バルブが使われている場所：あらゆる場所！

2017年11月8日 グレッグ・ジョンソン著

今日では、バルブはほぼあらゆる場所で見かけることができます。私たちの家庭、道路の下、商業ビル、そして発電所や水道施設、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数千もの場所で使用されています。
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、様々な分野を網羅しています。これらのエンドユーザー業界はいずれも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場合が多いです。以下に例を挙げます。

水道施設
水道配水の世界では、圧力はほぼ常に比較的低く、温度は常温です。これらの2つの特性により、高温蒸気バルブなど、より過酷な環境下では使用されないようなバルブ設計要素を数多く採用することが可能になります。水道水の常温では、他の用途には適さないエラストマーやゴム製シール材を使用できます。これらの軟質材料を用いることで、水漏れをしっかりと遮断できるバルブを設計できます。

給水バルブを選ぶ際のもう一つの考慮事項は、材質の選択です。鋳鉄やダクタイル鋳鉄は、給水システム、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十分対応できます。

ほとんどの水道バルブにかかる圧力は通常200psiをはるかに下回ります。つまり、肉厚の高圧設計は必要ありません。とはいえ、300psi程度の高圧に対応できるように設計された水道バルブも存在します。こうした用途は通常、圧力源に近い長い水道管路で見られます。また、高圧水道バルブは、高いダムの最高圧力地点にも設置されることがあります。

米国水道協会（AWWA）は、水道事業で使用されるさまざまな種類のバルブやアクチュエータに関する仕様書を発行している。

廃水
施設や建物に供給される飲料水の裏返しは、廃水または下水です。これらの配管は、すべての廃液と固形物を収集し、下水処理場に送ります。これらの処理場には、その「汚水処理」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。多くの場合、廃水バルブの要件は、上水道の要件よりもはるかに緩やかです。この種の用途では、鉄製のゲートバルブとチェックバルブが最も一般的に使用されています。この用途で使用される標準バルブは、AWWA規格に準拠して製造されています。

電力産業
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る。最新の発電所の内部構造を詳しく見てみると、高圧・高温の配管システムが目に飛び込んでくる。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役割を担っている。

ゲートバルブは発電所の開閉用途において依然として主要な選択肢であるが、特殊用途向けのY型グローブバルブも使用されている。高性能で重要な用途向けのボールバルブは、一部の発電所設計者の間で人気が高まっており、かつて直線型バルブが主流だったこの分野で徐々にシェアを拡大​​している。

電力用途のバルブ、特に圧力と温度が超臨界または極超臨界の運転範囲で動作するバルブにとって、冶金学は極めて重要です。F91、F92、C12A、およびいくつかのインコネル合金とステンレス鋼合金は、今日の発電所で一般的に使用されています。圧力クラスには、1500、2500、場合によっては4500があります。ピーク発電所（必要に応じてのみ運転する発電所）の変動的な性質も、バルブと配管に大きな負荷をかけ、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、主蒸気弁に加えて、ゲート弁、グローブ弁、チェック弁、バタフライ弁、ボール弁など、無数の弁が取り付けられた補助配管が多数存在する。

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点です。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、その由緒ある歴史と、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極めて高い基準で製造されており、その認定および検査に関する文書は数百ページにも及びます。

石油・ガス生産
石油・ガス井や生産施設では、多くのバルブ、特に高耐久性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上がるような事態はもはや起こり得ませんが、この画像は地下の石油やガスの潜在的な圧力を示しています。そのため、井戸の長いパイプ列の先端には、井戸口やクリスマスツリーと呼ばれる構造物が設置されています。これらの構造物は、バルブと特殊な継手を組み合わせたもので、10,000 psiを超える圧力に耐えられるように設計されています。このような極めて高い圧力は、現在では陸上の井戸ではほとんど見られませんが、深海の油井では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の仕様）などで規定されています。6Aで規定されているバルブは、極めて高い圧力と比較的低い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備えられています。チョークは、坑井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、坑口本体に加えて、多くの付属設備が点在している。石油やガスを前処理するための処理装置には、多数のバルブが必要となる。これらのバルブは通常、低クラスの定格を持つ炭素鋼製である。

原油の流れには、腐食性の高い硫化水素が混入している場合があります。この物質はサワーガスとも呼ばれ、人体に有害となる可能性があります。サワーガスによる問題に対処するには、NACE International規格MR0175に準拠した特殊な材料または材料加工技術を用いる必要があります。

オフショア産業
洋上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、さまざまな仕様で製造された多数のバルブが備えられています。これらの施設には、さまざまな制御システムループや圧力逃がし装置も含まれています。

石油生産施設において、中枢となるのは実際の石油・ガス回収配管システムです。必ずしもプラットフォーム上に設置されているわけではありませんが、多くの生産システムでは、水深1万フィート（約3,000メートル）以上の過酷な深海で稼働するクリスマスツリー型配管システムなどが使用されています。これらの生産設備は、米国石油協会（API）の厳格な規格に準拠して製造されており、APIの推奨実施基準（RP）にも複数記載されています。

ほとんどの大型石油プラットフォームでは、坑口から出てく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したり、流体からガスや天然ガス液を分離したりすることが含まれます。これらのポストクリスマスツリー配管システムは、一般的に米国機械学会（ASME）のB31.3配管規格に基づいて構築され、バルブは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、チェックバルブが含ま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部にあるため、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バルブタイプが使用されていますが、最もよく使用されるバルブタイプはボールバルブです。

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埋設されていますが、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、地下輸送パイプラインの存在を示す分かりやすい指標の一つです。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。緊急遮断弁は、規格、規定、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隔離するという重要な役割を果たします。

パイプラインのルート沿いには、パイプラインが地上に出てアクセス可能な施設が点在しています。これらの施設は、「ピグ」と呼ばれる装置を設置する場所であり、ピグはパイプラインに挿入して検査や清掃を行う装置です。これらのピグ設置場所には通常、ゲートバルブまたはボールバルブなど、複数のバルブが備えられています。パイプラインシステムのすべてのバルブは、ピグが通過できるように全開（フルポート）でなければなりません。

パイプラインは、摩擦抵抗に対抗し、圧力と流量を維持するためにエネルギーを必要とします。そのため、背の高いクラッキングタワーのない、小型のプラントのようなコンプレッサーやポンプステーションが使用されます。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様々な規格や基準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規格に準拠している。
住宅や商業施設に水やガスを供給する小規模なパイプラインも存在する。これらのパイプラインは遮断弁によって保護されている。
特に米国北部の大都市圏では、商業顧客の暖房需要を満たす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備えられています。流体は蒸気ですが、圧力と温度は発電所の蒸気発生時よりも低くなっています。この用途では様々な種類のバルブが使用されていますが、古くから使われているプラ​​グバルブは依然として広く利用されています。

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産業用バルブの使用量が多い。製油所は腐食性の流体が存在する場所であり、場合によっては高温環境にもさらされる。
これらの要因によって、APIバルブ設計仕様（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）など）に準拠したバルブの製造方法が決まります。これらのバルブの多くは過酷な使用環境にさらされるため、腐食に対する余裕を持たせる必要が生じることがよくあります。この余裕は、API設計文書で規定されている肉厚の増加という形で現れます。

一般的な大規模製油所では、ほぼすべての主要なバルブタイプが豊富に見られます。最も普及しているのは依然としてゲートバルブですが、四分の一回転バルブが市場シェアを徐々に拡大しています。かつては直線型バルブが主流だったこの業界で、四分の一回転バルブ製品として成功を収めているものには、高性能なトリプルオフセットバタフライバルブや金属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、チェックバルブは今でも大量に使用されており、その堅牢な設計と製造コストの低さから、すぐに姿を消すことはないだろう。
製油所用バルブの圧力定格は、クラス150からクラス1500まで幅広く、中でもクラス300が最も一般的である。
製油所用バルブに最もよく使用される材料は、WCB（鋳造）やA-105（鍛造）などの普通炭素鋼です。多くの製油プロセスでは、普通炭素鋼の耐熱温度限界を超えるため、より高温に適した合金鋼が指定されます。これらの合金鋼の中で最も一般的なのは、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、特に過酷な製油プロセスで使用されます。

化学薬品
化学産業は、あらゆる種類と材質のバルブを大量に使用する産業です。小規模なバッチプラントから、メキシコ湾岸に見られるような巨大な石油化学コンプレックスまで、バルブは化学プロセス配管システムの重要な構成要素となっています。

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よりも圧力が低い。化学プラントのバルブや配管で最も一般的な圧力クラスは、クラス150と300である。化学プラントは、過去40年間でボールバルブがリニアバルブから奪い取った市場シェア拡大の最大の原動力でもあった。漏れのない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ある。ボールバルブのコンパクトなサイズも人気の特長である。
化学プラントやプラントプロセスの中には、依然として直線型バルブが好まれるものがあります。こうしたケースでは、薄肉軽量で広く普及しているAPI 603規格のバルブが、ゲートバルブまたはグローブバルブとしてよく用いられます。また、ダイヤフラムバルブやピンチバルブでも、一部の化学物質の制御は効果的に行えます。
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、時に有害な様々な液体による腐食に対して優れた耐性を発揮します。

腐食性の高い用途では、より高度な保護が必要となる場合があります。このような状況では、317、347、321などの高性能オーステナイト系ステンレス鋼がよく選ばれます。化学流体の制御に時折使用されるその他の合金には、モネル、アロイ20、インコネル、17-4 PH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、いずれも大規模な配管網に依存している。これらの用途には、極低温で動作可能なバルブが必要となる。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アップグレードと改善を絶えず模索している。そのため、配管とバルブは大型化し、圧力要件も引き上げられている。

この状況を受けて、バルブメーカーはより厳しい基準を満たす設計を開発する必要に迫られています。LNG用途では、1/4回転ボールバルブとバタフライバルブが人気で、材質としては316SS（ステンレス鋼）が最も一般的です。ほとんどのLNG用途における圧力上限は、ANSIクラス600です。1/4回転バルブが最も普及していますが、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。

ガス分離サービスとは、ガスを個々の基本元素に分離するサービスです。例えば、空気分離法では、窒素、酸素、ヘリウム、その他の微量ガスが得られます。このプロセスは非常に低温で行われるため、多数の極低温バルブが必要となります。

LNGプラントとガス分離プラントの両方には、極低温環境下でも作動可能な状態を維持しなければならない低温バルブが備えられています。そのため、バルブのパッキンシステムは、ガスカラムまたは凝縮カラムを用いて低温流体から離れた位置に設置する必要があります。このガスカラムは、パッキン周辺に流体が氷の塊を形成するのを防ぎ、バルブステムの回転や上昇を妨げないようにします。

商業ビル
商業ビルは私たちの周りに数多く存在するが、建設過程を注意深く観察しない限り、石材、ガラス、金属でできた壁の中に隠された無数の流体経路についてはほとんど知る由もない。

ほぼすべての建物に共通する要素は水です。これらの建物にはすべて、飲料水、排水、温水、生活排水、消火用水など、水素と酸素の化合物である水を様々な形で運ぶ配管システムが備えられています。

建物の存続という観点から、消火設備は最も重要な要素です。建物の消火設備は、ほぼ例外なくきれいな水で満たされています。消火用水システムが効果を発揮するためには、信頼性が高く、十分な水圧があり、建物全体に容易に設置できる必要があります。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、最上階と最下階で同じ水圧が必要となるため、高圧ポンプと配管を使用して水を上階に送水する必要があります。配管システムは、建物の高さに応じて通常クラス300または600が使用されます。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、消火用水供給用バルブの設計は、Underwriters LaboratoriesまたはFactory Mutualの承認を受ける必要があります。

飲料水供給にも、消防用バルブと同じクラスとタイプのバルブが使用されるが、承認プロセスはそれほど厳格ではない。
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。これらのシステムには、冷熱伝達に使用される流体を冷却または加熱するための大型チラーユニットまたはボイラーが備わっています。これらのシステムでは、R-134aなどのハイドロフルオロカーボン冷媒、あるいは大規模な暖房システムの場合は蒸気を扱う必要があります。バタフライバルブとボールバルブは小型であるため、HVACチラーシステムで広く使用されています。

蒸気配管においては、1/4回転バルブが普及しつつあるものの、配管の端部を突合せ溶接する必要がある場合などには、多くの配管技術者が依然として直線型ゲートバルブやグローブバルブを使用している。こうした中程度の蒸気用途では、鋼の溶接性の良さから、鋳鉄に代わって鋼が用いられるようになっている。

暖房システムの中には、蒸気の代わりに温水を流体として使用するものがあります。このようなシステムには、青銅製または鉄製のバルブが適しています。四分の一回転式の弾性シート付きボールバルブやバタフライバルブが非常に人気がありますが、直線型のバルブも依然として使用されています。

結論
この記事で触れたバルブの応用例は、スターバックスや祖母の家への旅行中に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存在します。例えば、これらの場所へ行くために使用する車のエンジンにもバルブがあり、キャブレター内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流れをピストンに送り込み、再びピストンから排出するバルブなどがあります。これらのバルブが私たちの日常生活に十分近いものではないとしても、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正しく鼓動しているという事実を考えてみてください。

これは、バルブが本当に至るところに存在するという現実を示すもう一つの例です。VM
この記事の第2部では、バルブが使用されているその他の産業について解説します。www.valvemagazine.com にアクセスして、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・蒸留酒製造などの分野についてお読みください。

グレッグ・ジョンソンは、ヒューストンにあるユナイテッド・バルブ社（www.unitedvalve.com）の社長です。彼はVALVE誌の寄稿編集者であり、バルブ修理協議会（VRC）の元会長、現VRC理事でもあります。また、VMA（米国バルブ製造業者協会）の教育・研修委員会委員、VMAの広報委員会副委員長、製造業者標準化協会の元会長も務めています。