パイプサポート

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に荷重を伝達する設計要素です。荷重には、パイプ自体の重量、パイプが運ぶ内容物、パイプに取り付けられたすべてのパイプ フィッティング、および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、衝撃の吸収、および指定された荷重の支持です。高温または低温の用途で使用されるパイプ サポートには、断熱材が含ま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。

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:

• 内部/外部圧力: 流体を輸送するために使用されるパイプには、内部圧力負荷がかかります。ジャケット付きパイプコアやシェル&チューブ交換器などのチューブなどのパイプには、正味外部圧力がかかる場合があります。内部圧力または外部圧力は、軸方向と円周方向(円筒応力、フープ応力)の応力を引き起こします。圧力は半径方向の応力も引き起こしますが、これらは無視されることがよくあります。内部圧力は、圧力とパイプの内部断面積の積に等しい軸方向の力を発揮します。F =P[πd^2/4]。外径を使用して圧力とパイプの断面積を概算金属断面積として計算する場合、軸方向応力は次のように概算できます。S =Pd /(4t)
• 自重: 流体を含むパイプの自重、配管および配管継手、その他のインライン コンポーネント (バルブ、断熱材など) の重量です。このタイプの荷重は、パイプのライフ サイクル全体にわたって作用します。水平パイプでは、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、およびせん断応力に関係します。パイプの曲がりは、主に分散重量負荷(流体重量など) と集中重量負荷 (バルブ重量など) の 2 つの原因によって発生します。ライザー (パイプの垂直部分) の重量は、ライザー クランプで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、プラントの稼働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、風の方向に垂直な配管の投影長さに作用する均一な荷重としてモデル化されます。さまざまな高度の風圧を使用して、次の式で風力を計算します。Fw = Pw x S x A、ここで、Fw = 総風力、Pw = 等価風圧、S = 風抗力係数形状係数、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1つであり、地震によって生じた動揺を構造物に適用することを意味します。地震荷重は、構造物と地面[2]、隣接する構造物[3]、または津波の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 (または、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) が突然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 システムの端にあるバルブが突然閉じ、圧力波がパイプ内で伝播するときによく発生します。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、突然の停止弁の閉鎖により蒸気ライン内の過熱または飽和蒸気の過渡的な流れによって生成される圧力サージであり、偶発的な負荷として考慮されます。流れは過渡的ですが、配管応力解析の目的で、配管振動を引き起こす傾向があるパイプ セグメントに沿った不均衡な力のみが計算され、静的等価力として配管モデルに適用されます。
• 安全弁の排出: 安全弁の排出からの反力は、偶発的な負荷として考慮されます。開放排出設備における安全弁の開放後の定常流れによる反力は、ASME B31.1 付録 II に従って計算され、静的等価力として配管モデルに適用されます。

一次荷重が何らかの力に由来するのと同様に、二次荷重は何らかの変位によって発生します。たとえば、貯蔵タンクに接続されたパイプは、タンクの沈下により接続されたタンク ノズルが下がった場合、荷重を受ける可能性があります。同様に、容器に接続されたパイプは、容器の膨張により容器ノズルが上がるため、上方に引っ張られます。また、パイプが取り付けられている回転装置の振動により、パイプ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負荷
• 機器の熱変位による負荷

パイプは、組み立てられたとき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。二次荷重は周期的であることが多いですが、常にそうであるとは限りません。たとえば、タンクの沈下による荷重は周期的ではありません。運転中の容器ノズルの動きによる荷重は、停止中に変位が解消され、再始動後に再び表面化することから周期的です。高温と低温の流体のサイクル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。

• 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

剛性サポートは、柔軟性を持たずに特定の方向にパイプを制限するために使用されます。剛性サポートの主な機能は、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) 支柱/パイプシュー:

剛性サポートは、下からでも上からでも提供できます。下側サポートの場合、一般的には支柱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、スチール構造物上に簡単に保持できます。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支柱です。 ^[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。摩擦効果を軽減するために、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：

これは静的拘束具であり、引張荷重のみに耐えるように設計されています (圧縮荷重はかけないでください。その場合、座屈が発生する可能性があります)。これは、上からのみ提供される剛性垂直型サポートです。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ます。ロッドハンガーの選択は、パイプのサイズ、負荷、温度、断熱、アセンブリの長さなどによって異なります。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提供できます。V型ストラットは、 2 つの自由度を制限するために使用できます。これは、剛性クランプ、剛性ストラット、溶接クレビスで構成されます。選択は、パイプのサイズ、負荷、温度、断熱、アセンブリの長さによって異なります。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。

スプリング サポート (またはフレキシブル サポート) では、らせんコイル圧縮スプリングを使用します(負荷と熱膨張によるパイプの動きに対応するため)。これらは、可変力サポートと定力サポートに大別されます。両方のタイプのサポートで重要なコンポーネントは、らせんコイル圧縮スプリングです。スプリング ハンガーとサポートでは通常、らせんコイル圧縮スプリングが使用されます。

1.可変スプリングハンガーまたは可変力サポート：

可変力支持具は可変ハンガーまたは可変とも呼ばれ、中程度（最大約 50 mm）の垂直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（可変力支持具）は、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）を支えながら、支持構造に対する一定量の変位を許容するために使用されます。スプリング支持具は、地盤沈下や地震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、パイプはらせんコイル圧縮スプリングから直接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。

1. トッププレート
2. 圧力プレートまたはピストンプレート
3. 底板またはベースプレート
4. らせんばね
5. ターンバックルアセンブリ
6. ロックロッド
7. ネームプレート
8. セクションまたはカバー

通常、クライアント/エンジニアリング コンサルタントは、可変労力単位に関する問い合わせを発行する際に、次のデータを提供します。

1. ホットロード
2. 熱運動（方向付き、つまり上または + と下または -）
3. 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。
4. サポートタイプ（吊り下げタイプ、足取り付けタイプなど）。
5. 移動制限停止などの特別な機能が必要な場合は、それが必要です。
6. 好ましい表面保護/塗装/仕上げ。

ホットロードとは、パイプが冷たい状態から熱い状態または作業状態に移行したときの「ホット」状態におけるサポートの作業負荷です。通常、MSS-SP58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
• 負荷変動率 < 25%
• ロッドの角度は4°未満にする必要があります

荷重変動 (LV) またはパーセンテージ変動 = [(高温荷重 ~ 低温荷重) x 100]/高温荷重、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]/高温荷重 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物に固定され、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、定荷重サポート (CES) を選択する以外に選択肢はありません。可変ハンガーで負荷変動率が 25% または指定された最大 LV% を超える場合、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とって重要なパイプ、または残留応力がパイプに伝達され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。定荷重サポートでは、パイプがコールド位置からホット位置に移動しても、負荷は一定のままです。したがって、移動に関係なく、負荷は移動範囲全体にわたって一定のままです。したがって、定荷重ハンガーと呼ばれます。移動に伴って負荷が変動し、ホット負荷とコールド負荷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 レバーの一方の端はパイプ「P」に接続され、もう一方の端はタイ 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に下がると、ポイント P が下がり、下がるにつれてベルクランク 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。パイプが上がると、ベルクランク レバーが回転し (時計回りに)、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負荷を受け止めます。上方向または下方向から来る余分な負荷のバランスをとるために、水平方向に他の 2 つのスプリングが配置されています。

動的拘束:拘束システムは、サポートとはまったく異なる機能を果たします。後者は、配管の重量を支え、通常の動作条件下では配管が自由に動くようにすることを目的としています。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。サポートの機能を妨げてはなりません。拘束の使用を必要とする条件は次のとおりです。 • 地震。 • 流体の乱れ。 • 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くにある地域では、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、動的拘束が非常に多く必要になります。流体の乱れは、ポンプやコンプレッサーの影響によって引き起こされる場合があり、場合によっては、ガスや蒸気の輸送を目的としたパイプに液体状態の流体が流入することもあります。急速なバルブの閉鎖、ポンプによる脈動、安全リリーフバルブの動作などの一部のシステム機能は、配管システム内で不規則で突然の負荷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、乱れが生じることがあります。拘束システムは、これらすべての影響に対応できるように設計されます。拘束とは、上記の現象のいずれか 1 つ以上が発生したために、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。拘束は、配管から建物構造物への突然の負荷増加を吸収して伝達し、配管と構造物間の反対方向の振動を弱めるように設計されています。したがって、動的拘束には、非常に剛性が高く、高い負荷容量を持ち、配管と構造物間の自由な動き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。

• 油圧スナッバー:自動車のショック アレスターと同様に、油圧スナッバーは、油圧流体を収容するシリンダーの周囲にピストンが取り付けられており、ピストンが流体をシリンダーの一方の端からもう一方の端に押し出します。流体の押し出しはパイプの動きによって起こり、ピストンがシリンダー内で移動して、シリンダーの一方の端に高圧がかかり、もう一方の端に比較的低い圧力がかかります。ピストンの速度によって、実際の圧力差が決まります。流体はスプリング ローデッド バルブを通過し、スプリングはバルブを開いたままにします。バルブの圧力差がスプリングによって発生する有効圧力を超えると、バルブは閉じます。これにより、スナッバーが硬くなり、それ以上の押し出しは実質的に防止されます。油圧スナッバーは通常、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、スナッバーは、配管の通常の動作に合わせて伸縮する必要があります。スナッバーは、非常に低速では動きに対する抵抗が低くなります。
• 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の遠心ブレーキによるものです。分割フライホイールを高速で回転させると、鋼球が放射状に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離され、ブレーキプレートが一緒になり、スナッバーの軸方向の変位が遅くなります。フライホイールの回転は、ボールねじまたは同様の装置に作用するメインロッドの直線変位によって生成されます。これも非常に高価です。
• ショックアブソーバーは、突然の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。
• 断熱パイプサポート（プレ断熱パイプサポートとも呼ばれる）は、耐荷重部材であり、エネルギー散逸を最小限に抑えます。断熱パイプサポートは、低温および高温の用途の両方で、垂直、軸方向、および/または横方向の荷重の組み合わせに合わせて設計できます。パイプラインを適切に断熱すると、内部の「冷気」が環境に逃げないようにすることで、配管システムの効率が向上します。^[5] 断熱パイプについては、断熱パイプを参照してください。

• 設計されたスプリング サポートは、パイプ、商品、フランジ、バルブ、耐火物、断熱材の重量を含む特定の負荷を支えます。また、スプリング サポートにより、サポートされた負荷は、設置状態から動作状態まで、所定の熱たわみサイクルを経て移動できます。

パイプサポートは、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、さまざまな材料から製造されています。ほとんどのパイプサポートは、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]腐食防止の方法には、塗装、亜鉛コーティング、溶融亜鉛メッキ、またはこれらの組み合わせがあります。^[7] FRP複合パイプサポートの場合、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]

• 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、選択、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 の内容を組み込んで置き換えます)、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。断熱インサート付きのサポートは、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