圧力配管システムを設計するとき、指定エンジニアは、システム配管が ASME B31 圧力配管コードの 1 つ以上の部分に準拠する必要があると指定することがよくあります。エンジニアは、配管システムを設計するときにコード要件に適切に従うにはどうすればよいですか?
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。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は、プロジェクトの場所、用途などによって管理される場合があります。ASME B31 では、現在 7 つの個別のセクションが有効です。
ASME B31.1 電気配管: このセクションでは、発電所、産業用および施設用プラント、地熱暖房システム、および中央および地域冷暖房システムの配管について説明します。これには、ASME セクション I ボイラーの設置に使用されるボイラー外部および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の対象となる機器、特定の低圧加熱および冷却分配配管、および ASME B31.1 のパラグラフ 100.1.3 に記載されているその他のさまざまなシステムには適用されません。 ASME B31.1 の起源は 1920 年代にまで遡り、最初の公式版は 1935 年に発行されました。初版は付録を含めて 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、製油所の配管について説明します。化学、製薬、繊維、製紙、半導体、極低温プラント。このセクションは、特に直管の最小肉厚を計算する場合、ASME B31.1 と非常に似ています。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 B31.4 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、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内で主に液体製品を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。この部品はもともと 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 ガス輸送および分配配管システム: これには、コンプレッサー、調整ステーション、計量ステーションなど、ソースとターミナルの間で主にガス状の製品を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 建築サービス配管: このセクションでは、産業、施設、商業、および公共の建物で一般的に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 に似ていますが、あまり保守的ではなく (特に最小壁厚を計算する場合)、詳細が少なくなります。ASME B31.9 の段落 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 年に初めて発行されました。
ASME B31.12 水素配管と配管: このセクションでは、気体および液体水素サービスの配管、および気体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、最終的には所有者次第です。ASME B31 の序文には、「提案された配管設置に最も近いコード セクションを選択するのは所有者の責任です。」と記載されています。場合によっては、「複数のコード セクションがインストールの異なるセクションに適用される場合があります。」
ASME B31.1 の 2012 年版は、その後の議論の主な参考資料として機能します。この記事の目的は、指定エンジニアに ASME B31 準拠の圧力配管システムの設計における主な手順のいくつかを案内することです。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がよくわかります。ASME B31.3 または B31.9 に従う場合は、同様の設計手法が使用されます。ASME B31 の残りの部分は、主に狭い用途で使用されます。ここでは設計プロセスの重要なステップを強調しますが、この説明は網羅的なものではなく、完全なコードはシステム設計時に常に参照する必要があります。特に明記されていない限り、本文へのすべての参照は 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レビュー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一般的に見られるシステムに関連する設計要件を規定しています。ASME B31.3 には ASME B31.1 と同様のパラグラフが含まれていますが、詳細はそれほど詳しくありません。パラグラフ 122 の考慮事項には、システム固有の圧力と温度の要件、およびボイラー間で定められたさまざまな管轄制限が含まれます。本体、ボイラー外部配管、および ASME セクション I ボイラー配管に接続された非ボイラー外部配管。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条件を決定する必要があります。
第 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使用圧力 (MSOP) を下回ってはなりません。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。第 101.4 項によれば、流体の冷却により配管内の圧力が大気圧未満に低下する可能性がある場合、配管は外部圧力に耐えるように設計されなければなりません。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、配管システムは上昇した圧力に耐えられるように設計するか、過剰な圧力を逃がすための措置を講じる必要があります。
セクション 101.3.2 以降、配管設計の金属温度は、予想される最大持続条件を表すものとします。簡単にするため、通常、金属温度は流体温度と等しいと想定されます。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。最悪の温度条件が確実に考慮されるように、熱交換器または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、設計者は最大作動圧力および/または温度に安全マージンを追加します。マージンのサイズは用途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 以上) を指定するには、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 の応力値しか提供できません。 F.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、破損しやすくなる可能性があります。800°Fを超えて使用する場合は、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。材料温度制限の詳細については、パラグラフ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テスト圧力を指定することもできます。パラグラフ 137 にストレス テストに関するガイダンスが記載されています。通常、静水圧テストは設計圧力の 1.5 倍で指定されます。ただし、圧力試験中、配管内のフープ応力および長手方向応力は、102.3.3 (B) 項の材料の降伏強度の 90% を超えてはなりません。一部の非ボイラー外部配管システムでは、システムの部品を隔離することが難しいため、または単にシステム構成が初期使用中に簡単な漏れ試験を可能にしているため、使用中の漏れ試験が漏れを確認するより実用的な方法である場合があります。同意しました、これは許容されます。
設計条件が確立されると、配管を指定できます。最初に決定するのは、どの材料を使用するかです。前述したように、材料が異なると、温度限界が異なります。パラグラフ 105 では、さまざまな配管材料に対する追加の制限が規定されています。材料の選択は、腐食性化学配管用途のニッケル合金、清浄な計器空気を供給するステンレス鋼、流れ加速腐食を防ぐための高クロム含有量 (0.1% 以上) の炭素鋼など、システム流体によっても異なります。流れ加速腐食 ( FAC) は侵食/腐食現象であり、最も重要な配管システムの一部で深刻な肉薄化やパイプ破損を引き起こすことが示されています。配管コンポーネントの薄肉化を適切に考慮しないと、2007 年に KCP&L の IATAN 発電所で減温パイプが破裂し、作業員 2 人が死亡、3 人目が重傷を負ったなど、深刻な結果が生じる可能性があり、実際にそのような結果をもたらしています。
104.1.1 項の式 7 と式 9 は、内圧を受ける直管の最小必要肉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)、パイプの外径、材料係数 (表 104.1.2 (A) に示す)、および追加の厚さの許容値 (後述) が含まれます。非常に多くの変数が関係するため、適切な配管材料を指定する必要はありません。最小直径と肉厚は、流体速度、圧力降下、配管およびポンプのコストも含む反復プロセスになる可能性があります。用途に関係なく、必要な最小肉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うために、追加の厚さの許容値が追加される場合があります。機械的接合の作成に必要なねじ山、スロットなどの材料の除去により、許容値が必要になる場合があります。102.4.2 項によると、最小許容値は、ねじの深さに機械加工公差を加えたものとなります。また、許容値は、重畳荷重や 102.4.4 項で説明した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の追加の強度を提供するために必要な場合もあります。溶接継手 (102.4.3 項) およびエルボ (102.4.5 項) を考慮して追加することもできます。最後に、腐食および/または侵食を補償するために公差を追加できます。この許容値の厚さは設計者の裁量にあり、102.4.1 項に従って配管の予想寿命と一致するものとします。
オプションの付録 IV には、腐食管理に関するガイダンスが記載されています。保護コーティング、陰極防食、および電気的絶縁 (絶縁フランジなど) はすべて、埋設または水没したパイプラインの外部腐食を防止する方法です。内部腐食を防ぐために腐食防止剤またはライナーを使用できます。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パイプ肉厚またはスケジュールは、パイプ直径全体で一定ではない場合があり、異なる直径に対して異なるスケジュールの仕様が必要になる場合があります。適切なスケジュールと肉厚値は、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、前述の計算を実行する場合、計算に使用される最大許容応力値が指定され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 304L ステンレス鋼管を誤って A312 304 ステンレス鋼管として指定した場合、2 つの材料間の最大許容応力値に大きな違いがあるため、指定された肉厚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。計算にはシームレスパイプの最大許容応力値が使用されます。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、メーカー/設置業者はシーム溶接パイプを提供する可能性があり、最大許容応力値が低いために肉厚が不十分になる可能性があります。
たとえば、パイプラインの設計温度が 300 F、設計圧力が 1,200 psig.2 インチおよび 3 インチであるとします。炭素鋼 (A53 グレード B シームレス) ワイヤが使用されます。ASME B31.1 式 9 の要件を満たすように指定する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。シームレス管が指定されているため、シームレス管の値が使用されることに注意してください。
厚さの許容値も追加する必要があります。この用途では、1/16 インチの腐食許容値が想定されます。後で別のフライス加工公差が追加されます。
3 インチ。パイプが最初に指定されます。スケジュール 40 パイプと 12.5% のフライス加工公差を仮定して、最大圧力を計算します。
スケジュール 40 のパイプは、上で指定した設計条件の 3 インチのチューブに適しています。次に、2 インチを確認します。パイプラインは同じ仮定を使用します。
2 インチ。上で指定した設計条件では、配管にはスケジュール 40 よりも厚い肉厚が必要です。2 インチを試してください。スケジュール 80 パイプ:
多くの場合、パイプの壁の厚さが圧力設計の制限要因になりますが、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が依然として重要です。
原則として、第 104.2 項、第 104.7.1 項、第 106 項および第 107 項に従って、表 126.1 にリスト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 に指定されている圧力温度定格以下の規格での使用に適しているとみなされるものとします。ユーザーは、特定の規格または製造業者が通常動作からの逸脱に対して ASME B31.1 に指定されているものよりも厳しい制限を課している場合があることに注意する必要があります。適用します。
パイプの交差点では、表 126.1 にリストされている規格に従って製造された、ティー、トランスバース、クロス、分岐溶接継手などが推奨されます。場合によっては、パイプラインの交差点には独自の分岐接続が必要になる場合があります。パラグラフ 104.3.1 では、圧力に耐える十分な配管材料があることを確認するための分岐接続に関する追加要件を規定しています。
設計を簡素化するために、設計者は、表 126.1 にリストされている ASME B16 .5 パイプ フランジおよびフランジ継手、または同様の規格に指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、壁厚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、および外力の影響が加わった後に配管システムの構造的完全性が確実に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、適切に行われていない場合、設計の中でより高価な部分の 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 か所、段落 104.8: パイプライン コンポーネントの分析と段落 119: 拡張と柔軟性で説明されています。
パラグラフ 104.8 には、配管システムがコードの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コードの基本式がリストされています。これらのコード式は、通常、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、考えられる風荷重、地震荷重、地形荷重、およびその他の短期荷重を加えたものです。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ます。そのため、各付随荷重は解析時に個別の荷重ケースとなります。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。
パラグラフ 119 では、配管システムの拡張と柔軟性の処理方法、および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が機器接続において最も重要であ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増大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には、表 121.5 に従って鋼管を支持することをお勧めします。設計者がこのテーブルの標準支持間隔を満たすように努めると、自重のたわみを最小限に抑え、持続荷重を軽減し、変位荷重に利用可能な応力を増加させるという 3 つのことが達成されます。設計者が表 121.5 に従ってサポートを配置した場合、通常、自重の変位またはたわみは 1/8 インチ未満になります。自重のたわみを最小限に抑えると、蒸気やガスを運ぶパイプ内での凝縮の可能性を減らすのに役立ちます。表 121.5 の推奨間隔に従うことで、設計者は配管内の持続応力をコードの連続許容値の約 50% に減らすこともできます。式 1B によると、変位荷重の許容応力は持続荷重に反比例します。したがって、持続荷重を最小限に抑えることで、荷重に応じて、変位応力許容値を最大化できます。パイプサポートの推奨間隔を図 3 に示します。
配管システムの反力荷重が適切に考慮され、コード応力が満たされていることを確認するために、一般的な方法は、システムのコンピュータ支援配管応力解析を実行することです。Bentley AutoPIPE、Intergraph Caesar II、Piping Solutions Tri-Flex、またはその他の市販パッケージなど、いくつかの異なる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検証を容易にし、必要な解析を行う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のモデリングと分析の例を示しています。
新しいシステムを設計するとき、システム設計者は通常、使用するコードに応じてすべての配管とコンポーネントを製造、溶接、組み立てなどする必要があることを指定します。ただし、一部の改造やその他の用途では、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技術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。
改造用途で遭遇する一般的な問題は、溶接の予熱 (段落 131) と溶接後の熱処理 (段落 132) です。他の利点の中でも、これらの熱処理は、応力を緩和し、亀裂を防止し、溶接の強度を高めるために使用されます。溶接前および溶接後の熱処理要件に影響を与える項目には、以下が含まれますが、これらに限定されません: P 番号のグループ化、材料の化学的性質、および溶接される接合部の材料の厚さ。各材料は必須の付録 A にリストされています。には、P 番号が割り当てられています。予熱については、第 131 項に、溶接を行う前に母材を加熱する必要がある最低温度が記載されています。PWHT については、表 132 に、保持温度範囲と溶接部を保持する時間の長さが記載されています。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、規定に記載されているガイドラインに厳密に従う必要があります。適切な熱処理を怠ると、溶接領域に予期せぬ悪影響が発生する可能性があります。
加圧配管システムにおけるもう 1 つの潜在的な懸念領域は、パイプの曲げです。パイプの曲げにより壁が薄くなる可能性があり、壁の厚さが不十分になる可能性があります。第 102.4.5 項によると、コードでは、最小壁の厚さが直管の最小壁の厚さを計算するために使用されるのと同じ式を満たす限り、曲げが許可されます。通常、壁の厚さを考慮して許容値が追加されます。表 102.4.5 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ています。曲げには、曲げ前および/または曲げ後の熱処理が必要な場合もあります。パラグラフ 129 は、エルボの製造に関するガイダンスを提供します。
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。これらの用途では、オプションの付録 II: 安全弁の設置設計規則が非常に貴重ですが、あまり知られていないリソースです。
II-1.2 項に従って、安全弁はガスまたは蒸気のサービスでは完全に開いたポップアップ動作を特徴とし、安全弁は上流の静圧に対して開き、主に液体のサービスに使用されます。
安全弁ユニットは、開放排気システムか閉鎖排気システムかによって特徴付けられます。開放排気では、通常、安全弁の出口のエルボが排気管から大気へ排出されます。通常、これにより背圧が低くなります。排気管内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可能性があります。排気管のサイズは、逆流を防ぐのに十分な大きさである必要があります。密閉ベント用途では、空気によりリリーフバルブ出口で圧力が高まります。 II-2.2.2 項では、閉じた排出ラインの設計圧力を定常状態の作動圧力より少なくとも 2 倍大きくすることが推奨されています。図 5 と図 6 は、それぞれ開いた安全弁と閉じた安全弁の設置を示しています。
安全弁の設置は、II-2 項で要約されているように、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、同時に通気する複数のリリーフバルブの相互作用、地震および/または振動の影響、および圧力リリーフイベント中の圧力の影響が含まれます。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。排出エルボ、排出パイプでの圧力と速度を決定するための式は、II-2.2 項に記載されています。この情報を使用して、排気システムのさまざまな点での反力を計算して考慮することができます。
開放吐出アプリケーションの問題例は、II-7 項に記載されています。リリーフバルブ吐出システムの流量特性を計算するには他の方法も存在しますが、読者は、使用される方法が十分に保守的であることを確認するよう警告されています。そのような方法の 1 つは、ASME が Journal of Electrical Engineering に掲載した「発電所の安全性と圧力リリーフバルブの排気グループ分析」で GS Liao によって説明されています (1975 年 10 月)。
リリーフバルブは、曲がり部から直線パイプの最小距離を離して配置する必要があります。この最小距離は、II-5.2.1項で定義されているように、システムのサービスおよび幾何学的形状によって異なります。複数のリリーフバルブを備えた設置の場合、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、分岐配管とサービス配管の半径によって異なります。II-5.7.1項に従って、リリーフバルブの排出口にある配管サポートを動作配管に接続する必要がある場合があります。熱膨張と地震相互作用の影響を最小限に抑えるために、隣接する構造ではなく、安全弁アセンブリの設計におけるこれら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。
明らかに、この記事の範囲内で ASME B31 のすべての設計要件をカバー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。うまくいけば、上記の情報により、読者は ASME B31 がより価値があり、アクセスしやすいリソースであることがわかります。
Monte K. Engelkemier は、Stanley Consultants のプロジェクト リーダーです。Engelkemier は、Iowa Engineering Society、NSPE、ASME のメンバーであり、B31.1 電気配管規格委員会および小委員会の委員を務めています。彼は、配管システムのレイアウト、設計、ブレースの評価、応力解析において 12 年以上の実践経験があります。Matt Wilkey は、Stanley Consultants の機械エンジニアです。彼は、配管システムの設計で 6 年以上の専門的な経験を持っています。さまざまな公益事業、自治体、機関および産業の顧客を抱えており、ASME およびアイオワ技術協会の会員でもあります。
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