JP5523531B2 - 遊合形フランジ - Google Patents

Description

本発明は、遊合形フランジに関する。

大口径の金属管は、現場での施工が非効率的であることから、予め工場内でユニットを製作し、現場でユニット同士を接続する手法が広く用いられている。その接続は、配管作業性、接続部の機械強度の点からフランジ接合が望ましい。ねじ込み式や溶接式の固定形フランジでは、所定数設けられたボルト孔同士の位置合わせが困難であるので、遊合形フランジが約20年前に開発された経緯がある。その利便性から使用量は年々増加している。例えば、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジ（図11、図12の実線、図13、及び、表１参照）が用いられている。図13及び表１は、ＪＩＳ Ｂ２２２０付表５のＬＪ呼び径65Ａ〜 200Ａに関する抜粋を示す。

しかし、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジは、図11と図12に示すように、フランジ重量に加え、ボルトｂ、ナットｎ、平座金ｄを含めた継手総重量が重いという欠点があった。これは、例えば、ボルトｂ、ナットｎ、平座金ｄの設置数が多いことに起因する。そして、作業工程数が多く、作業者の接続箇所への運搬重量も増加するので、作業者負担が大きいという欠点があった。すなわち、ユニット配管は吊り込み作業なので作業者負担はさほど大きくないが、ボルトｂ、ナットｎ、平座金ｄは作業者が接続箇所まで腰袋に入れて運搬するので、高所・狭所での作業時には特に作業負担が大きかった。さらに、ボルトｂ、ナットｎ、平座金ｄの設置数が多く、配管接続の作業時間が長くなるという欠点があった。

管端鍔出しは工場あるいは現場にて管端鍔出し加工機を用いて行われる。パイプｐの端部ｐ_０を円錐ローラーで押し拡げて鍔形状とするので、鍔部ａでは端面ｐ_１に近いほど肉厚が薄くなる。すなわち、ガスケット押さえ面ｓ_１はほぼ垂直となるが、フランジ押さえ面ｓ_２は約 2.5°の勾配のついた斜面となる。また、鍔出し加工時のクランプによるパイプｐの撓み（戻り）や溶接部の残留応力等の影響により、円周方向にも歪みが生じている。ボルトｂ、ナットｎの締込み時にこの歪みをある程度矯正しながらガスケットｇを圧縮していくが、遊合形フランジｆの剛性不足により遊合形フランジｆに撓みが生じ、伝達効率が悪い。すなわち、ボルトｂ、ナットｎの締込みトルクが大きいという問題があった。

また、鋼管の場合は表面に防錆剤を塗布するのが一般的であるが、塗料膜厚のムラがガスケットｇの圧縮ムラにつながる。固定形フランジはフランジ本体で直接ガスケットを圧縮するので上記の不具合はないが、遊合形フランジｆは管端鍔出し部（鍔部ａ）を介してのガスケット圧縮になるので、総じてシール性は悪化する傾向にある。そして、ノンアスベストガスケットの止水性が悪い（なかなか透過漏れが止まらない）という問題があった。

ボルトｂ、ナットｎ、平座金ｄの設置数を低減させる手法として、ゴムパッキン（弾性ガスケット）を用いることも１つの解決策として検討されるが、配管要求寿命の長期化、水環境の変化（塩素の高濃度化やオゾン殺菌の導入等）及び使用環境の変化等（長時間稼働物件の増加）に対して、ゴムパッキンは長期耐久性・信頼性に懸念が残る。また、圧縮量の設定、配管自重や配管の線熱膨張による過圧縮防止のために金属製スペーサー（補強リング）との組み合わせが必要となるので、高コストとなる（例えば、特許文献１参照）。

実用新案登録第３１３６９５４号公報

解決しようとする課題は、ボルト、ナット、平座金を含めた継手総重量が重く、作業負担が大きい点である。また、ボルト、ナット、平座金の設置数が多く、作業時間が長くなる点である。また、フランジの剛性不足によりフランジに撓みが生じ、ボルト、ナットの締込トルクの伝達効率が悪い点である。すなわち、締込トルクが大きい点である。そして、ノンアスベストパッキンの止水性が悪い（なかなか透過漏れが止まらない）点である。また、ゴムパッキンを用いると、長期耐久性、信頼性に欠け、高コストとなる点である。

そこで、本発明に係る遊合形フランジは、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジと比較して、厚さ寸法を大きく設定することによりボルト孔の数を少なく設定し、かつ、頂点から辺の中央に向かってしだいに幅寸法を減少させて軽量化したものである。
また、ボルト孔の数を、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジのボルト孔の数の50％以上75％以下に設定したものである。
また、辺に薄肉部を設けたものである。
また、パイプの鍔部との対向面の内周側に逃げ部を形成して鍔部と対向面の初期接円をＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジの初期接円よりも大きくするとともに、ボルト締込みに従って鍔部の歪みが矯正されて逃げ部の平坦面が鍔部を押圧するように構成したものである。

本発明の遊合形フランジによれば、ボルト、ナット、平座金を含めた継手総重量を軽くして、作業負担を低減させることができる。また、本発明の遊合形フランジは、十分な剛性を有し撓みが生じにくく、ボルト、ナットの締込トルクの伝達効率が良く、締込トルクを軽減することができる。また、シール性の確保が困難なノンアスベストパッキンを用いることが可能となり、そのノンアスベストパッキンであっても、（あるいは、ＰＴＦＥクッションガスケットを用いて、）十分なシール性を得ることができ、長期耐久性、信頼性を有し、低コストで作製することができる。

本発明の第１の実施の形態の使用状態を示す要部断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 正面図である。 図３のＸ−Ｘ断面図である。 ＦＥＭ解析図である。 他のＦＥＭ解析図である。 第２の実施の形態を示す正面図である。 図７のＹ−Ｙ断面図である。 第３の実施の形態を示す正面図である。 図９のＺ−Ｚ断面図である。 従来例の使用状態を示す要部断面図である。 従来例を実線をもって、かつ、本発明の一例を２点鎖線をもって、描いた正面図である。 ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジを示す断面図である。

図１・図２は、本発明の第１の実施の形態の使用状態を示す。あらかじめパイプＰの端部Ｐ_０に鍔部Ａを形成し、２本の鍔付き管（パイプＰ）にてガスケット（パッキン）Ｇを挟み、さらに、本発明の遊合形フランジＦにて挟んで、ボルトＢ、ナットＮ、平座金Ｄ等で締結する。遊合形フランジＦは、例えば、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル）から成る。

図３・図４に示すように、遊合形フランジＦは、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆ（図11、及び、図12の実線参照。以下、「従来の遊合形フランジｆ」とも言う。）と比較して、厚さ寸法Ｔを大きく設定する（例えば、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆで厚さ18mmのものに対して、本発明の遊合形フランジＦでは厚さ22mmとする）ことによりボルト孔１の本数を少なく設定し、かつ、頂点Ｅ（ボルト孔１近傍）から辺Ｈ（頂点Ｅと頂点Ｅとの間）の中央に向かってしだいに幅寸法Ｗを減少させて軽量化（例えば約40％減）されている。図12に２点鎖線にて本発明の遊合形フランジＦを示し、同図の実線が従来遊合形フランジｆを示す。

具体的には、厚さ寸法Ｔを、ボルト孔中心線Ｑから鍔部Ａと対向面２との初期接円（図１・図２では点Ｋが対応する。）までの距離であるオーバーハング量Ｊ（図１参照）以上の肉厚寸法とする。例えば、オーバーハング量Ｊが21.5mmに対して、厚さ寸法Ｔを、22mm以上40mm以下に設定する。厚さ寸法Ｔがオーバーハング量Ｊより薄い場合、ボルト締結の際に遊合形フランジＦが撓みやすく、パッキンＧを締付ける荷重がロスする。そして、撓みが発生すると、ボルト位置も変化することになり抵抗力が発生し、ボルト締付トルクが重くなる。すなわち、同じトルクでボルトＢを締めてもねじ込み量が減少し、パッキン締付荷重への変換も低下する。

ボルト孔１の数を、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆ（呼び径65Ａ〜 200Ａのもの）のボルト孔ｃ（図11・図12参照）の数の50％以上75％以下に設定する。例えば、ＪＩＳ Ｂ２２２０の呼び径80Ａ〜 150Ａの遊合形フランジｆは、ボルト孔ｃの数が８個に規定されているところ、本発明の呼び径80Ａ〜 150Ａの遊合形フランジＦは、ボルト孔１の数を４個とする。

図５・図６に於て、ボルト孔１の数を減少させることができた理由を説明する。図５及び図６は、ＦＥＭ解析図であって、底面Ｍ_１が123.74mm×20mmの長方形で高さ10mmの四角柱と、底面が123.74mm×20mmの長方形で上面Ｍ_２が20mm×20mmの正方形の立体を合わせた形状の上面Ｍ_２から鉛直下方へ50.7ｋＮの荷重をかけたときの相当応力（ミーゼス応力）を表す。図５は薄い（全体の高さが30mm）場合を示し、図６は厚い（全体の高さが45mm）場合を示す。図５・図６より、応力は上面（押し面） Ｍ_２から（角度θ_１、角度θ_２が）約60°〜70°の範囲に影響を与えることが分かる。すなわち、底面Ｍ_１に於て、広範囲に影響を与えるためには、高さ（厚さ）が必要だと分かる。本発明では、ボルトＢ（図１参照）を締結した際、図３の裏面側に於て２点鎖線10の内側の範囲（従来の遊合形フランジｆの場合よりも広範囲）にまで応力が及ぶ。従って、ボルト本数（ボルト孔１の数）を減少させることができる。

図３に示すように、頂点Ｅから辺Ｈの中央に向かってしだいに幅寸法Ｗを減少させて軽量化することができた理由は、ボルト締結による応力の及ぶ範囲が上述のように図３の２点鎖線10の内側なので、辺Ｈの部分の幅寸法Ｗを減少させても、強度的に問題がないことによる。

図１・図２に戻って、パイプＰの鍔部Ａとの対向面２の内周側に逃げ部３を形成して鍔部Ａと対向面２の初期接円（図示省略）をＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆの初期接円（図示省略）よりも大きくする（すなわち図２と図11の断面図に於て、２点鎖線で示すような従来の遊合形フランジｆの場合は鍔部Ａ（鍔部ａ）と点ｋで接していたが、本発明の遊合形フランジＦの場合は鍔部Ａと点Ｋがまず接する）とともに、ボルト締込みに従って鍔部Ａの歪みが矯正されて逃げ部３の平坦面４が鍔部Ａを押圧するように構成する。

言い換えると、オーバーハング量Ｊを従来の遊合形フランジｆよりも小さく設定する。ただし、鍔部Ａの強度に対して適切であり、かつ、ガスケットＧの幅の中央付近を挟むように（オーバーハング量Ｊが小さくなり過ぎないように）設定する。例えば、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆのオーバーハング量ｊ（図11参照）が24mmなのに対して、本発明の遊合形フランジＦのオーバーハング量Ｊを21.5mmに設定する。

図７・図８は、第２の実施の形態を示す。大きな引張応力が発生する遊合形フランジＦの内周縁部５に、撓みに対する補強のためのボス部（環状突条部）６が設けられている。遊合形フランジＦの撓みをさらに抑制することができる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

図９・図10は、第３の実施の形態を示す。辺Ｈに薄肉部７が設けられる。言い換えると、辺Ｈに（正面視弧状の）凹部８が設けられる。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
ところで、上記ガスケットＧとしては、上述のようなシンプルな形状のノンアスベストガスケット以上に、次のようなガスケットを使用するも好ましい場合がある。即ち、クッション性のあるノンアスベストジョイントシートやノンアスベストペーパー等を中芯材として、薄肉のフッ素系樹脂（ＰＴＦＥ）を被覆したＰＴＦＥ包み型ガスケット（本発明では、「ＰＴＦＥクッションガスケット」と言う）を使用するも好ましい。なお、ＰＴＦＥクッションガスケットの上記の薄肉のフッ素系樹脂（ＰＴＦＥ）の外皮は、上記中芯材の内周面及び両側平面部を被覆すれば十分である。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、ＪＩＳ Ｂ２２２０の呼び径65Ａの遊合形フランジｆは、ボルト孔ｃの数が４個のところ、本発明の呼び径65Ａの遊合形フランジＦは、ボルト孔１の数を３個とするも良い。また、ＪＩＳ Ｂ２２２０の呼び径 170Ａ及び 200Ａの遊合形フランジは、ボルト孔ｃの数が12個のところ、本発明の呼び径 170Ａ及び 200Ａの遊合形フランジは、ボルト孔１の数を８個とするも良い。また、図９と図10に示したように凹部８を形成せずに、辺Ｈの中央に向かって、厚さ寸法Ｔを漸減させる形状とするも、自由である。
また、ボルト孔１の横断面形状を四角や六角等の非円形とし、ボルトＢの一部を、その非円形に対応させた横断面形状として、ボルト螺進・螺退時に、スパナ等の作業工具にてナットＮのみを回動させて、作業能率を向上するも望ましい。

以上のように、本発明は、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆと比較して、厚さ寸法Ｔを大きく設定することによりボルト孔１の数を少なく設定し、かつ、頂点Ｅから辺Ｈの中央に向かってしだいに幅寸法Ｗを減少させて軽量化したので、ボルトＢ、ナットＮ、平座金Ｄを含めた継手総重量が軽くなり、作業負担を低減させることができる。また、短時間で螺進（配管）作業をすることができる。また、フランジＦが十分な剛性を有し撓みが生じにくく、ボルトＢ、ナットＮの締込トルクの伝達効率が良く、締込トルクを軽減することができる。また、シール性の確保が困難なノンアスベストパッキン、又は、ＰＴＦＥクッションガスケットを用いることを可能として、このノンアスベストパッキン（又は、ＰＴＦＥクッションガスケット）によって、十分なシール性を得ることができ、長期耐久性、信頼性を有し、低コストで作製することができる。

また、ボルト孔１の数を、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆのボルト孔ｃの数の50％以上75％以下に設定したので、作業工程数が少なく、作業者の接続箇所への運搬重量も減少するので、作業者負担が小さいという利点がある。すなわち、ボルトＢ、ナットＮ、平座金Ｄは作業者が接続箇所まで腰袋に入れて運搬するが、高所・狭所での作業時にも容易に運搬することができ、作業時間も短くてすむ。

また、辺Ｈに薄肉部７を設けたので、さらに軽量化することができる。
また、パイプＰの鍔部Ａとの対向面２の内周側に逃げ部３を形成して鍔部Ａと対向面２の初期接円をＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジｆの初期接円よりも大きくするとともに、ボルト締込みに従って鍔部Ａの歪みが矯正されて逃げ部３の平坦面４が鍔部Ａを押圧するように構成したので、オーバーハング量Ｊが小さくなり、遊合形フランジＦの撓みがより小さくなり、ボルト締込トルクの伝達効率がさらに良くなる。

１ ボルト孔
２ 対向面
３ 逃げ部
４ 平坦面
７ 薄肉部
Ａ 鍔部
ｃ ボルト孔
Ｅ 頂点
ｆ 遊合形フランジ
Ｈ 辺
Ｐ パイプ
Ｔ 厚さ寸法
Ｗ 幅寸法

Claims (4)

1. ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジ（ｆ）と比較して、厚さ寸法（Ｔ）を大きく設定することによりボルト孔（１）の数を少なく設定し、かつ、頂点（Ｅ）から辺（Ｈ）の中央に向かってしだいに幅寸法（Ｗ）を減少させて軽量化したことを特徴とする遊合形フランジ。
2. 上記ボルト孔（１）の数を、ＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジ（ｆ）のボルト孔（ｃ）の数の50％以上75％以下に設定した請求項１記載の遊合形フランジ。
3. 辺（Ｈ）に薄肉部 （７）を設けた請求項１又は２記載の遊合形フランジ。
4. パイプ（Ｐ）の鍔部（Ａ）との対向面（２）の内周側に逃げ部（３）を形成して上記鍔部（Ａ）と上記対向面（２）の初期接円をＪＩＳ Ｂ２２２０の遊合形フランジ（ｆ）の初期接円よりも大きくするとともに、ボルト締込みに従って上記鍔部（Ａ）の歪みが矯正されて上記逃げ部（３）の平坦面（４）が上記鍔部（Ａ）を押圧するように構成した請求項１，２又は３記載の遊合形フランジ。

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