圧力配管システムを設計する際、設計担当エンジニアは、システム配管がASME B31圧力配管規格の1つ以上の部分に準拠するように指定することがよくあります。エンジニアは配管システムを設計する際に、どのようにして規格の要件を適切に遵守するのでしょうか？
まず、エンジニアはどの設計仕様を選択するかを決定する必要があります。圧力配管システムの場合、これは必ずしもASME B31に限定されるわけではありません。ASME、ANSI、NFPA、またはその他の統括組織によって発行された他の規格は、プロジェクトの場所、用途などによって規定される場合があります。ASME B31には現在、7つの独立したセクションがあります。
ASME B31.1 電気配管: このセクションでは、発電所、産業および公共施設、地熱暖房システム、中央および地域暖房および冷房システムの配管について規定しています。これには、ASME Section I ボイラーの設置に使用されるボイラー外部および非ボイラー外部配管が含まれます。このセクションは、ASME ボイラーおよび圧力容器コードで規定されている機器、特定の低圧暖房および冷房配管、および ASME B31.1 の 100.1.3 項で説明されているその他のさまざまなシステムには適用されません。ASME B31.1 の起源は 1920 年代に遡り、最初の公式版は 1935 年に発行されました。付録を含めた最初の版は 30 ページ未満でしたが、現在の版は 300 ページを超えていることに注意してください。
ASME B31.3 プロセス配管：このセクションでは、製油所、化学、製薬、繊維、製紙、半導体、極低温プラント、および関連する処理プラントとターミナルの配管について規定しています。このセクションは、特に直管の最小肉厚を計算する際に、ASME B31.1 と非常によく似ています。このセクションは元々 B31.1 の一部でしたが、1959 年に初めて単独で発行されました。
ASME B31.4 液体およびスラリー用パイプライン輸送システム：このセクションでは、主に液体製品を工場とターミナル間、およびターミナル内、ポンプ、調整、計量ステーションで輸送する配管について規定しています。このセクションは元々B31.1の一部でしたが、1959年に初めて独立して発行されました。
ASME B31.5 冷凍配管および熱伝達コンポーネント：このセクションでは、冷媒および二次冷却材の配管について説明します。この部分は元々B31.1の一部でしたが、1962年に初めて単独で発行されました。
ASME B31.8 ガス輸送および配給配管システム：これには、コンプレッサー、調整ステーション、計量ステーションなどの供給源とターミナル間で主にガス製品を輸送するための配管、およびガス集積配管が含まれます。このセクションは元々B31.1の一部でしたが、1955年に初めて独立して発行されました。
ASME B31.9 建築設備配管: このセクションでは、産業、公共施設、商業、公共建築物、および ASME B31.1 で規定されているサイズ、圧力、温度範囲を必要としない集合住宅で一般的に見られる配管について規定しています。このセクションは ASME B31.1 および B31.3 と似ていますが、保守性が低く (特に最小肉厚を計算する場合)、詳細が少なくなっています。ASME B31.9 の 900.1.2 項で示されているように、低圧、低温の用途に限定されます。これは 1982 年に初めて発行されました。
ASME B31.12 水素配管および配管：このセクションでは、気体および液体水素サービスにおける配管、および気体水素サービスにおける配管について説明します。このセクションは2008年に初めて発行されました。
どの設計基準を使用するかは、最終的には所有者の判断に委ねられます。ASME B31の序文には、「提案された配管設備に最も近い基準を選択するのは所有者の責任である」と記載されています。場合によっては、「複数の基準が設備の異なる部分に適用されることがある」とも述べられています。
以降の議論では、ASME B31.1 の 2012 年版を主要な参照資料として使用します。この記事の目的は、ASME B31 に準拠した圧力配管システムの設計における主要な手順について、設計エンジニアをガイドすることです。ASME B31.1 のガイドラインに従うことで、一般的なシステム設計を適切に表現できます。ASME B31.3 または B31.9 に従う場合も同様の設計方法が使用されます。ASME B31 の残りの部分は、主に特定のシステムまたはアプリケーションなど、より狭い範囲の用途で使用されるため、これ以上は説明しません。ここでは設計プロセスの重要な手順を強調しますが、この説明は網羅的なものではなく、システム設計中は常に完全なコードを参照する必要があります。特に明記されていない限り、テキストへのすべての参照は ASME B31.1 を参照しています。
正しいコードを選択した後、システム設計者はシステム固有の設計要件も確認する必要があります。第 122 項 (パート 6) では、蒸気、給水、ブローダウンおよびブローダウン、計装配管、圧力逃がしシステムなど、電気配管アプリケーションで一般的に見られるシステムに関連する設計要件を規定しています。ASME B31.3 には ASME B31.1 と同様の項が含まれていますが、詳細度は低くなっています。第 122 項の考慮事項には、システム固有の圧力および温度要件、ならびに ASME セクション I ボイラー配管の定義に定義されているボイラー本体、ボイラー外部配管、および非ボイラー外部配管の間で規定されているさまざまな管轄上の制限が含まれます。図 2 は、ドラム ボイラーのこれらの制限を示しています。
システム設計者は、システムが動作する圧力と温度、およびシステムが満たすべき設計条件を決定する必要がある。
101.2項によれば、内部設計圧力は、静水頭の影響を含め、配管システム内の最大連続使用圧力（MSOP）を下回ってはならない。外部圧力を受ける配管は、運転、停止、または試験条件下で予想される最大差圧に対して設計されなければならない。さらに、環境への影響も考慮する必要がある。101.4項によれば、流体の冷却によって配管内の圧力が大気圧以下に低下する可能性がある場合、配管は外部圧力に耐えられるように設計するか、真空を破るための措置を講じなければならない。流体の膨張によって圧力が上昇する可能性がある状況では、配管システムは上昇した圧力に耐えられるように設計するか、過剰な圧力を解放するための措置を講じなければならない。
第101.3.2項以降、配管設計における金属温度は、想定される最大持続温度条件を代表するものでなければならない。簡略化のため、一般的には金属温度は流体温度と等しいと仮定される。必要に応じて、外壁温度が分かっている限り、平均金属温度を使用することもできる。また、熱交換器や燃焼装置から引き込まれる流体については、最悪の温度条件が考慮されるように特に注意を払う必要がある。
設計者は、最大使用圧力および/または温度に安全マージンを追加することがよくあります。マージンの大きさは用途によって異なります。設計温度を決定する際には、材料の制約を考慮することも重要です。高い設計温度 (750 F を超える) を指定すると、より一般的な炭素鋼ではなく合金材料を使用する必要がある場合があります。必須付録 A の応力値は、各材料の許容温度に対してのみ提供されます。たとえば、炭素鋼は 800 F までの応力値しか提供できません。炭素鋼を 800 F を超える温度に長時間さらすと、パイプが炭化して脆くなり、破損しやすくなります。800 F を超える温度で運転する場合は、炭素鋼に関連する加速クリープ損傷も考慮する必要があります。材料の温度制限に関する詳細な説明については、124 項を参照してください。
エンジニアは、システムごとに試験圧力を指定することもできます。第 137 項では、応力試験に関するガイダンスを提供しています。通常、静水圧試験は設計圧力の 1.5 倍で指定されますが、圧力試験中は、配管の周方向および縦方向の応力が、第 102.3.3 項 (B) の材料の降伏強度の 90% を超えてはなりません。一部の非ボイラー外部配管システムでは、システムの一部の隔離が困難であるため、または単にシステム構成により初期サービス中に簡単な漏洩試験が可能であるため、使用中の漏洩試験の方が漏洩を確認するより実用的な方法となる場合があります。同意します、これは許容されます。
設計条件が確立されたら、配管を指定できます。最初に決定するのは、使用する材料です。前述のように、材料によって耐熱温度が異なります。第105項では、さまざまな配管材料に対する追加の制限が規定されています。材料の選択は、腐食性化学配管用途におけるニッケル合金、清浄な計装用空気を供給するためのステンレス鋼、または流れ加速腐食を防止するための高クロム含有量（0.1%以上）の炭素鋼など、システム流体にも依存します。流れ加速腐食（FAC）は、最も重要な配管システムの一部で深刻な肉厚減少と配管の破損を引き起こすことが実証されている侵食/腐食現象です。配管部品の肉厚減少を適切に考慮しないと、深刻な結果を招く可能性があり、実際に深刻な結果が生じています。例えば、2007年にKCP&LのIATAN発電所で過熱蒸気減圧管が破裂し、作業員2人が死亡、1人が重傷を負いました。
104.1.1項の式7と式9は、内圧を受ける直管に必要な最小肉厚と最大内部設計圧力をそれぞれ定義しています。これらの式に含まれる変数には、最大許容応力（必須付録Aより）、管の外径、材料係数（表104.1.2（A）に示す）、および追加の肉厚許容値（後述）が含まれます。多くの変数が関係するため、適切な配管材料、公称直径、肉厚を指定するには、流体速度、圧力損失、配管およびポンプのコストも考慮した反復プロセスが必要になる場合があります。用途に関わらず、必要な最小肉厚を検証する必要があります。
FACを含むさまざまな理由を補償するために、追加の厚み許容値を追加できます。ねじ、スロットなどの除去、機械的接合に必要な材料のために許容値が必要になる場合があります。102.4.2項によれば、最小許容値はねじの深さと機械加工公差の合計に等しくなります。102.4.4項で説明されている重ね荷重またはその他の原因によるパイプの損傷、崩壊、過度のたるみ、または座屈を防ぐために、追加の強度を提供するために許容値が必要になる場合もあります。溶接継手（102.4.3項）およびエルボ（102.4.5項）を考慮して許容値を追加することもできます。最後に、腐食および/または浸食を補償するために公差を追加できます。この許容値の厚さは設計者の裁量に委ねられており、102.4.1項に従って配管の予想寿命と一致していなければなりません。
オプションの附属書IVでは、腐食制御に関するガイダンスを提供しています。保護コーティング、陰極防食、および電気的絶縁（絶縁フランジなど）はすべて、埋設または水没したパイプラインの外部腐食を防止する方法です。腐食抑制剤またはライナーは、内部腐食を防止するために使用できます。また、適切な純度の水圧試験水を使用し、必要に応じて水圧試験後に配管を完全に排水するように注意する必要があります。
以前の計算で必要だった最小管肉厚またはスケジュールは、管径全体で一定ではなく、異なる管径に対して異なるスケジュールの仕様が必要になる場合があります。適切なスケジュールと肉厚の値は、ASME B36.10 溶接およびシームレス鍛造鋼管で定義されています。
前述のパイプ材料を指定し、計算を実行する際には、計算で使用する最大許容応力値が指定された材料と一致していることを確認することが重要です。たとえば、A312 304L ステンレス鋼管を誤って A312 304 ステンレス鋼管として指定した場合、2 つの材料の最大許容応力値に大きな差があるため、提供される肉厚が不十分になる可能性があります。同様に、パイプの製造方法も適切に指定する必要があります。たとえば、シームレスパイプの最大許容応力値を計算に使用する場合は、シームレスパイプを指定する必要があります。そうでない場合、製造業者/設置業者は継ぎ目溶接パイプを提供する可能性があり、その結果、最大許容応力値が低いため、肉厚が不十分になる可能性があります。
例えば、配管の設計温度が 300 F、設計圧力が 1,200 psig であるとします。2 インチと 3 インチの炭素鋼 (A53 グレード B シームレス) ワイヤを使用します。ASME B31.1 式 9 の要件を満たすために指定する適切な配管計画を決定します。まず、設計条件について説明します。
次に、表A-1から、上記の設計温度におけるA53グレードBの最大許容応力値を求めます。シームレスパイプが指定されているため、シームレスパイプの値を使用することに注意してください。
厚みの許容値も加算する必要があります。この用途では、1/16インチとします。腐食代は想定されています。別途、フライス加工の許容値が追加されます。
3インチ。まずパイプの種類を指定します。スケジュール40のパイプと12.5%の切削公差を想定して、最大圧力を計算します。
スケジュール40パイプは、上記の設計条件で3インチのチューブに適しています。次に、2インチを確認します。パイプラインでは、同じ仮定を使用します。
2インチ。上記の設計条件では、配管にはスケジュール40よりも厚い肉厚が必要になります。2インチを試してみてください。スケジュール80パイプ：
圧力設計においては、配管の肉厚がしばしば制限要因となるが、使用する継手、部品、接続部が指定された設計条件に適していることを確認することも重要である。
一般的に、104.2、104.7.1、106、107項に従い、表126.1に記載されている規格に従って製造されたすべてのバルブ、継手、その他の圧力保持部品は、通常の運転条件またはASME B31.1で規定されている圧力温度定格以下の条件下での使用に適しているとみなされます。特定の規格または製造業者が、ASME B31.1で規定されているよりも厳しい通常運転からの逸脱制限を課す場合、より厳しい制限が適用されることに注意してください。
配管の交差部では、表 126.1 に記載されている規格に従って製造された T 継手、横断継手、十字継手、分岐溶接継手などが推奨されます。場合によっては、配管の交差部で独自の分岐接続が必要になることがあります。104.3.1 項では、圧力に耐えるのに十分な配管材料があることを保証するために、分岐接続に関する追加要件を規定しています。
設計を簡素化するために、設計者は、ASME B16.5 パイプフランジおよびフランジ継手、または表 126.1 に記載されている同様の規格で規定されている特定の材料の圧力温度クラスによって定義される特定の圧力クラス (ASME クラス 150、300 など) のフランジ定格を満たすように設計条件を高く設定することを選択できます。これは、不必要な肉厚の増加やその他のコンポーネント設計につながらない限り許容されます。
配管設計の重要な部分の一つは、圧力、温度、および外部力が加わった後も配管システムの構造的完全性が維持されるようにすることです。システムの構造的完全性は設計プロセスでしばしば見落とされがちですが、適切に行われないと、設計の中で最もコストのかかる部分の一つとなる可能性があります。構造的完全性については、主に第104.8項「パイプラインコンポーネント解析」と第119項「拡張性と柔軟性」の2箇所で説明されています。
第 104.8 項では、配管システムが規定の許容応力を超えているかどうかを判断するために使用される基本的な規定式を列挙しています。これらの規定式は、一般的に連続荷重、偶発荷重、および変位荷重と呼ばれます。持続荷重は、配管システムにかかる圧力と重量の影響です。偶発荷重は、連続荷重に加えて、風荷重、地震荷重、地形荷重、およびその他の短期荷重です。適用される各偶発荷重は、同時に他の偶発荷重に作用しないと想定されるため、各偶発荷重は解析時に個別の荷重ケースとなります。変位荷重は、熱膨張、運転中の機器の変位、またはその他の変位荷重の影響です。
第119項では、配管システムのパイプの膨張と柔軟性への対処方法、および反力荷重の決定方法について説明します。配管システムの柔軟性は、多くの場合、機器接続部で最も重要になります。なぜなら、ほとんどの機器接続部は、接続点に加わる最小限の力とモーメントしか耐えられないからです。ほとんどの場合、配管システムの熱膨張が反力荷重に最も大きな影響を与えるため、システム内の熱膨張を適切に制御することが重要です。
配管システムの柔軟性に対応し、システムが適切に支持されるようにするためには、表121.5に従って鋼管を支持することが推奨されます。設計者がこの表の標準支持間隔を満たすように努めると、次の3つのことが実現します。自重によるたわみを最小限に抑え、持続荷重を低減し、変位荷重に対する許容応力を増加させます。設計者が表121.5に従って支持部を配置すると、通常、チューブ支持部間の自重による変位またはたわみは1/8インチ未満になります。自重によるたわみを最小限に抑えることで、蒸気やガスを輸送する配管内の結露の可能性を低減できます。表121.5の間隔に関する推奨事項に従うことで、設計者は配管内の持続応力を規格の連続許容値の約50%に低減することもできます。式1Bによれば、変位荷重に対する許容応力は持続荷重に反比例します。したがって、持続荷重を最小限に抑えることで、変位応力を低減できます。許容誤差を最大化することができます。配管支持部の推奨間隔を図3に示します。
配管システムの反力荷重が適切に考慮され、規定の応力が満たされていることを確認するために、一般的な方法として、システムのコンピュータ支援配管応力解析を実行する方法があります。Bentley AutoPIPE、Intergraph Caesar II、Piping Solutions Tri-Flex、またはその他の市販のパッケージなど、さまざまなパイプライン応力解析ソフトウェアパッケージが利用可能です。コンピュータ支援配管応力解析を使用する利点は、設計者が配管システムの有限要素モデルを作成して簡単に検証し、構成に必要な変更を加えることができることです。図4は、パイプラインの一部をモデル化して解析する例を示しています。
新しいシステムを設計する場合、システム設計者は通常、すべての配管とコンポーネントは、使用する規格で要求されるとおりに製造、溶接、組み立てなどを行うように指定します。ただし、一部の改修やその他の用途では、第V章で説明するように、指定されたエンジニアが特定の製造技術についてガイダンスを提供することが有益な場合があります。
改修用途でよく遭遇する問題は、溶接予熱（第131項）と溶接後熱処理（第132項）です。これらの熱処理は、応力緩和、割れ防止、溶接強度向上などの利点があります。溶接前および溶接後熱処理の要件に影響を与える項目には、P番号グループ、材料の化学組成、溶接する接合部の材料の厚さなどが含まれますが、これらに限定されません。必須付録Aに記載されている各材料には、P番号が割り当てられています。予熱については、第131項で、溶接を行う前に母材を加熱しなければならない最低温度が規定されています。PWHTについては、表132で、溶接部を保持する温度範囲と保持時間が規定されています。加熱および冷却速度、温度測定方法、加熱技術、その他の手順は、規格に定められたガイドラインに厳密に従う必要があります。適切な熱処理を行わないと、溶接部に予期せぬ悪影響が生じる可能性があります。
加圧配管システムで懸念されるもう 1 つの領域は、パイプの曲がりです。パイプを曲げると、肉厚が不足して肉厚が薄くなる可能性があります。102.4.5 項によると、最小肉厚が直管の最小肉厚を計算するのに使用したのと同じ式を満たす限り、曲げは認められます。通常、肉厚を考慮して許容値が追加されます。表 102.4.5 は、異なる曲げ半径に対する推奨曲げ縮小許容値を示しています。曲げには、曲げ前および/または曲げ後の熱処理が必要になる場合もあります。129 項は、エルボの製造に関するガイダンスを提供します。
多くの圧力配管システムでは、システム内の過圧を防ぐために安全弁またはリリーフ弁を設置する必要があります。このような用途においては、オプションの付録II「安全弁設置設計規則」は非常に貴重な資料ですが、あまり知られていない場合もあります。
II-1.2項によれば、安全弁はガスまたは蒸気用には完全に開いたポップアップ動作を特徴とする一方、安全弁は上流側の静圧に応じて開き、主に液体用に使用される。
安全弁ユニットは、開放型排出システムか閉鎖型排出システムかによって特徴付けられます。開放型排気では、安全弁の出口にあるエルボから排気ガスが通常、排気管を通って大気中に排出されます。通常、これにより背圧は低くなります。排気管内に十分な背圧が発生すると、排気ガスの一部が排気管の入口端から排出または逆洗されることがあります。排気管のサイズは、逆流を防ぐのに十分な大きさである必要があります。閉鎖型ベントアプリケーションでは、ベントライン内の空気圧縮によりリリーフ弁出口で圧力が上昇し、圧力波が伝播する可能性があります。II-2.2.2項では、閉鎖型排出ラインの設計圧力は、定常状態の動作圧力の少なくとも2倍にすることが推奨されています。図5と図6は、それぞれ安全弁の設置が開放状態と閉鎖状態であることを示しています。
安全弁の設置には、第 II-2 項にまとめられているように、さまざまな力が作用する可能性があります。これらの力には、熱膨張の影響、複数の安全弁が同時に排気する際の相互作用、地震や振動の影響、圧力解放時の圧力の影響などが含まれます。安全弁の出口までの設計圧力はダウンパイプの設計圧力と一致する必要がありますが、排出システムの設計圧力は、排出システムの構成と安全弁の特性によって異なります。開放型および閉鎖型排出システムの場合の排出エルボ、排出パイプ入口、および排出パイプ出口での圧力と速度を決定するための式が、第 II-2.2 項に示されています。この情報を使用して、排気システムのさまざまなポイントでの反力を計算し、考慮に入れることができます。
開放型排出アプリケーションの例題は、第 II-7 項に示されています。安全弁排出システムの流量特性を計算するための他の方法も存在するため、読者は使用する方法が十分に保守的であることを確認するよう注意が必要です。そのような方法の 1 つは、ASME が Journal of Electrical Engineering 誌 1975 年 10 月に発行した「発電所の安全性と圧力安全弁排気群の解析」で GS Liao によって説明されています。
安全弁は、曲がり部から直線配管で最小距離だけ離れた場所に設置する必要があります。この最小距離は、II-5.2.1項で定義されているシステムのサービスと形状によって異なります。複数の安全弁を備えた設備の場合、弁分岐接続部の推奨間隔は、表D-1の注記(10)(c)に示すように、分岐配管とサービス配管の半径によって異なります。II-5.7.1項に従って、熱膨張と地震の相互作用の影響を最小限に抑えるために、安全弁の吐出部に設置された配管支持部を、隣接する構造物ではなく、運転中の配管に接続する必要がある場合があります。安全弁アセンブリの設計におけるこれらの設計上の考慮事項およびその他の考慮事項の概要は、II-5項に記載されています。
もちろん、この記事の範囲内でASME B31のすべての設計要件を網羅することは不可能です。しかし、圧力配管システムの設計に携わる指定技術者であれば、少なくともこの設計基準に精通しているべきです。上記の情報によって、読者の皆様がASME B31をより価値のある、利用しやすい資料として認識していただければ幸いです。
モンテ・K・エンゲルケマイヤーは、スタンレー・コンサルタンツのプロジェクトリーダーです。エンゲルケマイヤーは、アイオワ州技術者協会、NSPE、ASMEの会員であり、B31.1電気配管コード委員会および小委員会に所属しています。配管システムのレイアウト、設計、ブレース評価、応力解析において12年以上の実務経験があります。マット・ウィルキーは、スタンレー・コンサルタンツの機械エンジニアです。さまざまな公益事業、自治体、機関、産業顧客向けに配管システムを設計してきた6年以上の専門的な経験があり、ASMEおよびアイオワ州技術者協会の会員です。
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