石油化学プラントの配管設計における注意点と合理的な提案

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石油化学プラントの配管設計における注意点と合理的な提案　転載時の安全管理　我が国の石油産業が絶えず発展するにつれて、石油化学プラントの規模も徐々に拡大しており、そこで使用される配管の設計に対する要求もますます厳しくなっている。石油化学プラントの配管は、物質を輸送するための特殊な設備として、さまざまな機器や関連するシステム設備を接続する役割を果たし、石油化学プラントを有機的な全体として機能させるとともに、各種流体の輸送安全を確保する上で重要な役割を担っています。しかし、実際の配管設計作業においては、配管の種類や使用条件など、多くの要因が配管設計の安全性に大きく影響します。したがって、配管設計者は要求を満たす配管を設計する際に、さまざまな要素を考慮する必要があり、特に配管設計における注意点に十分留意し、効果的な措置を講じて配管設計の安全性と耐久性を確保し、安全かつ合理的な設計とすることが求められます。 パイプラインの安全性に影響を与える要因 腐食 腐食とは、パイプライン周辺の環境媒体が化学反応によってパイプライン材料を破壊することであり、パイプラインの安全性に大きな影響を与えます。腐食による配管の損傷形態には、応力腐食、均一腐食、局部腐食、大気腐食などがある。異なる配管材料が置かれる環境が異なるため、その耐腐食性も異なります。配管が置かれる環境は一般的に複雑で変化しやすく、加えて材料自体にもある程度の欠陥があるため、腐食を予測・制御することがより困難になる。 物理的損傷 石油パイプラインの物理的損傷は、主に低温による脆性破壊と高温による破壊の2つの側面で現れます。低温条件下で、配管材料の温度がその脆性遷移温度を下回ると、衝撃強度が低下し、それによって脆性破壊が発生しやすくなる。高温下では、配管材料の性能が悪化し、例えばクリープ破壊や、炭素鋼および炭素系鋼の黒鉛化、時効脆性などが生じ、これらはすべて配管材料の弱化や脆化を引き起こしやすい。同時に、配管の金属材料は交番する荷重や温度の周期的な変化という環境下では疲労を起こしやすく、それによって金属が変形したり損傷したり、さらには破断したりして、石油化学プラントの配管の安全性に深刻な影響を及ぼします。 密封効果 現在、石油化学プラントの配管の密封には、配管の腐食や漏れを防ぎ、安全性を確保するために、主に管フランジ式密封とバルブ式密封の2つの方法が用いられています。フランジシールは、フランジ、ボルト、ガスケット（リング）の3つの要素が相互に作用することで機能します。フランジの剛性やシール面の形状、そしてガスケットの性能は、シール効果に直接的な影響を与えます。また、配管に変位が生じるとフランジシールの効果に影響を及ぼし、それがひいては配管の安全性にも影響を与えます。バルブの漏れには内部漏れと外部漏れの2種類があり、統計によるとバルブやフランジの漏れによる排出量は約2/3を占めている。漏れが発生すると配管の安全性に直結し、さらに深刻な結果を招くこともある。したがって、バルブやフランジの漏れを防ぐための有効な措置を講じることは、石油化学プラントの安全にとって非常に重要である。 配管設計の注意点　適切な材料の選定　石油化学プラントの配管材料、特に金属材料の選定は、配管の安全性やメンテナンス、技術改良など、あらゆる面に影響を与えます。不適切な配管材料を使用すると、爆発やその他の安全事故を引き起こす可能性が高いため、適切な配管材料を選定することが非常に重要です。異なる材料のフランジ接続には、それぞれ適したガスケットを使用する必要があります。高いシール圧に耐えるため、高級なフランジには金属製のガスケットが用いられ、硬さが低いフランジに対応するボルトも高級なものを選ぶべきです。 管支持架の設計は安定していなければならない。不適切な管支持架の設計は、配管の運用を損なったり回転機器を破損させたりする原因となる。管支持架の設計と配管の設計は密接に関連しており、管支持架の設計は安定性を保つべきである。配管支持架の設計にあたっては、スプリング支持架をできるだけ減らすようにする。スプリング支持架は取り付けが面倒で、長時間稼働すると故障しやすい。また、取り付け中には位置決めピンを勝手に抜いてはならない。タワーの配管には通常、支持ブラケットが1つだけ設置される。もし最初のブラケットで支える荷重が過大になった場合には、2番目の重量支持用スプリングブラケットを設置し、一定間隔ごとにガイドブラケットを設ける。吊り金具には一般的に一定の回転角度があり、長い配管内に過剰な数の吊り金具を設置すると、配管の安定性に影響を与えます。 配管の配置は合理的であるべきである。石油化学プラントの配管設計においては、配管の施工や点検、工程、装置の配置といった観点からの要求を考慮し、科学的かつ合理的な配置を行う必要がある。配管トンネルの設計余裕度は20％～30％程度であるべきで、熱応力配管は両側に配置する。主管内の凝縮液が支管に流れ込むのを防ぎ、また安全弁の背圧を低減するため、安全弁の出口は上方から流れに沿って45度の角度で放圧主管に挿入されるべきである。ジャケット管には、シームレスまたはシームレス対溶接の管継手を使用し、内管の突合せ溶接部の間隔は2メートル以上でなければならず、検査に合格した後に外管を組み付けること。ポンプの入口配管はできるだけ短く直線的にし、偏心異径継手を使用して気体の蓄積を防ぎ、気泡や液だまりが生じないようにする。 材料検査に注力する　配管材料が現場に届いた後、まず材料の検査を行い、数量と品質を確認するべきである。資材が不足している場合は、直ちに関連するメーカーと相談して補充する必要があります。また、検査で基準を満たさない資材については、関連部門に再検査を依頼し、資材の不足や不適合によって作業の遅れや再作業が発生するのを防ぐべきです。金属製配管材料はすべて水圧試験および気密試験を行い、安全レベルに応じてバルブに対して水圧試験および調整の抽出検査を実施する。 プロセス配管設計の合理性　配管設計は化学工場において重要な位置を占めており、その設計内容は基本的に変わることはない。上述した注意すべき点に加えて、適切な規格や常識的な知識を身につけ、プロセス図を十分に理解し、それによって生産工程の要求を満たす必要がある。 プロセス配管の材料と等級の分類　石油化学プラントにおいては、高圧システムと低圧システムで圧力や温度に明らかな差があるため、高圧システムと低圧システムを接続する際には、低圧側の配管の等級に従って分岐点を設定する必要がある。特別な事情がない限り、P&IDに従って境界を明確に区分する。特別な事情がある場合は、現地の実情に応じて適切に変更し、境界点および境界線を正しく定める必要がある。 レベルの分解は一般的に以下の3つのケースに分けられる。第一に、圧力のレベルは同じだが材質が異なる場合で、図1の通りである。 二つ目は、材質は同じだが圧力等級が異なる場合で、図2のとおりです。 第三に、圧力等級および材質がそれぞれ異なります。図3を参照してください。 図1からわかるように、一般的にフランジとガスケットは低品質の材料が使用され、ボルトおよびバルブは高品質の材料が使用される；図2からわかるように、フランジ、ガスケット、ボルト、およびバルブは高圧用でなければならない；図3からわかるように、フランジとガスケットは材質aの高圧グレードが使用され、ボルトおよびバルブは材質bの高圧グレードが採用されている。 装置プロセスにおける塔と容器の配管設計 石油化学プラントにおいて、塔と容器の配管設計を行う際には、その設計原理やプロセス上の特別な要求を十分に考慮する必要がある。主に、分留塔と還流タンク間の配管配置、および分留塔とスティーブンングタワー間の配管配置に分かれる。 分留塔と還流タンク間の配管配置 分留塔の塔頂圧力を熱バイパスで制御する場合、熱バイパスが短くて袋状にならないよう十分に考慮し、調節弁は図4に示すように還流タンクの上方に設置しなければならない。 分留塔とスティーブンングタワー間の配管配置について、一般的に分留塔内には調節バルブ群を設置する必要があり、このバルブ群はスティーブンングタワーの近くに取り付けられるべきである。これにより、図5に示すように、調節バルブが十分な液柱高さを確保できる。 状況に応じて気液二相流用の配管を配置する。気液二相流用の配管を配置する際、配管上の調整弁は、受け入れる媒体が入っている容器にできるだけ近くに設置し、配管内の圧力を下げて振動が発生するのを防ぐ必要がある。また、配管は適当に敷設してはならず、必ず実際の状況に応じて適切な設計を行う必要がある。図6に示す通りである。 配管とバルブの配置の合理性 配管とバルブの配置は、サンプリングポイントの設置およびスチームパージラインの設置という2つの観点から分析すべきである。まず、サンプリングポイントの設置である。関連するプロセスの設計要件を満たし、主管上に設置し、分岐部の手前で、死角や水平管の底部でのサンプリングを避け、採取されるサンプルが代表的であることを確保する必要がある。 次に、蒸気ブロー配管の設置です。この配管は化学プラントにおいてよく見られるもので、その主な目的は漏れを発見し、判断することです。異なる工程の配管には蒸気洗浄用の配管を接続する必要があります。このような設置方法の利点は、もしどちらかの配管から漏れが発生した場合、その配管上の遮断弁を閉じるだけで、他の配管や蒸気主管の正常な稼働に影響を与えない点です。 冷却交換装置の配管設計の合理性 石油化学プラントのプロセス配管設計において、冷却交換装置の配管の合理的な配置は、他のどの種類のプロセス装置とも明らかに異なり、非常に多くの複雑なプロセス要因を含んでいる。したがって、その運転や点検、そして配管の熱応力が生じる過程において、これらの機械的要素を詳細にチェックする必要がある。 （1）逆流熱交換について。冷却交換装置の冷水用配管は、通常、下から入り上から出るように設計されており、故障が発生した際にも熱交換器内に一定量の水が残り、内部の水がすべて排出されることがないようにしている。 （2）設置における純距離について。冷却交換装置の熱交換過程において、検査を容易にするため、通常は熱交換器の入口・出口付近の配管やバルブのフランジと、装置のヘッドカバーのフランジとの間に適切な隙間が設けられる。一般的に、分解を容易にするために、この隙間は約310mmに設定される。 （3）熱応力について。冷却交換装置の合理的な配置において、一般的に熱交換器の固定点は管箱の端部に設置され、接続部のノズルに接続される配管も、熱交換器の熱膨張によって生じる変位の影響を十分に考慮する必要がある。 冷却交換装置の配管設計の合理性　管支持架の設計と配管の設計は密接に関連しており、もし管支持架の設計が不適切であると、運用中に配管が損傷したり、さらには装置自体が損傷することもあります。 （1）配管と支持架の相対変位を減少させる。図7に示すように、蒸気配管では主管のそばに通常排水用の小管が設置されている。もし点Aを支え面とする支持部とした場合、垂直な管部分は膨張しやすくなり、それによってバネの下方への動きが妨げられ、結果として装置が損傷を受けることになる。したがって、このような問題を考慮すると、正しい設計方法は図8に示す通りである。すなわち、地面に支持された支架を主管上に設置し、同時にその支架を主管枠と共に昇降させることで、配管と支架の相対的な変位を減少させるのである。 （2）管支持架の設置を適切に行えば、無駄も減少する。スプリング支持架は時間が経つと弾力性を失ってしまうため、管支持架を設計する際にはスプリング支持の使用をできるだけ減らすべきである。 （3）配管の敷設。タワーに沿って設置される配管には、一般的に支持架が1つのみ設置され、その支持架からタワーの頂上までには溶接用のワイヤーが設けられている。もし1つの支持架の負荷が過大になった場合は、別の支持架を設置することができ、この支持架にはスプリング式の支持装置を取り付け、一定間隔ごとにガイド支持架も設置する。若塚の戻り流線と塔壁との間の温度差が大きい場合、生じる伸び量も大きくなる。水平管区間の最初の支持部材は垂直に引き延ばし、スプリング支持部材を設置する。Lが長く、十分な相対的な伸び量がある場合は、ガイド管クランプを設置することもできる。 冷却交換装置の配管設計の合理性　ポンプの配管設計は、主にポンプ入口の偏心ダクトの設計、ポンプ入口の直管部の設計、および配管の柔軟性に関する研究に分かれる。 （1）ポンプ入口の偏心ダイアフラム管の設計。ポンプの入口にある偏心円管を適切に設計することは、ポンプがスムーズに動作するために不可欠です。もしポンプの入口の偏心度が変わってしまうと、ガスが変径部で集まらなくなり、その結果キャビテーションが発生します。したがって、ポンプの入口の偏心径を設定する際には、上面を水平にする取り付け方法を用い、同時に最低点に排出弁を設置することで、キャビテーションを防ぐことができる。 （2）ポンプ入口の直管部の設計。ポンプの入口配管の設計においては、一般的に2つの要素が考慮される。一つ目は、ポンプの入口が一方にあるため、入口配管の支持架は調整可能でなければならず、また入口配管およびバルブはポンプの側面前方に配置されるべきであることだ；第二に、ポンプへの導入配管においては気の閉塞を避ける必要があるため、設計時にはこの点に注意する必要があります。 （3）パイプラインの柔軟性。ポンプは回転機械であるため、配管内の流れによってポンプの出口が位置ずれを起こすことがあります。この問題を考慮して、配管を設計する際には、ポンプの出口にかかる力が許容範囲内にあるようにしなければならず、特に熱補償についても考慮する必要があります。 結語 石油化学プラントのプロセス配管設計は、大規模なエンジニアリングプロジェクトであり、専門知識を持つ人材だけでなく、設計者にも創造的な発想が求められる。実際の状況に応じて適切な配管を設計することで、石油化学プラントの配管の安全性を確保し、最終的に化学装置の正常な運転を保障することができる。