ボルト締付け方法が大口径管フランジ締結体の密封特性に及ぼす影響について

バルカー技術誌

Winter 2020
No.38

1. はじめにとを明らかにしている8）。しかしASME PCC-16）でもいくつかガスケット付き管フランジ締結体は様々な産業の圧力容器が締結体の密封特性に及ぼす影響は検討されていない。のボルト締付け方法が示されているが、これらの締付け方法や配管締結部に多数使用されている。締結部の密封特性

本 報 ではASMEクラス300 24インチ 締 結 体を用 い、は、ガスケット特性だけでなくガスケットを圧縮するボルトの締ASME PCC-16）に新たに加えられたAlternative #1、#2、結方法も影響することが知られている。高圧ガス保安協会に#3も合わせた締付け方法がボルト軸力のばらつき，密封特よると1）、ガスケット締結部からの漏えい事故の約 67%はボル性、ボルト締付け時間及びレンチ移動距離に及ぼす影響をト締付け不良によるものと報告されている。締付け不良の要検討することを目的としている。ここでは対象ガスケットを当社因の一つとして、ボルト締付けの際に生じる弾性相互作用が製品の高機能ガスケットNo.GF300 及び膨張黒鉛フィラーう挙げられる。多数のボルトを締結する際に相互に影響するず巻形ガスケットNo.6596Vとする。

現象であり、各ボルト軸力が目標ボルト軸力より低下し、更に個々のボルト軸力がばらつく。この結果、適切なボルト軸力を発生させられないため、密封に必要なガスケット圧縮力が得られず漏れが生じることがある。この弾性相互作用の影響を

2. 試験方法
2-1）試験装置ゼロにすることは困難であり、締付け周回数を多くする、あるFigure1は本研究で用いたガスケット付き管フランジ締結

いはボルトを対角で締め付けるなど、その影響を低減するた体である。寸法はASME規格の中で最大呼び径である24イめの対策が行われている。しかしながら、いずれも経験に基ンチとし、圧力レートはクラス300、形状はW/N、座はRF、づいたものであり、十分な技術的検討がなされているとは言

材質はSUS304である。管の有無によってフランジ締結体のい難い2）〜5）。

このような背景のもとで、近年では適切なボルト軸力を達成するためのボルト締付け方法が各規格で提案されている。

力学的挙動が変わることが知られており、本研究では約800mmの管を有した装置を用いることで実機に近い条件での検討を行う。

米国ではASME PCC-16）Guidelines for Pressure Boundary

ボルトはSNB7 製とし、呼び寸法 M39の六角ボルトを24 本

Bolted Flange Joint Assembly が 2000 年 に 提 案 され、用いている。各ボルト胴部には2 枚のひずみゲージを貼り付

2013 年及び 2019 年には改定されている。日本ではJIS B

けており、全てのボルトの軸力が測定出来るようにしている。

22517）“フランジ継手締付け方法”
が 2008 年に発行され、なお、各ボルトのひずみゲージは予め校正されており、ボル2018 年には中国で“フランジ方法取付技術仕様書”も公表さ

ト、ナットのねじ部及び座面には二硫化モリブデンを塗布してれている。しかしながら、これら規格で指標とされているのはいる。

最終のボルト軸力であり、実際に必要な締結体の密封特性については扱われていない。
前報のValqua Technology News Vol.37ではASME ク
ラス150 4インチの小口径とASME クラス300 24インチの大口径管フランジ締結体を用いASME PCC-16）とJIS B 22517）の締付け方法が密封特性に及ぼす影響を検討評価し、いずれも十分な密封特性を発揮する為に適切な方法であるこ3

試験ガスはヘリウムガスを用い、内圧は 2MPaとしている。
締結体の漏れ量は圧力降下法で測定した。圧力計で圧力変化を測定し、次の式（1）により算出する。
MV
T1
L=1atm×ρtRT c P1− T P 2 （1）
12（）

技術論文

ここでは
L：ガスケットの外周あたりの漏れ量、［Pa·m3/（s·m）］
M：モル質量、［mg/mol］
V：管フランジ締結体の内容積、［ml］
ρ：試験気体密度、［mg/ml］
t：測定時間、［s］
R：気体定数（=8.314）［、J/mol·k］
T1：試験開始時の絶対温度、［K］
T2：試験終了時の絶対温度、［K］
P1：試験開始時の絶対内圧、［MPa］
P2：試験終了時の絶対内圧、［MPa］

Figure 2

c：ガスケットの接触外径周長、［m］

Table1 目標トルク、目標ボルト軸力及びガスケット面圧
フランジ締結体寸法

Class300 24B
No.6596V

No.GF300

ボルト締付けはトルクを指標にトルクレンチを用いて行う。目標

推奨締付け面圧［MPa］

5035

目標ガスケット応力［MPa］

4025

ガスケット面圧をガスケットNo.6596Vでは40MPa、ガスケット

目標ボルト軸力［kN］

98.4

85.6

No.GF300では25MPaとし、以下の式（2）から目標トルク値 T

目標トルク［N·m］

520451を決定した。Table1は目標ガスケット応力とトルクを示している。
σg
T＝K N Agd （2）
ここでは2-2）使用ガスケット
本研究に用いるガスケット寸法は、No.GF300ではφ612×T：トルク、［N・m］

φ772×t 3.0、No.6596Vで は φ603.2×φ628.6×φ685.8×

K：トルク係数、（=0.135）

φ 717.6×t 4.5である。いずれもASMEクラス300 24インチの

σg：目標ガスケット応力、［MPa］

径寸法である。

Ag：ガスケット接触面積、［mm2］
N：ボルト数、［本］d：ボルト呼び径、［m］

No.38

3. 締付け方法
本研究では7 種類のボルト締付け方法により締結体のボル実験では締付け周回毎にボルト軸力とフランジ隙間を測定する。

ト軸力のばらつき、密封特性及び締付け時間の比較を行った。Table2は各締付け方法を示し、以下に各締付け方法の概略を述べる。
3-1）JIS B 2251 による締付け方法 7）
JIS B 2251 フランジ継手締付け方法 7）では、4b）項に「フランジボルト本数が 12 本以上の場合は、指定された締付けトルクの110%を目標締付けトルクとする。
」と述べられており、本研究では目標トルクを100%に加えて110%とした場合も測定及び検討する。5.3b）4）項には「うず巻形ガスケットを用いる場
合は、ガスケット幅が狭いので片締めが生じやすく、これを防止するために仮締付けの最後に、すべてのボルトに対し、締付けトルクを目標締付けトルクの50%として、時計回り又は反Figure1

実験に用いたASME クラス300 24インチ管フランジ締結体装置の写真

Winter 2020

ガスケット

Figure2は管フランジ締結体の締付け作業の写真を示し、バルカー技術誌

atm：標準気圧（=0.101325）［、MPa］締付け作業の写真

時計回りの締付け手順によって1 周の締付けを行う」と記述されているため、うず巻形ガスケットNo.6596Vとシートガスケット
4ボルト締付け方法が大口径管フランジ締結体の密封特性に及ぼす影響について

No.GF300では締付け方法が異なる。また、JIS B 22517）で用されている締付け方法であるが、多くの時間を要するといは場合によっては増締めを提案されており、本研究でも増締う課題が指摘されている。
Alternative #1 及び #2はStep1とStep2では4 本ずつ異めを実施した。
7）なるボルトに対して段階的にトルクを上げることで序盤のステッJIS B 2251による締付け方法 の大きな特徴は、4 本だけプにおいて締結ボルト本数を低減する方法である。

（ボルト本数が 24 本以下の場合）を先に仮締めし、本締めでAlternative #3はJIS B 22517）と同様に4 本だけを仮締めは全てのボルトを周回締めすることである。本締めは単純な周回締めであるため、時間短縮と締忘れなどのミス防止が期した後に周回締めという単純な締付け方法となっている。
ASME PCC-16）の4 種類の締付け方法の最終ステップは、待出来る。

いずれも「ナットが回らなくなるまで」とされており、Table2に記3-2）ASME PCC-1 による締付け方法
6）

6）

載されている締付け周回数は本実験でナットが回らなくなっ7）た周回数の結果である。

ASME PCC-1 ではJIS B 2251 とは異なりガスケット種類によって締付け方法が変わることはない。本研究では従来か

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3-3）3 Rounds 締付け方法

ら提案されているLegacy、及び 2013 年から新たに加えられ

JIS B 2251 及び ASME PCC-1の締付け方法に加えて、たAlternative #1、#2、#3を対象としている。

段階的に対角締めを3 周する簡便な方法も検討する。

Legacyは全てのボルトを対角締めする方法で、最も広く採Table2
目標トルク

本研究で用いたボルト締付け方法

ガスケット

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No.6596V
JIS B 2251 110%

110%
No.GF300

No.38

No.6596V
JIS B 2251 100%

100%
No.GF300

ASME
Legacy5100%

ASME
Alt.#1100%

ASME
Alt.#2

100%

ASME
Alt.#3100%

3rounds100%

No.6596V
No.GF300

No.6596V
No.GF300

No.6596V
No.GF300

No.6596V
No.GF300

No.6596V
No.GF300

Step 1

Step 2

Step 3

Step 4

ボルト数

4

24

24

24

締付け周回数

4

1

62
周回

順序

対角周回

周回

ボルト数

4

24

24

締付け周回数

4

62

順序

対角

周回

周回

ボルト数

4

24

24

24

締付け周回数

4

1

62
周回

順序

対角

周回

周回

ボルト数

4

24

24

締付け周回数

4

62

順序

対角

周回

周回

ボルト数

24

24

24

締付け周回数

3

3

3

─

計
232
bolts

208
bolts

232
bolts

─208
bolts

─216
bolts

順序

対角

周回

周回ボルト数

4162424締付け周回数2113

順序対角対角対角周回ボルト数

41624

24

締付け周回数

2113対角周回──

108bolts──72bolts

順序対角対角ボルト数424

締付け周回数34

順序対角周回ボルト数

24

締付け周回数

3

順序対角

─120
bolts

120bolts

技術論文

4. 実験結果
4-1）フランジ面間隙間分布

Figure6 及びFigure7はガスケットをNo.6596Vとした場合のそれぞれ最終ボルト軸力分布及び軸力のばらつき結果を示している。No.GF300の場合と同様に3 Rounds 方法でば

Figure3は7 種類の方法で締め付けた場合のフランジ面らつきが著しく、3 本に1 本はボルト軸力がゼロであった。

間 隙 間 分 布を示している。 組み込んだガスケットが No.

Figure7において、Qの値はJIS110％でQ=1.47となり一番

GF300の結果は実線、No.6596Vの結果は破線で示されて小さい値を示している。さらにQの値は No.6596Vの締付けいる。ガスケットが No.GF300の場合、締付け方法の影響はの方が No.GF300の締付けより大きいことを示している。

軽微であった。一方でNo.6596Vの場合、JIS B 22517）とASME PCC-16）の規格に基づく方法ではほぼ同様の結果が得られたが、3rounds 方法では少し隙間が大きく、圧縮量が小さいという結果であった。

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Winter 2020
No.38
Figure4 ボルト軸力分布（No.GF300）

Figure3 フランジ面間隙間分布

4-2）ボルト軸力分布
Figure4 及びFigure5はガスケットをNo.GF300とした場合のそれぞれ最終ボルト軸力分布及び軸力のばらつきを示している。いずれの締付け方法でも弾性相互作用によって軸力のばらつきが見られる。特に3 Rounds 方法ではばらつきが大きく、締付け係数 Q（=Fmax/Fmin）
は2.62であった。最小ボルト軸力Fminについては弾性相互作用の影響により全てFigure5 ボルト軸力のばらつき（No.GF300）の締付け方法で目標ボルト軸力85.6kNを達成出来なかった。
これによると、JIS110％（Table2）でQの値は1.31であり、Alt#3の場合が Q=1.33となり一番小さい値を示している。
6ボルト締付け方法が大口径管フランジ締結体の密封特性に及ぼす影響について

ジ締結体においては、一部でもボルト軸力が低い場合はその付近のガスケット接触面から漏れが生じやすくなると考えられる。密封特性向上のためには最小ボルト軸力を出来るだけ大きくすることが重要であることが示されている。

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Figure8Winter 2020

Figure6 ボルト軸力分布（No.6596V）

密封特性4-4）レンチの移動距離
Figure9は6 種類の締付け方法における締結時のレンチの移動距離を示す。移動距離はボルト穴間の直線距離ではなく、円周に沿った最短距離で計算している。JIS B 2251
及 び ASME Alt#3は 比 較 的 移 動 距 離 が 短 か った。
3 Rounds 方法は締結ボルト数が最も少ないにもかかわらず移動距離が長かった。周回締めが多い締付け方法では移No.38

動距離が短くなり、対角締めが多い締付け方法では移動距離が長くなる傾向と言える。

Figure7 ボルト軸力のばらつき（No.6596V）

4-3）密封特性
Figure8は各方法で締め付けた管フランジ締結体の漏れ量の測定結果を示している。いずれの締付け方法でもガスケットが No.GF300の場合の締結体の方が、No.6596Vの場合の締結体よりも漏れ量が小さかった。また、同図には24 本の最小ボルト軸力 Fminも併記している。各締付け方法による

Figure9 レンチの移動距離

漏れ量を比較すると、最小ボルト軸力が大きいほど、漏れ量が小さくなることが分かる。逆に言えば最小ボルト軸力が小さ

4-5）締付け時間

いほど局所的にガスケット接触応力がより小さくなり漏れ量がFigure10は6 種類の締付け方法のそれぞれに要した締大きくなる。すなわち最小のガスケット接触応力が漏れ量に付け時間を示す。本実験では締付け作業中にフランジ面間及ぼす影響が大きいことを示している。ガスケット付き管フラン隙間を測定しているが、Figure10の結果は隙間測定時間を7技術論文含まないものとする。締付けボルト数が多いJIS B 22517）及びASME PCC-16） Legacyは締付け時間がより長く、締付け6. おわりにボルト数が少ない3 Rounds 締付け方法は最も短い締付け

米国機械学会（ASME）では締付け効率η（assembly時間となった。ここではトルクレンチを用いたが、油圧レンチ、efficiency）なる因子を導入している。ηは達成された全ボルトルクテンショナーなど、工具及び現場の環境によって締付けト軸力と目標ボルト軸力の比であり、値は1より小さい。すなわ

時間は大きく変わると考えられる。

ち実際の設計施工ではボルト軸力の目標値に更に1/ηを掛けて大きめに設定する。JIS B 22517） 110％の基本的考え方
は10％大きめに締め付けることである。しかしこれはボルト軸力基準であり、必ずしも適切ではないことが知られ、漏れ量基準の締付け効率を用いることも提案されている9）。求める
ガスケット締結体の密封特性を指標とする、より効率的な締付け方法へと改良の余地があると考えられる。本研究がプラ
なお、本実験に関しては三菱ケミカル株式会社の森本吏一氏より御助言を賜った。記して感謝の意を表したい。

Figure10

締付け時間

7. 参考文献1）‌村松 晃，“体験型シール施工研修センターシールトレーニン

本報では、大口径管フランジ締結体を用い、No.GF300 及2）‌H. Lejeunt, Y. Birembaut, Alexander Riedl, Arne

び No.6596Vの2 種類のガスケットに対し、7 種類の締付け方

Schunemann,“Investigation on Different Tightening

法で締め付けた際の密封特性、フランジ隙間、ボルト軸力、Procedures on Several Bolted Flange Types,

トルクレンチの移動距離及び締付け時間を測定し、以下のdimensions and Their Associated Gasket Types”,結果が得られた。

PVP2011-57525, Proceeding of ASME PVP 2011（1）‌いずれの締付け方法を用いてもフランジ隙間分布に大きConference,（2011）

グセンター”，Valqua Technology News Vol. 33，（2017）

な差異は見られなかった。
（2）‌管フランジ締結体の密封特性は締付け方法に影響さ
7）

3）‌H. Gong, Russell R. Flocken,“Study of Bolt Tightening
Methods Using Load Indicating Bolts”, PVP2016-

れ、JIS B 2251 110% 締付け方法が最も漏れ量が少な

63723, Proceeding of ASME PVP 2016 Conference,

かった。ついでJIS B 22517） 100%であった。3 Rounds（2016）

締付け方法は簡便であるが密封特性が劣ることが示さ

4）‌H. Gong, Wesley Pudwill, Elysia J. Sheu,“Study ofAlternative Assembly Patterns Using Finite Elementれた。
（3）‌管フランジ締結体の密封特性は最小ボルト軸力に影響されることを示し、最小ボルト軸力をできるだけ大きくする

Analysis and Lab Tests”, PVP2018-84465, Proceedingof ASME PVP 2018 Conference,（2018）

ことが密封特性向上に重要であることが示された。

5）‌W. Brown,“Efficient Assembly of Pressure Vessel（4）‌締付け方法は、対角締めが多いとトルクレンチの移動距Bolted Joints”, PVP2004-2635, PVP-Vol. 478, Analysis

離が長くなる傾向にあり、締付け回数が多い締付け方
法は締付時間が長くなる傾向にある。
（5）‌JIS B 22517）及びASME PCC-16） Legacy、Alt#1は漏れ量が比較的少ないが、多くの締付け時間が必要となる。3 Rounds方法は比較的漏れ量が大きかったものの、7）

JIS B 2251 に比べると締付け時間は半分以下である。

of Bolted Joints,（2004）
6）‌ASME PCC-1,“Guidelines for Pressure Boundary
Bolted Flange Joint Assembly”,（2013）7）‌Japanese Industrial Standards. JIS B 2490“フランジ継手締付け方法”,（2008）8）‌藤原隆寛，“密封特性に対する締付手順の影響”，Valqua
Technology News Vol. 37，（2019）
8

Winter 2020

5. まとめバルカー技術誌

ントの締付け作業の一助になれば幸いである。

No.38

ボルト締付け方法が大口径管フランジ締結体の密封特性に及ぼす影響について9）‌X. Zheng, K. Sato, T. Fujihara, Y. Akamatsu, T.
Sawa,“Effect of Tightening Procedure on theFlange Connections”, PVP2019-93497, Proceedingsof ASME PVP 2019 Conference,（2019）

Sealing Performance of Bolted Gasketed Pipe

鄭興

中国総合研究所
シールエンジ開発チーム

バルカー技術誌

藤原隆寛

Winter 2020研究開発本部
第 1 商品開発部

No.38

9佐藤 広嗣研究開発本部
第 1 商品開発部

澤俊行

広島大学名誉教授