規格フランジのボルト締付け特性
Bolting up performance of standard pipe flanges○正高木 知弘(神戸大・海科)

正福岡 俊道

(神戸大・海科)

Tomohiro TAKAKI, Faculty of Maritime Sciences, Kobe University, Kobe
Toshimichi FUKUOKA, Faculty of Maritime Sciences, Kobe University, Kobe
Key Words : Pipe Flange, Bolting Up Performance, FEM

管フランジ締結体のボルト締付け過程においては，各ボルトの相互作用によりボルト軸力が低下することが知られている．この軸力低下を補うため，通常の締付け作業は複数の周回により完了する．しかしながら，ある精度を満足するためには何周の締付け作業を行う必要があるのか，明確な値は示されていない．
本研究では，石油学会規格 (JPI-7S-15-1999) に定められている管フランジを対象に，体系的なボルト締付け有限要素シミュレーションを行い，必要なボルト締付け作業周回数を評価することを目的としている．締付け作業
手順としては，最近提案された 2 つの手順を用いる．

2ボルト締付け手順

最近 ASME では，ボルト締付け指針が規格化されている(1) ．しかしながら，この ASME の指針は，手順が煩雑，多くの労力を要する，作業回数が不明確等の欠点がある．このため，著者らは有限要素法を用いた評価により，これらの欠点を克服した新しい作業指針を提案した(2) ．表 1 に ASME の締付け手順，表 2 に著者らが提案した手順 (JAPAN) の概要を示す．
Table 1 ASME bolting up guideline
RoundInstall
Round 1Round 2Round 3Round 4方法

順序

手で軽く締付け，その後スナグトルクで締付ける．
目標締付けトルクの 20 – 30%で締付ける．
目標締付けトルクの 50 – 70%で締付ける．
目標締付けトルクの 100%で締付ける．
目標締付けトルクの 100%でナットが回転しなくなるまで締め続ける．

対角対角対角対角
時計

Table 2 JAPAN bolting up guideline
Round
Install 1
Install 2Assembly

方法
90 度離れて位置する 4 本のボルトを目標の軸力に均一に締付ける．
目標締付けトルクの約 50%で締付ける．
目標締付けトルクの 100%で前もって決定しておいた回数の締付け作業を行う．

37oX
B0RCO

Y1

緒言

Q

1

1.6 or 6.4

N-dFig. 1 Dimensions entered to make the ﬁnite element model

ボルトで締付けられる管フランジを対象としている．解析対象が非常に多いため，図 1 に示す各部寸法を入力し自動的に有限要素モデルを作成するソフトを作成した．
class 1500 lb の管フランジは，3 inch 以上の呼び径に対してスリップオン形が規定されておらず，図 1 中の B0 とY1 の寸法が与えられていない．class 1500 lb の B0 に関しては 900 lb と同じ値を使用し，Y1 は 900 lb の Y1 -Q を1500 lb の Q に足した値を用いている．厚さ 4.5mm のうず巻形ガスケットの使用を想定し，ガスケットの内外径は JPI–7S–41–1990 に従っている．また，class 150 lb と300 lb の管フランジに関しては，厚さ 3 mm のジョイントシートガスケットを用いる場合も評価する．この場合，ガスケット内径は JPI–7S–16–1985 に従っている．管フランジは様々な配管要素等を結合する用途に用いられるため，その拘束条件も様々である．ここででは，管部を無視したモデルを採用することにより，最も弾性相互作用の強い条件の下で解析を行う．図 2 は使用した有限要素モデルの一例 (class 600 lb 12 inch) を示している．ボルトはナットとボルトを一体としたボルト頭部と類似の順序
時計
時計
時計

解析モデル

著者らが提案した解析手法を用い，管フランジ締結体のボルト締付け有限要素シミュレーションを行う(3) ．石油学会規格 (JPI–7–S–15–1999) に定められているスリップオン形管フランジを解析の対象とする．呼び圧力はclass 150，300, 400, 600, 900, 1500 lb とし，8 本以上のFig. 2 Finiet element model (class 600 lb 12 inch)

Table 3 The number of bolt-up passes in Round 4 needed
to get the bolting eﬃciency of 80, 85 and 90% when
applying ASME PCC-1 procedure
80%
NP
2
2.5
3
4
6
8
10
1214
16
18
20
2485%
NP
2
2.5
3468
10121416
1820
2490%
NP
22.5
3468101214161820
24150j0001111111300j
1111112233333150s
1001112122300s
3321223344444400s
1222243344600s
3321223343333900s
223334433331500s
4432332343333150j
1001112122300j
2211212244444150s
100
1112122300s
4432324355555400s
2323354455600s4432334454444900s
323345544441500s
5543443454443150j
1001123233300j
2211223355555150s
2112223233300s
5543435576666400s
2334465566600s
5543435666566900s
434466665551500s
6754554665555形状とし，頭部高さは JIS 規格の六角ボルト部品等級 Cに規定されている値を用いる．管フランジとボルトは線形弾性体とし，ヤング率は 200 GPa，ポアソン比は 0.3としている．ガスケットは厚さ方向にのみ剛性を有する一次元ばねモデルの集合としてモデル化し，うず巻形ガスケット，ジョイントシートガスケットとも負荷時のヤング率を 500 MPa，除荷時のヤング率を 5 GPa としている(2) ．また，ボルト締付け軸力は，うず巻形ガスケッ
トを用いる場合平均ガスケット接触応力が 60 MPa になるように，シートガスケットを用いる場合 30 MPa になるように設定している．

4解析結果と考察

各締付け作業周回の完了時に残留しているボルト軸力の平均値が，所定の軸力の 80，85，90%より初めて大きくなった時の周回数を表 3 と表 4 に示している．表 3 はASME の締付け手順を採用した時の Round 4 における周回数である．表中，値が零のものは，Round 3 において既に各精度を満足したものである．表 4 は著者らが提案した手順を用いた時の表 2 中の Assembly における周回数である．
表 3 と表 4 を比較すると，同じまたは ASME の方が 1回少ない結果となっている．これは ASME 手順の Round
1–3 と，提案している手順のインストール作業の違いでTable 4 The number of bolt-up passes needed to get thebolting eﬃciency of 80, 85 and 90% when applying
JAPAN procedure
80%
NP
22.5
3468101214161820
2485%
NP
2
2.5
3468
10
121416
1820
2490%
NP
22.5
3468101214161820
24150j1111122222300j
2211223344444150s1112223232300s
3322324455555400s
2323344444600s
3322334454444900s
323344444441500s
4433433454444150j
1112223233300j
2221223355555150s
2112223333300s
4432335466666400s
2334455555600s
4432434565555900s
334455555551500s
5543444565444150j
2112223333300j
3322334476667150s
2213234344300s
5543446587777400s
3445566677600s
5543546677677900s
445577766661500s
7754555676655あり，これらを考慮すると提案している手順の方がより作業効率が高いと言える．
表 4 に着目する．class 150 lb の管フランジに関しては，90%の精度を達成する場合，最大で 4 周の締付け作業を行えば良いことが分かる．しかしながら，より呼び圧力の高いのものに対しては，6 回を越える作業が必要となる場合がある．呼び径の影響を見てみると，一般的に呼び径が大きくなるほど必要となる周回数が増えている．しかしながら，3inch 未満の管フランジに関しては反対に回数が多くなっているものもある．これはボルトの締付けにより管フランジ全体が回転する口開き変形を生じているためである．次に，設定した達成度 (80%,85%,90%) による影響をみてみる．80%と 85%を比較するとその差は1 周以下，85%と 90%を比較すると最大差は 2 周になっている．これは，締付け周回数が増えると，全ボルト軸力の平均値の増加率が低下するためである．

参考文献
(1)
(2)
(3)

ASME PCC-1, ”Guidelines for Pressure Boundary
Bolted Flange Joint Assembly,”, 2000.
高木知弘, 福岡俊道, 管フランジ締結体のボルト締付け指針の提案, 機論, 70–696, A(2004), 掲載予定.
福岡俊道, 高木知弘, 有限要素解析による管フランジ締結体のボルト締付け過程の評価（うず巻形ガスケットを用いた場合）, 機論，66–650, A (2000), 1834–1840.