高圧バルブの完全ガイド: 材料、クラス、および故障の防止

高圧バルブ 通常、圧力で流体またはガスの流れを安全に制御するように設計されたバルブです 100バール (1,450 psi) 以上 、最大定格の特殊なデザインを備えています。 15,000 psi (1,034 バール) 深井戸の石油とガス、油圧システム、超臨界流体処理などの用途では、それ以上の性能を備えています。正しいバルブを選択するには、圧力クラス、本体材質、シートの設計をシステムの最大許容作動圧力 (MAWP)、温度範囲、流体の腐食性または浸食性特性に適合させる必要があります。これらのいずれかが間違っていると、高圧システムにおける早期バルブ故障や計画外停止の主な原因となります。

高圧バルブとしての資格があるもの

「高圧」の業界分類は分野によって異なりますが、ほとんどの工学規格では ASME B16.34 の圧力クラスを使用して線を引いています。バルブの定格 クラス600以上 一般に高圧とみなされ、クラス 900、1500、2500 は最も要求の厳しい石油とガス、発電、石油化学用途で使用されます。クラス 2500 では、バルブは約 420 バール (6,090 psi) 炭素鋼ボディの場合、定格がわずか 20 bar (290 psi) の標準クラス 150 バルブとは根本的に異なるエンジニアリングの課題です。

この圧力差があらゆる主要な設計上の決定を左右します。壁の厚さは大幅に増加し、ボルト締めパターンの数と必要なトルクは倍増します。また、シートとシールの材料は、低圧力では重要ではない荷重下での押し出しに耐える必要があります。

一般的なタイプの高圧バルブ

ゲートバルブ

ゲート バルブは、スライド ゲートを使用して流れを完全に開閉し、開いたときの圧力降下を最小限に抑え、流路が真っ直ぐになります。高圧パイプライン絶縁サービスで広く使用されており、最大で利用可能です。 クラス 2500 (420 バール) 鍛造鋼構造ですが、スロットル用に設計されていません。部分的に開くとシートの浸食が大幅に加速されます。

グローブバルブ

グローブ バルブは、優れた絞り制御と確実な遮断を実現するプラグアンドシート機構を使用しているため、隔離だけでなく流量調整が必要な高圧蒸気およびプロセス制御用途に最適です。 S 字型の流路により、ゲート バルブよりも高い圧力損失が発生しますが、正確で再現性のある流量調整が可能です。

ボールバルブ

高圧ボールバルブは、ボア通路を備えた回転ボールを使用しており、4分の1回転で動作し、優れたシール信頼性を実現します。トラニオン取り付けボールバルブ設計は、上記の高圧パイプラインサービスの標準です クラス900 、トラニオンベアリングがシート圧力に関係なくボールを支持するため、極度の圧力での作動トルクとシート摩耗が軽減されます。

逆止弁

逆止弁は、バネ仕掛けまたは重力で作動するディスクまたはピストンを使用して、逆流を自動的に防ぎます。高圧サービスでは、ピストンのガイドされた動きが圧力を超えるとスラミングやその結果生じるウォーターハンマー効果に抵抗するため、スイングチェック設計よりもピストン型チェックバルブが好まれます。 100 bar .

ニードルバルブ

ニードルバルブは、先細の細いプランジャーを使用して、最大で動作する計装およびサンプリングシステムで一般的な小口径ラインでの非常に細かい流量制御を提供します。 15,000 psi (1,034 バール) 。長いネジ付きステムにより、大型のバルブ タイプでは実現できない流量の正確な微調整が可能になります。

圧力クラスのリファレンスと代表的なアプリケーション

高圧用途向けの材料の選択

本体の材質は、圧力定格とプロセス流体の化学的または熱的特性の両方に耐える必要があります。不適切な材料の選択は、使用中のバルブの故障の最も一般的な原因の 1 つです。

鍛造炭素鋼と合金鋼

クラス 600 を超えるバルブでは鍛造構造 (鋳造ではなく) が標準となっています。これは、鍛造により気孔が排除され、圧力保持境界での高応力集中に耐えられるより均一な結晶粒構造が得られるためです。一般的な合金には次のものがあります。 A105炭素鋼 一般的なサービスと A182 F11/F22 クロモリ鋼 600℃までの高温サービスに対応。

ステンレスおよび二相ステンレス鋼

腐食性媒体用 - 酸性ガス、海水噴射、または化学処理 - 316/316L ステンレス鋼 または 二相ステンレス鋼 (UNS S31803) 塩化物応力腐食割れに対して優れた耐性を発揮します。デュプレックスグレードは大まかに提供します 降伏強度が2倍 標準の 316L と同等の圧力定格で、より薄肉で軽量なバルブ本体が可能になります。

シートとシールの材質

PTFE または PEEK を使用したソフトシートは、中程度の高圧で気泡を通さない遮断を提供しますが、上方に押し出される傾向があります。 4,000 ～ 5,000 psi 適切なはみ出し防止バックアップ リングがないと、金属シート（通常はタングステンカーバイドまたはステライトオーバーレイで表面硬化）は、最も極端な圧力と温度の組み合わせに必要であり、機械的耐久性のために遮断気密性がある程度犠牲になります。

安全性と信頼性に影響を与える重要な設計機能

• ボルト締めボンネット設計: 高圧バルブには、内圧とボルトの予圧応力の両方に耐えられるボンネット ジョイントが必要です。圧力シールボンネットの設計はクラス 1500 以上の標準であり、圧力が増加すると内部圧力自体を利用してシールを強化します。
• ステムパッキンシステム: グラファイトまたは PTFE パッキン リングの複数のセットは、多くの場合、ライブロードされたスプリング パックを使用して、熱サイクルを通じてシールの完全性を維持します。これは、3,000 psi での単一のパッキン破損が高速流体ジェットを生成する可能性があるため、非常に重要です。
• 防火認定: 炭化水素サービスで使用されるバルブは次のことを行う必要があります。 API 607 または API 6FA 耐火認証 、一次ソフトシールが火災により破壊された後でも、バルブが許容可能なシール性能を維持することを保証します。
• 静電気防止設計: ボールおよびプラグバルブには、可燃性の使用における静電気放電の発火リスクを防ぐために、ボール/ステムと本体の間にバネ仕掛けの電気的接合経路が含まれている必要があります。
• ダブルブロックとブリード (DBB): 多くの高圧絶縁アプリケーションには DBB バルブが必要です。DBB バルブは、間にベントポートを備えた 2 つの独立したシール面を提供し、ラインからバルブを取り外すことなくシールの完全性を検証できます。

高圧バルブの設計に適用される関連規格

認知された規格に準拠することで、メーカー全体で一貫した設計マージンとテストの厳格さが確保されます。

• ASME B16.34: フランジ付きバルブ、ねじ付きバルブ、溶接バルブの圧力温度定格、材質、寸法を定義します。
• API 6A: 坑口およびクリスマスツリー機器の仕様。石油およびガス坑口用途向けに定格 20,000 psi までのバルブをカバーします。
• API 600/602/608: スチール製ゲート バルブ、コンパクトなスチール製ゲート バルブ、および金属製ボール バルブをそれぞれカバーし、構造とテストの要件を指定します。
• API 598: 必要なシェル、シート、バックシートのテスト圧力と期間を定義する、バルブの検査とテストの規格 (通常、最低時間保持) 公称パイプサイズ 1 インチあたり 1 分 、最低 2 分です)。

検査、試験、保守の実践

高圧バルブは、検出されない劣化の余地がほとんどない状態で動作するため、構造化された検査プログラムが不可欠です。

1. シェルとシートの圧力テスト: API 598 に従って、シェル テストは通常、次の場所で実施されます。 1.5×バルブの定格冷間加工圧力 一方、シートテストでは、バルブクラスで指定された許容漏れ率で定格圧力での遮断の完全性を確認します。
2. ステムパッキン検査： サービスの重大度によって定義された間隔 (通常は 1 回ごと) でステムの外部漏れをチェックします。 3～6ヶ月 パッキンの交換を事後対応ではなく事前に計画して、継続的なハイサイクル サービスに対応します。
3. ボルトトルクの検証： ボンネットとフランジのボルト締めは、取り付け後の最初の熱サイクル後に指定されたトルク値に対してチェックする必要があります。これは、ガスケットの初期クリープによって予荷重が減少する可能性があるためです。 10～15% .
4. 内部検査 (ターンアラウンド間隔): 計画されたプラントの修理中に、重要な隔離バルブを分解して、シート、トリム、ボディキャビティに浸食、腐食孔食、かじりなどがないか検査します。
5. アクチュエータと作動トルクのチェック: モーターまたは空気圧で作動する高圧バルブの場合、アクチュエーターの出力トルクがバルブの必要な操作トルクを依然として超えていることを確認します。このトルクは、シートの磨耗や破片の侵入により時間の経過とともに増加する可能性があります。

文書化された規格に基づいた検査プログラムは、高圧バルブに関連する壊滅的な故障モードに対する最も効果的な保護手段です。この場合、たとえ小さな未検出の欠陥でも、蓄積されたエネルギーが放出され、重大な機器の損傷や人身傷害を引き起こす可能性があります。