API 641とISO 15848-1の比較：低排出ボールバルブ選定ガイド

簡単な要約：API 641とISO 15848-1の主な違いは何ですか？

API 641は、メタン（CH₄）を使用する1/4回転バルブに特化した、厳格な合否判定を行う米国規格で、漏洩量を100 PPMv以下に抑え、グランドパッキンの調整は一切認められていません。ISO 15848-1は、メタンまたはヘリウムを使用する柔軟なグローバル分類システム（クラスA、B、C）で、段階的な機械的耐久性レベル（2,500～10,000サイクル以上）に対応し、パッキンの調整を文書化して認めています。

1. はじめに：漏洩排出ガスとの熾烈な闘い

現代の石油化学精製プラントや化学処理プラントでは、バルブステムパッキンやボディジョイントが、揮発性有機化合物（VOC）の漏洩排出量の最大60%を占めています。米国環境保護庁（EPA）のMethod 21同意判決や欧州のREACH指令といった環境規制への準拠に加え、制御されていないステムからの漏洩は、重大な安全リスクをもたらし、製品の損失を加速させ、プラントの操業許可を危うくします。国際エネルギー機関（IEA）は、石油・ガス事業からのメタン排出量の30%が、バルブを含む機器からの漏洩によるものだと推定しています。

エンジニアリング・調達・建設（EPC）会社やプラント保守チームが低排出（Low-E）の1/4回転ボールバルブを指定する場合、API 641とISO 15848-1という2つの主要な国際型式試験規格に遭遇します。

規格の選択ミスや試験分類の解釈ミスは、バルブの出荷拒否、EPA（米国環境保護庁）の現場監査不合格、あるいは不必要な過剰仕様コストにつながる可能性があります。本ガイドでは、第三者認証を受けた低放射率バルブプロジェクトにおける当社のエンジニアリング経験に基づき、漏洩試験への適合性検証に必要な主要な相違点、試験手順、およびステムパッキン構造について詳しく解説します。

2. API 641とISO 15848-1の比較表

どちらの規格も機械的および熱的サイクルにおけるバルブの漏れを評価するが、その考え方は異なる。API 641は、石油・ガス分野の1/4回転バルブ向けに設計された、厳格な合否判定方式の米国規格である。一方、ISO 15848-1は、耐久性、気密性、温度クラスを用いた、柔軟性の高い多段階の国際規格である。

3. API 641認証：テストパラメータと要件

米国石油協会（API）が開発したAPI 641（「四分の一回転バルブの漏洩排出に関する型式試験」）は、四分の一回転ボールバルブに多回転バルブ規格（API 624など）が誤って適用されてきた過去の悪習を解消するために特別に作成されました。この規格は2016年10月に初版が発行され、その後2023年版に改訂されています。

API 641の主要テストパラメータ：

1. 対象ガス:メタンガス（CH₄）を、最低100psigから最高600psigまでの試験圧力で試験する。
2. 熱サイクルと機械的サイクル：この試験では、バルブを610回の機械的サイクルにかけ、その間に周囲温度から260℃（500°F）までの3回の熱サイクルを挟む。
3. 調整は一切認められません。試験中は、試験ラボはステムグランドボルトを締め付けることはできません。いずれかの時点で漏洩量が100 PPMvを超えた場合、設計は不合格となります。
4. API 622 ステムパッキングの必須要件:API 641認証を取得するには、バルブステムパッキン材が事前にAPI 622（漏洩排出物、腐食、熱劣化に関する純粋なパッキン材試験）に合格している必要があります。

4. ISO 15848-1 分類：クラスA、B、CおよびCO1～CO3の説明

ISO 15848-1は、ヨーロッパ、アジア、中東の石油化学プロジェクトで広く採用されています。ISO 15848-1では、単一の合否判定基準ではなく、運用要件に基づいてエンドユーザーがより詳細な分類コードを指定できます。

分類コードの形式:ISO 15848-1 [気密性クラス] – [耐久性クラス] – [温度クラス] – [試験媒体]

1. 気密性クラス（漏水率制限）

• クラスA（≤ 10⁻⁶ mg·s⁻¹·m⁻¹ ステム周囲長）：最も厳しいクラスで、有毒物質（ベンゼン、H₂S、HF）を扱う用途に必要です。クラスAバルブは、メタン換算で10 ppm未満の漏洩量です。
• クラスB（ステム周囲長 ≤ 10⁻⁴ mg·s⁻¹·m⁻¹）：高品質化学プロセス用ボールバルブの標準ベンチマーク。メタン試験の場合、BM ≤ 100 ppm。ヘリウムの場合、BH ≤ 1.0×10⁻⁴ mg/(s·m)。
• クラスC（幹周長 ≤ 10⁻² mg·s⁻¹·m⁻¹）：基本的な産業用低排出基準値。メタンの場合、CM ≤ 500 ppm。

2. 耐久性クラス（遮断弁の機械的サイクル）

• CO1:2,500サイクル（1/4回転ボールバルブの基本認定基準）
• CO2:5,000サイクル
• CO3:10,000サイクル

5. 低放射率ボールバルブの設計：ステムパッキン構造

排出ガス基準値100 PPMv以下を達成するには、グランドボルトを過剰に締め付けるだけでは不十分です。過剰なトルクは、作動トルクの増加、シートの破損、パッキンの早期摩耗を引き起こします。低排出ガス設計のボールバルブは、ステムシールチャンバー全体を最適化します。

Low-Eボールバルブの主要構造要素：

1. ライブロード式ベルビルスプリングアセンブリ：ステンレス鋼製のベルビル式ディスクスプリングスタックは、パッキンセットに一定の動的圧縮力を維持し、温度変化時の熱膨張やパッキンの弛みを自動的に補正します。各バルブサイズと圧力クラスに適した予圧力を発生させるには、ディスクスプリングの適切な積層構成（直列または並列）が不可欠です。この方式により、パッキン交換間隔を2～3年から5～10年に延長できます。
2. 超滑らかなステム表面仕上げ：バルブステムは、CNC研削および研磨を行い、表面粗さがRa < 0.4 µm (16 µin) になるように仕上げる必要があります。表面が粗いステムはヤスリのように作用し、回転中にグラファイト繊維を削り取ります。
3. 金型成形フレキシブルグラファイトパッキンセット：API 622認証取得済みのグラファイトパッキンと、インコネルワイヤーで補強された上下の押し出し防止リングを使用することで、加圧下での炭素の移動を防ぎます。第三者機関による試験済みのAPI 622パッキンセットは、平均排出レベルを8 ppmvまで低減できます。
4. 機械加工されたスタッフィングボックスの公差：ステム、グランドパッキン壁、グランドフォロワー間の寸法公差を厳密に管理することで、ステムの横方向の遊びや横方向の負荷による摩耗を排除します。

6. 実例研究：欧州化学コンプレックスにおける低放射率バルブのアップグレード

背景

ロッテルダムにある多国籍化学メーカーは、エチレン処理スキッドにおいて、VOC排出量に関するコンプライアンス警告を頻繁に受けていた。この工場では、標準的なPTFEパッキン付きボールバルブを使用していたが、これが-20℃から180℃の温度サイクルによって急速に劣化していた。EPAメソッド21による嗅覚検査では、800ppmvを超える漏洩が日常的に記録されており、これは許容限度の8倍に相当する。

工場のLDAR（漏洩検知・修理）プログラムにより、規制当局からの罰金や操業許可の制限を回避するために、直ちに交換が必要なバルブ箇所が47箇所特定された。

ソリューションとエンジニアリングのアップグレード

お客様は、API 641およびISO 15848-1クラスBH-CO1の二重規格に適合した交換用バルブを必要としていました。当社のエンジニアリングチームは、バルブのサイズと圧力クラスごとにステムシールの詳細な解析を行い、-20℃から180℃の温度範囲でシール力を維持するために必要なベルビルスプリングの正確な予圧を算出しました。

当社は、以下の特長を備えたクラス300トラニオンマウント式ボールバルブを納入しました。

• 超精密仕上げの17-4PHステンレス鋼製ステム（Ra ≈ 0.2 µm）—標準要件よりも50%滑らか。
• API 622認証グラファイトを使用した、ライブロード式ベルビル型ダイナミックパッキングセット。第三者機関による検証済みで、平均排出量は8 ppmvです。
• 精密CNC加工によるボディ接合部用スパイラル巻きガスケット（内側／外側保持リング付き）。
• 出荷前に、すべての生産バルブについてISO 15848-2に基づき、工場で100%ヘリウムリークテストを実施しています。

結果

テュフ・ラインランドによる第三者検査では、メタンガスの漏洩率が12 PPMv未満であることが確認されました。これは、基準値である100 PPMvをはるかに下回り、元のPTFEパッキンバルブと比較して98.5%の削減に相当します。

このプラントは、18ヶ月間の連続稼働期間中、茎の梱包調整を一切必要とせず、すべての環境監査に合格しました。メンテナンス間隔は月次点検から年次点検に延長され、運用コストの大幅な削減を実現しました。

7. 低放射率バルブの調達チェックリスト

ボールバルブの供給業者を漏洩排出規制に適合しているかどうか評価する際には、以下の4つの品質管理チェックポイントを確認することをお勧めします。

1. 型式試験証明書の検証：TÜV、SIRA、United Valveなどの認定独立試験機関が発行した、API 641またはISO 15848-1の試験パラメータを明記したオリジナルの試験報告書を要求してください。証明書が、調達するバルブの特定のサイズと圧力クラスをカバーしていることを確認してください。より小さいサイズからの外挿は受け入れないでください。
2. 梱包材データの監査：ステムパッキンの供給業者が、重量減少率が低く腐食係数が低いことを示す独立したAPI 622認証レポートを提出していることを確認してください。
3. 工場の試験能力を検査する：サプライヤーがISO 15848-2に準拠した生産ラインの検知のために、社内に質量分析計ヘリウムリーク検出器およびフレームイオン化検出器（FID）を保有しているかどうかを確認してください。
4. ステム表面粗さの測定値を確認してください。品質管理検査の際には、校正済みの表面形状測定器を使用して、ステム表面の仕上げ状態を記録してください。

8. よくある質問

9. 結論：アプリケーションに適した規格の選択

API 641とISO 15848-1のどちらを選択するかは、プロジェクトの地理的位置、規制要件、および運用条件によって異なります。当社のエンジニアリング経験に基づき、主な推奨事項を以下に示します。

• 米国を拠点とする製油所や石油化学プラントプロジェクトでは、EPA（米国環境保護庁）の厳格な監督下では、API 641認証はしばしば必須条件となります。「調整不要」という規定は、現場での介入なしにバルブ設計がシール性能を維持できることを保証するものです。
• 複雑な熱負荷やサイクル負荷を伴う欧州および国際的なプロジェクトにおいて、ISO 15848-1の柔軟な分類システムは、実際の使用条件により適した適合性を提供します。段階的なアプローチにより、バルブの耐久性定格を特定の運用プロファイルに合わせることができます。
• ベンゼン、硫化水素、フッ化水素などの危険物や有毒物質を扱う場合は、感度を最大限に高めるため、ISO 15848-1クラスAまたはB、およびヘリウム試験の指定をお勧めします。
• 迷った場合は、二重認証バルブ（API 641 + ISO 15848-1）を指定することで、最も幅広いコンプライアンス範囲を確保し、将来の規制要件の変更にも対応できる調達を実現できます。

プロジェクト固有の推奨事項、第三者機関によるテストレポート、または技術的なご相談については、当社のエンジニアリングチームまでお問い合わせください。sales@nswvalves.com.