第 １ 章 序 論
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(2) のため，高圧液体の制御技術では，キャビテーションの発生 と壊食の進行を知 ることが必 要不可欠となる． 調節弁のキャビテーションに関する研究は ，自動制御技術の 普及によって調 節 弁が手動 弁から置き換わった頃の 1950 年代後半から ，大容量のプ ラ ン ト設備の建設が進 んだことを 背景 (16),(17) に開始 された ．当初の 研究で は，圧 力と流 量のプロセス量 や，騒 音，弁 体の振 動などの外部計測データ を分析することにより，キャビテーションの発達段階 が初生，臨 界，閉塞などとして 検出・確定され. (18) - (23). ，各種の形式の弁について使用圧力範囲が実験. 的に明ら か に さ れ た (24) - (27) ．その一 方で，実 際にはこの使 用 圧 力 範 囲を超 えた高 差 圧でも 調節弁は 用いられており ，壊食 のフィールド 事例が 紹介さ れ る よ う に な っ た (28),(29) ．しか し，壊食の発生位置と進 行の程度は事例別 に把握されるにとどまり，使用条件 や材料など に関して系統的な論議が 行われたことは少 ない．現実的な対 処としては，経 験 的に予想さ れる壊食位置に硬質の材 料を適用する，流路形状を微調整す る，それでも不 十 分な場合に は高頻度で点検を行うようなことが見受けられるようである ．弁内のキャビテーションを 緩和した 耐キャビテーション弁室構造 (26),(30) を適用す る こ と も多いが ，抵抗要素を 内挿す るなど大型・重量化を 伴う一方で，効果は十分に評価 されているとはいえない．流体計測・ 解析によってキャビテーションを分析し， 泡郡の発達過程や 壊食との関係を考 察した調査 も行われている．これは ，調節弁の内部流 れが 2 次元として比較的容易に把握 されるバタ フライ弁などに関して盛 んに行われており ，騒音や壊食を軽 減・回避す る た め の数々の改 良案が提案されている ( 3 1 ) -( 3 6 )．高差圧の条件で常用されるコンタードプラグ弁に関し て も， 従来から流れ構造とキャビテーション形態 は複雑であると思 われていたが ，近年にな っ て， いくつかの特徴的なキャビテーション形態 が示され，関係す る流れ構造が特定 されること によって圧 力と弁口径に 対するキャビテーション 限界の 相似性が 説明された ( 3 7 )- (40) ．この 形式の調節弁でも，流れ 構造についてさらに検討を進めることにより，キャビテーション に対するプラグ形状な ど の評価や，流 体 条 件の壊食に及ぼす 影響，壊食の発生位置と進行 などについて理解が進むものと思われる． さらに，これらの知見が 整理されれば，調節弁に関して最 近 盛んに議論されている仕様・ 運用の規格化や，機 能のインテリジェント化. ( 4 1 ) -( 4 4 ). にも寄与するといる．各メーカーから. ディジタルポジショナー が発表され，保守 ・管理を効率化するという観点から 各種の診断 機能が提案されているが ，壊食量を推定し ，設計時特性か ら の逸脱や閉切機能 の劣化など と関係付け，部品の交換時期としての寿命予測を行うことが 可能となれば，極 めて有意で. -2-.
(3) あるといえよう．なお， ディジタルポジショナ−は，使用者 が流量特性を任意 の関数に設 定できる機能を備え て い る．各内弁要素について，キャビテーション限界の観 点から評価 を前もって行っておけば ，使用条件から適 切な内弁の構成ができるといえる． 本研究は，なるべく高 い圧力水準でキャビテーション実験 を行い，直接に適用可能な調 節弁技術を提案するものである．実現する 圧力水準は，壊食 が発生するのに十 分な，実際 の蒸気発電プ ラ ン トの高 圧 給 水システム に相当する 20MPa までとする．試験用調節弁に は，高圧流体制御に常用 されるコンタードプラグ弁の基本的構造のものを供す る．最初に 流れ構造を特定し，こ れ に基づいて壊食実験結果の評価を行 う．検討する具体的項目は下 記の通りである； （１）調節弁内部流れの基本構造を明らかにする．1MPa 水準にてキャビテーションの観 察結果と数値シミュレーションによる初生直前の流れパ タ ー ンを照合することにより，キ ャビテーションの形態を 流れ構造から説明 する．これより， 次の点について検 討を行う． （１−１）キャビテーション初生を 基準にプラグ形 状と多孔筒を選定 する方法について 検討する．全開度範囲で キャビテーション 泡群の形態を把握 した上で，初生時 の流れ構造 を明らかにする．各要素 を比較評価した上 で，調節弁の使用条件に応じた弁トリムの構成 を提案する． （１−２）20MPa 水準におけるキャビテーションの 形態を推定する．調節弁のど部まで の圧力低下過程を 1 次元流れの仮定の下に 解析し，エネルギーの変換過程を明ら か に する． 流れの基本構造は低圧力水準のものと変わらない可能性が高 ことを指摘した上 で，キャビ テーション気泡の崩 壊 位 置を推定し，壊食 の予測位置として 提示する． （２）20MPa の圧力水準で発生する壊食 について，流れに関する要 因と，各種実用材料の 耐性を提示する．流れに 関しては，開度， 圧力などの作 動 条 件と，プラグ形状 などの流路 形状に加えて，水中溶存酸素量などの水質 についても調査を 行う．材料と し て は，各種ス テンレス鋼のほかに，工具鋼，チタン合金 ，ステライトな ど も取り上げ，一部 は金属組織 の観点からも耐性の評価 を行う． （３）壊食の進行過程を 明らかにし，壊食質量を予測する方 法について検討す る．壊食に よる閉切機能の劣化も指 摘した上で，閉 切 時の漏洩流量を基 準として，トリム 部品の交換 時期としての寿命を調 節 弁の作動記録から 予測・診断する方 法について提案を 行う．. -3-.
(4) １．２ １．２．１. 従来の研究. 調 節 弁のキャビテーション限 界に関する 従来の研究. 調 節 弁 の キ ャ ビ テ ー シ ョ ン に 関す る 研 究 は，流体条件からキャビテーションの状態 を 知ることを目的として， 限界点の調査から 開 始された．当初は弁差圧 に対する流量の関 係 から 流 量 閉 塞 点が 見出 されたが (18),(19) ，閉 塞 に至らない発達段階でも 外囲騒音や弁体の 振 動はかなり大きく ( 2 0 ) ，流路壁面に壊食が発 生 す る事 例 も 報 告 さ れ た (45) ．そ こ で ， 主に 騒 音・振動計測から，閉塞 に至るまでの弁 差 圧 範囲でキャビテーション 限界を判別する方 法 が検討されるようになった(21) ．しかし，測定 位置や分析する周 波 数 範 囲には統一的な見 解 がなく，主観的な判 断 基 準が含まれる例も 多 かった． 大 田ら (23) は ，振 動 計 を 弁上蓋 に 固 定 し ， 100kHz までの機 械 振 動を は る か に 超えた 周 波数範囲で分析を行い， 実効値とス ペ ク ト ラ ムの弁差圧に対する変化 を提示している． 図 １．１に管内の圧 力 変 動 値と併せた結果を 示 すが，これにより次の事 実が明らかとなり ， キャビテーションの各限界点が客観的に確 定 できるようになった． ａ）初生点(inc)：. 振動加速度スペクトラ. ムが構造系の振動に影響 されない約 20kHz 以 上の高周波数成分で成長 を開始する［図(d) ，. -4-.
(5) b→c］．このような特 徴は，式(1.1)に定義される Rice 周波数 f R を導入することにより，不 連続に上昇する状態と し て確定できる[図(b)] ． ここで，. fR = . ∫. ∞. f. 2. ⋅α. 2. ∫. ( f )df. 0. α ( f ) df 0 ∞. 12. 2. (1.1). α 2 ( f ) ：振動加速度のパワースペクトラム．. ただし，. この限界点はキャビテーションが初生する 状態であり ，生成気泡が直 ちに崩壊すること により，軽い破裂音が間欠的に発生し，Rice 周波数を不連続に変化させると解釈される． ｂ）臨界点（cri ）：. 高周波数成分の振動加速度スペクトラムがほぼ飽和し た状態とし. て確定できる[図(d)の過程①]．キャビテーションの発 生が定常的になった状態であるが， 外囲騒音も弁体の振動も 比較的に軽度に留 まっている．そのため，この臨界点 をもって調 節弁の最大使用差圧を推 奨することが多いようである．その 後は，飽和する成 分の周波数 が低い帯域へ移行し て い く[同図の過程②]． ｃ）閉塞開始点(ch)：. 弁下流の圧力変動が上 流 側の変動か ら独立して増 加を始める状. 態として確定できる[図(c), f ]．下流側じょう乱の上流への伝 播が制限される状 態であり， 圧縮性流れの閉塞開始として意味を持つものである．限 界 流 量に達する状態としての流量 閉塞点と明確に区別さ れ る． なお，同時に計測された騒音 については鋭敏な 変化が現れ な い た め，限界点の確定には 適さないことが説明されている． このようにして確定された各限界点は， 弁開度をパラメーターとして図示される．用い られる無次元数の代表例 として，圧力変化の相似性を 示すキャビテーション係数σ 開度を代表する流量係数 C d. σ =. (20). と弁. の定義を次式に示す．. PD − PV. (1.2). PU − PD. Cd =. (13). Um 2( PU − PD ) ρ + U m. 2. -5-. (1.3).
(6) ここで，. P U , P D ： 弁上流：下流圧力，[Pa] ， P V ： 流体の飽和蒸気圧力，水温 293K では 2337 Pa， Um ： 接続管路内の平均流速，[m/s] ， ρ： 流体の密度，水温 293K では，998.2 kg/m3 ．. 図１．２に，各種トリムを適用したグローブ弁に関して ，各限界のσ を Cd に対して示す (23),(24). ．こ の よ う に整理 することによって，調節弁の 作 動 条 件からキ ャ ビ テ ー シ ョ ンの発. 達段階を知ることができると同時に，キャビテーション特性 に関する部分的な 相似則が明 らにされている．さ ら に は，トリム形式間 の比較も容易となっている． しかし，この相似則は 必ずしも統一的に 扱えるようにはなっておらず，流量特性や定格 流量の変更などに対し て も実験調査が必要 となる．また，高圧力の条件ではキャビテーシ ョン臨界を超えての使用 も常態化しており ，このような場合 には激しいキャビテーション が余儀なくされる．そ こ で，現象を正確に 理解し，適切な対 策を講じるために ，キャビテ ーションを物理的，流体力学的に分析することの必要性が次 第に指摘されてきている． なお，キャビテーションの検 出について，計測器を 弁内部に設置することにより発生位 置の近傍で も測定が 行われており，ボール弁に 関して水中騒音を 測定した 例 ( 4 6 ) や，油圧 用スプール弁に関して噴流衝突部で圧 力 変 動を測定した例 ( 4 7 ) が報告されている．しかし，. -6-.
(7) これらの方法は，計測器 の選定や設置位置 の構造などにかなりの考慮を要することから， 適用できる調節弁形式はごく限定されているようである．. １．２．２. 調 節 弁のキャビテーション形 態に関する 従来の研究. 従来，調節弁内のキャビテーションは形 態がたいへん複雑 であると想定されてきた．弁 形式によって異な る ほ か に，個別の弁に関 しても，関与する 流体パラメーター が多く，そ のため，種々の性状のキャビテーション気 泡が混在しているものと考えられてきた． これに対して，可視化 や流体計測により ，主にバタフライ 弁や仕切弁に対し て，キャビ テーションの形態が直接 に調査されるようになっている．そこでは，発生泡を 分類し，個 別に発生条件や性状を分 析することにより ，騒音や壊食への 対策が考案されている．同時 に，一部では初生機構に 関してモデル化による解析が行われ ，高精度の予測式 が提示され るまでに至っている． さらに，最近では流れ の数値シミュレーションを調節弁の 設計に適用する方 法も一般的 となりつつある．現在 ，単相流の計 算スキームは流体機器への適 用 方 法が確立さ れ て おり， キャビテーションに関しても，流れの基本的構造を検討し た り，最低圧力点を 予測したり するなどの調査例が報告 されている． ここでは，調節弁のキャビテーションを実 験 計 測やモデル化に よ り調査した研究と，弁 内流れに数値解析を適用 した研究について ，従来の報告例を 概説していく．. （１）実 験 計 測とモデル 解析に関する 従来の研究. 当初，キャビテーション 泡群の瞬時. 撮影による観察は，可視化用構造の製作が 容易なバタフライ 弁に関して盛んに 行われるよ うになった．辰巳ら ( 4 8 ) はトレーサの可視化によって流 れの基本構造を明 らかにし，その上 で，キャビテーション 形態を詳細に報 告している．田 島ら ( 4 9 ) と木村ら (50) は，外囲騒音と振 動の成長などと対比して キャビテーション 形態の特徴を提示 している．佐藤ら ( 5 1 ) は，ディ スク形状の改良案を気泡 の発生を抑制する 観点から評価している．油圧制御用 のポペット 弁に関しても，流れ が軸対称であると 想定して調査が 行われており ，青山ら ( 5 2 ) と大島ら (53) がキャビテーション形態 と騒音・振動に対 するポペット形状 の影響を示し，同 時に測定し た圧力分布から説明を加 えている． さらに，大場らは仕切弁 ( 3 1 ) -(33) とバタフライ弁 (34),(35) を対象に高速撮影を行い，気泡の形 態を発生部位によって分 類し，個々に発生機構などの性状を 定性的に評価している．同時. -7-.
(8) に計測した衝撃圧力分布 と照合することによって，壊食性が 高いとされる気泡形態を識別 し，それへの対策を各弁形式について講じている．仕切弁については，壊食性気泡の崩壊 位置を流路壁面から離す 構造が，バ タ フ ラ イ弁については， 壊食性気泡の原因 となる強い せん断渦を抑制するディスク形状が提案されている．こ れ ら は流路形状の局 所 的な改良に よって大きな効果を得られるため，た い へ ん有利な方法となっている． なお，バタフライ弁に関しては，縮流部の流 れをオリフィスに 想定したり ( 5 4 ) ，ディスク 後流に 渦モデル を適 用し た り ( 5 5 ) す る こ と に よ っ て初 生 限 界を相似則 に表 現す る方 法が提 案されている．特に，後 者は渦生成による 局所的かつ瞬時的 な圧力低下として ，キャビテ ーション初生の機構をかなり正確に模式化 できているようであり，実用の大口径弁に対し ても曲管位置の影響を含 めた予測が高精度 で可能となっている． しかし，高差圧の条件で常用 されるケージ弁と コンタードプラグ 弁に関しては，激しい キャビテーションを余儀 なくされることが 多く，最も調査が 必要であるにも関 わらず，調 査例はたいへん少ないままであった．こ れ は，流れ構造とキャビテーション形 態が概略的 にでも想定されて来なかったことより，可視化用構造の設計 と流体計測が困難 な対象とし て見なされていたためである． 初めてキャビテーション 形態を提示し た の は大田ら (38),(39) であり，そこでは，5MPa まで の広い上流圧力の水準で 気泡の発生部位が 識別され，弁差圧 に対する発達過程 が明らかに されている．コンタードプラグ弁に流 量 特 性がイコールパーセントのプラグを 適用した場 合について，キャビテーション形態とそれぞれの初生限界を 図１．３に示す． 各種の弁上 流圧力水準と弁口径に対 し，高開度範囲 と低開度範囲の初生泡として，ひも状泡(S)とプラ グリム付着泡(R)が示されている．そ れ ぞ れ の初生キャビテーション係数は，流量係数に対 する勾配が不変であり， この実験範囲では 基本的な流れ構造 が保たれている可能性も示さ れている． このような可能性から検 討して，両方の形態の 気泡について強い 渦の存在を仮定し，渦 生成のモデルを解析することによって，初生限界を相似則の 形式に表現し て い る．その概 念と導出された予測式による結果を図１． ４に示す．ひも状 泡については，旋回流にラン キン 渦を 仮定 した モ デ ル(S-1)が， プ ラ グ リ ム付着泡 には ，は く離 に よ る渦放出 のモデル (R-1) (56) がそれぞれ適用される．初生限界 は，渦の中心が瞬 時 的に飽和蒸気圧力 まで低下し た状態として予測され(S-2, R-2)，広い上流圧力の水準と弁 口 径の範囲で実験値 とかなり一 致した結果を得ている． ここで想定した強 い渦を伴う流れ構 造は，現象を正し く説明して. -8-.
(9) いることがわかる． 同時に，この予測に関与する 流体パラメーター を検討することにより，流路形状の部 分 的な改善策が考案されている．ひも状泡に 関しては，弁 上 流 室で十分に整流す る方法が， プラグリム付着泡に関しては，発生部位の 静圧を高め る よ う にプラグリムの形 状を微調整 する方法が採用され，流量特性などの基本性能に影響を及ぼさずに，初生キャビテーショ ン係数を大きく低下さ せ る成果が得られている．作動条件によっては，耐キャビテーショ ン弁室構造を導入するよりも極めて有利な 処置法となっている． このように，発生泡に特有の 流れ構造を見出することにより，キャビテーション形態が 正確に把握できることがわかる．本論文で も，流れ構造に基 づいてキャビテーション実験 結果の評価を行うことにする．流れ構造の 特定は，低 圧 力 水 準にて観察実験と 初生直前の 単相流数値シミュレーションから行い，次 いで，高圧力水準 にて，共通する流 れの特徴を 見出すようにする．これにより，基本的な 流れ構造が圧 力 水 準に対して保た れ る可能性を 指摘することにする．. -9-.
(10) -10-.
(11) （２）数値シミュレーションによる従来の研 究. 調節弁内のキャビテーションを直接に. 知るためには，当然，気液二相流の数 値 解 析が望まれる．しかし，気相に相 変 化するため の飽和蒸気圧力は常温で約 2kPa であり，10MPa 水準から蒸気圧力に至る圧力変化を円滑 に表現できる計算ス キ ー ムはいまだに確立 されていない．圧力変化が緩やかな 翼形状など を対象とした計 算 例は多いが (66),. (67). ，それでも，ボ イ ド率（気相体積率）が制限 されてい. るようであり，十分発達 したキャビテーションを対象にするまでには至っていない．広く 流体機器へ適用するまでには，いまだ課題 が多く残されているのが実状である ． 一方，現在ほぼ確立されている単相流の シミュレーション は，流れパターン の詳細が得 られることから，キャビテーション形態の 推定に利用されるようになっている ．特に，調 節弁の内部では，流 路 構 造が弁体の体格に 対して複雑な た め に，流体計測は困 難であり， その点でも数値シミュレーションの寄与は 大きいといえる． この場合，調 査 項 目となるの は最小圧力点とそこまでの圧力低下過程， および高速噴流の 衝突位置となる． 前節で説明 したコンタードプラグ弁 に関するモデル解 析の調査では ，数値シミュレーションに よ っ て， リム付着泡の初生が渦 生 成による瞬時的な 圧力低下として確 認されている．そ の上で，渦 生成に関係する諸パラメーターの値を決定 し，初生限界の予 測が行われている ［図１．４ (R-2)］．ここでは Navier-Stokes 方程式を差分法によって数値計算しているが， この方法に よるシミュレーションは，バタフライ弁を対象に 樋口ら ( 6 1 ) によって行われており，ディス ク形状の改善策が提案されている．噴流の 衝突位置に関し て は、油圧制御用スプール弁を 対象に上野ら ( 6 2 ) によって差分法で行われたほかに，離散渦法による計算 も清水ら ( 6 3 ) によっ て実施されている．このように，シミュレーション結果の利 用は，流量や弁軸推力の見積 (57)- (60). などから発展して， 目的が広が っ て い く状況にあることがわかる．. キャビテーション壊食が 発生するような高差圧の条件に対しても，流 れ構造が解析や計 測によって部分的であっても把握され，さらに，低圧力水準 のものと共通する 特徴が確認 できれば，たいへん有意 であると考え ら れ る．すなわち，低圧力水準のキャビテーション 形態を基準にして，高差圧水準のキャビテーションを予測しても，実態から大 きく異なる ことはないといえよう． そこで，本論文で も単相流の数値シミュレーションか ら初生直前 の流れパターンを調査し ，これと近い圧力条件のキャビテーション形態と対照 させて，キ ャ ビ テ ー シ ョ ンを 発生させる 流れ構 造を 1MPa の水準 で特 定することにする ．次 いで， 20MPa の高圧力水準に関して ，のど部までのすきま区間を対象に ，1 次元流れを仮定した 解析を行い，圧力低下の 過程を明ら か に す る．両圧力水準の 間で流れ構造を照 合すること. -11-.
(12) により，単相流数値シミュレーション結果 に基づいて高 圧 水 準のキャビテーションを推定 できる可能性を指摘することにする．. １．２．３. 調 節 弁のキャビテーション壊 食に関する 従来の研究. 調節弁のキャビテーションに関しては， 初生点，臨界点， 流量閉塞点などの 限界点から 使用範囲が推奨されているが，一般の調 節 弁では激しいキャビテーションが余 儀ない流体 条件も，実際のプラント には多く設定されている．この場合 ，調節弁を適用するに際して は，壊食への検討が第一 の課題となる． 調節弁の壊食事例を図１ ．５に示す ( 2 8 ) ．アングル弁を flow-to-close に使用した例(a) では， 弁のど部の下流近傍でキャビテーション気 泡が集中的に崩壊 していたことがわかる．ケー ジ弁の例(b)では，対向噴流がプラグ 内で十分拡散せ ず に，特定部位に泡群の崩 壊が集中し ていることが示さ れ て い る．場合によっては ，偏心軸回転弁の 例(c) に現れているように弁 本体の壁面が壊食され， 安全面で問題となることもある． 従来から，調節弁の耐壊食性を高めるための研究は多数行われてきており，それらを 大 別すれば，（１） 耐キャビテーション弁室構造の開発 に関するもの ，（２）耐性 の高い材料. -12-.
(13) を適用するもの， （３）キャビテーション実 験によって壊食に 対する流れパ タ ー ンの関連を 調査したもの，となる． この中で（３）に 関しては，直接に 調節弁の壊食実験 を行った例 は特にコンタードプラグ 弁に関して少数に 留まるが，ウォータジェットの よ う に，調節弁 への応用が検討できるような調査は多い． このように調節弁 に関係すると思われる例も併 せて，各項目に関する従 来の研究について 簡単に紹介し て い く．. （１） 耐 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 弁 室 構 造 の 開 発 壊食を回避する流 路 構 造は，当初から次 の二点の方針に従って考 案されてきた． (ⅰ). 相当に 低い 弁下流圧力 P D に対して. も，弁のど部に想定される 最小圧力 P T を飽 和蒸気圧力から十分高い 状態に保つ． (ⅱ). キ ャ ビ テ ー シ ョ ン泡の 崩壊 する位置. を弁壁面から離す． (ⅰ)では，調節弁の通過する流れ を 1 次 元流れと見なし，その圧力分布を基準に検 討される．想定される圧力分布を図１．６ に示すが (68) ，流路が最も 縮小するのど部で 最小圧力 P T を示し，下流弁室である程度ま で圧力回復すると説明されている．図１． ６中の∆P や∆P o ，∆P p などの各圧力降下部分は 割合が個々の弁について 固有であるとされており，これを表 現するパラメーターとして， 次式に示す液体圧力回復係数 F L が提唱されている ( 6 8 ) ．. FL =. PU − PD. (1.4). PU − PT. F L は，従来の調査例から各種の 弁形式に対して代表的な値が示されているが ( 6 8 )， (69) ，正 確に知るためには，個別 の実験計測が必要 となる ( 7 0 ) ． この係数は，調節弁をプロセスに適用す る に際し，閉塞に よ る限界流量 Q ch を見積もる. -13-.
(14) ために使用される．Q ch は，P T が飽和蒸気圧力に達した状態として PT = F F PV と表現すれば， 容量係数 CV の定義 (68) から次式のように P U に対して算出される；. Qch =. PU − FF PV G. FL CV 1.32 × 10 6. [m 3 /s]. (1.5). ここで，F F は液体臨界圧力比補正係数であり，気相 への相変化が吸熱反応であることを 考慮して，流体温度が低 下する影響を反映 するために導入されている．F F < 1 であるが， 通常の圧力と温度の条件 では，ほぼ F F = 0.96 である． ところで，各 圧 力 降 下 部 分∆P o ，∆P p ，∆P x, に対して， C = Q. ∆P の形式で定 義する係数. C vo ，C vp、 C v x を導入すると，式(1.4) は，. FL =. (Cvo. C vp. ∆ Pp + ∆ Px ∆ Po + r∆ Px. =. (C. vo. C vp ) 2 + (C vo C vx ) 2. (1.6). 1 + r (C vo C vx ) 2. )2 は等価開口面積の 単純オリフィス における 圧力回復係数を 示し， (C. vo. C vx ) 2 は. 弁本体の流路における損失係数，r はその上流側 の寄与を示し て い る． F L が１に近いほど，P T は飽和蒸気圧力から高い状態に 保たれることがわかり，キャビテ ーションの発生が抑制 されると考えられる．これより ，式(1.6) の諸係数を評価 することか ら，流路構造を検討できることになる．具体的には， (ⅰ-1 ) ∆ Pp ∆Po = (C vo C vp )2 を大きくする：. 絞 り出口流速を小さくし，そのかわりに，壁. 面摩擦や流体間摩擦に よ る損失の寄与を大 きくする． (ⅰ-2 ) ∆ Px ∆ Po = (C vo C vx ) 2 を大きくし，r を小さくする：. 流路抵抗による損失の 寄与を，. 特に下流側で大きくする ． なお，(ⅱ)に関しては， 可視化や 流体計測 によるキャビテーション形 態の確認は コンタ ードプラグ弁やケージ弁 に関して従来行われておらず，流路形状が直感的，あるいは経験 的に考案されているのが 実状である． 図１．７に実用化 されている構造例 を示す．多 孔ケージ弁(a) (26) では，対向噴流 がケージ 中央で衝突することにより，そこで圧力が 回復し，ケージ壁 面では壊食が回避 されると想 定されている．同時に， 流れが多数の小 孔 径の噴流に分割されることから，ケージ内では. -14-.
(15) 混合が進 み，一 般の可 変 開 口 面 積 形ケ ー ジ弁よ り ∆ Pp ∆Po = (C vo C vp )2 は増加す る と期待 さ れている．高差圧の条件 に対してはケージ を多層にし，急 拡 大や乱流混合，流 れの相互干 渉，すき間の摩擦抵抗などケージ 間で損失を大きくすることによって ，∆ Px ∆ Po = (C vo C vx ) 2 を増加させている．同様の，流路抵抗を増加させる 観点からは ，迷路状の積層板(b) や，縮 小と拡大を繰り返す積 層 板(c) など，効果を高める構造が各種提案されている (13) ．さらに， 流体の 超 臨 界 圧 力の よ う に か な り高 い圧力水準 の流 体を 扱う た め に は， 多段減圧 構造(d) が考案され，圧力降下を複数段に分割することにより，最終段 でも P T を比較的高い状態に. -15-.
(16) 保つようにしている ( 2 6 ) ．なお，(ⅰ-2 )の r を小さくする見地か ら は，アングル弁を flow-toclose の方向で使用する 際に，下流側に整流ケ ー ジを組み合わす方 法(e) が採用され (2) ，同様 の構造がボール弁 ( 3 0 ) についても提案されている． しかし，発表された各種 の構造については ，キャビテーション限界の改善や， 壊食量の 軽減などの性能が詳細に は明らかにされていない．そのため ，優位性を同一定格容量の各 種調節弁と比較して定 量 的に評価す る こ と は行われていない ．耐キャビテーション弁室構 造は，弁本体の大型・重量化と保守・管理 の煩雑化を伴う た め，条件に よ っ て は費用対効 果が発揮されないことになる． そこで，本論文では，耐壊食性を評価する 際の基準となる資 料を供する目的で ，基本的 形状の調節弁について， 流体条件と適 用 材 料による影響，および壊食の進 行 過 程として， 系統的な壊食傾向を提示 するものとする．. （２）材料の評価. キャビテーション 壊食を材料の面 から回避するためには，一般に硬. 度の高いものを適用することが推奨されている．セラミック やダイヤモンドなどの非金属 焼結体で 製作された超 硬 質の弁 トリム も開発 されているが (71),(72) ，加工が困 難な上 に，靭 性が劣るため，広く普及 する段階にはない ． 金属材料に関しては，Stiles (45) によってコンタードプラグ弁を 直接使用したキャビテーシ ョン壊食実験が行われ， 代表的ないくつかの材料に関して耐壊食性が比較されている．一 方では，多くの材料を対 象とした壊食デ ー タは，実施が容易 な振動式キャビテーション試 験によってかなり早い時 期から整備されており (73) ，Heymann( 7 4 ) の整理による資料が一般の 流体機器にも多く利用されている．両者の 資料を，ス テ ン レ ス鋼 SUS316 を基準とした相 対的耐性として図１．８ に比較するが，いくつかの材料に関 しては実験方法の 相異による 差が現れている．新たに 開発された工 具 用 途や耐磨耗性の材 料についても，振動式による キャビテーション試験の 結果が 公表されているが (75),(76) ，調節弁に適 用す る た め に は，流 れによる影響を考慮することが不可欠といえる． そこで，本研究では，耐壊食材料として通常推奨される SUS316 に加え，それよりも耐 壊食性が高いとされる数種類のステンレス 鋼，工具鋼，チ タ ン合金などを取り 上げて，比 較評価を行うことにする ．一部の材 料については金属組織の面からも 考察するものとする．. -16-.
(17) （３）壊食に対 する流れ構造 の関係. 調節弁を通過する流 れを 1 次元的に解釈する限り. では，流路形状の改良は 弁構造の全体に及 ぶことになり，先 に示した耐キャビテーション 弁室構造のように，大型 ・重量化が必然となってしまう．これに対して，壊食 の発生位置 を限定できれば，流 路 形 状の微調整や，耐壊食性材料の部 分 的な適用などの最小限の改良 によって，大きく性能が 改善できるといえる． キャビテーション壊食の 発生位置をできるだけ正確に把握するためには，当然，実機弁 を直接に使用したキャビテーション壊 食 実 験が望まれる．しかし，調査対象に 比較して試 験設備と使用動力が大 規 模になることから ，実際は短時間で 結果を得ることのできる加速 実験が一般的となっている．前節１．２．２（１）に述べた仕切弁 (31) - (33) とバタフライ弁 (34),(35) に関する調査では，模型実験か ら衝撃圧力の分布 が測定されており，木 村ら (36) は弱い結合 の焼結金属を低い耐 壊 食 性の材料として取 り上げ，流体条件 に対する壊食傾向 を明らかに している．ただし，実 機 弁とのスケール効 果と実用材料への 適用法までは言及 されておら. -17-.
(18) ず，予測精度が検証されるまでには至ってない．模型実験か ら壊食の発生位置 を特定する に際しては，少なくても ，模型実験に よ っ て見出した流れ構 造が高圧力水準で も保たれる 可能性を指摘する必要があるといえる． 壊食の発生位置が特定されれば，次の検討項目 は壊食量の見積となる．その理由として は，長時間壊食されない 金属材料は存在しないことから，壊 食が発生する状 況 下では定期 的な点検・部品交換が必 要となるためである(77) ．直前の節で紹介した Stiles (45) によるコン タードプラグ弁の壊 食 実 験は，実プラント の流体条件を再現 したごく稀な調 査 例であり， 弁上流圧力水準による壊食量への影響が明 らかにされている ．多様な流体パラメーターに 対してもこのような影響 を明らかにするためには，振動式や 水中噴流によるキャビテーシ ョン壊食試験において潜伏期， 定常期 などの 進 行 段 階が区分 されるように (78),(79) ，コンタ ードプラグについて特有 の壊食過程を明らかにし，特徴的な 段階における壊 食 率を流体条 件と関係付けることが重 要であるといえる ．さらに，先の加速実験について， 流体条件や 材料の適用範囲を拡張で きる形でキャリブレーション実験の 方法が提示で き れ ば，壊食量 の予測にたいへん有用なものとなろう． 壊食率を流体パラメーターに関係付ける方 法としては ，基礎的な流れによるキャビテー ション壊食の研究成果が 応用できると考えられる．代表的なものとして，水中水噴流の衝 突試験を挙げておく．こ の研究は，流体機器全般への適用を 目的とするほかに ，加工用途 へも応用分野を広げるために多数実施されており，現在は， 試験結果を統一的 に扱えるよ うに，試験装置と実施方法 が規格化 さ れ て い る( 7 8 ) ．この方法により，Lichtarowicz( 80 ) と清 水ら (81) は，最大壊食率の弁上流圧力に対する関 係を図１．９のように明らかにし ，次式に 示すような法則性を見出 している；. M ∝ P U n ∝ VT 2 n , T peak. ここに，. n = 3.5 ~ 4.2. (1.7). M：壊食質量の総量，T：開始からの実験時間，V T ：噴流速度．. 付着泡による壊食に関しても，Knapp (82) と村井 (83) らによって，半球形状の物体 に付着キ ャビテーション泡を発生 させる実験が行わ れ，壊食ピット数 の増加率が流速のべき乗に比 例する法則性が同様に見 出されている． 調節弁についても，壊食の原 因が噴流の衝突や 付着泡の発生であると想定されれば，こ. -18-.
(19) れらの実験則が適用可能 になるといえる． 本 論文では，調節弁内部流 れの基本構造を検 討 することにより，壊食の 主原因を噴流の衝 突 に特定する．すなわち， 壊食率を水 中 水 噴 流 の実験則から説明する試 みを行い，流体パ ラ メーターによって表現す る実験式を提示す る ものとする． これらような基礎的な流れ形態について は，気泡力学に基づいた 簡単な解析も行わ れ ている．山口 (84),(85) は，水中水噴流について ， キャビテーション気泡が 噴流に沿って成長 す るとの想定から噴 流 衝 突 時の気泡崩壊圧力 を 算出し，壊食質量の予 測 法を提案している ． 橋本 (86) らは，翼上を移流 するキャビテーショ ン泡について，気泡内部 の圧力を静圧分布 に 沿って計算し，崩 壊 時 圧 力の流速依存性が 実 験結果と一致することを 述べている ．しかし ， 前者については，実験的 に定めるパ ラ メ ー タ ーが多いため，適用で き る範囲は限ら れ る よ うであり，後者に つ い て は，解析の精度を 確 保するために，静圧分布 をかなり精密に把 握 しなければならないようである．このように ， 気泡力学による方法を直 ちに流体機器へ適 用 するには，難点が多い の が実状であり，本 研 究でもそこまでは言及していない．. -19-.
(20) １． ３. 本論文 の概要. 本論文は６章から構成 されている．以下 に，各章の概要を 述べる． 第１章では，序論として，本研究の 目的，従来の研 究，および研究 の概要を述べ て い る． 調節弁のキャビテーションに関する問題例 と開発技術例，そして現在の研 究 概 要を示し， 本論文の位置付けと目的 を述べている．ま た，調節弁のキャビテーションと壊 食を直接に 対象とした研究のほかに ，調節弁へ の応用が検討さ れ る種々の研究ついても概説し て い る． 第２章では，本研究で 用いた水流実験設備の構成と試験弁 の構造，および流体計測とキ ャビテーション特性の計 測・分析法，さらには壊食の評価法 について述べ て い る．水流実 験設備として，壊食実験 に用いる 20MPa 水準の設備，高い圧力で 観察を可能にする 5MPa 水準の設備，および，観 察と同時に詳細な 流体計測を行う 1MPa 水準の設備について説明 している．主対象 とするのは高圧用 ニードル形プラグ を有するコンタードプラグ弁で あ り， これとともに，通常の圧力水準で使用さ れ る汎用のプラグ形 状と，これに装備 されること の多い多孔筒についても 言及している．水流実験では，流体計測とともに，試験水の溶存 酸素量や pH の化 学 的 要 因もパラメータとしている．キャビテーション特性としては，流 体条件のほかに振動と騒 音にも注目し，計 測・分析を行っている．低圧観察実験では，供 試プラグに特殊な加工を 施し，多点圧力計測や流速分布のレーザ計測などを可 能としてい る．本章ではさらに，これらの計測系と， 壊食質量やプラグ 形状，壊食部周辺 の金属組織 などの壊食評価法に つ い て概説している． 第３章では，キャビテーションの発生に 関係する調節弁内部流れの特徴について明らか にしている．初め に，1MPa 水準における観察実験に よ り，キャビテーション泡 群の形態 を発生位置によって，プラグ特性面上を移 流するもの，リム または特性面肩部 に付着する もの，および多孔筒開口部から発生するものに分類し，それぞれの圧力条件・ 開度範囲を 特定している．次いで ，初生直前の流 れを対象に非定常 Navier -Stokes 方程式の数値解析を 行い，それぞれの形態の 気泡発生位置には 強い渦が存在し， 瞬時的に大きく圧力低下する ことを確認している．こ の圧力水準で用いられる汎用プラグ に関しては，各種 のプラグ形 状，および併用される多孔筒について，キャビテーション初 生の観点から評価 している． リム付着泡に対しては， せん断渦放出モ デ ルに基づいた初生 キャビテーション 係数の予測 式を適用し，その有効性 を明らかにしている．さらに，高圧力水準で使用さ れ るニードル. -20-.
(21) 形プラグに関しては，弁差圧 20MPa の条件下で絞り部すきま区間を 対象に，1 次元流れを 仮定した境界層解析を行 っている．こ れ よ り，その区間の圧力変化過程は先の 数値解析に よるものと相似で る こ と が示され，20MPa 水準と 1MPa 水準の間では流量特性 がほぼ一致 することからも，流れの構造は弁上流圧力が 20MPa 程度まで基本的に変わ ら な い可能性が 高いことを指摘している ．このような推定 の下で，キャビテーション壊食の発生位置をプ ラグ閉切部に特定し て い る． 第４章では，20MPa の圧力水準で行ったキャビテーション水流実験 の結果を示し，調節 弁のキャビテーション壊 食に影響する要因 について明らかにしている．最初に ，耐壊食材 料として常用されるステンレス鋼 SUS316 を使用し，調節弁 の作動条件である 弁開度，弁 下流圧力，および弁上流圧力に関して調査 している．壊食の 発生位置は，前章 にて予測し た通りにほぼプラグ閉 切 部へ集中しており ，壊食質量の増 加 率は，弁通過流量 が増加し， キャビテーション係数が 低下するに従って 著しく増加することを明らかにしている．プラ グ周囲の流れパターンを 変更した調査では ，プラグ閉切部の 後退と，絞り部すきま流路の 伸長，プラグ表面の円 滑 化，および，のど 部流路の偏心を抑 えることによって 壊食が軽減 することを明らかにしている．水質に関しては，壊食質量の 増加率が最大と な る溶存酸素 量を示すとともに，極低溶存量では著しく 壊食が軽減されることを明らかにしている．次 いで，耐壊食性材料と し て実用される各種金属材料を取り上 げて比較評価を行 い，硬度を 考慮した上での耐壊食性 を，最高の も の か らステライト，チタン合金，工具鋼 ，ステンレ ス鋼，超硬焼結材として 順位付けしている ．ステンレス鋼は 数鋼種を用意し， チタン合金 は熱処理条件をいくつかに設定して比較を 行うとともに ，壊食面直下 の金属組織を観察 し， 耐壊食性との関係に つ い て考察している． 以上より，流 体 条 件に対する調節弁 の選定や流 路形状の設計，材料の適 用について，具 体 的な指針を提示している． 第５章では，壊食の進行過程について法 則 性を見出し，寿命 としての使用限度 を診断・ 予測する方法について検 討を行っている． ステンレス鋼 SUS316 に発生する壊食面の特徴 と壊食質量の増加率を評 価し，壊食の段階 を増加率の緩や か な初期段階と，これに続いて 増加率が急激に増加する 成長期段階に分類 している．それぞれの段階において ，壊食質量 を流体パラメータと使用時間によって表現 する実験式を提示 し，さらに，初期段階の壊食 質量率に関しては，従来 の調査例から普 遍 性を検証している ．次いで，壊食による調節弁 の閉切機能劣化として ，漏洩流量の増加傾向を壊食質量 との関係で示している．こ れ よ り， 漏洩流量が調節弁の最小調整可能量に達す る時点をもって寿 命を診断し，そ こ に至るまで. -21-.
(22) の使用時間を作動条件か ら予測する可能性 について言及している．最後に，壊食質量の予 測から漏洩流量の診断に 至る一連の手順を 整理し，材 料などの適 用 範 囲が拡張できる形 で， 調節弁寿命の予測・診 断 法として提案を行 っている． 第６章では，結論として，以上 の研究で得られた 成果を総括して述 べるとともに，今後 検討すべき問題点を示している．. -22-.
(23)
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