500KND型(島津製作所製)によって圧縮し、ボンベより供給される窒素ガスの漏洩量を測定した。ハイグレードマスフローメーターMODEL3100(コフロック社製)を用いた。ボンベに付属したレギュレーターによって容器内圧を一定とすると、ガスケットから漏洩した同量のガスがボンベから供給されることとなり、この供給量をマスフローメーターによって測定することで、ガスケット漏洩量が測定できる。ここでは、漏洩量検出感度は5×10-5Pa・m3/sとなっている。温度条件は室温と200°Cとしている。200°Cでの測定では、圧縮負荷の前にあらかじめガスケットを挟み込んだフランジをバンドヒーターによって加熱し、フランジに設置した熱電対と加熱制御装置によって温度を制御した。ガスケット応力を減少させていき、その際のシール性を評価した。除荷過程において漏洩量が増加し、シール基準を超えない最小応力をシール限界応力とした。ここでは、シール基準を1.7×10-4Pa・m3/s(10分間に1mm3の漏洩量)とする。図3にシール性評価結果を示す。この結果より、室温に比べて200°Cのほうが漏洩量は少なく、シール性が高いことがわかる。これは、高温になることでガスケット表面が軟化し、フランジ面とのなじみが向上したためだと考える。室温時では初期ガスケット応力が高いほどシール性は高いのに対し、200°Cの場合では初期ガスケット応力による違いはほとんど見られない。これも、ガスケット軟化によるなじみ向上に起因しており、初期ガスケット応力の影響が小さくなったと考えられる。200°C条件でシール基準を1.7×10-4Pa・m3/sとした場合、シール限界応力は約2.5MPaとなる。締結体において、ガスケットはフランジ、ボルトに比べて極端に剛性が低いため、ガスケット特性が締結体全体に及ぼす影響が大きいことは知られており、精度良くガスケット特性を考慮することが精度良い締結体評価につながる。本章ではガスケット特性について記述する。図4は温度が室温、50、100、200°Cの場合のガスケットの応力-ひずみ関係を表している。ガスケットは温度が高くなるほど剛性が低下するという温度依存性を有することがわかる。そのため、負荷挙動についてはこの温度依存性を考慮し、除荷挙動はヤング率を1GPaで一定として有限要素解析に入力した。図5、6にはガスケットの線膨張係数および比熱の値を示している。両方の挙動とも温度依存性を有しており、解析においても考慮した。図7はGF300ガスケット(3.0t)を200°C温度条件下で12.5、25.0、35.0MPaで圧縮した場合のクリープ特性を示している。実験から得られた結果をばねとダッシュポッドを用いた三要素粘弾性モデルにモデリングし、応力依存性を考慮した式(1)で同定した。同図には同定した結果も併記している。同定式は実験結果と比較的よく一致しており、同定式の妥当性が確認できる。有限要素解析にはこの同定式を入力して用いる。同定式は応力依存性を考慮しており、実験で検討していない応力段階も補完することができる。[MPa]、t:時間[s]、A,n,m:実験から得られる定数であり、最小二乗近似により以下の値を特定した。コードABAQUSを用い、締結体におけるガスケット応力挙動をシミュレートした。管フランジ締結体の有限要素モデルを図8に示す。締結体の主な条件は表1に示す。締結体を軸対称体と仮定し、また軸方向の対称性も考慮している。ボルトは周方向に連続的に存在するモデルとなり、実機と異なるため、ボルトモデルのヤング率と密度は実機とモデルの断面積の割合から換算した値を用いている。フランジ、ボルトは軸対称4節点伝熱弾性要素を用い、線形弾性体としてモデル化した。用いた材料特性を表2に示す。ガスケットの圧縮特性は図4を用い、線膨張係数は図5、比熱は図6に示す特性を用いた。図9の境界条件に示すように、締付け時には呼びガスケット応力に相当するボルト応力をボルトモデル下端部に与え、締付け完了時には軸方向に拘束する。ここでは軸対称モデルを用いているため、複数のボルトを同時に締付ける条件となる。運転時の内部流体の影響は、管内径部に内圧と温度を与えることで再現している。締付け時には静的問題として扱い、締付け後の運転時には非定常問題として扱い、運転開始による加熱、時間の影響を考慮した評価を行った。締結体の使用条件として、フランジおよびボルト材料はSS400、ガスケットはGF300とする。呼びガスケット応力を35MPaとし、温度200°C、内圧1MPaの流体を作動させる場合を検討する。運転開始後に外力のないものを基本条件とした。基本条件では締付け後、運転開始による内部流体の加熱と内圧が作用され、温度が一定となった後は外力がない条件としている。加えて、外力がある3条件でそれぞれ解析した。運転サイクル条件では1年毎に内部流体による内圧と温度の作用を停止し、1日後に再運転するという作業を想定した。増し締め条件は運転開始1日後に初期ガスケット応力に相当する締付けを行うことを想定した。別途、高温用ひずみゲージを貼り付けたボルトを有する実験用締結体装置を200°Cまで加熱した際のボルト軸力測定を1500時間行っている。その際の実験結果と解析結果がよく一致していることからガスケット締結体の解析手法妥当性を確認できている。10に有限要素解析から得られたガスケット応力挙動を示す。図は見やすくするためにデータを0.03年ずつ横軸方向にずらして記載している。基本条件、増し締め条件ではガスケット応力は十分な大きさを維持するが、運転サイクル条件では運転停止時にガスケット応力は大きく低下することがわかる。運転サイクル条件でも増し締めを行った場合は運転停止時にも大きなガスケット応力を維持する結果となった。基本条件の場合、初期に35MPaから約23MPaまで応力は大きく低下し、その後は緩やかに低下していることがわかる。解析結果から考察した結果、初期の大きな応力低下は運転開始直後の温度変化(昇温)時に生じたものとわかった。初期にガスケットクリープが顕著であることに加え、温度変化時には各部材の熱膨張、ガスケットの剛性低下の影響がある。剛性低下によって、ガスケット厚さは小さくなり応力は大きく低下する。ガスケットひずみが大きくなることでボルト締結力が低下する現象を図11の締結線図に示す。ガスケットひずみが増加することで、延伸されていたボルトが収縮し、締結力が低下する。ガスケットクリープによる締結力低下も同様の現象である。温度安定後はガスケットクリープによる影響だけとなり、応力低下は緩やかになる。増し締め条件の場合、増し締め後の応力低下勾配は基本条件に比べて若干大きいものの、基本条件よりも大きな応力を保持し続ける。増し締め後は温度変化がなく、ガスケットクリープによる影響だけを受けるため、初期締付け時のような大きな応力低下がない。基本条件に比べて低下勾配が大きいのはガスケットクリープに応力依存性があり、応力が大きいほうがクリープは顕著であるためである。運転サイクル条件の場合、運転停止-再運転時に応力が大きく低下していることがわかる。運転停止時に温度が低下することで各部材が熱収縮を起こす。ガスケットは高温時の軟化によって大きく圧縮塑性変形している上にさら熱収縮する。その際に、延伸されていたボルトは収縮するため締結力が低下し、ガスケット応力も大きく低下する。再運転時、再び加熱されることで各部材は膨張し、運転停止前よりも小さい値で応力挙動は安定する。図10より、サイクル毎に応力も低下していることもわかる。ガスケット応力保持が改善できている。以上の結果より、運転開始直後や運転サイクル時の温度変化時に締結体におけるガスケット応力の変動が大きいことがわかった。増し締めによってガスケット応力を増加させ、漏洩時期を延長できることがわかった。長期特性予測2~6頁において、ガスケットのシール限界応力は2.5MPaであること、締結体におけるガスケット応力挙動の再現が可能であることを示した。これらを用いた長期特性予測手法によって、締結体の漏洩時期の予測が可能となる。増し締めを行った運転サイクル条件では大幅な応力低下時にも約10MPa程度を保持しており、漏洩のおそれはなくなることがわかる。もちいることで、ガスケット漏洩時期の予測だけではなく、漏洩時期延長の検討も可能となる。締め時期などの検討も可能である。本研究では、ガスケットをGF300、使用温度を200°Cとした場合の締結体の長期特性予測手法の構築を行った。系ガスケットは耐熱性、耐薬品性が高い反面、応力低下が大きいという問題は周知の事実であったがその現象は不明瞭であった。温度、時間の非定常状態を考慮した本研究によって、締結体の挙動を明確にしたと考える。この手法を用いて漏洩時期の予測を行い、ユーザーには漏洩事故の防止や効率的なメンテナンス方法の提案ができると考える。加えて、増し締め、初期締付け力の変更、締結体材料の変更などの改善方法の推奨も行うことができる。評価には実際に試験を行うことに比べて簡便であると考える。け力や内圧などの締結体条件の変更が容易であり、さまざまなユーザー使用条件に対応可能であると考える。今後、実機フランジとの比較評価を行い、予測精度の検証を行う予定である。他のガスケット、他の温度条件への適用が課題にあげられる。この手法は特許出願中である。9.おわりに除荷過程における高温ガスケットシール特性評価試験と温度および時間に依存したガスケットの材料特性を考慮した長期的なボルト締結体の有限要素解析を行うことにより、以下の結論を得た。・高温条件におけるガスケットシール性評価試験を行い、200°C条件におけるGF300ガスケットのシール限界応力は約2.5MPaであることを確認した。・温度および時間を考慮した有限要素解析によってガスケット締結体のガスケット応力挙動を評価した。よるガスケット応力挙動評価によって、ガスケット締結体の長期特性予測手法を構築した。よって、漏洩時期の予測、ガスケット応力保持方法の検討手法を提案した。准教授(京都工芸繊維大学)に感謝いたします。A編、第68巻、625号。C編、第71巻、702号。