜３号機格納容器温度

対しOリングの内外径差は約16.2mmあるため，Oリ
ングは若干の半径方向圧縮力（圧縮率約７％程度）

格納容器内には原子炉等の発熱物があることからを受ける．ダンパーの開閉は駆動用圧縮空気（圧力一般に屋外よりも温度が高く，昼夜，季節および運0.38MPa）の注入，排出により行われ，ピストンは最転の有無により温度が変化している．図３では最高大約100mm摺動する．

温度は45℃を越えている場所もあり，年間の平均でOリング及びシリンダー内面には摺動をスムーズにも40℃に近くまで達しており，現場温度によるOリン行わせるため鉱油系のグリス（商品名マルティノック

グの劣化への影響は大きいと考えられる．温度の影２）が塗布されている．また，Oリングメーカーでは響を定量的に見るため，Oリングの促進劣化試験を行

グリスをつけた状態でのOリング使用限度のめやすはい，その結果をアレニウス則に当てはめて実際に設

累積距離1,000kmとしている．

置されている場所の温度での劣化進展の評価を行う

103

ことが適切と考えられる．

4.2

圧力を変えた試験結果（4）から判断すると通常の大気圧での酸素圧力に相当する0.02MPa酸素圧での劣化にピストンの摺動回数

対し0.076MPaの酸素圧では同一の劣化状態に達する
時間が20％程度減少すると推定される．

ダンパーオペレータは主にファンの停止，起動に酸素圧の劣化進展速度への影響はゴムの種類で大伴いダンパーの開閉を行うが，原子力発電所ではフ

きな違いは無いといわれており，NBRについても同ァンの切り替えは基本的に１回／月以下であり，点様の影響を与えるものと考えられる．しかしながら

検・保守，試験等による開閉を含めても20年間でダンパーオペレータOリングについては以下の点から

1,000回を上回ることはないと言える．

その影響は低減されるものと考えられる．

一方，当該Oリングの使用限度のめやすとしてメー（1）クロロプレンに対する試験は純粋酸素雰囲気でカーでは累積距離1,000kmの範囲内であればOリング

実施したものである．一般に空気雰囲気でそのは機能を維持できるとしており，摺動距離を100mm

圧力が増加した場合の劣化への影響は酸素のみとした場合回数は1,000万回ととなる．実機での摺動の雰囲気における酸素圧力増加による劣化への回数はこれに比べ極めて少ないことから摺動による磨耗等の機能への影響はないと考えられる．

影響に比べかなり小さくなる．
（2）圧縮空気に触れる部分はOリングの半面部分でなお，磨耗の影響が無いことについては使用済みO
リングの外観観察及び寸法測定の中で確認する．

4.3

ある（3）安全上重要なファンは冗長設計となっており台数の内１／２あるいは１／３は順次停止してい放射線の影響るものが多い．停止期間中はダンパーは閉止しており，その場合シリンダー内は大気圧である．

図４にNBRを含む各種ゴムの放射線照射による劣化程度を示す．NBRでは吸収線量が10 7rad以上で影響が出てくるといえるが（3），ダンパーオペレータのO

4.5

グリス塗布による影響

リングが使用されている場所の吸収線量は20年累積

グリスのOリング劣化への影響としてはグリスがOでも１×10 6rad以下であり，放射線照射に伴うNBR

リングの内部に侵入することによるOリングの膨潤がの劣化への影響は無視できると考えられる．

考えられる．この影響については促進劣化試験でグリスを塗布したOリングをサンプルとして使用することによりグリスの影響を含めた劣化評価をおこなう．

ニトリルゴム（NBR）
クロロプレンゴム

さらに促進劣化試験の中でグリスなしのOリングにつエチレンプロピレンゴム

いても劣化データを採取しグリス塗布のものと比較

フッ素ゴム

することによりグリス塗布の影響を確認する．
10 5

10 6
損傷程度

図４

4.4

10 7

10 8

10 9

10 10
（Rad）

使用

軽微

ほとんどの場合使用可

穏和

ほぼ使用可

激烈

使用限度

放射線のゴムの劣化への影響（3）駆動空気圧の影響

寿命評価

5.

前節に述べたように熱及び空気による劣化並びにグリスによる劣化を対象に図１に示したステップで寿命評価を行った．

5.1

劣化指標

エアシリンダーのピストンは空気圧で駆動され，劣化指標はOリングの劣化に伴う特性変化を定量的

その圧力は0.38MPaである．その場合酸素分圧はに表す尺度となるものであることから劣化を的確に

0.076MPa（0.38MPa×0.2）となる．一般的にゴムは示すとともに実用上比較的簡易にその値を求めるこ

純粋酸素の雰囲気下で圧力が高くなると劣化が速くとができなければならず，その選定は重要である．

進む．クロロプレンを対象として純粋酸素雰囲気でまた，寿命基準が当該の指標で設定出来ることが必

104

須である．

密閉性の維持，ピストンの円滑な駆動の維持ができダンパーオペレータのOリングの場合，主な劣化要なくなった時点である．

因が酸化劣化反応によるものであり，機械的な要因

そこで寿命基準を確認する方法としてOリングを装による影響が少ないと考えられることから劣化指標

着した状態でシリンダーを摺動しながら加熱によりとして引張特性（切断時伸び，引張強さ）及び硬さ

促進劣化させる実証試験を行い，機能を喪失した時を適用するのが一般的であり，促進劣化試験では切点での伸び値を求める方法が考えられる．しかしOリ（5）

断時伸びを基準とすべきと報告されている ．
また，寿命基準の考え方については次項に示すが，一般産業界で用いられている寿命の指標は切断時伸ングが機能を喪失する劣化程度にはバラツキがあることから少数のサンプルによる実験では信頼性を持った寿命基準値を求めることは難しい．

びがよく使われる．以上から本検討では切断時伸び一方，一般的にゴム成型品の寿命としてバラツキを基本的な劣化指標として採用し，硬さ測定は非破を考慮して安全側に伸び残率が新品の70％あるいは壊で実施できることから，硬さを補足的な指標とし50％をとる場合が多い．

た．

そこで，本研究では一般的な寿命基準と上記の実

また，これら２つの指標による測定値の相関をとり，指標の妥当性について確認する．

験による結果を組み合わせた形で寿命基準を検討することとし，第一ステップとして伸び残率50％を寿

上記指標のうち切断時伸びについてはJIS−B2401

命基準として寿命評価を行い（6），第二ステップとしに基き２個の滑車にOリングを装着し，滑車間の距離て一般寿命基準（伸び残率50％）を超えて促進劣化を広げていく手法により測定した．

させたOリングについて摺動試験を行い，ダンパーオ

なお，切断時伸びに関する値は以下の計算式によペレータのOリングに関して一般寿命基準が余裕を持った基準であることを確認する．

り求める．
（1）切断時伸び（E B）：対象Oリングに引張りを加え，切断したときの長さ（I 1）から引張り前の

5.3

実機使用品の劣化評価

長さ（I0）を引いたものをI0で割ったものを％で（1）測定対象示したもの．
（EB＝100×（I1−I0 ）/I0 ）原子力発電所で使用したダンパーオペレータのOリ（2）劣化品切断時伸びの新品切断時伸びに対する相ング50個について外観観察を実施するとともにOリン

対値（ER）：対象劣化品の伸び（E1）を新品のグ幅（（外径−内径）／２），伸び値，IM値の測定を行伸び（E0 ）で割ったものを％で示したもの．

った．

（ER＝100×（E1 / E0 ）また，比較のために４グループの新品（購入時期が異なる）についても同様の測定を実施した．

硬さについては当研究所が英国ＡＥＡ社より導入

劣化測定を行った使用済みOリングは異なる９ヶ所

Modulus）測定装置をのダンパーから採取したものである．環境温度は同し，改良したIM（Indenter
使用した．

一ダンパーに設置されているダンパーオペレータでIM測定装置はOリングをはさんだ後モジュラスがは大きな違いは無いが，ダンパーが異なると温度も一定速度でOリングを押し込み，その距離と荷重の比異なってくる．また，使用期間は４サイクル（5.1年），

から硬さを求める仕組みとなっている．

５サイクル（6.3年）及び６サイクル（7.6年）使用の

以下，簡単のために切断時伸びおよび劣化品の新ものが含まれており，同一発電所で同時期に取り出品に対する相対値をそれぞれ「伸び」および「伸びしたものであるが，ロットが同一かどうかは確認で残率」と呼び，IM測定装置による硬さを「IM値」ときなかった．

呼ぶ．

これら測定対象となった使用済みOリングと新品のOリングを表3.1，表3.2に示す．

5.2

Oリングの寿命基準（2）観察・寸法測定結果

ダンパーオペレータのOリングの寿命は当該Oリン

目視観察の結果，使用済み品について表面の傷グに要求される機能，すなわちシリンダー内の空気（特にシリンダー内面と接触している部分の磨耗），

105

変色等は見られず，新品との比較で外観上の変化は

表3.1

無かった．
新品及び使用済み品のOリング幅の測定結果につい設置建屋て平均値と標準偏差を図5.1に示す．（図5.1以降の図

補助建屋で平均値と標準偏差の表示の仕方は図5.1と同様）

Oリング数
29固

使用済み品のOリング幅は設置場所によるバラツキがあるが，全体の平均では新品と変わらず，いずれもシリンダー内面−ピストンヘッド溝部のギャップに比べ大きな値となっていることから密閉性を保持する能力は十分維持されている．
（3）伸び値及びIM値測定結果
図5.2，図5.3に使用済み品，新品の伸び値及びIM値の平均値と標準偏差の使用期間に対する傾向示す．
伸び値の傾向として使用済み品は新品に対して値

補助容器
Oリング数
21固

測定対象使用済みOリング

Oリング Oリング 使用期間
設置場所 個数
（年）
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M

3
4
3
5
3
2
3
3
3
3
6
4
8

5.1
5.1
6.3
6.3
6.3
6.3
7.6
7.6
7.6
6.3
6.3
6.3
7.6

図 5.1〜
5.3での記号設置場所温度（°C）
34（最高）
34.5（最高）32（最高）
32.5（最高）／22.1（平均）34（最高）／16.3（平均）32.5（最高）34（最高）
30.5（最高）47（最高）／23.9（平均）46.6（最高）／38.6（平均）39.9（最高）／34.0（平均）33.7（最高）／29.3（平均）36.2（最高）／31.2（平均）（注）・補助建屋最高温度：平成13年7月20日〜7月27日の最高値
・補助建屋平均温度：平成13年7月20日〜平成14年6月22日の平均値
・格納容器内最高温度および平均温度：1サイクル（平成13年8月7日〜平成14年11月12日）の最高値および平均値
・補助建屋についてはダンパーに設置した温度計による．格納容器については既設の温度計記録値から温度計，
ダンパーの設置高さを考慮して推定が小さくなっており，全体として使用期間が長いほ
表3.2

ど，また設置場所の温度が高いほど低下傾向が大きいものが多いといえる．
一方，IM値も全体として使用期間が長いほどまた

グループ

（1）
寸法
測定個数

1
2
3
4

11
20
6
8

温度が高いほどその値が高くなる傾向が見られる．
標準偏差を比較すると新品のグループごとの伸び
値，IM値の標準偏差の平均はそれぞれ20％，0.18で測定対象新品Oリング（2）
伸び値， 図5.1〜
硬度
5.3での
測定個数
記号

備 考

6
10
6
8

グループ1,2について
（1）
，
（2）
の測定対象
Oリングは異なるあるのに対し，使用済み品の伸び値，IM値の標準偏差はそれぞれ12％，0.19となる．（使用済み品グルー
8.30

プAの伸び値と新品グループ１のIM値は標準偏差が他のものに比べ非常に大きくなっており，理由は明
外した．）

8.10
幅（mm）

確ではないがこれらは標準偏差の平均値算定からは

標準偏差
平均値
標準偏差

8.20

新品の伸び値が使用済み品の伸び値に比べ大きな

新品

8.00

5.1年使用7.90

6.3年使用7.80
7.6年使用7.70

値となっている理由としては伸び値はOリングの引張7.60

りに対して弱い部分に依存した値をとるため，新品

7.50

シリンダー内半径−ピストン溝部半径（7.50mm）

0の状態では含有物の場所による偏りが大きくそれが

1

2

3

4

5

6

7

8

使用期間（年）

バラツキに影響をあたえているが，使用するにした

図5.1

実機使用品及び新品幅の変化

がって偏りが分散し平均化してくることから安定した特性になるのではないかと考えられる．

360
6.3年使用340
伸び値（%）

320

7.6年使用5.1年使用

新品

300
280
260
240
220
200
180
0

1

2

3

4

5

6

使用期間（年）

図5.2

実機使用品及び新品伸び値

7

8

106

26

10.00

6.3年使用9.50

5.1年使用

8.50

IM値

IM値（%）

80°
C
90°
C
100°
C
90°
Cグリスなし
80°
C近似
90°
C近似
100°
C近似

22

9.00
新品

8.00

18
14

7.50

7.6年使用

7.00

10

6.50
6.00

未劣化品IM値：6.7

6

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

20

図5.3

実機使用品及び新品IM値

図6.2

加熱によるOリングの促進劣化試験

5.4

40

60

80

100

120

140

160

180

経過日数（日）使用期間（年）

促進劣化試験におけるIM値変化

劣化に伴う伸びの変化については各温度とも初期に比較的速く伸び残率が減少し，その後は時間経過に伴いゆっくりと直線的に伸び残率が減少している．

（1）試験の概要
Oリングの促進劣化試験はグリスを塗布したOリン

各プロットは近似線からのバラツキが小さく，各グを恒温槽に収納し，試験温度80℃，90℃，100℃の温度での劣化傾向も類似していることからデータは

３温度で加熱し，伸び残率が50％以下になるまで，信頼できるものと考えられる．

順次時間経過に従いOリングを取りだして伸び値とまたIM値についても初期に比較的速く上昇し，その後ゆっくりと直線的に上昇しており，近似線からIM値を測定した．
精度良く劣化傾向を把握するため１回あたりの取り出しOリングを４サンプルとし，各温度での取り出のバラツキ，各温度での劣化傾向も伸び残率と同様である．
熱劣化させたOリングの伸び残率のバラツキをみる

し回数も15回〜20回とした．
また，グリスの劣化への影響を確認するため，グとデータ取り出し時期ごとの標準偏差の平均は約

リスを塗布していないOリングについて90℃で促進劣４％（伸び値で約12％）であり，劣化にともなう標化させ４時点（各４サンプル）の劣化データを採取

準偏差の増加は見られなかった．
これは5.3で示した実機使用済みOリングの設置場

し，グリス塗布のものと比較を行った

所毎の伸び値平均（12％）と同じ値である．
以上より複数のOリングを同条件で劣化させた場合（2）測定データの傾向
各温度での取り出しごとの伸び残率，IM値の平均の標準偏差は伸び値で12％と考えてよく，劣化の程値及び標準偏差並びに劣化傾向の近似線を図6.1及び度が大きなOリングでも伸び値が平均値に比べ36％6.2に示す．

（３σ）以上小さい値をとることはほとんど無いと言
える．

110

未劣化品伸び残率：100%

伸び残率（%）

100

80°
C
90°
C
100°
C
90°
Cグリスなし
80°
C近似
90°
C近似
100°
C近似

90
80

（3）グリス塗布の有無による劣化程度の違い
図6.1及び図6.2にはグリス塗布なしのOリングの伸び残率及びIM値の変化も示している．

70

図6.1から伸び残率について劣化が進んだ状態では

60
50

グリス塗布の有無にかかわらずほとんど変わらない

40

ことが分かる．一方，図6.2から判断するとIM値につ

30
0

20

40

60

80

100

120

140

160

経過日数（日）図6.1

促進劣化試験における伸び残率変化

180

いては劣化が進んだ状態でグリス塗布のものの方が小さい値となっていると言える．
一般にグリス等の油類はゴム中に入り込みゴムを膨潤させる性質があり，その場合ゴムの硬度は低くなる．Oリングについてもグリス塗布のものは膨潤が発生し，IM値が低くなったものと考えられる．

107

0

（4）伸び値とIM値の相関-1化させたOリングの伸び値とIM値の相関プロット及-2び回帰曲線を示す．回帰曲線からのバラツキを示す

ln（1/d ）

図７に新品，実機使用済みのOリング及び促進熱劣-4曲線からのバラツキは非常に小さいといえる．

-550%
線形（70%）
線形（50%）

y = -10.878x + 27.324-3

Ｒ−２乗値を求めると0.953となり各プロットの回帰
この回帰曲線に基き伸び残率50％（新品の伸び値

70%y = -10.255x + 23.907

-6

2.65

2.7

を310％として伸び値では155％となる）のIM値を求

2.75

2.8

2.85

1000/T

めると16.0となる．

図８

伸び残率のアレニウスプロット

IM測定は非破壊測定法で，同一サンプルでの劣化傾向を継続して確認することが出来る利点があり，アレニウスプロットから活性化エネルギーを求め，伸び値との相関も良いことからOリングに対し有効な活性化エネルギーに基き実機温度で伸び残率70％お劣化指標となり得ることがわかった．

よび50％に達するまでの時間を求めた結果を表４に示す．

26

表４のうち伸び残率50％に至る予想到達時間が実
80°
C
90°
C
100°
C
新品
使用済み
回帰曲線

22
回帰曲線: y = 7009x-1.2063

IM値

18

表４

10

6
100

活性化エネルギー及び実機温度での到達時間

活性化エネルギー
実機温度での（cal/mol）
予想到達時間（年）
評価点 （促進劣化試験の結果をアレニウス則に 20°
C 30°
C 40°
C 50°
C
適用し求めたもの）

14

140

180

220

260

300

340

伸び値（%）

図７

5.5

機温度で使用した場合の推定寿命値となる．

伸び値対IM値

伸び残率
70%

21,615

49.5

14.5

4.6

1.6

伸び残率
50%

20,377180.0 56.7

19.2

7.0

アレニウス則に基づく実機条件での
寿命評価
5.6

図6.1に基づき80℃，90℃及び100℃の３温度で寿命

実機使用済みOリングの測定伸び値と推定伸び値比較

基準（伸び残率50％）および伸び残率70％に達する
時間を求め，アレニウスプロットをおこなった．図

表3.1の実機で使用されたOリングのうち長期の温８にアレニウスプロットと近似直線を示すが，プロ度測定値が採取されているものについて測定の伸び

ットは50％，70％とも良い直線性を示しており，ア値と5.5の方法を用いて設置場所の実効温度に基づき

レニウス則を適用することは妥当と判断できる．

推定した伸び値との比較を図９に示す．測定の伸び

なお，図８においてT，dはそれぞれ絶対温度及び経過日数である．

値は設置場所毎の平均値である．
また，推定の伸び値は実機温度での劣化傾向が促
進劣化試験のものと同じ傾向になると仮定して伸び残率70％での寿命値から内挿により求めた．
図９において（測定値−推定値）/ 推定値の平均および標準偏差はそれぞれ11％，８％となり推定の伸び値は測定の伸び値と大きな誤差はなく，5.5の方法
でほぼ良い推定が可能であるといえる．

108

350

表５

新品伸び値平均

伸び値（%）

300
250
200

寿命基準（50%伸び残率）
150
100
測定値
推定値

50
0

D

E

I

J

K

L

M

8

設置場所

図９

6.

測定伸び値と推定伸び値の比較

劣化の進んだOリングの摺動状況及び特性変化

Oリング 摺動
寸法
IM値
表面状況
摺動状況
NO.
回数
（mm）
1−1
15.4 7.79
・摺動の時間経過が
1−2 45,000 50.5 7.60 ・シリンダー内面 進むに従い摺動速
1−319.9 7.76 との 接 触 面 が 度が上昇する傾向
摩擦・圧縮力に であり，機能劣化は
2−1
27.5 7.72 より変形し，
平坦 見られない．
2−2 240,000 33.5 7.69 化している． ・摺動速度の変化は
2−3
25.7 7.74 ・シリンダー内面 摺動によるOリング接との異常なこす 触面の摩耗，
シリンダ
3−1
46.1 7.67 れ跡は見られな ーとのなじみ等により摺動抵抗が低下し3−2 18,000 20.6 7.68 い．
たものと考えられる．
3−3
24.9 7.65

劣化の進んだOリングの摺動試験
寿命基準（伸び残率50％）を超えて劣化が進んだ状態でOリングをピストン内で摺動させ，50％伸び残率を超えて劣化した状態でもOリングが十分機能することを摺動状況および劣化特性に基づき確認する．
（1）試験装置
試験は現地設置のものと同様のシリンダーを使用し，表面に取り付けた電熱線により，内部のOリングを加熱して促進劣化させる．さらに駆動用空気についてもヒータで加熱し，空気の注入による温度低下を防いでいる．

図10

劣化Oリング（２−２）の外表面の拡大写真（2）試験方法①試験装置３台にそれぞれグリス塗布のOリングを

表５の各Oリングの摺動回数は実機で20年間に想定装着し，加熱しながら空気圧によりピストンをされる摺動回数に比べ10倍以上の回数となっており，駆動させその劣化に伴う挙動変化の有無を確認

IM値は15〜50で寿命基準レベル以上に劣化が進んだ

する．

ものとなっている．

②摺動試験終了後Oリングの寸法変化（幅），IM値

摺動状況については時間経過にともなう摺動速度を測定するとともに摺動面の拡大観察を行う．

の減少等の機能低下は見られなかった．（摺動速度に（摺動試験後Oリングの各種測定のためピストン

ついてはOリングの微少な摩耗・変形，シリンダーと溝から取りはずす際，Oリングに局所的な引っ張のなじみ等摺動抵抗の低下によると考えられる開閉りがかかる場合がある．劣化が進み弾性が低下

速度の上昇が見られた．）

したOリングではこの影響により伸び値測定の信Oリング幅は新品（8.1mm）に比べ減少しているが，頼性が十分でない可能性があるためIM値による

ピストンヘッド溝部とシリンダー内面とのギャップ測定とした．）幅（半径で7.5mm）より大きく密閉性を確保できる（3）試験結果幅となっている．

Oリング３組９サンプルに対する試験結果を表５

拡大写真において劣化品ではシリンダー内面とのに，また摺動面の状態の例として表５の２−２のOリ

接触面が摩擦，圧縮により多少変形しているが表面ングの拡大写真を図10に示す．

は平坦化しており，摺動方向の異常なこすれ跡は見られない．
これらの状況から見てOリングは設定した寿命基準（50％伸び残率）を超えて劣化し，摺動回数も実機で経験する回数を超えて使用した場合でも機能を十分維持できているといえる．

109

本試験結果からOリングの実質的な寿命を正確に推謝辞定することはデータ数が少ないことから難しい．しかしながら50％伸び残率（伸び値で155％）の基準は本研究を実施するに際しさまざまな点からアドバ

実質的な寿命に対し十分な余裕があるといえ，50％

イスを頂いたアキバリサーチ秋葉光雄所長に対し伸び残率の基準に基づき実機温度でのOリングの（時感謝の意を表します．

間）寿命の推定を行っておけば，劣化速度の速いOリ
ングでも実質的な寿命を超えて劣化する可能性はほ文献

とんど無いと言える．
（5.4で示したように同一条件でのOリングの劣化のバ
ラツキは伸び値で36％を超えることはない．従って劣化速度の速いOリングでも50％伸び残率寿命基準（伸び値155％）に対し伸び値で36％低下した119%以（1）秋葉光雄，林茂吉，ゴム・エラストマーの劣化と寿命予測，ラバーダイジェスト社，（2000）．
（2）早川

淨，高分子材料の寿命評価・予測法，ア

イピーシー, (1994)．

下になることはない．119％伸び値に対するIM値は（3）森田，昭和電線電纜レビュー, 19, (1), 69, (1969)．

22.0であるが摺動試験結果からみてこの程度のIM値（4）八木敏明，瀬口忠夫，吉田健三，電線絶縁材料

であればOリングの健全性は維持できるといえる．）の加速熱劣化と放射線酸化の複合劣化，
JAERI-M 86-043，p24 (1996)．

7.

まとめ

（5）小谷悌三，寺本俊夫，ニトリルゴムの耐熱性と配合設計，ゴム協会，Vol.53，（1980）（1）ダンパーオペレータOリングの主要な劣化要因は
熱酸化反応である．
（2）80℃，90℃，100℃での促進劣化試験から求めた
伸び残率のアレニウス・プロットは直線性を維持している．アレニウス則に基づき実機温度での寿命を求めた結果40℃で19.2年，50℃で7.0年となった．
（3）劣化に伴うIM値の変化は伸び値の変化と良い相関があり，IM値は劣化指標として有効であることが確認できた．
（4）実機で使用したOリングについて測定した伸び値（同一環境条件での平均値）とアレニウス則により推定した伸び値と比較すると（測定値−推定値）/ 推定値の平均，標準偏差はそれぞれ11％，８％となり，推定値と測定値に大きな誤差はな
い．
（5）同一環境条件で劣化させたOリング伸び値のバラ
ラツキはせいぜい36％であり，このバラツキは摺動試験によって求めた実質的な寿命の余裕で十分吸収されると考えられる．
（6）以上より本研究で促進熱劣化試験にアレニウス則を適用して求めた活性化エネルギーに基づきOリング設置場所の実効温度を使うことによりOリングの寿命についてほぼよい推定が可能であると言える．

（6）J.Dlab，F.Koutny，Thermo-oxidative ageing of
rubber and durability of the products，plasty a
kaucuk, 21, No.11, p336（1984）．