JP2012032168A - 弁の性能評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体移送系統の配管がいかなる形状であっても、プラントに設置される弁の性能を正確に評価する弁の性能評価方法を提供する。
【解決手段】プラントに用いられる配管４及び弁３内部の３次元形状を計測する工程と、前記配管４及び弁３内部の３次元形状のデータベースを作成する工程と、前記３次元形状のデータベースから性能評価対象の弁３及び当該弁に接続される配管４を抽出し、それらを組み合わせた弁−配管モデル６を作成する工程と、前記弁−配管モデル６に計算流体力学法を適用し、前記性能評価対象の弁のＣ_Ｖ値を算出する工程と、算出したＣ_Ｖ値のデータベースを作成する工程と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種プラントの配管系統に用いられる弁の性能評価方法に関する。

各種プラントでは、様々な形状の配管系統及び多数の弁が設置されている。例えば、流量調節弁は通過する流体の流量を調節するが、設置場所に応じて、エルボを有する配管等、様々な形状の配管に接続されている。

一般に、弁の性能を表し指標として弁の流れやすさを示すＣ_Ｖ値が用いられており、弁設計を行う際、弁が装着される場所の系統条件を満足するような計画Ｃ_Ｖ値を有する弁が用いられる（特許文献１，２）。

各弁は工場出荷時に試験等によりＣｖ値（以下、「計測Ｃｖ値」という。）が求められ、計画Ｃｖ値に合致する弁が用いられるが、当該弁を実際に実プラントに設置した後、弁の性能を確認するために、実プラントに設置された弁のＣｖ値（以下、「実測Ｃｖ値」という。）を計測し、当該弁に要求される計画Ｃｖ値と同等であるか否かを確認している。

なお、Ｃ_Ｖ値とは、式（１）で示されるように、弁出入口差圧を１ｐｓｉ（６．８９５ｋＰａ）にとって６０°Ｆ（１５．６℃）の水を流した場合の流量をＵＳガロン／分（ｇｐｍ）で表した数値である。
Ｃ_Ｖ＝Ｑ・（Ｇ／ΔＰ）^１／２・・・（１）
ここで、Ｑ：流量（ｇｐｍ）、Ｇ：比重、ΔＰ：弁差圧

特開２００３−２３２６５８号公報 特開２００３−２９４５０１号公報 特開２００１−１５９４７５号公報

上述したように、実プラントで各種弁を更新又は新設する場合、弁の性能を確認するため、実測Ｃ_Ｖ値を計測しているが、現場でＡＮＳＩ／ＳＡ−７５．０２で規定された条件で計測できることはきわめて希であり、実際には当該弁に接続されている配管の形状、配置等の影響により、正確に実測Ｃｖ値を求めることは困難であった。

また、弁の製造工程において、弁棒の疲労損傷事象対策として、弁体にガイド等を設ける構造変更などが行われるが、弁内部構造が多様化するため、弁差圧を正確に算出することは試験データの蓄積だけでは困難であった。そのため、工場出荷時に計測された計測Ｃｖ値には、誤差が含まれており、要求される計画Ｃ_Ｖ値と比較すると、配管系の影響によるものか、計測Ｃ_Ｖ値の誤差によるものか、判断に迷う場合があった。

さらに、中間開度における計画Ｃ_Ｖ値は、工場出荷時に計測された計測Ｃ_Ｖ値（ＡＮＳＩ等で規定された条件下で計測した値）に対して流れやすい方に大きくずれることがある。この計画Ｃ_Ｖ値を弁開度ごとに示したものがＣ_Ｖ曲線図である。通常、キャビテーション発生の指標となるキャビテーション係数は、このＣｖ曲線図から任意の弁開度におけるＣｖ値を読み取り、設計条件から与えられる流量を用いて、弁差圧を算出する（特許文献３）。そして、弁差圧と流体温度における飽和蒸気圧を用いて、キャビテーション係数を算出する。

したがって、実測Ｃｖ値と計画Ｃｖ値が大きくずれているとキャビテーション係数の精度が劣るため、キャビテーションによる弁棒の疲労評価の精度も劣ることになる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、実プラントに設置される弁のＣｖ値を正確に算出することにより、弁の性能を高精度で評価することができる高信頼性の弁の性能評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の弁の性能評価方法は、プラントに用いられる配管及び弁内部の３次元形状を計測する工程と、前記配管及び弁内部の３次元形状のデータベースを作成する工程と、前記３次元形状のデータベースから性能評価対象の弁及び配管を抽出し、それらを組み合わせた弁−配管モデルを作成する工程と、前記弁−配管モデルに計算流体力学法を適用し、前記性能評価対象の弁のＣ_Ｖ値を算出する工程と、算出したＣ_Ｖ値のデータベースを作成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、各種プラントに設置される弁が、どのような形状の配管に接続されていても、弁のＣｖ値を正確に算出することができる。

本発明の実施形態１に係る弁の性能評価方法のフローチャート。 弁の内部形状を示す図。 弁−配管モデルの例を示す図。 本発明の実施形態２に係る弁の性能評価方法のフローチャート。 本発明の実施形態３に係る弁の性能評価方法のフローチャート。 本発明の実施形態４に係る弁の性能評価方法のフローチャート。 本発明の実施形態５に係る弁の性能評価方法のフローチャート。

以下、本発明の実施形態に係る弁の性能評価方法を、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
実施形態１に係る弁の性能評価方法の各ステップ（Ｓ１−Ｓ７）を図１により説明する。
実プラントでは、多数の弁が、それぞれ様々な形状の配管又は継手に接続されている。これらの弁は、設置場所の系統条件に基づいてそれぞれ計画Ｃ_Ｖ値が定められている。

（Ｓ１）
Ｓ１において、実プラントに配置される弁３の内部形状と各弁に接続される配管４の外部形状を３次元形状計測装置により個別に計測する。光学方式の３次元形状計測装置は、計測対象である配管４にレーザ光を照射し、反射光を読み取って形状を計測する。管の肉厚が既知であるので、配管４の外部形状から配管４の内部形状を求めることができる。

弁３の内部形状は同様に３次元形状計測装置により計測する。その際、弁体２及び弁箱の内部形状は個別に計測し、弁体２の開度に応じた弁３の内部形状を演算処理により求めることがでる。さらに、実際の弁を模擬した模擬弁を用いて内部形状を測定してもよい。

（Ｓ２）
Ｓ２において、得られた配管の内部形状及び弁の内部形状についてデータベースを作成する。このデータベースは配管の内部形状のデータベースと弁の内部形状のデータベースから構成される。

（Ｓ３）
Ｓ３において、性能評価の対象となる弁について、配管の内部形状データベースと弁の内部形状データベースからそれぞれ該当する弁及び配管を抽出し、３Ｄ−ＣＡＤ化を行うとともに当該配管と弁を組み合わせた弁−配管モデルを作成する。

図３は、弁３とエルボ５を有する配管４の弁−配管モデル６の例を示している。弁−配管モデル６の範囲は、通常、配管４の径の１０倍程度に設定されるが、これに限定されず、流量が定常状態になる範囲に設定してもよい。

（Ｓ４）
Ｓ４において、Ｓ３で求められた弁−配管モデル６に対して計算流体力学法（Computational Fluid Dynamics，ＣＦＤ）により弁差圧を計算しＣ_Ｖ値を算出する。なお、ＣＦＤとは、流体の運動に関する方程式をコンピュータで解くことによって流れを解析する手法である。

（Ｓ５）
Ｓ５において、ＣＦＤの計算結果から、Ｃ_Ｖ値及びＣｖ曲線図のデータベースを作成する。

（Ｓ６）
一方、Ｓ６において、実プラントに設置された弁に対して実試験により実測Ｃ_Ｖ値を計測し、この実測Ｃ_Ｖ値とＳ５におけるＣ_Ｖ値データベースのＣ_Ｖ値を比較確認する。

（Ｓ７）
Ｓ７において、計画Ｃ_Ｖ値とＣ_Ｖ値データベースのＣ_Ｖ値を比較確認する。

以上説明したように、本実施形態１によれば、実プラントに設置される弁と配管の形状をそれぞれデータベース化し、性能評価対象とする弁−配管モデルを作成することにより、性能評価対象とする弁のＣｖ値を短時間で正確に求めることができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る弁の性能評価方法を図４により説明する。
本実施形態２の弁の性能評価方法は、キャビテーション発生の指標であるキャビテーション係数を算出し、自励振動発生の臨界流速を予測することに関する。

現状のキャビテーション係数の算出は、以下の方法により行われる。流量は設計条件の流量を用い、任意の弁開度におけるＣ_Ｖ値は、計画Ｃ_Ｖ値を基にして作成したＣ_Ｖ曲線図から読み取る。これらをＣ_Ｖ値の算出式（１）から導いた次式（２）に代入することにより、弁差圧ΔＰを算出する。
ΔＰ＝Ｑ^２／Ｃ_Ｖ ^２・Ｇ・・・（２）

そして、流体温度に基づいて、蒸気表より飽和蒸気圧を求める。弁差圧と流体温度における飽和蒸気圧を用いて、キャビテーション係数Ｋmを次式（３）により算出する。
Ｋm＝ΔＰ／（Ｐ_１−Ｐ_Ｖ）・・・（３）
ここで、ΔＰ：弁差圧、Ｐ_１：弁入口圧力、Ｐ_Ｖ：流体温度における飽和蒸気圧力

この現状のキャビテーション係数の算出法において、計画Ｃ_Ｖ値に誤差がある場合には、弁差圧にも誤差が含まれることになるため、算出されたキャビテーション係数の精度が低くなる場合があった。
そこで、本実施形態２では、実施形態１の弁−配管モデルを用い、ＣＦＤにより弁のキャビテーション係数を算出し、自励振動発生の臨界流速を予測している。

図４により、弁の性能評価方法の各ステップ（Ｓ２１，Ｓ２２）を説明する。
（Ｓ２１）
実施形態１のＳ３において、配管と弁を組み合わせた弁−配管モデル６を作成しているが、Ｓ２１において、弁−配管モデル６に対してＣＦＤによる計算を行い、任意の弁開度での弁入口圧力と弁出口圧力を算出する。算出された弁入口圧力と弁出口圧力の差をとることにより、弁差圧を計算する。そして、流体温度に基づいて、蒸気表より飽和蒸気圧を求め、弁差圧と流体温度における飽和蒸気圧を用いて、キャビテーション係数Ｋmを式（３）により算出する。

（Ｓ２２）
Ｓ２２において、キャビテーション係数Ｋmの大きさにより、キャビテーション発生の有無を判定する。管内流速が臨界流速を越えると自励振動が生じ、不安定振動が発生する。任意の開度におけるキャビテーション係数を評価することにより、自励振動が発生する臨界流速算定式の使い分けを行っている。

キャビテーション発生がない場合、管内の臨界流速Ｖr_crを（４）式により求め、キャビテーション発生がある場合、管内の臨界流速Ｖr_crを（５）式により求める。ここで、Ｃnは、弁体の質量の関数（換算減衰）である。
Ｖr_cr＝０．２３１×Ｃn^{０．２２７}・・・（４）
Ｖr_cr＝０．１６４×Ｃn^{０．３５０}・・・（５）

本実施形態２によれば、弁−配管モデルを用いることにより、弁差圧を精度良く算出することが可能となるので、キャビテーション係数を正確に算出することができる。また、弁棒の健全性に影響を及ぼす自励振動の発生を判断する臨界流速を、キャビテーションの有無により異なる算定式を用いて精度良く算出できるので、弁の自励振動の発生を精度良く評価することが可能となる。

（実施形態３）
実施形態３の弁の性能評価方法を図５により説明する。
実プラントに設置された弁がキャビテーション等の事象により弁棒に有意な損傷が確認される等の不具合が発生した場合、重要な系統に設置された他の同様な弁に対しても対策を講じる必要がある。そのために、各弁のキャビテーション係数を算出して類似の弁を抽出する必要があるが、そのためには膨大な作業が必要となる。さらに、現状では、精度が低いキャビテーション係数を用いるため、抽出された類似の弁が真に対策が必要な弁であるか判断に迷う場合がある。

そこで、本実施形態３では、キャビテーション係数のデータベースを用い、不具合が発生する可能性のある類似の弁を抽出する。

図５により、弁の性能評価方法の各ステップ（Ｓ３１，Ｓ３２）を説明する。
（Ｓ３１）
実施形態２のＳ２１において、実プラントに設置された弁のキャビテーション係数を算出しているが、本実施形態３では、Ｓ３１において、実プラントの複数の弁−配管モデルに計算流体力学法を適用してキャビテーション係数を算出し、各弁のキャビテーション係数のデータベースを作成する。

（Ｓ３２）
Ｓ３２において、不具合が発生した弁のキャビテーション係数をキャビテーション係数のデータベースから検索し、同等のキャビテーション係数を有する弁を抽出する。すなわち、データベースのキャビテーション係数とキャビテーションによる自励振動発生の閾値を比較することにより、その閾値を上回り、不具合が発生する可能性のある類似の弁を抽出する。

本実施形態３によれば、実プラントに設置された弁のキャビテーション係数のデータベースを作成することにより、不具合が発生する可能性のある類似の弁の抽出が容易となる。また、精度の高いキャビテーション係数を用いるため、不具合が発生する可能性のある類似の弁を確実に抽出することが可能となる。

（実施形態４）
図６により、実施形態４の弁の性能評価方法を説明する。
実プラントの所定箇所に設置される弁を新規に設計する際は、要求Ｃ_Ｖ値を満足するような内部形状を有する弁を選定する必要がある。その内部形状より算出した計画Ｃ_Ｖ値に誤差がある場合には、実機に設置した弁の使用に制限が課せられる場合がある。このため、設計した弁のＣ_Ｖ値の確実性を増すためは、ＡＮＳＩで規定された厳しい条件の下、流量、圧力を計測しＣ_Ｖ値を算出する必要があるが、そのために多大な労力及び時間を必要とする。

そこで、本実施形態４では、新規に設計する弁の要求Ｃｖ値と、Ｃｖ値のデータベースに登録されたＣｖ値を比較し、同等となるＣｖ値を抽出することで、設計段階で精度の高いＣｖ値が与えられるため、新規に設計する弁の内部形状を、設計条件に合致した適切な内部形状にすることができる。

図６により、弁の性能評価方法の各ステップ（Ｓ４１，Ｓ４２）を説明する。
（Ｓ４１）
本実施形態４では、Ｓ４１において、実プラントの所定の箇所に設置される新規の弁のＣｖ値が要求Ｃ_Ｖ値を満たすように、Ｃ_Ｖ値データベースから要求Ｃｖ値と同等のＣ_Ｖ値の弁を抽出する。ここで、Ｃ_Ｖ値のデータベースには複数の内部形状を有する弁と所定の配管構成を有する複数の弁−配管モデルについてＣ_Ｖ値のデータベースが作成されている。

（Ｓ４２）
Ｓ４２において、このＣｖ値を有する抽出された弁の内部形状を新規な弁の内部形状として決定する。
本実施形態４によれば、新規に設計する弁の要求Ｃ_Ｖ値と、データベースに登録されたＣ_Ｖ値を比較し、同等となるＣ_Ｖ値を抽出することで、設計段階で精度の高いＣ_Ｖ値が与えられるため、設計条件に合致した内部形状を有する弁を設計することができる。

（実施形態５）
実施形態５の弁の性能評価方法を図７により説明する。
弁内部部品に作用する圧力を測定にするには、現状では圧力計を弁内部に設置する等の大掛かりな試験設備が必要であった。

そこで、本実施形態５は、実施形態１の配管と弁のモデルを用いて、ＣＦＤにより弁体、ベローズ等の弁内部部品に作用する圧力を算出している。

図７により、弁の性能評価方法のステップ（Ｓ５１）を説明する。
（Ｓ５１）
実施形態１のＳ３において、配管及び弁の内部形状データベースから３Ｄ−ＣＡＤ化を行い、弁−配管モデルを作成している。Ｓ５１において、この弁−配管モデルを用いてＣＦＤにより計算を行い、弁内部の圧力を算出する。そして、この圧力に基づき弁体、ベローズ等の弁内部部品に作用する圧力を計算する。

本実施形態５によれば、弁内部部品に作用する圧力を精度良く算定できることから、設計段階で弁内部部品が破損する可能性を評価できるので、弁内部部品に対する健全性評価を適切におこなうことができる。

１…弁箱、２…弁体、３…弁、４…配管、５…エルボ、６…弁−配管モデル。

Claims (7)

1. プラントに用いられる配管及び弁内部の３次元形状を計測する工程と、
   前記配管及び弁内部の３次元形状のデータベースを作成する工程と、
   前記３次元形状のデータベースから性能評価対象の弁及び配管を抽出し、それらを組み合わせた弁−配管モデルを作成する工程と、
   前記弁−配管モデルに計算流体力学法を適用し、前記性能評価対象の弁のＣ_Ｖ値を算出する工程と、
   算出したＣ_Ｖ値のデータベースを作成する工程と、を有することを特徴とする弁の性能評価方法。
2. 前記性能評価対象の弁のＣ_Ｖ値と実測Ｃ_Ｖ値を比較確認する工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の弁の性能評価方法。
3. 前記性能評価対象の弁のＣ_Ｖ値と計画Ｃ_Ｖ値とを比較確認する工程をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載の弁の性能評価方法。
4. 前記弁−配管モデルに計算流体力学法を適用し、弁のキャビテーション係数を算出する工程と、
   前記キャビテーション係数からキャビテーションの発生の有無を判定するする工程と、
   キャビテーションの発生の有無により、異なる臨界流速の算定式を用いて前記弁の自励振動の発生を予測する工程と、を有することを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の弁の性能評価方法。
5. プラントに用いられる弁のキャビテーション係数のデータベースを作成する工程と、
   不具合が発生した弁のキャビテーション係数と同等のキャビテーション係数を有する弁を前記キャビテーション係数のデータベースから抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項４に記載の弁の性能評価方法。
6. プラントの所定箇所に用いられる新規の弁の要求Ｃ_Ｖ値と同等のＣ_Ｖ値の弁を前記Ｃ_Ｖ値のデータベースから抽出する工程と、
   前記抽出した弁の内部形状を前記新規の弁の内部形状として決定する工程と、を有することを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載の弁の性能評価方法。
7. 前記弁−配管モデルに計算流体力学法を適用し、弁内部の圧力を算出する工程を有することを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載の弁の性能評価方法。

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