ボールバルブシート設計解説：ソフトシートとメタルシート

ボールバルブシートの基本を理解する

ボールバルブバルブは、パイプライン内の流体通路を開閉するために設計された重要な流体制御装置です。その基本的な機能は、穴の開いた回転するボールに基づいています。ステムを介して加えられるトルク（通常は90度回転）によってこのボールが回転し、流体の流れを制御または遮断します。ただし、シール性能は基本的にバルブシートの設計によって決まります。

座席のデザインは、ボールの動きに基づいて主に2つのカテゴリーに分類されます。

1. フローティングボール付き固定シート：流体圧力によってボールが下流側に押し出され、下流側のシートにしっかりと押し付けられることで、一方向のシールが形成される。

2. 固定ボール付きフローティングシート：ボールは静止したままです。シール圧力は、スプリングまたは流体圧力によってシートがボールに押し付けられ、必要なシール比圧力が確立されることによって発生します。

ソフトシートボールバルブシート

ソフトシートは、気密性を高めるためにエラストマーまたはポリマー素材を使用しており、優れた遮断性能を発揮しますが、金属製のシートに比べて温度や圧力に制限があります。

1. 標準タイプ

標準的な軟質シート（図1）は、予圧または流体圧力によってボールに押し付けられた際にシート材が弾塑性変形することでシール効果を発揮します。効果的なシール効果は、圧力下でボールの真円度のずれや表面の微細な凹凸をシート材が補正できるかどうかにかかっています。シートとボールの間に十分なシール圧力を維持することが極めて重要です。

2. 伸縮性タイプ

弾性シート（図2）は、金属製スプリングケージやコイルばねなどの柔軟な要素を組み込んでいます。これらの要素により、シートは予圧や流体圧力によって弾性変形することができます。この設計により、温度変化、圧力変化、摩耗によってシールに生じる影響を効果的に補償します。

（a）シングルベベルタイプ

（b）ダブルベベルデュアルラインタイプ

（c）Vライン自己密封型

（d）特殊タイプ

3. スプリング組立式

基本原理（図3）は、バルブチャンネルの周囲に圧縮スプリングを均等に配置するか、または単一のディスクスプリングを使用することです。この配置により連続的な推力が加わり、シートがボールに対して一定の圧力を維持し、確実な予圧シールを実現します。

（a）圧縮ばねタイプ

（b）ディスクスプリングタイプ

4. ピストン式シート

ピストンシート（図4）は、入口側の媒体圧力を利用してシール力を発生させます。この圧力によってピストン状のシートがボールに押し付けられ、シールリングに弾塑性変形が生じて密閉状態が実現します。

（a）ブロック＆ブリードシート（​​ダブルブロック＆ブリード – DBB）：独自の安全設計を採用しています。キャビティ内の圧力が下流側の圧力を超えると、外向きの力がスプリングの抵抗に打ち勝ち、シートがボールから分離します。これにより、キャビティ内の過圧が下流側に排出されます。圧力が均等になると、スプリングの力でバルブが再び着座します。

（b）ダブルムーブメントシート：キャビティ内圧が出口圧を超えると作動します。シートの圧縮力により、シールリングに弾塑性変形が生じます。この設計により自動補償機能が備わっており、上流側のシールが破損した場合、下流側のシートが直ちに作動します。

（c）二段階シールシート：高いシール負荷に対応するように設計されています。ゴム（一次シール）とプラスチック（支持部および二次シール）を組み合わせた複合構造により、信頼性と耐久性が向上しています。

5. 特殊構造の座席

このカテゴリーには、特定のニーズや状況に合わせてカスタマイズされた、さまざまなユニークなデザインが含まれます。

（a）内部／外部調整可能なシート

（b）蛇腹座

（c）グリース注入シート

（d）複動席

（e）複合座席

・内部調整可能なシート：シートとボール間のシール圧を内部調整ナットで調整することで、外部からの漏れ箇所がないという利点があります。

・外部調整可能なシート：外部のねじ込みプラグを使用してウェッジを押し込み、伸縮スリーブを移動させることで、シートとボール間のシール圧力を調整します。

・ベローズシート：通常はシートとガイドスリーブに溶接（電子ビーム溶接またはTIG溶接）されます。設計上、シートシール中心がベローズの平均直径よりも小さくなるようにする必要があります。これにより、確実なシール性、広い弾性補償範囲、および3次元的な柔軟性が実現します。

・グリース注入シート：シール性能の向上、摩擦・摩耗の低減、耐用年数の延長、シートの破損・火災事故の防止を目的としています。グリース注入ポートを備えています。注：グリース注入は主に補助的なものであり、すべての場合に適用されるわけではありません。
複動式シート：チャンバー「N」に制御圧力がかかると、シートがボールに押し付けられてシールします。チャンバー「M」に圧力がかかり、「N」がベントすると、シートが後退し、接触、摩耗、摩擦、および作動トルクを最小限に抑えます。高圧／中圧、大口径ボールバルブに最適です。

• 組み合わせ座席：スプリング式シート（一次シール）とピストン式シート（制御圧力が加えられた際に補助シールとして機能する）を一体化している。

金属シートボールバルブシート

金属シールボールバルブのシートは、金属または複合材料を使用することで、優れた耐熱性、耐圧性、耐摩耗性、耐腐食性を実現しています。ソフトシールに比べて漏れ率が高くなる場合もありますが、過酷な使用環境には不可欠です。

1. ベースメタルシート

金属基板上に溶接によって硬質合金（例えば、ステライト、炭化タングステン）の層を堆積させることで製造される（図6）。弾性テールシートを組み込むことで、運転中のシール面の摩擦と損傷を大幅に低減する。

2. 多層シールシート

複数のステンレス鋼板と薄い黒鉛板を交互に重ね合わせ、特殊な加工を施してロール圧縮することで作製される（図7）。この独自の構造により、高温高圧下でも優れた性能を発揮する。

3. 中空管シールシート

ステンレス鋼製のチューブコアを備えた内側および外側のブッシングを備えています（図8）。シールは、中空チューブの変形によって発生する弾性力によってシートがボールにしっかりと押し付けられることを利用しています。

4. 回転シート

バルブ作動中にシートが流路軸を中心に回転する独自の設計（図9）を採用しています。シートの周囲に均等に配置された歯により、ボールが閉じるたびにシートが少しずつ（歯1つ分ずつ）回転します。これにより、円周方向の摩耗が均一になり、性能が最適化され、耐用年数が延長されます。

致命的バルブシート材

特殊高分子材料

規定の温度・圧力範囲内において、優れた密閉性、低摩擦性、耐薬品性を発揮します。

・PTFE（ポリテトラフルオロエチレン – F4）：優れた耐熱・耐寒性（-250℃～+260℃）、非粘着性、低摩擦性（μ～0.05）、および化学的不活性（強酸、アルカリ、酸化剤に耐性）で知られています。約5MPaの荷重に対応します。

・PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン – F3）：高強度、高硬度、寸法安定性を備え、冷間流動性はありません。使用温度範囲は-195℃～+120℃です。高温無機酸、低温塩溶液／酸化剤、および室温におけるほとんどの有機物に対して耐性があります。

• FEP（パーフルオロエチレンプロピレン – F46）：幅広い温度範囲（-85℃～+205℃）とPTFEに匹敵する化学的安定性（酸、アルカリ、アルコール、ケトンに対する耐性）を兼ね備えています。密度、熱伝導率、膨張率は中程度です。

・ポリアミド（ナイロン1010 – N1010）：室温で高い引張強度、耐衝撃性、耐摩耗性、自己潤滑性を備えています。摩擦係数は低く（μ～0.03）、密度は約1.5g/cm³です。弱酸・弱アルカリ、一般的な溶剤、油類に耐性があります。

• PPL（パラポリフェニレン）：耐高温性、耐薬品性、自己潤滑性に優れています。密度は約2g/cm³、膨張率は約5.1×10⁻⁵/℃、硬度は約80HSです。硫酸、HF、強アルカリに耐性があります。耐放射線性にも優れ、摩擦係数は約0.13です。

・PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）：熱硬化性樹脂のような耐熱性・耐薬品性と熱可塑性樹脂のような加工性を兼ね備えています。240℃以上（ガラス繊維強化樹脂の場合は300℃以上）での連続使用が可能。ほとんどの無機溶剤や200～260℃の蒸気への長期暴露にも耐性があります。

・PI（ポリイミド）：長期間の空気使用に適した高性能耐熱プラスチック（-240℃～+260℃）。優れた電気絶縁性、耐摩耗性、耐放射線性、および機械的特性を備えています。室温で希酸／有機溶剤に耐性があります。強酸化剤／強酸、および長時間の水浸漬は避けてください。

金属シール材

極限条件下での使用を想定して選定：高硬度、面間の適切な硬度差、表面硬化による耐摩耗性の向上。

・クロム系硬質合金（例：ステライト）

・コバルト系硬質合金（例：トライバロイ）

・ニッケル合金（例：インコネル、ハステロイ）

・炭化タングステン（WC）

・ステンレス鋼（例：316、17-4PH、440C – 多くの場合、焼き入れ処理済み）（比較については表1を参照）

結論：ボールバルブのシートとシールに関する重要なポイント

・シールリング：高い安定性、低い摩擦係数、優れた耐老化性、そして卓越したシール性能を備えている必要がある。

・バルブシート：十分な強度と剛性が求められる。圧力下で形状を維持するためには、クリアランス設計が極めて重要である。変形に耐えなければならない。

・金属製シート：極限環境（高温、高圧、強い腐食、極低温）において卓越した性能を発揮する必要があります。重要な要件には、ほぼゼロの漏洩、長い耐用年数、防火安全認証（API 607/6FA）、そして優れた耐圧性・耐摩耗性を備えています。

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