漏れのないロールドジョイントを実現するためのエクスパンダ投影長の重要性

未然に防げたはずの漏れ

米国メキシコ湾岸地域の化学プラントでは、重要工程ユニットの熱交換器チューブ36本を交換するため、定期点検（ターンアラウンド）が計画されました。保守チームは、過去の作業で実績のある標準ロール長のチューブエクスパンドーを使用し、全チューブをロールしました。水圧試験も合格し、ユニットは再稼働されました。しかし、起動から2週間後、あるチューブジョイントからわずかに「しずく」が垂れる現象（分間数滴程度）が確認され、異常が指摘されました。その後1か月以内に、さらに6か所のジョイントでも同様の漏れが発生。結局、緊急修理のためユニットを停止せざるを得ず、生産損失および交換作業の人件費などにより、約9万ドルの損害が発生しました。

原因は？ その熱交換器の管板は、チームがこれまで作業していたものよりも厚かった。標準のローリング長では、管板の全厚さをカバーできなかった。そのため、ローリング動作が継手の背面まで及ばず、膨張されていない部分が残り、最終的に漏れ経路が生じた。

管の突出長（管板面から管先端までの距離）は、適当に推測してよいような値ではありません。これは、ロール継手が数年間漏れなく機能するか、数週間で破損するかを左右する極めて重要な寸法です。

管の突出長とは何か

管の突出長とは、管が管板の表面からどれだけ突出しているかを示す距離です。この寸法が重要なのは、エクスパンダーローラーが管板の全厚さと管の突出長を含む範囲を確実にローリングし、さらに管座面をわずかに越えてロールすることで、管の完全な膨張を確保する必要があるためです。

投影長が短すぎると、ロールに十分な材料がなく、適切にかみ合わなくなります。その結果、ローリング動作が管板の表面ではなく、管板内部から始まってしまい、接合部の前端での膨張が不十分になることがあります。逆に投影長が長すぎると、ロールが管板を越えて管の自由長部分にまで入り込み、支持されていない領域で管壁を薄くしてしまい、熱サイクル時に亀裂を生じさせる応力集中部（ストレスライザー）を発生させます。

シェル・アンド・チューブ型熱交換器における一般的な投影長の範囲は、3/16インチ～9/32インチです。その中で、3/16インチはよく用いられる初期値として参考になります。ただし、これはあくまで目安であり、実際の投影長は、管の外径、管壁厚、管板厚および接合部の具体的な設計に応じて決定されます。

必要なロール長の算出

必要なロール長は任意ではありません。これは、管板内の管座長、管板から突出する管の突出長、および管座を越えて延びるロール長の3つの要素から算出されます。 .

実用的な計算式は次のとおりです：ロール長 ＝ 管座長 ＋ 突出長 ＋ 管座を越えるロール長。管座を越えるロール長は通常1／8インチ～1／4インチの範囲で、これにより膨張部が管板の背面（裏面）を確実に越えて形成されます。

これらの要素のいずれかを省略すると、エクスパンダが継手全体を完全にカバーできなくなります。その結果、表面的には問題ないように見える部分的に膨張された管が得られますが、そこには漏れが発生しやすい弱い部位が残ります。場合によっては、この弱い部位は水圧試験では検出されず、運転中の熱サイクルや圧力変動後に初めて明らかになることがあります。

壁厚減少：見過ごされがちな要因

突出長は壁厚減少率と連動して作用します。壁厚減少率とは、展開工程中に管の壁厚が減少する割合（パーセント）を指します。業界標準では通常4～10％が目標とされ、炭素鋼およびオーステナイト系材料では5～8％が一般的です。

突出長が過長の場合、ロールによる管壁の薄肉化が、管板で支持されていない自由長部（突出部）で発生します。これにより局所的な壁厚減少が生じ、直ちに破損には至らないものの、振動や熱サイクル負荷下で脆弱部位となります。逆に、突出長が短すぎると、接合部前面における所定の壁厚減少が得られず、機械的結合強度が不十分な状態になります。

投影量と壁厚削減量の関係は直線的ではありません。投影量にわずかな変化があっても、継手界面における最終的な管壁厚には大きな変化が生じることがあります。そのため、ローリング前の投影量の測定・管理は、ローリング中のトルクや壁厚削減量の監視と同様に重要です。

測定と検証

投影量は目視で判断するものではありません。単純な深さゲージやノギスを用いることで、管端が管板面からどれだけ突出しているかを正確に測定できます。新設工事ではこの測定は比較的容易ですが、交換工事では既存の管端部を除去し、管板表面を清掃してからでないと正確な値が得られない場合があります。

検証は、ローリング前の突き出し量測定で終わるものではありません。展開後には、チューブ端部のフレアやビード形成状態を目視確認することで、展開が接合部全体に及んでいることを確認できます。適切に展開されたチューブでは、チューブシート面から展開部にかけて滑らかな形状変化が見られ、直径の急激な変化や目視可能な隙間は一切ありません。

超音波測定技術を用いることで、ローリング後の管壁厚減少量も確認でき、指定された展開パラメーターが達成されたこと（かつ欠陥が生じていないこと）を定量的に検証できます。 この手法は、接合部の破損が重大な安全上または運用上の影響を及ぼすような重要用途の機器において特に有効です。

材質の考慮事項とその影響

異なる管材は、膨張時に異なる挙動を示します。炭素鋼はローリング中に加工硬化が起こり、膨張が進むにつれて管が硬くなり、さらに変形しにくくなります。ステンレス鋼やその他のオーステナイト系材料は、異なる加工硬化特性を持つため、突き出し量やローリング手法の調整が必要になる場合があります。

管の壁厚も必要な突き出し量に影響を与えます。薄肉管は過膨張に対してより敏感であり、突き出し量が長すぎると、許容される壁厚限界を厚肉管よりもはるかに速く下回ってしまう可能性があります。一方、厚肉管はより大きなローリング力を必要とし、同じ相対的な壁厚減少を得るにはより長いロール行程が必要になることがあります。

管板の材質も重要です。硬い管板材質は変形に強く、より大きなローリング力を要し、突き出し部が膨張工程に与える影響を変化させる可能性があります。一方、柔らかい材質では管がより容易に膨張し、所定の突き出し長さに対する有効な管壁減肉率が変化する場合があります。

問題が発生した場合：突き出し部の不具合の診断

ロール接合部からの漏れは、しばしば突き出し部の不具合に起因しますが、具体的な原因を特定するには、破損のパターンを確認する必要があります。管板の前面（管が管板に挿入される面）から漏れる場合は、通常、突き出し長さが不足しているか、ロール長さが管板の全厚みをカバーできていないことを示しています。 .

背面から漏れが発生したり、継手界面からしみ出たりする場合は、突き出し長さは十分であったが、管壁の圧縮量が不足していたか、あるいはロール加工が管座を十分に越えていなかった可能性があります。管板直後の管に亀裂が生じる場合、多くは突き出し長さが過大で、自由長さ部における管壁の薄肉化を引き起こしたためです。

いずれの場合も、実際に使用した突き出し長さ、ロール加工長さ、およびその結果生じた管壁の圧縮量を記録しておくことで、問題の原因特定や再発防止に役立つデータが得られます。継手が破損した際には、「単に破損した」という事実だけでなく、「どのような加工条件で破損したか」を把握することが重要です。これにより、症状の対処にとどまらず、根本原因の解消へとつながります。

信頼性が高く、漏れのないロールドジョイントをさまざまな管径および材質で実現するためには、高精度なチューブエクスパウンダと専門的なサポート体制が不可欠です。台州瑞奇ツール社ネットワークに属するメーカーは、長年にわたり産業向けチューブ膨張装置を顧客に供給しており、特に寸法精度と品質の一貫性に重点を置いています。これにより、投影に関連する故障を未然に防ぐことができます。