JP5490619B2 - 弁用スラスト・トルクセンサ - Google Patents

Description

本発明は、電動駆動装置（以下、電動装置という）によって開閉駆動される弁に用いられるスラスト・トルクセンサに関する。

発電プラント等の各種プラントには、アクチエータによって開閉駆動される弁が設置されている。電動モータによって駆動される電動弁、及び、エアシリンダによって駆動される弁はその例である。これらのアクチエータ駆動弁には、流体の流路を緊急遮断、緊急開放等することにより、プラントの安全を維持する役目を担うものも含まれる。このようなアクチエータ駆動弁は、緊急時に正常に動作することが要求される。その他のアクチエータ駆動弁に対しても、常時その動作の健全性が確認されることが望ましい。

アクチエータ駆動弁の一種である電動弁は、弁本体の上部に駆動用の電動装置を装備している。電動装置は、駆動源としての電動モータ、減速ギア、ステムナット等を有する。ステムナットは、弁のステム（以下、弁棒ともいう）の雄ねじに螺合している。ステムは弁本体中に、上下動可能且つ軸回り回転不能に組み込まれている。電動モータにより、減速ギアを介してステムナットが回転させられると、ステムが弁本体中を上下動する。ステムの下端には弁体が取り付けられている。上記ステムの上下動により、弁体が流路を開閉することができる。

このような電動弁の動作の健全性を診断するための装置が、特開２００６−１８４１９３公報において提案されている。この装置は、電動弁の動作時にステムに生じるスラストをより正確に予測するための装置である。この電動弁のステムには荷重センサが取り付けられ、ヨークには歪みセンサが取り付けられる。上記荷重センサとしては、市販のロードセルが用いられている。そして、電動弁の動作時に、弁のヨークに生じる歪みとステムに生じるスラストとが対応づけられ、それにより、校正が行われる。このヨークの歪みとステムのスラストとの対応づけは、電動弁のプラントにおける実働前に行われる。校正が完了すると、電動弁は分解され、ステムから荷重センサが取り除かれる。その後、この電動弁は組み立てられてプラントの運転に供される。

電動弁の動作の健全性診断にとっては、ステムのスラストとともに電動装置が発生するトルクも重要な要素となる。ステムのスラストは、電動弁の開閉機能の確認のために必要であり、トルクは、電動装置が要求された能力を発揮しているか否か、弁の異常の有無等を確認するために必要である。

特開２００６−１８４１９３公報

本発明は、上記した現況に鑑みてなされてものであり、プラントの運転中に、弁のステムに加わるスラストと電動装置から弁本体に加わるトルクとを同時に検出することができるスラスト・トルクセンサを提供することを目的としている。

本発明に係るスラスト・トルクセンサは、
電動装置と弁との間に介装されるスラスト・トルクセンサであって、
中央部に弁の弁棒が拘束されずに貫通する中央開口を有する内部円環部と、
この内部円環部から放射状且つ片持ち梁状に突設された複数個の突出部と、
この突出部に形成された、電動装置及び弁に連結するための連結部と、
少なくとも１つの突出部に取り付けられた歪ゲージとを備えており、
この歪ゲージが、弁に加わる弁棒の長手方向のスラストを検出するためのスラストゲージ、及び、弁に加わる弁棒回りのトルクを検出するためのトルクゲージである。

かかる構成によれば、電動装置に連結される突出部と弁に連結する突出部とを異なる突出部にすれば、同時にスラストとトルクとが検出されうる。

上記突出部が、上下に延びる左側面及び右側面、並びに、水平方向に延びる上面及び下面を有しており、上記トルクゲージが左側面及び右側面のうち少なくとも一方に取り付けられ、上記スラストゲージが上面及び下面のうち少なくとも一方に取り付けられる。

上記突出部の上面及び下面のうちの少なくとも一方に段差が形成され、この段差により、電動装置及び弁のうち、この段差が形成された面に対向した面との間に隙間が形成されているのが好ましい。スラストゲージ及びトルクゲージに接続されたリード線を挿通することができるからである。

全連結部が同一の仮想円周上に配置され、全連結部のうち、一部の連結部が電動装置に連結され、他の連結部のうちの少なくとも一部が弁に連結されてもよい。

本発明に係る電動弁は、
電動装置、弁棒を有する弁、及び、この弁と上記電動装置との間に介装されるスラスト・トルクセンサを備えており、
上記スラスト・トルクセンサが、
中央部に上記弁の弁棒が拘束されずに貫通する中央開口を有する内部円環部と、
この内部円環部から放射状且つ片持ち梁状に突設された複数個の突出部と、
この突出部に形成された、電動装置及び弁に連結するための連結部と、
少なくとも１つの上記突出部に取り付けられた歪ゲージとを有しており、
この歪ゲージが、弁に加わる弁棒の長手方向のスラストを検出するためのスラストゲージ、及び、弁に加わる弁棒回りのトルクを検出するためのトルクゲージである。

本発明に係るスラスト・トルクセンサによれば、弁の動作時に、スラストとトルクとが同時に検出されうる。このスラスト・トルクセンサは、プラント運転中でも、弁部品として継続して対象の弁に設置されうる。その結果、プラント運転中の弁の動作の健全性診断が可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係るスラスト・トルクセンサが取り付けられた電動弁の一例を示す一部切り欠き正面図である。 図２は、図１のスラスト・トルクセンサの平面図である。 図３は、図２のスラスト・トルクセンサのIII−III線に沿った断面図である。 図４は、図２のスラスト・トルクセンサのIV−IV線に沿った断面図である。 図５は、図２のスラスト・トルクセンサにおける電動装置用の１つの突出部を示す斜視図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。

図１に示された電動弁（単に弁ともいう）１は、弁本体２と、弁本体２の上部に装着された電動装置３と、弁本体２と電動装置３との間に装着されたスラスト・トルクセンサ４とを備えている。スラスト・トルクセンサ４は、電動弁１の運転時に、電動装置３が要求された性能を発揮していること、及び、電動弁１自体が要求された性能を発揮していること、を確認するために用いられる。具体的には、電動装置３が必要なトルクを発生しているか否か、及び、電動弁１の弁棒６に必要なスラストが生じているか否か、が確認される。

図１では、部品の連結に必要な複数本のボルトは、そのうちの一部が省略されて示されている。弁本体２は、流体の流路を構成する弁箱５及び図示しない弁座、弁箱５内に挿通された弁棒６、弁棒６の下端に取り付けられた図示しない弁体、ヨーク７等を有している。電動装置３は、駆動用の電動モータ８、図示しない減速ギア、図示しないステムナット、減速ギアからステムナットに回転力を伝達する図示しないウォーム及びウォームホイール等を有している。前述したごとく、電動モータ８により、減速ギアを介してステムナットが回転させられると、弁棒６が弁本体２中を上下動する。弁棒６の下端の弁体が弁座に当接することにより閉弁し、弁座から離間することにより開弁する。

図２から図５にはスラスト・トルクセンサ４が示されている。従来、電動装置３及びヨーク７には、それぞれ相互に連結するためのボルト孔を有する連結用フランジが形成されている。上記スラスト・トルクセンサ４は、円板状を呈している（図２）。図１に示されるように、スラスト・トルクセンサ４は、その上面が電動装置３の図示しないフランジに連結され、その下面がヨーク７のフランジ（以下、単にヨークフランジともいう）９に連結されている。図３及び図４には、スラスト・トルクセンサ４に、ヨークフランジ９及び連結用のボルト１９を併せて二点鎖線で示している。

図２に示されるように、スラスト・トルクセンサ４は円形の中央開口１０を有している。スラスト・トルクセンサ４が電動弁１に組み込まれた状態では、弁棒６がこの中央開口１０に拘束されずに挿通される。中央開口１０の外周側には、中央開口１０と同心状に、円環状の内部円環部１１が形成されている。内部円環部１１の外周から、偶数個の片持ち梁状の突出部１２が放射状に突設されている。本実施形態では１６個の突出部１２が形成されているが、１６個には限定されない。６個以上且つ偶数個であればよい。一般的には、突出部１２は、電動装置３とヨーク７との連結に供されるボルトの本数の２倍の個数にされる。突出部１２は等間隔をおいて形成されている。全突出部１２は、後述するボルト孔１６とねじ孔１７との相違を除き、ほぼ同一の外形状を呈している。各突出部１２にとっては、内部円環部１１との連続部が固定支持端であり、ボルト孔１６又はねじ孔１７が、上下方向又は水平方向の荷重の作用点となっている。固定支持端から荷重の作用点までの長さも、全突出部１２について同一である。曲げ剛さも、全突出部１２について同一である。

突出部１２は、その内部円環部１１側部分である基部１３と、その外方に位置する連結部１４とを有している。基部１３は、矩形の平面形状及び横断面形状を有している。連結部１４は、ほぼ五角形の平面形状及び矩形の横断面形状を有している。従って、基部１３及び連結部１４ともに、上下に延びる左側面及び右側面、並びに、水平方向に延びる上面及び下面を有している。連結部１４の周方向幅は基部１３の周方向幅より広くされている。基部１３同士の周方向の間には、上下に貫通する大きな空間３０が形成されている。連結部１４同士の周方向の間の隙間３１はたいへん狭くされている。その結果、周方向に配列された連結部１４の集合体は、スリットで区切られた円環状を呈している。この連結部１４の集合体を外部円環部１５と呼ぶことができる。

各連結部１４には、１つの連結用のボルト孔１６、又は、１つのねじ孔１７が形成されている。電動装置３への連結用のボルト孔１６と、ヨーク７への連結用のねじ孔１７とが、交互に形成されている。その結果、電動装置３への連結用の突出部１２Ｍと、ヨーク７への連結用の突出部１２Ｙとが、周方向に交互に配列されていると言える。全ボルト孔１６及び全ねじ孔１７は、同一の仮想円周上に、同一間隔をおいて１６個配置されている。

このスラスト・トルクセンサ４が装着される対象となる電動弁１は、従来、電動装置３とヨーク７とが、８本のボルトによって直接連結されるものである。電動装置３のフランジには８個のねじ孔が形成されている。ヨークフランジ９には、８個のボルト孔が形成されている。スラスト・トルクセンサ４のボルト孔１６及びねじ孔１７のピッチサークル１８は、電動装置３のねじ孔及びヨークフランジ９のボルト孔の各ピッチサークルと一致する。この電動弁１の電動装置３とヨーク７とは、相互にボルト孔の１／２ピッチだけ回転させられたうえで、スラスト・トルクセンサ４を介して連結されている。４本のボルトによって電動装置とヨークとが連結される電動弁に対しては、４個のボルト孔１６及び４個のねじ孔１７を有するスラスト・トルクセンサが好適である。

図３に示されるように、本実施形態では、電動装置３とスラスト・トルクセンサ４とを連結するために六角頭付きボルト１９が用いられている。電動装置３用のボルト孔１６にはボルト頭を収容するための座ぐり１６ａが形成されている。従って、ボルト１９の頭は、スラスト・トルクセンサ４の下面から突出することはなく、ヨークフランジ９と干渉することはない。スラスト・トルクセンサ４とヨーク７とを連結するためにも、六角頭付きボルト１９が用いられている。このボルト１９は、ヨークフランジ９のボルト孔２０に挿通されたうえで、スラスト・トルクセンサ４のねじ孔１７に螺着されている。このボルト１９は、その先端がスラスト・トルクセンサ４の上面から突出することのない長さにされている。従って、このボルト１９は電動装置３と干渉することはない。

図５に示されるように、各突出部１２の基部１３の、内部円環部１１への付け根近傍には、スラスト検出用の歪ゲージ（スラストゲージともいう）２１と、トルク検出用の歪ゲージ（トルクゲージともいう）２２とが貼着されている。これらのゲージ２１、２２は、電動装置３によって弁棒６が駆動されたときに、弁１の上下方向に生じるスラストと、弁棒６回りに生じるトルクとを計測する。

本実施形態では、全突出部１２にスラストゲージ２１及びトルクゲージ２２が貼着されている。しかし、かかる構成には限定されない。スラストゲージ２１及びトルクゲージ２２ともに、少なくとも一カ所ずつ貼着しておいても良い。しかし、計測精度の向上の観点からは、貼着箇所（計測箇所）は多いほど好ましい。

電動装置３の動作時に弁１に発生するスラストは、弁内圧に基づくスラスト、グランドパッキンの摩擦抵抗力、全閉時（閉めきり時）の弁座の摩擦抵抗力や反力、開弁開始時の弁座の摩擦抵抗力等によるものである。電動装置３の動作時に弁１に発生するトルクは、上記スラストに起因してステムナットから弁棒６に加わる反力、ステムナットのネジ部の摩擦抵抗力等によるものである。このスラスト及びトルクは、電動装置３とスラスト・トルクセンサ４とを連結するボルト１９、及び、スラスト・トルクセンサ４とヨーク７とを連結するボルト１９によって支持される。すなわち、電動弁１の動作に伴って発生するスラスト及びトルクは、全てスラスト・トルクセンサ４に加わえられる。

スラスト・トルクセンサ４の突出部１２には、上記スラストによって上下方向（鉛直方向）の曲げモーメントが加わり、上記トルクによって水平方向の曲げモーメントが加わわる。従って、スラストゲージ２１は基部１３の上面１３ａ及び下面１３ｂに貼着され、トルクゲージ２２は左側面１３ｃ及び右側面１３ｄに貼着されている。スラストゲージ２１は基部１３の上面１３ａ及び下面１３ｂのいずれか一方に貼着されてもよく、トルクゲージ２２は左側面１３ｃ及び右側面１３ｄのいずれか一方に貼着されてもよい。しかし、計測精度の向上の観点からは、各ゲージ２１、２２はそれぞれ両面に貼着されるのが好ましい。上記曲げモーメントの方向は、電動装置３への連結用の突出部１２Ｍと、ヨーク７への連結用の突出部１２Ｙとでは逆向きとなり、また、開弁時と閉弁時とでは逆向きとなる。

正確な計測値を得るために、スラストゲージ２１による計測値に対するトルクの影響を回避し、トルクゲージ２２による計測値に対するスラストの影響を回避する必要がある。このために、スラストゲージ２１は、基部１３の上面１３ａ及び下面１３ｂにおける、水平方向曲げの中立軸に対応する位置に貼着されている。また、トルクゲージ２２は、基部１３の左側面１３ｃ及び右側面１３ｄにおける、上下方向曲げの中立軸に対応する位置に貼着されている。このようにして、スラスト・トルクセンサ４に加わるスラストとトルクは、同時に且つ互いに独立して検出される。ゲージの貼着位置は、製作図面上の寸法や完成品の実測寸法にのみ基づいて決定されるのではなく、複数の候補の部位に実際に貼着して試験を行い、最も適切であると思われる位置に決定されるのが好ましい。

図２及び図３に示されるように、電動装置用の突出部１２Ｍの上面には段差２３が形成されている。電動装置用の突出部１２Ｍでは、基部１３の上面１３ａが連結部１４の上面より低くなっている。その結果、この基部１３の上面１３ａと、電動装置３のフランジの下面との間には隙間２４が形成される。図２及び図４に示されるように、ヨーク用の突出部１２Ｙの上面には段差は設けられていない。ヨーク用の突出部１２Ｙでは、基部１３の上面１３ａ及び連結部１４の上面ともに、電動装置用の突出部１２Ｍの基部１３の上面１３ａと同一高さにされている。従って、ヨーク用の突出部１２Ｙは電動装置３には接触していない。その結果、電動弁１の動作時に、ヨーク用の突出部１２Ｙは電動装置３からの抵抗等の影響は受けない。

図２及び図４に示されるように、ヨーク用の突出部１２Ｙの下面に段差２５が形成されている。ヨーク用の突出部１２Ｙでは、基部１３の下面１３ｂが連結部１４の下面より高くなっている。その結果、この基部１３の下面１３ｂと、ヨークフランジ９の上面との間には隙間２６が形成される。電動装置用の突出部１２Ｍの下面には段差は設けられていない。電動装置用の突出部１２Ｍでは、基部１３の下面１３ｂ及び連結部１４の下面ともに、ヨーク用の突出部１２Ｙの基部１３の下面１３ｂと同一高さにされている。従って、電動装置用の突出部１２Ｍはヨークフランジ９には接触していない。その結果、電動弁１の動作時に、電動装置用の突出部１２Ｍはヨークフランジ９からの抵抗等の影響は受けない。上記隙間２４、２６、及び、前述した基部１３同士の間の空間３０を通して、各ゲージ２１、２２のリード線が、弁１の外方へと配線される。

図２から図４に示されるように、スラスト・トルクセンサ４の上面及び下面それぞれの、中央開口１０の外側には、位置決め用の筒部２７、２８が立設されている。この筒部２７、２８は、中央開口１０と同心状の円筒形を呈している。上面の筒部２７の内側には、電動装置３の下端に形成された位置決め用円筒部２９が嵌合する。下面の筒部２８の外側には、ヨークフランジ９のインロー部３２が嵌合する。上記筒部２７、２８により、電動装置３、スラスト・トルクセンサ４及びヨーク７が、同軸状に位置決めされうる。

スラスト・トルクセンサ４が電動弁１の電動装置３とヨーク７との間に装着される。この電動弁１がプラントに据え付けられ、スラストゲージ２１及びトルクゲージ２２に電圧が印加される。スラストゲージ２１は、ホイートストンブリッジを含んだスラスト検出回路に接続されている。トルクゲージ２２は、ホイートストンブリッジを含んだトルク検出回路に接続されている。プラント運転中に電動弁１が作動すれば、スラスト・トルクセンサ４にスラスト及びトルクが加わる。スラスト検出回路からの電圧信号、及び、トルク検出回路からの電圧信号が、連続して、それぞれデジタル信号に変換される。これらの信号が、弁開度に関連づけられたスラスト値及びトルク値として、連続して外部の表示装置に表示される。すなわち、スラスト値とトルク値とが互いに独立して検出され、表示される。これらの値は記録装置に記録される。このように、スラスト・トルクセンサ４を通して、電動弁１の動作の健全性が常時監視される。

スラスト・トルクセンサ４が既設の電動弁に装着される際には、当該弁の弁棒は、スラスト・トルクセンサ４の厚さ分だけ長い弁棒に取り替えられる必要がある。又は、当該弁のヨークが、スラスト・トルクセンサ４の厚さ分だけ短いヨークに取り替えられても良い。

以上説明されたスラスト・トルクセンサは、プラント運転中の電動弁の健全性診断に有用である。

１・・・電動弁
２・・・弁本体
３・・・電動装置
４・・・スラスト・トルクセンサ
５・・・弁箱
６・・・弁棒
７・・・ヨーク
８・・・電動モータ
９・・・フランジ
１０・・・中央開口
１１・・・内部円環部
１２・・・突出部
１３・・・基部
１４・・・連結部
１５・・・外部円環部
１６・・・（電動装置用）ボルト孔
１７・・・（ヨーク用）ねじ孔
１８・・・（ボルト孔及びねじ孔の）ピッチサークル
１９・・・ボルト
２０・・・（ヨークフランジの）ボルト孔
２１・・・スラストゲージ
２２・・・トルクゲージ
２３・・・（突出部の上面の）段差
２４・・・（突出部の上面の）隙間
２５・・・（突出部の下面の）段差
２６・・・（突出部の下面の）隙間
２７・・・（スラスト・トルクセンサの上面の）筒部
２８・・・（スラスト・トルクセンサの下面の）筒部
３０・・・（基部間の）空間
３１・・・（連結部間の）隙間

Claims (3)

1. 電動装置と弁との間に介装されるスラスト・トルクセンサであって、
   中央部に弁の弁棒が拘束されずに貫通する中央開口を有する内部円環部と、
   この内部円環部から放射状且つ片持ち梁状に突設された複数個の突出部と、
   この突出部に形成された、電動装置及び弁に連結するための連結部と、
   少なくとも１つの上記突出部に取り付けられた歪ゲージとを備えており、
   この歪ゲージが、弁に加わる弁棒の長手方向のスラストを検出するためのスラストゲージ、及び、弁に加わる弁棒回りのトルクを検出するためのトルクゲージであり、
   上記突出部が、上下に延びる左側面及び右側面、並びに、水平方向に延びる上面及び下面を有しており、上記トルクゲージが左側面及び右側面のうち少なくとも一方に取り付けられ、上記スラストゲージが上面及び下面のうち少なくとも一方に取り付けられ、
   上記突出部の上面及び下面のうちの少なくとも一方に段差が形成されており、この段差により、電動装置及び弁のうち、この段差が形成された面に対向した面との間に隙間が形成されているスラスト・トルクセンサ。
2. 全連結部が、同一の仮想円周上に配置されており、
   全連結部のうち、一部の連結部が電動装置に連結され、他の連結部のうちの少なくとも一部が弁に連結される請求項１に記載のスラスト・トルクセンサ。
3. 電動装置、弁棒を有する弁、及び、この弁と上記電動装置との間に介装されるスラスト・トルクセンサを備えており、
   上記スラスト・トルクセンサが、請求項１又は２に記載のスラスト・トルクセンサである、電動弁。

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