フランジの形状と種類と接続方法の基礎知識

フランジの基礎知識

フランジの形状と構造の特徴

フランジとは、円筒形あるいは部材からはみ出すように出っ張った部分の総称です。つば状の形状が特徴で、様々な産業分野で使用されています。その基本構造は、円盤状の部分（フランジ面）と、場合によっては円筒部分（ハブ）から構成されています。

 

フランジの主な構造的特徴は以下の通りです。

• フランジ面：ガスケットを挟んで相手側のフランジと接触する平らな面
• ボルト穴：フランジ同士を締結するためのボルトを通す穴
• ガスケット座：気密性を保つためのガスケットを設置する部分
• ハブ：パイプなどと接続するための円筒部分（一部のフランジタイプに存在）

フランジの形状は使用目的によって大きく異なりますが、基本的には「つば」という特徴的な形態を持っています。配管用フランジの場合、一般的に円形の板状部品で中心に穴があり、その周りにボルト穴が均等に配置されています。

 

材質については、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼など、使用環境や流体の種類によって適切な素材が選ばれます。高温・高圧環境や腐食性の高い流体を扱う場合は、耐熱性や耐食性に優れた特殊合金が使用されることもあります。

 

フランジ面の仕上げも重要な特徴の一つです。一般的には、平面座（RF：Raised Face）と全面座（FF：Full Face）があり、それぞれ異なるガスケットタイプと組み合わせて使用されます。表面の粗さは気密性に大きく影響するため、JIS規格などで定められた適切な表面粗さが要求されます。

 

フランジの種類と用途別分類

フランジは使用目的や取付方法によって様々な種類に分類されます。主な分類と特徴を解説します。

 

【配管用フランジの主な種類】

1. スリップオン溶接式フランジ（SOP：Slip on Plate）
   • 特徴：パイプの外側にフランジを通し、内側と外側から溶接で固定
   • 利点：取付けが比較的容易で、位置調整が可能
   • 用途：中・低圧の配管システムに広く使用
2. ソケット溶接式フランジ（SW：Socket Weld）
   • 特徴：パイプの端部をフランジのソケット部に挿入して溶接
   • 利点：高い強度と気密性を実現
   • 用途：小口径の高圧配管に適している
3. 遊合形フランジ（LJ：Lap Joint）
   • 特徴：フランジとスタブエンドの2部品構成
   • 利点：回転が可能なため、ボルト穴の位置合わせが容易
   • 用途：頻繁に分解・組立てが必要な箇所
4. 突合せ溶接式フランジ（WN：Weld Neck）
   • 特徴：長いネック部分をパイプと突合せ溶接
   • 利点：応力集中が少なく、高圧・高温環境に最適
   • 用途：厳しい条件下での重要な配管接続
5. ねじ込み式フランジ（TR：Threaded）
   • 特徴：フランジの中心部にねじが切られており、パイプをねじ込む
   • 利点：溶接作業が不要で取付けが簡単
   • 用途：低圧の小口径配管、仮設配管など

【ガスケット座の種類】

• 平面座（RF：Raised Face）：最も一般的なタイプで、シール面が少し盛り上がっている
• 全面座（FF：Full Face）：フランジ全面がシール面となるタイプ

【その他の用途別フランジ】

• 軸継手用フランジ：回転する軸同士を接続するために使用
• 車輪用フランジ：鉄道車輪などでレールからの脱線を防止する役割
• 構造用フランジ：鉄骨構造などで部材を接合するために使用

産業分野によってもフランジの種類や仕様は異なります。化学プラントでは耐腐食性に優れたタイプが、発電所では高温・高圧に耐えるタイプが選ばれるなど、用途に応じた最適なフランジ選定が重要です。

 

フランジの形状についての詳細図解

フランジの接続方法とボルト締結のポイント

フランジの接続は、配管システムの信頼性と安全性を左右する重要な工程です。正しい接続方法とボルト締結のポイントを解説します。

 

【フランジ接続の基本手順】

1. 準備作業
   • フランジ面の清掃（油分や異物の完全除去）
   • ガスケットと締結部品（ボルト、ナット、ワッシャー）の点検
   • フランジ面の損傷確認（傷、変形がないか）
2. ガスケット装着
   • ガスケットの中心合わせを正確に行う
   • ガスケットが正しい規格・サイズであることを確認
   • 必要に応じてガスケットペーストを使用
3. ボルト締結
   • 対角線上に順番に締付ける（クロスパターン）
   • 複数回に分けて徐々に締付けトルクを上げる
   • 最終的に規定トルク値まで均等に締付ける

【締結トルク管理のポイント】
締結トルクは配管の規格、サイズ、使用条件によって異なります。一般的なガイドライン

• 小口径（50A以下）：手締めから1/4回転増し
• 中口径（80A〜200A）：トルクレンチによる管理推奨
• 大口径（250A以上）：専用の油圧ツールやトルクレンチによる厳密な管理が必須

圧力や温度が高い場合は、より厳密なトルク管理が必要です。また、熱サイクルを繰り返す配管では定期的な増し締めも重要になります。

 

【締結不良によるトラブル】

• 締付け不足：漏れ、ガスケットのブローアウト
• 締付け過ぎ：ガスケットの破損、フランジの変形
• 不均一な締付け：片当たりによる漏れ、ボルトの折損

適切な締結工具の使用も重要です。高圧・高温用途では、ボルト伸び量を計測する専用ツールが使われることもあります。

 

【フランジ接続の品質確認】
接続完了後は以下の点を確認します。

• ガスケットのはみ出し量の均一性
• ボルトの締付け状態（緩みがないか）
• フランジ間の平行度
• 必要に応じてリークテストの実施

日本溶接協会による配管フランジ締結の基礎資料

フランジの規格と選定基準

フランジを適切に選定するためには、各種規格と選定基準を理解することが不可欠です。主要な規格とフランジ選定のポイントを解説します。

 

【主要なフランジ規格】

1. 日本工業規格（JIS）
   • JIS B 2220：鋼製管フランジの基本規格
   • JIS B 2239：鋳鉄製管フランジ
   • JIS B 2240：銅合金製管フランジ
2. 米国規格
   • ASME B16.5：鋼製管フランジと管継手
   • ASME B16.47：大口径鋼製フランジ
3. 欧州規格
   • EN 1092：鋼製フランジ
   • DIN規格：ドイツ工業規格によるフランジ

【圧力クラス分類】
JISでは、フランジの圧力クラスは以下のように区分されています。

• JIS 2K：低圧用（約0.2MPa）
• JIS 5K：低〜中圧用（約0.5MPa）
• JIS 10K：中圧用（約1.0MPa）
• JIS 16K：中〜高圧用（約1.6MPa）
• JIS 20K：高圧用（約2.0MPa）
• JIS 30K：超高圧用（約3.0MPa）

これらの圧力定格は標準使用温度（常温付近）での値であり、温度が上昇すると許容圧力は低下します。

 

【フランジ選定の主要基準】
フランジを選定する際の主な検討項目は以下の通りです。

1. 運転条件
   • 設計圧力と温度
   • 流体の種類（腐食性、毒性など）
   • 熱サイクルの頻度
2. 機械的要件
   • 配管からの荷重
   • 振動条件
   • 設置スペースの制約
3. メンテナンス性
   • 分解頻度
   • アクセス性
   • ガスケット交換の容易さ
4. 経済性
   • 初期コスト
   • 長期的なメンテナンスコスト
   • 耐用年数

【材質選定のポイント】
フランジの材質は使用環境に適したものを選定する必要があります。

• 炭素鋼（SS400、STPG）：一般的な用途
• ステンレス鋼（SUS304、SUS316）：耐食性が求められる環境
• 低合金鋼（SCPH）：高温用途
• 特殊合金（ハステロイ、インコネル）：極めて厳しい腐食環境

正しいフランジ選定は、配管システムの安全性、信頼性、経済性に直接影響します。過剰な仕様は不必要なコスト増につながり、逆に不十分な仕様は重大な事故につながる可能性があります。適切な規格と基準に基づいた選定が重要です。

 

石油学会規格 - フランジ関連技術資料

フランジのトラブル対策と効率的なメンテナンス方法

フランジは配管システムの重要な接続部であるため、適切なメンテナンスとトラブル対策が欠かせません。発生しやすい問題とその対処法、効率的なメンテナンス手法について解説します。

 

【よくあるフランジトラブルと対策】

1. 漏れ（リーク）
   • 原因：ガスケットの劣化、ボルトの緩み、フランジ面の損傷
   • 対策。
   • 定期的なボルトの増し締め
   • 適切なガスケット選定と交換
   • フランジ面の保護と修復
2. フランジの腐食
   • 原因：不適切な材質選定、保護コーティングの劣化、結露
   • 対策。
   • 環境に適した材質の選定
   • 防食コーティングの定期的な点検と補修
   • 断熱材による結露防止
3. ボルトの破損
   • 原因：過度な締付け、応力腐食割れ、熱サイクルによる疲労
   • 対策。
   • トルク管理の徹底
   • 適切な材質のボルト選定
   • 定期的な点検と予防的交換
4. フランジの変形
   • 原因：過大な外部荷重、熱膨張、不均一な締付け
   • 対策。
   • 適切な配管サポートの設置
   • 熱膨張を考慮した設計
   • 正しい締付け手順の遵守

【効率的なメンテナンス計画】
計画的なメンテナンスはトラブルを未然に防ぎ、設備の長寿命化につながります。

1. 定期点検項目
   • 目視検査：漏れ、腐食、変形の確認
   • ボルト締付け確認：トルクチェック
   • ガスケット状態確認：圧縮状態、劣化状況
2. 点検頻度の設定
   • 重要度の高い配管：3〜6ヶ月ごと
   • 標準的な配管：年1回
   • 特殊環境（高温・腐食性）：より頻繁な点検
3. 記録管理
   • フランジごとの履歴管理（交換日、トルク値など）
   • 不具合発生状況の傾向分析
   • メンテナンス効果の検証

【最新のフランジ管理技術】
近年は以下のような技術が導入され、フランジのメンテナンス効率が向上しています。

• IoTセンサーによる漏れ検知システム
• 超音波ボルト軸力測定器
• 赤外線サーモグラフィーによる異常検知
• ARを活用したメンテナンス支援システム

【緊急時の対応準備】
突発的なフランジトラブルに備えて、以下の準備が重要です。

• 応急処置キットの常備
• 主要フランジタイプの予備品確保
• 緊急対応手順の文書化と訓練
• 専門業者の連絡先リスト

効果的なフランジのメンテナンスは、単なる部品交換にとどまらず、システム全体の信頼性向上につながる重要な業務です。予防保全の考え方を取り入れ、トラブルを未然に防ぐことで、設備停止によるコスト損失を最小化できます。

 

金属加工の現場では、フランジは「単なる接続部品」ではなく、システム全体の安全性と効率性を左右する重要コンポーネントという認識を持つことが大切です。適切な選定、施工、メンテナンスにより、フランジは長期間にわたって安定した性能を発揮します。