メタルツーメタルシーテッドバタフライバルブ：工学原理、規格、材料、選択基準

工業用プロセスプラントでは、バルブシート材質の選択が些細なことであることはほとんどありません。高温、アグレッシブな媒体、または厳しいゼロリーク要件が含まれるアプリケーションの場合、, バタフライバルブ がエンジニアリング・ソリューションとして選ばれている。.

エラストマーや PTFE の変形に頼ったソフトシート設計とは異なり、金属対金属シートバルブは、硬化した金属表面間の精密な接触によって閉鎖を実現します。このメカニズムは、極端な温度範囲において本質的により安定しており、過酷なサービスにおいてソフトシートが故障する原因となる劣化に対してより耐性があります。.

この記事では、メタル・トゥ・メタル・シーティングの背後にある工学原理、使用されるハードフェーシング材料、仕様とテストを規定する規格、適切な設計を選択するための実用的な基準について説明します。バタフライバルブの種類については、以下をご参照ください。 高性能バタフライバルブ そして バタフライバルブの種類.

1.なぜメタル・トゥ・メタルなのか？ソフトシートの限界

標準的な弾力性シート付きバタフライバルブは、エラストマーシート（通常EPDM、NBR、BUNA-N）を使用しており、ディスクの閉鎖荷重により変形してシールを形成します。この方法は、浄水、HVAC、一般的なユーティリティサービスではうまく機能しますが、より厳しい条件下では基本的な材料の限界に直面します。.

エラストマー製シートは、約120°C (250°F) を超えると劣化が始 まり、炭化水素、溶剤、蒸気とは化学的に相容れない。強化PTFEシートは、その範囲を約200～260℃（390～500°F）まで広げ、より広い耐薬品性を提供するが、PTFEは高温での持続的な負荷でクリープし、製油所や発電所で見られる熱サイクルには耐えられない。.

これらのしきい値を超える場合、あるいは何千回もの運転サイクルを経てもリークゼロを維持しなければならないサービスでは、根本的に異なるアプローチが必要となる。メタル・トゥ・メタル・シーティングへの移行は、単に材質を置き換えるだけではありません。バルブのオフセット形状を変更し、金属製のディスクとシート表面が、金属製の着座面を急速に破壊する摺動磨耗を発生させることなく、制御された再現性のある接触を行うようにする必要があります。このため、メタル・トゥ・メタル・シート・バタフライ・バルブは、ほとんどの場合、以下のようになります。 トリプルオフセット あるいは、より高度なマルチ・エセントリック・デザイン。.

2.工学原理ラインコンタクトと制御負荷経路

エラストマーやPTFEが荷重によって変形し、表面の微細な凹凸を埋める。エラストマーやPTFEが荷重によって変形し、表面の微細な凹凸を埋めるため、微細な凹凸には寛容ですが、材料の変形・回復能力に依存するため、温度には限界があります。.

金属間のシートは、以下の方法で密閉性を実現します。 ラインコンタクト 球状のディスクエッジと、精密に機械加工された円錐状のシート表面との間。ディスクが閉じるとき、ディスクは最小限の摺動接触でカム状の経路に沿ってシートに接近し、回転の最終度でのみシール係合が発生します。閉鎖の瞬間、ディスクエッジは狭い円周線に沿ってシートコーンに押し付けられ、単位長さあたり高い接触応力を発生させますが、表面が必要な公差で加工されていれば、漏れを防ぐのに十分です。.

このメカニズムには2つの重要な特性がある。それは 低圧で自己通電機械的な閉鎖力だけで、シールを達成するのに十分な接触応力が生じる。また より高い圧力で通電ライン圧が上昇すると、シート形状に作用してシートをディスクに対してより強く押し付け、シールがさらに向上します。この二重のメカニズムにより、優れた設計のメタルシーテッド・バタフライバルブは、広い圧力範囲でリークゼロを達成することができます。.

重要な条件は 表面精度. .シーリング表面は、通常数ミクロン以内の厳しい公差で機械加工され、微小リークパスのない一貫したラインコンタクトを可能にする表面粗さに仕上げられなければなりません。カーターバルブのHexaプラットフォームは、0.01 mmのシール面形状公差と鏡面仕上げに近いRa 0.156 µmの表面粗さを実現しています。これらの仕様は、過酷なサービスにおいてISO 5208 Rate Aの検証可能なゼロリークを達成するために必要な物理的条件です。.

3.オフセット形状：トリプルオフセットと6偏心設計が必要な理由

標準的な同心円設計やダブルオフセット設計では、許容できない摩耗を伴わずに真の金属間シールを達成することはできません。ディスクのエッジは、閉弁ストロークの大部分を通じてシートと摺動し、摩耗やカジリを発生させ、シール性能を低下させる表面損傷を進行させます。.

トリプルオフセットジオメトリー は、3つ目の幾何学的オフセット（シートコーン軸がシャフト軸に対して傾いている）を導入することでこれを解決し、真のカムのようなクロージングパスを作り出します。ディスクは、摺動することなくシートに接近します。表面は、閉じる最後の瞬間まで接触しておらず、その時点で、純粋な圧縮荷重と接線方向の摺動成分なしで、設計接触線に沿ってかみ合います。これは、耐久性のある金属間シーリングの幾何学的な前提条件です。.

について シックス・エセントリック（ヘキサ）・デザイン カーターバルブが開発したトリプルオフセットバルブは、この原理をさらに拡張しています。従来のトリプルオフセットバルブの3つのオフセットを超える偏心量を追加することで、従来のトリプルオフセット設計では一貫した接触を維持するのに苦労することが多い重要なシャフトエリアゾーンを含む全周で、シール荷重がより均等に分散されるように接触経路を再形成します。その結果、より均一な接触応力分布、より遅い摩耗進行、より安定した長期的なシーリング挙動が実現します。.

これらのジオメトリーの詳細な技術的比較については、以下の記事を参照のこと。 シックス・エセントリック・バタフライバルブとトリプル・オフセット・バタフライバルブ：シーリングと摩耗の本当の違いは？

4.ハードフェーシング材シートとサービスのマッチング

金属対金属のバタフライバルブの着座面は、ほとんどの場合、母材の状態のまま残されることはありません。その代わりに ハードフェーシング層 - ディスクエッジとシートリングの両方の接触面に、より硬く耐摩耗性の高い合金の薄いコーティングまたは溶接オーバーレイを施す。.

ハードフェーシング材の選択は、メタルシーテッドバルブの仕様において最も重要な決定事項の一つである。それは、バルブの耐摩耗性、耐腐食性、耐カジリ性、および使用中の熱劣化を決定します。.

316ステンレス鋼 は、中程度の使用条件に適した基本オプションです。硬度は約20～25HRCで耐食性に優れ、一般的な化学薬品や高温の清浄水に適している。しかし、硬度が比較的低いため、繰り返し使用や摩耗性のサービスではカジリが発生しやすく、温度の上限が約400℃であるため、高温用途での使用は制限される。.

ステライト6（コバルトクロム合金） は、要求の厳しいバタフライバルブの用途に最も広く指定されているハードフェーシング材です。38～45HRC、最高使用温度は約650℃で、耐摩耗性、耐腐食性、耐カジリ性を兼ね備えています。これは、蒸気隔離、FCCU サイクルサービス、およびバルブが何千もの熱サイクル後も信頼性の高いシーリングを維持する必要がある製油所用途の標準的な選択肢です。ステライト21は耐食性を向上させた代替材料で、腐食性の高い環境で使用されます。.

インコネル625（ニッケル合金） は、優れた高温耐酸化性と耐腐食性を提供し、980℃に迫る使用温度能力を備えています。インコネル625は、FCCU再生器の分離や、高温かつ腐食性の高いガス媒体での使用に適しています。インコネル625の硬度はステライト（25～35HRC）より劣りますが、その高温安定性により、最も過酷な熱環境において不可欠な材料となっています。.

炭化タングステン（WC）, 溶射皮膜として塗布することで、一般的に使用される硬質皮膜材料の中で最も高い硬度（65～75 HRC）を実現し、研磨摩耗や侵食摩耗に対して卓越した耐性を発揮します。触媒を含むガスサービスや研磨スラリー用途に最適です。温度上限が約500℃であるため、高温サービスでの使用は制限される。.

炭化クロム, 溶射皮膜としても適用され、高硬度（55～65HRC）と高温酸化・浸食に対する優れた耐性を兼ね備えています。タングステンカーバイドでは酸化が限界となる約850℃までの高温浸食性ガスに適しています。.

ハードフェーシングの選択には、媒体の化学的性質、作動温度、熱サイクル頻度、閉鎖時の差圧、ディスクとシート材間のかじりリスクを慎重に考慮する必要があります。カーターバルブのアプリケーションエンジニアは、お客様と協力して各サービスに最適なハードフェーシングの組み合わせを選択します。 チームに連絡する をご覧ください。.

5.操作範囲：メタルシート・バルブが必要な場合

ソフトシートの弾力性バルブは、エラストマーの劣化により約 120℃に制限される。PTFEシートのダブルオフセットHPBVは約260℃まで。260℃以上では、メタル・トゥ・メタル・シーティングが必要となり、トリプルオフセットと6偏心設計のどちらを選択するかは、温度、圧力クラス、リーク要件の特定の組み合わせによって決まります。.

標準的なトリプルオフセット設計（カーターのCVS-288など）は、150から600の圧力クラスで-29℃から600℃の範囲をカバーし、金属対金属の着座を必要とする精製、発電、および化学処理アプリケーションの大部分に対応しています。カーターの6偏心ヘキサプラットフォーム（CVS-290とCVS-290C）は、極低温LNGサービス用に-196℃まで、最も極端な高温アプリケーション用に1,100℃まで、両方向にこの範囲を拡張し、同時にASMEクラス2500までの圧力クラスを提供します。.

この拡張エンベロープは、単に材料選択の問題ではありません。バルブ本体、ディスク、シートリングが温度によって伸縮する際に生じる寸法変化を補正し、全温度範囲にわたって制御された接触荷重分布を維持する6偏心形状の能力が必要です。従来のトリプルオフセット設計は、このような寸法変化に対してより敏感であり、そのため実用的な温度上限は理論的な材料限界よりも低くなっています。.

6.業界標準と試験要件

金属バタフライバルブの仕様と調達は、国際規格の確立された枠組みによって管理されている。これらの規格を理解することは、正しい購入仕様書を作成し、ベンダーのコンプライアンスを評価するために不可欠です。.

API 609 は、工業用バタフライバルブの主要な設計規格である。この規格は、カテゴリーA（同心で弾力性のあるシート）とカテゴリーB（同心で弾力性のあるシート）を区別している。 カテゴリーB バルブ（すべてのメタルシートタイプを含むオフセット設計）。カテゴリーBの要求事項は、ボディの肉厚、シャフトのサイジング、シート保持力、端から端までの面寸法、および必須の試験プロトコルをカバーしている。全てのトリプルオフセットとシックスエセントリックのバタフライバルブはAPI609のカテゴリーBバルブである。.

API 598 API 598 は、シェル静水圧試験やシートリーク試験を含む工業用バルブの検査・試験要件を規定している。金属シートのバタフライバルブの場合、API 598 は、バルブサイズの関数として、1 分あたりの液滴（液体試験）または 1 分あたりの気泡（気体試験）の許容リーク率を規定している。重要なことは、金属シートバルブの標準的な API 598 の許容値は以下の通りである。 ゼロではない - デフォルトでは、少量の漏れが許容される。漏れがゼロであることが要求される場合は、ISO 5208 Rate Aを参照し、発注書において明示的に指定されなければならない。.

ISO 5208 レートA - 最高の漏れ等級とは、「試験期間中、視覚的に検出可能な漏れがないこと」と定義されています。これは、カーターバルブのHexaプラットフォームがテストされ認証される基準です。メタルシートバルブでレートAを達成するには、正確なオフセット形状、正しいハードフェーシングの選択、セクション2で説明する表面仕上げ公差の組み合わせが必要です。ゼロリークが実際に何を意味するかについては、以下の記事をご覧ください。 双方向ゼロリーク：その意味と過酷なサービスにおいて重要な理由.

API 607 火災の危険性が高い炭化水素サービスに設置される金属シートのバタフライバルブには、防火テストが義務付けられている。この試験は、定められた火災が発生した後でもリーク率が許容範囲内であることを確認するものです。密閉機構が燃えたり溶けたりする材料に依存しないため、金属対金属シートの設計には固有の利点があります。.

ASME B16.34 この規格は、バルブの材料クラス別の許容圧力温度定格を定義し、所定のバルブ本体とトリム材 料の組み合わせが運転可能な P-T エンベロープを提供します。この規格は、バルブの仕様で使用される圧力クラス（クラス 150、300、600、900、1500、2500）の基礎となります。.

以下の表は、主要な規格と、金属シートバタフライ弁の仕様との関連性をまとめたものである：

7.メタルシートバタフライバルブの主な用途

7.1 FCCUの分離（精製）

流動接触分解装置(FCCU)の隔離は、どのバルブタイプにとっても最も要求の厳しいアプリケーションの一つです。FCCUの再生器側は最高760°Cの温度で作動し、触媒を含んだガスは研磨性と腐食性の両方があります。.

バルブは、耐用年数中に何千回もの熱サイクルを繰り返しても、リークゼロを維持しなければならない。タングステンカーバイドまたはインコネル硬質面は通常、触媒の浸食に抵抗するために必要であり、バルブの形状は、ボディとディスクが温度によって膨張・収縮しても一貫した接触荷重を維持する必要があります。カーターバルブの’ 石油・ガスソリューション CVS-290 Hexa BFVは、特にFCCUサービス用に設定されています。.

7.2 分子ふるいスイッチング

モレキュラーシーブ脱水装置では、吸着層と再生層間のガス流を誘導するため、通常数分ごとに時限サイクルで開閉するスイッチングバルブを使用します。高いサイクル頻度、最高300～400℃の温度変動、二次汚染を防ぐための密閉性の要求などの組み合わせにより、この用途はバタフライバルブにとって最も摩耗の激しい用途のひとつとなっています。.

ステライト硬質フェーシングを施したメタル・トゥ・メタル・シーティングは、モレキュラーシーブ切替バルブの標準仕様です。このアプリケーションの詳細については、以下の専用記事をご覧ください。 モレキュラーシーブ用バルブ.

7.3 極低温LNGサービス

162℃から-196℃でのLNGサービスには、異なる課題があります。極低温では材料が収縮するため、バルブの形状に寸法変化を考慮し、シール性を確保する必要があります。また、極低温では潤滑膜の効果が低下するため、金属表面間のカジリもより重大なリスクとなる。.

カーター 極低温6偏心バタフライバルブ (CVS-290C) は、LNGおよび液体窒素サービス用に特別に設計されており、極低温での耐カジリ性に最適化された材料選択と、パッキンを管理しやすい温度帯に保つための拡張ボンネット/ステムオプションを備えています。.

7.4 高温蒸気隔離（発電）

主蒸気隔離、タービン・バイパス、ボイラー給水システムなどの発電所における高圧蒸気隔離には、600℃までの温度とクラス600以上の圧力に対応する定格のバルブが必要です。.

ステライト硬質盛りを施したメタル・ツー・メタル・シート・バタフライ・バルブが標準的な選択肢であり、長時間の不活動後でも信頼性の高いシャットオフを実現し、API 607の火災安全認証を取得しています。カーターバルブ’ 電力およびエネルギー・アプリケーション スチームサービスの構成に関する詳細は、こちらをご覧ください。.

7.5 水素および合成ガス・サービス

水素分子は極めて小さく、大きな分子であれば許容されるような微小なリーク経路を通って浸透する可能性があります。ISO 5208 Rate Aに対するゼロ・リークは一般的に水素隔離バルブに指定され、バルブは硫化水素が存在するサワー・サービスに対してはNACE MR0175に準拠しなければなりません。.

耐水素脆化性を考慮した適切な材料選択によるメタル・トゥ・メタル・シーティングは、H2および合成ガス隔離のための標準的なアプローチである。.

7.6 海洋およびオフショア用途

オフショアプラットフォーム、FPSO、および LNG運搬船には、コンパクトな寸法、高信頼性、および耐 海洋腐食性を兼ね備えたバルブが必要です。二相ステンレス鋼またはスーパー二相鋼のメタルシーテッド・バタフライバルブは、API 607防火認証を取得しており、海洋設備における炭化水素隔離用に広く指定されています。.

カーターバルブ’ 海洋・造船ソリューション は、オフショアバルブに関するあらゆる要件に対応しています。.

8.選択基準：メタルシートバタフライバルブを指定する場合

バタフライ弁を金属製にするかどうかは、一般的な性能の高さを好むのではなく、その用途に特化した使用条件によって決定されるべきである。メタルシートバルブは、ソフトシート設計よりも高価であり、より慎重な据付とメンテナンスを必要とする場合がある。以下の条件の 1 つ以上に該当する場合、メタルシート弁は正しい選択となります。.

260℃を超える温度。. これが最も一般的な原因である。PTFEや強化PTFEシートは約200～260℃以上でクリープや劣化が始まり、エラストマーはさらに低い温度で破損します。260℃以上では、バタフライバルブの信頼できる唯一の選択肢は、メタルシートです。.

長寿命で漏れがない。. ソフトシーティングバルブは、新品時にリークゼロを達成することができますが、そのシール性能は、サイクルや温度暴露によって劣化します。メタル・トゥ・メタル・シーティングは、ハードフェーシング材料が使用条件に正しく適合していれば、はるかに長い耐用年数にわたって安定したシール性能を維持します。.

ソフトシート素材と相性の悪いメディア。. 炭化水素、多くの溶剤、強酸や強アルカリ、高温の蒸気はすべて、エラストマー・シートに適合しません。メタル・トゥ・メタル・シーティングは、互換性の制約を完全に排除します。.

サイクル頻度が高い。. モレキュラーシーブの切り替えのように、バルブが一日に何百回も開閉するような用途では、ソフトシート設計では摩耗が加速されます。適切なハードフェーシングを施したメタル・トゥ・メタル・シーティングは、メンテナンス間隔を大幅に延長します。.

炭化水素サービスにおける火災安全要件。. また、API607認証は、ソフトシートよりもメタルシートの方がより簡単に取得できる。.

バルブの種類を選択するための構造的アプローチについては、以下をご覧ください。 高性能バタフライバルブ セレクションガイド に関する我々の記事 重要な隔離のためのバタフライバルブの選択.

9.カーターバルブのメタルシートバタフライバルブシリーズ

Carter Valvesは、確立されたトリプルオフセットCVS-288から先進の6偏心Hexaプラットフォームまで、金属対金属座バタフライバルブの完全な範囲を製造しています。全ての製品はISO 9001品質管理の下で製造され、API 609、API 607、API 598、ASME B16.34、PED 2014/68/EUに対応した完全な文書化サポートがプロジェクト仕様書によって要求されます。.

詳細 6偏心ヘキサバタフライバルブカテゴリ または完全な アイソレーションバルブ範囲 詳細な仕様と構成オプションについては.

カーターバルブでは、金属シートのバタフライバルブ用アクチュエーションパッケージも提供しています。 空気圧ダイヤフラムアクチュエーター そして スマート電動アクチュエータ ポジショナーと診断機能が統合されており、高温・高圧下での金属シース設計に関連する高い動作トルクを考慮する上で重要です。.

メタルシートバタフライバルブのご指定はいかがですか？

金属対金属着座バタフライバルブは、それぞれの用途の特定のサービス条件に対して、形状、硬質材、および圧力温度定格を慎重に適合させる必要があります。カーターバルブのエンジニアリングチームは、プロジェクトエンジニア、調達チーム、EPC請負業者と直接協力し、技術的に正しい仕様と競争力のある提案を提供します。.

技術見積のご依頼 - お客様の使用条件（圧力クラス、温度、媒体、サイズ、サイクル頻度、リーククラス、適用規格）をお知らせいただければ、当社のエンジニアリングチームが1営業日以内に具体的な製品推奨、データシート、寸法図を返信いたします。.

アプリケーション・エンジニアに相談する - FCCU、モレキュラーシーブ、極低温、水素サービスなど、複雑な用途や特殊な用途については、当社のアプリケーションエンジニアがお客様のご要望を詳しくお伺いし、技術的な推奨事項を書面にてご提案いたします。.

製造および試験能力を見る - カーターバルブでは、バルブの供給だけでなく、作動パッケージ一式、第三者による立会試験、主要なプロジェクト要件に対応した完全な文書化パッケージも提供しています。.

関連記事

• 高性能バタフライバルブ（HPBV）とは？種類、規格、いつ指定するか
• シックスエキセントリックバタフライバルブとトリプルオフセットバタフライバルブ：シーリングと摩耗の本当の違いとは？
• 六重偏心バタフライバルブはどのようにして金属間シールを実現するのか？
• 双方向ゼロリーク：その意味とシビア・サービスにおける重要性
• モレキュラーシーブ用バルブ
• 一般サービスバルブと高性能バタフライバルブ：その違いは？
• クリティカルアイソレーションのためのバタフライバルブの選択

参考文献

ユニオンバルブ。. ソフトシートとメタルシートバタフライバルブの比較. .2026年1月.

ブライアント、P. 高性能バタフライバルブのシート原理 - メタルシート. .株式会社エムセック、2015年2月.

カーターバルブ. CARTERUS 6偏心バタフライバルブ - 製品概要.

アメリカン・ステンレス・アンド・サプライ. シビアサービス用トリプルオフセットバタフライバルブ.

制御と計装。. 用途に応じたバルブシート材質の選択.

ヴェラン ABV. バタフライバルブのテクニカルリファレンス - ハードフェーシングと合金オプション. 2024.

米国石油協会. API 609: バタフライバルブ-ダブルフランジ、ラグタイプ、ウェハータイプ.

バルブの仕様。. バルブリーククラスISO 5208、API 598、EN 12266-1、ANSI/FCI 70-2. 2023.

国際標準化機構。. ISO 5208：工業用バルブ-金属製バルブの圧力試験. 2015.

米国石油協会. API 607：クォーターターンバルブおよび非金属シート付きバルブの火災試験.

アメリカ機械学会。. ASME B16.34：バルブ-フランジ、ネジ切り、溶接端.

カーターバルブ社は、メタル・トゥ・メタル・シート・バタフライ・バルブ、トリプル・オフセット・バルブ、シックス・エセントリック・ヘキサ・バタフライ・バルブを石油・ガス、精製、発電、LNG、化学処理業界に供給する専門バルブメーカーです。お問い合わせ先 info@cartervalves.com または cartervalves.com/contact.