バタフライバルブのトルク計算とアクチュエータ選定：エンジニア向け完全リファレンス
執筆者
アレン・チャン · シニアアプリケーションエンジニア、LAUX VALVE
アクチュエータがバタフライバルブに対して小さすぎると、初日からトラブルが発生します — ステムがシートから離れません。逆に大きすぎれば、プラントの全寿命にわたり費用が無駄になります。両者の間の許容幅は狭く、評価できるメーカーがすべて計算しているが買主が公表値を目にすることはまずない 4 つのトルク成分によって決まります。本リファレンスでは、実数値、教科書の式を現場の値に変える補正、そして最近のプロジェクトからの完全計算例を示します。
バタフライバルブの 4 つのトルク成分
バタフライバルブの全操作トルクは、4 つの物理的寄与の和です。主要な業界資料 — AWWA M49、API 609、NRC のステムトルク設計基準、各アクチュエータ OEM の技術ハンドブック — はすべて、記号の細部こそ違えど、ほぼ同じ分解を用いています。
| 記号 | 名称 | 物理的意味 | 主因 |
|---|---|---|---|
| Ts | シートトルク | ゴムまたは PTFE シートを圧縮／離す力 | シート締め代、ディスク径、摩擦係数 |
| Tb | 軸受摩擦 | 圧力荷重下のステムジャーナル軸受の摩擦 | ΔP × ディスク面積、軸受材質、μ |
| Th | 静水圧トルク | 閉位置の偏心ディスクへの偏心圧力荷重 | ΔP、偏心量、ディスク形状 |
| Td | 動的トルク | 流れによる誘起トルク、60°〜75° 開度でピーク | ΔP、流速、ディスク角、設置位置 |
全操作トルク：Ta = Ts + Tb + Th ± Td。動的項は符号付きで、閉じる方向により流れがディスクを助けるか妨げるかが変わります。選定では常に最悪条件 ( +Td ) を取ること。
バタフライバルブのトルクはなぜ D³ で増えるのか — コストへの影響
シートトルクは「シート接触円周長 × ディスク径 × 単位長あたりシート圧縮力」に比例します。第 1 項は D に比例し、第 3 項も大径ほどシートが重くなり D に比例、有効てこ腕も D に比例 — したがってシートトルク単独でほぼ D³ に増えます。動的トルク（流体圧 × ディスク面積 × てこ腕）も D³。結果として呼び径を 2 倍にするとアクチュエータ容量は約 8 倍。DN 100 の手動レバー型が 80 USD、DN 600 のギア式が 4,000 USD なのはこのためです。
理論を現場値に変える現場補正
設置位置：5D ルール
公開されているトルク表の多くは、バルブ上流が乱れのない直管流であると仮定しています。実際には、バルブがエルボ・ティー・ポンプ吐出・その他の擾乱から 5 D 以内に設置されると、ディスク上の非対称圧力分布により動的トルクが 1.5×〜2.0× に増えることがあります。AWWA M49 はこの補正表を持っていますが、ほとんどのブログでは無視されています。近接設置を避けられない場合は、流速を抑えるために 1 サイズ大きいディスクにするか、アクチュエータ計算で Td に 1.75× を乗じてください。
媒体：スラリー・乾燥ガス・低温サービス
水ベースのトルク表は、他流体には直接適用できません。スラリーはシートを摩耗させ、ブレイクアウェイトルクが 20〜40 % 増加。乾燥ガスは水がシート界面で果たす潤滑を奪うため、15 % 上乗せ。低温サービス（LNG、液体窒素）ではエラストマーシートが硬化し、初回サイクルのシート成分が約 2 倍になります — −30 °C 以下では PTFE シート推奨。180 °C 超の PTFE サービスではクリープ余裕が必要 — Ts に 30 % 加算。
安全係数：1.25 から 2.0
Ta を設置・媒体補正したあと、アクチュエータ選定の前に安全係数を掛けます。清浄冷水で週次サイクルなら **1.25**、一般工業用は **1.5**、スラリー・サワーガス・消火水・SIL 対象の緊急遮断用は **2.0** を使用します。係数の根拠：5〜10 年でシートは 10〜20 % のコンプレッションセットを失い、周囲温度変化が軸受摩擦を変動させ、空圧供給圧力もプラント寿命の間に低下します。試運転日に清水で 1.25× で選んだバルブは、10 年目には 1.0× で動くことになるでしょう — それで余裕は使い切りです。
計算例：ポンプ吐出側 DN 300 二偏心バルブ
条件：清浄プロセス水、ΔP = 10 bar、水平ポンプ吐出から 3 D の位置に設置。フランジ規格 PN 16。客先当初仕様は手動レバー — このサイズでは明らかに不可能。実際に同行した計算を以下に示します。
| ステップ | 式・値 | 結果 |
|---|---|---|
| 1. Ts シート（メーカー値） | LAUX DN 300 EPDM 表 | 210 N·m |
| 2. Tb 軸受摩擦 | 0.5 × ΔP × A_disc × μ × D_stem | ≈ 95 N·m |
| 3. Th 静水圧オフセット | 偏心ディスク：ΔP × A_disc × e の 4 % | ≈ 28 N·m |
| 4. Td 動的（ピーク） | 流れ曲線 70° 開度 | 140 N·m |
| 5. 合計 Ta | 210 + 95 + 28 + 140 | 473 N·m |
| 6. 設置補正（ポンプから 3 D） | Td × 1.75 → +105 N·m | 578 N·m |
| 7. 安全係数 1.5× | 578 × 1.5 | 867 N·m → 出力 ≥ 900 N·m のアクチュエータを指定 |
| 8. MAST 確認 | LAUX DN 300 ステム MAST = 2,400 N·m > 900 ✓ | OK |
アクチュエータ選定：トルク曲線のマッチング
購買チームが陥りがちな落とし穴は、アクチュエータ・データシート上の定格トルク 1 点だけを比較してしまうこと。実際には各形式が 0°〜90° の回転範囲で異なる形でトルクを出します。アクチュエータの出力曲線が、バルブ側の必要トルク曲線をピークだけでなく全角度で包絡しなければなりません。代表的な 3 形式の挙動を示します。
ラック&ピニオン（空圧）
- フラットなトルク曲線、0°〜90° 一定
- Td ピークが穏やかな弾性シートバルブに最適
- コンパクト・低コスト、〜600 N·m まで
スコッチヨーク（空圧）
- 出力ピークが 0° と 90° — シートトルクのピークと一致
- 三偏心や高圧メタルシートバルブに最適
- 高コスト、設置スペース大
ウォームギア（手動／電動）
- セルフロック — 流れでディスクが逆回転しない
- 高い減速比 — ハンドル入力を 50:1 以上に増幅
- DN ≥ 400 の手動操作には必須
アクチュエータ選定決定木
- 1
1. 手動か自動か？
手動 ≤ DN 300 → レバー、手動 > DN 300 → ウォームギア式ハンドル。自動 → ステップ 2 へ。
- 2
2. フェイルセーフ位置は必要か？
はい → スプリングリターン空圧。いいえ → 複動空圧または電動。
- 3
3. Td ピーク／Ts 比は？
Td > Ts → スコッチヨーク（空圧）。Td ≈ Ts → ラック&ピニオンか電動。Ts 支配 → どちらでも可。
- 4
4. MAST 確認 → 安全係数 1.25〜2.0× 適用。
アクチュエータ定格トルクは「補正済み Ta × SF」を上回り、ステム MAST を下回る必要があります。両方の条件が必須。
空気供給圧力余裕 — 静かなキラー
空圧アクチュエータのトルクは供給圧力に比例します。多くのプラントは公称 6 bar 運転ですが、冷凍機サイクル、複数アクチュエータ同時動作、供給ラインのクイックカプラ漏れで 5.4 bar まで頻繁に落ちます。常に「保証される最低圧力」で選定し、銘板値を使わず、さらに 10 % のマージンを取ること。当社は、空圧アクチュエータを公称 6 bar で選定したものの最悪条件で実際 5.0 bar しか供給されず、トルク 17 % 低下でバルブが閉固着しラインが停まった案件を何度も改修してきました。
動画：トルク試験ベンチのウォークスルー
よくある質問
よくある質問
ブレイクアウェイトルクと操作トルクの違いは？
ブレイクアウェイトルクは全閉位置からディスクを動かし始めるのに必要なピークで、Ts と軸受静摩擦が支配的です。操作（ランニング）トルクは 5°〜85° 開度の途中域で、通常はブレイクアウェイの 30〜60 %。アクチュエータ選定は両者をカバーする必要があります。多くはブレイクアウェイが最悪ですが、動的トルク支配の用途では 70° 付近のランニングピークの方が大きくなることがあります。
古いアクチュエータを同じ呼び径の新しいバルブに再利用できますか？
完全な再選定をした上でなら可能です。シート設計は世代やメーカー間で変わるため、2010 年の DN 200 EPDM バルブは現代の DN 200 三偏心より 30 % 少ないトルクで済むことがあります。取付フランジ（ISO 5211 F コード）も一致が必要。再選定なしの流用は、アクチュエータ早期故障の最も多い原因の 1 つ。
Cv はトルクにどう影響しますか？
Cv（または Kv）はあるディスク角での流量容量を表します。動的トルク係数は、ディスク上の流れプロファイルが最も非対称になる角度 — 通常 60°〜75° 開度 — でピークになります。同じ呼び径で公表 Cv が大きいバルブは、通常ディスクプロファイルが薄く開放的で、動的トルクピークは下がりますが、最大スロットリング制御能力も下がります。両者は連動するため、Cv 単独で最適化してはいけません。
制御用途には別途 Td 計算が必要ですか？
はい。純粋なオン/オフ用途では Td は閉端ピークのみ計算します。制御（モジュレーティング）用途では作動域全体の Td 曲線が必要で、バルブは寿命の大半を 30〜70 % 開度で過ごします。制御バルブには 70° の動的トルク値に最低 1.5× の安全係数を推奨します。
FAT は合格するのに、現場でアクチュエータが止まるのはなぜ？
頻度順に 3 つの典型原因：(1) プラントの空圧が工場より低く、トルク出力が 10〜20 % 低下；(2) FAT で考慮されなかった 5 D 以内の流れ擾乱で設置；(3) シートが工場新品サンプルと異なる経年・クリープ。対処は常に同じ — 実供給圧力と実設置位置で再計算し、既設アクチュエータが Ta × SF を満たすか確認します。
