ボールバルブとゲートバルブ：どちらを選択すべきですか?

ボールバルブとゲートバルブ: 直接的な答え

最新の配管、産業、および流体制御アプリケーションのほとんどには、ボール バルブがより良い選択です。 90 度回転するだけで開閉し、ほぼ完璧なシールを実現し、何年も使用しなかった後でも確実に動作し、最小限のメンテナンスで高圧システムに対応します。対照的に、ゲート バルブは開閉するために複数回完全に回転する必要があり、長時間同じ位置に放置すると焼き付きが発生しやすいため、完全な制限のない流れが優先される大口径の低周波隔離作業に最適です。

とはいえ、どちらのバルブも普遍的に優れているわけではありません。ゲートバルブは、大口径の水道本管、灌漑システム、および完全に開いた圧力降下の低い流路が不可欠であり、バルブの作動頻度が低い用途では依然として実用的な利点を持っています。 2 つのタイプの機械的な違いを理解すると、どのような状況でも正しい選択が簡単になります。

ボールバルブの仕組み

ボール バルブは、バルブ本体内のステムに取り付けられた中空の穴のあいた球体 (ボール) を使用します。ボールの中心には円筒形の穴が開けられています。穴がパイプと一致すると、流体は自由に流れます。ハンドルを 90 度回転すると、ボールの固体側が流路を遮断し、ラインを密閉します。 PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) またはその他のエラストマーで作られたソフトシートがボールの両側から押し付けられ、シールが形成されます。

開閉操作全体には時間がかかります。 1/4 回転 (90°) 手動では 1 秒未満、アクチュエーターでは数ミリ秒で完了します。座面は閉位置でのみボールと接触し、流動中は接触しないため、摩耗は最小限に抑えられ、バルブは数千回の動作サイクルを通じて信頼性を維持します。フルボアボールバルブの内径はパイプの内径と等しいため、 開いたボールバルブ全体の圧力降下は実質的にゼロになります ほとんどのアプリケーションで。

ボールバルブの種類

• フルボア（フルポート）ボールバルブ： ボールの穴はパイプの内径と正確に一致します。開いているときの流れの制限はゼロです。ピギング (パイプ洗浄) が必要なシステムや、圧力損失を最小限に抑えることが重要なシステムに最適です。
• レデュースボア（標準ポート）ボールバルブ： ボールの穴はパイプよりも 1 ～ 2 パイプ サイズ小さくなります。圧力損失はわずかですが、小型、軽量、低価格です。ほとんどの汎用目的の隔離業務に適しています。
• Vポートボールバルブ： ボールの穴は円筒形ではなくV字形になっています。特徴付けられた流量曲線によるスロットリングと流量調整が可能です。正確な流量調整が必要な制御アプリケーションで使用されます。
• 三方およびマルチポートボールバルブ: 2 つ以上の経路間で流れを迂回または混合するための追加のポートを備えています。油圧回路、加熱システム、プロセス配管でよく見られます。
• トラニオン形ボールバルブ： ボールは自由に浮くのではなく、トラニオン（固定ピン）で上下から支持されます。フローティングボール設計では過剰なアクチュエータトルクが必要となる高圧、大口径のパイプラインで使用されます。

ゲートバルブの仕組み

ゲート バルブでは、バルブ本体内の流路に対して垂直にスライドする平らまたはくさび形のディスク (ゲート) が使用されます。ハンドルを回すとネジ付きステムが回転し、ゲートが上下します。完全に上げると、ゲートが流れ穴を完全に排除し、障害物のない通路を作成します。完全に下げると、ゲートが両側のシート リングを押してラインをシールします。

ボールバルブの 90° 1/4 回転とは異なり、ゲートバルブには ハンドルを複数回完全に回転させる 完全に開いた状態から完全に閉じた状態に移動するには、バルブのサイズに応じて通常 5 ～ 20 回転します。この遅い作動は、一部の大口径用途における意図的なエンジニアリング機能であり、高速水道本管におけるウォーターハンマー (突然の流れの停止によって引き起こされる圧力サージ) を防ぎます。ただし、ゲート バルブは迅速な分離が必要な用途には実用的ではありません。

ゲートバルブの種類

• ウェッジゲートバルブ: 最も一般的なタイプ。閉じる力がかかると傾斜したシートにしっかりと押し付けられる、先細のくさび形ディスクを使用します。水、蒸気、油の使用に適した強力なメカニカルシールを提供します。
• パラレルゲートバルブ（仕切弁）： 2 つの平行な面の間に配置されるフラット ディスクを使用します。ウェッジタイプよりも着座応力が低い。配水本管や廃水用途で一般的です。
• ライジングステムゲートバルブ: バルブが開くとステムがハンドホイールの上に視覚的に上昇し、バルブの位置を即座に視覚的に示すことができます。開閉状態を目視で確認したい場合に使用します。
• ノンライジングステムゲートバルブ： ステムは回転しますが、上昇しません。ゲートはステムの内部のネジ山に沿って上下に移動します。上昇ステムが現実的でない埋設またはスペースに制約のある設置に使用されます。

ボールバルブとゲートバルブ: 直接比較

ボール バルブとゲート バルブの実際的な違いは、実際の選択決定において最も重要な基準に基づいて評価すると明らかになります。

ボールバルブが優れている場所: 理想的な用途

ボールバルブは、高速作動、信頼性の高いシーリング、コンパクトなボディ、メンテナンスの容易さの組み合わせにより、幅広い業界や用途で好まれるバルブタイプとなっています。

住宅および商業用配管

ボールバルブは、ほとんどの国で住宅用給水システムのゲートバルブに大きく取って代わりました。 4 分の 1 回転操作により、住宅所有者は緊急時に設備やゾーンへの給水を数秒で遮断できます。これは、パイプが破裂したときに非常に有利です。何年も全開にしておくと閉まらなくなるゲートバルブとは異なり、 高品質の真鍮またはステンレス鋼のボールバルブは、数十年間使用されなかった後も動作し続けます。 。シンクの下、洗濯機の後ろ、ボイラー、および元栓の隔離ポイントに標準装備されています。

ガス供給ライン

ボールバルブは、住宅、商業、産業環境における天然ガスおよび LPG の供給ラインに広く好まれるバルブタイプです。気泡を通さない PTFE シートシールは、差圧が低い場合でもガス漏れを確実に防ぎ、瞬時に見えるハンドル位置 (パイプに平行 = 開いている、垂直 = 閉じている) により、明確な安全性が確認できます。ほとんどのガス安全規定では、器具接続部の手動遮断装置としてボールバルブまたは同等の 4 分の 1 回転バルブを使用することが義務付けられています。

石油、ガス、石油化学の処理

炭素鋼またはステンレス鋼製の高圧トラニオン取り付けボールバルブは、上流および下流の石油およびガスインフラストラクチャの主力製品です。原油輸送ラインのパイプライン隔離バルブ、海底坑口バルブ、および製油所プロセス隔離では、すべてボール バルブが一般的に使用されます。彼らは次のように評価されています ANSI クラス 150 ～ クラス 2500 (圧力定格は約 20 bar ～ 420バール)、緊急停止 (ESD) システムでは、通常、信号損失時に 2 秒以内に閉じることができる作動式ボール バルブが使用されます。

自動化された遠隔操作システム

ボールバルブの作動には単純な 90° 回転のみが必要なため、空気圧、油圧、電気の 4 分の 1 回転アクチュエータと自然に組み合わせられます。このため、ボールバルブは、自動化されたプロセス制御、遠隔監視システム、および手動操作が非現実的または遅すぎる安全性が重要な遮断回路に使用される主要な選択肢となっています。空気圧アクチュエータは、5 ～ 7 bar の計器空気圧を使用して 1 秒未満で DN100 ボール バルブを開閉できます。

極低温および高純度のアプリケーション

極低温用途向けに設計された拡張ステムボールバルブ (液体窒素および液体酸素サービスの動作温度は -196°C まで) は、他のタイプのバルブがシート材料の熱収縮により機能しなくなる極低温でもシールの完全性を維持します。製薬および半導体製造では、FDA 準拠の PTFE シートを備えたポリッシュボアステンレス鋼ボールバルブが超純水およびプロセス化学ラインで使用されています。これは、その滑らかな内面が細菌の付着や粒子の発生を防ぐためです。

ゲートバルブが依然として有利な場合

ボールバルブが最新のアプリケーションのほとんどを支配しているにもかかわらず、ゲートバルブは、特定のシナリオ、主に低周波数での大口径絶縁を伴うシナリオや、ゆっくりと閉じることが制限ではなく特徴であるシステムにおいて、真の利点を保持しています。

• 大口径水道本管： 地方自治体の配水システムでは、DN200 ～ DN2400 のサイズのゲート バルブ (特に平行スライド ゲート バルブと弾性シート ゲート バルブ) が日常的に使用されています。このようなサイズでは、同等のボアを備えたボールバルブは法外​​に大きく、高価になります。このスケールのゲート バルブは、ゆっくりと作動するため、高速トランスミッション本管でのウォーター ハンマーが自然に防止されるため、好まれています。
• 防火システム: 表示ゲート バルブ (OS&Y - 外側ネジおよびヨーク タイプ) は、スプリンクラー システムのライザー分離で一般的に指定されています。その理由は、その上昇ステムにより、遠くからでも開閉状態がすぐに確認できるためであり、NFPA 13 および多くの管轄区域における同様の規定の要件となります。
• 灌漑および農業用水の供給: ゲートバルブは、作動頻度が低く（季節的にオン/オフ）、大口径の低圧農業用水本管において依然としてコスト競争力があり、ユニットサイズあたりのコストの低さは規模を拡大する上で重要な要素となります。
• 埋もれたサービスの分離: 非上昇ステム ゲート バルブは、地上からバルブ キーを介してアクセスできる地下設置に適しています。コンパクトな垂直プロファイルにより、同等のライジングステムバルブよりも掘削深さが少なくて済み、地下ユーティリティネットワークで長年確立された標準となっています。
• 高温蒸気システム: 鋳鋼またはステンレス鋼のウェッジ ゲート バルブは、発電所の高温高圧蒸気サービス (250°C 以上) で依然として一般的です。全金属構造は、持続的な高温で柔らかいシートがクリープまたはコールドフローする可能性がある PTFE シート付きボール バルブよりも熱サイクルに優れています。

ボールバルブの材質: 適切なグレードの選択

ボールバルブは、さまざまな本体およびトリムの材質で製造されており、流体、圧力、温度の条件に適した材質を選択することは、バルブのタイプ自体を選択するのと同じくらい重要です。

シートの材質とその限界

ボール バルブのシート (ボールと接触するシール面) は、ほとんどの場合、本体の材質よりもはるかに温度上限と化学的適合性を決定します。

• PTFE（標準）： 溶融アルカリ金属とフッ素を除くほとんどすべての化学薬品に対して耐性があります。温度範囲 -200℃～200℃。高い持続負荷下ではコールドフロー (クリープ) が発生しやすいため、大口径設計では最大圧力定格が制限されます。
• 強化 PTFE (ガラスまたはカーボン充填): 未使用の PTFE と比較してコールドフローが減少します。高圧用途に適しています。耐薬品性が若干低下します。
• PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）： 定格 260°C の高温熱可塑性シート。 PTFEが劣化する高温蒸気ボールバルブに使用されます。
• 金属シート (ステライトまたは硬化ステンレス): 研磨性流体、非常に高温、防火要件などの厳しいサービス向け。ソフトシートよりも高い作動トルク。すべての状況で気泡のない遮断を実現できるわけではありません。

一般的なボールバルブの故障モードとその防止方法

ボール バルブは、入手可能な流体制御コンポーネントの中で最も信頼性の高いものの 1 つですが、特に使用方法を誤ったり、メンテナンスが不十分であったり、使用条件に対して不適切に指定されたりした場合には、故障の影響を受けないわけではありません。

• シート漏れ（バルブ通過）： 最も一般的な故障モード。シート面に傷を付ける微粒子汚染、過度の圧力による PTFE シートのコールドフロー、または適合しない化学物質によるシートの劣化が原因で発生します。予防策: バルブの上流にストレーナを設置します。シートの材質と流体の適合性を確認します。圧力と温度の定格を尊重してください。
• ステムシール（パッキン）漏れ： バルブ本体から出るステムでの漏れ。パッキンの摩耗、腐食、または不適切にサポートされたアクチュエータによるステムの過剰な側面負荷が原因で発生します。予防策: ハイサイクルまたは高温のサービスでは、ライブロードされたパッキンアセンブリを使用します。バルブステムとは独立してアクチュエータをサポートします。
• 奪ったボール: 特に硬水の堆積物 (スケール) や腐食性流体が存在するシステムで、同じ場所に長時間放置された後に発生します。予防策: バルブを少なくとも四半期ごとに全ストロークまで循環させます。腐食性のサービスではステンレス鋼またはコーティングされたボールを使用してください。
• サーマルロック（圧力ロック）： ダブルブロックアンドブリードまたはフローティングボールの設計では、ボールキャビティ内に閉じ込められた液体が温度上昇とともに膨張し、キャビティの過圧が発生してボールがロックされる可能性があります。予防策: 熱膨張のリスクが存在する場合は、ボールに圧力逃がしシートまたは熱逃がし穴を備えたバルブを指定してください。
• スロットルダメージ: 流量を調整するために標準的なボールバルブを部分的に開いた位置で使用すると、部分的に露出したシート全体に高速の噴射が発生し、シートの急速な浸食と漏れが発生します。予防策: 絞りが必要な場合は、V ポート ボール バルブまたは専用の制御バルブを使用します。標準ボールバルブを中間位置に長時間保持しないでください。

実用的な選択ガイド: ボールバルブかゲートバルブか?

次の決定基準は、家庭用、商業用、産業用の配管システムで発生する最も一般的な選択シナリオをカバーしています。

1. 迅速かつ信頼性の高い遮断 (緊急遮断、ガス供給、家電製品の接続) が必要です。 ボールバルブを選択してください。 4 分の 1 回転の作動と、非アクティブ状態後の長期的な動作信頼性により、速度が重要なあらゆる遮断サービスにおいて明らかに優れています。
2. 低圧配水システムで DN200 を超えるパイプ直径を使用しています。 ゲートバルブを考えてみましょう。ボア サイズごとのコスト効率と標準的な公共インフラとの互換性により、多くの場合、大口径のゲート バルブの選択が正当化されます。
3. 自動化またはリモート操作が必要な場合: 1/4 回転アクチュエータを備えたボールバルブを選択してください。ゲート バルブ用のマルチターン アクチュエータは、非常に複雑で、重く、高価になります。
4. 250°C を超える高温蒸気を扱う場合: 全金属ゲートバルブまたは金属シートボールバルブが必要です。標準の PTFE シート付きボールバルブは、持続的な高温蒸気の使用には使用しないでください。
5. スロットリングまたはフロー調整が必要です。 Vポートボールバルブ、グローブバルブ、または専用調節弁をご使用ください。標準のボールバルブもゲートバルブも部分開流量調整には適していません。
6. バルブは地下に埋められます。 ノンライジング ステム ゲート バルブ、または専用のバルブ ボックスとエクステンション スピンドルを備えたフルボア ボール バルブはどちらも実行可能なオプションであり、選択は地域の公共施設の基準と動作頻度によって異なります。
7. 大規模なメインで運用頻度の低い分離ポイントのコストを可能な限り低く抑える必要があります。 ゲート バルブは通常、DN150 を超えるサイズの同等のフルボア ボール バルブよりもコストが低く、作動が遅いため追加の保護装置なしでウォーター ハンマーを防ぐことができます。

デフォルトの推奨事項として、ボールバルブを指定します。 住宅配管、商業用 HVAC、産業用プロセス配管、ガス システム、化学薬品の取り扱いなど、ほとんどの用途において、ボール バルブの優れたシール性、動作の信頼性、自動化の容易さ、コンパクトなフォーム ファクターにより、たとえ初期購入コストが若干高くても、ゲート バルブよりも優れた長期的価値がもたらされます。