パイプサポートまたはパイプハンガーは、パイプから支持構造物へ荷重を伝達する設計要素です。荷重には、パイプ本体の重量、パイプが運ぶ内容物、パイプに取り付けられたすべての配管継手、そして断熱材などのパイプカバーが含まれます。パイプサポートの主な4つの機能は、固定、ガイド、衝撃吸収、そして指定された荷重の支持です。高温または低温用途で使用されるパイプサポートには、断熱材が使用されている場合があります。パイプサポートアセンブリの全体的な設計構成は、荷重と動作条件によって異なります。
配管システムへの負荷
プライマリロード
これらは通常、内部流体圧力、外部圧力、パイプと流体の重量などのパイプに作用する重力、解放または吹き下ろしによる力、水/蒸気ハンマー効果によって生成される圧力波などの安定した持続的なタイプの負荷です。[1]
持続荷重:
- 内圧/外圧：流体輸送に使用されるパイプは、内圧負荷を受けます。ジャケット付きパイプコアやシェル＆チューブ式熱交換器などのチューブは、正味外圧を受ける場合があります。内圧または外圧は、軸方向だけでなく円周方向（円筒応力、フープ応力）にも応力を生じます。また、内圧は半径方向の応力も生じますが、これらはしばしば無視されます。内圧は、圧力×パイプ内断面積に等しい軸方向力（F =P[πd^2/4]）を作用させます。外径を用いて金属断面積（圧力とパイプ断面積）を概算する場合、軸方向応力は多くの場合、次のように近似できます。S =Pd /(4t)
- 自重：流体を含む配管の自重、配管継手、その他のインライン部品（バルブ、断熱材など）の重量です。このタイプの荷重は、配管のライフサイクル全体にわたって作用します。水平配管では、これらの荷重によって曲げが発生し、曲げモーメントは応力（力学）#単純応力（法線応力とせん断応力）と関連しています。配管の曲げは、主に分散荷重（流体重量など）と集中荷重（バルブ重量など）の2つの原因によって引き起こされます。ライザー（配管の垂直部分）の重量は、ライザークランプによって支えることができます。
臨時負荷:
- 風荷重：屋外に設置され、風にさらされる配管は、プラントの運転期間中に予想される最大風速に耐えられるよう設計されます。風力は、風向に垂直な配管の投影長に作用する均一な荷重としてモデル化されます。風力は、様々な標高における風圧を用いて、以下の式で計算されます。Fw = Pw x S x A、ここで、Fw = 総風力、Pw = 等価風圧、S = 風抵抗係数（形状係数）、A = 配管の露出面積。
- 地震荷重：地震荷重は地震工学の基本概念の一つであり、地震によって生じる振動を構造物に加えることを意味します。地震荷重は、構造物と地盤[2]、隣接する構造物[3]、あるいは津波による重力波との接触面で発生します。
- ウォーターハンマー：ウォーターハンマー（より一般的には流体ハンマー）は、流体（通常は液体ですが、気体の場合もあります）が運動中に停止または方向転換（運動量の変化）を強いられたときに発生する圧力の急上昇または波です。ウォーターハンマーは、パイプラインシステムの末端でバルブが突然閉じ、圧力波がパイプ内を伝播するときによく発生します。ウォーターハンマーは、ウォーターハンマー水圧衝撃とも呼ばれます。
- スチームハンマー：スチームハンマーは、蒸気ライン内の過熱蒸気または飽和蒸気の過渡的な流れによって発生する圧力サージであり、バルブの突然の閉鎖によって一時的な負荷として考慮されます。流れは過渡的ですが、配管応力解析では、配管振動を引き起こす可能性のある配管セグメントに沿った不平衡力のみを計算し、静的等価力として配管モデルに適用します。
- 安全弁の排出：安全弁の排出による反力は、一時的な負荷として扱われます。開放型排出設備において、安全弁の開弁後に定常流によって生じる反力は、ASME B31.1 付録 II に従って計算し、配管モデルに静的等価力として適用することができます。
二次負荷
一次荷重が何らかの力に起因するのと同様に、二次荷重は何らかの変位によって発生します。例えば、貯蔵タンクに接続された配管は、タンクの沈下により接続されたタンクノズルが下降すると、荷重を受ける可能性があります。同様に、容器に接続された配管は、容器の膨張により容器ノズルが上昇するため、上方に引っ張られます。また、配管が取り付けられている回転機器の振動により、配管が振動することもあります。
変位荷重:
- パイプの熱膨張による荷重
- 機器の熱変位による負荷
パイプは、組み立て時の温度よりも高い温度、または低い温度にさらされると、膨張または収縮を起こすことがあります。二次荷重は多くの場合周期的ですが、常にそうとは限りません。例えば、タンクの沈下による荷重は周期的ではありません。一方、運転中の容器ノズルの動きによる荷重は周期的です。これは、運転停止時に変位が減少する一方で、運転再開後に再び表面化するためです。高温と低温の流体の循環にさらされるパイプも同様に、周期的な荷重と変形を受けます。
パイプサポートの種類
- 堅固なサポート
- スプリングサポート
- スナッバー/ショックアブソーバー
堅固なサポート
剛性支持は、パイプを特定の方向に制限し、その方向への柔軟性を失わせるために使用されます。剛性支持の主な機能は、アンカー、レスト、ガイド、またはレストとガイドの両方です。
1) スタンション/パイプシュー：
剛性サポートは、下からも上からも提供できます。下からのサポートの場合、一般的にはスタンションまたはパイプクランプベースが使用されます。レストタイプサポートのみの場合は、スチール構造上にそのまま保持できます。別の方向を同時に制限するには、別のプレートまたはリフトアップラグを使用できます。パイプアンカーは、3つの直交方向すべてと3つの回転方向すべてでの動きを制限する、つまり6つの自由度をすべて制限する剛性サポートです。これは通常、スチールまたはコンクリートに溶接またはボルトで固定された溶接スタンションです。[2]コンクリートにボルトで固定されたアンカーの場合、コンクリートでサポートを保持するために使用されるアンカーボルトと呼ばれる特殊なタイプのボルトが必要です。このタイプのサポートでは、垂直力と摩擦力が大きくなる可能性があります。摩擦の影響を軽減するために、必要に応じて グラファイトパッドまたはPTFEプレートが使用されます。
2) ロッドハンガー：
これは静的拘束装置であり、引張荷重のみに耐えるように設計されています（圧縮荷重は作用させないでください。圧縮荷重が作用すると座屈が発生する可能性があります）。上部からのみ支持される剛性垂直型支持装置です。クランプ、アイナット、タイロッド、ビームアタッチメントで構成されています。ロッドハンガーの選定は、配管サイズ、荷重、温度、断熱性、組立長さなどに応じて行います。ヒンジとクランプが付属しているため、大きな摩擦力は発生しません。
3) リジッドストラット：
これは動的コンポーネントであり、引張荷重と圧縮荷重の両方に耐えるように設計されています。ストラットは垂直方向と水平方向に設置できます。V型ストラットは2自由度を拘束するために使用できます。ストラットは、剛性クランプ、剛性ストラット、溶接クレビスで構成されています。配管サイズ、荷重、温度、断熱性、組立長さに応じて選択してください。ヒンジとクランプが付属しているため、大きな摩擦力は発生しません。
スプリングサポート
出典: [3]
スプリングサポート（またはフレキシブルサポート）は、らせん状の圧縮コイルばねを使用して、荷重とそれに伴う熱膨張による配管の動きに対応します。これらは、可変力支持と定力支持に大別されます。どちらのタイプのサポートでも、重要な部品はらせん状の圧縮コイルばねです。スプリングハンガーとサポートには通常、らせん状の圧縮コイルばねが使用されています。
1.可変スプリングハンガーまたは可変力サポート：
可変力支持部は可変ハンガーまたは可変部とも呼ばれ、中程度（最大約 50 mm）の垂直方向の熱変位を受けるパイプラインを支持するために使用されます。VES ユニット（可変力支持部）は、支持構造に対する一定量の変位を許容しながら、配管または機器の重量と流体の重量（気体は無重力とみなされます）を支持するために使用されます。スプリング支持部は、地盤沈下や地震などによって生じる相対変位を受けるパイプラインを支持するためにも使用できます。VES ユニットの構造はかなり単純で、以下の断面図に示すように、らせんコイルの圧縮スプリングから事実上直接パイプが吊り下げられています。主なコンポーネントは次のとおりです。
- トッププレート
- 圧力プレートまたはピストンプレート
- 底板またはベースプレート
- らせんばね
- ターンバックルアセンブリ
- ロッキングロッド
- ネームプレート
- セクションまたはカバーできます
通常、クライアント/エンジニアリング コンサルタントは、可変労力ユニットに関する問い合わせを発行するときに、次のデータを提供します。
- ホットロード
- 熱運動（方向付き、つまり上または + と下または - ）
- 最大負荷変動はパーセンテージで表されます (LV % 最大)。最大 LV が指定されていない場合は、MM-SP58 に従って 25% であると見なされます。
- サポートタイプ（吊り下げタイプ、足置きタイプなど）。
- 必要に応じて、移動制限停止などの特別な機能が必要です。
- 好ましい表面保護/塗装/仕上げ。
高温荷重とは、「高温」状態、すなわち配管が冷温状態から高温状態または作動状態に移行した状態における支持部材の作業荷重です。通常、MSS-SP58では最大荷重変動（一般にLVと呼ばれる）を25%と規定しています。[4]
主な特徴-
- 垂直方向の移動が可能
- パイプにかかる負荷は動きに応じて変化する
使用される場所
- 変位 < 50mm
- 負荷変動 < 25%
- ロッドの角度は4°未満である必要があります
荷重変動 (LV) またはパーセンテージ変動 = [(熱荷重 ~ 冷荷重) x 100]/熱荷重、または荷重変動 (LV) またはパーセンテージ変動 = [(移動量 x スプリング レート) x 100]/熱荷重 一般的に、スプリング サポートは上から提供されますが、レイアウトの実現可能性やその他の理由により、ベース マウント型サポートは床または構造に固定され、パイプはスプリング サポートのフランジの上に「座る」ように作られています。
2.定常スプリングハンガーまたは定常力サポート：
通常 150 mm または 250 mm の大きな垂直移動に直面する場合は、定荷重支持 (CES) を選択せざるを得ません。荷重変動率が 25% を超える場合、または可変ハンガーで指定された最大 LV% を超える場合は、CES を選択する以外に選択肢はありません。システムのパフォーマンスに重要なパイプ、または残留応力をパイプに伝達してはならないいわゆるクリティカル配管の場合、CES を使用するのが一般的です。定荷重支持では、パイプがコールド位置からホット位置に移動しても荷重は一定です。したがって、移動に関係なく、荷重は移動範囲全体にわたって一定です。したがって、定荷重ハンガーと呼ばれます。動きに応じて荷重が変動し、ホット荷重とコールド荷重が移動とバネ定数によって決まる 2 つの異なる値である可変荷重ハンガーと比較すると、CES ユニットにはバネ定数がありません。
CSHの最も一般的な動作原理はベルクランク機構です。ベルクランクレバーは支点を中心に回転します。ベルクランクレバーの一端はパイプ「P」に接続され、もう一端はタイロッドによってスプリングに接続されています。したがって、パイプが冷たい状態から熱い状態へと下がると、ポイントPが下がり、それに伴いベルクランクレバーが反時計回りに回転し、スプリングに接続されたタイロッドが引き込まれ、スプリングがさらに圧縮されます。パイプが上昇すると、ベルクランクレバーが（時計回りに）回転し、スプリングに接続されたタイロッドが押し出され、スプリングが伸びたり緩んだりします。
もう一つの一般的な原理は、3つのスプリング、または調整スプリング機構です。この場合、1つのメインの垂直スプリングがパイプの主な荷重を受け止めます。他の2つのスプリングは水平方向に配置されており、上方向または下方向への追加荷重をバランスさせます。
スナッバーまたはショックアブソーバー
動的拘束：拘束システムは、支持部とは全く異なる機能を果たします。支持部は、配管の重量を支え、通常の運転条件下では配管が自由に動くことを可能にします。拘束システムは、配管、プラント、および構造物を異常な状態から保護することを目的としています。支持部の機能を阻害してはなりません。拘束システムの使用が必要となる状況は以下のとおりです。• 地震。• 流体の擾乱。• 特定のシステム機能。• 環境の影響。地質学的断層線上またはその近傍に位置する地域では、プラントを潜在的な地震活動から保護することが一般的です。このようなプラントでは、動的拘束が極めて重要になります。流体の擾乱は、ポンプやコンプレッサーの影響、あるいはガスや蒸気の輸送を目的とした配管に液体状態の流体が流入することによって引き起こされる可能性があります。急速なバルブの閉鎖、ポンプによる脈動、安全弁の作動など、一部のシステム機能は、配管システム内に不規則で突然の荷重パターンを引き起こします。環境によっては、強風荷重や、沖合の石油・ガス掘削装置の場合は波浪の影響により、擾乱が発生する可能性があります。拘束システムは、これらの影響すべてに対応できるよう設計されます。拘束装置とは、上記のいずれかの現象が発生した場合に、配管または配管が接続されているプラントが損傷するのを防ぐ装置です。拘束装置は、配管から建物構造物へ急激な荷重増加を吸収・伝達し、配管と構造物間の反対方向の振動を抑制するように設計されています。そのため、動的拘束装置は非常に剛性が高く、高い耐荷重性を備え、配管と構造物間の自由振動を最小限に抑えることが求められます。
動作原理に応じて、スナバは次のように分類されます。
- 油圧スナバー：自動車のショックアレスターと同様に、油圧スナバーは作動油を封入したシリンダーの周囲にピストンを備え、シリンダーの一方から他方へ作動油を押し退けます。パイプの動きによってピストンがシリンダー内で変位し、シリンダーの一方には高圧が、もう一方には比較的低圧が生じます。ピストンの速度によって実際の圧力差が決まります。作動油はバネ式バルブを通過し、バネによってバルブが開状態に保持されます。バルブ前後の差圧がバネの有効圧力を超えると、バルブは閉じます。これによりスナバーは硬くなり、それ以上の変位は実質的に防止されます。油圧スナバーは通常、拘束軸がパイプの伸縮方向にある場合に使用されます。したがって、スナバーは配管の通常の動作に合わせて伸縮する必要があります。スナバーは、非常に低速では移動抵抗が小さくなります。
- 機械式スナッバー：油圧式スナッバーと同じ用途ですが、パイプの減速はスナッバー内部の遠心ブレーキによって生じます。分割されたフライホイールを高速回転させると、鋼球が半径方向外側に押し出されます。フライホイールは鋼球によって押し広げられ、ブレーキプレートが接近することでスナッバーの軸方向変位が抑制されます。フライホイールの回転は、ボールねじなどの装置に作用するメインロッドの直線変位によって発生します。また、非常に高価です。
- ショックアブソーバーは、突発的な衝撃のエネルギーを吸収したり、パイプラインからエネルギーを消散させたりします。ダンパーとダッシュポットについては、「ショックアブソーバー」を参照してください。
- 断熱配管支持部（プレ断熱配管支持部とも呼ばれる）は、荷重支持部材であり、エネルギー損失を最小限に抑えます。断熱配管支持部は、低温および高温のどちらの用途においても、垂直、軸方向、および／または横方向の荷重の組み合わせに対応するように設計できます。パイプラインを適切に断熱することで、内部の「冷気」が周囲に逃げるのを防ぎ、配管システムの効率が向上します。[5] 断熱配管については、「断熱配管」を参照してください。
- エンジニアリングされたスプリングサポートは、パイプ、製品、フランジ、バルブ、耐火物、断熱材などの重量を含む特定の荷重を支えます。また、スプリングサポートは、支持された荷重が設置状態から運転状態に至るまで、所定の熱たわみサイクルを経て移動することを可能にします。
材料
配管支持材は、構造用鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、亜鉛メッキ鋼、アルミニウム、ダクタイル鋳鉄、FRP複合材など、様々な材料で製造されています。ほとんどの配管支持材は、湿気や腐食から保護するためにコーティングされています。[6]腐食防止の方法としては、塗装、亜鉛メッキ、溶融亜鉛メッキ、またはこれらの組み合わせが挙げられます。[7] FRP複合材配管支持材の場合、腐食セルを形成するために必要な要素が存在しないため、追加のコーティングや保護は必要ありません。[8]
標準
- 設計: ASME B31.1、ASME B31.3、ASME Section VIII 圧力容器
- 製造：MSS-SP58（材料、設計、製造、選定、適用および設置。注：MSS SP-58-2009は、ANSI/MSS SP-69-2003、MSS SP-77、MSS SP-89、およびMSS SP-90の内容を統合し、置き換えます）、AWS-D1.1、ASTM-A36、ASTM-A53、ASTM-A120、ASTM-A123およびA446、ASTM-A125、ASTM-A153、ASTM-307およびA325、ASTM-C916、ASTM-D1621、ASTM-D1622、ASTM-D1623。断熱材インサートを備えた支持材は、ASTM-C585も参照する必要があります。
- 品質システム：ISO 9001、ASQC Q-92、CAN3 Z299
- テスト: ANSI B18.2.3
参考文献
- ^ ASME B31.1 2010
- ^ 配管の世界を探る：配管サポート、アンカー Werner Sölken (2008-10)、（2010年9月15日閲覧）
- ^ 配管用ハンガーとサポート（M.Rajagopal著）
- ^ 写本SP58
- ^ 断熱パイプサポートの歴史 配管技術と製品（2012年2月取得）
- ^ 建築設計基準：第15部、機械配管システム、ライス大学（2004年）、（2010年9月15日閲覧）
- ^ 腐食防止方法 Piping Technology & Products, Inc. (2010年9月16日閲覧)
- ^ 「FRP複合材料の腐食用途」www.corrosionresistant.org . 2015年11月4日閲覧。
