配管応力解析とは、配管システムが様々な荷重や環境条件にどのように応答するかを評価するプロセスです。これには、温度変化、圧力変動、重力（自重）、地震などの外力が配管に与える影響を評価することが含まれます。この解析は、配管システムの安全性、信頼性、および耐久性を確保するために極めて重要です。

本記事では、配管応力解析の概要とその手法について詳しく説明します。

配管応力解析の重要性

配管応力解析は、様々な分野で重要な役割を持っています。多くの事業者で次のような目的として使用されています。

・エンジニアリング会社： 新しいプラントやインフラの建設において、配管の設計と安全性を確保するため。
・工事会社： 既存のプラントやインフラのメンテナンスや修繕において、配管の状態を評価し、必要な補修を行うため。
・エネルギー会社： 火力、原子力、石油、ガス等の配管システムの設計、運用、および保守のため。
・製造業： 工場内の配管システムの設計と安全性を確保するため。
・公共事業部門： 都市計画やインフラ整備において、配管の設計と安全性を確保するため。

a. 安全性の確保

配管システムが設計通りに機能するためには、安全性が最優先です。不適切な設計や予期せぬ外力によって配管が破損することは、重大な事故や環境汚染を引き起こす可能性があります。配管応力解析により、これらのリスクを事前に特定し、適切な対策を講じることができます。

b. コスト削減効果

適切な配管応力解析により、過剰な設計や過小設計を避けることができます。過剰な設計はコストの無駄を招き、過小設計は故障リスクを高めます。解析によって最適な設計を実現することで、初期コストとメンテナンスコストの両方を削減できます。具体的には以下の点でコスト削減が期待できます。

・材料コストの最適化： 過剰な補強や過剰設計を避け、適切な量の材料を使用することで、材料費を削減します。
・メンテナンスコストの削減： 解析により予防保全が可能となり、故障やトラブルが発生する前に対策を講じることで、修理や交換にかかるコストを削減します。
・ダウンタイムの最小化：設備の稼働停止時間を最小限に抑えることで、生産効率を高め、結果的に生産コストを削減します。
・エネルギーコストの削減：効率的な配管設計により、エネルギーの無駄を省き、運用コストを削減します。

c. 法規制遵守

多くの国や地域では、配管システムに関する厳しい法規制や設計規格等が定められています。これには、設計基準、施工基準、メンテナンス基準が含まれます。代表的な規制や規格には以下が挙げられます。

・ASME B31.1： 米国の火力設備配管に関する規格であり、設計、材料、製造、検査などに関する詳細な規格を定めています。
・ASME B31.3： 米国のプロセス配管に関する規格であり、設計、材料、製造、検査などに関する詳細な規格を定めています。
・KHK E 012： 日本の高圧ガス設備等の耐震設計に関する指針であり、容器、基礎、配管、支持構造物等における耐震設計および評価基準を定めています。
JSME S NC1： 日本の原子力発電設備の設計・建設規格であり、容器、配管、ポンプ、支持構造物、試験等に関する要件を定めています。
・EN 13480： ヨーロッパの金属工業配管の設計と施工に関する規格で、強度と安全性を確保するための要件を規定しています。
・ISO 14692： 石油・天然ガス産業配管のガラス繊維強化プラスチック (GRP) 配管システムの設計、製造、設置、検査に関する国際規格です。

d. 長寿命化の効果

配管システムの寿命を延ばすことは、コスト効率の高い運用にとって非常に重要です。適切な解析により、配管システムが長期間にわたって正常に機能するように設計できます。これにより、頻繁な交換や修理を避けることができます。具体的な効果は以下の通りです。

・疲労破壊の防止： 配管材料の疲労を予測し、必要な補強やメンテナンスを事前に行うことで、疲労破壊を未然に防ぎます。
・腐食管理： 腐食等による減肉が発生しやすい配管において、適切な腐食対策を講じることで、配管の耐用年数を延ばします。
・応力集中の回避： 特定の部位に過度な応力が発生しないように設計することで、局部的な破壊を防ぎます。
・熱膨張の制御： サポート、伸縮ループ、伸縮継手を適切に配置することで温度変化による膨張・収縮を制御し、熱応力のサイクルによる損傷を防ぎます。
・定期的な検査とメンテナンス： 定期的な検査とメンテナンス計画を立てることで、予期せぬトラブルを防止し、システム全体の信頼性を高めます。

配管応力解析の具体的な手法

配管応力解析は次の３つの解析方法があります。

a. 静的解析

配管システムの安全性と耐久性を確保するために使用されます。具体的には、以下のような場面で使われます。

・設計段階： 新しい配管システムを設計する際に、適切な管径、材料、および形状を決定するために使用されます。
・検査と保全： 既存の配管システムの状態を評価し、亀裂や腐食などの問題を早期に発見するために使用されます。
・リスク評価： 緊急時のリスクを評価し、安全対策を講じるために使用されます。
・規制遵守： 配管システムが法律や規制に適合しているかを確認するために使用されます

配管システムには、熱膨張、重力、地震、風等の様々な荷重が作用します。これらの多くの荷重は本来は時間によって変動しますが、静的解析ではこれらの荷重を静止した荷重に置き換えて解析を行います。荷重を簡易的に変換する分、静解析では安全率を高く設定して評価を行いますが、プラント内の多数の配管システムの設計を安全かつ効率的に行うことがでるため、最も多く使用されています。

b. 動的解析

配管システムが地震や機械的振動などの動的荷重に対してどのように応答するかをより詳細に解析、評価するために使用されます。具体的には以下のような場面で利用されます。

・地震の影響評価： 地震が発生した際、配管システムにどの程度の応力がかかるのかを予測し、その耐震性を評価します。これにより、必要な補強や設計変更を行うことができます。
・機械的振動の影響： 配管に接続されている機械設備が運転中に発生する振動が配管に与える影響を評価します。特にポンプやコンプレッサーのように流体による振動を発生させる機器が接続されている場合に重要です。
・ウォーターハンマー： 流体が急激に停止または流速が変化する際に発生する圧力波による配管やサポートへの影響を評価します。ウォーターハンマーは配管システムに大きな損傷を与える場合もあり、対策が必要となります。
・衝撃荷重： 突発的な力（例：安全弁反力）による配管への影響を評価し、その耐久性を確保するための解析を行います。

c. 熱応力解析

配管システムが温度変化にどのように応答するかを評価するために使用されます。これにより、配管が安全かつ効率的に運用できるようになります。具体的には、以下のような場面で活用されます。

・温度変動の影響評価： 配管システムが高温または低温環境にさらされると、材料が膨張または収縮します。この変形が配管に応力を生じさせるため、その影響を評価します。
・材料の適用性評価： 異なる温度条件でどの材料が適切かを判断するために使用します。熱膨張や温度に対する耐性を考慮し、適切な材料を選定することが必要となります。
・熱疲労の予測： 温度変動が繰り返されることで生じる材料の疲労（熱疲労）を評価します。これにより、配管の寿命を予測し、適切なメンテナンス計画に反映できます。
・膨張・収縮の制御： 配管の膨張・収縮による損傷を防ぐために、熱応力解析を通じて適切なサポートや伸縮継手を設計し、安全性を確保します。

重力や地震等の荷重に対してはサポートをより多く設置することで安全性を確保することができます。一方、熱荷重に対しては過度にサポートを設置すると熱膨張を吸収することができなくなり、配管には大きな熱応力が発生し、サポートや容器・機器のアンカーには大きな荷重が作用してしまいます。熱応力解析では、サポートを適切に配置することで、配管・サポート・容器・機器等の安全性や寿命を向上させることができます。

伊藤忠テクノソリューションズの配管応力解析の関連ソリューション

CTCは、配管応力解析の分野で豊富な経験と高度な技術力を持っています。以下のような強みを提供します。

・高度なシミュレーション技術：CTCのシミュレーション技術は、配管システムの多様な応力条件を精密に再現し、最適な設計を支援します。
・カスタマイズ対応：企業のニーズに応じた柔軟なソリューションを提供し、特定の課題やプロジェクトに対して最適な解析手法を提案します。
・包括的なサポート：解析から設計、運用までの全てのフェーズでサポートを提供し、企業が安全かつ効率的に配管システムを運用できるよう支援します。

まとめ

配管応力解析は、配管システムの安全性、信頼性、耐久性を確保するために不可欠なプロセスです。適切な解析により、事故を未然に防ぎ、コストを削減し、法規制を遵守することができます。CTCは、高度なシミュレーション技術と包括的なサポートを提供しています。

【関連記事】