WO2018021294A1 - 管継手 - Google Patents

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石橋　圭介
中浜　隆泰
利紀 落合
山路　道雄
薬師神　忠幸
高志 船越
大道　邦彦
宮川　英行
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株式会社フジキン
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Definitions

  • the present invention relates to a pipe joint, and more particularly, to a pipe joint that performs surface sealing by plastically deforming a gasket.
  • Patent Document 1 discloses a tubular first joint member and a tubular second joint member having fluid passages communicating with each other as pipe joints that perform surface sealing by plastically deforming a gasket, and a first joint member.
  • An annular gasket interposed between the right end surface and the left end surface of the second joint member, and a retainer that holds the annular gasket and is retained by the first joint member, from the second joint member side It is known that the second joint member is fixed to the first joint member by a nut screwed onto the first joint member.
  • the ultra-high pressure resistance required in such a technical field is generally capable of withstanding a pressure of 100 MPa or more. Furthermore, the high-pressure gas safety method passes a pressure test of 1.25 times the operating pressure. It is stipulated that there must be.
  • An object of the present invention is to provide a pipe joint suitable for use under ultrahigh pressure conditions.
  • the present invention includes first and second joint members having fluid passages communicating with each other, and gaskets interposed between the butted end faces of the first and second joint members.
  • the inner diameter of the first and second joint members is D 1
  • the inner diameter of the gasket is D 2
  • the diameter of the seal protrusion is D 3
  • the outer diameter of the gasket when the D 4 is equal to or less than 0.4.
  • the amount of deformation of the gasket depends on the rigidity of the gasket. This is because if the gasket has high rigidity, the amount of deformation of the gasket due to internal pressure becomes small.
  • the internal pressure P 1 when yield starts at the inner wall of the cylindrical tube is estimated to be proportional to (D 4 2 -D 2 2 ) because it is proportional to the rigidity of the cylindrical tube when the thickness of the gasket is considered constant.
  • the deformation amount of the joint member since the internal pressure is caused due to take the butt end face of the joint member, the inner diameter D of the diameter D 3 and the first and second joint members seal projection applied pressure from the high pressure fluid 1 is estimated to be inversely proportional to the area of the annular ring sandwiched between 1 and the internal pressure P 2 when yielding starts at the butt end faces of the first and second joint members is estimated to be inversely proportional to (D 3 2 -D 1 2 ). Is done.
  • D 1 is practically limited by the pressure and flow rate of the high-pressure fluid that flows, and D 4 is practically limited in terms of the physical size of the pipe joint. In reality, the lower limit of cannot be set below a certain value.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a model for simulating stress / strain when an internal pressure is applied to the pipe joint of FIG. 1. It is a graph which shows the relationship between the pressure P and coefficient F which a gasket begins to remove
  • the pipe joint includes a tubular first joint member (1) and a tubular second joint member (2) having fluid passages communicating with each other, a right end surface of the first joint member (1), and a first joint member (1).
  • An annular gasket (3) interposed between the left end surface of the two joint members (2) and a retainer (5) that holds the annular gasket (3) and is held by the first joint member (1) ),
  • the second joint member (2) is connected to the first joint member by a nut (4) screwed into the first joint member (1) from the second joint member (2) side. It is fixed to (1).
  • Annular seal projections (7), (8) are respectively formed in the radial direction of the abutting end faces of the joint members (1), (2), and an annular overtightening projection (9) ( 10) are formed.
  • Both end surfaces of the gasket (3) are flat surfaces perpendicular to the axial direction.
  • a retaining portion (3b) made of an outward flange is provided on the outer peripheral surface of the gasket (3).
  • Both joint members (1) (2) and gasket (3) are made of SUS316L.
  • An inward flange (11) is formed at the right end of the nut (4), and the flange (11) is fitted around the second joint member (2).
  • a female screw (12) is formed on the inner periphery of the left end of the nut (4), and this is screwed into a male screw (14) formed on the right side of the first joint member (1).
  • An outward flange (13) is formed on the outer periphery of the left end portion of the second joint member (2), and a thrust ball for preventing co-rotation between this and the inward flange (11) of the nut (4).
  • a bearing (6) is interposed.
  • Each of the over-tightening prevention annular protrusions (9) and (10) is protruded toward the left and right gaskets (3) with respect to the annular seal protrusions (7) and (8), and is intended to be tightened further than proper tightening.
  • the retainer (5) is pressed from both sides.
  • the inner circumference (1a) of the first joint member (1), the inner circumference (2a) of the second joint member (2), and the inner circumference (3a) of the gasket form a fluid passage.
  • the coefficient F (D 3 2 ⁇ D 1) where D 1 is the inner diameter of the first and second joint members, D 2 is the inner diameter of the gasket, D 3 is the diameter of the seal protrusion, and D 4 is the outer diameter of the gasket. 2 ) / (D 4 2 -D 2 2 ) is preferably 0.4 or less. Further, the coefficient F is more preferably 0.3 or less.
  • D 3 is the diameter connecting the center points of the most projecting portion of the annular seal projection (7) (8), D 4 is retaining portion of the annular gasket does not contain (3b) (3) The outer diameter.
  • coefficient F When the coefficient F is 0.4 or less, there is a tendency that deformation of the gasket is suppressed. A coefficient F of 0.3 or less is more preferable because the deformation of the gasket can be kept low.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a model for simulating stress / strain when an internal pressure is applied to a pipe joint.
  • the inner diameter of the inner circumference (1a) (2a) is D 1 and the inner circumference (3a)
  • the analysis was performed with the inner diameter being D 2 , the diameter of the annular seal protrusions (7) and (8) being D 3 and the outer diameter of the gasket (3), and the outer diameter not being the retaining portion (3 b) being D 4 .
  • the material of the member was stainless steel, and finite element analysis was performed. Table 1 below shows the values of D 1 to D 4 , the coefficient F at that value, and the pressure P when the gasket (3) starts to come off, and a graph showing the relationship between F and P is shown in FIG. Shown in The broken line is an approximate straight line.
  • the displacement of the inner diameter of the gasket is indicated by a solid line
  • the displacement of the outer diameter of the gasket is indicated by a long broken line
  • the displacement of the annular seal projection position of the gasket is indicated by a fine broken line.
  • the coefficient F is 0.4 or less at which the displacement starts to decrease. Furthermore, it is more preferable that the coefficient F is 0.3 or less that keeps the displacement the smallest and constant.
  • first joint member 2 second joint member 3: gasket 7: annular seal protrusion 8: annular seal protrusion

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Abstract

超高圧条件下で使用するための管継手であって、継手の径が相対的に大きくならない管継手を提供する。互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットを備え、第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手において、第１および第２の継手部材の内径をＤ１、ガスケットの内径をＤ２、シール突起の直径をＤ３、ガスケットの外径をＤ４としたときに、式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする。式（１）：Ｆ＝（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）／（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）

Description

管継手
　本発明は、管継手に関し、特にガスケットを塑性変形させて面シールを行う管継手に関する。
　特許文献１には、ガスケットを塑性変形させて面シールを行う管継手として、互いに連通する流体通路を有している管状の第１継手部材および管状の第２継手部材と、第１継手部材の右端面と第２継手部材の左端面との間に介在させられる円環状ガスケットと、円環状ガスケットを保持しかつ第１継手部材に保持されるリテーナとを備えており、第２継手部材側から第１継手部材にねじはめられたナットにより、第２継手部材が第１継手部材に固定されているものが知られている。
　このような形態の継手については、シール性能の高さから主に半導体製造装置分野において実績を挙げてきた。
　他方、近年、燃料電池自動車分野の発展により超高圧の水素の供給に用いるための継手の要求があり、様々な形態の継手について検討が行われている。
　このような技術分野において要求される耐超高圧性能は、一般的には１００ＭＰａ以上の圧力に耐えられることであり、さらに高圧ガス保安法において、使用圧力の１．２５倍の耐圧試験に合格しなければならないことが定められている。
特許第３８７６３５１号公報
　上記従来の管継手を超高圧条件下で使用する場合、リークの発生が問題となる。
　この発明の目的は、超高圧条件下での使用に適した管継手を提供することにある。
　本発明は、互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットとを備え、第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手において、第１および第２の継手部材の内径をＤ１、ガスケットの内径をＤ２、シール突起の直径をＤ３、ガスケットの外径をＤ４としたときに、下記式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする。
式（１）：Ｆ＝（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）／（（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）
　本発明者は、第１および第２の継手部材内部の流体通路に超高圧の流体を流した条件において有限要素解析を行い、ガスケットの変形がリークの発生に影響することを発見した。さらにＤ１～Ｄ４を組み合わせた指標がある一定の値以下になることが有利な効果をもたらすことを発見し、本発明を創作することができた。
　管継手の耐圧性能は、ガスケットの変形量と継手部材の変形量が関係していると推定される。
　まず、ガスケットの変形量は、ガスケットの剛性に依存すると推定される。ガスケットの剛性が高ければ内圧によるガスケットの変形量が小さくなるからである。円筒管の内壁で降伏がはじまるときの内圧Ｐ１は、ガスケットの厚みを一定と考えると、円筒管の剛性に比例するので（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）に比例すると推定される。
　また、継手部材の変形量は、内圧が継手部材の突合せ端面にかかることが原因で生じるので、高圧流体からの圧力が加わるシール突起の直径Ｄ３並びに第１および第２の継手部材の内径Ｄ１で挟まれた円環の面積に反比例すると推定され、第１および第２の継手部材の突合せ端面で降伏がはじまるときの内圧Ｐ２は、（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）に反比例すると推定される。
　したがって、ガスケットの変形と継手部材の変形は同時に起こるので、ガスケットの耐圧性能は、係数Ｆ＝（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）／（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）に負の相関で比例すると推定され、実際に有限要素法により、Ｆは０．４以下であることが好ましいと見いだされた。
　なお、Ｄ１は、流す高圧流体の圧力や流量によって現実的制限を受け、Ｄ４は、管継手の物理的大きさの点から現実的制限を受けるので、これらの現実的制限から、係数Ｆの下限は、現実的には、一定の値以下にはすることはできない。
　第１および第２の継手部材の内径Ｄ１、ガスケットの内径Ｄ２、シール突起の直径Ｄ３およびガスケットの外径Ｄ４を調整することによって、超高圧仕様に適用可能な管継手を提供できる。
この発明による管継手の１実施形態を示す縦断面図である。 図１の管継手に内圧を加えた時の応力・歪をシミュレーションするためのモデルの概略図である。 ガスケットが外れ始める圧力Ｐと係数Ｆの関係を示すグラフである。 ガスケットと継手部材との密着性がなくなるときの圧力Ｐと係数Ｆの関係を示すグラフである。 ガスケットと継手部材との密着性がなくなるときのガスケットの変位と係数Ｆの関係を示すグラフである。
　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寸法、材質、形状、その相対的配置等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。
　管継手は、互いに連通する流体通路を有している管状の第１の継手部材（１）および管状の第２の継手部材（２）と、第１の継手部材（１）の右端面と第２の継手部材（２）の左端面との間に介在させられる円環状ガスケット（３）と、円環状ガスケット（３）を保持しかつ第１の継手部材（１）に保持されるリテーナ（５）とを備えており、第２の継手部材（２）側から第１の継手部材（１）にねじはめられたナット（４）により、第２の継手部材（２）が第１の継手部材（１）に固定されている。各継手部材（１）（２）の突合わせ端面の半径方向には、円環状シール突起（７）（８）がそれぞれ形成され、同外周部には、環状の締過ぎ防止突起（９）（１０）がそれぞれ形成されている。
　ガスケット（３）の両端面は、軸方向に対して直角な平坦面とされている。ガスケット（３）の外周面には、外向きフランジよりなる抜止め部（３ｂ）が設けられている。
　両継手部材（１）（２）およびガスケット（３）は、ＳＵＳ３１６Ｌ製である。
　ナット（４）の右端部には内向きフランジ（１１）が形成されており、このフランジ（１１）の部分が第２の継手部材（２）の周囲にはめられている。ナット（４）の左端部の内周にはめねじ（１２）が形成されており、これが第１の継手部材（１）の右側に形成されたおねじ（１４）にねじはめられている。第２の継手部材（２）の左端部外周には外向きフランジ（１３）が形成されており、これとナット（４）の内向きフランジ（１１）との間に共回り防止用のスラスト玉軸受（６）が介在させられている。
　各締過ぎ防止用環状突起（９）（１０）は、円環状シール突起（７）（８）よりも左右方向ガスケット（３）側に突出させられており、適正な締付けよりもさらに締付けようとしたさいに、リテーナ（５）をその両面から押圧するようになされている。
　手で締め付けた状態からスパナ等によりさらにナット（４）を締付けていくと、締過ぎ防止突起（９）（１０）とリテーナ（５）との間の隙間が０となり、締付けに対する抵抗力が非常に大きくなり、締過ぎが防止される。
　第１の継手部材（１）の内周（１ａ）、第２の継手部材（２）の内周（２ａ）およびガスケットの内周（３ａ）が流体通路を形成している。
　第１および第２の継手部材の内径をＤ１、ガスケットの内径をＤ２、シール突起の直径をＤ３およびガスケットの外径をＤ４としたときの係数Ｆ＝（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）／（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）が、０．４以下であることが好ましい。さらに係数Ｆが０．３以下であることがより好ましい。
　ここで、Ｄ３は、円環状シール突起（７）（８）の最突出部分の中央点を結ぶ直径であり、Ｄ４は、抜け止め部（３ｂ）を含まない円環状ガスケット（３）の外径である。
　係数Ｆが０．４以下になるとガスケットの変形が抑えられる傾向が出てくる。係数Ｆが０．３以下となるとガスケットの変形が低く抑えられるのでさらに好ましい。
　図２は、管継手に内圧を加えた時の応力・歪をシミュレーションするためのモデルの概略図である。第１の管継手（１）と第２の管継手（２）に挟まれたガスケット（３）を基本構成として、内周（１ａ）（２ａ）の内径をＤ１、内周（３ａ）の内径をＤ２、円環状シール突起（７）（８）の直径をＤ３およびガスケット（３）の外径であって、抜止め部（３ｂ）でない外径をＤ４として解析を行った。
（試験例１）
　部材の材料をステンレス鋼とし、有限要素解析を行った。下表[表１]にＤ１～Ｄ４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）が外れ始めるときの圧力Ｐを示し、そのＦとＰとの関係を示すグラフを図３に示す。なお、破線は近似直線である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図３を見ると、係数Ｆとガスケットが外れ始める圧力Ｐとの関係は線形関係にあることがわかり、係数Ｆが妥当な係数であることがわかる。
(試験例２)
　次に、部材の材料をステンレスとし、有限要素解析を行った。下表[表２]にＤ１～Ｄ４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）－継手部材（１）（２）間の密着性がなくなるときの圧力Ｐを示し、そのＦとＰとの関係を示すグラフを図４に示す。なお、破線は近似直線である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図４を見ると、ガスケットと継手部材との密着性がなくなり始めの圧力を解析しているので、図３に比べて近似直線の傾きは小さくなっているが、係数Ｆと密着性がなくなり始めるＰとの関係は、図３と同様に線形関係が非常に高く保たれており、係数Ｆの妥当性が理解できる。
(試験例３)
　次に、試験例２と同じ条件で有限要素解析を行った。下表[表３]にＤ１～Ｄ４の値、その値の時の係数Ｆおよびガスケット（３）－継手部材（１）（２）間の密着性がなくなるときのガスケットの内径変位、ガスケットの外径変位およびガスケットの円環状シール突起（７）（８）の変位を示し、そのＦと変位との関係を示すグラフを図５に示す。なお、変位の単位はｍｍである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図５において、ガスケット内径の変位を実線で、ガスケット外径の変位を長い破線で、ガスケットの円環状シール突起位置の変位を細かな破線で示している。係数Ｆが０．６６～０．５２の区間は係数Ｆが小さくなるにしたがっていずれの変位も大きくなっており、係数Ｆが０．５２～０．４０の区間は係数Ｆに依存せずいずれの変位もほぼ一定であり、係数Ｆが０．４０～０．２７の区間は係数Ｆが小さくなるにしたがっていずれの変位も小さくなっており、係数Ｆが０．２７以下の区間ではいずれの変位も最も小さくなって一定状態を保っている。
　変位は小さければ小さいほど耐圧性能を高めるには有利であることから、変位が減少に転じる０．４以下の係数Ｆであることが好ましい。さらに、変位が最も小さく一定に保たれる０．３以下の係数Ｆであることがより好ましい。
　超高圧仕様の配管の管継手に関し、コンパクトな最適形状の管継手を提供することができる。
１：第１の継手部材
２：第２の継手部材
３：ガスケット
７：円環状シール突起
８：円環状シール突起

Claims (1)

  1. 　互いに連通する流体通路を有している第１および第２の継手部材と、
    　前記第１および第２の継手部材の突合せ端面間に介在させられるガスケットを備え、
    　前記第１および第２の継手部材の突合せ端面には環状のシール突起が形成されている管継手において、
    　前記第１および第２の継手部材の内径をＤ１、前記ガスケットの内径をＤ２、前記シール突起の直径をＤ３、前記ガスケットの外径をＤ４としたときに、
    下記式（１）で規定される係数Ｆが０．４以下であることを特徴とする管継手。
    式（１）：Ｆ＝（Ｄ３ ２－Ｄ１ ２）／（Ｄ４ ２－Ｄ２ ２）
     
PCT/JP2017/026838 2016-07-29 2017-07-25 管継手 WO2018021294A1 (ja)

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