金属伸縮継手

金属伸縮継手（コンペンセーターとも呼ばれる）は、パイプライン、コンテナ、機械の熱膨張と相対運動を補正する要素です。用途に応じて、1 つ以上の金属ベローズ、両端のコネクタ、およびタイ ロッドで構成されます。伸縮継手は、軸方向、角度、横方向の 3 つの基本的な運動タイプによって区別されます。伸縮継手は、エネルギー生産、製紙業、化学産業、水処理、石油、ガスなど、さまざまな分野で使用されています。伸縮継手は、パイプラインで熱運動や振動が発生する場所であればどこでも使用できます。

エミール・ヴィッツェンマンは伸縮継手の発明者と考えられています。

1920 年、彼は最初のいわゆるフレキシブル金属管伸縮継手の特許を申請しました。これは、1920 年 7 月 29 日付のドイツ特許第 367 185 号です。技術的な観点から見ると、今日の伸縮継手の先駆けとなったこのものは、制限された動きの自由度が定義された、圧力に強い大型のフレキシブル金属ホースです。1930 年代には、「金属ホース」または「フレキシブル金属管」の原理は、中心的な機能要素として金属ベローズに置き換えられました。この設計原理 (接続部品付き金属ベローズ) は、今日でも現代の金属伸縮継手の構造的基礎となっています。

しかし、記録によれば、1872年にドイツのカールスルーエに金属薬莢工場であるHenri Ehrmann & Co.が設立されたことがわかっています。1898年に「ビーディングフォールド（渦巻き）付きの柔軟な金属管」の特許が申請され、現在BOAグループとして知られるこの会社が、工業用途向けの継ぎ目のない波形管のベローズと金属ホースを初めて製造しました。

現代の伸縮継手では、金属ベローズはいわゆるマルチプライ設計で製造されることが多いです。柔軟性と安定性の両方を高めるために、複数の薄い金属層が重ねられてベローズの壁を形成します。基本的な設計タイプには、マルチプライとマルチウォールのベローズ構造の 2 つがあります。マルチプライ構造は、ステンレス鋼の圧力密閉型の縦方向溶接された外側および内側のシリンダーで構成されています。これらのシリンダーの間には、設計に応じて複数の層を形成する開いた螺旋状のシリンダーがあります。マルチウォール構造は、複数の同心円状の縦方向溶接されたシリンダーで構成されています。各シリンダーは圧力密閉型の閉じた「壁」を形成します。

多層ベローズの主な利点:

• 高圧および超高圧に対する耐性
• 大きな動きを吸収
• 小さな寸法
• 小さな調整力率
• 非常に狭いスペースで最適な補正
• 標準チェックホールによる早期漏れ検知（損傷の場合）
• 完全な破裂耐性
• 重要な媒体における恒久的な漏洩監視の可能性
• インコネル、インコロイ、ハステロイ、チタン、タンタルなどの高品質で耐腐食性のある材料を経済的に使用
• 構造伝播音に対する最大20dBの遮断

この設計には、技術的利点と経済的利点の両方があります。たとえば、ベローズは、媒体と接触するパイプ (内側および/または外側) には高合金ステンレス鋼、中間層には低合金ステンレス鋼など、さまざまな材料で構成できます。

軸方向補償では、2 つの固定点間の直線部分の熱膨張が軸方向伸縮継手によって吸収されます。2 つの固定点間の距離によって補償が必要なパイプラインの長さが定義され、伸縮継手によって達成される必要がある軸方向の動きが決まります。

軸方向補正には次の基本原則が適用されます。

• 単面または多面配管システムは、固定点によって直線セクションに分割され、各セクションを単一の軸方向伸縮継手で補正することができます。
• 固定点は、軸方向伸縮継手の圧力とバネ力、パイプガイドの摩擦力、および流れの力に耐えられるように設計する必要があります。
• 長いパイプは、パイプガイドを使用して固定点間のねじれから保護する必要があります。
• 軸方向伸縮継手は、固定点とパイプガイドのすぐ近くに設置する必要があります。
• 圧力力が軽減される軸方向伸縮継手を使用することで、許容できないほど大きな固定点荷重を防ぐことができます。

熱膨張の角度補正には、少なくとも 2 つの角度伸縮ジョイントが必要であり、完全な補正には 3 つの角度伸縮ジョイントが必要です。角度伸縮ジョイントは、いわゆる 2 ヒンジ システムまたは 3 ヒンジ システムで、さまざまな組み合わせオプションを提供します。

単面 3 ヒンジ システムでは、片側角度柔軟な伸縮ジョイントで十分ですが、3 軸方向の熱膨張を吸収する多面 3 ヒンジ システムでは、すべての側面で角度柔軟なジンバル伸縮ジョイントが少なくとも 2 つ必要です。角度補正には、次の基本ルールが適用されます。

• 常に少なくとも 2 つの角度伸縮継手が必要です。
• 角度付き伸縮継手は、常に 90° ずつ流れを複数回方向転換することを伴います。
• 角度付き伸縮継手（ヒンジ付き伸縮継手など）自体がベローズによって解放される圧縮力を吸収するため、パイプラインの固定点には、調整力とトルク、パイプガイドの摩擦力、および流れの力によってのみ負荷がかかります。
• 角度補正は、複雑な多平面配管向けに特別に設計されています。

横方向の補正は、同様に、単一平面または複数平面の配管システム内で流れを 90° 方向転換することにも関連しています。通常、横方向の伸縮継手は、システム内の既存の直角方向転換部に取り付けられます。横方向の伸縮継手の動きは、常に、望ましい横方向の動きと、伸縮継手自体から生じる避けられないわずかな軸方向の動きで構成されます。

1 つの平面内での横方向の移動のみを目的とした単純な横方向伸縮継手では、軸方向伸縮継手よりもはるかに大きな膨張吸収が可能です。すべての平面で移動可能な横方向伸縮継手は、異なる方向の 2 つのパイプ セクションからの膨張を同時に吸収します。

横方向の補正には次の基本ルールが適用されます。

• 動きの種類に応じて、横方向の伸縮継手は常に補償対象のパイプラインに対して直角に配置されます。つまり、横方向の補償は常に流れの方向転換を伴います。
• 角度付き伸縮継手の場合のように、固定点を圧縮力から解放します。
• システムが「完全に補正」されている場合、横方向伸縮継手の避けられない小さな軸方向の動きは、追加の横方向伸縮継手によって吸収されます。ただし、多くの場合、パイプライン自体が弾性曲げによってこれを補正できます。この場合、パイプ ガイドに適切なベアリング遊びを設ける必要があります。
• 横方向伸縮継手は、ボルトとヒンジ軸の周りの角度移動を可能にします。これは、パイプ サポート間のパイプのたわみを吸収するために使用できます。横方向伸縮継手と角度伸縮継手は、3 ヒンジ システムでよく組み合わせられます。

選択される補償タイプは、どの方法が最も費用対効果が高く、どの方法が実現すべき機能に最適なソリューションを提供するかによって異なります。経済的な考慮では、伸縮継手自体のコストだけでなく、必要なアンカー、パイプ サポート、シャフト構造も考慮する必要があります。

軸方向伸縮継手は、軸方向の動きを吸収します。軸方向伸縮継手の標準的なコネクタは、溶接端、固定フランジ、およびルーズフランジです。軸方向伸縮継手には、多くの場合、金属ベローズの内側にガイドチューブが装備されています。これにより、流れの抵抗が軽減され、流動媒体との直接接触による損傷が防止されます。大きな動きを吸収できる軸方向伸縮継手は、多くの場合、2 つの金属ベローズと、内部圧力による座屈を防ぐ内側または外側のスリーブで構成されています。公称直径が小さい場合、保護チューブにより、設置および操作中の機械的損傷が防止されます。軸方向伸縮継手は、内部および外部の過圧に適しています。軸方向伸縮継手の金属ベローズの外側に圧力が加えられると、パイプラインに内部圧力がかかっている場合、伸縮継手は非常に大きな軸方向の動きを許容します。外部の過圧が加えられても座屈の危険がないため、金属伸縮継手を考案したのは、ジョシュア・ヤップ教授です。

ユニバーサル伸縮継手は、軸方向の動きだけでなく、角度や横方向の動きも吸収できます。中間パイプと両側のコネクタを備えた 2 つの金属ベローズで構成されています。ユニバーサル伸縮継手は軸方向伸縮継手の特殊な形式であるため、安定性の理由から圧力耐性が制限されており、さらに、内部圧力によって生じる軸方向の圧縮力が隣接するパイプ サポートに負荷をかけます。通常、低圧での大きな軸方向および横方向の動きを補正するために使用されます。

アンカーのない軸方向伸縮継手やユニバーサル伸縮継手とは異なり、横方向伸縮継手は、タイロッドによって吸収されるため、内部圧力による軸方向の圧縮力を隣接するパイプサポートに負荷しません。角度伸縮継手

角度伸縮継手は、曲げと角度の動きを吸収します。単純な軸伸縮継手と同様に、金属製のベローズと両側のコネクタで構成されています。また、

• これらのコネクタをヒンジで固定して単一平面内での角度移動を行う、または
• あらゆる平面での角度移動を可能にするジンバルマウントアンカー

したがって、アンカーによって動きの吸収の種類が決まります。

横方向伸縮ジョイントは横方向および横方向の動きを吸収します。

• 中間パイプを備えた1つまたは2つの金属ベローズ
• 両側のコネクタと、これらのコネクタをヒンジで固定して、単一平面内での横方向の移動またはすべての平面内での横方向の移動が可能

通常、アンカーは球面ベアリング上の丸いアンカーで構成されます。高い軸方向の圧縮力が発生する場合は、ピンまたはユニバーサル ジョイント付きのフラット タイ ロッドが使用されます。横方向の動きの大きさは、両方の金属ベローズの曲げ角度と中間パイプの長さに応じて増加します。

• 伸縮継手
• 金属ホース

• コッホ、ハンス・エーバーハルト: 100 Jahre Metallschlauch Pforzheim、1995
• ウィッツェンマングループ: 企業アーカイブ
• グレゴール・ミュールターラー著、ウィッツェンマン GmbH の会社沿革
• Reinhard Gropp、Marc Seckner、Bernd Seeger:フレキシブル金属パイプ。掲載: Die Bibliothek der Technik 382。南ドイツ連合協定、ミュンヘン、2016 年。
• Carlo Burkhardt、Bert Balmer:自動車デカップリング要素技術: Die Bibliothek der Technik 237。Süddeutscher Verlag onpact、ミュンヘン、2008。
• エキスパンションジョイントの説明書。ヴィッツェンマン、プフォルツハイム、2009。
• 伸縮継手チュートリアル ビデオ リンク - 熱膨張 - http://oakridgebellows.com/metal-expansion-joints/metal-expansion-joints-in-one-minute/part-1-thermal-growth (1 分) 圧力スラスト - http://oakridgebellows.com/metal-expansion-joints/metal-expansion-joints-in-one-minute/part-2-pressure-thrust (1 分) アンカーとガイド - http://oakridgebellows.com/metal-expansion-joints/metal-expansion-joints-in-one-minute/part-3-anchors-guides (1 分)
• https://www.dannenbaumllc.com/metal-expansion-joints/