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極低温用バタフライバルブの要件
作成日 07.23
第1章：極低温バタフライバルブの技術要件
1. 構造構成と設計原則
極低温用バタフライバルブは、極低温条件下で確実なシールと長寿命を実現するため、トリプルオフセットメタルシートシール構造を採用するものとする。トリプルオフセットバタフライバルブの3つのオフセットは以下のように定義される。
- シャフトオフセット：
- 球面オフセット：
- シール面オフセット：
ディスクにはステンレス鋼製のシールリングを装備し、シートは表面硬化処理を施したステンレス鋼で構成するものとする。ディスクシールリングとシートはともに、無垢のステンレス鋼材から製造するものとする。
バルブ本体には、凝縮液の無制御な流れを防ぎ、断熱層を保護し、熱交換表面積を増やし、延長ネックの長さを短縮し、グランドパッキンの適切な動作を確保するために、ドリップトレイを設けるものとする。
2. バルブ本体とスタブエンドの軟質シール溶接
バルブには、最低100 mmのスタブエンド長さを設けるものとする。スタブエンドの長さは、両端での現場溶接作業がシール材に影響を及ぼさないことを保証するものとする。スタブエンドは、シームレスパイプ、縦溶接パイプ、または鍛造品から製造され、溶接および防食処理は工場で完了するものとする。スタブエンドの防食要件は、バルブ本体と同一とする。
バルブおよびスタブエンドの外径は接続配管の外径と一致するものとし、スタブエンドの材質は配管材質と同一とする。
スタブエンド付きで供給されるバルブの場合、シェル圧力試験はまず20°Cにおける最大許容使用圧力の1.5倍で実施するものとする。試験合格後、スタブエンドを溶接し、その後、バルブとスタブエンドの組立体の一体型シェル圧力試験をスタブエンド設計圧力の1.5倍で実施する。
3. 延長ステム
ステムとディスクの接続設計は、設計圧力下での全差圧による開動作中に永久変形が発生しないことを保証するものとする。故障が発生した場合、最初の破損箇所はバルブ本体の外部とし、二次破損荷重は一次破損荷重よりも大幅に大きくなければならない。
アクチュエータを備えた開閉バルブの場合、ステム設計はアクチュエータの最大出力トルクに対応できなければならない。ステムはブローアウト防止設計を組み込み、一体型の貫通シャフト構成を採用するものとする。
グランドパッキンを備えたバルブの場合、ステム表面とパッキン室ボアの両方に厳格な表面仕上げ要件が適用されます。グランド付属品とパッキン室の間のクリアランスは、グランド付属品とステムの間のクリアランスよりも小さくなければなりません。
4. ボンネット延長ネック
ボンネット延長ネックの長さは、ボンネットの最上部支持点からパッキンボックスまでの延長部分を指し、蒸気空間要件を満たす必要があります。ボンネット接続は、ボルト締め、溶接、または一体型ボンネット構造によって行われるものとします。一体型ボンネットはDN50以下のバルブにのみ許可され、ねじ込み式ボンネット接続は許可されません。
ボンネット延長ネックの設計は、パッキンが周囲温度で動作することを保証するものとします。延長ボンネットの主な機能は、パッキン箱を極低温媒体から離れた位置に保ち、パッキンが周囲温度範囲内に留まるようにすることで、信頼性の高いステムシール性能を保証することです。
5. シート
バタフライバルブのシール対は、一方向または双方向のシール要件を満たすために、ダブルオフセットまたはトリプルオフセット形状を採用しなければならない。クロージャ部材とシートの両方のシール面には、溶接により硬質肉盛合金を盛金するものとする。機械加工後の硬質肉盛層の厚さは1.6 mm以上とする。使用温度が-100°C未満の場合、硬質肉盛部品は溶接後に極低温処理を施さなければならない。
6. 材料要件
極低温用バタフライバルブの材料選定は、バルブの安全な動作を確保する上で極めて重要である。主な要件は以下の通りである。
- 鋳造材料は、鍛造材料の代替として認められないものとする。
- 耐圧部品に使用される炭素鋼の炭素含有量は0.23%を超えてはならない。鍛造品および鋳造品については、0.25%まで緩和してもよい。
- 銅または銅合金は使用してはならない。
- オーステナイト系ステンレス鋼材料は、溶体化焼きなまし状態で供給されなければならない。
- オーステナイト系ステンレス鋼、モネル合金、およびニッケル基合金で構成されたバルブのディスクとグランド用のボルトおよびナットは、バルブ本体と同一の化学成分を有しなければならない。
- パッキンボックスおよびヨークフランジの材料は、バルブ本体材料と同一または同等でなければならない。
- グラファイトパッキンは、耐食性のある純グラファイト（純度99.8%以上）でなければならない。
- ボルト材はASTM A320 B8Mクラス2の要件を満たすものとする。
- 塩水噴霧腐食環境で使用されるガスケットは、金属材料の塩水噴霧試験報告書を添付して納入するものとする。
- 超低温（-101°C未満）での使用を目的としたオーステナイト系ステンレス鋼鋳物は、衝撃試験を実施するものとする。
- すべてのステンレス鋼材は、304/304Lの二重認証要件（304Lの化学成分と304の機械的特性の両方を満たすこと）を満たすものとする。
- サプライヤーは、ボディおよびボンネットを含むすべての合金バルブについて、PMI（材料識別証明）文書を提供するものとする。
極低温材料設計の原理：炭素鋼などの体心立方格子（BCC）金属は低温脆性の影響を受けますが、オーステナイト系ステンレス鋼などの面心立方格子（FCC）金属の衝撃靭性は低温の影響をほとんど受けません。設計では一般的に-46°C（低温用炭素鋼）、-101°C、-196°C（300系オーステナイト系ステンレス鋼）の3つの極低温グレードが適用されます。
7. 耐火・帯電防止設計
バルブには耐火設計および帯電防止設計を組み込むものとします。静電気放電経路全体の最大抵抗値は10² Ω以下とします。帯電防止設計により、ステムとバルブボディ間の導通を確保し、静電気を除去して潜在的な危険を排除します。すべての弾性シートバルブには帯電防止装置を装備するものとします。
ゼロ漏洩と耐火性能が要求される場合、バルブはAPI 607に準拠して設計されるものとする（ゴムライニングバルブを除く）。シートのシール面は、通常、非金属と金属による二重シール構造を採用する。
- 一次シール：
- 二次シール：
火災試験はBS 6755またはAPI 607に従って実施し、製造元はAPI 6FAまたはAPI 607の防火認証を提供しなければなりません。
8. シールと操作
供給元はバルブのすべてのシール部の詳細図面を提供しなければなりません。Oリングシールを優先するものとします。パッキンを使用する場合は、スプリング式パッキンを提供しなければなりません。
8インチ以上のバタフライバルブにはギヤ式操作機を装備しなければなりません。手動操作バルブの場合、極低温操作および性能試験中におけるハンドホイールまたはレバーのリムでの最大操作力は360 Nを超えてはなりません。
バルブは5年間の耐用年数を通じて、すべての位置でスムーズに動作しなければなりません。
9. バルブのロック
ロック装置は全閉位置と全開位置の両方に設けなければなりません。手動操作バルブは南京錠でロックできるものでなければなりません。
手動弁用のギアボックスは、はすば歯車式とし、完全密閉型で適切な潤滑剤を封入するものとする。
10. 溶接及び非破壊検査（NDE）
ソケット溶接は認められません。バルブ本体に直接溶接されたフランジは認められません。
非破壊検査（NDE）要件：
バルブタイプ | 検査要件 |
900クラス以上の鋳造ステンレス鋼バルブ | 100% RT |
600クラス以上の鋳造または鍛造ステンレス鋼バルブ | 100% MT または PT |
その他すべてのバルブ | 各バッチの最低10%、少なくとも1つのバルブ。突合せ溶接端部は100% RT + 100% PT |
溶接後のシート面 | 100% PT |
11. 圧力および漏れ試験
バルブ試験項目は以下を含むものとします：
- シェル試験
- 無負荷動作試験
- シート漏れ試験
- ディスク耐圧試験
バルブタイプ別の試験要件：
バルブタイプ | シェルテスト | バックシートテスト* | 低圧シートテスト | 高圧シートテスト |
ゲートバルブ | 必須 | 必須 | 必須 | オプション |
グローブバルブ | 必須 | 必須 | オプション | 必須 |
プラグバルブ | 必須 | 該当なし | 必須 | オプション |
逆止弁 | 必須 | 該当なし | オプション | 必須 |
フローティングボールバルブ | 必須 | 該当なし | 必須 | オプション |
バタフライバルブ / トラニオンボールバルブ | 必須 | 該当なし | 必須 | オプション |
注記：バックシートシール機能を有するすべてのバルブ（ベローズシールバルブを除く）は、バックシート試験を実施しなければならない。
油圧試験は、防錆のために作動油または水エマルション剤を使用して実施するものとする。水圧試験後、バルブは露点が規定要件を満たすまで完全にパージおよび乾燥させるものとする。パージ段階では、残留水分の蒸発を促進するためにバルブ本体に電気ヒートトレースを適用してもよい。
漏れ基準：
- 1.1 × 空気圧試験：
- ソフトシートバルブ：ISO 5208 レートA準拠。
- メタルシートバルブ：ISO 5208 レートDの2倍。
- 低圧ガス試験：
- ソフトシートバルブ：ISO 5208 レートA準拠。
- メタルシートバルブ：ISO 5208 レートD準拠。
低漏洩試験はISO 15848-1に従って実施するものとする。メタルシートバタフライバルブの場合、漏洩率要件はAPI 598に準拠するものとする。
12. 極低温試験
常温試験後、BS 6364に従って極低温試験（-196℃）を実施するものとし、これには以下を含む：
- 極低温動作性能試験
- 極低温シール性能試験（パッキン＋フランジガスケット＋シート）
- 極低温繰り返し寿命試験
極低温試験手順：
- バルブを液体窒素タンクに浸漬します（ボンネットとグランドパッキン押さえは液体窒素レベルより上に位置させます）。
- バルブ本体の温度平衡が安定するまで十分な時間浸漬を維持します。
- 熱電対を使用して各ポイントの温度を監視します。
- 極低温状態でヘリウムガスを使用して圧力試験を実施する。
- バルブを20回の開閉操作でサイクル運転し、最初と最後のサイクルで操作トルクを測定する。
- 最大許容使用圧力まで徐々に加圧し、すべてのシール箇所を点検する。
- 15分間圧力を保持した後、ゆっくりと減圧する。
安全上の注意事項：
- 極低温によるやけどを防止するため、作業員は防護服、安全靴、極低温用手袋を着用すること。
- ヘリウムガス放出時には、窒息の危険を避けるため、十分な換気を確保すること。
- 空気圧試験中は制限危険区域を設定し、無関係者の立ち入りを禁止すること。
第2章：LNGサービス用低温三偏心バタフライバルブ
1. 三偏心の概念と構造的特徴
LNGサービス用低温三偏心バタフライバルブの三偏心は、軸偏心、球面偏心、およびシール面偏心として定義される：
- 軸偏心：
- 球面偏心：
- シール面オフセット:
2. 性能特性
- 優れたシール性能:
- 摩擦のない動作:
- 大流量対応：
- 短い操作ストローク：
- 幅広い適用範囲：
- 長い耐用年数：
- 調節機能：
3. トップエントリー構造
LNG超低温バタフライバルブは、以下の2種類のトップエントリー構造に分類される。
(1) 真のトップエントリーバタフライバルブ
ディスクはトップエントリー設計であり、ディスクアセンブリ、ステム、シールリング全体をバルブボディ上部から取り外してメンテナンスできる。バルブサイズに関係なく、インバンメンテナンスが可能である。ボディとボンネットの接続は単一の継手であり、外部漏洩経路は1箇所のみである。
(2) サイドトップエントリーバタフライバルブ
ディスクはサイドエントリー方式を採用し、ボディの片側を延長してメンテナンス用のアクセス開口部を設ける。メンテナンス時には作業員がアクセス室内に手を伸ばすか入り込む必要があり、保守性は低い。この構成では、ボディとボンネット間、及びアクセス開口部とカバー間の2箇所の接続部があり、2つの外部漏洩経路が生じる可能性がある。
第3章：油圧制御式逆止めバタフライ弁
1. 用途及び性能仕様
油圧制御式逆止めバタフライバルブは、遮断機能と逆止め機能を1つのバルブに統合し、従来2つのバルブを必要としていたものを代替します。事前に設定されたプログラムに従い、急速閉鎖と緩閉鎖の2段階で閉鎖し、突然の停電や緊急ポンプ停止による水撃作用を効果的に排除・抑制するとともに、逆流によるポンプタービンの逆転を防止します。
性能仕様：
パラメータ | 値 |
呼び径（DN） | DN600 ～ DN3000 |
呼び圧力（PN） | 0.6 ~ 1.6 MPa |
使用温度 | ≤ 80°C |
適合媒体 | 水、油製品、その他の非腐食性流体 |
2. 構造と動作原理
バルブアセンブリは、バルブ本体、油圧アクチュエータ、油圧ユニット、電気制御盤の3つの主要コンポーネントで構成されています。アキュムレータ設計は従来のカウンターウェイトに代わり、コンパクトで軽量、シンプルな構造であり、包括的な機能を備えています。
バルブ動作タイミングパラメータ：
パラメータ | 値 |
開弁時間 | 20～120秒 |
クイッククローズ時間 | 2～30秒（角度約65°±10°） |
スロークローズ時間 | 2～60秒（角度約25°±10°） |
油圧作動原理：
- 通常動作：
- バルブ開：
- バルブ閉：
- 位置保持：
- 手動操作：
3. 設置、操作、およびメンテナンス
設置上の注意：
- 設置前に、バルブ本体、ディスクのシール面、および内部ボアを清掃してください。
- フランジボルトは均等に対称な順序で締め付けてください。
- シール面が上流側を向き、バルブシャフトが流れ方向に対して下流側に位置するようにしてください。
アキュムレータのメンテナンス：
- 酸素、圧縮空気、または可燃性ガスを使用して充電しないでください。
- 窒素充填圧力:
- DN ≤ 600: 6.5 ~ 8.5 MPa
- DN ≥ 700: 7.0 ~ 9.0 MPa
- 最初の1ヶ月間は毎週、その後は毎月、ブラダーのガス圧を点検してください。
作動油管理:
- 作動油はNo.20またはNo.30、または耐摩耗性作動油No.46を使用してください。
- サンプリングと分析は四半期ごとに行い、フィルターは定期的に清掃してください。
- オイル交換時にはオイルタンクを完全に清掃し、異なるグレードのオイルの混合は固く禁止されています。
第4章: 技術基準と規格
本仕様書に記載された極低温バタフライバルブの技術要件は、以下の規格に準拠するものとします。
規格番号 | タイトル |
API 609 | バタフライバルブ：両フランジ型、ラグ型、ウェハ型 |
59A (NFPA) | 液化天然ガス（LNG）の生産、貯蔵、取扱いに関する標準 |
ISO 14313 | 石油及び天然ガス産業 — パイプライン輸送システム — パイプライン用バルブ |
ISO 5208 | 工業用バルブ — 金属バルブの圧力試験 |
BS 6364 | 低温用バルブ |
BS 6755 | バルブの試験 |
MESC SPE 77/200 | 低温及び極低温用バルブ |
ISO 15848-1 | 工業用バルブ — 漏洩防止に関する測定、試験及び認定手順 |
結論
長年にわたる開発を経て、バタフライバルブ技術は従来型のバタフライバルブから三偏心金属シートバタフライバルブへ、常温対応から極低温対応へ、そして単一の遮断機能から遮断と逆止めの複合機能へと進化してきました。設計思想、材料システム、試験方法は継続的に改良されています。
極低温用三偏心バタフライバルブは、優れたシール性能と摩擦のない特性により、LNGやその他の極低温用途において最適なソリューションとなっています。油圧制御式逆止めバタフライバルブは、アキュムレータ技術と段階的な閉鎖シーケンスにより、ポンプ場システムの安全な運転を効果的に確保します。
バルブ選定および設計プロセスにおける技術者は、適用される規格および基準を厳守し、使用条件と材料の適合性を十分に考慮して、バルブの安全で信頼性の高い長期運転を確保しなければならない。
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