メタル中空Oリングの基礎密封性能評価

バルカー技術誌

1. はじめに漏れ量はおよそ1×10−4 ～1×10−11Pa･m3/sを検知出来る。

メタル中空 Oリング
（以下、Oリング）は高圧配管用のフラン×管厚がφ3.2×t0.8、φ3.2×t0.5、φ3.2×t0.35、φ3.2×t0.25、ジ接続部に多く使用され、その変形特性についてのいくつか

φ2.4×t0.5の5 種類である。所定の圧縮荷重を負荷した後にの研究は行われてきた

OリングはNo.3640の銀メッキを施したSUS321 材とし、管径1）2）。しかし実用上重要な密封性能は十分には明らかにされていない。そのため、目標密封基準にヘリウムガスを散布し、漏れ量及び Oリング圧縮量を計測する。

対しての指標がなく、設計段階における各種の設計項目は経験的に決定されている。一般のリング状のガスケットでは有効締付圧と基本漏れ量の関係が評価出来る規格 3）が定Winter 2023

められているが、Oリングでは受圧面積の算出が困難であり、簡易的に接触円周長より算出した線圧（単位長さあたりの荷重）を用いている。しかし線圧と密封性能との間に相関性はなく評価指標として実用上有用ではない。このため密封性能評価のためには初期ボルト締付け時のOリングの接触応力状態及び内圧作用時の接触応力と漏れ量の関係を把握No.44する必要がある。
そこで本研究では圧縮荷重を受けるメタル中空 OリングのFigure1

Experimental equipment for platen tests

密封性能を明らかにすることを目的とし、プラテン試験における圧縮時のOリング単体での漏れ量をヘリウムリークディテクターによって測定する。一方で有限要素法解析によって上記

3. 有限要素法解析

プラテン試験での圧縮荷重に対するガスケット接触応力及び2.で述べた実験に対応する有限要素解析を用いた非線変形状態を調べ、Oリングの管径及び管厚が Oリングの接触形 構 造 解 析を行う。 有 限 要 素 解 析 には 汎 用コード

応力と漏れ量との関係に及ぼす影響を検討し、今後の許容ABAQUSを用いる。Figure2は有限要素解析で用いたメタ漏れ量を満足する締結体設計法に必要な資料を提供するこル中空 Oリング付きプラテン試験装置の解析モデルであり、とを目指す。

接触条件及び境界条件を示す。軸対称性を考慮しており、プラテン及び Oリングともに弾塑性要素としている。要素モデ

2. 実験方法

ルは四角形 1 次要素としており、メッシュ分割数はプラテン

Figure1は本研究で用いたプラテン試験装置を示す。材

ラテンとOリングの 接 触 部についてはメッシュサイズを料試験機（島津製作所製 AUTO GRAPH 500KND）、試0.01mm、その他は2mmにて分割している。また変形時の験体のメタル中空 Oリングを挟み込むプラテン（SUS304 製、断 面 変 化を考 慮し大 変 形 解 析モードを採 用している。

φ150mm×H25mm）、ヘリウムガスボンベ、圧力計、漏れTable1は各材料物性値を示す。なおFigure3はOリングの量計測装置及び変位計測機から構成される。漏れ量計測

各部寸法名称を示す。

装置はヘリウムリークディテクター（ULVAC製）を用いており、1514317、Oリングは寸法ごとに異なり30954～78317であり、プ

技術論文に対して、 直 径 DのOリングの円周 長さπDより、η＝P/（πD）
で定義される。実線は実験結果、破線はFEM結果を示している。実験結果とFEM解析結果はかなりよく一致しており、FEM 解析の妥当性が示されている。
Figure5は実験で得られた漏れ量と線圧の関係を示す。
漏れ量はFigure5の線圧×圧縮量線図の線形から非線形への移行区間で急激に小さくなっておりシール開始点となっていることが分かる。これはOリング接触面が塑性変形しフランジ面となじむためである4）。漏れ量の優劣を比較すると管厚 - 管径比 kに比例し漏れ量が小さい傾向となっている。
Figure6はFEM解析結果で得られた（a）
シール開始点時
Figure2

A model for FEM simulation

は管厚 - 管径比 kに比例し大きくなっていることが分かる。

Material property for each element

また管厚 - 管径比 k が 0.16 以下では圧縮過程において漏SUS321，SUS304

Ag plating

Young's
Poisson's Stress Strain
modulus
ratio[MPa] [−]
[MPa]

Young's
Poisson's Stress Strain
modulus
ratio[MPa] [−]
[MPa]

0.3

は圧縮過程において接触部中央に座屈が生じ、接触応力0000の低下により漏れ量が増加するためである。具体的な例で2050.001

2050.002示すため、漏れ量の小さいφ3.2×t0.8とより大きいφ3.2×2600.003

2600.004

t0.25においてシール開始時と締切り時の接触応力分布を比2710.004

2710.005

2780.005

2780.006

較する。φ3.2×t0.8ではシール開始時［Figure6.（a）］の接触2840.006

2840.007

2880.007

2880.008

3500.032

3500.033

t0.25はシール開始時の接触応力がより低く、かつ締切り時4100.055

4100.082の接触幅域での接触応力の変動幅がより大きく接触幅も狭5200.0995200.302

い。これより漏れ量増加の要因は圧縮過程における接触域830000.37

応力が高く、締切り時［Figure6.（b）］の接触幅域での接触応力の変動幅もより小さく接触幅もより広い。対してφ3.2×中央部の座屈による接触応力低下と推察される。
Figure7は実験で得られた線圧と漏れ量の関係を示す。
線圧と漏れ量に相関性はないことが分かる。ただしシール開始点線圧、締切り時線圧で分類分けすると強い相関が認められる。
次に、線圧を接触応力で表すことで一意的な指標として表すことが出来ないかを考える。Figure8は実験及び FEM解析で得たシール開始点と締切り時の漏れ量と平均接触応力の関係を示す。平均接触応力とは接触幅に分布する各接触応力の平均値を指す。漏れ量と平均接触応力には相関が認められるが、シール開始点時と締切り時で分類分けが出来、一意的な指標としては有用ではない。
Figure3

Geometry and designations of O-ring

Figure9は実験及び FEM 解析で得たシール開始点と締切り時の漏れ量と最大接触応力の関係を示す。最大接触

4. 実験結果及び解析結果
Figure4は実験結果とFEM 解析結果から得られた線圧 圧縮量の関係を示す。なお線圧ηは、プラテンの圧縮荷重 P

応力とは接触幅に分布する各接触応力値の最大値を指す。
開始時と締切り時で分類分けせずとも、漏れ量と最大接触応力には非常に強い相関が認められる。よって、漏れ量への寄与度は最大接触応力が一番大きいと考えられる。
16

Winter 2023

193000

れ量下限のピークを迎えた後、漏れ量が増加している。これ

バルカー技術誌

Table1と（b）
締切時の接触応力分布を示す。接触応力及び接触幅No.44メタル中空 O リングの基礎密封性能評価

Figure10は実験及びFEM解析で得たシール開始点と締切時の漏れ量と接触幅の関係を示す。漏れ量と接触幅に相関はなく、接触幅の閾値として0.15mm 以上あれば、後は最大接触応力で漏れ量は決まると考えられる。

バルカー技術誌

Figure4 R elationship between contact force per unit length
for O-ring and displacement

 elationship between leak rate and contact force
Rper unit length for O-ring

Figure8 elationship between leak rate and Ave. contact
R
stressFigure9 elationship between leak rate and max. contact
R
stressWinter 2023

Figure7

Figure5 R elationship between leak rate and contact force
per unit length for O-ring

No.44

Figure10 R elationship between leak rate and contact
length（a）Seal starting point

5. おわりに本研究ではメタル中空 Oリングの圧縮挙動と密封性能の関係を調べ、以下の結論を得た。
1）実 験結果より管厚 - 管径の組合せによって密封性能に差異が出ることが分かった。
2）FEM解析結果より管厚-管径の組合せによって接触幅（b）Metal touch point

Figure617

Contact stress distributions域の接触応力分布が異なることが示された。実験結果
から密封性能が良い結果となった管厚 - 管径の組み合技術論文

わせでは接触幅域の最大接触応力が大きく、密封性能がより悪い結果となった管厚-管径の組み合わせでは接触幅域の最大接触応力が小さいことが示された。
3）密封性能がより悪い管厚 - 管径の組み合わせは圧縮過6. 参考文献
1）Kobayashi,T., Deformation Characteristics of a Metal
Hollow O-ring, PVP1999-382

程において接触中央部に座屈が生じ、接触幅域の接2）Mingxue Shen, Deformation Characteristics and

触応力が低下し、一時的な漏れ量の増加が生じること

Sealing Performance of Metallic O-rings for aが明らかにされた。ただし、管厚 - 管径比 kと座屈の明Reactor Pressure Vessel, Nucl. Eng. Technol. 48

確な相関は得られておらず更なる研究が必要である。

（2016）,

4）実験漏れ量とFEMによる最大接触応力の関係を評価

3）JIS B 2490 管ガスケット用ガスケットの密封特性試験方法

し相関性があることを示した。これを用いることで設計

4）近藤康治，椿翔太，澤俊行，大宮祐也，“内圧を受けるリン段階による漏れ量の予測が可能になった。

グジョイントガスケット付き管フランジ締結体の有限要素法
応力解析と密封性能評価”, 機論，80 巻，816 号，pp.1-13（2014）

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本研究を行うに当たり終始ご丁寧なご指導・助言をいただ
きました、株式会社帝国電機製作所 様に心より感謝の意を表します。

山本 公平

広島大学名誉教授

技術総合研究所

Winter 2023

澤 俊行

No.4418