蒸気配管の支持偏心量はどのように決定するか

配管支持金具の構造解析及び設置選定 発表日：2016年4月21日 出典：『電力設備』2015年第10号寄稿 著者：劉啸龍、孔祥皓 内蒙古電力勘測設計院有限責任会社 配管支持金具の設計における適切な手順、分類、及び構成について解説している；また、配管の支持金具の選定方法や設置時の注意点についても詳しく説明している。 （内モンゴル電力勘察設計院有限責任会社？010020）要約：パイプラインの支持具・吊り具の設計者は、パイプライン設計において重要な役割を担う人物の一人であり、ここではパイプラインの支持具・吊り具の設計手順、分類、および構成について解説する；また、配管の支持金具の選定方法や設置時の注意点についても詳しく説明している。 キーワード：パイプライン；支持金具；設計 ??????? 1 パイプラインの支持・吊り金具の設計範囲と主な機能 ??????? 1.1 パイプラインを支える支持金具は通常、2つの部分に分かれており、1つは土木構造物の主要な部分に属し、*一般的に「支持金具」または「パイプガーデン」と呼ばれる”；もう一方のパイプラインと土木の主要構造物とを接続する各種の支持部品や吊り具であり、建物に固定される各種の支持架や高さ2m未満の独立した支持架を含み、これらは総称して「パイプライン支持吊り具」と呼ばれる。文中で言及されている配管支持金具とは後者のことで、配管専門部門が設計を担当する。 ??????? 1.2 パイプラインの支持具の主な機能は、パイプラインの荷重を支えること、パイプラインの変位を制限すること、そしてパイプラインの振動をコントロールすることの3つに要約される。その中で、配管の荷重を支えることは、支持金具の最も重要で一般的な機能です。 ??????? 2 管道支持具の設計における適切な手順 ? ??????? 管道支持具の設計と配管配置の設計は並行して行うべきであり、配管配置図の作成が終わってから初めて管道支持具の設計を行うと、機器の準備が遅れたり、土木工事の図面作成も遅れたりして、建設期間が延長されてしまいます。また、管道支持具の設計と配管工事も同時に完了させることはできず、稼働開始日にも影響が出ます。したがって、配管支持金具の設計段階における合理的な組織化は非常に重要な方法論的課題と見なされるべきであり、配管支持金具の設計計画と配管作業との進捗調整の関係は図1に示されている。 ??????? 3 管道支持金具の分類と構成 管道支持金具の支持、位置決め、防振という3つの機能、およびそれぞれの主な特性と用途に基づき、支持用支持金具、位置決め用支持装置、振動制御装置の3つのカテゴリーに分けることができる（表1参照）。配管支持・吊り具装置は、配管に取り付けられる部品（管部構造）と、支持構造（建築構造または機器）に固定される部品（根元構造）、そしてこれら2種類の部品を接続する中間部品から構成されている。 ??????? 4 配管の支持・吊り金具の設置におけるポイント ??????? 配管を配置する際には、支持・吊り金具の位置やその設置の実現可能性、合理性、経済性なども同時に考慮する必要があります。これは、配管設計者と支持・吊り金具設計者の双方に求められる要件です。応力解析および配管支持金具の設計者は、配管全体の支持システムについて研究を行い、合意に達した上で配管支持金具の位置と種類を決定しなければならない。 ??????? 4.1 パイプの支持具間隔の決定 ①パイプの支持具の設置は、パイプの許容最大スパンの要件を満たす必要がある。水平なパイプの支持具間の最大間隔は、強度条件および剛性条件に基づいて計算し、そのうちの小さい方の値を採用する。強度条件とは、配管の自重による曲げ応力が、設計温度における材料の許容応力の半分を超えてはならないというものです。剛性条件とは、配管の自重によって生じる曲げたわみを制限するものです。一般的な配管設計において、装置内部のたわみは15mmを超えてはならず、装置外部のたわみも38mmを超えてはならない。勾配のない蒸気配管のたわみは3mmを超えてはならない。②圧力脈動がある配管については、要求される配管の固有振動数に基づいて支持具間隔を決定し、配管の共鳴を防がなければならない。 ??????? 4.2 パイプラインの支持具の位置決め 集中荷重がある場合、偏心荷重や曲げ応力を軽減するため、支持具は集中荷重に近い場所に設置すべきである；感度の高い機器の近くには、機器の接続部が過度な配管の負荷を受けないように、支持金具を設置するべきであり、その支持金具は機器の接続口の近くに配置するのが望ましい；強く振動する配管には、振動の伝達を防ぐため、別途支持架を設置し、しっかりと固定する必要がある；振動するパイプ以外は、既存の建築物の梁や柱をできるだけ支えとして利用し、根付き点とすべきである；メンテナンスの便宜を考慮し、配管支持金具は、配管と機器の接続や点検を妨げない位置に設置すべきである；柔軟性解析を行う配管において、支持金具の位置は解析に基づいて決定され、支持の実現可能性も考慮される；配管の柔軟性が過度に大きい場合は、応力の過大化や配管の揺れ、振幅の増大を防ぐために支持金具を設置する必要があります；支持金具に特殊な機能部品が取り付けられている場合、設置位置において配管と根付き部材との間に十分なスペースが必要である。 ??????? 5 パイプラインの支持・吊り具設計における注意事項 ??????? 5.1 パイプラインの支持・吊り具の選定にあたっては、標準的で汎用性の高いものを優先的に使用し、可能な限り通常の支持・吊り具を選び、スプリング式の支持・吊り具はできるだけ避けるべきである。スプリング式支持金具は通常の支持金具よりも高価で、長期間使用すると故障の問題も生じ、通常の剛性支持金具ほど耐久性や信頼性に優れていない。また、スプリング式支持金具を過度に設置すると、配管系全体の変位方向が制御不能となり、安定性が低下する。 ??????? 5.2 パイプの支持金具の材質選定は、作業環境の要求に適合していなければならない。材料を間違えると、特定の作業条件下で配管支持金具部品の機械的性質が不十分になる可能性があります。配管部品に接する支持金具の材質は、配管の設計温度に応じて選定しなければならない。配管に直接溶接される支持・吊り金具の部材材料は、配管の構成部品の材料と互換性がなければならない。材料の許容せん断応力は、設計温度における材料の許容応力の0.6倍とすべきである；引き棒材料の引張許容応力は、その材料の許容応力よりも25％以上低くなければならない。 ??????? 5.3 パイプの水平変位が支持金具の性能に与える影響に注意すること。一般的な要件として、剛性のあるラチェット式支持金具の場合、動くことができるラチェットの長さは水平変位の20倍以上でなければならず、また支持棒の垂直角度は3度を超えてはならない；弾性吊架の可動式ラッチ棒の長さは、水平変位の15倍以上でなければならず、かつ吊り棒の垂直角度は4度以下でなければならない；スライドブラケットでは、過度な変位によってブラケットが浮き上がる現象が起こらないようにも注意する必要がある。配管の水平変位が大きく影響する場合、支持金具はずらして取り付けるべきである。いわゆる支持金具の偏心取り付けとは、支持金具の根元部分と管部分が一定の水平距離だけずれて取り付けられることで、支持点の水平方向の変位が支持金具に与える影響を軽減するものです。支持金具の取り付けは、根元側にも管部側にも行うことができる。根元は偏心配置が可能で、X軸方向とY軸方向の両方で偏心させることができます。管部の偏心取り付けは、配管の中心線方向にのみ可能であり、実際の支持点もずれるため、配管の静的解析誤差が増大する。実際の支持点に基づいて再計算・解析を行わない限り、この問題は解消されない。したがって、支持金具の偏心はすべて根元で行うのが望ましく、その偏心量は、冷却状態における吊り棒の偏角が加熱状態における偏角と等しくなるように設定すべきである。 ??????? 5.4 パイプラインの支持具や吊り具の選定にあたっては、パイプラインの配置や柔軟性に関する要件を満たすものでなければならず、効果的な支持具・吊り具を選択する必要がある。また、支持具や吊り具自体の重量の影響にも注意する必要がある。パイプラインの荷重と比較して、支持金具のパイプ部分の自重は約1％から3％であり、スプリング式支持金具の自重は約2％から20％、定力式支持金具の自重は約6％から35％、根元部の補助構造材の自重は約1％から3％です。全体の支持金具アセンブリの自重は、配管の荷重の3％から40％です。したがって、支持金具の自重は支持金具の荷重において見過ごせない重要な要素であり、各支持金具を構成する各部品の実際の状況に基づいて計算する必要があり、一定の比率で概算することはできない。定力ばね式支持金具では、変位値の選定に注意する必要がある。計算上の熱変位と実際の熱変位には差が生じるため、支持金具の仕様を決定する際には、一定の余裕を持った変位量を設定するべきである。一般的には、選定される変位量は計算上の変位値の1.2倍とし、その余裕は20mm以上とする；可変スプリング吊架の負荷変化率は25％以下でなければならず、経済性を考慮して、熱変位が上向きの場合は作業負荷を中央線より上方で選定し、熱変位が下向きの場合は作業負荷を中央線より下方で選定する。 ??????? 5.5 管路の振動制御について 注意すべき点 管路は動的荷重の作用を受けると、さまざまな程度の揺れや振動が生じる。配管の振動を防ぐ観点から、管支持架の選定にあたっては、可能な限り剛性のある円鋼製の吊り架を使用しないか、または連続して使用しないようにすべきである。運転中に強制振動および/または衝撃振動が発生する場所では、配管の振動安全を確保するために、適切な支持棒、バー、減震器、またはダンパーなどの装置を追加する必要がある。 ??????? 6 結語 ??????? 以上のことから、配管の支持金具の設計は、配管の安全な運用と密接に関連している。配管の支持金具を適切に設置することで、配管システムの応力レベルや、機器にかかる押力やトルクを制御し、配管システムを安全な状態に保つことができる。これにより、配管や機器が長期にわたって安全に運用されるのだ。ある意味で、配管の計画プロセスとは実際には配管支持金具の計画である。これにより、配管の支持金具の設計が配管設計において非常に重要な役割を果たしていることがわかる。 参考文献：『管道支吊架設計及び計算』TC42B2-94 化工部化工工艺配管設計技術中心站、1994年10月。『石油化工管道支吊架設計規範』SH/T3073-2004 **発展改革委員会、2004年。林其略、周美芳編著。『管道支吊技術』上海科学技術出版社、1994年。『管架標準図』HG/T21629-1999。**石油化学工業局、1999年。曲昭嘉、王瑾、曲聖偉編。『簡明管道支架計算及び構造手帳』機械工業出版社、2002年8月。
著者紹介：劉啸龍：1988年4月16日生まれ、男性、漢族。出身地は河北省蔚県。学歴は大学卒業。職位は助手エンジニア。研究分野は、設計院における火力発電所の機務関連設計。 第2著者；孔祥皓、1990年12月10日生まれ、男性、モンゴル族。出身地は内モンゴル自治区フホホト市。学歴は学士で、職業は助手エンジニア。研究分野は、設計院における火力発電所の機械関連設計。

これは配管応力解析の結果です。CAESAR 2を用いて蒸気配管を解析した後、報告書には支持点での変位量が記載されます。この変位量に基づいて管支持具を調整すればよいのです。

なるほど。設計の過程で、小さな配管や非熱力学的な配管の支持構造や材料選定が見落とされがちです。ステンレス製の配管支持構造と配管廊下との接続部分の腐食問題もしばしば見過ごされます。長期間の使用による腐食は、些細なことが大きな事故を引き起こす原因となり得るので、警戒が必要です

変位量と取り付け方向によって決定する