エクスパンダーを使用する際のパイプ損傷を防ぐ方法

エクスパンダー使用時の熱膨張が配管の健全性に与える影響

鋼、銅、PVCなどの一般的な配管材料における線形熱膨張の物理

配管材料は、温度が上昇すると一般的に膨張し、下降すると収縮します。これは、ΔL = αLΔT（つまり、長さの変化量＝熱膨張係数×元の長さ×温度変化量）という基本的な式で表される原理に従います。ただし、材料によってその挙動は大きく異なります。鋼鉄は、華氏1度の温度上昇に対して、1インチあたり約0.0000065インチ膨張します。銅はこれにやや近く、1インチあたり約0.0000090インチ／度です。ところが、PVCに目を向けると、1インチあたり約0.00003インチ／度と急増し、鋼鉄の約5倍もの伸縮性を示します。これを具体例で考えると、長さ100フィートの鋼鉄製配管が華氏150度加熱された場合、実際には約1.2インチも伸びることになります。同様の条件で同じ長さのPVC配管を加熱した場合、その膨張量は5.4インチ以上にも達します。このような材料ごとの差異は、異なる材料が接合する箇所に著しい応力集中点を生じさせます。特に、エクスパンダーを用いる作業においては、局所的な発熱がこうした膨張・収縮をさらに増幅させるため、この問題は一層深刻化します。その結果生じる応力は、場合によって20,000ポンド（約9,070キログラム力）を超えることもあり、配管システムを設計するエンジニアにとって無視できない重大な課題となります。

制御されていない膨張が、エクスパンダーゾーン近傍で応力、配管のずれ、および継手の破損を引き起こす理由

熱膨張による変位が制限されると、配管はアンカー、フランジ、および継手に極めて大きな力を及ぼします。エクスパンダー近傍では、周期的な加熱・冷却により機械的および熱的負荷が集中するため、以下の3つの破損モードが主に発生します：

• 応力集中 曲げ部および溶接部において、降伏強度を超える
• 角度のズレ フランジの変形により、ガスケットのブローアウトを招く
• ベルジョイントの分離 プッシュフィット式配管システムにおいて、漏れを引き起こす

2023年にポンエモン研究所が実施した最近の調査によると、産業施設における配管の故障の約3分の2は、実際には熱応力問題に対する不適切な管理に起因しています。配管が繰り返し加熱・冷却を受けると、疲労の進行が加速します。この問題は、配管が過度に固定されすぎているか、あるいは十分に支持されていない場所でさらに悪化します。例えば、薄肉管に過大な圧縮力が作用すると、座屈を起こしやすくなります。一方、引張力はPVCなどの脆性材料において亀裂の拡大を引き起こすことがあります。配管が適切に支持されていない場合、こうした応力は局所的に留まらず、バルブ、ポンプ、各種計器など他の機器部品へと直接伝達されます。これにより、技術者が「破滅的なフランジ故障」と呼ぶ重大なリスクが生じます。標準的な耐圧等級を有するシステムであっても、こうした制御不能な力を長期間受け続けると、驚くほど低い圧力レベル（約740 psi）で完全に破損してしまう可能性があります。

エクスパンダーの適切な選定および設置に関するベストプラクティス

パイプ材質および管壁厚さに応じたエクスパンダーの種類と荷重特性の適合

適切なエクスパンダーを選択する際には、実際に加わる膨張力と配管が機械的に耐えられる力を正確に照合することが本質です。鋼管は銅やPVCなどの材料と比較して引張強度が非常に高いため、より大きな径方向の膨張力に耐えることができます。ただし、管壁の厚さも見逃せません。これはこの全体的な判断において極めて重要な要素です。特に薄肉のHVAC用配管や軽量級の産業用配管では、座屈や楕円化といった問題を防ぐため、膨張率を低く保つ必要があります。材質についても言及しておくと、PVCは華氏40度（摂氏約4度）を下回ると非常に脆くなりやすくなります。PVCに対して800 psiを超える空気圧式エクスパンダーを使用すると、亀裂が材料内部へ広がるリスクが高まります。一方、銅は延性が高いため挙動が異なり、機械式エクスパンダーを用いた場合でも損傷を伴わずより大きな変形（変位）が可能です。あらゆる工事においては、以下の点を必ず併せて確認してください：使用する配管材の具体的な規格（グレード）、管壁厚の規格（ウォール・スケジュール）詳細、およびメーカーが推奨するトルク仕様。これは特に溶接継手周辺において重要であり、溶接時に残存する応力が、圧力下での配管の変形を容易に引き起こす可能性があるためです。

過膨張の回避：ASME B31.1／B31.9に基づく安全変位限界の算出

過膨張は、加圧システムにおける継手破損の主な原因の一つであり続けています。ASME B31.1（動力配管）およびB31.9（建築設備配管）では、材料、温度、幾何学的形状に基づき、許容最大膨張量が定義されています。膨張工具をこれらの限界値に合わせて校正することで、変形が弾性範囲内に留まり、永久変形や微小亀裂の発生を防止できます。

膨張後の検証は不可欠です：レーザー形状計測法を用いて、内径（ID）が公称値の±0.5％以内に維持されていることを確認する必要があります。この許容範囲を超える偏差は、熱サイクル荷重下での漏れリスクを高めます。

膨張装置周辺の配管を保護するための支持・固定戦略

膨張装置による変位を吸収するためのアンカー、ガイド、スライド支持の戦略的配置

優れた支持システムは、実際には膨張装置の使用全過程において熱膨張による変位を制御します。これは単なる受動的な拘束ではなく、むしろシステム全体に力を積極的に分散させる機能を備えています。アンカーは圧力推力を受け持ち、固定点における軸方向の移動を完全に阻止します。ガイドは横方向（側方）の移動を制限しつつ、前後方向の移動は許容します。スライディングサポートは、低摩擦面により予期される変位を吸収するもので、通常は継手部および膨張領域から管径の4～10倍離れた位置に設置されます。これらの3つの構成要素は、現場でエンジニアが直面する主な課題——溶接部における応力集中、継手の位置ずれ、および圧力による管の横座屈——に対処するために、非常に効果的に協働します。

配置の最適化を実現するには、単に間隔について概算値を用いるのではなく、熱膨張率とシステム全体のレイアウトを総合的に検討する必要があります。一次支持構造は、部品自体の重量によるたわみを防止し、すべての部品が正確な位置関係を保つことを目的としています。二次支持構造は、振動を低減させ、厄介な共鳴周波数を抑制する役割を果たします。また、クランプ部品内部に設けられた絶縁ライナーも重要な機能を持ち、金属部品同士の直接的な接触・摩耗を防ぎながら、熱膨張に伴う軸方向の自由な動きを確保し、同時に膨張によって生じる力を制御します。ポンプ吸入口やバルブフランジなど、絶対に動きを許容できない固定点では、可動性を一切持たない非調整式支持構造を用いて、完全に固定します。一方で、現場での微調整が必要な場合もあるため、メーカーは性能を損なうことなく現場で調整可能なタイプも提供しています。業界における実績から、これらの要素が適切に連携して機能すると、機械的応力および熱応力が全体の配管・設備システムに均等に分散されることが確認されています。このような工学的アプローチは、設備の寿命を大幅に延長することが実証されており、保守記録によれば、長期的には約70％の改善効果が見られています。

よくある質問

配管システムにおける熱膨張の重要性は何ですか？

熱膨張は配管システムにおいて極めて重要な役割を果たします。温度変化に伴い、配管が著しく伸縮することにより、応力集中点の発生、配管の位置ずれ、さらには構造的な破損につながる可能性があります。

なぜPVCは鋼に比べて熱膨張に対してより脆弱なのですか？

PVCの熱膨張係数は鋼よりも高いため、同一の温度変化条件下で鋼の約5倍も膨張します。このため、特に高温環境下ではPVCにおける熱膨張の影響がより顕著になります。

配管における熱膨張の影響を軽減する方法にはどのようなものがありますか？

適切なエクスパンダ（伸縮継手）の選定、配管材質および管壁厚さに応じたエクスパンダ種別の選択、ならびに支持・固定システムの戦略的な配置が、熱膨張の影響を管理・軽減する上で鍵となる手法です。

加圧システムにおいて過膨張を回避するにはどうすればよいですか？

ASME B31.1／B31.9などの規格に準拠し、エクスパンダーを規定された材料および温度限界に合わせて校正することにより、過膨張を回避し、変形を弾性範囲内に留めることができます。