フランジ用ガスケットの選び方
作成日 09.26
パイプラインシステムおよび設備接続において、フランジガスケットはシーリング性能を確保するためのコアコンポーネントです。これらの選定の合理性は、システム運用の安全性、安定性、経済性に直接影響します。不適切なガスケットの選定は、媒体の漏れ、設備の腐食、エネルギーの浪費、さらには火災や爆発などの深刻な安全事故を引き起こす可能性があります。フランジガスケット選定のためのコアな考慮事項から出発し、本記事では、運転圧力と温度、化学的適合性、フランジ表面状態、ボルト荷重という4つの重要な次元を分解することによって、科学的な選定方法を詳述し、エンジニアおよび技術者に実践的なガイダンスを提供します。
I. フランジガスケット選定の核心的考慮事項
フランジガスケットの選定は、「適応性、安定性、安全性」の3つの原則に従わなければなりません。正式な選定の前に、以下の4つの基本的な前提条件に焦点を当て、初期の見落としによる選定の偏りを避ける必要があります：
1、媒体の特性を明確にすることを優先する：まず、フランジが伝達または接触する媒体の種類（例：気体、液体、蒸気、腐食性流体）、濃度、純度、および粒子状不純物を含んでいるかどうかを確認する必要があります。例えば、強酸を伝達するフランジは、普通の水を伝達するフランジとは異なり、ガスケットの耐腐食性に対する要求が大きく異なります。媒体の特性を無視すると、他のパラメータが一致していても、ガスケットの故障が迅速に発生します。
2、システムの運転境界条件を固定する：フランジが位置するシステムの定格運転圧力、瞬時最大圧力、長期運転温度、極端な温度変動範囲を取得し、設計された名目値を単に参照するのではなく、実際の値を確認する必要があります。例えば、高温蒸気パイプラインは「突然の温度上昇と下降」条件を経験する可能性があり、ガスケットは高温安定性と熱衝撃抵抗の両方を満たす必要があります。
3、フランジとボルトの基本パラメータを一致させる：フランジの種類（例：スリップオンフランジ、溶接ネックフランジ、ソケット溶接フランジ）、シーリング面の形状（例：フラットフェイス、レイズドフェイス、オス-メスフェイス、トング-グルーブフェイス）、およびボルトの材料、仕様、予締めトルク要件を確認します。異なるシーリング面の形状は、異なる構造のガスケットに対応します（例：トング-グルーブフェイスには位置決めリングのないガスケットが必要です）、ボルトの荷重はガスケットの圧縮量とシーリング効果に直接影響します。
4、業界および安全基準に準拠する：選択したガスケットが関連する業界仕様（例：石油化学産業のためのGB/T 9126、化学産業のためのHG/T 20606、国際基準のためのASME B16.20）を満たしていることを確認する。特に、可燃性、爆発性、有毒、または有害な媒体が関与するシナリオでは、ガスケットはシーリングテストおよび安全認証に合格し、基準に準拠しないことによる潜在的なリスクを回避する必要がある。
II. フランジガスケットの科学的選択方法：4つの主要寸法の内訳
フランジガスケットの選定は「作業条件への適応」を中心に行うべきです。運転圧力と温度、化学的適合性、フランジ表面状態、ボルト荷重を一つずつ分析することで、正確なマッチングが実現できます。
(1) ステップ 1: 動作圧力と温度に基づいてガスケット材料の一般的なカテゴリを決定します
運転圧力と温度は、ガスケット材料を決定する核心要因であり、これらはガスケット選定の「基本的な境界」を形成します。異なる材料のガスケットは、圧力-温度（P-T）範囲内での許容差において大きな違いがあり、厳密なマッチングが必要です：
1、低圧・低温条件
（圧力 ≤ 1.6MPa、温度 ≤ 100℃）：
水、空気、低圧蒸気などのメディアを伝達するシナリオに適しています。非金属ガスケットが推奨されており、天然ゴムガスケット（優れた弾力性、低コスト）、ニトリルゴムガスケット（天然ゴムよりも優れた耐油性）、およびアスベストゴムガスケット（徐々に制限されており、アスベストフリーの繊維ガスケットが代替品として使用されます）を含みます。これらのガスケットは取り付けが簡単ですが、老化や硬化を引き起こす可能性があるため、温度の上限を超えないように注意する必要があります。
2、 中圧・中温条件
（圧力：1.6-10MPa、温度：100-350℃）：
適用於石油化工和化學工業的工藝管道。建議使用半金屬墊片，例如金屬包覆墊片（金屬外殼 + 非金屬核心材料，具有良好的密封性能和耐高溫性）和螺旋縫合墊片（用金屬條和非金屬條繞製而成，具有優秀的壓縮性和彈性，使其成為中壓條件下的“通用選擇”）。注意：螺旋縫合墊片中金屬條的材料（例如，304不銹鋼，316L不銹鋼）應根據介質的腐蝕性進一步確認。
3、 高圧・高温条件
（圧力 ≥ 10MPa、温度 ≥ 350℃）：
高圧蒸気パイプライン、水素化反応器、高温熱交換器などに適しています。金属製ガスケットが必要であり、金属鋸歯状ガスケット（鋸歯圧縮によるシールを実現し、オス・メス面フランジに適しています）や金属リングガスケット（例：八角形、楕円形ガスケット、舌と溝の面フランジに適しており、非常に強力なシール性能を持っていますが、フランジシール面の精度に対する要求が高い）があります。金属製ガスケットはフランジ材料（例：炭素鋼フランジには炭素鋼ガスケット、ステンレス鋼フランジにはステンレス鋼ガスケット）と一致させる必要があり、電気化学的腐食を避けるためです。
重要なメモ:
- 「圧力と温度の相乗効果」は同時に考慮する必要があります。例えば、あるガスケットは2MPaの圧力下で300℃に耐えることができますが、5MPaでは250℃にしか耐えられないかもしれません。ガスケットメーカーが提供する「P-T曲線」を参照すべきであり、単一のパラメータに基づいて判断すべきではありません。
- 極端な温度変動（例：突然の温度低下 ≥ 100℃）があるシナリオでは、優れた熱衝撃抵抗を持つ材料を選択する必要があります。例えば、柔軟なグラファイトスパイラル巻きガスケット（グラファイトは高温耐性があり、熱膨張係数が低い）を使用することで、熱膨張と収縮によるガスケットのシール失敗を防ぐことができます。
(2) ステップ2: 化学的適合性検証を通じて不適切な材料を排除する
化学的適合性は、ガスケットの長期的な安定運用を確保するために重要です。ガスケットが媒体と化学的に反応する場合（例えば、腐食、膨張、劣化）、それはガスケットのシーリング性能を低下させるだけでなく、媒体を汚染したり、有害な物質を生成する可能性があります。検証方法は以下の通りです：
1、媒体の「腐食因子」を明確にする：
まず、媒体の化学的特性を分析します：それが酸性（例：塩酸、硫酸）、アルカリ性（例：水酸化ナトリウム、アンモニア水）、酸化性（例：硝酸、塩素ガス）、還元性（例：硫化水素、水素）であるか、または溶剤（例：メタノール、エタノール）や油（例：原油、潤滑油）を含んでいるかどうかを確認します。例えば：酸性媒体には普通の炭素鋼製ガスケット（腐食しやすい）は避けるべきで、316Lステンレス鋼やハステロイなどの耐腐食性材料を選択する必要があります；油性媒体には天然ゴム製ガスケット（膨張しやすい）は避けるべきで、ニトリルゴムやフッ素ゴム製ガスケットを選ぶべきです。
2、"互換性チャート"および実験データを参照してください:
ガスケットメーカーは通常、「材料-媒体互換性チャート」を提供しており、特定の媒体における異なる材料の耐性レベル（例：「優れた、良好、悪い」）を示しています。特別な媒体（例：高腐食性、高純度媒体）については、メーカーから第三者の互換性試験報告書を要求するか、小規模な模擬作業条件テストを実施してください（例：浸漬試験：ガスケットサンプルを媒体に浸し、72時間後に重量変化、変形、溶解などがあるかどうかを観察します）。
3、"隠れた化学反応"に注意してください：
一部のメディアは、高温および高圧下でガスケット材料と分解または「隠れ反応」を起こす可能性があります。例えば：高温の水蒸気は、いくつかの非金属ガスケットの添加剤と反応して不純物を生成することがあります。したがって、室温で互換性があっても、高温および高圧下での安定性は依然として確認する必要があります。
(3) ステップ3: フランジの表面状態を評価し、ガスケットの構造と圧縮性を一致させる
フランジシール面の平坦度、粗さ、および損傷状態は、ガスケットの圧縮および適合効果に直接影響します。ガスケット材料が適切であっても、フランジ面に傷、へこみ、または不均一な粗さがある場合、漏れが発生します。以下の3点に注目する必要があります：
1、フランジ表面粗さ (Ra):
異なる種類のガスケットは、粗さに対して異なる要求があります：
- 非金属 ガスケット（例：ゴム、アスベストフリーガスケット）：フランジ面は比較的滑らかである必要があり、粗さはRa ≤ 3.2μmでなければなりません（粗い表面がガスケットを傷つけたり、過剰な隙間による漏れを引き起こすのを防ぐため）。
- 半金属 ガスケット（例：スパイラルワウンドガスケット）：中程度の粗さが必要で、Ra = 1.6-6.3μm（過度に滑らかな表面はガスケットが滑る原因となり、過度に粗い表面はガスケットの表面シーリング層を損傷する可能性があります）。
- フルメタリック ガスケット（例：ギザギザ、リングガスケット）：フランジ面は高精度の加工が必要で、粗さはRa ≤ 1.6μm（金属同士の密着を確保し、表面の不均一によるシール失敗を避けるため）。
フランジの表面粗さが不一致の場合、研削が必要です（非金属ガスケットに適合するフランジは細かいサンドペーパーで研削する必要があり、全金属ガスケットに適合するフランジは精密研削機で処理する必要があります）。
1、フランジ表面の損傷の検査:
インストール前に、フランジシール面に傷（深さが0.2mmを超える場合は修理が必要）、へこみ（面積が5mm²を超える場合は充填が必要）、または変形（平坦度の偏差が0.1mm/mを超える場合は修正が必要）がないか、目視検査またはフィーラーゲージを使用して確認してください。軽微な傷はラッピングで修理できますが、損傷がひどい場合は、ガスケットを取り付ける前にフランジを交換する必要があります。
2、フランジシール面形状のマッチング：
ガスケット構造は、フランジシール面の形状に厳密に対応しなければなりません：
- フラットフェイス (FF) フランジ：非金属ガスケット（例：フラットガスケット）に適応します。ガスケットの外径はフランジのボルト穴を覆う必要があり、ボルト穴からの媒体漏れを防ぐことに注意してください。
- Raised Face (RF) フランジ：半金属製ガスケット（例：スパイラルワウンドガスケット、金属クラッドガスケット）または厚い非金属ガスケットに適応します。ガスケットの内径はフランジの内径と一致させる必要があり、「ネッキング」を避けることで媒体の保持を防ぎます。
- オス-メス (MFM) および tongue-and-groove (TG) フランジ：半金属ガスケットまたは完全金属ガスケット（例：ロケーティングリング付きスパイラルワウンドガスケット、金属リングガスケット）に適応します。オス-メス/tongue-and-groove 構造は、ガスケットの移動を防ぐための位置決めに使用され、特に高圧条件に適しています。
(4) ステップ 4: ボルト荷重を計算して、ガスケットが最適な圧縮量に達することを確認します
ボルト荷重は、ガスケットシーリングを達成するための「電源」です。ボルトの予締め力が不十分だと、ガスケットが完全に圧縮されず、シーリング面の適合が悪くなります。過剰な予締め力は、ガスケットの過圧縮を引き起こし（非金属ガスケットは潰れる可能性があり、金属ガスケットは塑性変形を受ける可能性があります）、弾力性を失い、その後システム圧力が変動すると漏れが発生しやすくなります。具体的な操作手順は以下の通りです：
1、ガスケットに必要な「最小シーリング荷重」を決定する:ガスケットメーカーは通常、2つの重要なパラメータを提供します:「ガスケット係数 (m)」と「最小プリテンション特定圧力 (y)」(ASME B16.5またはGB/T 9126を参照):
- 最小 プリトルク負荷 (Fp): 中圧なしでガスケットがしっかりとフィットすることを保証する負荷で、次の式で計算されます: Fp = y × A (Aはガスケットの有効シール面積で、ガスケットのサイズに基づいて計算する必要があります)。
- 運転荷重 (Fm)：システム運転中に媒体圧力によってガスケットが押し開けられるのを防ぐ荷重で、次の式で計算されます：Fm = m × P × A（Pはシステム運転圧力です）。
トータルボルト荷重は、FpとFmの両方を満たさなければなりません。すなわち、トータルボルト荷重F ≥ max (Fp, Fm)です。
2、ボルトの予締めトルクを計算します：
総ボルト荷重Fに基づき、ボルト材料（例：Q235、304ステンレス鋼）、仕様（例：M16、M20）、および潤滑条件（スレッドグリースが適用されているかどうか）と組み合わせて、次の式を使用して予締めトルクを計算します：T = K × F × d（Kはトルク係数で、通常0.12-0.2であり、ボルトの表面処理方法によって決まります；dはボルトの公称直径です）。
実際の操作では、トルクレンチを使用して、計算されたトルクに従ってボルトを均等に締め付ける必要があります（フランジの変形を避けるために「対角ステップ締め付け方法」に従うこと）。経験に基づく締め付けは厳禁です。
3、ボルト荷重の過負荷を避ける:
ボルトの最大許容荷重（ボルト材料の降伏強度に基づいて計算された）を確認し、ボルトの総荷重Fがボルトの最大許容荷重の80%を超えないことを確認してください（ボルトの伸び変形や破損を防ぐために安全マージンが確保されています）。ボルトの荷重が不十分な場合は、ボルトの数を増やすか、高強度ボルトに交換することで解決できます。ボルトの荷重が過剰な場合は、より大きな圧縮量を持つガスケット（例：柔軟なグラファイトスパイラルワウンドガスケット）を選択するか、ガスケットのサイズを調整して（有効シール面積Aを増やして必要な荷重を減らす）ください。
III. 選定後の検証と維持：長期的なシーリング性能の確保
ガスケットを選択した後、取り付けの検証とメンテナンス後の確認が必要であり、シーリング効果をさらに確保します：
1、設置確認：ガスケットを取り付けた後、圧力テスト（例：水圧テスト、気密テスト）を実施し、定格運転圧力で30分間圧力を維持し、漏れを観察します（シーリング面に石鹸水を塗布することができます；泡が出なければ合格を示します）。漏れが発生した場合は、ボルトのトルクが十分か、ガスケットがずれていないか、フランジ面が損傷していないかを確認し、1つずつトラブルシューティングを行った後に再テストを行ってください。
2、定期メンテナンス：作業条件の厳しさに基づいてガスケットのメンテナンスサイクルを策定します（例：低圧および常温条件では1〜2年ごとに検査、高圧および高温条件では3〜6か月ごとに検査）。以下に重点を置きます：
- ガスケットが老化、硬化、または亀裂（非金属ガスケットの場合）や腐食、変形（金属ガスケットの場合）があるかどうか。
- ボルトが緩んでいるかどうか（再締め付けはトルクレンチで行うことができます）。
- 中程度の漏れの兆候があるかどうか（例：媒体残留物、シール面近くの腐食斑点）。
ガスケットの故障の兆候が見つかった場合は、故障が拡大しないようにタイムリーに交換してください。
結論
フランジガスケットの選定は、作業条件パラメータ、媒体特性、フランジおよびボルトの条件を包括的に考慮する必要がある「システムプロジェクト」です。正確な選定は、「一般的な材料カテゴリの決定 → 化学的適合性の確認 → フランジ表面のマッチング → ボルト荷重の計算」という4つのステップを通じて達成できます。同時に、選定後の設置確認と定期的なメンテナンスも不可欠です。「選定 - 設置 - メンテナンス」の閉ループを形成することで、フランジシールシステムの長期的な安定運用が確保され、産業生産の安全性と効率性が保証されます。