『海川翻訳組オリジナル』配管・パイプラインの設計圧力をめぐる長年の議論

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英語のタイトル：The Perennial Debate On Piping / Pipeline Design Pressure
原文リンク：https://www.cheresources.com/invision/blog/4/entry-553-the-perennial-debate-on-piping-pipeline-design-pressure/
原文の著者：ankur2061
翻訳者ID：@双木_DTQO
校正者ID：@zhdw0906
パイプ/配管の設計圧力に関する議論や論争は、もう何度も繰り返されてきました。“「Cheresources」自体にも、このテーマに関連する投稿が数十件あります。 私は今、ほとんどの問題において、プロセス設計に唯一の解決策はないと確信しています。 さまざまな設計案が考えられ、それぞれに長所と短所があります。プロセスエンジニアは、最終的なユーザーの意向やニーズに基づいて設計案を選択する必要があります。しかし、プロセス設計エンジニアが設計ソリューションを提案するたびに、彼（または彼女）はそのソリューションのあらゆる長所と短所を把握し、安全性、操作の簡便さ、設計寿命、経済性など、エンドユーザーやオペレーターの視点から設計案の各側面を評価しなければならない。 パイプライン／パイプライン設計圧力という話題に戻りましょう。設計圧力を決定（または確定）する方法には主に2つあります。 1. 离心機を用いた打ち上げ圧力の設計問題。このような状況は遠心ポンプにおいてより一般的です。しかし、遠心圧縮機の場合、これはやや難しい。なぜなら、設計圧力を決定するには、圧縮機全体の特性曲線上にあるサージ限界曲線に基づかなければならないからである。簡単な方法は、初期設計段階で遠心ポンプの最大吸込圧力または圧縮機の定格流量時の正常な圧力差を考慮し、その上である程度の余裕（例えば1.25倍または1.3倍）を見込むことです。この遠心機の出口配管の設計圧力を決定する方法は、多くのエンジニアリング会社の設計プロセスで頻繁に採用されており、通常はかなり有効である。 では、容積式機械（Positive Displacement machines, PD）はどのように設計すればよいのでしょうか？定容装置の場合、出口配管が詰まっても、装置は流量を維持し続けて接続された配管に排出します。配管に過圧がかかり、最終的にPDモーターが停止し、および/または配管が損傷（破裂/変形）する。したがって、PD装置においては、真の意味でのスタート圧頭や圧力という概念は存在しない。なぜなら、ここでのスタート圧力とは、モーターが停止し、または配管やフランジのガスケットから漏れが生じるまで圧力が継続的に上昇していく際の圧力だからである。 したがって、前述の遠心機の設計圧力選定方法はPD装置では適用できない。 PD装置の出口には圧力安全弁（Pressure Safety Valves、PSVs）が取り付けられ、配管やシステム内のその他の部品を含む全出口システムを、破壊的な過圧から守るための圧力が設定されています。PSVの圧力設定には様々な方法があります。同じ設計圧力の下で排出システムの異なる部分を保護するために複数のPSVを設置し、同じ圧力に設定することが可能です。システム内により低い設計圧力レベルの機器がある場合、その機器専用にPSVを設置し、その設定圧力を機器の設計圧力に設定することができます。もう一つの方法は、システムを全体として考えることであり、つまり配管や接続機器を含むシステム全体に同じ設計圧力を設定するのです。システムを総合的に評価し、システム内の遮断弁や隔離弁をできるだけ減らすことで、システムに必要な減圧装置の最小数を算出することができる。 重要なのは、2つの隔離弁または遮断弁の間に液体が満たされて詰まった場合、その部分に熱膨張用の圧力解放装置を設けなければならないという点です。この文の要点は、管内の空間が液体で満たされていることです。しかし、この方法はガスが満たされた配管の詰まりを処理するのには適していません。 2. ASME B16.5（旧ANSI B16.5）で規定されているイギリス式の配管等級および力・温度等級を基準として設計される場合。若手エンジニアにとって、ASME B16.5は「管フランジおよびフランジ付き管継手」のアメリカ規格です。これはアメリカの規格ですが、配管設計や工学において広く受け入れられています。ASME B16.5が設計圧力を定める際の基本的な前提は、フランジがあらゆる配管システムにおいて最も弱い部分であり、システムの信頼性はその中で最も弱い部品に依存するという、広く受け入れられている考え方です。私個人としては、これは与えられた設計温度に基づいて、あらゆる配管システムの設計圧力値を決定するためのより適切な方法だと思います。 ASME B16.5には、さまざまな温度、圧力、材質を含む豊富な配管圧力等級表があります。パイプラインの圧力等級は150＃から2500＃までです。材質は番号で分類され、例えば1.10から1.18、2.1から2.12、そして3.1から3.19などです。補間によって、与えられた2つの温度値の間の温度に対応する他のパラメータを求めることができる。 例を挙げてみましょう。配管の定格等級：300#　材質カテゴリー：1.1（この材質カテゴリーは一般的に炭素鋼です）　設計温度：80℃　設計圧力：47.5 barg（ASME B16.5に基づいて計算）　B16.5における材質カテゴリー1.1の圧力・温度等級は、最初の表に記載されています。50℃の温度における圧力は50.1bargで、100℃では46.6bargです。 80°Cに対応する圧力の差は47.6 bargです。 もし、閉塞や配管内に残留する液体による流体圧の膨張からシステムを保護するために、材質カテゴリー1.1の300＃パイプにPSV（一般的には「熱安全弁」または「熱膨張安全弁」と呼ばれる）を選定しなければならない場合、圧力値は47.6 bargに設定することをお勧めします。 柔軟な操作が可能であるため、この設計圧力を決定する方法は遠心ポンプにおいても非常に有効です。例えば、ほとんどの遠心ポンプメーカーは、3種類の特性曲線に対応する3種類のインペラを提供しています。もし操作の柔軟性のためにインペラを交換してポンプの圧頭を高くする場合、当初は定格インペラに基づいて算出された起動圧力で設定された圧力解放装置は役に立たなくなり、ポンプのインペラを交換した後（圧頭が高くなった場合）にPSVに新たな、より高い圧力値を設定する必要がある。 ポンプ出口の配管システム（配管、継手、機器を含む）を総合的に評価することによって設計圧力を決定することは、優れたエンジニアリング手法だと考えます。つまり、設計圧力はポンプ出口のすべての配管や管路の圧力と一致させるのです。システムの完全な評価にかかる高額なコストについては議論の余地があるかもしれませんが、人命の安全、環境への悪影響、生産損失といった観点から見れば、どんな失敗にもそれなりのコストが伴うこと、そしてほとんどの場合、その失敗によるコストの方が評価にかかるコストを上回るという点を忘れてはなりません。完全な評価システムがない場合でも、システムの完全性を守るために追加の保護措置が必要かどうかを判断するために、詳細な故障モードおよび影響分析の研究が求められます。 評価対象となる配管システムに関する私の考え方を明確に述べましたが、井戸口での油・ガスの流れを扱う実務上では、絞り弁の下流は評価されません。上流のスロットルバルブを基にした長距離流量パイプラインの包括的な評価コストは、天文学的な数字になるだろう。 井戸口のスロットルバルブの下流にある流量配管を保護し、バルブの故障によって高圧が発生するのを防ぐために、SILレベルを採用した「高完全性圧力保護システム」（HIPPS）が使用されている。 API 14Cは、上流の石油・ガスプラント（井口の流送配管を含む）における安全システムに関する推奨事項を提供している。