半年でバルブステムシールの漏れ？ゴム素材ではありません — シール効果に影響を与える 4 つの設計の詳細

いわゆる圧縮率は、組み立て後に元のサイズに対するバルブステムシールによって生じる変形の割合を指し、シール設計の中核パラメータです。ゴムシールの圧縮率の合理性はシール面の接着精度やシール部品の寿命に直結します。バルブステムシールの漏れの問題のほとんどは、このパラメータの設定のずれが原因で発生します。圧縮率が高すぎると（通常30％以上）、工業用ゴムシールは長時間過大な圧縮にさらされることになります。ゴムの内部分子構造が損傷し、徐々に弾性が低下します。最終的には永久変形やクラックなどが発生します。するとシール面に隙間が生じ、それに応じて媒体が染み出します。特に高温の作業条件下では、過剰な圧縮によりゴムの老化プロセスが促進されます。通常の圧縮状態に比べて劣化速度が2～3倍早く、半年以内に漏れが多発する現象となります。圧縮率が小さすぎる (15% 未満) と、シールはバルブステムとシールキャビティの間の隙間を完全に埋めることができません。初期状態では基本的なシールができても、装置の振動や媒体の圧力変動による変位の影響に耐えることは困難です。短期的にはシール面の接着が緩む問題が発生します。さらに隠されていることは、隙間により媒体がシール接触面に浸透し、シールの摩耗が加速され、漏れと摩耗が重なる悪循環を形成するということです。汎用ゴムバルブステムシールの最適圧縮率は18％～25％です。動作温度と圧力に応じて具体的な調整を行う必要があります。圧縮比の選択のズレを材料の品質で補うことはできません。パラメータに互換性がある場合にのみ、安定したシーリング基盤を築くことができます。

バルブステムの表面粗さとシールキャビティは、シール効果に影響を与える重要な補助要素です。たとえ高品質ゴムシールの材質が優れていても、表面粗さがシールの特性に合っていなければ、シールの早期破損につながります。一部の設計では「表面は平滑であればあるほど良い」という誤解があり、バルブステムの表面粗さはRa値0.2μm以下まで研削されています。粗さが低すぎると、O リング バルブ ステム シールとバルブ ステム間の摩擦が減少します。機器の動作中、シールはずれたりフランジができたりする傾向があり、シールの完全性が損なわれます。一方で、表面が平滑すぎると安定した潤滑膜が形成されにくくなり、シール部の乾燥摩擦が激しくなり、シールの摩耗率が大幅に増加します。逆に、表面粗さが大きすぎる（Ra値が1.6μmを超える）と、表面に残った微小な突起がシールを傷つけ続け、シール表面に短期間で摩耗溝が形成され、媒体漏れの経路となります。さらに、粗い表面は不純物を吸着しやすく、シールの摩耗がさらに激化し、シールの耐用年数が短くなります。ゴム製バルブステムシールの場合、バルブステムの表面粗さはRa0.4～0.8μmに管理するのが最適です。この範囲では、シール面の密着性を確保できるだけでなく、薄く安定した潤滑膜を形成し、摩耗を効果的に軽減し、シールの安定性を保証します。

作動中、バルブステムは往復運動または回転運動を行う必要があります。バルブステムの動的偏心の問題が設計で十分に考慮されていない場合、シール部品に不均一な圧力がかかり、漏れが発生する可能性があります。動的偏心の発生は主に 2 つの側面から発生します。1 つは、バルブステムの加工精度が不十分で、曲がりや真円度の偏差が発生することです。 2つ目は、シールキャビティとバルブステムの同軸度設計に無理があり、組立後に固有の偏心が生じることです。動的シールの作動条件下では、バルブステムが偏心していると、シールのさまざまな部分で圧縮量が不均一になり、片側が過剰な圧縮を受け、もう一方の側が緩く接着します。長期間の使用後、過度に圧縮された部分は老化や亀裂を促進し、接着が緩い部分は媒体が侵入する瞬間的な隙間を形成しやすくなります。この種の摩耗は隠されます。初期漏れは非常に少ないです。明らかな漏れが発見されるまでに、バルブステムシールはすでに回復不能な損傷を受けています。動的な偏心を回避する鍵は、設計と加工リンクの制御にあります。バルブ ステムの加工精度を向上させ、真直さと真円度を確保します。シールキャビティの構造を最適化し、バルブステムとの同軸度が規格を満たすことを保証します。高周波往復条件では、ガイド スリーブを追加してバルブ ステムの振れを制限し、工業用ゴム シールに均一な力を分散させることができます。

ゴムの中程度の膨潤は、シールの破損につながる見落とされがちな要因です。これは、シールがパイプライン内の媒体と接触すると、化学反応により体積が膨張し、硬度が低下し、弾性が失われる現象を指します。この問題の本質は、ゴム自体の品質不良ではなく、設計段階でのゴムシール材と媒体との適合性の不備にあります。ゴム材料によって媒体抵抗は大きく異なります。ニトリルゴム (NBR) は耐油性に優れていますが、ケトンおよびエステル媒体に対する耐性は劣ります。フッ素ゴム（FKM）は耐食性に優れていますが、アミン系メディアの影響を受けやすいです。シリコーンゴムは高温耐性には比較的優れていますが、耐油性は比較的弱いです。媒体の組成や温度などを十分に考慮せずに、設計時の経験だけで選定すると、媒体の影響によりバルブステムシールが徐々に劣化してしまいます。体積が膨張すると、シールキャビティが圧迫されたり、弾性の減衰によりバルブステムに接着できなくなり、最終的に漏れが発生します。中膨潤の劣化過程は緩やかです。初期段階では、シールの外観に明らかな変化はありませんが、性能は低下し続けます。通常、3 ～ 6 か月以内に漏れ臨界値に達します。したがって、設計段階でゴム媒体の適合性テストを実行する必要があります。試験結果に基づいて、適切なゴム材料を選択する必要があります。必要に応じて、膨張の危険性を避けるために、変性ゴムまたは複合シール構造を採用する必要があります。

半年かけてバルブステムシールの漏れの問題を分解すると、核心的な問題はゴム材料ではなく、圧縮比の選択、表面粗さのマッチング、動的偏心制御、媒体の適応という4つの主要な設計詳細が欠如していることが判明した。これら 4 つの主要な要素は共にシーリング システムの安定性を決定し、その重要性はゴム材料グレードの選択をはるかに超えています。

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