管殻式熱交換器のケーシング側の試験圧力の決定

これは固定管板式熱交換器を対象としたもので、主に管端の水圧試験圧力の選定に用いられます

なぜなら、ケーシング側の設計圧力が低ければ、ケーシング側の試験圧力も自然とチューブ側の試験圧力より低くなるからです。ケーシング側の試験圧入時に管継手から水分が出なかったとしても、管側の試験圧入時に管継手から水分が出ないとは保証できません。理由は非常に単純で、圧力容器の試験時によくこのような状況が起こります。圧力が10気圧/平方センチメートルに達すると溶接部から漏れませんが、11気圧/平方センチメートルになると溶接部から突然漏れ出すのです。したがって、このような状況に遭遇した場合、ケーシング側の設計時には、ケーシング側の試験圧力がチューブ側の試験圧力以上でなければならないことを考慮しなければなりません。

管側の耐圧試験を行う際には、管継手を検査することはできません。管側の圧力がケーシング側よりも高い場合、ケーシング側の試験時に継手に問題がなくても、管側の試験時に問題がないとは限りません。

近年、海外のあるエンジニアリング会社が我が国向けに設計したあるプロジェクトの熱交換器に関する規定において、「管側とケーシング側の設計圧力に大きな差がある熱交換器については、圧力が低い側の設計圧力を、その水圧試験圧力が高い側の設計圧力と等しくなるように引き上げるべきである（いわゆる2/3の原則）」と提案している。それ以降、国内のいくつかのエンジニアリング会社も次々と、自社の工事規定にこれを盛り込んでいった。 2/3の原則は、API 660-2003「管殻式熱交換器規格」の付録D（参照資料－推奨事項）のD2.1条に由来しています。D2.1条の条文は、「高圧ユニット内の熱交換管が故障する。」となっている。熱交換器がケーシング側とチューブ側の間に大きな運転圧力差を受ける場合、熱交換チューブの故障の影響を考慮する必要がある。注：詳細は参考文献(4)および(5)を参照。” 参考文献(4)はAPI RP 521-1997「減圧および降压システムのガイドライン」であり、参考文献(5)は「石油学会－熱交換管の故障がもたらす影響に耐える管殻式熱交換器の設計と安全な運用」である。現在、参考文献(4)は見つかりましたが、参考文献(5)はまだ見つかっていません。 参考文献(4)において、3.18項は熱交換装置の故障であり、その中の3.18.2項の条文は次の通りである。「全ての配管が破断し、大量の高圧物質が熱交換器の低圧側に流れ込むことは極めて稀だが、事故が起こる可能性はある。」熱交換器の運転中に生じる小規模な漏れでは、過圧になることはほとんどない。これは、標準的な水圧試験圧力が機器の設計圧力の150％だからである。機器の故障、言い換えれば、低圧側（上流および下流システムを含む）が最低でも高圧側の設計圧力の2/3で設計されている場合、低圧側から常圧までの余裕度の損失は、配管の破壊によって生じることはあり得ない。熱交換器の高圧側の設計圧力と運転圧力に実際の差がある場合、個々の運転状態に基づく高圧側の設計圧力の代わりに、可能な限り高いシステム圧力を用いることを検討できる。 低圧側の実際の試験圧力が設計圧力（2/3の原則に基づく数値）の150％未満の場合、このより低い圧力を用いて過圧保護が必要かどうかを判断すべきである。熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）が上記の2/3の原則に基づいて設計されている場合、配管の破損による圧力解放は不要となる。新たに設置する場合、低圧側の設計圧力を高めることでリスクを低減できる。この余裕に近づいていると考えられる場合、上流および下流の配管や機器システムは見積もりによって評価しなければならない。” 説明しておくべき点は、標準的な水圧試験圧力は機器の設計圧力の150％であり、これは1999年以前のASME規格に定められているものです。いわゆる2/3の原則とは、低圧側の設計圧力の150％が高圧側の設計圧力以上でなければならない、つまり低圧側の設計圧力は高圧側の設計圧力の100/150（2/3）以上でなければならないということです。現行のASME規格の規定では、150％が130％に変更されており、この2/3の原則もそれに応じて100/130（10/13）の原則に変更されるべきである。 我が国の**規格GB150によれば、水圧試験圧力は機器の設計圧力の125％となっています。前述のいわゆる2/3の原則に従えば、低圧側の設計圧力は高圧側の設計圧力の100/125（4/5）以上でなければなりません。したがって、この2/3の原則も同様に100/125（4/5）の原則に変更されるべきです。したがって、熱交換器をASME規格に従って設計する場合、低圧側の設計圧力は高圧側の設計圧力の100/130（10/13）以上でなければならない；熱交換器が中国の規格GB150に従って設計される場合、低圧側の設計圧力は高圧側の設計圧力の100/125（4/5）以上でなければならない。（便宜上、以下の説明では引き続き2/3の原則を用いる）API RP 521-1997の3.18.2条の規定から、以下のような意味合いが導き出される：⑴ 熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）の設計圧力を、高圧側の設計圧力の2/3以上として設計する場合、熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）においては、配管の破損により追加の過圧保護用の安全弁を設置する必要はない。 ⑵ 熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）の設計圧力が、高圧側の設計圧力の2/3未満で設定される場合、その低圧側（上流および下流システムを含む）では、配管の破損により過圧保護用の放圧措置を新たに設ける必要がある。 ⑶ 熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）に過圧保護用の放圧措置が既に設けられている場合、その低圧側（上流および下流システムを含む）の設計圧力は、高圧側の設計圧力の2/3以上である必要はない。 以上の点を踏まえ、現在私たちが設計している化学プラントにおいて、熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）に過圧保護のための圧力解放措置が既に設けられているかどうかが、問題の焦点となっています。 もし熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）に過圧保護のための圧力解放措置が設けられていない場合、その低圧側（上流および下流システムを含む）の設計圧力は、少なくとも高圧側の設計圧力の2/3でなければならない； もし熱交換器の低圧側（上流および下流システムを含む）に既に過圧保護用の放圧措置が設けられている場合、その低圧側（上流および下流システムを含む）の設計圧力を高圧側の設計圧力の2/3以上とすることは不要である； もし熱交換器の低圧側の上流および下流にあるシステムの機器や配管に、過圧保護のための圧力解放措置が既に設けられているにもかかわらず、高圧側の設計圧力の2/3以上とする設計が採用されていない場合、熱交換器の低圧側の設計圧力を高圧側の設計圧力の2/3以上とするだけでは、熱交換器のコストを増加させる以外に何の意味もありません。 以上の分析に基づき、化学プラント内の各種物流システムでは、その運転条件に応じて決定された設計圧力が採用されており、また各物流システムには過圧保護のための圧力解放措置が既に設けられているため、熱交換器の低圧側の設計圧力を別途高める必要は全くない。 2008年に中国石油化学工業集団の工程部が編纂した中国石油化学工業用管殻式熱交換器技術規定では、「2/3原則」に関する記述が削除されている。 2009年7月、前述の海外のエンジニアリング会社の設計担当者から手紙を受け取った。その中で、同社が現在「2/3原則」に対して取っている対応方針として、一般的には考慮しないが、発注者から強く要望され、かつ十分な理由が示された場合のみ、発注者の要求に従うと述べられていた。

ほとんど変わらなければ提出しても問題ないが、差が大きすぎる場合はアンモニア漏れ検査を行うことはできるか