多くの産業プロセスでは、温度が大きく変動し、熱サイクルと呼ばれる現象が発生します。金属フランジの場合、これは特にストレスのかかる状況を生み出し、繰り返しの加熱と冷却サイクルがボルト締結部の完全性を損ない、ボルトの弛み、ガスケットのクリープ、最終的には漏れにつながる可能性があります。これらの条件下でフランジの完全性を維持するには、慎重な設計、材料選択、および組み立て方法が必要です。
配管システムが温度変化を起こすと、材料（フランジ、ガスケット、ボルト）が膨張または収縮します。問題は以下のように発生します:
差動熱膨張:フランジアセンブリ内の異なる材料（例：鋼製フランジ、エラストマーガスケット、合金鋼ボルト）は、異なる熱膨張係数を持っています。これらは異なる速度で膨張および収縮します。これにより、接合部に内部応力が発生する可能性があります。
ガスケットのクリープと緩和:
加熱されると、ガスケット（特に非金属製のもの）は柔らかくなり、持続的なボルト荷重の下で「クリープ」（塑性変形）する傾向があります。システムが冷却されると、ガスケットは元の厚さを完全に回復しない場合があります。これにより、ガスケットの保持応力が減少し、多くの場合、応力緩和と呼ばれます。
繰り返しのサイクルはこれを悪化させ、シーリング力を徐々に低下させます。
ボルトの緩和:
高温では、ボルトも応力緩和またはクリープを経験し、徐々にプリロードを失う可能性があります。
ボルトとフランジ間の差動膨張も、ボルトがフランジに対して伸びたり圧縮したりする原因となり、初期のクランプ力を変化させる可能性があります。
フランジの変形:
激しい温度勾配または急速な加熱/冷却は、フランジ本体自体にストレスを誘発し、フランジ面のわずかな反りや歪みを引き起こし、ガスケットのシールを直接損なう可能性があります。
ガスケット応力の損失:最も一般的な結果であり、シーリング力の低下と最終的な漏れにつながります。
ボルトの緩み:ボルトのプリロードが低下すると、特に振動がある場合、ナットが緩む可能性があります。
ガスケットの早期故障:繰り返しの熱衝撃によるガスケットの急速な劣化または圧壊。
フランジ/ボルトの損傷:極端なケースでは、激しい熱応力により、フランジまたはボルトに疲労亀裂が発生する可能性があります。
材料選択:
ガスケット:熱サイクルサービス用に特別に設計されたガスケットを選択します。多くの場合、半金属製（例：弾性フィラー付きのスパイラル巻き）または、高温での優れた回復特性とクリープに対する耐性を持つフレキシブルグラファイトガスケットを使用します。
フランジとボルト:高温安定性とクリープ/応力緩和に対する耐性に優れた材料を選択します（例：高温サービス用のクロムモリブデン合金鋼）。フランジとボルト材料の熱膨張係数を一致させることも有効です。
設計上の考慮事項:
フランジの種類:一体型のハブを備えた溶接ネックフランジは、スリップオンフランジよりも熱膨張中の応力分布が優れています。
ボルト設計:より長いボルトまたは弾性の高いボルトは、差動熱膨張をより良く吸収できます。
ガスケットの封じ込め:ガスケットを完全に封じ込める設計（例：突合せと溝、オスとメス）は、熱的な変動中の押し出しを防ぐのに役立ちます。
最適化された組み立て手順:
正確なボルトのプリロード:正確な初期ボルト荷重をかけることが重要です。均一で正確な荷重のために、油圧テンショナーを使用することを強くお勧めします。
マルチパス締め付け:複数回の段階的なパスで締め付けを行うと、ガスケットが定着し、徐々に緩和されます。
ホット再締め付け（安全で適用可能な場合）:一部の高温サービスでは、「ホット再締め付け」（システムが動作温度に達して安定した後、ボルトを再トルクする）により、初期のガスケット/ボルトの緩和を補うことができます。これは、細心の注意と適切な安全プロトコルに従って行う必要があります。
システム設計:
可能な限り、急激な温度変動を最小限に抑えるか、温度を徐々に上昇/下降するようにシステムを設計します。
膨張/収縮中にフランジに余分な外部応力がかからないように、適切なサポートとアライメントを確保します。
熱サイクルシステムにおけるフランジの管理は、複雑なエンジニアリング上の課題です。弾力性のある材料を慎重に選択し、接合部の設計を最適化し、細心の注意を払った組み立て手順を遵守することにより、業界は、最も厳しい熱条件下であっても、これらの重要な接続の完全性と寿命を大幅に向上させることができます。
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