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振動の原因と害 熱交換器の管が振動する原因は主に2つある。1つは外部の振動源によって引き起こされる振動で、例えば往復式機械（往復式圧縮機など）の脈動する気流による振動や、支持部品や接続配管を通じて伝わってくる振動などがある。もう一つは流体の流動による励振で、管側とケーシング側の流体によって引き起こされる振動に分けられる。通常、管側の流れによって誘発される振動の振幅は小さく、危険性も低いため無視できることが多い。ただし、流速が通常値を大幅に上回る場合にのみ、管側の励振を考慮する必要がある。熱交換器内の振動は主にケーシング側の流体によって引き起こされ、通常の流速ではケーシング側の流れが大きな振幅を生じさせ、熱交換管に最も大きな損害を与える可能性がある。 研究によると、流体が引き起こす振動の周波数が熱交換要素の周波数と一致するか、非常に近い場合にのみ、要素の振幅が急激に大幅に増加し、それによって破壊に至ることがわかっている。 熱交換管の振動による損傷には、主に2つのタイプがあり、すなわち管の摩耗と管材料の疲労破壊です。管の摩耗には2つの状況がある。1つは振幅が非常に大きい振動の場合で、管同士が接触して摩耗し（平らになって隙間ができ）、菱形の形状になるもので、この状況はほとんどが振動変位が最も大きい中央部で発生する。管の熱膨張は、振動による摩耗の可能性を高めます。これは、管の熱変形が拡大し、接触による相対運動を引き起こすため、管に六角形の摩耗が生じるからです。もう一つは、管と支持板が振動によって相対的に動き、摩耗が生じることで管壁が徐々に薄くなり、最終的には貫通してしまうことです。また、折り返し板（支持板）上の管孔は通常、管の外径よりも0.8～1.2mm大きいため、振動管の管壁が折り返し板（または支持板）によって切れたり破断したりする可能性があり、特に折り返し板が非常に薄く、材料が管材よりも硬い場合にこの傾向は顕著になる。継手の緩みと腐食が同時に存在する場合、振動摩耗が増加し、この摩耗の形状は馬鞍形を呈する。管板から管が通っている部分でも、振動によって管孔の鋭い縁が管を切り刻む作用を及ぼします。 パイプの疲労破壊は、周期的な繰り返し励振（共鳴や微振動が生じる場合を含む）によって引き起こされる。なぜなら、管が振動すると、繰り返し曲げ作用による周期的な交番応力が生じるからです。管が長期間にわたって強い交番応力を受け続けると、管の中で応力が最も高くなる部分に疲労破壊が生じます。 振動による破壊は、一般的に以下の部位で発生します：(1)伝熱用管継手の支持スパンの中央部で、管同士が衝突するため、外観上明らかな摩耗痕が見られます； (2)折り返し板の切れ目付近で、熱交換管が折り返し板に衝突し摩耗する； (3)折り返し板の管孔内で、伝熱管が振動する際に折り返し板の管孔の端が伝熱管を切断したり衝突したりし、深刻な場合は管が破断することがある； (4) 伝熱管に既存していた微細な亀裂や欠陥が、振動によって徐々に拡大し、最終的に破壊に至る。 管の振動による破壊は、ケーシング内の媒体がガスまたは蒸気である場合に多く発生し、運転圧力が0.8MPaを超えるとさらに顕著になる。ケーシング内の媒体が液体の場合も、管の振動による破壊が起こり得ますが、一般的には流体の局所的な高速度領域にあるごく少数の管に限られます。 防振対策 防振対策は、局所的な高速流体の流速を下げることと、熱交換要素の固有周波数を変えるという2つの観点から行う必要がある。採用される主な方法は、以下の3つです。 (1)ケーシング側の流体の流速を下げる。 伝熱管の固有振動数が一定の場合、ケーシング側の流速を下げることで共鳴の発生を避けることができる。もし運転条件を変更できない場合は、熱交換器の入口および出口に防衝板、誘導筒、または液体出口分配器などを設置し、ケーシング側の入口・出口での流速を下げて、流体の脈動値を最小限に抑えることができる。配管群に振動防止対策が施されても効果が見られない場合、工程上で媒体の流速を調整することを検討すべきである。 (2) 管の固有振動数を向上させる。 管の固有振動数を高めることで、**共振の機会を減らすことができます。周波数を上げる最も効果的な方法は、スパンを短くすることです。管の固有振動数はスパンの二乗に反比例し、スパンが20％減少すると、固有振動数は50％向上する。U字型管束の場合、固有振動数を高めるために、管同士の間に帯状のものを巻いたり、棒や板を挿入して管の動きを防ぐことができる。 (3)熱交換管の支持状態を変えるために、折り返し板の形状を変更する。 折り返し棒式の管束や螺旋折り返し板式の管束などは、いずれも**管の支持条件を改善することができる。