技術論文

プラント向け高温用ガスケット

1. はじめに
ガスケットは、あらゆる産業でさまざまな流体、温度、圧力高温用ガスケットの基本はメタルガスケットである。ただし、メタルガスケットは高圧用途として用いられることが多い。
Table1に主なメタルガスケットを示す。

漏洩が発生した場合には、火災や爆発あるいは有害物質漏出による環境汚染といった問題をもたらすこともあるため、バルカー技術誌に対して長期間にわたりシールすることが要求される。仮にTable1 メタルガスケット

使用条件に適したガスケットを選定することが極めて重要となる。
石油精製、石油化学プラントや火力発電プラントなどではWinter 2014

蒸気やプロセス流体が数百度の高温になり、特に火力発電プラントにおける発電効率の向上に伴い、使用温度は上昇傾向にあるため、より耐熱性の高いシール製品が求められている。
本報ではこうしたプラントで使用されているシール製品の概要を紹介し、近年の動向についても触れる。

No.26

2. ガスケットの使用区分プラントで使用されているガスケットは多岐にわたるが、使用温度別でFigure1のように大別される。

Figure1 ガスケット使用指針2

プラント向け高温用ガスケット

中温中圧～高温高圧領域に使用されるセミメタルガスケッ

当社マイカフィラーは高温水蒸気雰囲気下での重量減少

トはうず巻形ガスケット、メタルジャケットガスケットがある。の原因となる補強用ガラスクロスを用いず、また、有機成分300℃以下の低温低圧に使用されるソフトガスケットとしては、を大幅に低減することにより、優れた高温シール性を実現しジョイントシート、ふっ素樹脂系シートガスケット、膨張黒鉛シーている。Table3にマイカフィラーの特性を、Figure3に熱サト（400℃）などがある。

イクルシール試験結果を示す。また、高温での使用実績をプラントの運転条件をTable2に示すが、大半は500℃程Table4に示す。マイカフィラーは最大 750℃まで使用可能で度であり、これを超える場合はメタルガスケットが使用される。

あり、流動接触分解装置（FCC）やエチレンプラントなどの高Table2 プラントの主な運転条件
プラント
温度（℃）
圧力（MPa）

バルカー技術誌

ナフサの熱分解
火力発電 700℃級 USC
600 度級 USC
超々臨界（USC）
超臨界
石油精製（接触分解）
石油精製（接触改質）
アンモニア合成（Haber-Bosch 法）
メタノール合成
（低圧法）

850
700
620593374.1
470 ～ 540
450 ～ 540
500200 ～ 300

353124.1
22.1
0.5 ～ 3.5
25 ～ 35
5 ～ 10温加熱蒸気ラインにも使用されている。

フィラー
マイカ
他社マイカ
他社バーミ
キュライト

Table3 マイカフィラーの特性
空気中 600℃×96h 加熱
重量減少率 形状保持性
柔軟性
耐粉体化
1.9%
4.8%

○○○×○
△

6.0%

○

×

○

3. 石油精製、石油化学プラント

Winter 2014

450～500℃超までの反応領域ではうず巻形ガスケットが使用される。膨張黒鉛をフィラーにしたうず巻形ガスケットはシール性に優れ、よく利用されている。しかし、450℃を超える酸化性雰囲気（空気を含む）において使用される場合は、膨張黒鉛が酸化反応によって徐々に二酸化炭素になり消失

No.26する。そのため、450℃を超える条件の場合は、複合フィラーうず巻形ガスケットが使用される。複合フィラーうず巻形ガスケットは膨張黒鉛フィラーをシール要素とし、酸化雰囲気側にFigure3

無機質紙やマイカなどの耐熱フィラーを配し、高温時の膨張黒鉛の酸化消失を耐熱フィラーで保護（酸素の供給を遮断）したもので、高温での長期シール性が維持できるガスケットである。Figure2に複合フィラーうず巻形ガスケットの構造を示す。
無機質紙フィラー または マイカフィラー

フィラー
複合
複合
複合
複合
複合
複合
複合
マイカ

熱サイクルシール試験結果

Table4
設備 ･ 機器

RFCC 設備
FCC 設備エチレンプラント
エチレンプラント
エチレンプラント
ボイラー
無機繊維製造ライン
HTSポンプ

高温での使用実績
温度
使用期間

600℃
400－650℃
700℃
350－500℃
500℃
400℃以上
650℃
420℃

状態

1 年で定期交換
良好
数ヶ月使用中良好
不明
良好
4ヶ月で定期交換 良好
1 年 10ヶ月使用中 良好
11ヶ月使用中
良好1 年 2ヶ月使用中 良好
2 ～ 6 年使用中良好2012 年 4月現在

しかし、複合フィラーうず巻形ガスケットも膨張黒鉛の酸化
バルカホイルフィラー

Figure2

複合フィラーうず巻形ガスケット消失を完全に抑制することは不可能であり、時間経過とともに膨張黒鉛は消失し、いわゆる“寿命”が存在する。複合フィラーうず巻形ガスケットの寿命については、非石綿化のため

当社は複合フィラーうず巻形ガスケットとして、耐熱フィラーの緊急プロジェクトである2006 年 NEDO 開発支援事業におに無機質紙を用いたNo.8590Lシリーズと、マイカフィラーを用いて、膨張黒鉛の酸化減量にArrhenius 式を適用し、膨張いたNo.M590Lシリーズをラインアップしている。

黒鉛フィラー酸化の活性化エネルギーを測定し、その寿命予

3

技術論文

測が可能であることを確認した 1）。すなわち、許容漏洩量以全であった。これより、複合フィラーうず巻形ガスケットの膨張上の漏洩が発生する膨張黒鉛の消失量（限界消失量）が求

黒鉛の酸化消失は、ガスケットとフランジの界面に沿って進む

められれば、膨張黒鉛消失の反応速度定数から算出されるのではなく、大気側から、膨張黒鉛１巻きごとに進んでいるこ

膨張黒鉛の消失速度によって、シール寿命を推定できる。とがわかった。

膨張黒鉛と酸素との反応は、反応速度は、式（１）のように酸素濃度と反応速度定数によって表される。
dW
V＝ ＝−kC［O2］dt
V：反応速度（１）

W：重量k：反応速度定数

t：時間

C［O2］
：酸素濃度

反応速度定数 kは、式（２）で表され、いくつかの温度でのバルカー技術誌

反応速度定数を求め反応速度定数 kと１／ Tで整理すれば、活性化エネルギーを導くことができ、これにより、反応の律速過程の推定や任意の温度における反応速度定数を求めることができる。
Ea
k＝Aexp（− ）RTFigure4（２）Ea：活性化エネルギー

R：気体定数

T：絶対温度

こうして求めた膨張黒鉛の酸化消失速度と、膨張黒鉛の減量と漏洩量の関係からガスケットの寿命が求められる。すなわち、フランジ締結状態での膨張黒鉛消失の活性化エネ

膨張黒鉛単独での重量経時変化、及びフランジ締結したルギーから対象温度での膨張黒鉛消失の速度定数を求め、ガスケットの膨張黒鉛消失減量の経時変化にArrhenius 式

膨張黒鉛消失速度を算出し、更に消失速度から、シール限を適用して、それぞれ膨張黒鉛単体、フランジ締結状態で界減量率となる時間を導いた。のガスケットの膨 張 黒 鉛の活 性 化エネルギーを求めた。
（Table5）
Table5

NEDOの実証試験では、許容漏洩量を4.7×10−3 Pa・m3/sとした場合のシール限界減量率 67%としたとき、Table6に示

膨張黒鉛消失反応の活性化エネルギー

膨張黒鉛単体フランジ締結状態

EsEf

活性化エネルギー

49.7 kcal/mol

したように、寿命予測結果は600℃で4.5ヶ月、450℃で約 16ヶ月であった。

10.4 kcal/mol

膨張黒鉛単体の活性化エネルギーは、49.7kcal/molであり、この値は、Fullerによって導かれた膨張黒鉛の活性化エ

温度
推定寿命

Table6 シール寿命推定結果例℃
600500monthdayh4.5
136
3,2609.82947,066

450

15.7470
11,272

ネルギー44.2 kcal/mol ２）やZaghibらによる44.9±0.5 kcal/mol 3）とも整合するものである。一方、フランジ締結状態での膨張黒鉛消失の活性化エネルギーは、10.4 kcal/molであった。通常、拡散の活性化エネルギーは、反応の活性化エネ

4. 火力発電プラント他ルギーより小さく、2.9～9.6 kcal/mol 程度とされる。すなわ

火力発電でも現行の600℃級超々臨界（USC）
ではうず巻

ち、フランジ締結状態での膨張黒鉛の消失は、拡散律速が形ガスケットが使用されている。ただし、火力発電は石油、支配的であり、マイカフィラーによる酸素遮蔽効果がみとめら

石炭、天然ガスなどの化石資源を燃料としているため、資源れる。の節減と二酸化炭素排出抑制の観点から、より一層の熱効次に、フランジ締結状態で膨張黒鉛の消失が進行したガ率の向上が求められている。熱効率を向上させるためにはスケット断面を観察したところ（Figure4）、外径側 1 巻き目のタービン入口条件の高温高圧化が必要で、特に次世代高効膨張黒鉛がほぼ消失しているのに対し、2 巻き目は、ほぼ健率発電システムとして期待される700℃級超々臨界圧発電
4Winter 2014

A：頻度因子

約 10％減量を生じたガスケット断面（外径側から大気侵入したケース）

No.26

プラント向け高温用ガスケット（A-USC）
では、金属材料開発を含めた開発が国家プロジェクトとして進められている。
その他の高温領域としては、製鉄所のコークス炉や高炉、転炉などが挙げられる。これらは内圧が極めて低いため、高度なシール性は必要なく、織布ガスケットなども多く用いられている。当社ではバルカテックスガスケットとしてNo.N214、No.N314 およびNo.N314に無機充填材を含浸し気密性を高めたNo.N314KSをラインアップしている。
（Table7）
Figure6

Figure5にN314とN314KSのシール性比較を示す。

製品番号
No.N214

Table7 バルカテックスガスケット
製品概要

ゴム引きガラス繊維を所定の平面形状に仕上げたガスケット

バルカー技術誌

ゴム引き金属線入りセラミック繊維布を所定の平面形状に仕上げたガスケット
ゴム引き無機充填材・金属線入りセラミック
No.N314KS 繊維布を所定の平面形状に仕上げたガスケット
No.N314

Table8
温度限界
圧力限界

使用温度
400℃

No.N340M 構成

No.N340M 使用範囲
800℃
0.49MPa※ 高度の気密性が要求される箇所には適さない。

800℃

5. おわりに800℃

今日、高温用ガスケットの主体はうず巻形ガスケットであるが、膨張黒鉛は450℃以上で酸化消失するため、複合フィラーうず巻形ガスケットが使用されてきた。しかし、火力発電

Winter 2014

プラントをはじめ、高温化が進むことが予想され、より高度な高温仕様が要求されることも考えられる。そのため、マイカフィラーなどの耐熱フィラーの高度化やメタルガスケットの充実など、ニーズに応じた製品開発を行っていく所存である。

6. 参考文献
No.261）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Figure5

製品に関する寿命推定実証技術の研究開発、2007 年 3

No.N314KSとNo.N314シール性能比較

月

ボイラ・タービンの排熱ダクトの継手部分、ダンパ、マンホー

2）E.L. Fuller, J.M. Okoh Kinetics and mechanisms ofルなどにグランドパッキンが使用される例も少なくない。No.

the reaction of air with nuclear grade graphite：IG-N340Mは基材に耐熱性の高いセラミックを使用しており、ま110, J of nuclear materials 240（1997），241-250.

た、シール性向上を目的とした充填材にも無機化合物を使用

3）K.Zaghib,X.Song,K.Kinoshita, Thermal analysis ofしているため、耐熱性、耐薬品性に優れている。

oxidation of natural graphite: isothermal kineticstudies, Thermochimica Acta 371（2001），57-64.

（abstract）
The plant makes use of a variety of gaskets. Depending on the usage, selecting the proper sealant is of utmost importance.
High temperature gaskets are primarily metallic and semi-metallic. Metal gaskets are suitable for high pressure situations.
In oil refining, petrochemical, and thermal power generation plants temperatures can reach 500℃; here Spiral WoundGaskets are largely employed. Metal gaskets are used in the case where temperatures exceed 500℃.
Although Spiral Wound Gaskets make use of an expanded graphite ﬁller and a compound ﬁller when temperatures exceed
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技術論文

500℃, deterioration and shortened service life due to oxidization has necessitated the development of resilient new ﬁllers
such as mica.
Keywords:
high temperature gaskets，Spiral Wound Gaskets，mica（摘要）
生产装置中会用到各种各样的密封垫片,符合使用条件的垫片选型则是重中之重。
高温用密封垫片基本上是金属、半金属密封垫片，其中金属密封垫片是高压用途下的主要选择。
石油精炼、石油化学以及火力发电相关的生产装置，多数都在500℃左右，使用的主要是缠绕密封垫片。超出该条件的情况则使用金属密封垫片。缠绕密封垫片中常用到膨胀石墨填料带以及复合填料带，但是膨胀石墨的氧化消失以及由此带来的寿

バルカー技術誌

命问题使得云母等耐热填料带的开发变得越发重要。
关键词：
高温用密封垫片，缠绕密封垫片，云母Winter 2014

野々垣 肇 Hajime NONOGAKI
シール開発部

開発グループ

No.26

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