JP7153326B2 - バルブ装置 - Google Patents

Description

この発明は、耐震性が向上されたバルブ装置に関する。

一般に種々のタイプのバルブが、設備やプラントにおいて装備されている。例えば、原子力発電所では、高温ガス蒸気や炉心冷却水などの流体を制御するために用いられている。化学プラントにおいては、原料流体、中間体の流体、精製流体等の流体の制御のために用いられている。これらの流体を安全に制御するためには、バルブの故障や破損は避けなければならない。

地震が発生すると、建屋の振動にともなって建屋内に設置されている設備も同時に振動し、設備に装備されているバルブにも振動が伝わって振動する。この振動の大きさが一定以上になるとバルブの許容応力範囲を超えてしまい、バルブの故障や破損をもたらす可能性がある。

地震動には、周波数が１２０Ｈｚ以上の極短周期地震動、６０Ｈｚ以上で１２０Ｈｚ未満の短周期地震動、３０Ｈｚ以上で６０Ｈｚ未満の稍（やや）短周期地震動、１２Ｈｚ以上で３０Ｈｚ未満の稍（やや）長周期地震動及び１２Ｈｚ未満の長周期地震動に分類される。この中で、６０Ｈｚ未満の地震動が建屋や設備に大きな被害をもたらす。稍（やや）短周期地震動は、直下型地震に多く、甚大な被害をもたらす。稍（やや）長周期地震動では、巨大なタンクや鉄塔などの中規模中層建築物が最も揺れやすく被害を受けやすくなる。長周期地震動は、高層建築物等が揺れやすくこれらの建物が被害を受けやすくなる。

特開２０１８－９６４７３号公報

地震動、特に周波数６０Ｈｚ未満の地震動がバルブの故障や破損につながる可能性が高いので、地震が発生した場合でもバルブの故障・破損が起こらないようにするための対策が必要となる。

特許文献１に記載のバルブでは、バルブボディとアクチュエータとの間の距離が長く、地震動の影響を受けやすい。特許文献１に記載のバルブを図１０に示す。概略を説明すると以下の通りである。

バルブ１００は、流路を有するバルブボディ１０２と、バルブボディ１０２の流路を上下動により開閉する弁体１０３と、弁体１０３を上下動させるアクチュエータ１０４とを備えている。アクチュエータ１０４には、アクチュエータ１０４の動作により上下動するシャフト１４１が設けられている。シャフト１４１と先端に弁体１０３を備えるステム１０５とは連結されている。シャフト１４１とステム１０５との間の連結において、連結構造１１０を有している。

バルブ１００は、バルブボディ１０２の上部に接続されるボンネット１０８と、ボンネット１０８とアクチュエータ１０４とを接続するヨーク１０９とを備えている。バルブボディ１０２には、流体が流入する流入口１２１、流入口１２１から弁体１０３へ流体を導く流入通路１２３、弁体１０３の当接部１３１と当接する弁座１２５、流体を流し出す通路である流出通路１２４および流体をバルブボディ１０２外部へ流出させる出口となる流出口１２２が備えられている。

ヨーク１０９は、上下２枚の円板１９１、１９２と、これら２枚の円板１９１、１９２を左右の縁部においてそれぞれ連結する右連結部１９３および左連結部１９４から構成されて、正面視においては図１０に示す如く四角形の枠状を呈しており、これによって前方或いは後方からパッキン押さえねじ１８７の締め付け操作を容易に行うことが可能となっている。

このように従来のバルブでは、地震動に対しての耐震性向上手段が特別には講じられていないため、バルブの設置の際に、地震動等によってバルブが破損等を起こさないように建屋等への固定のための別途の固定手段を講じなければならない。

この発明の目的は、バルブに対して汎用的に適用することができる耐震性向上手段が設けられており、周波数６０Ｈｚ未満の地震動に対しても故障や破損が起こりにくい耐震性が向上したバルブ装置を提供することである。

本発明者らは、バルブの固有振動数に着目し、周波数６０Ｈｚ未満の低周波数帯の振動に対して共振現象を起こさず、固有振動数を６０Ｈｚ以上とするための研究を行い、バルブの耐震性を向上させるための有効な構造のサポート体なる手段を開発し、地震の振動に対して耐震性を有するバルブ装置を発明した。

本発明（１）は、流体の流れを制御するバルブを備えるバルブ装置であって、設置場所に固定される前記バルブの固定側端部と、当該固定側端部と反対側の頂側端部とは、当該バルブの耐震性を向上させるためのサポート体で連結固定され、前記サポート体には、前記バルブの前記固定端部と前記頂側端部との間の中間部を支持するための中間支持部が備えられているバルブ装置である。

一般に、物の固有振動数を高くするためには、その物の質量を小さくすること、及び、その物の剛性を高めて変形しづらくすることが有効である。バルブに耐震性向上のための何らかの構造体を取り付けると、その構造体を含めたバルブ装置全体の質量が大きくなり、固有振動数は小さくなってしまう。従って、付加する構造体の質量の増加分による固有振動数の減少分に比べて、付加する構造体による剛性を高めることによる固有振動数の増大分のほうが大きいような構造とすることが必要である。

本発明（１）のサポート体は、バルブの固定側端部と、当該固定側端部と反対側の頂側端部であるバルブの両端部を固定すると同時に、これらの両端部の中間部でもバルブを固定するような少なくとも３箇所での支持構造としていることを特徴としている。サポート体がこのような構造をしていることによって、バルブの固有振動数を増大させることができ、周波数６０Ｈｚ未満の低周波数帯の振動に対して共振現象を起こさず、バルブの耐震性を向上させることができる。

本発明（２）は、前記中間部が、前記バルブのほぼ重心位置である本発明（１）のバルブ装置である。サポート体によるバルブの少なくとも３箇所支持のうちの中間部がバルブのほぼ重心位置にあることによって、バルブのたわみをより少なくし、剛性がより高まるので、バルブの固有振動数を増大させることができる。

本発明（３）は、前記サポート体が、前記固定端部を固定する底板と、当該底板に固定され当該底板に垂直に配されて前記頂側端部を固定する背板を有することを特徴とする本発明（１）または（２）のいずれかのバルブ装置である。固定側端部を固定する底板と、固定側端部と反対側の端部である頂側端部を固定する底板と垂直な背板によってバルブを固定することによって効率的に剛性を上げて、バルブの固有振動数を増大させることができる。

本発明（４）は、前記サポート体が、さらに、前記底板及び前記背板の側面に固定される補強のための側板を有することを特徴とする本発明（３）のバルブ装置である。左右に２枚の補強のための補強板を備えることによって、さらに剛性を上げて、バルブの固有振動数を増大させることができる。

このバルブ装置によると、周波数６０Ｈｚ未満の地震動に対しても故障や破損が起こりにくい耐震性が向上したバルブ装置を提供することができる。

この発明によるバルブ装置の第１実施形態の正面視を示す。 この発明によるバルブ装置の第１実施形態の側面視を示す。 第１実施形態のバルブ装置に使用されるサポート体の斜視図を示す。 有限要素解析を実施するためにメッシュが切られたサポート体を有しないバルブの斜視図を示す。 図４に示すバルブに繰り返し捩じりトルクが加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。 図４に示すバルブに繰り返し横振れ力が加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。 有限要素解析を実施するためにメッシュが切られたサポート体を有するバルブ装置（第１実施形態）の斜視図を示す。 図７に示すバルブ装置に繰り返し捩じりトルクが加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。 図７に示すバルブ装置に繰り返し横振れ力が加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。 従来のバルブであって、耐震性向上のためのサポート体がバルブに取り付けられていない一例を示す。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等および各種製造条件は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１に示すように、バルブ装置１は、バルブ１０とサポート体５０を備える。

バルブ１０は、流入部１２から流入し、流出部１３から流出する流体が流れる流路を有するバルブボディ１１と、バルブボディ１１に備えられたボンネット１４と、ボンネット１４の上に取り付けられたヨーク１５と、ヨーク１５の上に備えられたアクチュエータ４０を備えている。アクチュエータ４０には、アクチュエータ４０の動作により上下動するシャフト２０が設けられている。

ヨーク１５は、左右に右連結部１７および左連結部１６を備えて、正面視においては図１に示す如く四角形の枠状を呈しており、これによって前方或いは後方からパッキン押さえねじ等の締め付け操作を容易に行うことが可能となっている。

シャフト２０と弁体を動かすステム２３との連結には連結構造２２が用いられている。連結箇所に連結構造２２を用いているので、ステム２３を長くしてもアクチュエータ４０によるシャフト２０の上下動が弁体に正確に伝達され、正確な流量制御を行うことができる。この連結構造２２には、リミットスイッチ３０を起動させるストッパープレート２１が備えられている。また、連結構造２２には、弁体の位置を知るためのインジケータ１９が取り付けられ、右連結部１７には、インジケータ１９の指し示す位置に対応させたインジケータスケール１８が取り付けられている。

左連結部１６の側面には、側面視略Ｌ字形状のリミットスイッチ支持プレート３３が取り付けられ、このリミットスイッチ支持プレート３３にリミットスイッチ本体３１が取り付けられている。リミットスイッチ本体３１に備えられているリミットスイッチアーム３２がストッパープレート２１に接触した時に、ステム２３の可動範囲の下限の位置を検出して、リミットスイッチ３０が作動するようになっている。右連結部１７にも左連結部１６と同様にリミットスイッチ３０が備えられ、ステム２３の可動範囲の上限の位置を検出して、リミットスイッチ３０が作動するようになっている。

サポート体５０は、底板５３、背板５４、右側面板５１、左側面板５２及び中間支持部５５を有している。底板５３の下には固定部５７が備えられており、この固定部５７がバルブ装置１を設置場所に固定される。

図２は、図１に示す第１実施形態のバルブの右側面図である。図１で説明した同一の箇所の説明は一部省略する。底板５３、バルブボディ１１及び固定部５７は、固定ボルト５６によって連結固定される。背板５４の上端部は、アクチュエータ４０と固定ボルト５８で連結固定される。

右側板５１、左側板５２及び背板５４に固定された中間支持部５５は、バルブ１０のほぼ重心位置を把持固定している。固定手段は、図面上省略している。このように固定側端部と頂側端部とこれらの中間部の少なくとも３箇所でバルブ１０が固定されているので、バルブ装置１の剛性は、大きく増大する。

図３は、サポート体５０の斜視図である。底板５３には、バルブボディ１１及び固定部５７と連結するための貫通孔５８が設けられている。背板５４の上端部には、サポート体５０とアクチュエータ４０とを連結固定するための貫通孔５９が設けられている。板状の中間支持部５５には、バルブ１０の中間部分を把持固定するための凹部６０が形成されている。固定手段は図示省略している。

サポート体の材質は、強靭さの観点から金属製が好ましく、なかでもステンレス合金製が好ましい。 底板５３、背板５４、右側板５１、左側板５２及び中間支持部５５の間の接合は、溶接固定が強度の点から好ましく、なかでもＴＩＧ溶接方法によるのが好ましい。

図４は、有限要素解析を実施するためにメッシュが切られたサポート体を有しないバルブ本体の斜視図を示す。

図５は、図４に示すバルブ本体に繰り返し捩じりトルクが加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。拘束条件は、バルブボディ１１の底部を固定し、アクチュエータ４０に加速度５Ｇの繰り返し回転トルクをかけている。材質をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）としている。以下の解析においても同一条件としている。

図５に示すように固有振動数は０．１６８Ｈｚとなった。これは、１２Ｈｚ未満の長周期地震動に対して共振する固有振動周波数となっている。長周期地震動は、高層建築物等が揺れやすくこれらの建物が被害を受けやすくなり、建物の振動に応じてバルブも共振して故障・破損が発生する可能性がある。

図６は、図４に示すバルブ本体に繰り返し横振れ力が加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。図６に示すように固有振動数は４１０．８Ｈｚとなった。これは、周波数が１２０Ｈｚ以上の極短周期地震動となっている。これは、従来の耐震性向上手段が講じられていないバルブであっても、横揺れに対してはバルブの故障や破損につながる恐れが低いことを示している。

図７は、有限要素解析を実施するためにメッシュが切られたサポート体５０を有するバルブ装置１（第１実施形態）の斜視図を示す。

図７に示す耐震性が強化されたバルブ１０は、ヨーク１５の左右にリミットスイッチ３０が取り付けられている。これにより質量がサポート体を有しない図４の場合に比べて固有振動数が小さくなるので、条件としては不利な条件となっている。この不利な条件でも、固有振動数を６０Ｈｚ以上とすることができれば、リミットスイッチ３０を有していないバルブ装置であれば、耐震性はさらに向上される。

図８は、図７に示すバルブ本体に繰り返し捩じりトルクが加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。図８に示すように固有振動数は１２４．４Ｈｚとなった。これは、バルブの故障・破損につながる６０Ｈｚ未満の長周期地震動に対して共振しない固有振動周波数となっており、地震動に対して、図５に示された固有振動数０．１６８Ｈｚと比べてはるかに高くなっている。

図９は、図７に示すバルブに繰り返し横振れ力が加えられたときの有限要素法による解析結果を示す。固有振動数は、９５．１２Ｈｚであり、バルブの故障・破損につながる６０Ｈｚ未満の長周期地震動に対して共振しない固有振動周波数となっている。

図５、６、８及び９の結果をまとめると以下の表１のようになる。固有振動数が６０Ｈｚ以上となる場合を〇、６０Ｈｚ未満となる場合を×としている。

表１の結果により、サポート体を有していないバルブでは、捩じり力を受けると０．１６８Ｈｚで共振するため、バルブの故障・破損をきたす可能性がある。サポート体を有するバルブでは、捩じり振動及び横ぶれ振動に対していずれも６０Ｈｚ以上の固有振動数を有するため、地震動によるバルブの故障・破損をきたす可能性が下がり、耐震性が向上している。

本発明によるバルブ装置は、上記の通り地震による振動に対する耐震性が向上しているが、地震以外による同程度の振動等に対しても同様の効果を有している。

１ ：バルブ装置
１０：バルブ
１１：バルブボディ
１２：流入部
１３：流出部
１４：ボンネット
１５：ヨーク
１６：左連結部
１７：右連結部
１８：インジケータスケール
１９：インジケータ
２０：シャフト
２１：ストッパープレート
２２：連結構造
２３：ステム
３０：リミットスイッチ
３１：リミットスイッチ本体
３２：リミットスイッチアーム
３３：リミットスイッチ支持プレート
４０：アクチュエータ
５０：サポート体
５１：右側板
５２：左側板
５３：底板
５４：背板
５５：中間支持部
５６：固定ボルト
５７：固定部
５８：固定ボルト
５９：貫通孔
６０：凹部

Claims (4)

1. 流体の流れを制御するバルブを備えるバルブ装置であって、
   設置場所に固定される前記バルブの固定側端部と、当該固定側端部と反対側の頂側端部とは、当該バルブの耐震性を向上させるためのサポート体で連結固定され、
   前記サポート体には、前記バルブの前記固定側端部と前記頂側端部との間の中間部を支持するための中間支持部が備えられているバルブ装置。
2. 前記中間部が、前記バルブのほぼ重心位置である請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記サポート体は、前記固定側端部を固定する底板と、当該底板に固定され当該底板に垂直に配されて前記頂側端部を固定する背板を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のバルブ装置。
4. 前記サポート体は、さらに、前記底板及び前記背板の側面に固定される補強のための側板を有することを特徴とする請求項３に記載のバルブ装置。

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