LLW 輸送容器用ガスケットの開発

LLW輸送容器用ガスケットの開発
研究開発部

シール開発グループ永野
バルカー技術誌

We developed a gasket used for containers which carry low level radioactive waste.
This gasket has the low compressive force which can fix a lid. It can respond to it at wide tolerance level of alid. Furthermore, it has long life and the feature of ease of attachment.
Through its original form and concept, we were able to develop a highly efficient gasket appropriate for thespecifications.
Keywords:
low compressive force, wide tolerance level, long life, ease of attachment

Winter 2012
No.22

晃広

1. はじめに2. ガスケットの要求仕様と技術的課題

原子力発電所の運転や定期点検などの作業時に発生した比較的放射線レベルの低い廃棄物（低レベル放射性廃棄物開発するガスケットについて、従来品からの改良点を加えた要求仕様と技術的な課題をTable.1に示す。

〔Low-Level-Waste〕）
は、200リットルのドラム缶に収納して、Table.1 ガスケットの要求仕様と技術的課題

原子力発電所から陸上輸送と海上輸送を経て埋設する施設
1）へ輸送されている。

この輸送容器として、ドラム缶 8 本を収納することの出来る
今般、このLLW 輸送容器の蓋に取り付けるガスケットの開発を行なった。

基本仕様

LLW 輸送容器がある。
［Fig.1］

改良点

Fig.1
7

LLW 輸送容器

要求仕様

技術的課題

①シールに必要な接触面圧を有すること②ボルトで蓋の締め付け固定が実施できる低圧縮反力とすること③ガスケットへの圧縮力開放時の変形（歪み）量が少ない低圧
縮永久歪とすること④表面に割れやひびが起こらない耐熱性と耐候性を有すること⑤経年劣化の少ないこと（③と④の複合）①②低圧縮反力
低圧縮反力とした上で、相反する特性となる接触面圧を確保しつつ、圧縮量を可能な限り多く設定すること③④⑤長寿命
低圧縮永久歪で耐熱性と耐候性に優れること⑥着脱性
手作業で容易に着脱が出来ること⑦耐脱落性
接着しなくても蓋開放時に脱落しないこと⑧接触部のズレ対応
圧縮量や圧縮位置のズレを吸収すること⑥装着（交換）が容易であること⑦蓋開放時に脱落しないこと⑧ガスケットのシール当たり面には圧縮方向と水平方向に幅があり、これを吸 収できること[Fig.2]

技術論文に低圧縮永久歪で耐熱性と耐候性に優れた材料を候補とした。
［Teble.2］
Table.2

Fig.2 ガスケット接触部のズレ範囲

3. ガスケット仕様の机上検討
Table.1の要求仕様に応じた技術的課題を満足させるべVMQ
VMQ 50EPDM
EPDM 50

項 目単位

ゴム硬さ引張強さ
伸び
引張応力（M-200%）圧縮永久歪耐熱性 2）
耐候性 2）

JIS-A

5051MPa%9.135015.3810

MPa4.01.7%

1446（120℃×336hr）（120℃×336hr）

－

◎◎

－◎◎

注 1）
上記の値は、測定値の一例であり規格値ではない。
注 2）◎優、○良、△可、×不可

4-2）断面形状検討
3-1）低圧縮反力及び接触部のズレ対応（要求仕様①②⑧）
蓋と本体を固定するボルトによる締め付けと、ガスケットの圧縮量や圧縮位置のズレを考慮して、低圧縮反力とするための圧縮量と接触面圧が得られるものとする。加えて、圧縮量プと中空タイプで検討を行なったが、リップタイプではこれらを成立させることが困難であると結論し、中空タイプに絞って断面形状の検討を行なった。
まず初めにオーソドックスな断面形状の丸形状［Fig.3］と四角形状［Fig.4］から検討を始めた。

を多くすることから、相反する特性となる低圧縮反力とするために低硬度の材料とする。

Winter 2012に、形状はリップタイプ又は中空タイプとして、可能な限り多く低圧縮反力及び接触部のズレ対応を考慮して、リップタイ

バルカー技術誌

く、以下のデザインコンセプトを立案した。

候補材料の特性3-2）長寿命（要求仕様③④⑤）
低圧縮永久歪で耐熱性と耐候性に優れ、原子力用途としNo.22ても使用実績の多いVMQとEPDMを材質の候補とする。
Fig.3

3-3）着脱性（要求仕様⑥）

丸形状

Fig.4

四角形状

丸形状は、溝へ装着する際に捻れの発生が懸念され、まガスケットの着脱（交換）を容易にするため、蓋への装着はた、水平方向に範囲のあるガスケット接触部の圧縮位置に接着剤等を使用しない方法とする。加えて、手作業での着脱よっては圧縮量が大きく変わること、更に、装着した溝から脱も容易にするため、ガスケットの幅を蓋の溝幅よりも小さくする落する可能性が考えられることから、不適であると判断した。

こと及び、低硬度の材料を選定する。

四角形状は、着脱性を考慮してガスケットの幅を小さくすると溝から脱落し易くなり、耐脱落性を考慮してガスケットの幅を3-4）耐脱落性（要求仕様⑦）
蓋へガスケットを接着しなくても蓋開放時に脱落することのないようにするため、ガスケットの幅を溝の幅よりも大きくして、ガスケット自体の拡張力で保持をする設定とする。

大きくすると着脱性が悪くなることが考えられた。また、FEM解析では、圧縮量が少なくなると接触面圧が低く成り過ぎる結果となった。
このことから、中空タイプでもオーソドックスな断面形状では、技術的課題として挙げた低圧縮反力及び接触部のズレ

4. デザイン4-1）材料検討
低圧縮反力及び接触部のズレ対応と着脱性を考慮してゴ
ム硬さは低硬度の50 度を選定した。また、長寿命とするため対応を両立させることが困難であると判断した。
そこで、溝へ装着する際に捻れの起こることもなく、水平方向にズレのあるガスケット接触部の圧縮位置に対しても圧縮量の変わることがない、四角形状をベースとして、以下の面取りタイプ［Fig.5］とＲタイプ［Fig.6］を検討した。
8

LLW 輸送容器用ガスケットの開発生み出す構造とした。この構造の場合は、Fig.10に示すようにガスケット接触部の位置が水平方向の最大ズレ位置で、且つ、圧縮量が最大となっても、ガスケットの圧縮反力は過大にならない。このことから、ガスケットの肉厚（c）と高さ（g）を調整し易い。従って、面取りタイプよりもガスケットを高く設定して、圧縮量を多くすることが出来た。
Fig.5

面取りタイプFig.6 Ｒタイプ

相反する着脱性と耐脱落性を両立させる手段については、面取りタイプと同様とした。

〔面取りタイプ〕
本体側のガスケット接触部で圧縮されるシール部の両端を面取り形状（a）とした。こうすることで、圧縮時に面取り部を屈折 [Fig.7]させて、シール部を反転することにより圧縮反力を生バルカー技術誌

Winter 2012
No.22み出す構造とした。しかしながら、この構造の場合は、Fig.8

Fig.9 シール部の伸びる構造に示すようにガスケット接触部の位置が水平方向の最大ズレ位置で、かつ、圧縮量が最大となると、ガスケットの圧縮反力が過大になり易くなる。そこで、ガスケットの肉厚（c）と高さ（b）を調整する必要が生じた。これらのことを踏まえた上で、低圧縮反力と接触部のズレへの対応を両立させるため、ガスケット

Fig.10の肉厚（c）を薄く設定した。しかし、この肉厚の調整に伴って、水平方向最大ズレ位置＋圧縮量最大ガスケットの高さ（b）設定に制約が生まれたため、その結果、圧縮量は多くすることが出来なかった。
手作業による着脱性を容易にするためには、溝幅よりもガス5. FEM解析による検証ケットの幅を小さくする必要がある。しかしながら、ガスケットの面取りタイプとＲタイプについて、FEM 解析を行い、低圧縮幅を小さくすると、溝から脱落することが考えられる。従って、反力及び接触部のズレ対応と接触面圧のシミュレーションを実

この相反する着脱性と耐脱落性を両立させる必要があった。

施した。

その手段として、ガスケットの幅（d、e）を適正な寸法に設定した。着脱性ではガスケットの上部（d）を溝幅よりも小さくしてテーパーを設けた。耐脱落性ではガスケットの下部（e）を溝幅よりも大きくして、ガスケット自体の拡張力で保持する設定とした。

FEM 解析の項目及び目的をTable.3に示す。
Table.3
項 目
圧縮状態
圧縮反力
接触面圧

FEM 解析の項目と目的

圧縮位置

目 的Center（*1）
Side（*2）
Center（*1）
Side（*2）
Center（*1）
Side（*2）

異常変形の有無を確認
ガスケット圧縮時の圧縮反力を確認
ガスケット圧縮時の接触面圧を確認（*1）溝中央位置（*2）水平方向の最大ズレ位置

Fig.7 シール部の反転構造

5-1）FEM 解析条件
FEM 解析の条件をTable.4に示す。
Table.4
項 目

Fig.8

水平方向最大ズレ位置＋圧縮量最大〔Ｒタイプ〕
本体側のガスケット接触部で圧縮されるシール部の両端をＲ形状（f）とした。こうすることで、圧縮時にガスケットの両側部が支え［Fig.9］となり、シール部が伸びることにより圧縮反力を9

圧縮方法
温度
摩擦係数
材料モデル
解析モデル
解析コード

FEM 解析条件
FEM 解析条件

圧縮量の許容差（Min/Nom/Max）
圧縮位置の許容差（Min/Nom/Max）
溝に装着して圧縮25℃
1（潤滑の無いドライ状態）
シリコーンゴム〔VMQ〕
平面歪みモデルMark 2007

技術論文5-2）FEM 解析結果

Table.8 Ｒタイプ／圧縮位置 Side

面取りタイプとＲタイプについてFEM解析を行ったところ共に低圧縮反力及び接触部のズレ対応と接触面圧を満足する結果となったことから、試作品による性能確認を実施することとした。

押さえ量

圧縮状態が最大となる圧縮量 Max ／圧縮位置 Max 時［Table.6］でも圧縮反力は低く、接触面圧も確保されている。
Table.5
圧縮量

面取りタイプ／圧縮位置 Center
MinNomMax

圧縮状態

NomMax0.53
適正範囲内
溝底側0.66 ／ 0.77
押さえ側0.31
適正範囲内

1（基準）
適正範囲内
溝底側
1 ／ 1（基準）
押さえ側
1（基準）
適正範囲内

1.75
適正範囲内
溝底側
1.58 ／ 1.23
押さえ側2.24
適正範囲内

圧縮状態
圧縮反力

5-2-1）面取りタイプ［Table.5～6］

Min

接触面圧
（左側／右側）注）
表中の数値はNom 値を基準とした比率を表す。

縮反力であり、接触面圧も確保されている。

圧縮反力
接触面圧
（左側／右側）

0.76
適正範囲内
溝底側
0.79 ／ 0.81
押さえ側
1.15
適正範囲内

1（基準）
適正範囲内
溝底側
1 ／ 1（基準）
押さえ側
1（基準）
適正範囲内

1.14
適正範囲内
溝底側
1.17 ／ 1.17
押さえ側0.87
適正範囲内

FEM 解析の結果において、低圧縮反力及び接触部のズレ対応と接触面圧が満足した面取りタイプとＲタイプについて試作を行ない、寿命と着脱性、耐脱落性の性能確認を実施した。

バルカー技術誌

6. 性能確認注）
表中の数値はNom 値を基準とした比率を表す。

面取りタイプ／圧縮位置 Side
MinNomMax6-1）材料試験【長寿命】
6-1-1）目的

長寿命とするために低圧縮永久歪で耐熱性に優れた材

圧縮状態料である必要があることから、圧縮永久歪試験と空気老化

圧縮反力
接触面圧
（左側／右側）

0.61
適正範囲内
溝底側
0.64 ／ 0.73
押さえ側
0.34
適正範囲内

1（基準）
適正範囲内
溝底側
1 ／ 1（基準）
押さえ側
1（基準）
適正範囲内

1.05
適正範囲内
溝底側
1.11 ／ 1.17
押さえ側
2.05
適正範囲内

注）
表中の数値はNom 値を基準とした比率を表す。

5-2-2）
Ｒタイプ［Table.7～8］

圧縮状態が最大となる圧縮量 Max ／圧縮位置 Max 時［Table.8］
は、圧縮反力が面取りタイプに比べると高くなる試験を実施する。

No.226-1-2）方法

・硬さ試験：JIS K 6253

・引張強さ試験：JIS K 6251

・伸び試験

：JIS K 6251

・引張応力試験：JIS K 6251

・圧縮永久歪試験：JIS K 6262
・空気老化試験：JIS K 6257

が、ボルトによる蓋の締め付け（安全率含む）が可能な低圧
6-1-3）試料

Table.7 Ｒタイプ／圧縮位置 Center
押さえ量MinNomMax

圧縮反力
接触面圧（左側／右側）

JIS 規格に準ずる。
6-1-4）試験条件

圧縮状態
0.67
適正範囲内
溝底側
0.31 ／ 0.78
押さえ側
1.04
適正範囲内

1（基準）
適正範囲内
溝底側
1 ／ 1（基準）
押さえ側1（基準）適正範囲内

注）
表中の数値はNom 値を基準とした比率を表す。

1.26
適正範囲内
溝底側
1.25 ／ 1.24
押さえ側0.94
適正範囲内Winter 2012

Table.6
押さえ量

・常態物性

：硬さ、引張強さ、伸び、引張応力

・圧縮永久歪 ：150℃×336hr
・空気老化試験：150℃×336hr
6-1-5）試験結果

ガスケットの寿命に影響する圧縮永久歪は、EPDMよりも10

LLW 輸送容器用ガスケットの開発

VMQ が低い値であり、VMQの中でも50 度は空気老化試
験において優れた結果となったことから、材料はVMQ50を選定した。
［Table.9］
Table.9
試験項目単位

バルカー技術誌

常態物性
JIS-A
・ゴム硬さ
MPa・引張強さ%
・伸び・引張応力
MPa（M-200%）圧縮永久歪試験%・圧縮永久歪空気老化試験
度・ゴム硬さ
MPa・引張強さ%
・伸び・引張応力%（M-200%）

材料試験結果

VMQ
50

VMQ
70

EPDM
50

EPDM70圧縮反力試験結果形状
面取りタイプ

VMQ
50Center

Min/Nom/Max

適正範囲内

Side

Min/Nom/Max

適正範囲内

Ｒタイプ

VMQ
50CenterMin/Nom/Max

適正範囲内

Side

Min/Nom/Max

適正範囲内

圧縮位置

圧縮量507151706-3）圧縮永久歪試験【長寿命】

9.18.715.318.06-3-1）目的

350

210810430

4.08.2

1.77.8

結果

圧縮による永久歪を確認するため、面取りタイプとＲタイプの試作品で圧縮永久歪試験を実施する。

（150℃×336hr）
28215243（150℃×336hr）

6-3-2）方法＋1＋3＋5＋5

ガスケットを装着する蓋側の溝と本体側のガスケット接触部－2＋7－47－13－4－2－16－16を模擬したフランジにて、供試試料を所定の高さまで圧縮し、＋2＋9－1－12

下記条件後の圧縮永久歪を求める。
6-3-3）試料［Fig.5～6］6-2）圧縮反力試験【低圧縮反力、接触部のズレ対応】

・試験片 100mm×n=3pc

Winter 2012

6-2-1）目的

蓋と本体を固定するボルトによる締め付け（安全率含む）

6-3-4）試験条件が可能であるのかを確認するため、各圧縮量と各圧縮位置

・試験環境：大気中時の圧縮反力を測定する。

・試験温度

：常温

・試験時間

：168Hr（1 週間）

6-2-2）方法

No.22

Table.10
材質
硬さ・フランジ数：1 温度条件×1 種時間

ガスケットを装着する蓋側の溝と本体側のガスケット接触部を模擬したフランジにて、供試試料を所定の高さまで圧縮し、その各圧縮時の反力を測定する。
6-2-3）試料［Fig.5～6］

・試験片 100mm×n=3pc
6-2-4）試験条件

・試験状態 ：ドライ・試験温度：常温・試験回数：各試料に対して4 回繰り返し

Fig.11

圧縮前〔Ｒタイプ〕

Fig.12圧縮後〔Ｒタイプ〕

6-3-5）試験結果

圧縮永久歪を測定した結果、面取りタイプとＲタイプは共に低い値であることから、長寿命となることが期待できる。

6-2-5）試験結果［Table.11］

各圧縮量と各圧縮位置時の圧縮反力を測定した結果、面取りタイプとＲタイプ共に低く、蓋と本体を固定するボルトによる締め付けが可能であることが確認できた。なお、この結果は、5 項のFEM 解析によるシミュレーションと概ね等しい値であった。
［Table.10］

11

Table.11

圧縮永久歪試験結果

形状

材質
硬さ

圧縮位置結果面取りタイプ

VMQ
50Center

適正範囲内

Side

適正範囲内

Ｒタイプ

VMQ
50Center

適正範囲内

Side

適正範囲内

技術論文

6-4）装着試験【着脱性】

6-5-4）試験条件

6-4-1）目的・試験状態：ドライ／ウエット（水塗布）

手作業による着脱が容易であるのかを確認するため、装・試験温度：常温・試験回数：各試料に対して3 回着試験を実施する。
6-4-2）方法

6-5-5）試験結果

ガスケットを装着する蓋側の溝を模擬したフランジに供試試料を装着する際の荷重を測定する。

取り外し時の荷重を測定した結果、Ｒタイプは荷重の高くなるドライ状態で、面取りタイプに比べて高い値となったが、手作業による交換が可能な値であることが確認できた。また、

6-4-3）試料［Fig.5～6］

Ｒタイプは蓋開放時の耐脱落性に対しても、ドライ／ウエット状態共に取り外し荷重が高い結果であることから優位性が・試験片 100mm×n=1pc認められた。
［Table.13］
・試験状態：ドライ／ウエット
（水塗布）

形状

・試験温度：常温

面取りタイプ

・試験回数：各試料に対して3 回Ｒタイプ

6-4-5）試験結果

Table.13
材質
硬さ
VMQ
50
VMQ
50

取り外し試験結果
状態

結果

ドライ

適正範囲内

ウエット

適正範囲内

ドライ適正範囲内

ウエット

適正範囲内

バルカー技術誌

6-4-4）試験条件

でも面取りタイプとＲタイプは共に低い値であることから、装着は手作業で実施できることが確認できた。しかしながら、装7. おわりに着を手作業で行なう際の容易さについて比較をすると、面取各性能確認において面取りタイプとＲタイプの比較を行りタイプは傾かないように注意して装着しなければならないのなった結果、優位性の認められたＲタイプをLLW 輸送容器に対して、Ｒタイプは傾きが起こり難く、容易に装着を行なうこ用のガスケットとして採用が決定した。とが出来たことから、装着性についてはＲタイプに優位性が認められた。
［Table.12］
形状
面取りタイプ
Ｒタイプ

Table.12
材質
硬さ

このＲタイプは、要求仕様①②⑧に応じた低圧縮反力及び接触部のズレ対応、要求仕様③④⑤に対応した長寿命、要求仕様⑥に対応した着脱性、要求仕様⑦に対応した耐装着試験結果

VMQ
50
VMQ
50状態

結果

ドライ

適正範囲内

ウエット

適正範囲内

ドライ

適正範囲内

ウエット

適正範囲内

脱落性を満足するシールである。
謝辞
この開発を進めるにあたり、ご指導を頂いた原燃輸送株
式会社、トランスニュークリア株式会社に厚く感謝致します。

6-5）取り外し試験【着脱性、耐脱落性】
6-5-1）目的

手作業による交換が容易であるのかと、蓋開放時に脱落しないことを確認するため、取り外し試験を実施する。

8. 参考資料
1）原燃輸送株式会社

HP http://www.nft.co.jp

2）バルカーハンドブック 技術編
6-5-2）方法

ガスケットを装着する蓋側の溝を模擬したフランジに装着した供試試料を取り外す際の荷重を測定する。
6-5-3）試料［Fig.5～6］

・試験片 100mm×n=1pc
12Winter 2012

装着時の荷重を測定した結果、荷重の高くなるドライ状態

No.22