JP6864075B2

JP6864075B2 - 高シール性ボールバルブシート

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Publication number: JP6864075B2
Application number: JP2019502390A
Authority: JP
Inventors: 豊彦香山; 達也谷井
Original assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Current assignee: Nippon Carbon Co Ltd
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: WO2018158915A1; US11002369B2; US20200292088A1; JPWO2018158915A1

Description

本発明は、高温、高圧下で使用する高シール性ボールバルブシートに関し、より具体的には、黒鉛シールリングと金属リテーナーとの間からの漏液を防止する高シール性ボールバルブシートに関する。

ボールバルブは、球状、半球状、または、円筒状の弁体の回転によって流量を調節及び流路の開閉をおこなうものであり、ハンドルまたはレバーの回転により開閉を行なうバルブで、操作性が良く、シール性も良いことから、電力業界、天然ガスパイプライン、石油精製、石油化学プラント、一般化学工場の設備、建築設備関連、公害防止関連、一般家庭の上下水道、ガス供給設備等、幅広く使用されている。
ボールバルブのシール構造は、ボールバルブの摺動面とバルブケースのボール保持部の間に環状シールを介設しており、シール部材はケース内側に取付けたリテーナーによってケース側に保持されている。すなわち、ボールとケースとの間のシール部材は、リテーナーとシールリングの組合せにより構成されている。
シール部材の材質は、使用する流体、圧力、温度により適宜選択されるが、取り分け、２ＭＰａ以上で２００℃を超え、最高３５０℃、更には５００℃に渡る温度領域で使用する場合は、樹脂含浸した黒鉛材や金属を含浸した黒鉛材が使用されている。樹脂含浸した黒鉛材は、アルカリ性や酸性の流体にも耐性があり、金属を含浸した黒鉛材は、アルカリ性及び一部の酸性の流体に耐えることができる。これらの黒鉛材を用いるボールバルブシートは、黒鉛シールリング（シール部材）をリング状の金属製のリテーナーの内側に焼嵌めにより固定されている。

バルブのハンドルの急激な操作によって流路を急激に閉塞したり、急激な圧力変化が起きると、流体がリテーナーとシールリングとの間隙に侵入してシールリングの剥離が起き、シール性が低下したり、リテーナーの背面に圧力がかかってリテーナーが飛出す等の不具合が発生する恐れがあった。
これを防ぐために球状、半球状、円筒状の弁体とバルブケースの内側との間に介設するボールバルブシートをボール圧接部であるシールリングとリテーナーを一体型としたり、高温下での圧力変動に追随できる膨張黒鉛を金属箔、金属線、又は金属メッシュで覆ったり、膨張黒鉛に金属箔、金属線、又は金属メッシュを挟み込んで圧縮成形したシールリングを用いることも提案されているが、強度が十分でなく高温高圧下で用いるには問題があった。

特開平１１−１４１６９９号公報特開２００４−２７０７７３号公報特開２００１−３３６６３９号公報特開２００８−３０９２２４号公報特開２００９−４１７７６号公報特開２００９−１０３２４２号公報特開２００９−８１１６号公報特開２０１４−２０６２１３号公報特開２０１５−２０３４６３号公報

従来の焼嵌め方式によると、金属製リテーナーと樹脂や金属を含浸した黒鉛シールリングとの間に隙間が存在し、流体がリークする不具合が発生するため、黒鉛シールリングとリテーナーの間に樹脂等のシール材を挟んでいたが、漏液防止が十分とは言えず、特に高圧、高温下の条件では完全に漏液を防止することができなかった。
本発明は、高圧・高温下で用いる樹脂又は金属含浸黒鉛シールリングと金属製リテーナーを焼嵌めしたボールバルブシートのシール性を高め、漏液を防止することを目的とする。

樹脂又は金属を含浸した黒鉛材からなる黒鉛シールリング外周部に５０〜２５０μｍ高さのリブを形成することにより焼嵌めされた金属リテーナーとの間のシール性を高めて漏液を防止するものである。
リブの高さは、５０μｍ未満では、シールの効果は十分でなく、５０μｍ以上であることが好ましい。また、リブの高さが２５０μｍ以上では、多くの場合、金属リテーナーを加熱しても高さ２５０μｍ以上のリブを有するシール部材を嵌め合わすことができるほど金属リテーナーが膨張しないため焼き嵌めをすることができない。適正に焼嵌めを行って高いシール性を発現させるためには、５０〜２５０μｍの高さが適切であり、より好ましいリブの高さは、１００〜２００μｍである。
リブは、黒鉛シールリングの外周部に連続的に形成することが必要である。リブの本数は、少なくとも１本必要であり、複数のリブを設けてもよい。Ｉ型リテーナーを用いる場合は、リブは１〜３本、Ｌ型リテーナーを用いる場合は、１〜２本が好ましい。
リブの幅は特に限定するものではないが、リブの高さを機械加工により５０〜２５０μｍとするため、リブの頂点から底部にかけて機械加工を容易にするには頂点から両側にＲを付した斜面とし、リブの底部の幅を５５０〜１１００μｍとするのが好ましい。

樹脂又は金属含浸した黒鉛材を機械加工して黒鉛シールリングを作成する際、黒鉛シールリングの外周部に５０〜２５０μｍの高さのリブ加工を施すことにより焼嵌めされた金属リテーナーとの間のシール性を高め、漏液を防止することができる。且つ、従来手法である樹脂含浸により漏れを防ぐ工程が不要となり、低コスト、短期間で製造することができる。

バルブシートを示す断面図。リブ付の黒鉛シールリングの断面図。Ｉ型リテーナー付のバルブシートの断面図。Ｌ型リテーナー付のバルブシートの断面図。リブの拡大断面図。リークテスト用治具で挟んだボールバルブシートの断面図（部分）。

高温・高圧下で用いるボールバルブは、金属製リテーナーと樹脂や金属を含浸した黒鉛シールリングとを焼嵌めにより一体化したボールバルブシートが賞用されているが、金属リテーナーと黒鉛シールリングの間に隙間があり、流体がリークする不具合が発生する。これを防ぐため、黒鉛シールリングとリテーナーの間に樹脂を充填するなどの防止策を施す必要があった。しかし、３５０℃を超え、最大５００℃までの高温下で用いる場合、充填する樹脂の耐熱温度の問題もあり、抜本的な解決策とはならない。
そこで、高圧・高温下で用いる樹脂又は金属含浸した黒鉛シールリングと金属製リテーナーを焼嵌めしたボールバルブシートのシール性を高め、漏液を防止することを目的とするため、黒鉛シールリングの外周に高さ５０〜２５０μｍ、幅５５０〜１１００μｍのリブを１本以上形成することにより金属リテーナーとシールリングの間のシール性を高め、樹脂を充填する必要のない高シール性ボールバルブシートを提供するものである。
リブは、黒鉛製のリングを機械加工によって切り出す際に同時に形成するが、リブの高さを５０μｍ未満に制御して加工するのは困難である。
リブを形成する位置は、Ｉ型リテーナーの場合は、黒鉛シールリングとリテーナーの接触面であれば、焼嵌め後、リテーナー内壁と黒鉛シール外周とは平行になるので、黒鉛シールリングの高さのどの位置であっても構わない。Ｌ型リテーナーの場合は、加熱時にリングが一様に熱膨張せず、焼嵌めによって黒鉛シールリングのバルブケース側とリテーナーの間の隙間に比べて、黒鉛シールリングのボール接触部側とリテーナーの間の隙間が大きくなり平行にならないという変形が起こる。このためリブの施工位置は、黒鉛シールリング外壁高さの中央よりもケース側に寄っていることが必要である。

本発明の黒鉛シールリングの製造工程を以下に説明する。
焼嵌め
焼嵌め（Ｓｈｒｉｎｋｆｉｔ）とは、軸と穴の嵌め合い法のひとつで、常温では軸の径より小さい穴の径を加熱膨張させて嵌め合わせ、冷えて穴径が縮まることによって両者を堅く結合させるものであり、以下の理論式が成り立つ。焼嵌めしろ（直径差）δ の２本の中空丸棒を焼き嵌めにより嵌め合わせたときの焼き嵌め圧力（接触面の圧力）p_m は以下の式で求められる。

ただし、内筒は縦弾性係数Ｅ_１、ポアソン比 ν_１、内半径ｒ_１、外半径ｒ_２、外筒は縦弾性係数Ｅ_２、ポアソン比 ν_２、内半径ｒ_２、外半径ｒ_３である。
具体的には、穴のあいた金属円板（金属リング）などの部材を加熱膨張させて穴の直径よりやや大きく作成した軸を嵌め入れた後に冷却し、金属部材が収縮することにより軸を固定する嵌め合い方法である。

シール部材
シール部材の材質は、使用する流体、圧力、温度、及び用いる流体の性状により適宜選択される。使用条件が、圧力が２ＭＰａ以上で、温度が２００℃を超え最高３５０℃の場合、樹脂を含浸した黒鉛材が選択され、具体的には日本カーボン株式会社製のＮＨＣ−７Ｅ３（嵩比重１．８、ショア硬さ９５、圧縮強さ２４０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）、ＨＣ−６Ｅ３（嵩比重１．８、ショア硬さ９０、圧縮強さ１８０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）、ＮＳ−１０３Ｅ（嵩比重１．８、ショア硬さ８５、圧縮強さ２３０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）が選択され、これらはアルカリ性及び酸性の流体に適応可能である。また３５０℃を超え５００℃に渡る温度領域で使用する場合は、金属を含浸した黒鉛材が選択され、具体的には日本カーボン株式会社製ＮＣ−Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）が好ましく、アルカリ性の流体と、酸性の一部の流体に適応可能である。

シール部材は、機械加工及び摺動性の面から黒鉛質であることが好ましい。具体的にはコークス粉とピッチ等のバインダーを８０〜１５０℃の加温下で混捏した後、押し出し、型込め、ＣＩＰ（冷間等方加圧法）等により成形し、非酸化性雰囲気中で徐々に昇温し８００〜１３００℃にて焼成、次いで黒鉛化炉に移し、非酸化性雰囲気中で徐々に昇温し、最高３２００℃にて黒鉛化することによって得られる。実用的には２０００℃以上で黒鉛化されていれば機械加工性及び摺動性においても問題ない。
黒鉛化温度が２８００℃以上となると、逆に硬度が下がり、耐摩耗性に問題が出ることがある。２０００℃以上での黒鉛化を行わない場合、材質が硬く、機械加工の面で難があることから、黒鉛化は２０００℃以上が好ましい。

リブの形状
リブ３は、黒鉛シールリング１の外周部に連続する少なくとも1本のリブ３を形成する。リテーナー２が図３に示すI型の場合、リブ３は１〜３本、図４に示すＬ型の場合は１〜２本である。
リブ３の拡大断面図を図５に示す。リブ３の断面形状は曲線状の斜面を有する山形であり、リブ３の高さに応じてリブ３の幅を適宜定める。機械加工の限界からリブ３の最小高さｈ_２は５０μｍであり、最大高さｈ_１は２５００μｍである。リブ３の頂点から底部に向かう斜面は半径Ｒの円曲線とし、Ｒは５５０〜１１００μｍとするのが好ましい。

黒鉛シールの含浸剤
黒鉛シール材の含浸剤は、樹脂及び金属がある。
樹脂としては、フェノール樹脂やフラン樹脂等がその代表である。金属製の耐圧容器に被含浸物である黒鉛材を投入し、真空引きを行い、黒鉛材に存在する細孔内まで減圧状態にした後、溶剤に溶解した液状樹脂を流し込み、更に加圧することで黒鉛材内の細孔にまで樹脂を行き渡らせることで含浸を行う。必要によりこの操作を複数回繰り返す。また、含浸後は、１８０〜２５０℃の加熱処理により、溶剤の除去及び樹脂の硬化を行う。
金属としては、銅、銅合金、銀、錫、アンチモン、アンチモン合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。金属製耐圧容器に黒鉛材を投入し一旦真空引きした後、黒鉛材を溶融した金属に浸漬し、加圧含浸するものである。

リテーナー部材
使用する圧力、温度、流体の液性（アルカリ性、酸性）に耐えられる金属であることが必要であり、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル又はチタンが好ましい。ステンレス鋼の中でも、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ等が好ましく選択される。ニッケル合金の中では、ＡＬＬＯＹ２０、ＨＡＳＴＥＲＬＬＯＹＣ、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹＢ、ＩＮＣＯＮＥＬ６００、ＭＯＮＥＬ等が好ましく選択される。

リテーナーの形状
リテーナーの形状は、単純な円筒形（Ｉ型）と一部がハウジング部に回り込んだ形状（Ｌ型）の２種類がある。
Ｉ型リテーナーの場合、焼嵌め後においてリテーナーの内面は黒鉛シールリングの外周部と平行のまま維持されるが、Ｌ型リテーナーの場合、加熱した際、鍔側より円筒頭部と脚側に膨張に差が生じるためＬの頭側の隙間が大きくなって上に向かって反った形状となり、冷却されてもその状態が維持されるのでリテーナーと黒鉛シールリングが平行とならない。そこで、Ｌ型の場合は黒鉛シールリングのリブの位置をＬ字の脚側に設ける必要がある。

＜実施例１＞
最高５００℃で使用する場合、５００℃での金属リテーナーの熱膨張率に基づいて金属リテーナーの内径を決定する。焼嵌め代は、黒鉛シールリング外径 −（５００℃でのリテーナー内径 − 常温でのリテーナー内径）+ αで表され、αは、０に近い値である。αを大きくするとリテーナーと黒鉛シールリングは外れにくくなるが、焼嵌め後の冷却で歪が発生するので、これらを勘案して焼嵌め代を決定し、金属リテーナーの内径を定める。

金属リテーナーの材質をＳＵＳ３２９Ｊ１とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｉ型）の内径を９７．３ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ−Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工で外周部が外径９７．８ｍｍ、黒鉛シール部材の幅の中央部に高さ１５０μｍのリブを１本形成した。リブの幅は８３２μｍ、斜面のＲは８００μｍである。
次に、金属リテーナーを７００℃に加熱して膨張させ、リブ付加工を施した黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み、放冷して焼嵌めを完了した。

＜実施例２＞
リテーナー（Ｉ型）の内径を６７．６ｍｍ、黒鉛シールリングの外径６７．９ｍｍ、外周部のリブの高さを１００μｍ、リブの幅を７７８μｍ、斜面のＲを８００μｍとした以外は実施例１と同様に行った。

＜実施例３＞
金属リテーナーの材質をＳＵＳ３１６とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｌ型）の内径を１８３．６ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ−Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工により外径１８５．０ｍｍの外周部に、黒鉛シールリングの幅の中央部より１５％バルブケース側に寄った位置に高さ１５０μｍ、リブの幅８３２μｍ、斜面のＲが８００μｍのリブを１本施工した。
以後は実施例１と同様に金属リテーナーを７００℃に加熱し膨張させた。次いでリブ付加工を施した黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み放冷して焼嵌めを完了した。

＜実施例４＞
リテーナー（Ｌ型）の内径を２４３．４ｍｍ、黒鉛シールリングの外径が２４５．０ｍｍ、外周部に施工するリブの高さを１５０μｍ、リブの幅を８３２μｍ、斜面のＲを８００μｍとした以外は実施例３と同様に行った。
＜比較例１＞

金属リテーナーの材質をＳＵＳ３２９Ｊ１とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｌ型）の内径を６７．５ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ−Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工により外形６７．９ｍｍとした。
金属リテーナーを７００℃に加熱し膨張させた。黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み放冷して焼嵌めを完了した。
＜比較例２＞

リテーナー（Ｌ型）の内径を９７．２ｍｍ、黒鉛シールリングの外形が９７．８ｍｍとした以外は比較例１と同様に行った。

リークテスト
本発明の実施例及び比較例の黒鉛シールリングについてリークテストを実施し、本発明の漏液防請性能を確認した。
テスト１
実施例１〜４のボールバルブシートを図６に示すように、パッキン８を介して金属製のノズル６付上蓋５と下蓋７で挟み、ノズル６に空気吹込み用のホースを取り付け水中に投入した。次いで３．５ＭＰaの圧縮空気をホースとノズル６を通してボールバルブシート内に吹き込み加圧したまま５分間放置してリークテストを実施した。実施例１〜４のボールバルブは、各５点作製し、各々２回繰り返してリークテストを行ったが、金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡は漏れなかった。

テスト２
実施例１と２のボールバルブシート各２個を、４５０℃の恒温槽に投入して１時間保持した。この後、実施例４のリークテスト１と同様にリークテストを各々２回繰り返し実施したが金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡は漏れなかった。

比較例１〜２のボールバルブは、各５点作製し、各々２回繰り返してリークテストを行ったが、比較例１、２とも、数秒後から金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡が発生し漏れが確認された。
以上のことから本発明の黒鉛シールリングと金属リテーナからなるボールバルブシートは、漏液防止に効果があることが確認された。

１黒鉛シールリング
２金属リテーナー
２ａＩ型金属リテーナー
２ｂＬ型金属リテーナー
３リブ
４リブのＲ面
５上蓋
６ノズル
７下蓋
８パッキン

Claims

円形の金属リテーナーの内側に焼き嵌めによって円形の黒鉛シールリングが一体化されているボールバルブシートであって、黒鉛シールリングのリテーナーへの接触面側である外周面に高さ５０〜２５０μｍのリブが形成してあり、金属リテーナーと黒鉛シールリングの間のシール性を高めて金属リテーナーと黒鉛シールリング間からの漏液を防止した高シール性ボールバルブシート。
請求項１において、リブの断面が山形であって、頂点から半径Ｒの曲線状の斜面としてある高シール性ボールバルブシート。
請求項１〜２のいずれかにおいて、リブは少なくとも１本であり、連続したものである高シール性ボールバルブシート。
請求項１〜３のいずれかにおいて、黒鉛シールリングの黒鉛材は、樹脂または金属が含浸してある高シール性ボールバルブシート。
請求項１〜４のいずれかにおいて、黒鉛シールリングが、２０００℃以上で黒鉛化したものである高シール性ボールバルブシート。