電気弁の導入

ユースケース: あるプラントでは、不安定なポンプが圧力の急上昇を引き起こし、バタフライバルブが何度も閉鎖されました。突然のサージ(原因)が振動(影響)を引き起こし、PTFEシールを早期に摩耗させ(衝撃)、持続的な漏れとダウンタイムを引き起こしました。別の製油所の例では、ボールとシートの間に小さな金属粒が挟まってバルブが部分的に閉じてしまい(影響)、過圧(衝撃)を引き起こします。このような因果関係の連鎖は、正しいバルブが重要な理由を示しています。経験豊富なエンジニアは、圧力変動→振動→シールの摩耗がしばしばバルブの選択ミスに起因することを認識しています。

SS(ステンレススチール製)電動バルブ は、耐腐食性バルブボディ(通常は316Lステンレスまたはデュプレックススチール製)と電動アクチュエーターを組み合わせます。バルブはボール型、バタフライ型、球形、ダイアフラム型などで、アクチュエーターはギア付きの電動モーターです。ステンレス鋼は腐食や高温に強い – 「グレード316のステンレス鋼は優れたピッティング耐腐食性...高温強度」 – これらのバルブは過酷な流体に理想的です。ステム、ハウジング、ファスナーなどの部品は、酸や海水中の錆を防ぐために316L以上の合金で作られていることが多いです。アクチュエーターは通常、防耐性(IP65/67)で、安全のために防爆エンクロージャーを備えることもあります。制御オプションは単純なON/OFFから、PLCとの統合用にモジュレート制御(4–20 mAまたは0–10 V入力)まで多岐にわたります。すべての部品は通常、圧力定格および漏れ防止に関して業界規格(例:ASME B16.34、API 598、ISO 5208)を満たしています。

業界への応用: 電気弁は至る所に存在しています。これらは発電所の冷却水、化学反応器の蒸気、パイプライン内のガス、水道・廃水システム内の流体を規制します。例えば、316L構造の電動ボールバルブやバタフライバルブ は沖合石油掘削リグ(塩水および高圧)に選ばれ、一方で電気制御弁(ステンレス鋼の球体やダイアフラム)は石油化学ユニットの流量を調節します。食品や医薬品では、ステンレス製のバルブが汚染を防ぎます。cNYNTOのガイドには、電気制御弁は「システムの流体の流れを制御し、水、蒸気、ガスを最大限の性能で調整する」と記されています。鉱山ではスラリーに耐えます。半導体工場では、激しい化学反応を耐え忍びます。要するに、自動化や耐腐食性が必要な場所には、SS電気弁が適用されます。

SS電気弁の種類

電気流量制御バルブの比較

モードは大きく分けて2つあり、オン/オフバルブ (ボールバルブ、バタフライバルブ)とフローコントロールバルブ (変調バルブ、グローブバルブ、ダイアフラムバルブ)があります。オン/オフバルブは迅速な絶縁を提供します。例えば、電動ボールバルブ (2分割または3方向)は、閉じたときにフルボア流量と漏れゼロを提供します。これはスラリーや圧力下のクリーンな液体に最適です。一方、電動バタフライバルブ は大型パイプ向けに軽量でシンプルです。ディスクは回転が容易で圧力降下も低く、シールは通常ボールバルブほど厳密ではありません。

流量制御弁はスロットルや比例制御が必要なときに使われます。ステンレス製のグローブやニードルバルブに電動アクチュエーター(「電気制御弁」)を付ければ、開口部を滑らかに変化させることができます。これらはリニアまたは特徴付け可能なトリムが備えられており、正確な設定値に合わせて設計されています。しかし、球形弁は通常、ボールやバタフライ弁よりもヘッドロスが大きいです。トレードオフには以下が含まれます:
- ボールバルブ: 優れた漏れ密閉性、モータートルク下でのクイックアクション、腐食に耐える頑丈なシート(多くはPTFE/RPTFEまたはFKM);スロットリング範囲が限られています。
- バタフライバルブ: 大径にコスト効率が高く、トルク要件が低く、より硬いシール仕様(EPDMまたは高温のVitonシート)はより厳しいサービスに耐えられます。
- 制御弁(球形/ダイアフラム): フィードバックを提供するアクチュエーターによる正確な流量制御(4–20 mA変調)。微細な圧力や流量調整に適していますが、重くて移動が遅いです。

各タイプは316L、デュプレックス、さらには炭素鋼製のボディで作られ、流体、圧力、必要な精度によって選択されます。

高圧電気弁の利点

高圧サービス(ANSI クラス600–1500以降)には特別な設計が求められます。 高圧電気弁は 壁が厚く、シートが強化され、しばしば鍛造されたボディを備えています(ASME B16.34)。例えば、ANSI 1500認定の鍛造316Lボールバルブは、最小限の歪みで数百バーを遮断できます。316L以上の二重鋼を使うことで、金属が圧力下で収縮したり割れたりすることはありません。これらのバルブのアクチュエーターはトルクが過剰仕様で、防爆性を持つ場合があります。高圧バルブの典型的な特徴には、キャビティ圧力を排出するためのダブルブロック&ブリードシートや頑丈な梱包材が含まれます。実際には、「バルブはANSI/ASMEの圧力クラスで製造されているため、より高い圧力や温度が必要な場合にはステンレス製の...バルブを使うこともある」とされています。安全装置やセンサーもしばしば追加されます。例えば、一部のアクチュエーターには圧力トランスデューサーやフェイルセーフスプリングが搭載されており、電源が負荷で故障した場合にバルブを閉じます。全体として、高圧電気弁は材料と規格の適合により、サージ負荷下でも漏れや詰まりなく厳密な制御を維持しています。

バルブ位置指示器の重要性

制御強化方法: バルブ位置指示器はバルブの状態(開閉または開き率)を視覚的または電気的にフィードバックします。自動化プラントではこれが極めて重要です。例えば、制御システムがバルブの開閉を指示しても流量が上昇しない場合、インジケーターはバルブが実際に動いたかどうかを即座に示すことができます。ある技術者によると、アクチュエーターには位置インジケーターが付いており、「開閉状態を目視で確認できる」と言われています。これにより故障を特定するのに役立ちます。ライトが「開いている」と表示されていても流量がない場合は配管やポンプの問題です。それでも「閉じている」と表示されるなら、アクチュエータか電源回路が疑わしいです。緊急時には、バルブがフェイルセーフ位置でラッチされていることを示すインジケーターが設置されます。また、制御室にステータス信号(リミットスイッチやフィードバックモジュール)を送信することで、リモート監視もサポートしています。

実際には、ほぼすべての電動アクチュエーターがこのフィードバックを取り入れています。これは、上部に塗装されたダイヤルを付けるだけでも、内蔵スイッチも含まれます。例えば、YNTOのAPL510Nはアクチュエータシャフトに取り付けられる「回転式位置指示器」スイッチボックスです。SPDTマイクロスイッチと開閉状態を示すビーコンランプが含まれており、爆発環境向けにIP66/ATEXの規格を持っています。多くのモーターでは、カムが端位置でリミットスイッチを作動させ、4〜20mAのフィードバックを送ることもあります。その結果、オペレーターはバルブコマンドに自信を持ち、「物理的にバルブの状態を確認しずに迅速にトラブルシューティングできる」ことになります。

位置指示器の背後にある技術: 指示器は機械式、光学式、電子式のいずれかです。最も単純なのは、アクチュエータシャフトによって駆動される密閉されたダイヤルまたはフラッグです。より高度なスイッチボックス([43]APL510Nのように)はステンレス鋼のシャフトとマイクロスイッチを使って複数の接点出力を生成します。さらに、送信機が内蔵されているシステムもあります。例えば、一部のアクチュエータは移動に比例した可変信号を出力します。デジタルディスプレイやポテンショメーターは、正確なバルブ開口数(パーセンテージ単位)を表示できます。重要なのは、すべて規格(例:IEC/EN 60947 for switch)に基づいて設計されており、多くの場合防水・防爆性が特徴である点です。手動オーバーライドの検証、誤った推測の防止、自動安全システムのインターロックの有効化など、安全性を高めます。

バルブ自動化ソリューションの設計

SS電気弁のシステムへの統合: 現代の配管システムでは、これらのバルブはより大きな自動化ソリューションの一部を形成しています。通常、バルブ+アクチュエーターアセンブリはパイプに直接取り付けられます(ANSI/DIN仕様によりフランジまたはねじ込み式)。アクチュエータはプラントの電源(24VDC、110/220VAC、または380VAC)および制御システムに接続されます。オン/オフバルブの場合、シンプルな配線(3線式制御)で開閉を切り替えられます。流量調整のために、PLCまたはDCSが4〜20 mAまたは0–10 Vのコマンドを変調アクチュエータに送ります。必要に応じてアクチュエーターのギア比は高速サイクルのためにアップグレード可能で(1〜2秒の開閉時間用特殊ギア)。手動オーバーライド(手ハンドルやレバー)は通常内蔵されており、機密区域には爆発防止(ATEX/IP6)ハウジングも用意されています。

制御ロジックにはしばしばインターロック(例:一方のバルブが別のバルブが閉じない限り開かない)や安全機能が含まれます。多くの電動アクチュエーターは「フェイルセーフ」モードを備えています。2線式(自動リターン)方式では、電力を失うとバルブがスプリングで閉じたり開いたりします。これは重要な閉鎖において非常に重要です。位置指示器からのリミットスイッチはPLCに接続され、閉ループ検証が行われます。例えば、圧力センサーがPLCに「閉鎖バルブ」信号を送らせることがあります。インジケーターが「閉鎖」と表示されると、システムは安全な隔離を確認します。言い換えれば、SSの電気弁は、命令、状態の把握、安全の執行が自動的に行われるように選定・配線されています。

実際の実装例: 一例として飲料水処理場があります。ステンレスバタフライバルブのプログラム可能なアクチュエーターがフィルターへの流量を制御します。PLCは流量計を使ってバルブを調整し(フィードバックループ内の電気流量制御弁のようなもの)、一定の流量を維持します。バルブの位置灯やリミットスイッチ信号は、指示された位置に到達しない場合、SCADAアラームに入力されます。石油化学クラッカーでは、高圧蒸気の流れがステンレス製の球状制御弁によって調整されます。ここでは、EPDMシートシールが蒸気(≤150°C)に耐え、PTFEガスケットが化学潤滑を処理します。緊急停止ロジックはすべてのボールバルブを順番に閉じます。アクチュエーターのギア駆動マニュアルオーバーライドにより、オペレーターは介入が可能です。業界を超えて、よく設計されたバルブ自動化は、バルブ位置指示器、信頼性の高いアクチュエーター、プロセスセンサーを組み合わせ、プロセスと安全の両方の要件を満たすソリューションを提供します。

メンテナンスとトラブルシューティング

よくある問題と解決策: 高品質なSS電気弁でも手入れが必要です。よくある問題には以下のようなものがあります:
- ゴミ詰まり: 固形粒子が座席や部品間に詰まり、流れの制限や密閉不完全な原因となります。例えば、ボール表面の沈殿物は漏れを引き起こしたり、バルブを詰まらせたりすることがあります。 予防: 上流にフィルターやストレーナーを設置し、定期的にフラッシュを行います。
- 固着/詰まり: 潤滑なしでも316Lバルブは腐食に強いが、スケーリングや長時間の停止後に付着する可能性がある。 原因: ステムやボールの錆や堆積物が部品を詰まらせます。 解決策: ステムのインターフェースを定期的に潤滑し、バルブをサイクルさせてください。堆積が問題なら、硬いクロームなどの材料コーティングを使いましょう。バルブが詰まった場合は、潤滑後の優しい手動操作で簡単に解放されることが多いです。316LとFKMのシールは錆に強いですが、極端な場合は316L/CF8MやプレミアムFFKMシートを検討してください。

- 漏れ: 摩耗したシートや梱包材は液体やガスの漏れを起こします。 原因: PTFEまたはEPDMシールは、温度循環や摩耗により硬化または侵食します。 解決策: 適合するシール材(酸用PTFE、炭化水素用はViton(FKM))を選び、予定通り交換してください。重要な配管の場合は、漏れを隔離するためにダブルブロック&ブリードバルブを使用してください。すべてのボルトと接続部が仕様通りに締められていることを確認してください。
- アクチュエータ/インジケーター故障: 電動機は電圧スパイクで焼損し、位置スイッチが故障することがあります。 解決策: アクチュエーターを定期的にテスト(インジケーターを通電させて監視)してください。配線とヒューズを確認してください。アクチュエータにはリミットスイッチがある場合もあるので、主要なサイクル後にこれらを確認してください。防水性のあるケージを使用して、水の侵入を防ぎましょう。

長寿のためのベストプラクティス: 以下のガイドラインに従ってサービス寿命を延ばしましょう:
- 材料マッチング: バルブ冶金は常に流体に適合させる。316L(または316L+Mo)を海水や酸性サービスに使用してください。排ガスや高塩化物条件下では、スーパーオーステナイトまたは二重ステンレス鋼を使用しましょう。炭素鋼は安価かもしれませんが、非腐食性で乾燥した用途に限られます。
- 規格遵守: バルブが最大圧力/温度以上に定格されていることを確認してください。ANSIクラス300(PN25)仕様のバルブはクラス600(PN63)サービスで使用すべきではありません。API/ASME試験手順に準拠し、例えばシート漏れは静水圧試験においてAPI 598またはEN12266仕様を満たす必要があります。良い方法は、これらの基準を証明する認証(CE、ISO)を持つバルブを購入することです。
- 適切なシール: 媒体の封印材料を選択。PTFE(テフロン)シールは攻撃的な化学物質や最大~+260°Cに対応します。FKM(ビトン)は約200°Cまでの油やケトンに良好に対応します。EPDMは水やグリコール(ただし炭化水素)には約150°Cまで理想的です。潤滑剤やアクチュエータグリースも互換性があるはずです。
- 定期点検: 定期的にバルブを循環させ、シートやステムを点検します。バルブを部分的に閉じて実際の流量と照合して指示器の精度を確認してください。サービスごとにガスケットとOリングを交換してください。アクチュエータのバックドライブボルトがしっかり締まっていることを確認してください。バルブの変調については、ドリフトを考慮してコントローラー(例:4〜20 mA ゼロ/スパン)を再校正します。
- 安全対策: メンテナンス前に必ずラインを絶縁し、圧力を抜くこと。多くのSSバルブは安全なメンテナンスのためにダブルブロックブリードを可能にしています。ロックアウト/タグアウトの電源。これらのバルブは熱い液体や蒸気を流すことがあるため、認定されたPPEを使用してください。最大開閉トルクについてはメーカーのガイドラインに従いましょう。

まとめると、ステンレス製の電気弁(ボールバルブ、バタフライバルブ、コントロールバルブなど)は、過酷な工業環境下でも自動化され信頼性の高い制御を提供します。適切なタイプ(例:サービス変調用の電気流量制御弁 、極端な条件での高圧電気弁 など)を選択し、位置指示器や適合材料(316L、FKM、PTFE)などの機能を統合することで、エンジニアは漏れ、詰まり、圧力変動の問題を解決できます。その結果、安全基準(API/ASME/DIN)を満たし、長寿命の堅牢なバルブ自動化ソリューション が完成します。調達マネージャー向けの主要製品には、オン/オフ用の電動ボールバルブと電動バタフライバルブ 、精密流量制御用の電動制御バルブ、そしてバルブ位置指示 器や電動アクチュエーターなどの補完製品が含まれます    自動化システムを完成させるために。業界のベストプラクティスに従い、316Lのような素材やPTFE/FKMのようなシートを選ぶことで、これらのシステムはすべての業界で安全性と性能を実現しています