| 【発明の名称】 |
オーステナイトステンレス鋼バルブ |
| 【発明者】 |
【氏名】兼重 憲嗣
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| 【要約】 |
【課題】１００℃以上で使用される、バルブ本体の材質が、オーステナイトステンレス鋼バルブにおいて、使用開始時の取り扱いが容易なバルブを提供する。
【解決手段】１００℃以上で使用される、バルブ本体１の材質がオーステナイトステンレス鋼のバルブであって、ステム４の往復動によって開閉操作を行う形式のものに対して、そのステム４の材質を、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などのオーステナイトステンレス鋼に比べて熱膨張係数が１．３分の１以下の金属を使用し、ステム４にかかる圧縮応力をステム材料の許容応力に収め、シート３の破壊、ステム４の屈曲発生を防止し、バルブの取り扱いを簡略化する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ステムの往復動によって開閉操作を行う形式で、バルブ本体の材質がオーステナイトステンレス鋼であるバルブにおいて、ステムの材質に、オーステナイトステンレス鋼に比べて、熱膨張係数が１．３分の１以下の金属を使用したことを特徴とするオーステナイトステンレス鋼バルブ。
【請求項２】 ステムの材質が、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼等である請求項１記載のオーステナイトステンレス鋼バルブ。
【請求項３】 ジャケットによってバルブ本体を加熱するようになっている請求項１又は２記載のオーステナイトステンレス鋼バルブ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、化学工業をはじめとする、高温下で使用されるオーステナイトステンレス鋼バルブ、特に使用開始時に要求されるバルブの取扱い方法を改良するためのバルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】図１と図２は、１００℃以上の高温下で使用されるオーステナイトステンレス鋼バルブの代表例としてＹ型クローブ弁を示しており、バルブ本体１の貫通する通路２の途中にシート３を設け、バルブ本体１に軸方向へ可動となるよう装着したステム４とカバーフランジ５の間に設けたグランドパッキング６をグランドプレート７とグランドボルト８で圧縮保持し、ステム４と平行するようバルブ本体１に固定したヨーク９とステム４の端部に外嵌するヨークフランジ１０を固定化し、ヨークフランジ１０で回動自在に保持したスリーブ１１の雌ねじ１２とステム４の雄ねじ１３を螺合し、スリーブ１１に回転操作用のハンドル１４を固定すると共に、ステム４にヨーク９へ外接する回り止め１５が固定されている。
【０００３】図１では、ステム４の先端に別体のディスク１６を取り付け、図２では、ステム４の先端にディスク１６を一体に設けたものを示している。
【０００４】上記のようなバルブは、ハンドル１４でスリーブ１１を回転させると、回り止め状態のステム４は軸方向に往復運動し、ステム４の前進動時は、その先端のディスク１６がシート３に圧着し、通路２を流れる流体を止めることになる。
【０００５】従って、この形式のバルブでは、ステム４はシート３とヨークフランジ１０のスリーブ１１との間に挟まれてバルブが閉じている間、圧縮応力が発生することになる。
【０００６】上記スリーブ１１の雌ねじ１２とステム４の雄ねじ１３は、ステム４がシート３からの反力によって緩まないように、摩擦角よりも小さい角度のねじが切ってあり、スラストによって勝手に動かないように設計されている。
【０００７】図１と図２に示したバルブは手動操作のものであるが、エアー駆動、電気モータ駆動などの自動式の場合も、ねじでステム４を往復動させるかぎり、機構はまったく同一である。
【０００８】このような形式のバルブを高温下で使用する場合は、バルブ本体１の材料にオーステナイトステンレス鋼を用い、バルブ本体１の外周に加熱用のジャケット１７を設けた構造が採用されている。
【０００９】該バルブを高温下で使用する場合は、当然、最初にそのバルブを定常の温度に昇温しなければならない。
【００１０】しかしながら、上記昇温操作をバルブを閉じた状態で行うと、バルブ本体１を形成するオーステナイトステンレス鋼は、熱膨張係数が大きく、その上、バルブ本体１、ステム４の各温度は、ヨーク９の温度よりも高くなることから、ステム４の熱膨張の程度が、バルブ本体１＋ヨーク９より大きくなり、そのため、ステム４に過大な圧縮応力が掛かり、シート２を破壊したり、ステム４自身が圧縮応力に耐えきれずに屈曲したりすることがある。
【００１１】そのため、かかる高温で使用されるバルブを昇温しようとする場合は、ステムに過大な圧縮応力が掛からないように、ハルブを予め少し開けておくことが、このようなバルブを取り扱う場合の一般的な操作方法である。
【００１２】バルブ本体１の材質がオーステナイトステンレス鋼のバルブは、本来、耐蝕を目的としたものであるから、バルブ本体１、ステム４などの内部の流体に触れる部分の材質は同一にするのが一般的である。ヨーク９は内部の流体に触れないので価格の安い炭素鋼を使用するのが、これまた一般的である。
【００１３】以下に、この材質の組み合わせで、バルブを閉じた状態で３００℃に昇温しようとする場合の、ステム４に掛かる圧縮応力を計算してみる。
【００１４】発明者らの測定結果によると、バルブ本体の温度が３００℃に達した時のステム４、ヨーク９の各温度は、バルブ本体３００℃、ステム（露出部）８０℃、ヨーク（露出部）５０℃であった。
【００１５】このバルブが２０℃の時に閉じられて、３００℃に昇温されたとすると、本体の温度変化は、３００−２０＝２８０℃、ステムの温度変化は、一応最高温度部と最低温度部の平均温度が全体の温度であるとみなして、（３００＋８０）／２−２０＝１７０℃、ヨークの温度変化は、５０−２０＝３０℃、と計算される。
【００１６】一方、この時の各部の長さの関係はバルブ本体のシートからヨークの取り付け部までの長さをＬとすると、ヨークの長さは１．５Ｌ、ステムのシートから駆動ネジ部までの長さは２．５Ｌであった。この各長さの関係は本発明でカバーするバルブでは標準的なものである。各部の熱膨張量を計算すると ステム ：１７０×１．７×１０-5×２．５Ｌ ＝７．２２５×１０-3×Ｌ 本体とヨークの合計：２８０×１．７×１０-5×Ｌ＋３０×１．１×１０-5 ×１．５Ｌ＝４．８１０×１０-3×Ｌなお、上式中１．７×１０-5と１．１×１０-5は各々オーステナイトステンレス鋼と炭素鋼の該温度における熱膨張係数である。上の計算からステムは本体とヨークの合計よりも２．４１５×１０-3×Ｌ多く伸びることが分かる。オーステナイトステンレス鋼の縦弾性係数は約２１，０００ｋｇ／ｍｍ2 であるので、この時、ステムにはσ＝２１，０００×２．４１５×１０-3＝５０．７ｋｇ／ｍｍ2の圧縮応力が掛かっていることが分かる。一方、オーステナイトステンレス鋼の２００℃から３００℃における許容応力はせいぜい１０ｋｇ／ｍｍ2 程度であるので、持ちこたえることはできない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、シートとステムの先端とはテーパになっているので、上記のような熱膨張差により、ステムの先端がシートに余分の熱膨張分だけ食い込んでシートを破壊するか、ステムが過大な圧縮応力に耐えきれずに屈曲するかのいずれかの現象が起こる。いずれにしても、バルブは故障する。そのため、かような環境で使用されるバルブは、昇温しようとする場合は、ステムに過大な圧縮応力が掛からないように、バルブを予め少し開けておくことがこのようなバルブを取り扱う場合の一般的な操作方法である。
【００１８】そこで、この発明の課題は、上記のようなバルブにおいて、使用開始時に必要となる煩雑な操作を不要にすることができるオーステナイトステンレス鋼バルブを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記のような課題を解決するため、請求項１の発明は、ステムの往復動によって開閉操作を行う形式で、バルブ本体の材質がオーステナイトステンレス鋼であるバルブにおいて、ステムの材質に、オーステナイトステンレス鋼に比べて、熱膨張係数が１．３分の１以下の金属を使用した構成を採用したものである。
【００２０】ここで、ステムの具体的な材質は、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などを使用でき、また、ジャケットによってバルブ本体を加熱するようにすることもできる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図示例と共に説明する。この発明のバルブは、構造的に図１と図２で示したものと同じであるが、バルブ本体１の材質がオーステナイトステンレス鋼であるのに対し、そのステム４の材質をフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼などのオーステナイトステンレス鋼に比べて熱膨張係数が１．３分の１以下の金属を使用している。
【００２２】幸い、ステンレス鋼はオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系と、各々合金組成が異なることから、それぞれ異なる熱膨張係数を有するものがある。発明者はこの事実に注目した。つまり、オーステナイトステンレス鋼の熱膨張係数は先に示したように、１．７×１０-5／℃であるのに対し、フェライト系、マルテンサイト系ステンレス鋼のそれは、炭素鋼に近く、１．１×１０-5／℃にしか過ぎない。そこで、本体材質をオーステナイトステンレス鋼としたままで、ステムの材質をオーステナイトステンレス鋼からフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼に変えて再度、ステムと、本体＋ヨークの熱膨張量を計算すると ステム ：１７０×１．１×１０-5×２．５Ｌ ＝４．６７５×１０-3×Ｌ 本体とヨークの合計：２８０×１．７×１０-5×Ｌ＋３０×１．１×１０-5 ×１．５Ｌ＝４．８１０×１０-3×Ｌとほぼ同一となり、ステム４とバルブ本体１とヨーク９の合計との間には熱膨張差はなくなり、昇温に伴うステムへの過大な負荷は解消できることが分かった。
【００２３】しかしながら、フェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼はオーステナイトステンレス鋼に比べて耐蝕性に劣ることから、バルブ内部の流体によっては使用できないことがある。これらフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼がステム４の材料として使用できない場合は、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ３２９Ｊ１などの高耐蝕性、低熱膨張のステンレス鋼を使用すればよい。これらの熱膨張係数はフェライト系及びマルテンサイト系ステンレス鋼の１．１×１０-5／℃よりは若干大きいが１．２×１０-5／℃に過ぎず、これらを使用した場合の熱膨張量は ステム ：１７０×１．２×１０-5×２．５Ｌ ＝５．１００×１０-3×Ｌ バルブ本体とヨークの合計：２８０×１．７×１０-5×Ｌ＋３０×１．１× １０-5×１．５Ｌ＝４．８１０×１０-3×Ｌであり、伸び差からステム４にかかる圧縮応力は σ＝２１，０００×（５．１０００−４．８１０）×１０-3 ＝６．０９ｋｇ／ｍｍ2 と、これらのステンレス鋼の許容応力に収まる。
【００２４】発明者はステム４の材質をバルブ本体１の材質の熱膨張係数に比べて、１．３分の１よりも小さいものを使用すれば本件の目標を達することができることを経験により突き止めた。
【００２５】更に好ましいことに、これらオーステナイトステンレス鋼よりも炭素鋼に近い熱膨張係数を有するステンレス鋼はオーステナイトステンレス鋼よりも許容応力が大きいので、この事実もこれらの材質はステムに採用するのに有利である。
【００２６】ここで、バルブ本体１の材料はオーステナイトステンレス鋼、ヨーク９は炭素鋼、ステム４のフェライト系またはマルテンサイト系ステンレス鋼は、ＳＵＳ３０４並みの耐蝕性が要求される場合はＳＵＳ６３０を当てるか、ＳＵＳ３１６並みの耐蝕性が要求される場合はＳＵＳ３２９Ｊ１を当てる。また、ヨーク９をオーステナイトステンレス鋼にすると、この部分の熱膨張量が多くなるので、更に安全になる。
【００２７】図３乃至図６は、この発明のバルブにおける形式の異なった例を示し、図３と図４はフラッシュバルブ、図５はサンプリングバルブ、図６は三方切り換え弁であり、図示以外には、ゲート弁、タンク弁、ピストン弁等がある。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、この発明によると、バルブ本体の材質がオーステナイトステンレス鋼であるバルブにおいて、ステムの材質に、オーステナイトステンレス鋼に比べて、熱膨張係数が１．３分の１以下の金属を使用したので、高温で使用されるバルブを昇温しようとする場合に、ステムにかかる圧縮応力をステム材料の許容応力に収めることができ、これにより、シートの破壊やステムの屈曲発生を防止し、昇温時にバルブを予め少し開けておくという操作が一切不要となり、バルブの取り扱いが簡単になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９１０２６１６２
【氏名又は名称】アスカ工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１１月７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 文二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１４１６９３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２５日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３０５８７４ |
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