JP2011102617A

JP2011102617A - 減圧弁装置

Info

Publication number: JP2011102617A
Application number: JP2009258020A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakagome; 正中込
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011058706A1

Abstract

【課題】減圧弁装置において、コイルばねの耐久性を向上させる。
【解決手段】減圧弁装置１０は、弁箱１２内に弁座２２、弁体２４、弁棒２６、および、圧縮コイルばね３０等を有していて、１次側空間１４の内圧から２次側空間１６の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇すると、１次側空間１４のガスを２次側空間１６に逃がす。弁体２４は、弁座２２の開口端を開閉可能に設けられていて、１次側空間１４と２次側空間１６とを遮断し又は連通させる。圧縮コイルばね３０は、隣接する巻き部同士が互いに接触しないように成型されて、表面にはショットピーニング処理が施されていて、弁体２４を１次側空間１４と２次側空間１６とを遮断する方向に付勢している。
【選択図】図１

Description

本発明は、減圧弁装置に関する。

従来の減圧弁装置は、弁座、弁体、弁棒、および、圧縮コイルばね等を有している。弁座は、通気経路の１次側空間に配設されている。弁体は、弁座の開口端に対して接離可能に設けられている。圧縮コイルばねは、弁体を押さえ込む弁棒を介して、弁体を弁座の開口端に近づく方向に付勢している。そのため、閉弁時には、弁体は、弁座の開口端に圧接されて、弁座の開口端を閉じて、通気経路を塞いでいる。

１次側空間の内圧が所定の圧力以上に上昇すると、弁体が圧縮コイルばねの弾性力に抗して弁座の開口端から離れる。これにより、弁座の開口端が開かれて、１次側空間のガスが２次側空間に吹き出し、１次側空間の内圧が下降する（例えば、特許文献１を参照）。

特開平６−１６７４２７号公報

従来の減圧弁装置において、圧縮コイルばねは、座巻き部（コイルばねの端部）がこれと隣接する巻き部に接触している、いわゆるクローズドエンドとなっているのが一般的である。クローズドエンドの圧縮コイルばねは、荷重精度や取り付けた際の安定性が良好だからである。また、通常、圧縮コイルばねには、圧縮残留応力を付与するために、その表面にショットピーニング処理が施されている。

しかしながら、クローズドエンドの圧縮コイルばねには、座巻き部と隣接する巻き部との接触部分に十分なショットピーニング処理を施すことができず、圧縮コイルばねが折損しやすい。特に、石油プラントや化学プラントに設けられた減圧弁装置にあっては、通過する硫化水素ガス等によって、圧縮コイルばねの水素脆化が進行して、圧縮コイルばねが折損しやすい。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、減圧弁装置において、コイルばねの耐久性を向上させることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る減圧弁装置は、１次側空間の内圧から２次側空間の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇すると前記１次側空間のガスを２次側空間に逃がす減圧弁装置であって、前記１次側空間と前記２次側空間とを遮断し又は連通させる弁体と、隣接する巻き部同士が互いに接触しないように成型されて、表面にはショットピーニング処理が施されていて、前記弁体を前記１次側空間と前記２次側空間とを遮断する方向に付勢している圧縮コイルばねとを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、減圧弁装置において、コイルばねの耐久性を向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置の縦断面図である。本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、減圧弁装置への取付け前のコイルばねの斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、ＦＩＰ試験によるコイルばねの折損日数を示した表である。本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、コイルばねの表面に施したショットピーニング処理の条件を示した表である。本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、コイルばねの鋼材である開発材の組成を示した表である。本発明の第２の実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、減圧弁装置への取付け前のコイルばねの斜視図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る減圧弁装置について説明する。

まず、第１の実施形態に係る減圧弁装置１０の概要について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る減圧弁装置の縦断面図である。

減圧弁装置１０は、例えば、石油プラントや化学プラントに設けられた２本の配管（１次側配管，２次側配管）（図示しない。）を繋ぐように設置されている。減圧弁装置１０は、１次側配管内の内圧から２次側配管内の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇すると、１次側配管内のガスを２次側配管内に逃がす役割を果たす。これら２本の配管内には、例えば、石油精製の過程で生じる硫化水素等の腐食性ガスが流れる。

減圧弁装置１０は、弁箱１２内に１次側空間１４および２次側空間１６を有し、１次側空間１４は、流入口１８を介して１次側配管内と連通し、２次側空間１６は、流出口２０を介して２次側配管内と連通している。

減圧弁装置１０は、弁箱１２内に弁座２２、弁体２４、弁棒２６、および、コイルばね（弁ばね）３０等を有している。

弁座２２は、環状に形成されていて、その環内には、１次側空間１４が広がっている。弁体２４は、弁座２２の開口端を開閉可能に設けられている。閉弁時には、弁体２４は、弁座２２の開口端を塞ぐように配置され、１次側空間１４と２次側空間１６とを仕切っている。弁棒２６は、その一端が弁体２４の２次側空間１６側の面に固定されて、２次側空間１６において弁座２２と同軸的に延びている。

コイルばね３０は、２次側空間１６に設けられて、弁棒２６の外周に弁棒２６と同軸的に配置されている。コイルばね３０は、弁棒２６に固定された第１ばね受け３２と弁箱１２に固定された第２ばね受け３４とに狭持されて、弁棒２６の軸方向に圧縮されて、取り付けられている。すなわち、弁体２４は、コイルばね３０によって、第１ばね受け３２および弁棒２６を介して、弁座２２に近づく方向に付勢されていて、弁座２２の開口端に圧接されている。

１次側空間１４の内圧から２次側空間１６の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇すると、弁体２４がコイルばね３０の弾性力に抗して弁座２２の開口端から離れて開弁して、１次側空間１４のガスが２次側空間１６に流れ込む。このようにして、減圧弁装置１０は、１次側空間１４で生じた異常な内圧を低下させて、プラント設備の故障や破損を防ぐ。

なお、本実施形態に係る減圧弁装置１０においては、第１ばね受け３２に対する第２ばね受け３４の位置が調節可能となっていて、これにより、コイルばね３０の弾性力、すなわち、開弁すべき１次側空間１４の内圧を調節することができる。

次に、本実施形態に係る減圧弁装置１０の特徴部分であるコイルばね３０の詳細について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、減圧弁装置への取付け前のコイルばねの斜視図である。

コイルばね３０は、例えば、線材を熱間加工によってコイル状に塑性変形させた後、焼入れおよび焼戻し等の熱処理を施して、さらに、その表面にショットピーニング処理を施して得られる。

コイルばね３０は、例えば５巻きであって、隣接する巻き部３６同士が互いに接触しないように円筒形状に成型されている。すなわち、コイルばね３０の両端部（座巻き部）３８は、オープンエンドとなっている。

次に、本実施形態に係る減圧弁装置１０のコイルばね３０の耐久性を調べるために、複数のコイルばね（サンプル１ないし７）について、それぞれＦＩＰ試験を行い、ＦＩＰ試験によるコイルばねの折損日数を調べた。このＦＩＰ試験の条件および結果について、図３ないし図５を用いて説明する。図３は、ＦＩＰ試験によるコイルばねの折損日数を示した表である。図４は、コイルばねの表面に施したショットピーニング処理の条件を示した表である。図５は、コイルばねの鋼材である開発材の組成を示した表である。

（ＦＩＰ試験）
ＦＩＰ試験は、腐食反応を用いて水素添加した鉄鋼について、応力腐食割れを調べる試験である（南雲道彦著、「水素脆性の基礎水素の振るまいと脆化機構」、内田老鶴圃出版、２００８年１２月、ｐ．１３５を参照）。ＦＩＰ試験では、室温下において、サンプル１ないし７に係るコイルばねを圧縮させた状態で５０重量％のチオシアン酸アンモニウム水溶液に浸漬させて、コイルばねが折損に至るまでの日数を記録した。

（コイルばねの形状）
サンプル１〜７に係るコイルばねは、線径（線材の直径）が８ｍｍ、外径（コイルばねの直径）が６８ｍｍ、自由高さが９０ｍｍとなるように設計されている。

また、図３に示したように、サンプル１〜６に係るコイルばね３０の両端部は、オープンエンドとなっているのに対し、サンプル７に係るコイルばねの両端部は、クローズドエンドとなっている。

（ショットピーニング処理）
サンプル１〜７に係るコイルばねには、ショットピーニング処理が施されている。図３に示したように、サンプル１，５，６，７に係るコイルばねの表面には、ノーマルショットピーニング処理が施されて、サンプル２〜４に係るコイルばねの表面には、ハードショットピーニング処理が施されている。

ここで、図４に示したように、ノーマルショットピーニング処理では、ビッカース硬さが５００〜６００の鋼球を４５〜６５ｍ／ｓｅｃで投射した。一方、ハードショットピーニング処理では、ビッカース硬さが６００〜８００の鋼球を６５〜８５ｍ／ｓｅｃで投射した。

（コイルばねの鋼材）
図４に示したように、サンプル１，２，７に係るコイルばねは、一般的なばね鋼鋼材であるＳＵＰ１０からなる。一方、サンプル３〜６に係るコイルばねは、減圧弁装置１０に用いるために開発した高強度懸架ばね鋼鋼材（「開発材」という。）からなる。

なお、開発材は、図５に示したように、重量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５、Ｓｉ：１．６０〜２．２０、Ｍｎ：０．１０〜１．００、Ｐ：０．０３０以下、Ｓ：０．０３０以下、Ｃｕ：０．３０以下、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｃｒ：０．８０〜１．１０、Ｖ：０．０５〜０．２５、Ｔｉ：０．０３〜０．１２を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるＦｅ基合金である。

（表面被覆処理）
図３に示したように、サンプル１，２，４，６，７に係るコイルばねの表面には、防錆油が塗装されている。一方、サンプル３，５に係るコイルばねの表面には、無電解Ｎｉめっき処理が施されている。

（試験結果）
図３に示したように、オープンエンドに形成されたサンプル１〜６に係るコイルばねは、クローズドエンドに形成されたサンプル７に係るコイルばねに比べて、折損日数が長い。なお、サンプル７に係るコイルばねは、その端部（座巻き部）が折損した。

これは、オープンエンドに形成されたコイルばね３０は、座巻き部３８が隣接する巻き部３６と接触していないため、コイルばね３０の端部（座巻き部）にもショットピーニング処理が十分に施されて、コイルばね３０の表面が硬化され、破壊の起点となる表面応力が均一化されて、耐久性が向上し、さらには、水素脆性による遅れ破壊が抑制されるからと考えられる。したがって、本実施形態に係る減圧弁装置１０においては、従来の減圧弁装置に比べて、コイルばね３０の折損が抑制されて、コイルばね３０の耐久性が高い。

なお、オープンエンドのコイルばね３０は、荷重曲線の立上りが非線形となってしまうが、減圧弁装置１０においては、１次側空間１４の内圧から２次側空間１６の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇したとき、弁体２４がコイルばね３０の弾性力に抗して弁座２２の開口端から離れれば良いため、荷重曲線が線形である必要はない。

また、オープンエンドのコイルばね３０は、圧縮荷重時に、コイルばね３０の端部（座巻き部）３８が隣接する巻き部３６に接触して、その接触の衝撃によって、その接触部分が損傷するおそれがある。しかし、減圧弁装置（特に、安全弁装置）１０は、異常時にのみ動作し、定常的に繰り返し動作するわけではないため、コイルばね３０が損傷するおそれは少ない。

さらに、図３に示したサンプル１とサンプル２とを比較すると、ハードショットピーニング処理を施したコイルばね３０は、ノーマルショットピーニング処理を施したコイルばね３０に比べて、折損日数が長い。

また、図３に示したサンプル２とサンプル４とを比較すると、開発材からなるコイルばね３０は、ＳＵＰ１０からなるコイルばねに比べて、折損日数が長い。これは、水素脆性による遅れ破壊が抑制されるからと考えられる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る減圧弁装置１０について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る減圧弁装置を説明するための図であって、減圧弁装置への取付け前の圧縮コイルばねの斜視図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態においては、コイルばね３０は、たる形コイルばねであり、オープンエンドとなっている。たる形コイルばねを用いているため、圧縮荷重時に、コイルばね３０の端部（座巻き部）３８が隣接する巻き部３６に接触して、その接触部分が損傷するおそれがなく、第１の実施形態に係る減圧弁装置１０に比べて、さらにコイルばね３０の折損を抑制できる。すなわち、本実施形態に係る減圧弁装置１０では、圧縮荷重が定常的に繰り返して掛かっても、コイルばね３０が折損しにくい。

１０…減圧弁装置、１２…弁箱、１４…１次側空間、１６…２次側空間、１８…流入口、２０…流出口、２２…弁座、２４…弁体、３０…圧縮コイルばね、３２…第１ばね受け、３４…第２ばね受け、３６…巻き部、３８…座巻き部

Claims

１次側空間の内圧から２次側空間の内圧を差し引いた差圧が所定の値以上に上昇すると前記１次側空間のガスを２次側空間に逃がす減圧弁装置であって、
前記１次側空間と前記２次側空間とを遮断し又は連通させる弁体と、
隣接する巻き部同士が互いに接触しないように成型されて、表面にはショットピーニング処理が施されていて、前記弁体を前記１次側空間と前記２次側空間とを遮断する方向に付勢している圧縮コイルばねと、
を具備したことを特徴とする減圧弁装置。
前記圧縮コイルばねが前記２次空間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の減圧弁装置。
前記ショットピーニング処理は、ビッカース硬さが６００〜８００の鋼球を６５〜８５ｍ／ｓｅｃで投射させることを特徴とする請求項１または２に記載の減圧弁装置。
前記圧縮コイルばねは、重量％で、Ｃ：０．３５〜０．５５、Ｓｉ：１．６０〜２．２０、Ｎｉ：０．２０〜０．８０、Ｔｉ：０．０３〜０．１２を含有するＦｅ基合金であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の減圧弁装置。
前記圧縮コイルばねの表面にはめっき処理が施されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の減圧弁装置。
少なくとも硫化水素を逃がすことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の減圧弁装置。