電子書籍資料～圧力容器基礎知識講座（第1章）

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この投稿は最終的にLQ198619によって2017年6月6日19時25分に編集されました。第1章　圧力容器の定義　一、広義の圧力容器の定義いわゆる容器とは、一般的には物質を収容するために物体で構成された空間的な構造物のことです。簡単に言えば、化学工業や石油精製、医薬品、食品などの生産に使用される各種機器の外側のケースは、すべて容器にあたります。言うまでもなく、圧力を受けるすべての密閉容器は圧力容器、あるいは受圧容器と呼ばれる。 二、圧力容器の圧力源として、容器に入れられている物質、または容器内で反応に関与する物質を作動媒体と呼ぶ。一般的な圧力容器の作動媒体は、さまざまなガス、水蒸気、または液体です。したがって、ここでは主にガス媒体の圧力源について説明します。圧力の発生源は、容器内または容器外にあるガス圧の発生または増大という2つの種類に分けられます。1、容器内のガス圧力が容器外部で発生する場合、その圧力源は一般的にガス圧縮機または蒸気ボイラーである。ガス圧縮機には、主に容積型（ピストン式、スクリュー式、ローター式、スライド式など）と速度型（遠心式、軸流式、混流式など）の2つのタイプがあります。容積型ガス圧縮機は、ガスの体積を縮小させて密度を高めることで、ガスの圧力を上げるものです。一方、速度型ガス圧縮機は、ガスの流速を上げることでガスの運動エネルギーを位置エネルギーに変え、ガス圧力を高めるものです。作動媒体が圧縮ガスである圧力容器において、達成可能な最高圧力はガス圧縮機の出口におけるガス圧力である（もちろん、容器内の温度が大幅に上昇したり、その他の物理化学的変化によって圧力が上昇する場合は除く）。 蒸気ボイラーとは、燃料の燃焼によって生じる熱を利用して水を加熱・蒸発させ、蒸気を生成する装置です。同じ圧力下での水蒸気の体積は、飽和水の1000倍以上だからです。 2、容器内で気体圧力が発生する原因としては、容器内の媒体の凝集状態が変化することがある；気体媒体が容器内で加熱され、温度が急激に上昇する；媒体が容器内で体積が増大する化学反応など。媒体の集合状態が変化することによって圧力が発生または増加するのは、一般的に液体や固体の物質が容器内で加熱される（例えば周囲の環境温度が上昇したり、容器内の他の物質が放熱反応を起こしたりするなど）、蒸発したり分解して気体になり、体積が急激に膨張するためである。しかし、容器の容積に制限があるため、気体の密度は大幅に上昇し、その結果、容器内に圧力が生じたり、既存の気体圧力が高まったりするのである。例えば二酸化硫黄では、温度が－10.1℃（標準沸点）未満の場合、密閉容器内の蒸気圧は大気圧よりも低くなる。しかし、温度が60℃に上昇すると、液体状の二酸化硫黄が大量に蒸発し、その蒸気圧は11.25絶対大気圧まで上昇する。また、高分子ポリマーである固体ポリオキシメチレンは、加熱されると「解重合」して気体になり、体積は約1065倍に増大し、密閉容器内でも非常に高い気体圧力が発生する。 l 容器内の気体媒体が加熱されて圧力が発生したり、顕著に上昇したりするケースは、一般的には稀である。特別な理由により、ガスが容器内で大量の熱を吸収し、温度が大幅に上昇した場合にのみ、圧力が著しく上昇することがある。例えば、重合反応を起こしやすいガスを貯蔵する容器（一部の炭化水素タンクなど）では、適切な条件の下で単分子のガスが局部的に重合反応を起こし、大量の重合熱が発生します。これにより容器内のガスが加熱され、温度が大幅に上昇し、圧力も急激に高まります。時にはこれが原因で容器が過圧破壊する事故が起こることもあります。容器内の媒体が化学反応によって体積が増大し、圧力が上昇する例は多くあります。例えば、カルシウムカーバイドに水を加えて化学反応させるとアセチレンガスが生成され、体積が大幅に増加し、密閉された容器内では高い圧力が生じます。また、水を電気分解して水素と酸素を生成する反応では、1立方メートルの水から1240立方メートルの水素と620立方メートルの酸素が生成されるため、体積は約2000倍に増加し、密閉された容器内では非常に高い圧力が生じます。一般的な圧力容器では、ガスの圧力は容器の外部でより大きく上昇し、内部ではあまり上昇しない。しかし、後者の方が危険性が高く、圧力制御に対する要求もより厳しい。 三、圧力容器の基準 ここで論じる圧力容器とは、事故が発生しやすく、その事故の危険性も大きいため、専門機関による監督が必要であり、定められた技術管理規範に従って製造・使用される圧力容器を指す。つまり、圧力容器に境界線を引き、どれを一般機器として扱い、どれを特殊機器として扱うかということです。したがって、ここで言うのは特別な設備として扱われる圧力容器のことである。 1．圧力容器の境界を定める際に考慮すべき要因は、主に事故が発生する可能性と事故の危険度の大きさという2つの側面である。現在、圧力容器の基準範囲については、国際的にまだ完全に統一された規定は存在していない。一般的に、圧力容器が爆発事故を起こした場合、その危険度は作動媒体の状態、作動圧力、および容器の容量といった要因に関連しています。作動媒体が液体の圧力容器であり、液体の圧縮性は極めて小さいため、容器が破裂した際の膨張仕事、すなわち放出されるエネルギーも非常に小さく、危険性も低い。一方、作動媒体がガスの圧力容器は、ガスには大きな圧縮性があるため、容器が破裂した際の膨張仕事、すなわち瞬間的に放出されるエネルギーが非常に大きく、危険性も高くなります。これにより、作業媒体が液体の場合、容器が破裂してもその危険性は比較的小さいため、一般的にこのような液体を媒体とする圧力容器は、特別な設備として分類される圧力容器の範疇には含まれない。注目すべきは、ここで言う液体とは常温下の液体を指し、その標準沸点（すなわち標準大気圧下での沸点）よりも高い最高作動温度を持つものは含まれないという点である。2. 『特殊設備安全監察条例』および『容規』には、圧力容器に関する定義が定められている。
四、圧力容器の基本要件
1．強度：金属が永久変形や破断に抵抗する能力。よく用いられる強度の判定基準としては、降伏強度や引張強度などがある。強度とは、圧力が作用しても塑性（永久的）変形を許さない性質であり、安全性に関わる主要な問題です。2．剛性：剛性とは、製造、輸送、取り付け、使用といった外力の作用によって、フランジ（シール）、管板などのような許容されない弾性変形が生じないことである；3．安定性：外部からの力が作用しても元の形状を突然失わないようにする安定性。例えば、外部圧力や真空容器など。4．耐久性　5．密封性　五、圧力容器の工程パラメータ　圧力容器の工程パラメータは、製造上の工程要件によって決定され、圧力容器の設計や安全な運用を行うための主要な根拠となる。圧力容器の主要なプロセスパラメータは圧力と温度です。 （一）圧力 ここでは主に、圧力容器の作動媒体の圧力、つまり圧力容器が作動する際に受ける主要な負荷について論じる。圧力容器が稼働している際の圧力は圧力計で測定され、計器に表示される圧力値は表圧です。各種圧力容器の規格において、作動圧力、最大作動圧力、設計圧力といった概念が頻繁に登場するが、それらの定義を以下に詳述する。1．仕事のプレッシャー。作業圧力は操作圧力とも呼ばれ、通常の工程運転時に容器の上部にかかる圧力のことである（すなわち、液の静水圧は含まない）。2．最大作動圧力。容器の上部に、工程操作中に生じ得る最大の表面圧力を指す（つまり、液体の静水圧は含まない）。圧力がこの値を超えると、容器の安全装置が作動します。容器の最高作動圧力は、作動媒体によって決まります。3．設計圧力。それは、所定の設計温度において、容器の計算上の壁厚や各部品の寸法を決定するために用いられる圧力を指す。一般的には最高作動圧力以上となりますが、考え方の違いにより、各規格で設計圧力の選定基準には若干の差異が生じることがあります。「容規」では、容器の設計圧力は、使用中の最高作動圧力よりもわずかに高くなければならないと定められている。安全装置を備えた容器の設計圧力は、その安全装置の作動圧力または破壊圧力よりも低くてはならない。 （二）温度 1．媒体温度とは、容器内の作動媒体の温度であり、温度計を用いて測定することができる。2.設計温度；圧力容器の設計温度とは、その内部にある媒体が到達しうる温度とは異なり、容器が通常の運転過程において、所定の設計圧力下で、外面や部品の金属が到達しうる最高または最低の温度のことです。「設計規定」では、設計温度の選定について以下のように規定している：(1)容器の各部が作動中に異なる温度を生じる可能性がある場合、予想されるそれぞれの温度を各部の設計温度として用いることができる。(2)内部断熱が施された容器の場合、壁温を計算するか、または動作条件が類似した容器の実測壁温を設計温度として用いるべきである。