プラスチックバルブは、工業システム向けのプラスチック配管製品の製造・設計者や、超クリーン機器の設置を義務付けられる人々にとって、特殊な製品とみなされることもありますが、これらのバルブが汎用性に乏しいと考えるのは短絡的です。実際には、今日のプラスチックバルブは幅広い用途に利用されています。材料の種類が増え、それらの材料を必要とする優れた設計者が増えているため、これらの汎用性の高いツールの活用方法はますます増えています。
プラスチックの特性
熱可塑性バルブの利点は多岐にわたります。耐腐食性、耐薬品性、耐摩耗性、滑らかな内壁、軽量、設置の容易さ、長寿命、ライフサイクルコストの低減などです。これらの利点により、プラスチックバルブは、給水、廃水処理、金属・化学処理、食品・医薬品、発電所、石油精製所など、商業・産業用途で広く受け入れられています。
プラスチックバルブは、様々な構成で様々な材料から製造できます。最も一般的な熱可塑性バルブは、ポリ塩化ビニル（PVC）、塩素化ポリ塩化ビニル（CPVC）、ポリプロピレン（PP）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）で作られています。PVCおよびCPVCバルブは、一般的に溶剤接着ソケット端、またはねじ込みフランジ端によって配管システムに接続されます。一方、PPおよびPVDFバルブは、熱融着、突合せ融着、または電気融着のいずれかの技術によって配管システムコンポーネントを接合する必要があります。
熱可塑性バルブは腐食性環境に優れていますが、鉛フリー1、耐脱亜鉛性、そして錆びないことから、一般的な水道サービスにも同様に有用です。PVCおよびCPVC配管システムとバルブは、付属書Gの低鉛要件を含む、健康への影響に関するNSF（米国国家衛生財団）規格61に基づいて試験および認証を受ける必要があります。腐食性流体に適した材料を選択するには、メーカーの耐薬品性ガイドを参照し、温度がプラスチック材料の強度に与える影響を理解する必要があります。
ポリプロピレンはPVCやCPVCの半分の強度しかありませんが、溶剤がないため、最も汎用性の高い耐薬品性を備えています。PPは濃酢酸や水酸化物に対して優れた性能を発揮し、ほとんどの酸、アルカリ、塩、そして多くの有機化学物質のより穏やかな溶液にも適しています。
PPは着色PPと無着色PP（天然PP）の2種類があります。天然PPは紫外線（UV）によって著しく劣化しますが、2.5%を超えるカーボンブラック顔料を含む化合物は、十分なUV安定性を備えています。
PVDF配管システムは、その優れた強度、使用温度範囲、そして塩分、強酸、希塩基、そして多くの有機溶剤に対する耐薬品性により、製薬から鉱業まで幅広い産業用途で使用されています。PPとは異なり、PVDFは日光による劣化がありません。しかし、このプラスチックは日光に対して透明であるため、流体を紫外線にさらす可能性があります。無着色の天然PVDFは高純度の屋内用途に最適ですが、食品グレードの赤色などの顔料を添加することで、流体に悪影響を与えることなく日光にさらすことができます。
プラスチックシステムには、温度や熱膨張・収縮に対する敏感さといった設計上の課題がありますが、エンジニアは一般環境および腐食性環境向けに、長寿命で費用対効果の高い配管システムを設計することが可能であり、実際に設計に取り組んでいます。設計上の主要な考慮事項は、プラスチックの熱膨張係数が金属よりも大きいことです。例えば、熱可塑性プラスチックは鋼鉄の5～6倍です。
配管システムを設計し、バルブの配置やバルブ支持部への影響を考慮する際、熱可塑性プラスチックの熱伸びは重要な考慮事項です。熱膨張と収縮によって生じる応力と力は、配管システムに柔軟性を持たせることで軽減または排除できます。これは、配管システムの方向を頻繁に変更したり、膨張ループを導入したりすることで実現できます。配管システムに柔軟性を持たせることで、プラスチックバルブが吸収する応力を軽減できます。
熱可塑性プラスチックは温度に敏感であるため、バルブの圧力定格は温度上昇に伴って低下します。様々なプラスチック材料は、温度上昇に応じて圧力低下を起こします。流体温度は、プラスチックバルブの圧力定格に影響を与える唯一の熱源ではない場合があります。設計時には、最大外部温度を考慮する必要があります。配管の外部温度を考慮しない設計では、配管サポートの不足により過度のたわみが生じる場合があります。PVCの最高使用温度は140°F（約62℃）、CPVCの最高使用温度は220°F（約91℃）、PPの最高使用温度は180°F（約83℃）、PVDFバルブは最大280°F（約135℃）まで圧力を維持できます。
一方、温度スケールの反対側では、ほとんどのプラスチック配管システムは氷点下でも問題なく機能します。実際、熱可塑性配管の引張強度は温度低下とともに増加します。しかし、ほとんどのプラスチックは耐衝撃性が低下し、影響を受けた配管材料に脆性が現れます。バルブや隣接する配管システムが乱れず、物体の衝撃や衝突による損傷がなく、取り扱い中に配管を落とさない限り、プラスチック配管への悪影響は最小限に抑えられます。
熱可塑性バルブの種類
ボールバルブ、チェックバルブ、バタフライバルブ、ダイヤフラムバルブは、スケジュール80圧力配管システム向けに、様々な熱可塑性材料で提供されており、豊富なトリムオプションとアクセサリも備えています。標準ボールバルブは、接続配管を中断することなくバルブ本体の取り外しを容易にする、ユニオン構造が最も一般的です。熱可塑性チェックバルブには、ボールチェック、スイングチェック、Yチェック、コーンチェックがあります。バタフライバルブは、ANSIクラス150のボルト穴、ボルトサークル、および全体寸法に準拠しているため、金属フランジと容易に嵌合します。熱可塑性部品の滑らかな内径は、ダイヤフラムバルブの精密な制御をさらに高めます。
PVCおよびCPVC製のボールバルブは、米国および海外の複数の企業によって、1/2インチから6インチまでのサイズで製造されており、ソケット、ねじ込み、またはフランジ接続が可能です。現代のボールバルブの真のユニオン設計は、本体にねじ込まれる2つのナットで構成されており、本体とエンドコネクタ間のエラストマーシールを圧縮します。一部のメーカーは、隣接する配管を変更することなく古いバルブを簡単に交換できるように、ボールバルブの敷設長とナットのねじ山を数十年にわたって同じに維持しています。
エチレンプロピレンジエンモノマー（EPDM）エラストマーシールを備えたボールバルブは、飲料水で使用する場合、NSF-61G認証を取得する必要があります。フッ素系（FKM）エラストマーシールは、化学適合性が懸念されるシステムで代替として使用できます。FKMは、塩化水素、塩水、塩素化炭化水素、石油を除き、鉱酸を使用するほとんどの用途で使用できます。
1/2インチから2インチまでのPVCおよびCPVC製ボールバルブは、最大非衝撃水圧が73°F（摂氏約24℃）で250psiに達する温水および冷水用途に適した選択肢です。2-1/2インチから6インチまでの大型ボールバルブは、73°F（摂氏約24℃）で150psiという低い圧力定格となります。薬品輸送で一般的に使用されるPPおよびPVDF製ボールバルブ（図3および図4）は、1/2インチから4インチまでのサイズで提供され、ソケット、ネジ、またはフランジ接続で、最大非衝撃水圧が常温で150psiであることが一般的です。
熱可塑性ボールチェックバルブは、水よりも比重の小さいボールを使用しているため、上流側で圧力が失われた場合、ボールはシール面に向かって沈み込みます。これらのバルブは、システムに新しい材料を導入する必要がないため、同様のプラスチック製ボールバルブと同様に使用できます。他のタイプのチェックバルブには、腐食環境では耐久性が劣る可能性のある金属スプリングが使用されている場合があります。
2インチから24インチまでのサイズのプラスチック製バタフライバルブは、大口径の配管システムによく使用されます。プラスチック製バタフライバルブのメーカーは、構造とシール面に関して様々なアプローチを採用しています。エラストマーライナー（図5）またはOリングを使用するメーカーもあれば、エラストマーコーティングされたディスクを使用するメーカーもあります。また、本体は単一素材で作られている場合もありますが、内部の接液部品がシステム材料として使用されます。例えば、ポリプロピレン製バタフライバルブ本体には、EPDMライナーとPVCディスクが使用されている場合もあれば、一般的な熱可塑性樹脂とエラストマーシールを組み合わせた様々な構成が採用されている場合もあります。
プラスチック製バタフライバルブは、ウェーハ型に製造され、本体にエラストマーシールが組み込まれているため、取り付けは簡単です。ガスケットの追加は不要です。2つのフランジの間に設置されたプラスチック製バタフライバルブをボルトで締め付ける際は、推奨ボルトトルクまで3段階に分けて段階的に締め付けていくなど、慎重に行う必要があります。これは、バルブ表面全体に均一なシールを確保し、不均一な機械的応力がバルブにかからないようにするためです。
金属バルブの専門家にとって、ホイールとポジションインジケーターを備えたプラスチック製ダイヤフラムバルブの優れた機能はお馴染みでしょう（図6）。しかし、プラスチック製ダイヤフラムバルブには、熱可塑性樹脂製の本体の滑らかな内壁など、独自の利点がいくつかあります。プラスチック製ボールバルブと同様に、これらのバルブは、特にバルブのメンテナンス作業に便利な、真のユニオン設計を採用するオプションがあります。また、フランジ接続を選択することもできます。本体とダイヤフラムの材質には様々な選択肢があるため、このバルブは様々な化学用途に使用できます。
他のバルブと同様に、プラスチックバルブを作動させる鍵は、空気圧か電気か、直流か交流かといった動作要件を決定することです。しかし、プラスチックバルブの場合、設計者とユーザーはアクチュエータを取り巻く環境の種類も理解する必要があります。前述のように、プラスチックバルブは、外部腐食環境を含む腐食性の高い状況に最適です。そのため、プラスチックバルブ用アクチュエータのハウジング材質は重要な考慮事項です。プラスチックバルブメーカーは、プラスチックカバー付きアクチュエータまたはエポキシコーティングされた金属ケースの形で、これらの腐食性環境のニーズを満たすオプションを提供しています。
この記事が示すように、今日のプラスチックバルブは、新しい用途や状況にあらゆる種類の選択肢を提供しています。
投稿日時: 2020年7月30日