バタフライバルブシール：構造、材料、および用途分析

バタフライバルブは、コスト効率と迅速な作動性で広く評価されています。シール性能シールはバルブの信頼性と寿命に直接影響します。シールの設計は多岐にわたり、それぞれ特定の運転条件に合わせて設計されています。本稿では、シールの主要な構造、材料、およびその実用的な用途について考察します。

​1. コアシール構造と機能​

バタフライバルブシールは、シートリングそしてディスクエッジシール面大きく2つのタイプに分類されます。

• ​ソフトシール：​
  特集エラストマーシート（ゴム、PTFE）製のシールがバルブ本体またはディスクに取り付けられています。バルブを閉じると、ディスクの縁（通常は金属製）が柔らかいシートに押し込まれ、変形してしっかりと密閉されます。
  利点：シール応力が低く、漏れがほぼゼロ（クラスVIも可能）、低コスト、最小限のトルク。
  デメリット：耐熱性、耐圧性、耐薬品性に​​限界がある。浸食や粒子による損傷を受けやすい。頻繁な流量調整には適さない。
• ​金属製ハードシール（トリプルオフセット設計 – 図1）：​
  金属同士のシール（例：ステンレス鋼、合金）を利用する。主な設計要素：
  • ​第1オフセット:パイプライン中心からのステム軸のずれ。
  • ​2番目のオフセット:ステム軸がディスクシール面中心からずれている。
  • ​3番目のオフセット（クリティカル）：円錐角シール形状により、線状／小面積の接触が可能になります。
    利点：優れた耐熱性、耐圧性、耐侵食性、耐キャビテーション性。長寿命。再利用の可能性あり。
    デメリット：製造コストが高い。着座時の応力が高い。トルクが増加する。低圧漏れが発生する可能性がある（通常はクラスIV）。

​図1：トリプルオフセット金属シール構造​
（図解：円錐状の線接触により、動作中の滑り摩擦が解消される様子を示す）

​2. 主要性能比較​

​ソフトシールとハードシール：​

• ​温度：ソフトシールは-50℃～200℃の温度範囲で動作しますが（PTFE/ゴムの種類による）、メタルシールは-196℃～600℃以上の極端な温度に耐えることができます。
• ​圧力：ソフトシールはPN25以下（ANSI 150相当）に適しています。メタルシールはPN16～PN150（ANSI 900相当）に対応します。
• ​漏洩:ソフトシールは優れたほぼゼロの漏れ率（クラスVI）を実現します。メタルシールはクラスIV/Vに達し、高圧下ではさらに性能が向上します。
• ​メディア互換性：軟質シールは水、空気、中性流体に対して優れた性能を発揮します。金属シールは蒸気、炭化水素、スラリー、腐食性流体、高温ガスに耐えることができます。
• ​堅牢性：金属製シールは、粒子、浸食、摩耗に対する優れた耐性を備えています。一方、軟質シールは、摩耗性の高い環境や頻繁な流量調整が必要な環境では急速に劣化します。
• ​コストと運用：ソフトシールはコストが低く、必要なトルクも最小限で済みます。一方、メタルシールは初期投資とトルクは高くなりますが、過酷な条件下でも長寿命を実現します。
• ​アプリケーション:軟質シールは、空調設備、給水システム、低圧ガス設備で広く使用されています。金属シールは、精製、蒸気配管、化学処理、石油・ガス分野で不可欠です。

​3. ソフトシールシート素材​

材料選定が性能の限界を決定づける。

• ​NBR（ニトリルゴム）：油や炭化水素に対する耐性（-20℃～80℃）。用途：水、圧縮空気、石油系流体。
• ​EPDM（エチレンプロピレンジエン）：150℃以下の高温水/蒸気、オゾン、アルカリに耐性があります。用途：暖房システム、食品・飲料、湿潤空気。
• ​FKM（フッ素ゴムバイトン®）：油、燃料、酸、高温（-20℃～200℃）に対応します。用途：化学処理、燃料ライン、酸性媒体。
• ​PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）：化学的に不活性（-50℃～200℃）、低摩擦。用途：
  • ピュアシート：耐腐食性、適度な密閉性。
  • 強化シート（ガラス／グラファイト）：低温流動性が向上した。
  • 裏地付きシート（リップ/バブルチューブ）：弾性と耐薬品性を兼ね備えている。

​4. 金属シール材および処理方法​

性能は材料の組み合わせと表面処理技術に大きく左右される。

• ​材料戦略：​
  • 異なる材質を組み合わせることで、焼き付きを防ぐことができます（例：ステンレス鋼とステライト®）。
  • シート表面硬度＞ディスク表面硬度（約HRC 2～5）であるため、ディスクは交換可能です。
• ​表面強化：​
  • ​硬化肉盛：**ステライト6®（コバルト系、HRC 40-50）またはインコネル625®**（ニッケル基合金）オーバーレイは、摩耗や腐食に強い。過酷な使用環境における主要なソリューション。
  • ​表面硬化処理：火炎／プラズマ／レーザーによる硬化処理または窒化処理（HV 1000以上）は、耐摩耗性／耐かじり性を向上させます。
  • ​溶射：HVOF塗布WC（炭化タングステン）または酸化クロムコーティングにより、極めて高い表面耐久性が得られます。
• ​特殊合金：腐食性の高い環境で使用されるハステロイ®または二相ステンレス鋼（高コスト）。

​5．制限事項と選定基準​

​重要な考慮事項：​

• ​ソフトシール限界：永久圧縮永久歪み、化学的不適合性（膨潤／劣化）、低温流動／クリープ（PTFE／ゴム）、粒子損傷。
• ​ハードシール限界：低圧漏れの可能性、高コスト/高トルク。
• ​選考基準：媒体特性（温度、圧力、腐食性、固形分）、漏洩要件、ライフサイクル頻度、運転の厳しさ、および予算。

​結論：​
バタフライバルブの選択は、シール構造と材料の相乗効果.ソフトシール（EPDM/NBR/PTFE）は、コスト重視の低圧水/空気用途において優れた性能を発揮します。FKM製ソフトシールまたはPTFE複合材腐食性媒体に対処する。トリプルオフセット金属シールと共にステライト®/硬化表面蒸気、炭化水素、高温高圧、および侵食性流体には、これらのシールが必須です。ニッケル系材料は、過酷な条件下での使用に適しています。運転パラメータと材料特性の厳密な評価が不可欠です。シール仕様を見落とすと、漏洩、早期故障、および高額なダウンタイムのリスクが生じます。