JP5675067B2 - Method for predicting long-term characteristics of gasket fasteners - Google Patents
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Description
本発明は、管フランジ、圧力容器のマンホール、バルブのボンネットなどに用いられるガスケットの将来のシール性を、有限要素解析により予測計算するガスケットの長期特性予測方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting long-term characteristics of a gasket for predicting and calculating the future sealing performance of a gasket used for a pipe flange, a pressure vessel manhole, a valve bonnet, and the like by finite element analysis.
管フランジのフランジ部、圧力容器のマンホール部、バルブのボンネット部などの部材間の接合部には、構造に気密性、水密性を持たせるために、ガスケットが用いられる。ガスケットは、長期間の使用によりそのシール性が低下するため、定期的に増し締め等のメンテナンスや、ガスケットの交換を行う必要があるが、このガスケットの交換周期は、これまでの使用実績に基づく経験則によって決められている場合が殆どであり、ガスケットの正確な寿命を把握して決められたものではない。 Gaskets are used at joints between members such as the flange portion of the pipe flange, the manhole portion of the pressure vessel, and the bonnet portion of the valve in order to give the structure airtightness and watertightness. Since the sealing performance of gaskets deteriorates after long-term use, it is necessary to periodically perform maintenance such as tightening and replace gaskets. The replacement cycle of gaskets is based on past use results. In most cases, it is determined by an empirical rule, and is not determined by grasping the exact life of the gasket.
近年、石綿規制により、非石綿製ガスケットの使用が急速に拡大しているが、これら非石綿製ガスケットにおいては、使用実績が少ないため、適当な交換周期を決定するのが困難である。このため、非石綿製ガスケットにあっては、長期使用に対する安全性を考慮して、比較的短い周期でガスケットの交換が行われているのが現状であり、これまでの経験則に代わるガスケット交換周期を設定する方法として、ガスケットの長期特性を予測する方法を構築することが強く望まれていた。 In recent years, the use of non-asbestos gaskets has been rapidly expanding due to asbestos regulations. However, since these non-asbestos gaskets have a limited record of use, it is difficult to determine an appropriate replacement period. For this reason, non-asbestos gaskets are currently being replaced with a relatively short cycle in consideration of safety for long-term use. Gasket replacement is an alternative to previous rules of thumb. As a method for setting the cycle, it has been strongly desired to construct a method for predicting the long-term characteristics of the gasket.
非特許文献１には、石綿ジョイントシートガスケットにおける高温寿命評価方法として、高温下で使用される石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法が、本出願人により開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a method for predicting the life of an asbestos joint sheet gasket used at high temperatures as a method for evaluating the high temperature life of an asbestos joint sheet gasket.
この非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法は、評価対象である石綿ジョイントシートガスケットに対し、応力緩和試験および密封限界応力確認試験を行って、ガスケットの寿命を予測する方法であり、その内容は、概ね以下のとおりである。 The method for predicting the life of an asbestos joint sheet gasket described in Non-Patent Document 1 predicts the life of the gasket by performing a stress relaxation test and a seal limit stress confirmation test on the asbestos joint sheet gasket to be evaluated. It is a method and its contents are as follows.
すなわち、応力緩和試験として、所定の圧縮力を作用させたガスケットを２００℃に加熱し、この所定の圧縮力が作用した、２００℃に加熱された状態のガスケットの残留応力を１０００時間にわたり測定する。そして、測定された残留応力の経時変化を、図１３に示したように、ガスケットの残留応力を線形軸、時間を対数軸とした片対数グラフに整理する。そして、片対数グラフに整理されたガスケットの残留応力と、時間軸とは、直線関係にあるとの経験則を適用することで、図１４に示したような応力緩和線を描き、これにより、ガスケットの将来の残留応力を予測する。 That is, as a stress relaxation test, a gasket subjected to a predetermined compressive force is heated to 200 ° C., and a residual stress of the gasket heated to 200 ° C. subjected to the predetermined compressive force is measured over 1000 hours. . Then, as shown in FIG. 13, changes in the measured residual stress over time are arranged into a semilogarithmic graph with the residual stress of the gasket as a linear axis and time as a logarithmic axis. Then, by applying an empirical rule that the residual stress of the gasket arranged in a semilogarithmic graph and the time axis are in a linear relationship, a stress relaxation line as shown in FIG. 14 is drawn, Predict the future residual stress of the gasket.
また、応力緩和試験とは別に、密封限界応力確認試験を行って、シール基準を超えない最小ガスケット応力の経時変化を測定する。具体的には、所定の圧縮力を作用させたガスケットを、所定の時間、例えば、１００時間、５００時間、１０００時間にわたって、２００℃で加熱する。そして、これら所定の時間加熱された各ガスケットについて、ガスケットに作用させた圧縮力を段階的に除去し、この除荷過程におけるガスケットの残留応力と、ガスケットからの漏洩量とを測定して、ガスケットからの漏洩量が、予め定めたシールの判定基準値となる際のガスケットの残留応力を、シール基準を超えない最小ガスケット応力と把握する。こうして把握したシール基準を超えない最小ガスケット応力を、ガスケットの残留応力を線形軸、時間を対数軸とした片対数グラフに整理して、密封限界応力の経時変化曲線を描く。 In addition to the stress relaxation test, a seal limit stress confirmation test is performed to measure the change over time in the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard. Specifically, the gasket to which a predetermined compression force is applied is heated at 200 ° C. for a predetermined time, for example, 100 hours, 500 hours, and 1000 hours. For each gasket heated for a predetermined time, the compressive force applied to the gasket is removed in stages, and the residual stress of the gasket and the amount of leakage from the gasket in this unloading process are measured. The residual stress of the gasket when the amount of leakage from the gas reaches a predetermined seal criterion value is grasped as the minimum gasket stress that does not exceed the seal criterion. The minimum gasket stress that does not exceed the seal standard grasped in this way is arranged into a semi-logarithmic graph with the residual stress of the gasket as a linear axis and time as a logarithmic axis, and a change curve of the seal limit stress with time is drawn.
そして、密封限界応力確認試験により把握したシール基準を超えない最小ガスケット応力の経時変化と、応力緩和試験により予測した将来のガスケットの残留応力とを対比することで、ガスケットの寿命を推定する。具体的には、図１５に示したように、応力緩和試験により予測したガスケットの残留応力（応力緩和線）と、密封限界応力試験により把握したシール基準を超えない最小ガスケット応力（経時変化曲線）との交点、図１５では約１８年、をガスケットの寿命と推定する。 Then, the lifetime of the gasket is estimated by comparing the time-dependent change in the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard obtained by the seal limit stress confirmation test and the residual stress of the future gasket predicted by the stress relaxation test. Specifically, as shown in FIG. 15, the residual stress (stress relaxation line) of the gasket predicted by the stress relaxation test and the minimum gasket stress (time-varying curve) not exceeding the seal standard grasped by the seal limit stress test. It is estimated that the gasket life is about 18 years in FIG.
ところで、非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法では、ガスケットの応力緩和試験を行って、ガスケットの将来の応力を推定するため、ガスケット挟持体を含めたガスケット締結体としてのシール性を評価することは出来なかった。すなわち、管フランジのフランジ部などのガスケット挟持体の応力が、ガスケットの応力に及ぼす影響を考慮することは出来なかった。 By the way, in the life prediction method of the asbestos joint sheet gasket described in the nonpatent literature 1, in order to estimate the future stress of a gasket by performing the stress relaxation test of a gasket, as a gasket fastening body including a gasket clamping body It was not possible to evaluate the sealing performance. That is, the influence of the stress of the gasket sandwiching body such as the flange portion of the pipe flange on the stress of the gasket could not be considered.
また、非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法では、実機の様々な使用条件に対応した寿命評価を行うことは出来なかった。すなわち、現実のガスケットの使用状態では、ガスケットにより密封された内部流体の温度や圧力は、内部流体の運転サイクル等により変化するため一定ではないが、非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法では、内部流体の運転サイクル等に対応したガスケットの使用条件を考慮することはできなかった。 In addition, with the asbestos joint sheet gasket life prediction method described in Non-Patent Document 1, it was not possible to perform a life evaluation corresponding to various use conditions of an actual machine. That is, in the actual use state of the gasket, the temperature and pressure of the internal fluid sealed by the gasket is not constant because it varies depending on the operation cycle of the internal fluid, but the asbestos joint sheet described in Non-Patent Document 1 In the gasket life prediction method, it was not possible to consider the usage conditions of the gasket corresponding to the operation cycle of the internal fluid.
また、非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法では、ガスケットの残留応力に関する長期間のデータ収集が必要であり、応力緩和試験の試験期間として少なくとも１０００時間（約４２日）、好ましくはより長期の試験期間が必要となる。このデータ収集期間が短いと、ガスケットの残留応力の経時変化を精度よく予測することができないことから、非特許文献１に記載されている石綿ジョイントシートガスケットの寿命予測方法では、ガスケットの寿命を予測するのに長い期間が必要であった。 The life prediction method for asbestos joint sheet gaskets described in Non-Patent Document 1 requires long-term data collection on the residual stress of the gasket, and the stress relaxation test period is at least 1000 hours (about 42 days). ), Preferably a longer test period is required. If this data collection period is short, it is impossible to accurately predict the temporal change of the residual stress of the gasket. Therefore, the asbestos joint sheet gasket life prediction method described in Non-Patent Document 1 predicts the gasket life. It took a long time to do.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたものであって、管フランジのフランジ部などのガスケット挟持体の応力が、ガスケットの応力に及ぼす影響などを考慮することができ、ガスケット締結体としての将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and can consider the influence of the stress of the gasket clamping body such as the flange portion of the pipe flange on the stress of the gasket. An object of the present invention is to provide a method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body capable of predicting future sealing performance as a body.
また、本発明は、内部流体の運転サイクル等、実機の様々な使用条件を考慮することができ、実機の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することを目的とする。 In addition, the present invention can take into consideration various usage conditions of the actual machine such as the operation cycle of the internal fluid, and can predict the future sealing performance of the gasket fastening body in accordance with the usage mode of the actual machine. An object is to provide a method for predicting long-term characteristics of a fastening body.
また、本発明は、比較的短い期間で、ガスケット締結体の将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a method for predicting long-term characteristics of a gasket fastener that can predict the future sealing performance of the gasket fastener in a relatively short period of time.
本発明は、上述したような従来技術における課題および目的を達成するために発明されたものであって、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法は、
内部流体を密封するために用いられるガスケット締結体において、
ガスケットと、該ガスケットを挟持するガスケット挟持体とから構成された前記ガスケット締結体の将来のシール性を、モデル化されたガスケット締結体を用いて有限要素解析により予測計算するガスケット締結体の長期特性予測方法であって、
前記ガスケット挟持体が、前記ガスケットを挟持するフランジ部を備える管フランジと、該フランジ部同士を締結するボルトにより構成されており、
有限要素解析に用いる入力条件として、少なくとも、ガスケット締結体の寸法、ガスケットの初期応力、内部流体の圧力条件および温度条件を設定する環境条件設定手順と、
有限要素解析に用いる入力条件として、前記ガスケットおよび前記ガスケット挟持体の材料条件をそれぞれ設定する材料条件設定手順と、
前記環境条件および材料条件を用いて、有限要素解析によりガスケット応力の経時変化を計算するＦＥＡ手順と、を有し、
前記材料条件設定手順において、ガスケットの材料条件を設定する際、ガスケットの圧縮特性における温度依存性を考慮するとともに、ガスケットのクリープ特性における応力依存性を考慮し、
ガスケット挟持体の材料条件を設定する際、実機の管フランジの断面積とモデル化された管フランジの断面積との割合から、前記ボルトのヤング率を設定することを特徴とする。
The present invention was invented to achieve the above-described problems and objects in the prior art, and the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body of the present invention includes:
In gasket fasteners used to seal internal fluids,
Long-term characteristics of the gasket fastening body for predicting and calculating the future sealing performance of the gasket fastening body composed of the gasket and the gasket clamping body for sandwiching the gasket by finite element analysis using the modeled gasket fastening body A prediction method,
The gasket sandwiching body is composed of a pipe flange having a flange portion for sandwiching the gasket, and a bolt for fastening the flange portions together.
Environmental condition setting procedure for setting at least the dimensions of the gasket fastening body, the initial stress of the gasket, the pressure condition and the temperature condition of the internal fluid as input conditions used for the finite element analysis,
As an input condition used for finite element analysis, a material condition setting procedure for setting material conditions of the gasket and the gasket sandwiching body, respectively ,
Using the environmental and material conditions to calculate the time course of gasket stress by finite element analysis, and
In setting the material conditions of the gasket in the material condition setting procedure, considering the temperature dependence in the compression characteristics of the gasket and taking into account the stress dependence in the creep characteristics of the gasket ,
When setting the material condition of the gasket sandwiching body, the Young's modulus of the bolt is set from the ratio of the cross-sectional area of the pipe flange of the actual machine and the cross-sectional area of the modeled pipe flange .
このように構成することによって、ガスケットと、ガスケットを挟持するガスケット挟持体とから構成されたガスケット締結体の将来のシール性を、有限要素解析を用いて予測計算するため、ガスケット挟持体の応力が、ガスケットの応力に及ぼす影響を考慮することができ、ガスケット締結体としての将来のシール性を予測することができる。 By configuring in this way, the future sealability of the gasket fastening body composed of the gasket and the gasket sandwiching body sandwiching the gasket is predicted and calculated using finite element analysis. The influence on the stress of the gasket can be taken into consideration, and the future sealing performance as the gasket fastening body can be predicted.
また、有限要素解析によりガスケット応力の経時変化を計算するため、従来の方法と比べて、比較的短い期間でガスケットの将来のシール性を予測することができる。
さらに、ガスケットと、ガスケットを挟持するフランジ部を備える管フランジと、フランジ部同士を締結するボルトから構成されたガスケット締結体の将来のシール性を、有限要素解析により予測計算するため、管フランジのフランジ部およびボルトの応力が、ガスケットの応力に及ぼす影響を考慮することができ、ガスケット締結体としての将来のシール性を予測することができる。
In addition, since the temporal change of the gasket stress is calculated by finite element analysis, the future sealing performance of the gasket can be predicted in a relatively short period of time compared to the conventional method.
Furthermore, in order to predict and calculate the future sealability of a gasket fastening body composed of a gasket, a pipe flange having a flange portion sandwiching the gasket, and a bolt for fastening the flange portions by finite element analysis, The influence of the stress of the flange portion and the bolt on the stress of the gasket can be taken into consideration, and the future sealing performance as the gasket fastening body can be predicted.
上記発明において、有限要素解析に用いる入力条件として、所定時間経過後に、前記環境条件および前記材料条件を再設定するとの運転条件設定手順を有し、
前記ＦＥＡ手順において、前記運転条件も用いることが望ましい。
In the above invention, as an input condition used for the finite element analysis, after a lapse of a predetermined time, it has an operation condition setting procedure for resetting the environmental condition and the material condition,
In the FEA procedure, it is desirable to use the operating conditions.
このように構成することによって、有限要素解析に用いる入力条件として、所定時間経過後に、環境条件および材料条件を再設定するとの運転条件設定手順を有するため、実機の様々な使用条件を考慮することができ、実際の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することができる。 By configuring in this way, as an input condition used for finite element analysis, there is an operating condition setting procedure for resetting environmental conditions and material conditions after a lapse of a predetermined time. Therefore, it is possible to predict the future sealing performance of the gasket fastening body in accordance with the actual use mode.
また、所定時間経過後に、前記環境条件および前記材料条件を再設定するとの運転条件を考慮することができるため、最適な増し締め時期の検討など、効率的なメンテナンス方法についても検討することができる。 In addition, since it is possible to consider the operating conditions for resetting the environmental conditions and the material conditions after a lapse of a predetermined time, it is also possible to examine an efficient maintenance method such as the examination of the optimal retightening timing. .
また、上記発明において、前記運転条件設定手順において設定する前記ガスケット締結体の運転条件は、所定時間経過後に内部流体の圧力条件および温度条件を再設定するとの運転サイクル条件を含むことが望ましい。 Moreover, in the said invention, it is desirable that the operating conditions of the said gasket fastening body set in the said operating condition setting procedure include the driving cycle conditions that the pressure conditions and temperature conditions of an internal fluid are reset after predetermined time progress.
このように構成することによって、ガスケット締結体の運転条件は、所定時間経過後に内部流体の圧力条件および温度条件を再設定するとの運転サイクル条件を含むため、内部流体の運転サイクルが考慮された、実機の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することができる。 By configuring in this way, the operation condition of the gasket fastening body includes the operation cycle condition that the pressure condition and the temperature condition of the internal fluid are reset after a predetermined time has elapsed, so the operation cycle of the internal fluid is considered. It is possible to predict the future sealing performance of the gasket fastening body in accordance with the usage mode of the actual machine.
また、上記発明において、前記運転条件設定手順において設定する前記ガスケット締結体の運転条件は、所定時間経過後にガスケット応力を再設定するとの増し締め条件を含むことが望ましい。 Moreover, in the said invention, it is desirable that the operating conditions of the said gasket fastening body set in the said operating condition setting procedure include the retightening conditions that a gasket stress is reset after predetermined time progress.
このように構成することによって、ガスケット締結体の運転条件は、所定時間経過後にガスケット応力を再設定するとの増し締め条件を含むため、ガスケット締結体の増し締め条件が考慮された、実機の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することができる。 By configuring in this way, the operating condition of the gasket fastening body includes the tightening condition that the gasket stress is reset after a predetermined time has elapsed. It is possible to predict the future sealing performance of the gasket fastener in conformity with the above.
また、上記発明においては、前記材料条件設定手順において、ガスケットの材料条件を設定する際、ガスケットの材料条件の一つとして、クリープひずみ速度を下記式（１）により設定することが望ましい。 Moreover, in the said invention, when setting the material condition of a gasket in the said material condition setting procedure, it is desirable to set a creep strain rate by following formula (1) as one of the material conditions of a gasket.
εc＝Ａ・σn・ｔm （１）
（ここで、εcはクリープひずみ速度、σは応力、ｔは時間、Ａ，ｎ，ｍは実験により求
める定数である）
このように構成することによって、ガスケットのクリープ特性における応力依存性を有限要素解析に適した数式として考慮することができるため、ガスケットのクリープ特性における応力依存性を考慮して、有限要素解析により、ガスケット応力の経時変化を計算することができる。
ε c = A · σ n · t m (1)
(Where ε c is the creep strain rate, σ is the stress, t is the time, and A, n, and m are constants obtained by experiments)
By configuring in this way, the stress dependence in the creep characteristics of the gasket can be considered as a mathematical formula suitable for the finite element analysis. Therefore, considering the stress dependence in the creep characteristics of the gasket, The change in gasket stress over time can be calculated.
また、上記発明において、ガスケットに所定の荷重を載荷した後、徐々にガスケットの応力を減少させる除荷過程におけるガスケットのシール性を実験により求め、シール基準を超えない最小ガスケット応力を算定するシール性評価手順を有し、
前記シール性評価手順により算定したシール基準を超えない最小ガスケット応力と、前記ＦＥＡ手順により計算したガスケット応力の経時変化とを対比して、ガスケットの寿命を予測することが望ましい。
Further, in the above invention, after applying a predetermined load to the gasket, the sealability of the gasket in the unloading process that gradually reduces the stress of the gasket is experimentally obtained, and the sealability for calculating the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard. Has an evaluation procedure;
It is desirable to predict the life of the gasket by comparing the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard calculated by the sealing property evaluation procedure and the change over time of the gasket stress calculated by the FEA procedure.
このように構成することによって、実機の使用態様に即したガスケットの寿命を予測することができる。 By comprising in this way, the lifetime of the gasket according to the usage condition of a real machine can be estimated.
本発明によれば、管フランジのフランジ部などのガスケット挟持体の応力が、ガスケットの応力に及ぼす影響などを考慮することができ、ガスケット締結体としての将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to consider the influence of the stress of the gasket clamping body such as the flange portion of the pipe flange on the stress of the gasket, and it is possible to predict the future sealing performance as the gasket fastening body. In addition, it is possible to provide a method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body.
また、本発明によれば、内部流体の運転サイクル等、実機の様々な使用条件を考慮することができ、実機の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することができる。 Further, according to the present invention, it is possible to consider various usage conditions of the actual machine such as the operation cycle of the internal fluid, and it is possible to predict the future sealing performance of the gasket fastening body in accordance with the usage mode of the actual machine. In addition, it is possible to provide a method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body.
また、本発明によれば、比較的短い期間で、ガスケット締結体の将来のシール性を予測することが可能な、ガスケット締結体の長期特性予測方法を提供することができる。 Moreover, according to this invention, the long-term characteristic prediction method of a gasket fastening body which can predict the future sealing performance of a gasket fastening body in a comparatively short period can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は、以下に説明した発明の実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below.
図１は、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法により、ガスケットの寿命を予測する方法の基本的な手順を示したフロー図、図２は、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法により、ガスケットの寿命を予測する方法を示した概念図である。 FIG. 1 is a flow chart showing a basic procedure of a method for predicting the life of a gasket according to a method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body according to the present invention, and FIG. It is the conceptual diagram which showed the method of estimating the lifetime of a gasket by these.
本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、図１に示したように、先ず、有限要素解析（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ、以下ＦＥＡと称する場合もある）に用いる条件を設定するため、環境条件設定手順Ｓ１において、少なくとも、ガスケット締結体の寸法、ガスケットの初期応力、内部流体の圧力条件および温度条件を設定する。また、材料条件設定手順Ｓ２において、少なくとも、ガスケット締結体の材料条件を設定する。さらに、運転手順設定手順Ｓ３において、所定時間経過後に、前記環境条件および前記材料条件を再設定するとの運転条件を設定する。 In the method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body according to the present invention, as shown in FIG. 1, first, in order to set conditions used for finite element analysis (hereinafter sometimes referred to as FEA), environmental condition setting is performed. In step S1, at least the dimensions of the gasket fastening body, the initial stress of the gasket, the pressure condition and the temperature condition of the internal fluid are set. In the material condition setting procedure S2, at least the material conditions of the gasket fastening body are set. Furthermore, in the operation procedure setting procedure S3, after a predetermined time has elapsed, an operation condition for resetting the environmental condition and the material condition is set.
次に、ＦＥＡ手順Ｓ４において、前述したＳ１〜Ｓ３で設定した環境条件、材料条件、及び運転条件を用いて、有限要素解析によりガスケット応力の経時変化を計算する。 Next, in the FEA procedure S4, the change over time of the gasket stress is calculated by finite element analysis using the environmental conditions, material conditions, and operation conditions set in S1 to S3 described above.
また、シール性評価手順Ｓ５において、ガスケットのシール性を実験により求め、シール基準を超えない最小ガスケット応力を算定する。なお、シール性評価手順Ｓ５は、図１のフロー図では、ＦＥＡ手順Ｓ４の後に実施することになっているが、ＦＥＡ手順Ｓ４と同時に実施してもよく、また、ＦＥＡ手順Ｓ４の前に実施してもよい。 Further, in the sealing performance evaluation procedure S5, the sealing performance of the gasket is obtained by experiments, and the minimum gasket stress that does not exceed the sealing standard is calculated. In the flowchart of FIG. 1, the sealing performance evaluation procedure S5 is to be performed after the FEA procedure S4, but may be performed at the same time as the FEA procedure S4 or before the FEA procedure S4. May be.
そして、シール性評価手順Ｓ５により算定したシール基準を超えない最小ガスケット応力と、ＦＥＡ手順Ｓ４により計算したガスケット応力の経時変化とを対比して、ガスケットの寿命を予測する。具体的には、図２に示したように、シール性評価手順Ｓ５により算定したシール基準を超えない最小ガスケット応力を示す線Ｂと、ＦＥＡ手順Ｓ４により計算したガスケット応力の経時変化を示す線Ａとを、縦軸をガスケット応力、横軸を時間としたグラフにプロットし、線Ａと線Ｂとの交点をガスケットの寿命と推定する。 And the lifetime of a gasket is estimated by contrasting the minimum gasket stress which does not exceed the seal | sticker reference | standard calculated by sealing property evaluation procedure S5, and the time-dependent change of the gasket stress calculated by FEA procedure S4. Specifically, as shown in FIG. 2, a line B indicating the minimum gasket stress not exceeding the seal standard calculated by the sealability evaluation procedure S5, and a line A indicating the time-dependent change of the gasket stress calculated by the FEA procedure S4. Are plotted on a graph with the vertical axis representing gasket stress and the horizontal axis representing time, and the intersection of line A and line B is estimated as the life of the gasket.
以下、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法の説明として、環境条件設定手順Ｓ１、材料条件設定手順Ｓ２、運転手順設定手順Ｓ３、ＦＥＡ手順Ｓ４、およびシール性評価手順Ｓ５について、詳細に説明する。
［環境条件設定手順Ｓ１］
環境条件設定手順Ｓ１では、有限要素解析に用いる環境条件として、少なくとも、ガスケット締結体の寸法、ガスケットの初期応力、内部流体の圧力条件および温度条件を設定する。
Hereinafter, as an explanation of the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body of the present invention, the environmental condition setting procedure S1, the material condition setting procedure S2, the operation procedure setting procedure S3, the FEA procedure S4, and the sealability evaluation procedure S5 will be described in detail. To do.
[Environmental condition setting procedure S1]
In the environmental condition setting procedure S1, at least the dimensions of the gasket fastening body, the initial stress of the gasket, the pressure condition and the temperature condition of the internal fluid are set as the environmental conditions used for the finite element analysis.
図３は、本発明のガスケット締結体を示した部分破断斜視図である。 FIG. 3 is a partially broken perspective view showing the gasket fastening body of the present invention.
本発明におけるガスケット締結体とは、ガスケットと、ガスケットを挟持する挟持体とから構成されており、この挟持体は、一体または別体として、この挟持部同士を締結する締結手段を備えている。 The gasket fastening body in the present invention is composed of a gasket and a sandwiching body that sandwiches the gasket, and this sandwiching body is provided with fastening means for fastening the sandwiching portions as a single body or a separate body.
本実施例では、ガスケット締結体１は、図３に示したように、ガスケット２と、ガスケット２を挟持するフランジ部４ａを備える管フランジ４とから構成され、管フランジ４は、別体として、フランジ部４ａ同士を締結するボルト６を備えており、管フランジ４の内部には内部流体が密封されている。 In this embodiment, as shown in FIG. 3, the gasket fastening body 1 is composed of a gasket 2 and a pipe flange 4 provided with a flange portion 4 a for sandwiching the gasket 2. A bolt 6 for fastening the flange portions 4 a together is provided, and an internal fluid is sealed inside the pipe flange 4.
本発明におけるガスケットの材質は、特に限定されず、例えば、石綿、メタル、ゴム、黒鉛、フッ素樹脂などを含む材料のものを好適に使用することができる。また、本発明は、例えば、渦巻き形ガスケットのように、２以上の材質を組み合わせて形成されたガスケットに対しても、適用可能である。本発明における特に好ましいガスケットの材質は、耐熱性に優れ、材料劣化が少なく、したがって、ガスケット応力の経時変化が、主としてガスケットのクリープ特性に依存する材質であり、例えば、フッ素樹脂やメタルなどを挙げることができる。 The material of the gasket in the present invention is not particularly limited, and for example, a material containing asbestos, metal, rubber, graphite, fluororesin, or the like can be suitably used. The present invention is also applicable to a gasket formed by combining two or more materials, such as a spiral gasket. A particularly preferable gasket material in the present invention is a material having excellent heat resistance and little material deterioration. Therefore, a change in the gasket stress with time mainly depends on the creep characteristics of the gasket, and examples thereof include fluororesin and metal. be able to.
本実施例では、ガスケット２は、主に黒鉛、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなるガスケットであるＧＦ３００（日本バルカー工業社製品、厚さ３mm）を使用し、ガスケット２の締付け時の初期応力は３５ＭＰａと設定した。 In this embodiment, the gasket 2 uses GF300 (Nippon Valqua Kogyo Co., Ltd. product, thickness 3 mm) which is a gasket mainly made of graphite and PTFE (polytetrafluoroethylene), and the initial stress when the gasket 2 is tightened is Set to 35 MPa.
また、本発明における管フランジ４およびボルト６の寸法は、特に限定されるものではない。本実施例では、ＪＩＳ規格の鋼製管フランジを使用することとし、管フランジおよびボルトの材質はＳＳ４００、管フランジの呼び径は６００Ａ、呼び圧力は１０Ｋとし、フランジ部４ａの継手形式はＲＦ形とした。 Moreover, the dimension of the pipe flange 4 and the volt | bolt 6 in this invention is not specifically limited. In this embodiment, a steel pipe flange of JIS standard is used, the material of the pipe flange and bolt is SS400, the nominal diameter of the pipe flange is 600A, the nominal pressure is 10K, and the joint type of the flange portion 4a is the RF type. It was.
また、本発明における内部流体の圧力条件および温度条件は、特に限定されるものではなく、ガスケット締結体１の使用態様に応じて、種々の条件を設定することが可能であるが、本実施例では、内部流体の圧力条件および温度条件として、温度２００℃、内圧１ＭＰａの内部流体を作動させる場合を検討した。 Further, the pressure condition and temperature condition of the internal fluid in the present invention are not particularly limited, and various conditions can be set according to the usage mode of the gasket fastening body 1. Then, the case where the internal fluid with a temperature of 200 ° C. and an internal pressure of 1 MPa was operated as the pressure condition and temperature condition of the internal fluid was examined.
本実施例において設定した環境条件を表１に示す。 Table 1 shows the environmental conditions set in this example.
［材料条件設定手順Ｓ２］
材料条件設定手順Ｓ２では、有限要素解析に用いる材料条件として、ガスケット締結体の材料条件を設定する。
[Material condition setting procedure S2]
In the material condition setting procedure S2, the material condition of the gasket fastening body is set as the material condition used for the finite element analysis.
図４は、本発明のガスケットの応力−ひずみの関係を示したグラフ、図５は、本発明のガスケットのクリープひずみ速度を示したグラフ、図６は、本発明のガスケットの線膨張率−温度の関係を示したグラフ、図７は、本発明のガスケットの比熱−温度の関係を示したグラフである。 4 is a graph showing the stress-strain relationship of the gasket of the present invention, FIG. 5 is a graph showing the creep strain rate of the gasket of the present invention, and FIG. 6 is the linear expansion coefficient-temperature of the gasket of the present invention. FIG. 7 is a graph showing the specific heat-temperature relationship of the gasket of the present invention.
図４は、縦軸を応力、横軸をひずみとし、温度が室温、５０℃、１００℃、２００℃の場合のガスケット２の応力−ひずみの関係を表したグラフである。この図４からも分かるように、ガスケット２は、応力が増加する過程において、温度が高くなるほど剛性が低下するという温度依存性を有する。また、応力の増加過程と減少過程とで、応力−ひずみ関係が変化するとのヒステリシス特性を有する。よって、本発明のガスケット締結体１の長期特性予測方法では、ガスケット２の材料条件を設定する際に、ガスケット２の圧縮特性における温度依存性とヒステリシス特性を考慮している。 FIG. 4 is a graph showing the stress-strain relationship of the gasket 2 when the vertical axis represents stress and the horizontal axis represents strain, and the temperatures are room temperature, 50 ° C., 100 ° C., and 200 ° C. As can be seen from FIG. 4, the gasket 2 has a temperature dependency that the rigidity decreases as the temperature increases in the process of increasing the stress. Moreover, it has a hysteresis characteristic that the stress-strain relationship changes between the increase process and the decrease process of the stress. Therefore, in the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body 1 of the present invention, the temperature dependence and hysteresis characteristics of the compression characteristics of the gasket 2 are taken into account when setting the material conditions of the gasket 2.
本実施例では、ガスケットの応力増加過程については、このガスケット２の温度依存性およびヒステリシス特性を考慮して、図４に示したように、温度条件毎にヤング率を設定し、ガスケットの応力減少過程ではヤング率を１ＧＰａで一定として設定した。 In this embodiment, the stress increase process of the gasket takes into consideration the temperature dependence and hysteresis characteristics of the gasket 2 and sets the Young's modulus for each temperature condition as shown in FIG. In the process, the Young's modulus was set constant at 1 GPa.
図５は、縦軸をクリープひずみ、横軸を時間とし、ガスケット２を２００℃の温度条件下で３５．０ＭＰａ、２５．０ＭＰａ、１２．５ＭＰａで圧縮した場合のガスケット２のクリープひずみの経時変化を表したグラフである。図５におけるグラフの傾きは、クリープひずみ速度を表わす。この図５からも分かるように、ガスケット２のクリープひずみ速度は、ガスケット応力により変化するという応力依存性を有するため、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、ガスケット２の材料条件を設定する際に、ガスケット２のクリープ特性における応力依存性を考慮している。 FIG. 5 shows the time-dependent change in the creep strain of the gasket 2 when the vertical axis is creep strain and the horizontal axis is time, and the gasket 2 is compressed at 35.0 MPa, 25.0 MPa, and 12.5 MPa at 200 ° C. It is the graph showing. The slope of the graph in FIG. 5 represents the creep strain rate. As can be seen from FIG. 5, since the creep strain rate of the gasket 2 has a stress dependency that changes depending on the gasket stress, the material condition of the gasket 2 is set in the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body of the present invention. In doing so, the stress dependence of the creep characteristics of the gasket 2 is taken into consideration.
本実施例では、実験から得られたガスケット２の応力毎のクリープひずみ速度を、バネとダッシュポッドを用いた粘弾性モデルである、三要素粘弾性モデルにモデリングし、応力依存性を考慮した下記式（１）により同定した。有限要素解析には、この式（１）を入力して用いる。なお、図５には、同定した結果として、実験値と式（１）による計算値とを示している。 In this example, the creep strain rate for each stress of the gasket 2 obtained from the experiment is modeled into a three-element viscoelastic model, which is a viscoelastic model using a spring and a dash pod, and the stress dependency is considered as follows. It identified by Formula (1). For the finite element analysis, the equation (1) is input and used. In addition, in FIG. 5, the experimental value and the calculated value by Formula (1) are shown as the identified result.
εc＝Ａ・σn・ｔm （１）
ここで、εcはクリープひずみ速度［/s］、σは応力［ＭＰａ］、ｔは時間［s］、Ａ，ｎ，ｍは実験により求める定数であり、最小二乗法近似により、以下の値を特定した。
ε c = A · σ n · t m (1)
Here, ε c is the creep strain rate [/ s], σ is the stress [MPa], t is the time [s], A, n, m are constants obtained by experiments, and the following values are obtained by least square approximation. Identified.
Ａ＝４．９６×１０-7
ｎ＝１．９８
ｍ＝−０．８３０
なお、本実施例におけるクリープひずみの実験期間は、図５に示したように、約９５０００秒（約１１日）であり、非特許文献１で行われていた応力緩和試験の試験期間よりも短い期間で実験を行うことが可能である。
A = 4.96 × 10 −7
n = 1.98
m = −0.830
In addition, as shown in FIG. 5, the experimental period of the creep strain in this example is about 95000 seconds (about 11 days), which is shorter than the test period of the stress relaxation test performed in Non-Patent Document 1. It is possible to conduct experiments over a period of time.
このように、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、ガスケットのクリープ特性における応力依存性を有限要素解析に適した式（１）として考慮することができるため、有限要素解析によりガスケット２の応力の経時変化を計算することができる。 As described above, in the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body of the present invention, the stress dependency in the creep characteristics of the gasket can be considered as Equation (1) suitable for finite element analysis. The change in stress over time can be calculated.
また、図６および図７に示したように、本発明のガスケット２の線膨張率および比熱は、温度依存性を有しており、本実施例では、材料条件を設定する際に、このガスケット２の線膨張率および比熱の温度依存性を考慮した。 Further, as shown in FIGS. 6 and 7, the linear expansion coefficient and specific heat of the gasket 2 of the present invention have temperature dependence. In this embodiment, when setting the material conditions, this gasket is used. The linear expansion coefficient of 2 and the temperature dependence of the specific heat were considered.
本実施例において設定した環境条件を表２に示す。 Table 2 shows the environmental conditions set in this example.
［運転条件設定手順Ｓ３］
運転条件設定手順Ｓ３では、有限要素解析に用いる運転条件として、所定時間経過後に、環境条件および材料条件を再設定するとの運転条件を設定する。
[Operation condition setting procedure S3]
In the operation condition setting procedure S3, as the operation condition used for the finite element analysis, the operation condition for resetting the environmental condition and the material condition after a predetermined time has elapsed is set.
本実施例では、運転条件として、運転サイクル条件および増し締め条件の有無により、４ケース（ケース１〜４）の運転条件を設定した。 In this example, four operating conditions (cases 1 to 4) were set as operating conditions depending on the presence or absence of operating cycle conditions and additional tightening conditions.
運転サイクル条件とは、内部流体の運転サイクルに合わせて、所定時間経過後に内部流体の圧力条件および温度条件を再設定することである。実機の使用においては、メンテナンス等のため、例えば、１年毎に内部流体の運転を停止して、ガスケット締結体を分解・点検することが行われる。 The operation cycle condition is to reset the pressure condition and temperature condition of the internal fluid after a predetermined time has elapsed in accordance with the operation cycle of the internal fluid. In use of the actual machine, for example, for maintenance, the operation of the internal fluid is stopped every year, and the gasket fastening body is disassembled and inspected.
本実施例では、かかる実機の使用態様を考慮すべく、運転条件として、１年毎に内部流体による内圧と温度の作用を停止し、１日後に内部流体の運転を再開する、すなわち、内部流体の内圧を大気圧に、温度を室温に再設定し、１日後に元の条件に戻すとの運転サイクル条件を設定した（ケース２）。 In the present embodiment, in consideration of the usage mode of the actual machine, the operation of the internal pressure and temperature by the internal fluid is stopped every year as the operating condition, and the operation of the internal fluid is restarted after one day. Was set to atmospheric pressure, the temperature was reset to room temperature, and the operation cycle conditions were set to return to the original conditions after one day (Case 2).
増し締め条件とは、ガスケットの増し締めを想定して、所定時間経過後にガスケット応力を再設定することである。実機の使用においては、ガスケットの寿命を延ばすため、初期の締付け後、および所定時間経過後にガスケットを再度締付けて、ガスケットの圧縮応
力を増加させることが行われる。
The additional tightening condition is to reset the gasket stress after a predetermined time has elapsed, assuming additional tightening of the gasket. In actual use, in order to extend the life of the gasket, the gasket is re-tightened after the initial tightening and after a predetermined time has elapsed to increase the compressive stress of the gasket.
本実施例では、かかる実機の使用態様を考慮すべく、運転条件として、内部流体の運転開始の１日後に、初期締付けに相当するガスケット２の増し締めを行う、すなわち、ガスケット２の初期応力に相当するガスケット応力を再設定するとの増し締め条件を設定した（ケース３）。 In the present embodiment, in order to consider the usage mode of the actual machine, as an operating condition, one day after the start of the operation of the internal fluid, additional tightening of the gasket 2 corresponding to initial tightening is performed, that is, to the initial stress of the gasket 2. Retightening conditions for resetting the corresponding gasket stress were set (Case 3).
なお、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、運転条件として、運転サイクル条件と増し締め条件とを併せて設定することも可能である。 In the method for predicting long-term characteristics of a gasket fastener according to the present invention, it is also possible to set an operation cycle condition and an additional tightening condition as operation conditions.
本実施例では、内部流体の運転開始後の１日後、および内部流体の運転再開の１日後に、ガスケット２の初期応力に相当するガスケット応力を再設定している（ケース４）。 In this embodiment, the gasket stress corresponding to the initial stress of the gasket 2 is reset one day after the start of the operation of the internal fluid and one day after the restart of the operation of the internal fluid (case 4).
また、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、運転条件を設定せずに、ガスケット締結体の将来のシール性を予測することも可能である。 Further, in the method for predicting long-term characteristics of a gasket fastener according to the present invention, it is also possible to predict the future sealing performance of the gasket fastener without setting operating conditions.
本実施例では、この運転条件を設定しない場合、すなわち、内部流体の運転開始後は、環境条件および材料条件の再設定は行わない場合のガスケット２の寿命についても予測した（ケース１）。
［ＦＥＡ手順Ｓ４］
ＦＥＡ手順Ｓ４では、Ｓ１〜Ｓ３で設定した環境条件、材料条件、および運転条件を用いて、有限要素解析によりガスケット２の応力の経時変化を計算する。
In this example, the lifetime of the gasket 2 when the operating conditions are not set, that is, after the operation of the internal fluid is started, when the environmental conditions and the material conditions are not reset is also predicted (case 1).
[FEA procedure S4]
In the FEA procedure S4, the temporal change of the stress of the gasket 2 is calculated by finite element analysis using the environmental conditions, material conditions, and operation conditions set in S1 to S3.
図８は、図３のａ部におけるガスケット締結体１の有限要素モデルを示した図、図９は、有限要素解析の境界条件を示した図、図１０は、有限要素解析により計算したガスケット２の応力の経時変化を示したグラフである。 8 is a diagram showing a finite element model of the gasket fastening body 1 in the part a of FIG. 3, FIG. 9 is a diagram showing boundary conditions of the finite element analysis, and FIG. 10 is a gasket 2 calculated by the finite element analysis. It is the graph which showed the time-dependent change of stress.
本実施例では、図８に示したように、ガスケット締結体１を軸対称体と仮定した軸対称モデルとして、有限要素モデルを構築した。また、図８に示したモデル断面では、フランジ部４ａにボルト穴がなく、ボルト６は周方向に連続的に存在する形となっているが、かかるボルト穴およびボルト箇所数の影響については、実機とモデルとの断面積の割合からボルト６のヤング率を設定することで、有限要素解析上は考慮している。また、フランジ部４ａおよびボルト６については、軸対称４節点伝熱弾性要素を用い、線形弾性体としてモデル化した。なお、有限要素解析は、汎用有限要素解析コードＡＢＡＱＵＳを用いて解析した。 In this embodiment, as shown in FIG. 8, a finite element model is constructed as an axially symmetric model assuming that the gasket fastening body 1 is an axially symmetric body. Further, in the model cross section shown in FIG. 8, there is no bolt hole in the flange portion 4a, and the bolt 6 is continuously present in the circumferential direction. In the finite element analysis, the Young's modulus of the bolt 6 is set from the ratio of the cross-sectional area between the actual machine and the model. Further, the flange portion 4a and the bolt 6 were modeled as linear elastic bodies using an axially symmetric four-node heat transfer elastic element. The finite element analysis was performed using a general-purpose finite element analysis code ABAQUS.
また、本実施例では、図９（Ａ）に示したように、締付け時には、ガスケット２の初期応力として、ガスケット応力３５ＭＰａに相当するボルト応力をモデル上のボルト６下端に与え、締付け完了時には軸方向に拘束する。なお、本実施例では、前述したように軸対称モデルを用いているため、周方向にある複数のボルト６を同時に締付ける条件となる。 Further, in this embodiment, as shown in FIG. 9A, a bolt stress corresponding to a gasket stress of 35 MPa is applied to the lower end of the bolt 6 on the model as an initial stress of the gasket 2 at the time of tightening. Restrain in direction. In the present embodiment, as described above, the axially symmetric model is used, and therefore, a plurality of bolts 6 in the circumferential direction are tightened simultaneously.
また、本実施例では、図９（Ｂ）に示したように、運転時の内部流体の影響は、管フランジ４に内圧と温度とを作用させることで、有限要素解析に反映させている。 In this embodiment, as shown in FIG. 9B, the influence of the internal fluid during operation is reflected in the finite element analysis by applying the internal pressure and temperature to the pipe flange 4.
すなわち、本実施例のＦＥＡ評価手順Ｓ４では、締付け時には静的問題として扱い、締付け後の運転時には非定常問題として扱い、運転開始による内部流体によるガスケット締結体１の加熱、時間の影響を考慮している。 That is, in the FEA evaluation procedure S4 of the present embodiment, it is treated as a static problem at the time of tightening, is treated as a non-stationary problem at the time of operation after tightening, and the effects of the heating of the gasket fastening body 1 by the internal fluid due to the start of operation and the influence of time are considered. ing.
このように、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、ガスケット２と、ガスケット２を挟持するフランジ部４ａを備えるフランジ管４と、フランジ部４ａ同士を締
結するボルト６とから構成されたガスケット締結体１をモデル化し、有限要素解析を行っているため、管フランジ４およびボルト６の応力が、ガスケット２の応力に及ぼす影響を考慮することができ、ガスケット締結体１としての将来のシール性を予測することができる。
As described above, the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body according to the present invention includes the gasket 2, the flange pipe 4 including the flange portion 4a for sandwiching the gasket 2, and the bolt 6 for fastening the flange portions 4a together. Since the gasket fastening body 1 is modeled and finite element analysis is performed, the influence of the stress of the pipe flange 4 and the bolt 6 on the stress of the gasket 2 can be taken into consideration, and a future seal as the gasket fastening body 1 can be considered. Gender can be predicted.
また、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、有限要素解析によりガスケット２の応力の経時変化を計算するため、従来の方法と比べて、比較的短い期間でガスケット締結体１の将来のシール性を予測することができる。 Further, in the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body according to the present invention, since the change with time of the stress of the gasket 2 is calculated by finite element analysis, the future of the gasket fastening body 1 in a relatively short period compared to the conventional method. Sealability can be predicted.
図１０（Ａ）〜（Ｄ）は、縦軸を平均ガスケット応力、横軸を時間とし、前述した４つの運転条件（ケース１〜４）におけるガスケット２の平均応力の経時変化を示したグラフである。ここで、図１０（Ａ）はケース１（運転条件を設定しない場合）、図１０（Ｂ)
はケース２（運転サイクル条件）、図１０（Ｃ）はケース３（増し締め条件）、図１０（Ｄ）はケース４（運転サイクル条件＋増し締め条件）のガスケット２の平均応力の経時変化を、それぞれ示している。
10 (A) to 10 (D) are graphs showing time-dependent changes in the average stress of the gasket 2 under the four operating conditions (cases 1 to 4) described above, with the vertical axis representing the average gasket stress and the horizontal axis representing time. is there. Here, FIG. 10 (A) shows case 1 (when operating conditions are not set), FIG. 10 (B).
Is the case 2 (operating cycle condition), FIG. 10 (C) is the case 3 (reinforcement condition), and FIG. 10 (D) is the change over time in the average stress of the gasket 2 in case 4 (operating cycle condition + retightening condition). , Respectively.
図１０（Ａ）〜（Ｄ）に示したように、ケース１（運転条件を設定しない場合）およびケース３（増し締め条件）では、ガスケット２の応力は、十分大きな応力を維持しているが、ケース２（運転サイクル条件）およびケース４（運転サイクル条件＋増し締め条件）では、内部流体の運転停止時にガスケット２の応力が大きく低下していることが分かる。しかしながら、ケース４（運転サイクル条件＋増し締め条件）では、増し締めによってガスケット２の応力が回復するため、ケース２（運転サイクル条件）と比べて、大きなガスケット応力を維持できるとの結果となった。 As shown in FIGS. 10A to 10D, in case 1 (when operating conditions are not set) and case 3 (retightening conditions), the stress of gasket 2 is maintained at a sufficiently high level. In Case 2 (operating cycle condition) and Case 4 (operating cycle condition + retightening condition), it can be seen that the stress of the gasket 2 is greatly reduced when the operation of the internal fluid is stopped. However, in case 4 (operating cycle condition + retightening condition), the stress of the gasket 2 is recovered by retightening, and as a result, a larger gasket stress can be maintained than in case 2 (operating cycle condition). .
また、図１０（Ａ）に示したように、ケース１（運転条件を設定しない場合）では、平均ガスケット応力が初期に約１９ＭＰａまで大きく低下し、その後は穏やかに低下しているが、この初期の大きな応力低下は、運転開始直後の温度変化時に生じたものと推察された。すなわち、初期はガスケット２のクリープが顕著であることに加え、温度変化時にはガスケット２、管フランジ４、ボルト６などの熱膨張、ガスケット２の剛性低下の影響がある。特にこのガスケット２の剛性低下によって、ガスケット２の厚さは小さくなり、ガスケット２が応力は大きく低下するものと考えられた。 Further, as shown in FIG. 10A, in case 1 (when the operating condition is not set), the average gasket stress is greatly reduced to about 19 MPa in the initial stage, and then gently decreased. It was inferred that this large stress drop occurred during the temperature change immediately after the start of operation. That is, in the initial stage, the creep of the gasket 2 is remarkable, and when the temperature changes, there is an influence of thermal expansion of the gasket 2, the pipe flange 4, the bolt 6 and the like, and a decrease in rigidity of the gasket 2. In particular, it was considered that the thickness of the gasket 2 was reduced due to the reduction in rigidity of the gasket 2, and the stress of the gasket 2 was greatly reduced.
なお、図１０（Ａ）〜（Ｄ）の点線Ｂは、シール性評価手順Ｓ５において算定した、シール基準を超えない最小ガスケット応力を示した線であり、詳しくは後述する。 In addition, the dotted line B of FIG. 10 (A)-(D) is a line which showed the minimum gasket stress which did not exceed the seal | sticker reference | standard calculated in sealing property evaluation procedure S5, and mentions it in detail later.
このように、本願発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、内部流体の運転条件や、増し締め条件など、実機の様々な使用態様に即した運転条件を考慮することができるため、実際の使用態様に即したガスケット締結体の将来のシール性を予測することができる。 As described above, in the method for predicting long-term characteristics of the gasket fastening body according to the present invention, it is possible to consider operating conditions according to various usage modes of the actual machine, such as operating conditions of the internal fluid and additional tightening conditions. It is possible to predict the future sealing performance of the gasket fastening body in accordance with the usage mode.
また、本発明のガスケット締結体の長期特性予測方法では、所定時間経過後に、環境条件および材料条件を再設定するとの運転条件を考慮することができるため、例えば、増し締め周期を複数のパターンで設定し、有限要素解析によりガスケット応力の経時変化を計算することで、最適な増し締め時期の検討など、効率的なメンテナンス方法についても検討することができる。
［シール性評価手順Ｓ５］
シール性評価手順Ｓ５では、ガスケット２に所定の荷重を載荷した後、徐々にガスケット２の応力を減少させる除荷過程におけるガスケットのシール性を実験により求め、シール基準を超えない最小ガスケット応力を算定する。
Further, in the method for predicting long-term characteristics of a gasket fastening body according to the present invention, it is possible to consider operating conditions for resetting environmental conditions and material conditions after elapse of a predetermined time. By setting and calculating the change over time of gasket stress by finite element analysis, it is possible to study an efficient maintenance method such as the examination of the optimal tightening timing.
[Sealability Evaluation Procedure S5]
In the sealability evaluation procedure S5, after a predetermined load is loaded on the gasket 2, the sealability of the gasket in the unloading process in which the stress of the gasket 2 is gradually reduced is obtained by experiments, and the minimum gasket stress not exceeding the seal standard is calculated. To do.
図１１は、シール性評価試験装置の概要図、図１２は、シール性評価にかかる実験結
果を示したグラフである。
FIG. 11 is a schematic diagram of a sealing performance evaluation test apparatus, and FIG. 12 is a graph showing experimental results related to sealing performance evaluation.
本実施例では、シール性評価手順Ｓ５において、シール基準を超えない最小ガスケット応力を、図１１に示したシール性評価試験装置８を用いて実験により求めた。 In this example, in the sealing performance evaluation procedure S5, the minimum gasket stress that does not exceed the sealing standard was obtained by experiments using the sealing performance evaluation test apparatus 8 shown in FIG.
シール性評価試験は、次のとおり行った。 The sealing property evaluation test was performed as follows.
すなわち、初期ガスケット応力を１９．７ＭＰａ、２５．５ＭＰａ、３５．０ＭＰａとし、ガスケット２を挟みこんだフランジを圧縮試験機１０（AUTOGRAPH500KND型、島津製
作所製）によって圧縮し、ボンベ１２により供給される窒素ガスの漏洩量を測定した。漏洩量の測定には、ボンベ１２とフランジとの間に設置したマスフローメーター１４（ハイグレードマスフローメーターMODEL3100、コフロック社製）を用いた。ボンベ１２に付属
した不図示のレギュレーターによってガスケット２とフランジとで囲まれた空間の内圧を一定にすると、ガスケット２から漏洩した同量のガスがボンベ６から供給されることとなり、この供給量をマスフローメーター１４によって測定することで、ガスケット２の漏洩量を測定した。なお、このシール性評価試験装置８による漏洩検出感度は、５×１０-5Ｐａ・ｍ3／ｓである。
That is, the initial gasket stress is set to 19.7 MPa, 25.5 MPa, 35.0 MPa, the flange sandwiching the gasket 2 is compressed by the compression tester 10 (AUTOGRAPH500KND type, manufactured by Shimadzu Corporation), and nitrogen supplied by the cylinder 12 The amount of gas leakage was measured. For measuring the amount of leakage, a mass flow meter 14 (high grade mass flow meter MODEL3100, manufactured by Cofrock) installed between the cylinder 12 and the flange was used. When the internal pressure of the space surrounded by the gasket 2 and the flange is made constant by a regulator (not shown) attached to the cylinder 12, the same amount of gas leaked from the gasket 2 is supplied from the cylinder 6, and this supply amount is reduced. The amount of leakage of the gasket 2 was measured by measuring with the mass flow meter 14. In addition, the leakage detection sensitivity by this sealing property evaluation test apparatus 8 is 5 × 10 −5 Pa · m 3 / s.
温度条件は、室温と２００℃の２通りで実験を行った。２００℃での測定では、圧縮負荷の前に予めガスケット２を挟み込んだフランジをバンドヒーター１６によって加熱し、フランジに設置した熱電対１８と加熱制御装置２０によって温度を制御した。そして、初期ガスケット応力の付加後、段階的にガスケット２の応力を減少させていき、漏洩量とガスケット応力との関係を求めた。なお、シール基準は１．７×１０-4Ｐａ・ｍ3／ｓとし
た。
The experiment was conducted under two temperature conditions: room temperature and 200 ° C. In the measurement at 200 ° C., the flange in which the gasket 2 was previously sandwiched before the compression load was heated by the band heater 16, and the temperature was controlled by the thermocouple 18 and the heating control device 20 installed on the flange. Then, after adding the initial gasket stress, the stress of the gasket 2 was gradually reduced, and the relationship between the leakage amount and the gasket stress was determined. The seal standard was 1.7 × 10 −4 Pa · m 3 / s.
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、漏洩量を対数軸に、ガスケット応力を線形軸とし、初期ガスケット応力を１９．７ＭＰａ、２５．５ＭＰａ、３５．０ＭＰａとした場合のガスケット２の応力−漏洩量の関係を表した片対数グラフである。ここで、図１２（Ａ）は温度条件を室温とした場合、図１２（Ｂ）は温度条件を２００℃とした場合のガスケット２の応力−漏洩量の関係を表している。 12A and 12B show the stress-leakage of the gasket 2 when the leakage amount is a logarithmic axis, the gasket stress is a linear axis, and the initial gasket stress is 19.7 MPa, 25.5 MPa, 35.0 MPa. It is the semilogarithm graph showing the relationship of quantity. Here, FIG. 12A shows the stress-leakage relationship of the gasket 2 when the temperature condition is room temperature, and FIG. 12B shows the gasket 2 when the temperature condition is 200 ° C.
図１２（Ａ）、（Ｂ）に示したように、室温に比べて２００℃の方が、同じガスケット応力でも漏洩量が少なく、シール性が高くなっている。これは、高温になることで、ガスケット２の表面が軟化し、フランジ面とのなじみが向上するためと考えられた。また、図１２（Ａ）に示したように、室温時では、初期ガスケット応力が高いほどシール性は高いのに対し、図１２（Ｂ）に示したように、２００℃の場合では、初期ガスケット応力によるシール性の違いは殆ど見られない。これもガスケット２が軟化したことによりなじみが向上し、初期ガスケット応力の影響が小さくなったためと考えられた。 As shown in FIGS. 12A and 12B, the amount of leakage is less at 200 ° C. than the room temperature even with the same gasket stress, and the sealing performance is high. This was considered to be because the surface of the gasket 2 was softened due to the high temperature, and the familiarity with the flange surface was improved. Further, as shown in FIG. 12A, the sealing performance increases as the initial gasket stress increases at room temperature, whereas the initial gasket increases at 200 ° C. as shown in FIG. There is almost no difference in sealability due to stress. This was also considered to be due to the fact that the familiarity was improved by the softening of the gasket 2 and the influence of the initial gasket stress was reduced.
このように、シール基準を超えない最小ガスケット応力は、温度条件により大きく異なるため、実機の使用態様に即した温度条件にて、シール基準を超えない最小ガスケット応力を算定するのが好ましい。本実施例では、ガスケット締結体１が使用される温度条件である２００℃の場合のガスケット応力が、シール基準である１．７×１０-4Ｐａ・ｍ3／
ｓとなる時のガスケット応力を、シール基準を超えない最小ガスケット応力とした。
As described above, the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard varies greatly depending on the temperature condition. Therefore, it is preferable to calculate the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard under the temperature condition according to the use mode of the actual machine. In this embodiment, the gasket stress at 200 ° C., which is the temperature condition in which the gasket fastening body 1 is used, is 1.7 × 10 −4 Pa · m 3 /
The gasket stress when s was reached was the minimum gasket stress that did not exceed the seal standard.
また、上述したように、温度条件が２００℃の場合は、初期ガスケット応力によるシール性の違いは殆ど見られないため、本実施例では、初期ガスケット応力１９．７ＭＰａ、２５．５ＭＰａ、３５．０ＭＰａのガスケット応力の平均をとって、シール基準を超えない最小ガスケット応力を算定し、図１２（Ｂ）に示したように、２．５ＭＰａとした。 Further, as described above, when the temperature condition is 200 ° C., there is almost no difference in sealability due to the initial gasket stress. Therefore, in this example, the initial gasket stress is 19.7 MPa, 25.5 MPa, 35.0 MPa. The minimum gasket stress that does not exceed the seal standard was calculated by taking the average of the gasket stress of 2.5 MPa as shown in FIG.
このようにして算定したシール基準を超えない最小ガスケット応力を、有限要素解析により計算したガスケット２の応力の経時変化と対比することで、実機の使用態様に即したガスケットの寿命を予測することができる。具体的には、図１０（Ｂ）に示したように、運転条件のケース２（運転サイクル条件）の応力の経時変化を示した線と、シール基準を超えない最小ガスケット応力を示した点線Ｂとは、時間軸で約３年のところで交わっており、ケース２のガスケットの寿命は約３年と推定することができる。また、ケース１（運転条件を設定しない場合）、ケース３（増し締め条件）、ケース４（運転サイクル条件＋増し締め条件）のガスケット応力は、図１０（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示したように、４年の計算期間内ではシール基準を超えない最小ガスケット応力を下回らないことから、ケース１、３、４のガスケットの寿命は少なくとも４年以上と推定することができる。 By comparing the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard calculated in this way with the time-dependent change of the stress of the gasket 2 calculated by finite element analysis, it is possible to predict the life of the gasket in accordance with the actual use mode. it can. Specifically, as shown in FIG. 10 (B), a line indicating the time-dependent change of stress in case 2 (operation cycle condition) of the operating condition and a dotted line B indicating the minimum gasket stress not exceeding the seal standard. Is intersecting at about 3 years on the time axis, and the life of the gasket of case 2 can be estimated to be about 3 years. Further, the gasket stresses of case 1 (when operating conditions are not set), case 3 (reinforcement conditions), and case 4 (operation cycle conditions + reinforcement conditions) are shown in FIGS. 10 (A), (C), (D). As shown in the above, since the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard is not exceeded within the calculation period of 4 years, the life of the gaskets of cases 1, 3, and 4 can be estimated to be at least 4 years.
以上、本発明の好ましい実施の態様を説明してきたが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.
１ ガスケット締結体
２ ガスケット
４ 管フランジ
４ａ フランジ部
６ ボルト
８ シール性評価試験装置
１０ 圧縮試験機
１２ ボンベ
１４ マスフローメーター
１６ バンドヒーター
１８ 熱電対
２０ 加熱制御装置
Ａ 有限要素解析により計算したガスケット応力の経時変化
Ｂ シール基準を超えない最小ガスケット応力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gasket fastening body 2 Gasket 4 Pipe flange 4a Flange part 6 Bolt 8 Sealing property evaluation test apparatus 10 Compression test machine 12 Cylinder 14 Mass flow meter 16 Band heater 18 Thermocouple 20 Heating control apparatus A Time course of gasket stress calculated by finite element analysis Change B Minimum gasket stress not exceeding seal standard
Claims (6)
ガスケットと、該ガスケットを挟持するガスケット挟持体とから構成された前記ガスケット締結体の将来のシール性を、モデル化されたガスケット締結体を用いて有限要素解析により予測計算するガスケット締結体の長期特性予測方法であって、
前記ガスケット挟持体が、前記ガスケットを挟持するフランジ部を備える管フランジと、該フランジ部同士を締結するボルトにより構成されており、
有限要素解析に用いる入力条件として、少なくとも、ガスケット締結体の寸法、ガスケットの初期応力、内部流体の圧力条件および温度条件を設定する環境条件設定手順と、
有限要素解析に用いる入力条件として、前記ガスケットおよび前記ガスケット挟持体の材料条件をそれぞれ設定する材料条件設定手順と、
前記環境条件および材料条件を用いて、有限要素解析によりガスケット応力の経時変化を計算するＦＥＡ手順と、を有し、
前記材料条件設定手順において、ガスケットの材料条件を設定する際、ガスケットの圧縮特性における温度依存性を考慮するとともに、ガスケットのクリープ特性における応力依存性を考慮し、
ガスケット挟持体の材料条件を設定する際、実機の管フランジの断面積とモデル化された管フランジの断面積との割合から、前記ボルトのヤング率を設定することを特徴とするガスケット締結体の長期特性予測方法。 In gasket fasteners used to seal internal fluids,
Long-term characteristics of the gasket fastening body for predicting and calculating the future sealing performance of the gasket fastening body composed of the gasket and the gasket clamping body for sandwiching the gasket by finite element analysis using the modeled gasket fastening body A prediction method,
The gasket sandwiching body is composed of a pipe flange having a flange portion for sandwiching the gasket, and a bolt for fastening the flange portions together.
Environmental condition setting procedure for setting at least the dimensions of the gasket fastening body, the initial stress of the gasket, the pressure condition and the temperature condition of the internal fluid as input conditions used for the finite element analysis,
As an input condition used for finite element analysis, a material condition setting procedure for setting material conditions of the gasket and the gasket sandwiching body , respectively ,
Using the environmental and material conditions to calculate the time course of gasket stress by finite element analysis, and
In setting the material conditions of the gasket in the material condition setting procedure, considering the temperature dependence in the compression characteristics of the gasket and taking into account the stress dependence in the creep characteristics of the gasket ,
When setting the material conditions of the gasket clamping body, the Young's modulus of the bolt is set from the ratio of the cross-sectional area of the pipe flange of the actual machine and the cross-sectional area of the modeled pipe flange . Long-term property prediction method.
前記ＦＥＡ手順において、前記運転条件も用いることを特徴とする請求項１に記載のガスケット締結体の長期特性予測方法。 As an input condition used for finite element analysis, after elapse of a predetermined time, it has an operation condition setting procedure for resetting the environmental condition and the material condition,
The method for predicting long-term characteristics of a gasket fastener according to claim 1, wherein the operating condition is also used in the FEA procedure.
εc＝Ａ・σn・ｔm （１）
（ここで、εcはクリープひずみ速度、σは応力、ｔは時間、Ａ，ｎ，ｍは実験により求
める定数である） In the material condition setting procedure, when setting the material condition of the gasket, the creep strain rate is set by the following formula (1) as one of the material conditions of the gasket. The long-term characteristic prediction method of the gasket fastening body described in 1.
ε c = A · σ n · t m (1)
(Where ε c is the creep strain rate, σ is the stress, t is the time, and A, n, and m are constants obtained by experiments)
前記シール性評価手順により算定したシール基準を超えない最小ガスケット応力と、前記ＦＥＡ手順により計算したガスケット応力の経時変化とを対比して、ガスケットの寿命を予測することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のガスケット締結体の長期特性予測方法。 After loading a predetermined load on the gasket, the gasket sealability in the unloading process to gradually reduce the stress of the gasket is experimentally obtained, and a sealability evaluation procedure for calculating the minimum gasket stress not exceeding the seal standard is provided.
The gasket life is predicted by comparing the minimum gasket stress that does not exceed the seal standard calculated by the sealability evaluation procedure with the time-dependent change of the gasket stress calculated by the FEA procedure. The long-term characteristic prediction method of the gasket fastening body in any one of 5 .
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