JP5714966B2

JP5714966B2 - 渦巻形ガスケット

Info

Publication number: JP5714966B2
Application number: JP2011087240A
Authority: JP
Inventors: 晃則大脇
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP2012219939A

Description

本発明は、高温高圧の機器や配管の継手部に使用され、水、油、蒸気、ガス等の流体をシールする目的で使用される渦巻形ガスケットに関する。

渦巻形ガスケットは、金属薄板を略Ｖ字断面に絞り加工したフープ材とフィラー材とが重ねて巻き回されてなり、両側面がシール面に当接する受圧面となるガスケット本体部を有する構成を基本形としたものが知られている。また、締付圧力によるガスケット本体の内側への変形の防止やセンタリングを目的として、金属製補強リングをガスケット本体の内側や外側あるいは両方に設けた内輪付、外輪付、内外輪付等と称される種々のタイプが知られている（例えば特開２００２−３１７８７４号公報）。

渦巻形ガスケットにおいて、フィラー材の種類としては、従来は石綿ペーパーを帯状にスリットした石綿テープが一般的であったが、石綿繊維が原因と推測されている健康障害が社会問題となって石綿の使用が禁止されたため、現在は石綿以外の無機材を主原料とし、ゴムとアラミド繊維等の有機物をバインダーとした抄造紙、いわゆるノンアスベストペーパーをスリットしたものや膨張黒鉛テープ、フッ素樹脂テープ、マイカテープ、バーミキュライトを主原料とするテープが使われている。

実開平７−２０４６４号公報には、金属製フープ材とフィラー材を重ね合わせて渦巻形に巻回してなるガスケットにおいて、内周形成部にてフープ材と重ね合わされるフィラー材を膨張黒鉛テープで形成し、外周形成部にてフープ材と重ね合わされるフィラー材を、補強材で補強したマイカテープで形成する複合フィラーを使用したものが開示されている。また、特開平１１−３５１３９９号公報には、金属製フープ材とフィラー材を重ね合わせて渦巻形に巻回してなる渦巻形ガスケットにおいて、フィラー材の内周部分と外周部分を補強材で補強された有機物量が５％以下のマイカテープで形成し、中央部分を膨張黒鉛テープで形成する複合フィラーを使用したものが開示されている。

特開２００２−３１７８７４号公報実開平７−２０４６４号公報特開平１１−３５１３９９号公報

しかしながら、渦巻形ガスケットは流体種類、温度、圧力によって内外輪、フィラー、フープの材質を選定して使用されるが、これまで、４５０℃を超える温度域で十分にシール性を発揮できるものがなかった。すなわち、従来の非石綿フィラーは１０〜２０％の有機物を含んでおり、３００℃を超える使用温度ではシール性が悪いという問題があった。膨張黒鉛テープは４００℃を超えると酸化消失をし、シールすることができなくなってしまうという問題があった。マイカペーパーやバーミキュライトを主原料とするテープは常温においてもシール性が悪いという問題があった。また、複合フィラーを使用した特開平１１−３５１３９９号公報の渦巻形ガスケットにおいても、４５０℃を超える温度域で使用することはできるものの、数年で膨張黒鉛が酸化消失してしまい十分なシール性を発揮できないという問題があった。

従って、本発明の目的は、４５０℃を超える温度域における長期間の使用においても、十分なシール性を発揮する渦巻形ガスケットを提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、略Ｖ字断面の金属製フープ材と膨張黒鉛テープを含むフィラー材とが重ねて巻き回されてなるガスケット本体部の内側に特定厚みの金属製中空Ｏリングを配設した渦巻形ガスケットであれば、４５０℃を超える温度域における長期間の使用においても、十分なシール性を発揮することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、略Ｖ字断面の金属製フープ材と膨張黒鉛テープを一部又は全部とするフィラー材とが重ねて巻き回されてなり、両側面がシール面に当接する受圧面となるガスケット本体部を有する渦巻形ガスケットであって、該ガスケット本体部の内側に金属製中空Ｏリングを配設したものであって、該ガスケット本体部の内側に金属製中空Ｏリングが配設され、該金属製中空Ｏリングが配設される該ガスケット本体部の内側部材は、金属製フープ材が複数回巻き回された内周空巻き部であり、
該金属製中空Ｏリングと該ガスケット本体部の内側部材はシール面に当接するものであり、
該金属製中空Ｏリングと該ガスケット本体部にフランジが当接し、締め付け荷重が作用したときに、該フランジと該Ｏリングと前記ガスケット本体部の内側部材との間に空間を形成し、かつ、この空間により密封領域を形成し、
該金属製中空Ｏリングの線径が、ガスケット本体部の厚さの７５％以上、１２０％以下であることを特徴とする渦巻形ガスケットを提供するものである。

本発明の渦巻形ガスケットは、ガスケット本体部の内側に特定厚みの金属製中空Ｏリングを配設したため、締め付けることにより、ガスケット本体部及び金属中空製Ｏリングが潰れ、フランジとの隙間をなくすことができ、且つフランジとガスケット本体部と金属製中空Ｏリングで形成される空間領域を密閉状態にするため、４５０℃を超える高温流体がガスケット本体部側に漏れることがなく、シール性の優れた膨張黒鉛テープの酸化消失を防止して、従来のガスケットで使用できなかった４５０℃以上の温度域での長期間の使用が可能となる。

本実施の形態における渦巻形ガスケットの平面図である。本実施の形態における渦巻形ガスケットの断面図である。渦巻形ガスケットの受圧面に圧力Ｗが作用している状態を示す図である。フランジとガスケット本体部と金属製中空Ｏリングで形成される密封域を示す部分拡大図である。シール試験の概略図である。比較例１の渦巻形ガスケットの断面図である。

本実施の形態における渦巻形ガスケット１０は、厚みの薄い、環状のものであり、対向するシール面間に装着されてシール機能を果たすものであり、略Ｖ字断面の金属製フープ材１とフィラー材２とが重ねて巻き回されてなり、両側面がシール面９に当接する受圧面５となるガスケット本体部Ｘを有するものである。

金属製中空Ｏリング３が配設されるガスケット本体部Ｘの内側の部材は、金属製フープ材１であるか、あるいは金属製フープ材１が巻き回された内周空巻き部８の内側部材である。金属製中空Ｏリング３と当接する部材を金属製フープ材とすることで、所定の締め付け荷重がかかると、フランジ９、金属製中空Ｏリング３及び金属製フープ材とで囲まれる空間を密封域４０とすることができ、ガスケット本体部Ｘが高温流体に曝されることがなくなる（図４参照）。すなわち、金属製中空Ｏリング３は、所定の締め付け荷重がかかると、フランジ９、金属製中空Ｏリング３及び金属製フープ材とで囲まれる空間を密封域４０とすることができる部材である。また、中空でない金属製中実Ｏリングを装填すると、金属製中実Ｏリングを潰すために大きな荷重が必要となり、ガスケット本体部Ｘがシールするために必要な面圧を維持できなくなってしまう恐れがある。これは金属プレートガスケット等の金属ソリッドガスケットでも同様の問題が生じる。

内周空巻き部８として使用する金属製フープ材１は、ガスケット本体部Ｘを構成する金属製フープ材と同じ材質、同じ形状であってもよく、また、材質や形状が異なっていてもよい。また、金属製フープ材と金属製中空Ｏリング３は、接着剤などで固定されていてもよい。

金属製中空Ｏリング３の線径（ｔ_３）は、ガスケット本体部の厚さ（ｔ_１）の７５％以上、１２０％以下、好適には８５％以上、１２０％以下であることが好ましい。ガスケット本体部Ｘの厚さの１２０％を超える厚さの金属製中空Ｏリング３を用いた場合、過剰圧縮率となり金属製中空Ｏリング３が座屈をすることがある。座屈を起こすと金属製中空Ｏリング３はフランジ９との接触面を失い、良好なシール性能が得られなくなる。また、ガスケット本体部Ｘの厚さの７５％未満の線径（厚み）の金属製中空Ｏリング３を用いた場合、フランジ９と金属製中空Ｏリング３が接触できないことがあり、同様に、良好なシール性能が得られなくなる。

また、金属製中空Ｏリング３の線径（ｔ_３）は、金属製フープ材１の幅（ｔ_２）より、大であっても、同じであっても、小であってもよい。金属製中空Ｏリング３の線径（ｔ_３）は、金属製フープ材１の幅（ｔ_２）の８５％以上、１２０％以下であることが好ましく、１００％が最適である。このような寸法関係にあれば、フランジの締め付けにより、先に金属製フープ材１が撓んでも、ほぼ同時に金属製中空Ｏリング３も潰すことができ、且つガスケット本体部Ｘがシールするために必要な面圧を維持することができる。

金属製中空Ｏリングの中空率は３５〜８０％であることが好ましい。金属製中空Ｏリングの中空率が３５％未満の場合、金属製中空Ｏリングを潰すために大きな荷重が必要となり、ガスケット本体部Ｘがシールするために必要な面圧を維持できなくなってしまう恐れがある。金属製中空Ｏリングの中空率が８０％を超える場合、肉厚が薄くなるため、金属製中空Ｏリングを製作するための突合せの溶接が難しくなるという製造上の問題が生じる。

金属製中空Ｏリングの材質としては、特に制限されないが、流体に侵されず、使用温度に耐えることのできるものであればよい。一般的にはＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３１６Ｌ、ニッケル合金が耐熱性、耐食性及び価格などの観点から好ましい。

また、金属製中空Ｏリングはメッキが施されていてもよい。金属製中空Ｏリングにメッキを施すと、金属製中空Ｏリングのシール性能は更に向上し、ガスケット本体部Ｘが、高温流体に曝されることがなくなる。

渦巻形ガスケット１０において使用されるフィラー材２は、膨張黒鉛テープを一部又は全部とするものである。具体的には、フィラー材２は、膨張黒鉛テープ、膨張黒鉛テープと非石綿ペーパーとの複合のもの、膨張黒鉛テープとマイカテープとの複合のものである。

複合とは、フィラー材の所定の部分が膨張黒鉛テープであり、他の部分が非石綿ペーパー又はマイカテープであり、膨張黒鉛テープのテープ端と非石綿ペーパー又はマイカテープの先端が突き合わされて交互に切り替えて巻き回した長尺状のものを言い、両者のテープ面が貼り合わされたものではない。

複合フィラーとしては、巻き回し後における内周形成部に膨張黒鉛テープを、外周形成部にマイカテープ又は非石綿ペーパーを、それぞれ配設したもの、巻き回し後における内周形成部と外周形成部に膨張黒鉛テープを、内周形成部と外周形成部間の中央形成部にマイカテープ又は非石綿ペーパーを、それぞれ配設したものなどが挙げられる。フィラーを複合フィラーとして、金属製中空Ｏリングをガスケット本体部Ｘの内周側に装填することにより、更に膨張黒鉛テープの酸化消失を抑えることができる。

非石綿ペーパーは、無機材を主原料とし、ゴムとアラミド繊維等の有機物をバインダーとした抄造紙が挙げられる。無機材としては、粘土系粉体、セラミック繊維等が挙げられる。このような抄造紙はテープ状に切断してフィラー材として使用すればよい。

渦巻形ガスケット１０において、ガスケット本体部Ｘの厚さ（ｔ_１）は、略Ｖ字断面におけるフィラー材２の幅寸法でもある。また、略Ｖ字断面における金属製フープ材の幅（ｔ_２）は、渦巻形ガスケットとしての厚みを言う（図２参照）。また、渦巻形ガスケット１０は受圧面側において、フィラー材２を金属製フープ材１より僅かに突出させてなる。突出量が小さ過ぎると、ガスケット本体の表面へのシールの露出が少なくなり、シール性能が悪くなり、突出量が大き過ぎると、所定面圧で締め付けた際、表面に露出した膨張黒鉛の部分で実体漏れが多くなるため、シール性能が低下する。金属製フープ材としては、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼、インコネル・インコロイなどの耐熱合金の帯を使用すればよい。

渦巻形ガスケット１０は、ガスケット本体部Ｘの外周に、金属製フープ材が巻き回された外周空巻き部７を形成している。外周空巻き部７として使用する金属製フープ材は、ガスケット本体部Ｘを構成する金属製フープ材と同じ材質、同じ形状であってもよく、また、材質や形状が異なっていてもよい。

渦巻形ガスケット１０は、空巻き部７の外周に、ガスケット本体部Ｘの厚み（ｔ_１）より小の厚みを有し、且つ金属製中空Ｏリング３の線径より小の厚みを有する外輪４を形成している。外輪４は、締付圧力によるガスケット本体部の内側への変形の防止やセンタリング機能を有している。外輪４は、金属板を使用すればよい。

次に、渦巻形ガスケット１０の製造方法の一例を説明する。先ず所定の厚さ、所定の幅寸法の金属製フープ材を略Ｖ字形に絞り加工する。次いで、金属製フープ材だけを２〜５周巻いて内周空巻き部８を形成する。次いで、フィラー材として所定の厚さ、所定の幅寸法の例えば膨張黒鉛テープを重ね合わせ、重ね合わせたまま所定寸法になるまで成巻してガスケット本体部Ｘを形成する。次いで、最後に金属製フープ材のみ２〜５周程度空巻きした後スポット溶接して外周空巻き部７を形成する。この時、ガスケットの本体部Ｘの厚さを所定の寸法になるように押駒すきまを調整し、膨張黒鉛のはみ出し量を所定の寸法とする。次いで、金属製中空Ｏリング３を内周空巻き部８の内周部に接着剤で外れないように接合で取り付け、最後に、所定の厚さの金属板（外輪４）を装着して完成させる。

次に、渦巻形ガスケット１０の使用方法を説明する。渦巻形ガスケット１０は、石油精製、石油化学プラント、発電所、製鉄所などにおいて、配管の接続場所、すなわち、対向するシール面９、９間に装着されて流体をシールするために使用される（図３参照）。なお、図３及び図４は、締め付け荷重Ｗが作用して、金属製中空Ｏリング３と金属製フープ材１が潰れて、フランジ９と金属製中空Ｏリング３と金属製フープ材１とで形成される空間ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆが密封領域４０となっている状態を示す。このような密封領域の存在により、ガスケット本体部Ｘは高温流体に曝されることがなく、膨張黒鉛テープの酸化消失もなく、長期間の良好なシール性が得られる。

フランジ９をボルトで締め付けるとフランジ９はガスケット本体部Ｘを支点として撓みが生じる。そのためガスケット本体部Ｘの外周側は面圧が高く、内側は面圧が小さくなる。従来の渦巻形ガスケットにおいて、フィラーを膨張黒鉛テープと非石綿ペーパーまたはマイカテープとの複合タイプにしても膨張黒鉛テープの酸化消失を防止することができない場合がある。しかし、本発明の渦巻形ガスケットは内側の面圧が小さくても、ガスケット本体部Ｘは常に内部流体に曝されることがないため、フランジのたわみが大きくても酸化消失を防止できる。

本発明の渦巻形ガスケット１０は、シール面９と受圧面Ｘ間の締め付け面圧７８.４〜１５６.８Ｎ/ｍｍ^２で使用した際、４５０℃のような高温流体の０〜１．０ＭＰａの内圧に対して、漏洩量はほぼゼロである。

本発明の渦巻形ガスケットは、上記外輪付き渦巻形ガスケット以外に、外輪が省略された渦巻形ガスケットを含むものである。

実施例
次ぎに実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

＜渦巻形ガスケットの作製＞
石油学会規格「配管用渦巻形ガスケット」で定められたクラス９００２Ｂの外輪付きタイプ渦巻形ガスケットを製作した。これは、図１及び図２に示す構造の渦巻形ガスケットであり、呼び寸法は、ガスケット本体部内径６９．８ｍｍ、ガスケット本体部外径８５．９ｍｍ、外輪外径１０４．９ｍｍ、ガスケット本体部Ｘの厚さ（ｔ_１）４．５ｍｍで、金属製中空Ｏリングを線径（φ）４．０ｍｍ、材質はＳＵＳ３２１とした。また、略Ｖ字断面の金属製フープ材の幅（ｔ_２）５.０ｍｍ、フィラー材は膨張黒鉛テープとし、金属製中空Ｏリングは中空率５６％（内径３．０ｍｍ）、メッキなしとした。なお、金属製中空Ｏリングの線径（φ）は、ガスケット本体部Ｘの厚さ（ｔ_１）の８９％であった。

＜渦巻形ガスケットの作製方法＞
先ずガスケット本体部と金属製中空Ｏリングをそれぞれ別個に製作した。なお、ガスケット本体部は、従来の一般的な製法通り、ガスケット本体部作製の際、金属製フープと同じ材料同じ形状のものを使用して、外周空巻き部７と内周から巻き部８を形成した。この際、外周空巻き部７と金属板状の外輪４及び内周空巻き部８と金属製中空Ｏリングは、外れ防止のためそれぞれ接着剤で固定した。

（加熱後シール試験）
図５に示すシール試験装置２０を使用した。すなわち、ＪＰＩ−７Ｓ−１５適用規格（クラス９００２Ｂ）フランジ２１を使用し、フランジ２１間に本発明の渦巻形ガスケット１０を挟み、ユニファイネジ２２（７／８−９ＵＮＣ）８本で面圧１１７．６Ｎ／ｍｍ^２まで締め付けて試験体とし、大気雰囲気の熱風循環炉に入れ、６００℃で１０００時間加熱し、その後室温まで冷却後、窒素ガスを３．０ＭＰａの内圧で負荷したときの漏れを、石鹸水の吹き付けにより確認した。これを３サイクル繰り返し行なった。なお、ユニファイネジによる試験体の締め付けは、トルクレンチで上記面圧となるように４段階で対角に締め付け、最終トルクで３回締め付けた。その結果を表１に示す。表１中、ｎ１がシール試験１回目、ｎ２がシール試験２回目、ｎ３がシール試験３回目である。

膨張黒鉛テープに代えて、膨張黒鉛テープとマイカテープの複合フィラーとした以外は、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、巻き回し後における内周形成部と外周形成部に膨張黒鉛テープを、内周形成部と外周形成部間の中央形成部にマイカテープを、それぞれ配設した。ガスケット本体部Ｘに占める内周形成部、外周形成部及び中央形成部の割合は、径方向における長さで、それぞれ１/３、１/３、１/３である。その結果を表１に示す。

線径（φ）４．０ｍｍの金属製中空Ｏリングに代えて、線径（φ）４．８ｍｍの金属製中空Ｏリングとした以外は、実施例１と同様の方法で行った。なお、金属製中空Ｏリングの線径（φ）は、ガスケット本体部Ｘの厚さ（ｔ_１）の１０７％であった。その結果を表１に示す。

比較例１
金属製中空Ｏリングに代えて、外輪と同じ厚みの金属板状の内輪３０とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。すなわち、比較例１は、図６の構造の金属製中空Ｏリングの使用を省略した渦巻形ガスケット５０を使用したものである。その結果を表１に示す。

比較例２
線径（φ）４．０ｍｍの金属製中空Ｏリングに代えて、線径（φ）５．８ｍｍの金属製中空Ｏリングとした以外は、実施例１と同様の方法で行った。なお、金属製中空Ｏリングの線径（φ）は、ガスケット本体部Ｘの厚さ（ｔ_１）の１２９％であった。その結果、フランジの締め付けが過剰となり金属製中空Ｏリング３が座屈してしまい、漏れが発生した。

なお、試験後の渦巻形ガスケットを確認したところ、比較例１の膨張黒鉛テープは完全に消失していたが、実施例１及び２では膨張黒鉛テープは存在していた。実施例２では膨張黒鉛テープと内外周のマイカテープは全く消失が見られなかった。

本発明の渦巻形ガスケットは、石油精製、石油化学プラント、発電所、製鉄所などにおいて、配管の接続場所等で４５０℃を越える高温流体をシールするために好適なガスケットである。

１金属製フープ材
２フィラー材
３金属製中空Ｏリング
４外輪
５受圧面
７外周空巻き部
８内周空巻き部
９フランジ
１０、５０渦巻形ガスケット
２０シール試験装置
３０内輪

Claims

略Ｖ字断面の金属製フープ材と膨張黒鉛テープを一部又は全部とするフィラー材とが重ねて巻き回されてなり、両側面がシール面に当接する受圧面となるガスケット本体部を有する渦巻形ガスケットであって、該ガスケット本体部の内側に金属製中空Ｏリングを配設したものであって、該ガスケット本体部の内側に金属製中空Ｏリングが配設され、
該金属製中空Ｏリングが配設される該ガスケット本体部の内側部材は、金属製フープ材が複数回巻き回された内周空巻き部であり、
該金属製中空Ｏリングと該ガスケット本体部の内側部材はシール面に当接するものであり、
該金属製中空Ｏリングと該ガスケット本体部にフランジが当接し、締め付け荷重が作用したときに、該フランジと該Ｏリングと前記ガスケット本体部の内側部材との間に空間を形成し、かつ、この空間により密封領域を形成し、
該金属製中空Ｏリングの線径が、ガスケット本体部の厚さの７５％以上、１２０％以下であることを特徴とする渦巻形ガスケット。
前記フィラー材が、膨張黒鉛テープと非石綿ペーパーとの複合であることを特徴とする請求項１記載の渦巻形ガスケット。
前記フィラー材が、膨張黒鉛テープとマイカテープとの複合であることを特徴とする請求項１記載の渦巻形ガスケット。
前記金属製中空Ｏリングの中空率が、３５〜８０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の渦巻形ガスケット。
前記ガスケット本体部の外周に、該ガスケット本体部の厚みより小の厚みであって、且つ該金属製中空Ｏリングの線径より小の厚みを有する外輪を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の渦巻形ガスケット。