JP2005510707A - 漏洩排出物捕集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シール周囲の雰囲気のサンプルを捕捉するための漏洩排出物捕集装置を提供すること。
【解決手段】 この排出物捕集装置は、シールに重なる形状を呈した低インピーダンス空間を形成する剛体部材と、低インピーダンス空間に連通する入口と化学物質検出装置に連通する出口とを有するコンジットを備え、この化学物質検出装置がシールから漏洩した排出物のサンプルを分析するように構成されている。

Description

本出願は、１９９７年の１１月１２日に出願された、発明名称「サンプル回収システム」にかかる米国特許第６，０２９，５０６号、および、１９９０年の１０月９日に出願された、発明名称「動荷重パッキンシステム」にかかる米国特許第６，０２９，５０６号に関連しており、本出願と同一の譲受人に譲渡され、上記引用した特許はこの明細書に参照によって組み込まれる。

本発明は、概して排出物保存捕集装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、シールの周囲の雰囲気における排出物の的確なサンプルを捕捉するための装置に関する。

プラントや工場はプロセス中の流体の流れを制御するためにプロセス制御装置を使用している。プロセス制御弁は燃料、食品、衣料などの消費者用の商品や物を製造するために用いられている。中規模の工場でさえ、何百もの弁やポンプを用いている。最も工業的なプラントでは、消費者製品を製造する工程において揮発性の有機化合物（ＶＯＣ’ｓ）を用いている。ほとんどの工業プラントでは大気へのＶＯＣｓの異常な排出を経験している。排出物はしばしば、バルブ、ポンプ、プロセス流体流に巻き込まれた配管材など、予想もしない源から逸散する。予想しない源からの排出物はしばしば「漏洩排出物」と呼ばれる。プロセスにおいて制御される対象物は、ガスであろうが複数相の媒体であろうが、ここでは流体と呼ぶ。多くのプロセス制御機器はプロセスのパラメータを制御するために回転する軸を有している。たとえば制御弁は、弁体を動かすための弁棒の位置を変化させることによって流体の流れを制御する。弁棒は弁体の位置を変えるために上下に摺動するかまたは回転する。この弁棒はシールに対して相対的に移動する。シールはプロセス流体が大気や外界に逸散することを防いでいる。

運転中には、弁棒はバルブシールに対して１秒当たり２回という頻度で動く。極端なケースでは、弁棒はバルブシールに対して１秒当たり５０回も動く。弁棒の頻繁な移動、大きな温度変化のようなサービス条件の要求、および、シール面近傍のプロセス化学物質や研磨材の粗い粒子は、弁棒シールの品質劣化を促進する。最近のシール材料およびシール保持機構の改良は弁棒シールの製品寿命を大幅に延長させたものの、最終的には全てのバルブシールの品質が劣化し、プロセス流体が環境へ漏出する。そこで、制御弁のシールからの漏洩を監視することが考えられるようになってきた。

ポンプのような他のプロセス制御装置もまた回転軸を有している。ポンプシャフトの回りのシールにとって漏洩が進展することは常識である。工場で通常見られる他のシール機構は管フランジや自在管継手においてである。配管の振動、および、経年や環境への暴露によるシールの劣化がプロセス制御システムにおける漏洩を生じさせ、これが望ましくない排出物に相当することになる。

ここ２〜３年、米国政府および外国の政府は望ましくない化学物質や化合物の大気への逸散に対して敏感になってきている。米国政府は、ＶＯＣｓのような不純物を環境に排出することを防止するために、より厳しい基準を作成し、これを適用することを続けている。米国環境保護庁（「ＥＰＡ」）は、新しい法規の制定および行使を担当する連邦の省庁である。

ＶＯＣｓは工業プロセスにおいて大変広く行きわたっている。とくに、ベンゼン、トルエンおよび１，１，１−トリクロロエタンは製造業において一般的に使用されている３大ＶＯＣｓである。ＥＰＡは、制御弁やその他一般的に工場におけるこれらのＶＯＣｓの最大許容漏洩量を規定した規則を公布した。この規則に合致するために、プラントの管理者は工場監査要領を作成する必要がある。この監査要領はＶＯＣの漏洩量を測定して記録し、この測定値をＥＰＡに報告することを含んでいるであろう。

ＥＰＡの規則のうち一つに合致するために工場は漏洩している弁の個数および各弁についての漏洩化学物質の量を確認する必要がある。監査により、漏洩している弁の個数および各弁についての漏洩化学物質の量があらかじめ設定された制限値より低いことが確認されたら、上記規則に従い、テストおよび調査の頻度を低減することができる。このことは、たとえば２００，０００もの調査ポイントを含んでいるような大きな設備では特に重要な点である。プラント内の２００，０００もの箇所を常に監視するためのスタッフを用意しておくのは大変コストのかかることになる。そこで、微小漏洩量を正確に報告することは、ＥＰＡ規則に沿うための労力およびコストを大幅に低減する。

しかしながら、自動化された排出物検出システムは容易には実現できず、多くの工場は携帯の測定器を持って「歩行監査」を行っているのが実情である。歩行監査は、実際に監査ポイントまで赴き、現場で排出物を測定し、それを記録しなければならない。これは、実際に監査ポイントまで赴く必要のない自動化されたシステムに比較すると大変非効率的である。

歩行監査および排出物測定の非効率性に加え、かかるシステムでは他の問題に悩まされる。例えば、風のある日には排出物が吹き飛ばされてしまい、携帯測定器ではその排出物を検出することができないであろう。さらに、漏洩は弁棒の位置によって異なるであろう。摩耗したり、点食したり、または、曲がったりしている弁棒では漏洩箇所は一カ所ではなく、他の部位においてひどい漏洩があるかも知れない。携帯測定器では現実の漏洩発生に対して一つの計測値を得るだけであるが、自動システムでは１日２４時間中計測値が報告され得る。

携帯測定器は典型的には捕集プルーブを有している。捕集プルーブはシールの小さな領域に近接したプルーブ先端の周囲の雰囲気を少量サンプリングし、これを携帯測定器内のセンサーに送るものである。携帯測定器では、その捕集プルーブがシールの全周にわたって移動すること、および、このプルーブが最大の漏洩が検出されている部位にある程度留まることが、その使用上の機能として要求される。このように、測定はシールの小さい部分に対してなされ、「全体」の漏洩は測定されない。さらに、シールを捕集プルーブに対して回転させることは、アクチュエータフレームやボンネットの存在が邪魔になって難しい。

自動化された漏洩排出物検出システムは、プロセス制御システムに対して容易には普及しない。２〜３のやりくり算段または簡易な設備が存在する。それらは典型的には要求されるサービスに応じて弁に設置される。漏洩している弁を迅速に修理するということは要求された監査を減らし、ＥＰＡ対応への経費を減らし得るという意味で重要である。自動測定システムのさらなる利点は、より効果的な早期の警告システムを含んでいる。自動化システムは設備運転者に対して切迫したシールの不具合について警告することができる。もし排出物が可燃性、毒性、危険性のあるものであれば、この検出は、危険な状態が生じる前に予防措置をとらせることができる。

どの排出物検出システムにとっても基本的な二つの機能がある。第一は、このシステムはある種の捕捉システムによって雰囲気の的確なサンプルを捕捉しなければならず、そして、対象の化学物質の固まりを検出するためにそのサンプルを処理しなければならないということである。上記捕捉システムは、不純物を含まず、一様で、希釈されていないサンプルを分析のために提供することが重要である。

自動化された排出物センサーシステムを恒久的に設置することは「手作業監査」および携帯測定器の使用を最小限に抑え、測定の正確さを増大させるであろう。しかしながら、恒久的に設置された排出物センサーは、正確でないサンプル捕捉システムによって悩まされる。これらの設置された排出物センサーは、気流の乱れに起因して起こるサンプルの保存上の問題に対処せねばならない。

そこで、携帯測定器に対しても排出物自動検出システムに対してもシールの近傍の雰囲気の的確なサンプルを効果的に捕捉することができ、化学物質検出システムが排出物を正確に測定することができるようにする装置を提供することが本発明の目的である。

本発明の目的は低コストで頑丈な漏洩排出物捕集装置を提供することである。

本発明の他の目的は、漏洩排出物の一様なサンプルを捕捉するための、大変効果的な捕集機構を提供することである。

さらに他の目的は、シールに近接した雰囲気のサンプルを捕捉し、このサンプルを漏洩排出物の存在を検査するために排出物検出装置へ送るための低インピーダンス（抵抗）空間を提供することである。

シールの周囲の雰囲気サンプルを捕捉するための漏洩排出物捕集装置が提供される。この排出物捕集装置は、シールに重なり合う形状を呈した低インピーダンス空間を構成する剛体部材である。この排出物捕集装置は、低インピーダンス空間に連通する入口と排出物検出システムに連通することができる出口とを有するコンジットを備えている。この排出物検出システムは上記雰囲気を解析してシールから過剰な排出物が漏洩していないかを検査するために用いられる。好ましい実施形態では、上記捕集装置は二体に形成される。基本的にはベース（基体）とカバーである。上記コンジットは、ベースとカバーとが一体に組み立てられる前に、ベースとカバーとの重ね合わせ面に凹所として形成される。シール回りの雰囲気のより一様で的確なサンプルは、捕集装置によって低インピーダンス空間から吸引することができる。この捕集装置は、シールに近接した部位であってシールの周囲に、等間隔をおいて形成された複数の入口を有している。

この発明の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、最もよく理解されるであろう。

本発明は、排出のテストができるように、シール機構の周囲の雰囲気から的確なサンプルを捕集するための排出物捕集装置を提供する。排出物捕集装置は、漏洩を防止するためのシール部分からの排出を検査するために用いられる排出物検出システム全体のうちの一部を構成するものである。

漏洩防止シールは、ポンプ２、プロセス配管８、配管のフランジ６および制御弁２０のような様々なプロセス機器に使用されている。本発明によれば、排出物捕集装置（ＥＣＤｓ）は、漏洩が懸念されるプロセス機器それぞれに組み付けることができる。制御弁２０が一部を切り欠いた状態で示された図１には三つの例が示されている。バルブＥＣＤ１２は制御弁２０の弁棒３０の回りに配置されており、ボンネット２１に固定されている。配管フランジ６に組み付けられた配管フランジＥＣＤ２２も示されている。三番目の例はポンプシャフトＥＣＤ３２であり、ポンプシャフト３の回りに嵌着されるようにポンプ２に組み付けられている。化学物質検出システム１６は、ＥＣＤｓ１２、２２、３２から吸引チューブ１３、１４、１５を通して雰囲気のサンプルを吸引し、非許容レベルの排出物が存在するか否かを検査するために用いられる。

化学物質検出システム１６は、好ましくは、上記ＥＣＤｓによって提供されたサンプル中の目的化学物質のきわめて小さい集中状態を検出しうるように設計されたものである。標準的な化学物質検出システムでは１０ＰＰＢの感度は容易に達成することができる。排出物は、このようなきわめて小さい集中状態では一般的にガス状を呈している。これらの形式の検出システムでは、検査対象区域から吸引によってガスを除去するために一体化されたサンプル検索システムを用いるのが一般的である。サンプル検索システムの例は米国特許第６，０２９，５０６号において説明されているが、それをこの明細書において参照のために含めたものとする。

図２には、本発明のコンセプトを示すために、図１において破線円で囲まれた領域７がさらに詳細に切り欠き図として現されている。このコンセプトが以下に弁２０を例にとって説明されるが、同じコンセプトが配管フランジ６、ポンプ２、または、シールから排出物として漏洩することが懸念される他のいかなる装置にも適用されることが当業者にとって明らかである。図示のごとく、バルブＥＣＤ１２は主にベース２９およびカバー２８から構成されている。バルブＥＣＤ１２はボンネット２１に組み付けられ、シール３３および弁棒３０の周囲に低インピーダンスな空間３７を形成するために使用される。

低インピーダンス空間３７は、シール３３の回りの雰囲気を空気の乱流や風から防御する防護空洞として機能する。この防護つまり防風は不正確な検出を避ける一助となる。排出物が発生して不必要な衝突無しに低インピーダンス空間３７から脱出することが重要である。このように、低インピーダンス空間３７の目的はシール面からの排出物の自然な流れを維持することである。排出物の自然な流れを維持するためには、以下の点が当業者にとって明らかである。すなわち、上記空間は排出物を過剰に滞留させないように設計され、また、サンプルが取得されて排出物検査が行われる前に外気流によって薄められることが防止されるように設計されなければならない点である。

シール周囲の雰囲気を乱したり衝撃を与えたりする外部環境からの影響を最小限に抑えるために、低インピーダンス空間３７の一部を覆うガスケット４５を使用することができる。このガスケット４５は、排出物を低インピーダンス空間３７内に若干滞留させることを助長するように、低インピーダンス空間の一部を覆うことができる。他の実施形態においては、低インピーダンス空間３７の一部を覆い、排出物サンプルの滞留や排出物サンプルに対する外部環境の影響を最適化するために、カバー２８を用いることができる。

図３にベース２９がさらに詳細に示されている。ベース２９は弁棒が挿通されるための貫通孔５９（ポンプの場合にはポンプシャフトが挿通される）を有している。この貫通孔５９は、シールの上部に設置されたときに排出物の自然な流れを許容する低インピーダンス空間を区画しうるサイズにされることは、当業者に理解される。低インピーダンス空間からの一様な雰囲気サンプルを得るために、好ましい実施形態は複数の入口３１を備えている。この複数の入口は貫通孔５９に隣接してその周囲に分布している。排出物の上昇方向に垂直に向くように入口３１を配置することは、異常なサンプルが「ポケット」に滞留することを防止することになる。上記入口３１を出口３９に連通するためのコンジット４２が配設されている。上記出口３９を上記吸引チューブに接続するために、ニップル３５がベース２９とカバー２８との間、または、ベース２９もしくはカバー２８に取り付けられている。

入口３１、コンジット４２および出口３９は種々の方法によって形成することができる。たとえば、ベースおよびカバーのいずれかまたは両方に、ミーリング、レーザーエッチング、プラズマ切断、鍛造または鋳造によって凹所を形成する。シールの近傍の一様な雰囲気サンプルを得るために、カバーとベースとがコンジット４２を形成するように重ねられたときに全入口が同一オリフィス径となるように設計されるのが好ましい。また、上記コンジットが、各入口の断面積の合計より大きい断面積を有するようにされているのが好ましい。この設計の目的は、化学物質検出システムによってサンプルを捕集する間、各入口３１について同一の圧力降下となるようにすることである。この同一の圧力降下は低インピーダンス空間全体からの一様なサンプルの流れを提供し、これにより、排出物の解析に対して一様なサンプルの提供が可能となる。

以上の記述はこの発明の好適な実施形態の詳細な説明である。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、種々の変更および追加を施すことができる。したがって、ここでの記述は例示としてのみなされており、本発明を限定するものではない。例えば、上記排出物捕集装置には、付加的な機能を奏させるために付加的な構成を加えることも可能である。また、例えば、図２に示すように、バルブＥＣＤはバルブのパッキンセットを保持する保持部材としても、フランジの一構成部としても機能する。本発明の他の態様、目的および利点は、添付図面、開示および付加した請求の範囲を考察することにより得られる。

プロセス配管およびプロセス制御システムに一体化された排出物捕集装置を備えたプロセスの一部を示している。 本発明に従った、図１に示されたプロセス制御弁に組み込まれた排出物捕集装置を示す一部切り欠き拡大図である。 図２の排出物捕集装置の基部を示す平面図である。

Claims (11)

1. 低インピーダンス空間を形成するような形状を呈する剛体部材を有しており、
   この低インピーダンス空間がシールに隣接した雰囲気を捕捉するために該シールに重なっており、上記剛体部材が、低インピーダンス空間に連通する入口と排出物検出装置に連通する出口とを有するコンジットを備えており、該排出物検出装置が、上記シールからの排出物を検出して上記雰囲気を解析することができる、漏洩排出物捕集装置。
2. 上記剛体部材が弁棒シール部材を弁箱に固定している請求項１記載の排出物捕集装置。
3. この排出物捕集装置の内周に、周方向に実質的に等間隔をおいて配置された複数の入口が備えられており、この複数の入口がシールの周囲の雰囲気に連通してなる請求項１記載の排出物捕集装置。
4. 上記剛体部材が、
   その重ね合わせ面に沿って形成された凹所を有するベースと、
   上記コンジットを形成するために上記重ね合わせ面に取り付けられるカバーとをさらに備えてなる請求項１記載の排出物捕集装置。
5. 上記重ね合わせ面をシールするためのガスケットをさらに備えてなる請求項４記載の排出物捕集装置。
6. 低インピーダンス空間への、および、そこからの空気流を規制することによって上記低インピーダンス空間のインピーダンスを最適化するためのガスケットをさらに備えてなる請求項１記載の排出物捕集装置。
7. 上記コンジットが、実質的に円形の部分と、該実質的円形部分に配設された上記入口を接続するための放射状の供給部とを有してなる請求項４記載の排出物捕集装置。
8. 空気流および排出物の流れに対する抵抗を生むことにより、防風能力および排出物滞留を最適化するガスケットをさらに備えてなる請求項１記載の排出物捕集装置。
9. 上記入口がそれぞれ同一断面積を有してなる請求項１記載の排出物捕集装置。
10. 上記入口およびコンジットが、シールの周囲の雰囲気の一様なサンプルが化学物質検出装置によって吸引されうるようなサイズに設定されてなる請求項１記載の排出物捕集装置。
11. 空気流および排出物の流れに対する抵抗を生むことにより、防風能力および排出物滞留を最適化するカバーをさらに備えてなる請求項１記載の排出物捕集装置。

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