⚡ 電気担当

制御弁¶

30秒まとめ¶

制御弁の選定は Cv 値計算・流量特性・フェールポジションの3点が核心。化学プラントでは「プロセスが異常になったとき弁はどうあるべきか」を先に決め、FC/FO/FL を選定する。

Cv 値計算¶

Cv 値（流量係数）は弁の口径・開度に応じた流量能力を表す。

液体の Cv 計算式¶

Q = Cv × √(ΔP / SG)

Q：流量（US gal/min）、ΔP：弁前後差圧（psi）、SG：比重（水=1.0）

SI 単位系での換算

Q[m³/h] = Kv × √(ΔP[bar] / SG)
Kv = 0.865 × Cv  （Cv ↔ Kv 換算）

計算例¶

条件：水（SG=1.0）、流量 10 m³/h、弁前後差圧 0.3 bar のとき

Kv = 10 / √(0.3 / 1.0) = 10 / 0.548 = 18.2
Cv = 18.2 / 0.865 = 21.0

→ Cv ≥ 21 の弁を選定。ただし通常は設計流量で 70〜80 % 開度になるよう余裕を持たせる（全開で使い切らない）。

推奨開度の幅は資料によって違います

本ページは設計点で 70〜80 %、計算ツール集は通常運転点で 50〜80 % を挙げています。どちらも実務目安で、規格が定めた値ではありません。重要なのは「全開近くで使い切らない（増締め代がなくなる）」「低開度に張り付かせない（制御性が落ち、最小流量時に 10 % を切るならサイジング見直し）」という両側の縛りで、その間のどこを狙うかは流量変動幅と特性の選び方によります。

流量特性¶

弁の開度（リフト）と流量の関係。

固有流量特性（弁前後の差圧が一定のときの開度-流量関係）。イコールパーセンテージ曲線はレンジアビリティ R=50 の代表例で、規格で一意に決まる値ではない。曲線は scripts/gen_figure_paths.py valve が定義式から生成。

特性	開度-流量関係	使い分け
リニア	開度に比例して流量増加	ΔP が一定（ポンプ制御等）
イコールパーセンテージ	開度 1% 増加でその時点の流量の一定割合増加	ΔP が変化する系（最も一般的）
クイックオープン	少し開くだけで最大流量	ON/OFF 用途・緊急遮断

イコールパーセンテージが多い理由

プロセス配管系ではポンプ吐出圧と配管圧損の関係で弁前後 ΔP が開度によって変化する。この変化をイコールパーセンテージ特性が補正し、実際の流量とリフトの関係をリニアに近づけてくれる。

フェールポジション（FC/FO/FL）¶

電源・空気圧が失われたとき（フェール時）弁がどの位置に行くかを定義する。

記号	意味	選定基準
FC（Fail Close）	フェール時に閉	緊急遮断が必要な箇所（冷却水遮断→過熱防止）
FO（Fail Open）	フェール時に開	緊急開放が必要な箇所（冷却水開放→冷却継続）
FL（Fail Last）	フェール時に最後の開度を保持	どちらでもない箇所（精度より安定優先）

化学プラントでの選定原則

FC と FO は「失った場合にプロセスが安全側に向かうか」で決める。例： - 反応器への原料供給弁 → FC（反応暴走防止） - 反応器への冷却水弁 → FO（冷却を確保） - 製品移送弁 → FC（製品漏洩防止）

ポジショナ¶

調節計の出力信号（4-20mA）を受け、弁開度を正確にフィードバック制御する機器。

種類	入力信号	特徴
空気式（I/P変換器付き）	4-20mA → 空気圧	シンプル・防爆対応容易
電気式（スマートポジショナ）	4-20mA（HART通信）	診断機能・部分ストロークテスト可
デジタル式（フィールドバス）	FF/Profibus	DCSとの統合管理

スマートポジショナの活用

HART 通信対応のスマートポジショナは以下の診断情報が取得できる： - 実際の弁開度フィードバック値 - 弁ストローク回数（予知保全に活用） - 部分ストロークテスト（PST）：弁を少し動かして動作確認（運転中に実施可能）

キャビテーション¶

液体が弁の絞り部で圧力が下がり気泡が発生し、下流で圧力が回復する際に気泡が崩壊する現象。弁体・弁座を著しく損傷させる。

キャビテーション指数 σ¶

σ = (P2 - Pv) / (P1 - P2)

P1：弁入口圧（kPa abs）、P2：弁出口圧（kPa abs）、Pv：液体の飽和蒸気圧（kPa abs）

σ ≥ 1.5〜2.0 程度が安全目安。σ が低いほどキャビテーション発生リスクが高い。

σ の定義は資料によって違う。判定値とセットでしか使えません

キャビテーション指数には複数の定義があり、代表的なものだけでも次の2系統があります。

本ページの式: σ = (P2 − Pv) / (P1 − P2)
分子を入口圧でとる式: σ = (P1 − Pv) / (P1 − P2)

後者は前者よりちょうど 1 だけ大きくなります（(P1−Pv) = (P2−Pv) + (P1−P2) のため）。つまり同じ運転条件でも定義が違えば σ の数値が変わるので、他資料の σ の値や判定基準を本ページの式に持ち込まないでください。メーカーの選定資料・サイジングソフトがどの定義を使っているかを必ず確認し、式と判定値は必ず対で扱ってください。上の「1.5〜2.0」は本ページの式に対する目安です（実務目安であり規格値ではありません。下記「根拠」参照）。

キャビテーション防止策¶

対策	方法
多段絞り弁	差圧を複数段に分割して各段の圧力降下を小さくする
背圧弁の追加	下流に背圧弁を設置して P2 を高く保つ
弁出口の拡径	出口側の流速を下げて圧力回復量を減らす

選定チェックリスト¶

[ ] 設計流量・最大流量・最小流量を確認
[ ] 流体の種類・温度・圧力・比重・蒸気圧を確認
[ ] Cv 値計算（70〜80% 開度で設計流量が通ること）
[ ] フェールポジション（FC/FO/FL）をプロセス安全から決定
[ ] 流量特性（リニア/イコールパーセンテージ）を選択
[ ] キャビテーション指数 σ を確認（液体の場合）
[ ] 防爆区域の場合 Ex 認証を確認
[ ] ポジショナ選定（スマート型の診断機能が必要か確認）

根拠¶

Cv / Kv の換算は本ページが正典です¶

Kv = 0.865 × Cv（したがって Cv = 1.156 × Kv）。この係数は単位の定義から導けます。

Cv : Q[US gal/min]、ΔP[psi] で定義
Kv : Q[m³/h]、ΔP[bar] で定義

1 US gal/min = 0.2271247 m³/h、1 psi = 0.0689476 bar
Kv/Cv = 0.2271247 / √0.0689476 = 0.86498

2026-08-01 に単位換算から再計算して確認し、2026-09-19 に SI の定義値から再導出しました。

米液量ガロンと psi はいずれも定義値なので、係数は測定値ではなく計算で一意に決まります。

1 US gal = 231 in³（定義）、1 in = 2.54 cm（定義）
        → 3.785 411 784 L → 1 US gal/min = 0.227 124 707 m³/h

1 lbf = 0.453 592 37 kg × 9.806 65 m/s²（いずれも定義）= 4.448 221 615 N
1 psi = 1 lbf / (2.54 cm)² = 6 894.757 293 Pa = 0.068 947 573 bar

Kv/Cv = 0.227 124 707 / √0.068 947 573 = 0.864 978
Cv/Kv = 1.156 099

計算ツール集の換算係数も本ページに合わせています。

計算例（水・10 m³/h・0.3 bar）も 2026-09-19 に再計算し一致を確認: Kv = 10/√0.3 = 18.2574（表示は 18.2）、Cv = 18.2/0.865 = 21.04（表示は 21.0）。

σ の定義が複数あることが最大の注意点¶

キャビテーション指数は資料によって定義が異なり、同じ運転条件でも数値が変わります。本ページの式（分子が P2 − Pv）と、分子を入口圧でとる式（P1 − Pv）ではちょうど 1 だけ差が出ます。

式と判定値は必ず対で扱ってください。 他資料の σ の値・判定基準を本ページの式に持ち込むと、キャビテーション有無の判断を誤ります。

差が「ちょうど 1」になるのは代数的に確かめられます（2026-09-19 に確認）。

```text
(P1 − Pv)/ΔP − (P2 − Pv)/ΔP = (P1 − P2)/ΔP = ΔP/ΔP = 1
```

したがって**他資料の判定値をそのまま使いたい場合は、式を揃えるか判定値に ±1 する**必要があります。

原本未照合（honest-hold）¶

弁のサイジング規格（IEC 60534 系・ISA の関連 RP）は有償で、本 Wiki では原本を照合していません。 したがって次は扱いません。
- 規格が定めるサイジング式そのもの（配管レデューサ係数 Fp、圧力回復係数 FL、チョーク流れの判定、液体臨界圧力比係数 FF など）
- σ の規格上の定義と、初生キャビテーション／損傷限界の規格判定値
本ページの式は基本形（レデューサ・チョーク流れ・粘度補正を含まない）です。実際のサイジングはメーカーの選定資料・サイジングソフトによってください
レンジアビリティ R = 50 は図示のための代表例で、規格で一意に決まる値ではありません（図の caption に既記）

実務慣行（規格の裏付けなし）¶

設計点で 70〜80 % 開度（計算ツール集は通常運転点で 50〜80 %）。両者とも実務目安で、規格が定めた値ではありません。本質は「全開で使い切らない」「低開度に張り付かせない」の両側の縛りです
σ ≥ 1.5〜2.0（本ページの式に対する目安）
流量特性の使い分け（ΔP 一定ならリニア、変化するならイコールパーセンテージ）は設計の定石です

正典参照¶

項目	正典
4-20 mA・HART・故障判定（NAMUR NE 43）	計装基礎
フェールポジションの空気源喪失時の挙動・FL の限界	計装空気
防爆エリアの Zone 区分・防爆構造の適用	防爆
弁トラブルの切り分け・シート漏れクラス	制御弁トラブル
部分ストロークテスト（PST）と SIL の関係	機能安全（SIS/SIL）

個々の弁のフェール方向は設計で決まる値です。本ページの選定原則は考え方であり、実物は P&ID・弁データシートで確認してください。

照合日: 2026-09-19（Cv/Kv 換算係数を SI の定義値から再導出、計算例と σ の 2 定義の差を再計算。有償規格〔IEC 60534 系・ISA〕の原本未照合は変わらず）。