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壁の厚さは圧力定格を直接決定します。 ポンプとバルブの鋳物 — しかし、その厚さを達成するために使用される鋳造プロセスは、寸法自体と同じくらい重要です。 インベストメント鋳造は一貫して厳しい壁公差 (±0.5 ～ 1.0 mm) と優れた表面完全性を実現し、砂型鋳造と比較して同等以下の壁厚でより高い圧力定格を可能にします。 通常、許容誤差は ±1.5 ～ 3.0 mm です。ポンプとバルブの鋳物を指定するエンジニアや調達チームにとって、適切な圧力クラスに適したプロセスを選択するには、この関係を理解することが不可欠です。
壁の厚さが圧力定格の中心となる理由
ポンプやバルブの鋳物では、圧力定格はフープ応力、つまり加圧流体が鋳物壁に及ぼす内部応力によって決まります。この関係は、薄肉円柱の公式によって定義されます。
P = (2 × S × t) / D
ここで、P は許容圧力、S は材料の許容応力、t は肉厚、D は内径です。これはつまり、 肉厚が 1 ミリメートル増えるごとに、破裂圧力容量が直接増加します 。ただし、この計算式は均一な肉厚と欠陥のない材料を前提としています。この 2 つの条件は鋳造方法によって大きく異なります。
ASME B16.34 または API 600 規格に準拠したポンプおよびバルブの鋳造品の場合、圧力クラス (クラス 150 ～ クラス 2500) ごとに最小肉厚要件が規定されています。たとえば、クラス 900 炭素鋼のバルブ本体には、公称パイプ サイズに応じて約 19 ～ 25 mm の最小肉厚が必要です。ホットスポット、収縮気孔、または薄い領域を発生させずに、これを一貫して達成することが、プロセスの選択が重要になるところです。
砂型鋳造: プロセスの特性と肉厚の制限
砂型鋳造は、DN200 を超えるバルブ本体、遠心ポンプやスラリー ポンプのポンプ ケーシング、中子を必要とする複雑な形状などの大型ポンプやバルブの鋳物にとって主要なプロセスです。このプロセスはコスト効率が高く、合金の選択とサイズの点で柔軟性が非常に高いですが、固有の壁厚のばらつきが生じます。
砂型鋳造肉厚の主な特徴
- 寸法許容差： ±1.5～±3.0mm DCTG (寸法鋳造公差グレード) に基づく ISO 8062 に基づく 11 ～ 13
- 達成可能な最小壁厚: 通常 6～8mm 鉄合金用
- 表面粗さ: Ra 12.5 ～ 25 µm、耐圧シートに大幅な後加工が必要
- 一般的な欠陥: 収縮気孔、砂の混入、コールドシャット - これらはすべて有効な耐圧能力を低下させます。
これらの公差と欠陥のリスクを補うために、鋳造エンジニアは 理論上の最小肉厚を 10 ～ 20% 超える鋳造代 砂型鋳造ポンプおよびバルブ鋳物を設計する場合。最小壁が 18 mm 必要であると計算されたバルブ本体は、変動を考慮した後、どの部分も定格圧力の最小値を下回らないようにするために、砂型鋳造で 21 ～ 22 mm に設計することができます。これにより、材料の重量、加工コスト、リードタイムが増加します。
インベストメント鋳造: より厳しい公差とより高い圧力の完全性
インベストメント鋳造 (ロストワックスプロセス) では、寸法精度、表面仕上げ、微細構造の均一性が大幅に向上したポンプおよびバルブ鋳造品が製造されます。中小型のバルブ ボディ (DN15 ～ DN100)、ポンプ インペラ、高圧クラスのコンポーネントに広く使用されています。
インベストメント鋳造肉厚の主な特徴
- 寸法許容差： ±0.5～±1.0mm 、ISO 8062 の DCTG 4 ～ 6 に対応
- 達成可能な最小壁厚: 1.5～3.0mm ステンレス鋼および超合金用
- 表面粗さ: Ra 1.6 ～ 3.2 µm、多くの場合、重要でない表面での追加の機械加工の必要性を排除します。
- 欠陥率: 制御されたセラミックシェル環境により、気孔率と介在物含有量が大幅に低下
インベストメント鋳造のポンプおよびバルブ鋳造では肉厚がより予測可能で一貫しているため、設計者は理論上の最小値に近づけることができます。これは、 壁厚 20 mm でインベストメント鋳造されたクラス 1500 ステンレス鋼のバルブ本体は、24 mm の同等の砂型鋳造よりも優れた性能を発揮する可能性があります。 インベストメント鋳造には局所的な薄いゾーンがなく、均一な冷却によって結晶粒構造が向上するためです。
直接比較: プロセスごとの壁の厚さと圧力定格
| パラメータ | 砂型鋳造 | インベストメント鋳造 |
|---|---|---|
| 肉厚許容差 | ±1.5～±3.0mm | ±0.5～±1.0mm |
| 最小肉厚 | 6～8mm | 1.5～3.0mm |
| 最小値を超える標準的な設計許容値 | 10%～20% | 3%～8% |
| 表面粗さ（Ra） | 12.5～25μm | 1.6～3.2μm |
| 気孔率のリスク | 中程度から高程度 | 低い |
| 最適圧力クラス範囲 | クラス150～クラス900 | クラス600～クラス2500 |
| 一般的なコンポーネントのサイズ | DN50～DN600 | DN15 – DN150 |
| 単価（相対） | 低いer | より高い（ツール集約型） |
有効圧力容量に対する気孔率と欠陥の影響
壁が厚ければ常に高い圧力定格が保証されるというのは、よくある誤解です。砂型ポンプやバルブの鋳物では、表面下の気孔（閉じ込められたガスや凝固時の収縮によって生じる空隙）により、有効耐荷重断面積が減少する可能性があります。公称壁が 22 mm であるが、壁の中央に多孔性クラスターを含む鋳物は、17 ～ 18 mm の中実セクションのレベルで機能的に機能する可能性があります。
ASME B16.34 と MSS SP-55 はどちらも、まさにこのリスクを理由に、クラス 900 以上のポンプおよびバルブの鋳物に対して X 線検査 (RT) または超音波 (UT) 検査を要求しています。対照的に、インベストメント鋳造のポンプおよびバルブ鋳物は、補修溶接を行わずに日常的にレベル 1 またはレベル 2 の X 線撮影品質 (ASTM E186 または E280 に基づく) を達成するため、プロセスのばらつきを補正するための検査に頼ることなく、高圧クラスにおいて本質的に信頼性が高くなります。
適切なプロセスを指定するための実践的なガイドライン
ポンプおよびバルブの鋳物を指定する場合、次の実際的なルールは、圧力要件に合わせてプロセスの選択を調整するのに役立ちます。
- クラス150～300、大口径（DN200）： 砂型鋳造は費用対効果が高く、適切です。 MT または PT 検査付きの ASTM A216 WCB または A351 CF8M を指定します。
- クラス 600 ～ 900、小～中口径: どちらのプロセスも実行可能です。加工後のコストや検査コストを削減するには、ステンレス鋼または合金材料のインベストメント鋳造が推奨されます。
- クラス 1500 ～ 2500、任意のボア: インベストメント鋳造を強くお勧めします。より厳格な壁管理と低い欠陥率は、これらの極端な定格における信頼性の高い圧力封じ込めに直接つながります。
- サワーサービスまたは水素サービス： NACE MR0175 準拠のインベストメント鋳造を指定します。砂型鋳物の多孔性により、応力腐食割れを促進する水素トラップサイトが形成されます。
壁の厚さと鋳造プロセスは、ポンプやバルブの鋳造品の圧力定格において切り離せない変数です。砂型鋳造は、十分な壁の許容差が寸法のばらつきを相殺する、大型の低圧コンポーネントにとって依然として主力製品です。インベストメント鋳造は、局所的な薄いスポットや表面下の欠陥の余地がない、コンパクト、高圧、安全性が重要なポンプやバルブの鋳造に必要な精度と材料の完全性を実現します。
鋳造プロセス、およびそれに関連する公差と品質基準を指定せずに肉厚を指定することは、エンジニアリング上の決定としては不完全です。 クラス 900 以上のサービスを対象とするポンプおよびバルブ鋳造の場合、インベストメント鋳造の寸法精度は特別な機能ではありません。それは圧力完全性要件です。
