道具ケア完全ガイド

産業用バルブの劣化診断と寿命予測、パッキン・アクチュエーターのメンテナンス

はじめに

産業設備において、バルブは流体制御の要として極めて重要な役割を担っています。配管ラインの遮断、流量調整、圧力制御など、その機能停止や不具合はプラント全体の操業に重大な影響を及ぼす可能性があります。バルブには手動弁、自動弁（制御弁やオンオフ弁）、安全弁など多岐にわたる種類が存在し、それぞれ構造やメンテナンスのポイントが異なります。

設備メンテナンスに携わるプロフェッショナルとして、バルブの劣化を早期に診断し、計画的なメンテナンスを実施することは、設備の安定稼働と長寿命化に不可欠です。本稿では、産業用バルブ、特に工場で一般的に使用される手動弁と自動弁に焦点を当て、その劣化診断方法、寿命予測の考え方、そして現場で実践できる具体的なメンテナンス手法について解説します。

産業用バルブの主な種類と診断の基本

産業用バルブは、機能や構造により様々な種類に分類されます。メンテナンスにおいては、対象となるバルブの種類に応じた構造理解が診断の出発点となります。

主なバルブの種類とその特徴：

• 手動弁:
  • ゲート弁: 全開または全閉で使用される遮断弁。シート面摩耗による内漏れ、ステム部パッキンからの外漏れが発生しやすい。
  • グローブ弁: 流量調整（調整弁）や遮断に使用される。ディスクとシート間の摩耗・損傷、ステム部パッキンからの外漏れ、ディスクの固着などが起こりうる。
  • ボール弁: 全開または全閉で使用される遮断弁。操作が容易。シートリングの劣化による内漏れ、ステム部からの外漏れが主なトラブル。高頻度開閉での摩耗に注意。
  • バタフライ弁: 大口径配管の遮断に多用される。構造がシンプル。弁体のゴムシートやディスクの損傷、シャフト部からの外漏れが起こりうる。
• 自動弁（制御弁・オンオフ弁）:
  • 上記のようなバルブ本体に、空気圧式または電動式のアクチュエーターが取り付けられたもの。
  • 診断は、バルブ本体の不具合に加え、アクチュエーターおよびその付帯機器（ポジショナー、電磁弁、リミットスイッチなど）の機能障害が重要となる。

基本的な診断は、視覚、聴覚、触覚、そして必要に応じた計測器を用いた観察から始まります。

• 視覚: 外観の腐食、損傷、漏れの兆候（液体・蒸気の付着、結晶化）、アクチュエーターの動作状況、指示計の値。
• 聴覚: 流体の通過音（内漏れの可能性）、アクチュエーターの動作音（異音、スムーズさの欠如）、振動。
• 触覚: バルブ本体や配管の異常な振動、アクチュエーターやモーターの異常発熱。
• 計測: 漏洩検知器による微細な漏れの検出、表面温度計、振動計、自動弁における信号値と開度フィードバック値の確認、空圧供給圧力。

バルブの劣化診断と寿命予測

バルブの劣化は、内部部品（シート、パッキン、ステム、ディスクなど）や外部部品（本体ケーシング、アクチュエーター）の摩耗、腐食、疲労によって進行します。これらの劣化を早期に発見し、将来的な故障を予測することは、計画保全において重要です。

劣化の兆候と診断

1. 漏れ:

   • 外漏れ: ステム部のグランドパッキンやOリング、本体フランジ部などからの流体漏出。視覚的な確認が基本ですが、高圧ガスや危険物流体の場合は漏洩検知器を使用します。グランドパッキンからの微細な漏れは、増し締めにより一時的に抑制できる場合がありますが、根本的にはパッキン交換が必要です。
   • 内漏れ: バルブ全閉時に、本来遮断されるべき流体が下流側に漏れ出す現象。シート面やディスクの損傷、異物挟まり、ステム曲がりによる密着不良などが原因です。手動弁では下流側の圧力計や流量計、あるいは音（「シュー」という流体の通過音）で確認できます。自動弁の場合は、閉止信号が出ているにも関わらず、流量や圧力が変動しないか監視システムで確認します。内漏れはエネルギー損失やプロセス品質低下に直結するため、早期の修理が求められます。

2. 作動不良:

   • 操作トルクの増大・固着: 手動弁の場合、ハンドル操作が重くなる、あるいは全く動かせなくなる。ステム部パッキンの締め過ぎ、潤滑不足、ステム曲がり、内部部品の固着（スケール、錆）などが原因です。自動弁の場合は、アクチュエーターの出力不足や機械的な抵抗増大として現れます。
   • スムーズさの欠如・ハンチング: 自動弁が指定された開度までスムーズに移動しない、あるいは目標開度付近で細かく振動する（ハンチング）。空圧アクチュエーターではポジショナーの調整不良、エア供給圧力の変動、バルブ本体のフリクション増加が考えられます。電動アクチュエーターでは制御信号の問題、リミットスイッチの不具合、ギアの摩耗などが原因となります。

3. 異音・振動:

   • 流体の流れに伴う異常音（キャビテーション、フラッシング）、アクチュエーターやモーターの異音、配管やバルブ本体の異常振動。これらの兆候は、内部損傷や作動不良のサインである可能性があります。

寿命予測の考え方

バルブの寿命は、設計仕様、材質、流体条件（種類、圧力、温度、流速、汚れ）、運転サイクル（開閉頻度）、設置環境、メンテナンス状況など、様々な要因によって変動します。厳密な寿命予測は困難ですが、以下の観点からおおよその目安や交換時期の検討が可能です。

• メーカー推奨: バルブ本体やアクチュエーターのメーカーが提示する推奨交換時期やオーバーホールサイクル。これは標準的な使用条件に基づいています。
• 運転サイクル数: 開閉頻度の高いバルブ（特に自動弁）では、ステムやシート、アクチュエーター内部部品の機械的疲労や摩耗が寿命を決定します。メーカー仕様における設計サイクル数を確認し、現在の累積サイクル数から寿命を予測します。
• 履歴データ: 過去の故障履歴、交換サイクル、メンテナンス記録に基づき、同様の条件で使用されるバルブの傾向を把握します。特定の流体やプロセスにおけるバルブの平均余命を社内でデータとして蓄積することは有効です。
• 状態監視: 定期的な診断（漏れ率、作動トルク、振動、音響、開度応答性など）の結果に基づき、劣化トレンドを把握し、許容限界に達する前に交換や修理を計画します。

実践的メンテナンス手法

バルブのメンテナンスは、軽微な調整や部品交換から、分解オーバーホールまで多岐にわたります。ここでは、現場で比較的実施しやすいメンテナンス手法を中心に解説します。

手動弁のメンテナンス

• グランドパッキンの増し締め: ステムからの微細な外漏れに対して、グランドナットを均等に少しずつ増し締めします。締め過ぎはステムの操作を重くし、かじり付きの原因となるため注意が必要です。漏れが止まらない場合は、パッキンの劣化や痩せが考えられ、交換が必要です。
• グランドパッキンの交換: バルブの種類やサイズにより手順は異なりますが、基本的にはグランドナットとグランドワッシャーを取り外し、古いパッキンをパッキンフックなどの専用工具で掻き出し、新しいパッキンを規定量（リング状にカットしたもの）スタッフィングボックスに詰め込み、グランドナットを締め付けます。パッキンの材質選定は、流体、温度、圧力に適したものを選びます。
• ステム部の潤滑: ステムのネジ部やかじり付きやすい部分に、バルブの種類や流体に適した潤滑剤を塗布します。特に高温や腐食性流体に使用されるバルブでは、専用の潤滑剤選定が重要です。
• 分解清掃と部品点検: ライン停止後、バルブを分解し、内部部品（ディスク、シート、ステム、ケーシング内部）のスケール付着、腐食、摩耗、損傷を目視点検し、清掃します。軽微なシート面の傷であれば、研磨によって対応可能な場合もありますが、損傷が大きい場合はシートリングやディスクの交換が必要です。

自動弁（アクチュエーター含む）のメンテナンス

自動弁のメンテナンスは、バルブ本体とアクチュエーターの双方に焦点を当てます。

1. 空圧アクチュエーター:

   • エア漏れ点検: アクチュエーター本体、エア配管、電磁弁、ポジショナー接続部からのエア漏れを、石鹸水や漏洩検知器で確認します。エア漏れは推力不足や応答性悪化の原因となります。
   • ダイヤフラム・シールの交換: ダイヤフラム式の場合、ダイヤフラムが破れると動作不能となります。シール部の劣化はエア漏れを引き起こします。これらは部品単位での交換が可能です。
   • スプリングの点検: フェイルセーフ機能（エア圧喪失時の全開または全閉）を担うスプリングに損傷や折れがないか確認します。
   • ポジショナーの校正・点検: ポジショナーは制御信号に応じてアクチュエーターへの供給エア圧を調整し、正確な開度制御を行います。経年劣化や振動により校正がずれることがあります。入力信号を与え、実際の開度とフィードバック値を確認し、必要に応じて校正を行います。ポジショナー内部のエア通路の詰まりなども動作不良の原因となるため、定期的な清掃やエアフィルターの交換が推奨されます。
   • リミットスイッチの調整・点検: 開閉端を検出するリミットスイッチの動作位置がずれていないか、接点不良がないか確認します。

2. 電動アクチュエーター:

   • ギア部のグリスアップ: 駆動部のギアボックスは摩耗しやすいため、定期的なグリスアップが必要です。メーカー指定のグリスを選定します。
   • モーター点検: 動作時の異音、異常発熱がないか確認します。電源電圧、電流値を測定し、仕様範囲内か確認します。
   • リミットスイッチ・トルクスイッチの調整・点検: 開閉端停止位置を制御するリミットスイッチと、過負荷時にモーターを停止させるトルクスイッチの動作確認と調整を行います。特にトルクスイッチは、バルブの固着などからアクチュエーターを保護する重要な機能です。
   • 配線端子の点検: 電源、制御信号、フィードバック信号などの配線端子に緩みや腐食がないか確認します。
   • 手動操作機構の確認: 電動アクチュエーターには手動でバルブを操作するためのハンドルやクラッチ機構が備わっている場合があります。非常時やメンテナンス時に使用するため、スムーズに操作できるか確認します。

共通の注意点

• 安全確保: 作業前には必ず対象ラインの流体を停止・隔離し、残留圧力や残留物の排出、適切なロックアウト・タグアウト（LOTO）を実施します。高温・低温、腐食性流体、高圧など、流体特性に応じた安全対策を徹底します。
• 部品選定: 交換部品は、必ず純正品または同等以上の品質を持つものを選定します。特にパッキン、シール、アクチュエーター部品は、流体や圧力、温度条件に適した材質である必要があります。
• トルク管理: フランジボルトやグランドナットの締め付けは、均等に、規定のトルクで締め付けます。締め付け順序や回数を守ることで、歪みや偏荷重による漏れや損傷を防ぎます。
• 記録: 実施したメンテナンス内容、交換部品、発見された不具合、測定データなどを詳細に記録します。これは将来的な劣化予測やトラブルシューティング、再発防止に役立ちます。

よくあるトラブル事例と対策

• トラブル: グランド部からの外漏れが止まらない。
  • 対策: グランドパッキンの劣化または規定量の不足が考えられます。パッキンの増し締めを試み、改善しない場合はパッキンを全量交換します。ステムに傷がないか、グランド部の面精度に問題ないかも確認します。
• トラブル: 全閉時に流体が下流へ漏れる（内漏れ）。
  • 対策: シート面やディスクの損傷、異物挟まりが最も疑われます。可能であれば分解し、内部を点検・清掃します。シート面やディスクに損傷がある場合は、研磨や部品交換が必要です。
• トラブル: バルブが開閉操作時に非常に重い、または固着している。
  • 対策: ステム部の潤滑不足、パッキンの締め過ぎ、ステムの曲がり、または内部部品（ディスク、シート）の固着が原因です。ステムの潤滑を試み、改善しない場合は分解して内部の固着原因（スケール、結晶物など）を取り除き、部品の損傷を確認します。
• トラブル: 自動弁の開度が不安定でハンチングする。
  • 対策: 空圧弁であればポジショナーの調整不良やエア供給圧の変動、バルブ本体のフリクション増大が考えられます。ポジショナーの再校正、エアレギュレーターやフィルターの点検・清掃を実施します。電動弁であれば制御信号の安定性、リミットスイッチの動作確認、ギア部の状態を確認します。
• トラブル: 空圧アクチュエーターの応答が遅い、あるいは全開/全閉しない。
  • 対策: 供給エア圧が低い、エア配管に詰まりや漏れがある、電磁弁の動作不良、アクチュエーター内部のダイヤフラムやシールの劣化が考えられます。エア供給系の確認、電磁弁の動作確認、アクチュエーターの分解点検・シール交換が必要です。

耐久性向上のための専門的なケア

バルブの耐久性を最大限に引き出すためには、日々の運転監視に加え、計画的な予防保全が不可欠です。

• 適切なバルブ選定: 新規設置や交換時には、単に配管サイズだけでなく、流体の性質（温度、圧力、腐食性、粘度、固形物の有無）、運転サイクル、必要な流量特性、周囲環境などを十分に考慮し、最適な構造と材質のバルブを選定することが最も根本的な耐久性向上策です。過酷な条件には、それに対応した特殊仕様のバルブや耐摩耗・耐食性の高い材質を選びます。
• 定期的な作動確認: 特にライン稼働中は常時開閉されないバルブでも、定期的に（例えば数ヶ月に一度）全開・全閉操作を行うことで、固着を防止し、スムーズな動作を維持できます。
• 適切な潤滑管理: ステム部やギア部、摺動部への適切な潤滑剤の選定と定期的な補充・交換は、摩耗防止とかじり付き予防に極めて効果的です。グリスニップルからの給脂など、指定された手順に従います。
• 設置環境の改善: 高温多湿、腐食性雰囲気、粉塵の多い場所では、バルブ本体やアクチュエーターの劣化が早まります。可能であれば、保護カバーの設置や換気改善により、環境負荷を低減します。
• 予備品管理と計画的な交換: 重要度の高いバルブや、過去の履歴から故障しやすい傾向のあるバルブについては、予備品を適切に管理し、寿命予測や状態監視の結果に基づき、故障が発生する前に計画的に交換を実施します。

まとめ

産業用バルブのメンテナンスは、設備の安定稼働と保全コスト削減に直結する重要な業務です。バルブの種類に応じた構造理解、日常的な注意深い監視、そして本稿で解説したような実践的な診断・メンテナンス手法を駆使することで、バルブの微細な異常を早期に発見し、大きなトラブルへと発展する前に適切な処置を講じることが可能となります。

定期的な点検、適切な部品交換、そして運転履歴や環境条件を考慮した計画的な保全は、バルブ、ひいてはプラント全体の信頼性と安全性を高める上で不可欠です。これらの知識と技術を現場で最大限に活用し、日々の業務に役立てていただければ幸いです。