JP2866470B2

JP2866470B2 - ベローズ弁用ベローズ

Info

Publication number: JP2866470B2
Application number: JP30544490A
Authority: JP
Inventors: 健二多田; 成雄服部; 菊男竹島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JPH04181066A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はベローズ弁ベローズに係わり、特に、原子力
発電所内の高温、高圧条件下で使用されるベローズ弁ベ
ローズおよびそのベローズを組み込んだベローズ弁に係
わる。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子発電所では、原子炉廻りでは放射能漏洩
防止の観点から、タービン廻りでは放射能漏洩防止およ
びプラント立ち上げ時の復水器バキュームアップにおけ
る復水器内真空度確保上の外気侵入防止の観点から、イ
ンコネル718製の溶接ベローズを使用したベローズ弁が
多用されている。

インコネル718はもともと、応力腐蝕割れ（SCC）やす
きま腐蝕に対しては、強い材料である。しかしながら、
ベローズ自体が弁の開閉リフト間を伸縮自在とするた
め、薄板を使用せざるを得ず、高圧環境下では、材料の
降伏応力以上の引張応力が作用していると考えられるこ
と、また、薄板を重ねあわせて溶接しているため、腐蝕
にとっては厳しいすき間環境となっていること、さら
に、高温中で使用されていること等により、耐SCC性お
よび耐すきま腐食性を改善し、ベローズ弁の寿命を延長
する技術が求められている。

このような技術背景のもと幾つかの提案がある。その
１つに、ベローズの薄板を２枚の板部材を重ねた積層構
造とし、板に発生する応力を緩和し、高圧に絶えられる
構造とすることがある。また、特開昭49−105061号公報
においては、当該積層構造とする他、ベローズの積層板
をＶ字形連続断面を持つリングで構成し、このリングを
複数個重ねて外径側（Ｖ字形部分と反対側）を各々溶接
にて接合しており、これにより内径溶接部を無くし、耐
すきま腐蝕性を改善している。

一方、流体機械、装置における一般的なベローズに関
する従来技術としては特開昭63−6269号公報があり、同
公報では、ベローズの薄板を、軸線方向と直交する方向
に開口する断面Ｕ字型の薄肉金属材でからなるリングで
構成し、このリングを複数個軸方向に積層すると共に、
外径側開口縁を各々溶接にて接合し、内径溶接部を無く
す構成としている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、原子力発電所内の高温、高圧条件下
で使用した場合、いずれもある程度までは耐SCC性およ
び耐すきま腐蝕性を改善し、ベローズ弁の寿命を延長す
る効果がある。しかしながら、特開昭49−105061号公報
では板の断面形状がＶ字形であるため、高圧環境で使用
した場合、接液側板部材の表面で高い引張応力が作用
し、応力腐食割れが発生し易い。また、特開昭63−6269
号公報では単層の薄板を使用するため、板に発生する応
力を緩和する効果が得られない。さらに、これらいずれ
の従来技術も、板の材質自体を見直すことについては何
ら配慮がされておらず、材質上応力腐食割れの防止が十
分でないという問題があった。

本発明の目的は、板の形状と共に板の材質自体も見直
すことで対SCC性を大きく改善し、寿命を延長するベロ
ーズ弁ベローズを提供することにある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記目的を達成するため、外側が接液側
で、内側が大気側となる、高温、高圧条件下で使用され
るベローズ弁ベローズにおいて、ベローズの構成要素で
ある薄板を、平坦部と半円形部分とを有する断面Ｕ字形
の板要素を２枚重ねて構成し、この薄板を半円形部分を
内径側にして複数個重ねて外径側を各々溶接にて接合す
ると共に、弁が全開時の状態では薄板の平坦部がほぼそ
の全面にわたって互いに接触するように寸法を調整して
４枚の板要素の両側より接液の圧力を作用させるように
し、前記薄板を構成する２枚の板要素のうち接液側に位
置する板要素の材質をNi:残、Cr:20〜23％、Mo:8〜10
％、Al:≦0.4％、Ti:≦0.4％、Nb＋Ta:3.15〜4.15％、
C:≦0.1％、Fe:≦５％を成分としたニッケル基合金（商
品名「インコネル625」）とし、大気側に位置する板要
素の材質をNi:50〜55％、Cr:17〜21％、Mo:2.8〜3.3
％、Al:0.2〜0.8％、Ti:0.65〜1.15％、Nb＋Ta:4.75〜
5.5％、C:≦0.08％、Fe:残を成分としたニッケル基合金
（商品名「インコネル718」）としたものである。

また、上記ベローズ弁用ベローズにおいて、前記２枚
の板要素のうち接液側に位置する板要素の材質を、前記
ニッケル基合金に代え、Ni:53〜58％、Cr:19〜21％、M
o:2.8〜3.4％、Al:0.3〜0.6％、Ti:1.3〜1.7％、Nb:3.3
〜4.7％、C:≦0.05％、Fe:残を成分としたネッケル基合
金（商品名「ハイコロイ」）としたものである。

〔作用〕

ベローズの構成要素である薄板を板要素を２枚重ねた
構成とすることにより、板に発生する応力が緩和され、
耐圧性が向上する。また、その薄板を平坦部と半円形部
分とを持つ断面Ｕ字形とすることにより、接液側では圧
力が接触し合う２枚の薄板を挾んで上下方向に互いに干
渉し合うので、板要素に作用する応力は非常に小さくな
ると共に、半円形部分では接液側板要素の表面に引張り
応力が作用するが、曲げ応力よりも平均引張応力が支配
的であるので、材料の降伏点以下の応力となる。また、
内径側は半円形部分となっているので、接液側に対して
すきまのない構造となる。また、接液側板要素の材質を
インコネル625またはハイコロイとすることにより、こ
れらニッケル合金は耐食性に極めて優れているので、板
の材質面からも耐SCC性が改善される。このように板形
状と材質の両面からすきまを無くし、耐SCC性を改善す
るので、応力腐食割れ発生寿命が大幅に向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図〜第４図により説明
する。

第１図において、１は本実施例に係わるベローズ弁ベ
ローズを組み込んだ弁であり、弁１は弁棒２を介して外
部からハンドル３により弁体４を操作することで開閉を
行う。本実施例のベローズは弁１の中に弁体４の開閉に
伴う上下動に応じて伸縮するベローズアセンブリ５とし
て組み込まれており、弁１の内部液体の漏洩を防止し得
る機能を有している。流体の圧力はベローズアセンブリ
５の外側に作用している。弁軸２を取り囲むグランドバ
ッキン６はベローズアセンブリ５により隔離されてお
り、内部流体の圧力は作用してしない。

第２図にベローズアセンブリ５の詳細構造を示す。ベ
ローズアセンブリ５はベローズ10とベローズ10の上下端
が溶接されたエンドプレート11,12とからなり、エンド
プレーと11,12がベローズホルダー13と弁体４に溶接さ
れている。ベローズホルダー13は第１図に示すようにパ
ッキン14で締め付けられ、外部に流体が漏洩しないよう
になっている。ベローズ10は接液側15に流体の圧力が作
用しており、中央の大気側16は大気圧となっている。

第３図および第４図にベローズ10の詳細構造を示す。
第３図は弁１の閉状態における図、第４図は弁１の開状
態における図である。ベローズ10は、0.256mm程度の厚
さの接液側プレート17と大気側プレート18とを２枚を重
ねてなる薄板を、断面形状が平坦部19aと半円形部分19b
とからなる断面Ｕ字形のリング19に加工し、この薄板リ
ング19を多数枚上下方向に重ね合わせ、外径側をそれぞ
れ溶接した構造となっており、内径側に位置する半円形
部分19bと溶接ビード20との間に平坦部19aが位置してい
る。また、ベローズ10の全体寸法は、弁１が全開時の第
４図に示す状態では薄板リング19の平坦部19aがほぼそ
の全面にわたって互いに接触するように調整されてい
る。

そして、薄板リング19を構成する２枚のプレート17,1
8のうち、接液側であるプレート17の材質を、耐食性に
優れたNi:残、Cr:20〜23％、Mo:8〜10％、Al:≦0.4％、
Ti:≦0.4％、Nb＋Ta:3.15〜4.15％、C:≦0.1％、Fe:≦
５％を成分とした、商品名「インコネル625」で入手可
能なニッケル基合金とし、大気側であるプレート18の材
質をNi:50〜55％、Cr:17〜21％、Mo:2.8〜3.3％、Al:0.
2〜0.8％、Ti:0.65〜1.15％、Nb＋Ta:4.75〜5.5％、C:
≦0.08％、Fe:残を成分とした、商品名「インコネル71
8」で入手可能なニッケル基合金としている。

次に、以上のように構成した本実施例の作用を説明す
る。

まず、従来のベローズは、第５図および第６図に符号
30で示すように、プレスにて波状に成形したプレート3
1,32を２枚重ねてディスク状の薄板リング33とし、これ
を多数枚上下方向に重合わせて外径側、内径側共に溶接
し、溶接ビード34,35を形成している。リング33を２枚
のプレート31,32の積層構造とすることにより、板に発
生する応力が緩和され、耐圧性が向上する。また、２枚
のプレート31,32の材質は接液側31、大気側32共に、Ni:
50〜55％、Cr:17〜21％、Mo:2.8〜3.3％、Al:≦0.2〜0.
8％、Ti:0.65〜1.15％、Nb＋Ta:4.75〜5.5％、C:≦0.08
％、Fe:残を成分とした、商品名「インコネル718」で入
手可能なニッケル基合金を使用している。

ベローズ30は、弁体４の開閉に必要なリフト（開閉に
必要な弁体の移動距離）分だけ収縮する。この収縮の繰
返しおよび流体の圧力の繰返しに耐えられるよう、ベロ
ーズ30のプレート31,32は0.257mmという薄いものを使用
している。このため、高圧環境で使用される場合には、
ベローズ30のプレート31,32表面には、インコネル718の
降伏点を越える引張り応力が作用する。また、内径側は
４枚のプレートを溶接しているため、溶液側15ですきま
36が残る構造となっている。

これに対して、本実施例は、ベローズ10が圧縮される
弁１の全開時には、第４図に示すように平坦部19aにお
いて４枚のプレート17,18,17,18が重なり合うようにな
っている。そして、この弁開時には流体がベローズ10の
外径側に流れ込むので、第４図に矢印で示すように圧力
が作用する。このとき、平坦部19aでは圧力が４枚のプ
レートを挾んで上下方向に互いに干渉し合うので、プレ
ートに作用する応力は非常に小さくなる。一方、半円形
部分の19bでは２枚のプレート17,18で圧力を受け持つた
め、接液側プレート17の表面には引張り応力が作用する
が、簡易応力計算によれば、材料（インコネル625）の
降伏点以下の応力となる。これは、半円形とした状態で
圧力を受け持つため、曲げ応力よりも平均引張応力が支
配的であることによるものと考えられる。また、内径側
は半円形部分19bとなっているので、接液側15に対して
すきまのない構造となっている。

また、薄板リング19の接液側プレート17の材質にイン
コネル625を使用しており、このインコネル625は耐食性
に極めて優れている。その結果、板の材質自体に応力腐
食割れ発生防止向上の効果があるので、耐SCC性がさら
に向上する。

以上のように、本実施例によれば、板形状と材質の両
面からすきまを無くしかつ耐SCC性を改善するので、沸
騰水型原子力発電所の炉水環境の下で応力腐食割れ発生
寿命を３倍以上にすることができる。

また、本実施例では、外径側は溶接構造とするので、
成形ベローズのような全体長さの増大は発生せず、全体
長さを従来の内外径を溶接するベローズと同じにでき
る。このため、本実施例のベローズは新規のベローズ弁
に組み込むだけでなく、既設のベローズ弁のベローズと
取り替えて使用できる効果もある。

なお、以上の実施例は、薄板リング19の接液側プレー
ト17の材質にインコネル625を使用したが、他の材料と
してNi:53〜58％、Cr:19〜21％、Mo:2.8〜3.4％、Al:0.
3〜0.6％、Ti:1.3〜1.7％、Nb:3.3〜4.7％、C:≦0.05
％、Fe:残を成分とした、商品名「ハイコロイ」で入手
可能なニッケル基合金も耐食性に優れており、インコネ
ル625に代え、このハイコロイを使用してもほぼ同様の
効果が得られるを確認した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、内径側は半円形部分、外径側は溶接
構造としたので、大気側ですきまが残るものの、腐蝕環
境となる接液側で完全にすきま環境をなくすことがで
き、すきま腐蝕等による割れの発生を防止できる。ま
た、薄板を２枚の板要素を重ねた積層構造にすると共
に、薄板に平坦部を設け、弁の全開状態で接液の圧力が
互いに干渉し合う構造としたので、プレートに発生する
引張応力が大幅に低減できる。さらに、接液側の板材質
ををより耐食性のあるインコネル625又はハイコロイと
したので、材質自体で応力腐蝕割れ発生防止向上の効果
がある。その結果、沸騰水型原子力発電所の炉水環境の
下で応力腐蝕割れ敗勢寿命を大幅に向上することができ
る。

また、外径側を溶接構造としたので、全体長さを従来
の内外溶接形ベローズと同じにでき、従来ベローズとの
完全互換性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるベローズを備えたベロ
ーズ弁の全体構造の断面図であり、第２図は第１図のＡ
部（ベローズアセンブリ部分）の拡大断面図であり、第
３図および第４図はベローズ部分の拡大断面図で、第３
図は弁全閉時の、第４図は弁全開示の状態をそれぞれ示
し、第５図は従来のベローズアセンブリ部分の断面図で
あり、第６図は従来のベローズ部分の拡大図である。符号の説明１……ベローズ弁５……ベローズアセンブリ 10……ベローズ 15……接液側 16……大気側 17……接液側プレート（板要素） 18……大気側プレート（板要素） 19……薄板リング（薄板） 19a……平坦部 19b……半円形部分 20……溶接ビード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−6269（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−105061（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−50440（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−4848（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−131159（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 3/00 - 3/06 F16K 41/10 C22C 19/05

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】外側が接液側で、内側が大気側となる、高
温、高圧条件下で使用されるベローズ弁ベローズにおい
て、ベローズの構成要素である薄板を、平坦部と半円形
部分とを有する断面Ｕ字形の板要素を２枚重ねて構成
し、この薄板を半円形部分を内径側にして複数個重ねて
外径側を各々溶接にて接合すると共に、弁が全開時の状
態では薄板の平坦部がほぼその全面にわたって互いに接
触するように寸法を調整して４枚の板要素の両側より接
液の圧力を作用させるようにし、前記薄板を構成する２
枚の板要素のうち接液側に位置する板要素の材質をNi:
残、Cr:20〜23％、Mo:8〜10％、Al:≦0.4％、Ti:≦0.4
％、Nb＋Ta:3.15〜4.15％、C:≦0.1％、Fe:≦５％を成
分としたニッケル基合金とし、大気側に位置する板要素
の材質をNi:50〜55％、Cr:17〜21％、Mo:2.8〜3.3％、A
l:0.2〜0.8％、Ti:0.65〜1.15％、Nb＋Ta:4.75〜5.5
％、C:≦0.08％、Fe:残を成分としたニッケル基合金と
したことを特徴とするベローズ弁用ベローズ。
【請求項２】請求項１記載のベローズ弁用ベローズにお
いて、前記２枚の板要素のうち接液側に位置する板要素
の材質を、前記ニッケル基合金に代え、Ni:53〜58％、C
r:19〜21％、Mo:2.8〜3.4％、Al:0.3〜0.6％、Ti:1.3〜
1.7％、Nb:3.3〜4.7％、C:≦0.05％、Fe:残を成分とし
たニッケル基合金としたことを特徴とするベローズ弁用
ベローズ。
【請求項３】請求項１または２記載のベローズを組み込
んだことを特徴とするベローズ弁。