圧力配管システムを設計する場合、設計エンジニアは多くの場合、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必要があることを指定します。エンジニアは配管システムを設計する際に、どのように規格要件に適切に従うのでしょうか。
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。プロジェクトの場所、用途などによって、ASME、ANSI、NFPA、またはその他の管理組織によって発行された他のコードが管理される場合があります。ASME B31 には、現在 7 つの個別の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、工業および公共施設のプラント、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説明しています。これには、ASME セクション I ボイラーを設置するために使用されるボイラー外部配管と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、特定の低圧暖房および冷房配管、および ASME B31.1 のパラグラフ 100.1.3 で説明されているその他のさまざまなシステムでカバーされる機器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。最初の版は付録を含めて 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説明します。このセクションは、特に直管の最小壁厚を計算する際に、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 の一部であり、1959 年に初めて個別にリリースされました。
ASME B31.4 液体およびスラリーのパイプライン輸送システム: このセクションでは、主に液体製品をプラントとターミナル間、およびターミナル内、ポンプ、調整、および計量ステーション間で輸送する配管について説明します。このセクションは、もともと B31.1 の一部であり、1959 年に初めて個別にリリースされました。
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剤の配管について説明します。この部分は元々 B31.1 の一部であり、1962 年に初めて個別にリリースされました。
ASME B31.8 ガス伝送および分配配管システム: これには、コンプレッサー、調整および計量ステーション、およびガス収集配管を含む、主にガス製品をソースとターミナル間で輸送するための配管が含まれます。このセクションは、もともと B31.1 の一部であり、1955 年に初めて個別にリリースされました。
ASME B31.9 建物設備配管: このセクションでは、工業、公共施設、商業、公共の建物、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よく見られる配管について説明します。このセクションは ASME B31.1 および B31.3 に類似していますが、(特に最小壁厚の計算時) あまり保守的ではなく、詳細も少なくなっています。ASME B31.9 のパラグラフ 900.1.2 に示されているように、低圧、低温の用途に限定されています。このセクションは 1982 年に初版が発行されました。
ASME B31.12 水素配管および配管: このセクションでは、ガス水素サービスと液体水素サービスの配管、およびガス水素サービスの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。
どの設計コードを使用するかは、最終的にはオーナー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コードセクションを選択するのはオーナーの責任である」と記載されています。場合によっては、「設備の異なるセクションに複数のコードセクションが適用される場合があります。」
2012 年版の ASME B31.1 は、以降の説明の主な参考資料として使用されます。この記事の目的は、設計エンジニアに ASME B31 準拠の圧力配管システムを設計する際の主な手順の一部を説明することです。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の、より狭い用途で使用されるため、これ以上説明しません。ここでは設計プロセスの主要な手順について重点的に説明しますが、この説明は網羅的ではなく、システム設計時に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、テキストのすべての参照は ASME B31.1 を参照します。
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。パラグラフ 122 (パート 6) では、蒸気、給水、ブローダウンとブローダウン、計装配管、圧力リリーフ システムなど、電気配管アプリケーションでよく見られるシステムに関連する設計要件が規定されています。ASME B31.3 には ASME B31.1 と類似のパラグラフが含まれていますが、詳細は省略されています。パラグラフ 122 で検討される事項には、システム固有の圧力と温度の要件のほか、ボイラー自体、ボイラー外部配管、および ASME パート I ボイラー配管に接続されたボイラー以外の外部配管の間で区切られるさまざまな管轄区域の制限が含まれます。定義。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ります。
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作動圧力 (MSOP) 未満であってはなりません。外部圧力を受ける配管は、動作、停止、またはテスト条件下で予想される最大差圧に合わせて設計する必要があります。さらに、環境への影響も考慮する必要があります。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には、配管は外部圧力に耐えられるように設計するか、真空を破る対策を講じる必要があります。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、配管システムは増加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対策を講じる必要があります。
セクション 101.3.2 以降、配管設計における金属温度は、予想される最大持続条件を代表するものとされます。簡単にするために、金属温度は流体温度と等しいと一般に想定されます。必要に応じて、外壁温度がわかっている限り、平均金属温度を使用できます。最悪の温度条件が考慮されるように、熱交換器や燃焼装置から引き出される流体にも特に注意を払う必要があります。
多くの場合、設計者は最大使用圧力や温度に安全マージンを追加します。マージンのサイズはアプリケーション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、より標準的な炭素鋼ではなく合金材料の使用が必要になる場合があります。必須の付録Aの応力値は、各材料の許容温度に対してのみ提供されています。たとえば、炭素鋼は最大800 F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を超える温度で動作する場合は、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。材料の温度制限の詳細については、段落124を参照してください。
場合によっては、エンジニアが各システムの試験圧力を指定することもできます。パラグラフ137には、応力試験に関するガイダンスが示されています。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応力と縦方向応力がパラグラフ102.3.3 (B) に規定された材料の降伏強度の90%を超えてはなりません。ボイラー以外の外部配管システムでは、システム部品の分離が困難な場合や、システム構成上、初期サービス時に簡易なリーク試験を実施できる場合など、稼働中のリーク試験の方がより実用的な漏れ検査方法となる場合があります。同意します。これは許容範囲です。
設計条件が確立したら、配管を指定できます。まず最初に、使用する材料を決定します。前述のように、材料によって温度制限は異なります。パラグラフ 105 では、さまざまな配管材料に関する追加の制限を規定しています。材料の選択は、システム流体によっても異なります。たとえば、腐食性化学配管アプリケーションではニッケル合金を使用し、クリーンな計器用空気を供給するためにステンレス鋼を使用し、流れ加速腐食を防ぐために高クロム含有量 (0.1% 以上) の炭素鋼を使用します。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壁の減肉や配管の破損を引き起こすことが示されている侵食/腐食現象です。配管コンポーネントの減肉を適切に考慮しないと、深刻な結果を招く可能性があり、実際に深刻な結果をもたらしました。たとえば、2007 年に KCP&L の IATAN 発電所で減肉パイプが破裂し、作業員 2 名が死亡し、3 人目が重傷を負いました。
104.1.1 項の式 7 と式 9 は、内部圧力を受ける直管の最小必要壁厚と最大内部設計圧力をそれぞれ定義します。これらの式の変数には、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) に示すとおり)、および追加の厚さ許容値 (以下に説明) が含まれます。非常に多くの変数が関係するため、適切な配管材料、公称直径、および壁厚を指定することは、流体速度、圧力降下、配管およびポンプのコストも考慮する反復的なプロセスになる可能性があります。用途に関係なく、必要な最小壁厚を検証する必要があります。
FAC などのさまざまな理由を補正するために、追加の厚さ許容値を追加できます。機械式ジョイントを作成するために必要なねじ山、スロットなどの材料の除去のために、許容値が必要になる場合があります。パラグラフ 102.4.2 によれば、最小許容値はねじ山の深さに機械加工公差を加えた値と等しくなります。また、パラグラフ 102.4.4 で説明されている重畳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。溶接ジョイント (パラグラフ 102.4.3) およびエルボ (パラグラフ 102.4.5) を考慮して許容値を追加することもできます。最後に、腐食や浸食を補正するために許容値を追加できます。この許容値の厚さは設計者の裁量で決定され、パラグラフ 102.4.1 に従って配管の予想寿命と一致している必要があります。
オプションの付録 IV では、腐食制御に関するガイダンスが提供されています。保護コーティング、陰極防食、および電気絶縁 (絶縁フランジなど) はすべて、埋設または水中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。
以前の計算に必要な最小のパイプ壁厚またはスケジュールは、パイプの直径全体で一定ではない場合があり、異なる直径ごとに異なるスケジュールの仕様が必要になることがあります。適切なスケジュールと壁厚の値は、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。
パイプの材質を指定して前述の計算を実行する際には、計算に使用する最大許容応力値が指定した材質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 304ステンレス鋼管の代わりにA312 304Lステンレス鋼管を誤って指定した場合、2つの材料間の最大許容応力値に大きな差があるため、提供される壁の厚さ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/設置業者がシーム溶接管を提供することがあり、最大許容応力値が低いために壁の厚さが不十分になる可能性があります。
例えば、パイプラインの設計温度が300°F、設計圧力が1,200psigであるとします。2インチと3インチ。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方程式9の要件を満たすように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決定します。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が使用されていることに注意してください。
厚さ許容値も追加する必要があります。このアプリケーションでは、1/16 インチです。腐食許容値は想定されています。後で別のフライス加工許容値が追加されます。
3インチ。最初にパイプを指定します。スケジュール40のパイプと12.5％のフライス加工許容差を想定して、最大圧力を計算します。
スケジュール 40 パイプは、上記で指定した設計条件の 3 インチ チューブに適合します。次に、2 インチを確認します。パイプラインでは同じ仮定が使用されます。
2インチ。上記の設計条件では、配管にはスケジュール40よりも厚い壁厚が必要になります。2インチを試してください。スケジュール80のパイプ：
圧力設計においてはパイプ壁の厚さが制限要因となることがよくありますが、使用される継手、コンポーネント、接続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す。
一般的な規則として、パラグラフ 104.2、104.7.1、106、および 107 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、およびその他の圧力含有コンポーネントは、通常の動作条件下または に指定された標準圧力温度定格を下回る動作条件下で使用するのに適しているとみなされます。特定の規格または製造元が、ASME B31.1 に指定されているものよりも厳しい制限を通常の動作からの逸脱に課している場合、その厳しい制限が適用されることに注意してください。
パイプの交差点には、表 126.1 に記載されている規格に従って製造された T 字継手、横継手、十字継手、分岐溶接継手などが推奨されます。パイプラインの交差点では、独自の分岐接続が必要になる場合があります。104.3.1 項では、圧力に耐える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が規定されています。
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ジョイント、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で定義されてい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、壁の厚さやその他のコンポーネントの設計が不必要に増加しない限り許容されます。
配管設計の重要な部分は、圧力、温度、および外力の影響を受けて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見落とされることが多く、適切に実施されていない場合は、設計の中でも最もコストのかかる部分の 1 つになる可能性があります。構造的完全性については、主に 2 つの箇所、つまりパラグラフ 104.8: パイプライン コンポーネント分析とパラグラフ 119: 拡張性と柔軟性で説明されています。
104.8 項には、配管システムがコード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コード式がリストされています。これらのコード式は、一般に、連続荷重、臨時荷重、および変位荷重と呼ばれます。持続荷重は、配管システムに対する圧力と重量の影響です。付随荷重は、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。適用される各付随荷重は同時に他の付随荷重に作用しないと想定されているため、解析時には各付随荷重が個別の荷重ケースになります。変位荷重は、熱膨張、動作中の機器の変位、またはその他の変位荷重の影響です。
段落 119 では、配管システムにおけるパイプの膨張と柔軟性の処理方法と、反力荷重の決定方法について説明します。ほとんどの機器接続は接続点に加えられる最小限の力とモーメントにしか耐えられないため、配管システムの柔軟性は機器接続で最も重要になることがよくあります。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、それに応じてシステム内の熱膨張を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ていることを確認するために、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つのことが達成されます。自重たわみを最小限に抑え、持続荷重を減らし、変位荷重に利用可能な応力を増加させます。設計者が表121.5に従って支持を配置すると、通常、チューブ支持部間の自重変位またはたわみは1/8インチ未満になります。自重たわみを最小限に抑えることで、蒸気またはガスを運ぶパイプで凝縮が発生する可能性を減らすことができます。表121.5の間隔推奨事項に従うことで、設計者は配管の持続応力をコードの連続許容値の約50%にまで低減できます。式1Bによると、変位荷重の許容応力は持続荷重と反比例関係にあります。したがって、持続荷重を最小限に抑えることで、変位応力許容度を最大化できます。パイプサポートの推奨間隔を図3に示します。
配管システムの反作用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、システムのコンピュータ支援による配管応力解析を実行するのが一般的な方法です。Bentley AutoPIPE、Intergraph Caesar II、Piping Solutions Tri-Flex、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。コンピュータ支援による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、パイプラインのセクション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、使用されるコードの要件に従って、すべての配管とコンポーネントを製造、溶接、組み立てなどすることを指定します。ただし、一部の改修やその他のアプリケーションでは、第 V 章で説明されているように、指定されたエンジニアが特定の製造手法に関するガイダンスを提供することが有益な場合があります。
改修アプリケーションでよく発生する問題は、溶接予熱 (パラグラフ 131) と溶接後熱処理 (パラグラフ 132) です。これらの熱処理には、応力の緩和、割れの防止、溶接強度の向上など、さまざまな利点があります。溶接前および溶接後の熱処理の要件に影響する項目には、P 番号のグループ、材料の化学組成、溶接されるジョイントの材料の厚さなどが含まれますが、これらに限定されるわけではありません。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、パラグラフ 131 に、溶接前に母材を加熱する必要がある最低温度が示されています。PWHT については、表 132 に、溶接部を保持する保持温度範囲と時間の長さが示されています。加熱および冷却速度、温度測定方法、加熱技術、およびその他の手順は、コード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。
加圧配管システムで懸念されるもう 1 つの領域は、パイプの曲げです。パイプを曲げると壁が薄くなり、壁の厚さが不十分になる可能性があります。パラグラフ 102.4.5 によると、最小壁厚が直管の最小壁厚の計算に使用するのと同じ式を満たす限り、コードでは曲げが許可されます。通常、壁厚を考慮して許容値が追加されます。表 102.4.5 には、さまざまな曲げ半径に対する推奨される曲げ減少許容値を示します。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。パラグラフ 129 には、エルボの製造に関するガイダンスが示されています。
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安全弁を取り付ける必要があります。これらのアプリケーションでは、オプションの付録 II: 安全弁の設置設計ルールは非常に貴重ですが、あまり知られていないリソースです。
パラグラフ II-1.2 に従って、安全弁はガスまたは蒸気サービスでは完全に開くポップアップ動作を特徴としますが、安全弁は上流の静圧に対して開き、主に液体サービスに使用されます。
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。開放型排出では、安全弁出口のエルボは通常、排気管を通して大気中に排出します。通常、これによって背圧が低くなります。排気管に十分な背圧が生成されると、排気ガスの一部が排気管の入口端から排出または逆流することがあります。排気管のサイズは、ブローバックを防止するのに十分な大きさでなければなりません。閉鎖型通気アプリケーションでは、通気管内の空気圧縮により安全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、閉鎖型排出管の設計圧力が定常作動圧力の 2 倍以上であることが推奨されています。図 5 と 6 は、それぞれ安全弁の設置を開いた状態と閉じた状態を示しています。
安全弁の設置は、II-2 項でまとめられているように、さまざまな力を受ける可能性があります。これらの力には、熱膨張の影響、複数の安全弁の同時通気の相互作用、地震や振動の影響、圧力解放イベント中の圧力の影響などがあります。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、排出システム内の設計圧力は、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。II-2.2 項には、開放型および閉鎖型の排出システムの排出エルボ、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、考慮することができます。
開放排出アプリケーションの問題例は、パラグラフ II-7 に記載されています。安全弁排出システムの流量特性を計算する方法は他にもあります。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に注意する必要があります。そのような方法の 1 つは、1975 年 10 月に ASME の Journal of Electrical Engineering に発行された GS Liao の「Power Plant Safety and Pressure Relief Valve Exhaust Group Analysis」に記載されています。
安全弁の位置は、あらゆる曲げから直管までの最小距離を維持する必要があります。この最小距離は、パラグラフ II-5.2.1 で定義されているように、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、バルブ分岐接続の推奨間隔は、表 D-1 の注 (10)(c) に示すように、分岐およびサービス配管の半径によって異なります。パラグラフ II-5.7.1 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、安全弁の排出口にある配管サポートを、隣接する構造物ではなく操作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考慮事項およびその他の設計上の考慮事項の概要は、パラグラフ II-5 に記載されています。
当然ながら、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エンジニアは、少なくともこの設計コードに精通している必要があります。上記の情報により、読者にとって ASME B31 がより価値があり、利用しやすいリソースとなることを願っています。
Monte K. Engelkemier 氏は、Stanley Consultants のプロジェクト リーダーです。Engelkemier 氏は、アイオワ エンジニアリング協会、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、応力解析の分野で 12 年を超える実務経験があります。Matt Wilkey 氏は、Stanley Consultants の機械エンジニアです。公共事業、地方自治体、公共機関、産業のさまざまな顧客向けに配管システムを設計した専門的な経験が 6 年を超え、ASME およびアイオワ エンジニアリング協会の会員でもあります。
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