バルブが使用されている場所: あらゆる場所!

2017年11月8日 グレッグ・ジョンソン著

今日、バルブは、家庭、道路の下、商業ビル、発電所や水力発電所、製紙工場、製油所、化学工場、その他の産業施設やインフラ施設内の何千もの場所で見られます。
バルブ業界は実に幅広く、水道事業から原子力発電、石油・ガスの上流・下流まで、多岐にわたります。これらのエンドユーザー産業はそれぞれ、いくつかの基本的なタイプのバルブを使用していますが、構造や材質の詳細は大きく異なることがよくあります。以下にその一部をご紹介します。

水道工事
給水設備の世界では、圧力はほぼ常に比較的低く、温度は常温です。この2つの用途上の特性により、高温蒸気バルブなどのより過酷な条件の設備では見られないようなバルブ設計要素が数多く採用されています。給水設備の温度は常温であるため、他の用途では適さないエラストマーやゴムシールの使用が可能です。これらの柔らかい素材により、水漏れをしっかりと遮断する給水バルブを実現できます。

水道バルブにおいてもう一つ考慮すべき点は、材質の選択です。鋳鉄とダクタイル鋳鉄は、水道システム、特に外径の大きい配管で広く使用されています。非常に細い配管であれば、青銅製のバルブでも問題なく対応できます。

ほとんどの水道バルブが受ける圧力は、通常200psiをはるかに下回ります。つまり、厚肉設計の高圧設計は必要ありません。とはいえ、300psi程度までの高圧に耐えられるように水バルブが設計されている場合もあります。こうした用途は通常、圧力源に近い長い導水管で使用されます。また、高いダムの最高圧力地点にも、高圧水バルブが設置されている場合があります。

アメリカ水道協会 (AWWA) は、水道用途で使用されるさまざまな種類のバルブとアクチュエーターを網羅した仕様を発行しています。

廃水
施設や建物に供給される新鮮な飲料水の反対側には、廃水または下水が排出されます。これらの配管は、すべての廃液と固形物を収集し、下水処理場へと導きます。これらの処理場では、その「汚れ仕事」を行うために、多くの低圧配管とバルブが備えられています。廃水バルブの要件は、多くの場合、上水サービスの要件よりもはるかに緩やかです。この種のサービスでは、鉄製のゲートバルブとチェックバルブが最もよく使用されます。このサービスで使用される標準的なバルブは、AWWA仕様に基づいて製造されています。

電力業界
米国で発電される電力の大部分は、化石燃料と高速タービンを用いた蒸気発電所で発電されています。現代の発電所のカバーを剥がすと、高圧・高温の配管システムが姿を現します。これらの主要配管は、蒸気発電プロセスにおいて最も重要なものです。

発電所の開閉弁としては、ゲートバルブが依然として主流ですが、特殊用途のYパターングローブバルブも存在します。高性能でクリティカルサービスに対応するボールバルブは、一部の発電所設計者の間で人気が高まっており、かつてはリニアバルブが主流だった分野に進出しつつあります。

冶金学は、発電用途のバルブ、特に超臨界または超超臨界の圧力・温度範囲で動作するバルブにとって非常に重要です。今日の発電所では、F91、F92、C12Aに加え、いくつかのインコネルおよびステンレス鋼合金が広く使用されています。圧力クラスは1500、2500、そして場合によっては4500です。ピーク時発電プラント（必要な場合にのみ運転するプラント）のモジュレーション特性は、バルブと配管に大きな負担をかけるため、サイクル、温度、圧力の極端な組み合わせに対応できる堅牢な設計が求められます。
発電所には、主蒸気バルブのほかに、ゲートバルブ、グローブバルブ、チェックバルブ、バタフライバルブ、ボールバルブなど無数の補助パイプラインが設置されています。

原子力発電所は、蒸気と高速タービンという同じ原理で稼働しています。主な違いは、原子力発電所では蒸気が核分裂反応の熱によって生成されることです。原子力発電所のバルブは、化石燃料発電所のバルブと似ていますが、その歴史と絶対的な信頼性が求められるという点が異なります。原子力発電所のバルブは非常に高い基準で製造されており、認定および検査に関する文書は数百ページに及びます。

石油・ガス生産
石油・ガス井や生産施設では、多くの高出力バルブを含むバルブが大量に使用されています。数百フィートもの高さまで石油が噴き出すようなことはもはや考えられませんが、この画像は地下の石油・ガスの潜在的な圧力を示しています。そのため、井戸の長いパイプの先端には、井戸頭やクリスマスツリーが設置されています。これらのアセンブリは、バルブと特殊な継手を組み合わせることで、10,000psiを超える圧力に耐えられるように設計されています。近年の陸上掘削井戸ではほとんど見られませんが、深海にある深井戸では、このような極めて高い圧力がしばしば見られます。

坑口設備の設計は、API規格6A（坑口設備およびクリスマスツリー設備仕様）などで規定されています。6Aで規定されているバルブは、極めて高い圧力と適度な温度に対応するように設計されています。ほとんどのクリスマスツリーには、ゲートバルブとチョークと呼ばれる特殊なグローブバルブが組み込まれています。チョークは、坑口からの流量を調整するために使用されます。

油田やガス田には、坑口装置自体に加え、多くの付帯設備が存在します。石油やガスを前処理するためのプロセス設備には、多数のバルブが必要です。これらのバルブは通常、低等級の炭素鋼製です。

原油中には、腐食性の高い流体（硫化水素）が含まれることがあります。この物質はサワーガスとも呼ばれ、致死的となる可能性があります。サワーガスの問題を解決するには、NACE International規格MR0175に準拠した特殊な材料または材料処理技術を使用する必要があります。

オフショア産業
沖合石油掘削装置や生産施設の配管システムには、多様な流量制御の課題に対応するため、様々な仕様に合わせて製造された多数のバルブが組み込まれています。また、これらの施設には、様々な制御システムループや圧力逃し装置も設置されています。

石油生産施設にとって、まさに心臓部とも言えるのが、石油・ガス回収配管システムです。必ずしもプラットフォーム自体に設置されているとは限りませんが、多くの生産システムでは、クリスマスツリーのような配管システムや、水深10,000フィート以上の過酷な深海で稼働する配管システムが採用されています。これらの生産設備は、厳格な米国石油協会（API）規格に基づいて製造されており、複数のAPI推奨基準（RP）にも準拠しています。

ほとんどの大型石油プラットフォームでは、坑口から供給される原油に対して追加の処理が施されます。これには、炭化水素から水を分離すること、そして流体流からガスと天然ガス液体を分離することが含まれます。これらのクリスマスツリーを飾る配管システムは、通常、アメリカ機械学会（ASME）のB31.3配管規格に準拠して構築され、API 594、API 600、API 602、API 608、API 609などのAPIバルブ仕様に従って設計されたバルブが使用されています。

これらのシステムの中には、API 6D規格のゲートバルブ、ボールバルブ、チェックバルブが使用されているものもあります。プラットフォームや掘削船上のパイプラインは施設内に設置されているため、パイプラインにAPI 6D規格のバルブを使用するという厳格な要件は適用されません。これらの配管システムでは複数の種類のバルブが使用されていますが、一般的にはボールバルブが推奨されます。

パイプライン
ほとんどのパイプラインは目に見えない場所にありますが、その存在は通常明らかです。「石油パイプライン」と書かれた小さな標識は、地下輸送配管の存在を示す明確な指標の一つです。これらのパイプラインには、全長にわたって多くの重要なバルブが設置されています。緊急パイプライン遮断弁は、規格、規則、法律で定められた間隔で設置されています。これらのバルブは、漏洩時やメンテナンスが必要な場合に、パイプラインの一部を遮断するという重要な役割を果たします。

パイプラインルート沿いには、地上からラインが伸び、ラインへのアクセスが可能な施設も点在しています。これらのステーションには、「ピグ」発射装置が設置されます。ピグは、パイプラインの検査または清掃のためにパイプラインに挿入される機器です。これらのピグ発射ステーションには通常、ゲート式またはボール式のバルブが複数設置されています。パイプラインシステム上のすべてのバルブは、ピグが通過できるようにフルポート（全開）でなければなりません。

パイプラインは、摩擦に対抗し、圧力と流量を維持するためにもエネルギーを必要とします。コンプレッサーステーションやポンプステーションは、背の高いクラッキングタワーのない小型のプロセスプラントのような役割を果たします。これらのステーションには、ゲートバルブ、ボールバルブ、チェックバルブなど、数十個のパイプラインバルブが設置されています。
パイプライン自体はさまざまな規格やコードに従って設計されており、パイプライン バルブは API 6D パイプライン バルブに準拠しています。
住宅や商業施設に通じる小規模なパイプラインもあります。これらのパイプラインは水道とガスを供給し、遮断弁によって保護されています。
大規模な自治体、特に米国北部では、商業顧客の暖房需要に応えるために蒸気を供給しています。これらの蒸気供給ラインには、蒸気供給を制御・調整するための様々なバルブが設置されています。流体は蒸気ですが、圧力と温度は発電所の蒸気発生装置よりも低くなっています。このサービスでは様々なタイプのバルブが使用されていますが、古くからあるプラグバルブは依然として広く使用されています。

製油所および石油化学
製油所用バルブは、他のどのバルブ分野よりも多くの産業用バルブの用途を占めています。製油所では、腐食性の流体が使用され、場合によっては高温になることもあります。
これらの要因は、API 600（ゲートバルブ）、API 608（ボールバルブ）、API 594（チェックバルブ）といったAPIバルブ設計仕様に基づいたバルブの製造方法を決定づけます。これらのバルブの多くは過酷な条件で使用されるため、耐腐食性をさらに考慮した設計が必要となることがよくあります。この耐腐食性は、API設計文書で規定されている厚肉化によって実現されます。

典型的な大規模製油所では、ほぼすべての主要バルブタイプが豊富に設置されています。広く普及しているゲートバルブは依然として最も多く使用されている主力製品ですが、クォーターターンバルブの市場シェアはますます拡大しています。かつてはリニアバルブが主流だったこの業界で、成功を収めているクォーターターン製品には、高性能トリプルオフセットバタフライバルブやメタルシートボールバルブなどがあります。

標準的なゲートバルブ、グローブバルブ、チェックバルブは現在でも大量に存在し、その設計の堅牢性と製造の経済性により、すぐには消えることはないでしょう。
製油所バルブの圧力定格はクラス 150 からクラス 1500 までの範囲にわたりますが、クラス 300 が最も一般的です。
普通炭素鋼（例えば、WCBグレード（鋳造）やA-105グレード（鍛造））は、製油所向けバルブに指定され、使用される最も一般的な材料です。多くの精錬プロセス用途では、普通炭素鋼の耐熱温度が限界を超えるため、これらの用途には耐熱合金が指定されます。これらの用途で最もよく使用されるのは、1-1/4% Cr、2-1/4% Cr、5% Cr、9% Crなどのクロムモリブデン鋼です。ステンレス鋼や高ニッケル合金も、特に過酷な精錬プロセスで使用されます。

化学薬品
化学業界では、あらゆる種類と材質のバルブが大量に使用されています。小規模なバッチプラントからメキシコ湾岸の巨大な石油化学コンプレックスに至るまで、バルブは化学プロセス配管システムの大きな部分を占めています。

化学プロセスにおけるほとんどの用途は、多くの精製プロセスや発電プロセスよりも圧力が低くなります。化学プラントのバルブと配管で最も一般的な圧力クラスは、クラス150と300です。化学プラントは、過去40年間にわたり、ボールバルブがリニアバルブから市場シェアを奪い取る最大の原動力でもありました。ゼロリーク遮断機能を備えた弾性シートボールバルブは、多くの化学プラント用途に最適です。コンパクトなサイズも人気の理由です。
依然として、リニアバルブが好まれる化学プラントやプロセスが存在します。このような場合、薄肉軽量のAPI 603準拠のバルブがゲートバルブまたはグローブバルブとして一般的に選ばれます。一部の化学物質の制御は、ダイヤフラムバルブやピンチバルブでも効果的に行えます。
多くの化学物質や化学製造プロセスは腐食性が高いため、材料の選定は非常に重要です。事実上の標準材料は、オーステナイト系ステンレス鋼の316/316Lグレードです。この材料は、様々な、時に危険な液体による腐食に優れた効果を発揮します。

より過酷な腐食性用途では、より高い保護性能が求められます。このような状況では、317、347、321といった高性能オーステナイト系ステンレス鋼がしばしば選ばれます。また、化学流体の制御に使用される合金としては、モネル、アロイ20、インコネル、17-4PHなどがあります。

LNGとガスの分離
液化天然ガス（LNG）とガス分離に必要なプロセスは、いずれも長距離の配管を必要とします。これらの用途では、極低温でも作動するバルブが求められます。米国で急速に成長しているLNG業界は、ガス液化プロセスの高度化と改善を常に模索しています。そのため、配管とバルブは大幅に大型化し、圧力要件も引き上げられています。

この状況により、バルブメーカーはより厳しい条件を満たす設計の開発を迫られています。LNGサービスでは、1/4回転式のボールバルブとバタフライバルブが一般的で、316SS（ステンレス鋼）が最も一般的な材質です。ANSIクラス600は、ほとんどのLNGアプリケーションで一般的な耐圧上限です。1/4回転式製品が最も一般的なバルブタイプですが、ゲートバルブ、グローブバルブ、チェックバルブもプラントで使用されています。

ガス分離サービスは、ガスを個々の基本元素に分離するプロセスです。例えば、空気分離法では窒素、酸素、ヘリウムなどの微量ガスが得られます。このプロセスは極めて低温であるため、多数の極低温バルブが必要になります。

LNGプラントとガス分離プラントはどちらも低温バルブを備えており、これらの極低温環境下でも作動し続ける必要があります。つまり、ガス柱または凝縮柱を用いて、バルブパッキングシステムを低温流体から離して設置する必要があります。このガス柱は、流体がパッキングエリア周辺に氷塊を形成し、バルブステムの回転や上昇を妨げるのを防ぎます。

商業ビル
私たちの周囲には商業ビルが広がっていますが、その建設過程を注意深く観察しなければ、石材、ガラス、金属の壁の中に無数の流体の動脈が隠されていることにほとんど気づかないのです。

ほぼすべての建物に共通するのは水です。これらの建物には、飲料水、廃水、温水、中水、防火設備といった形で、様々な組み合わせの水素と酸素の化合物を運ぶ様々な配管システムが備わっています。

建物の存続という観点から、消火システムは最も重要です。建物の防火対策として、ほぼすべての建物に清潔な水が供給・充填されています。消火水システムが効果を発揮するには、信頼性が高く、十分な水圧があり、建物全体に適切に設置されている必要があります。これらのシステムは、火災発生時に自動的に作動するように設計されています。
高層ビルでは、最上階と下階で同じ水圧の給水が求められるため、高圧ポンプと配管を用いて水を上方に送る必要があります。配管システムは通常、建物の高さに応じてクラス300または600です。これらの用途ではあらゆる種類のバルブが使用されますが、バルブの設計は、消防本管サービスに関してはUnderwriters LaboratoriesまたはFactory Mutualの承認を受ける必要があります。

消防用バルブと同じクラスとタイプのバルブが飲料水配管にも使用されますが、承認プロセスはそれほど厳格ではありません。
オフィスビル、ホテル、病院などの大規模な商業施設に設置されている業務用空調システムは、通常、集中型です。冷熱伝達用の流体を冷却または加熱するための大型のチラーユニットまたはボイラーを備えています。これらのシステムでは、R-134a（ハイドロフルオロカーボン）などの冷媒、あるいは大規模な暖房システムの場合は蒸気を使用することが多いです。バタフライバルブとボールバルブはコンパクトなため、HVACチラーシステムで人気が高まっています。

蒸気分野では、一部の1/4回転バルブが普及しつつあります。しかし、多くの配管技術者は、特に配管端面が突合せ溶接を必要とする場合、依然としてリニアゲートバルブやグローブバルブを使用しています。こうした中程度の蒸気用途では、溶接性に優れた鋼が鋳鉄に取って代わっています。

一部の暖房システムでは、蒸気の代わりに温水を移送流体として使用します。これらのシステムには、青銅製または鉄製のバルブが適しています。1/4回転式の弾性シート付きボールバルブとバタフライバルブは非常に人気がありますが、一部の直線型バルブも依然として使用されています。

結論
この記事で紹介したバルブの用途は、スターバックスやおばあちゃんの家に行くときには目にすることはないかもしれませんが、非常に重要なバルブは常に身近にあります。車のエンジンにも、キャブレター内のバルブ（エンジンへの燃料の流れを制御するバルブ）や、エンジン内のガソリンのピストンへの流れとピストンからの排出を制御するバルブなど、様々な場所に到達するために使用されています。これらのバルブが私たちの日常生活に十分身近でないとしたら、私たちの心臓が4つの重要な流量制御装置を通して規則的に鼓動しているという事実を考えてみてください。

これは、バルブが本当にどこにでもあるという現実のもう一つの例です。VM
この記事のパートIIでは、バルブが使用されているその他の業界について取り上げています。パルプ・製紙、海洋用途、ダム・水力発電、太陽光発電、鉄鋼、航空宇宙、地熱発電、クラフトビール・蒸留業などに関する記事は、www.valvemagazine.comをご覧ください。

グレッグ・ジョンソンは、ヒューストンに本社を置くユナイテッド・バルブ（www.unitedvalve.com）の社長です。VALVE Magazineの寄稿編集者であり、バルブ修理協議会（Valve Repair Council）の元会長、そして現在VRCの理事を務めています。また、VMA（英国バルブ製造業者協会）の教育・研修委員会の委員、コミュニケーション委員会の副委員長、そして製造業者標準化協会（Manufacturers Standardization Society）の元会長も務めています。