パイプサポート: 課題と解決策

Nov 05, 2023

2020年10月1日 | スコット・フェラー著、AMG Inc.

工業プロセスプラントのパイプサポートは、一般に考えられているよりも複雑であることがよくあります。 ここでは、発生する可能性のあるいくつかの課題とその対処方法を示します。

あるレベルでは、パイプサポートのトピックは、パイプをサポートするという単純なものであるべきように思えます。 時にはそれが単純なこともありますが、ほとんどの場合はそうではありません。 工業用加工プラントでは、プロセスやユーティリティに関係なく、パイプサポートに関して無数の考慮事項があります。 応力、たわみ、振動、高調波、熱膨張の最大許容スパンなどの懸念事項や、パイプ、そのサポート、およびそれらのサポートをサポートする構造間の相互作用に対処する必要があります。 異なる許容応力を持ち、異なる温度で動作するさまざまな材質のパイプが共通のパイプ ラックを共有するとどうなるでしょうか? これらの条件を徹底的に考慮すると、適切なパイプ サポートがより複雑になる可能性があります。

この記事では、パイプサポートのさまざまな課題と、それらの課題を克服するいくつかの方法について説明します。 また、サポートの利用方法が効果的でなかったり、より単純なアプローチよりも設置費用がはるかに高かったりするサポートの例も指摘します。

配管の熱膨張と熱収縮を伴う状況は、蒸気および凝縮水システム、冷水および極低温用途、およびその他の多くのプロセス配管システムで非常に一般的です。 これらのパイプ配管では、高いアンカー負荷、機器へのノズル負荷、拡張ループの形状、拡張ジョイントの選択と配置など、複数の課題が発生する可能性があります。 重要なのは、アンカー ポイントを賢く選択することです。 多くの場合、タンクやポンプなどの接続機器の近く (約 20 フィート以内) にアンカーを作成する必要があります。これにより、アンカーと機器の間の熱膨張や収縮を最小限に抑え、柔軟なサポートでより簡単に制御できるようになります。脚、フレックスジョイント、スプリングなど。 これらのエンドアンカー間の距離が長くなると、特に混雑したパイプラックでは困難になる可能性があります。 拡張ループが必要な場合、隣接する回線の配線をブロックする可能性があります。 アップアンドオーバーループを使用すると、この問題は解決される可能性がありますが、パイプの排水が妨げられ、追加のスチームトラップが必要になったり、上部の他の配管、ダクト、または電気配線に干渉したりする可能性があります。 リニアまたは軸方向の伸縮ジョイントがオプションになる可能性がありますが、発生する可能性のある圧力による推力に対処するために注意する必要があります。 圧力バランスのとれた（または補償された）伸縮継手は良い選択肢ですが、高価になる可能性があります。 理想的には、パイプ経路の方向が変化する場合、図 1 に示すように、拡張または収縮を可能にする柔軟な脚として利用できます。拡張または収縮の距離は、隣接するパイプの間隔を適切に確保するために決定する必要があります。

図 1. 長い配管は熱膨張と熱収縮によって複雑になる可能性があるため、距離を決定する必要があります

プロセス機器、特にポンプやコンプレッサーなどの回転コンポーネントを備えた機器は、配管によって加えられる力に敏感です。 ノズルに大きな力がかかると、シールの寿命が短くなり、ベアリングの早期摩耗が発生する可能性があります。 大気タンクや圧力容器にも荷重制限があります。 小口径配管からの重力による負荷は一般に大きな懸念事項ではありませんが、熱膨張によって引き起こされる負荷は非常に大きくなる可能性があります。 これらのノズルの負荷を軽減するには、いくつかの戦略があります。

1. 配管設計で方向の変更を作成し、柔軟性を高めて力を軽減します。

2. 設置時に配管内にコールドスプリングを設計することを検討してください。

3. さまざまな荷重ケースにわたって熱負荷と重力負荷を軽減するためのスプリング ハンガーまたはサポートの使用を評価します。

4. プロセス機器の柔軟な取り付けを考慮します。 多くの場合、ポンプの吸込口に大きな力がかかることがあります。たとえば、ポンプが真っ直ぐなパイプでタンクに直接接続されている場合です。 パイプセグメントの熱膨張または熱収縮はわずか 1 インチのほんの一部ですが、膨張によって発生する力に抵抗するために必要な力は数万ポンドになる場合があります。 ポンプを 1/16 インチだけ浮かせると、反応を無視できるレベルまで減らすことができます。 これは、ポンプをスプリング マウント、スライド ベース、またはねじ付きロッドに取り付けて、それらを曲げることによって実現できます。

5. 拡張/フレックスジョイントは、装置のノズルへの負荷を軽減するためのオプションです。 残念ながら、これらは誤って適用されることがよくあります。 ジョイントによって生成される圧力推力のため、システムが受ける最大圧力 (つまり、通常、テスト圧力) は非常に低いです。 ただし、これらのタイプのジョイントは、図 2 に示すように、横方向に変位する構成では非常に有益です。

図 2. 伸縮継手により機器のノズルへの負荷を軽減できます

場合によっては、スペースの制約により機器近くのサポートが複雑になる場合があり、すぐに使用できるソリューションを見つける必要があります。 図 3 の画像は、熱油システムのポンプ吸引部のサポートを示しています。ここでは、パイプを横方向と垂直方向の両方で制御する必要がありますが、ポンプ吸引部から離れて伸びる自由も必要でした。

図 3. パイプ サポートにより、横方向および縦方向の制御が可能になると同時に、自由な拡張も可能になります

アンカーは大規模な配管システムにおいて重要なコンポーネントであり、あらゆる方向のあらゆる力の動きに抵抗することを目的としています。 これらは、他のすべてのパイプ応力の境界と制御条件を確立し、解析をサポートします。 アンカーは、ハンガーやガイドのように、加えられた荷重をサポートするためだけに設計されているわけではないという点で興味深いです。 代わりに、剛性または剛性を評価する必要があります。 たとえば、アンカーがワイド フランジ ビームの上部フランジに取り付けられている場合、そのアンカーの剛性には疑問があります。 ビームの軸の曲がりやねじりの不安定性が弱いと、アンカーの有効性が低下する可能性があります。 アンカーが比較的堅くない場合、そのアンカーの位置に基づく他のすべての応力および変位の計算が疑問視される可能性があります。 アンカーの設計では、アンカーとそれを支持する構造を一緒に評価して、それらが相互作用して望ましい性能を達成できることを確認することが重要です。

ガイドは、一般に熱膨張または熱収縮による軸方向の動きを可能にし、風荷重、プラントの振動、さらには地震力による横方向の動きを制限するために適用されます。 一定の間隔で配置されたサポートビームを備えたパイプラックに沿ってパイプを走行させる場合、ガイドの選択と評価は簡単です。 このような状況に備えて、パイプ メーカーから既製のガイドが多数存在します。 他の条件に合わせてガイドを選択することは、より困難になる場合があります。たとえば、屋根鋼材から数フィート下にパイプが通っている場合や、構造用鋼材から垂直に数フィート離れたところにパイプが通っている場合などです。 このような場合、既製のカタログ ガイドは、追加の構造用鋼に多大なコストを費やさなければおそらく機能しません。 このような例に対する低コストの解決策は、パイプ クランプと山形鉄ブレースまたはねじ付きロッドとターン バックルのいずれかを使用して、2 つの方向にサポートを提供しながら 2 つの方向のわずかな曲げによって軸方向の移動を可能にする 2 つの力の部材を作成することです。フォースメンバー (図 4 および 5)。

図 4 (左)。 パイプ クランプとブレースは 2 方向のサポートを提供できると同時に、軸方向の動きも可能にします (図 5 (右))。 軸方向の動きは、2 つの力によるガイドのわずかな曲がりによって発生します。

スライドは、ガイドと非常によく似た例で使用され、通常は熱膨張および熱収縮の用途で一緒に使用されます。 スライドは一方向 (通常はパイプに対して垂直) のサポートを提供し、最も一般的には水平パイプを下からサポートします。 等間隔のビームを備えたパイプ ラックのガイドと同様に、スライドは簡単な方法で選択でき、既製のスライドが多数用意されています。 これらは通常、横方向と軸方向の 2 つの自由度を許容するように選択されます。 ただし、繰り返しになりますが、スライドをサポートするための均一なフレーム レベルがない場合は、代替手段を検討する必要があります。 多くの場合、予想されるパイプの変位に比べてハンガー ロッドが長い限り、単純なクレビス ハンガーを使用できます。

パイプサポートに実用的なアプローチを採用すると、サポートシステムの設計が簡素化され、通常はサポートのコストを下げることができます。 以下に、あまり実用的ではないサポートの例と、それらが非実用的である理由の簡単な説明、およびその例のより良い代替案を示します。

上部にパイプ スライド、ガイド、またはアンカーが付いた高い支柱。 背の高いポストは、ポストの断面特性に応じて上部で比較的大きなたわみが発生する可能性が高く、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE; テフロン) または超高分子量 (UHMW) ポリマーのスライドやガイドを使用した場合でも、は依然としてポストにかかる摩擦力です (図 6)。

図 6. 上部にパイプ スライド、ガイド、またはアンカーがある高い支柱は、上部で比較的大きなたわみが発生する可能性があります。

実際的なアプローチは、スライドまたはガイドに必要な予想変位を評価し、ポストとその下部取り付け具 (溶接またはベースプレートアンカー) がそのたわみと曲げモーメントに耐えられるかどうかを確認することです。 それが可能であれば、スライドやガイドは必要ない可能性が高く、単純な U ボルトで十分である可能性があります (図 7)。

図 7. ポストが曲げに耐えられる場合は、U ボルト クランプがパイプ サポートとして機能する可能性があります。

高い支柱上のアンカーの場合、アンカーの支柱の剛性を評価して、結果として生じるたわみが配管システムの残りの部分に問題を引き起こさないことを確認する必要があります。 また、U ボルトは、ポストが処理できるすべての荷重を伝達できる場合があります。 サポートの座屈安定性はあらゆる場合に考慮する必要がありますが、特にポストが閉断面部材ではない場合には考慮する必要があります。

カンチレバーとパイプ スライド、ガイド、またはアンカーのいずれかを備えた高いポスト。 このケースは、今説明したケースと非常によく似ており、改修または拡張されたプラントエリアでよく見られます。 原理は同じですが、ポストのねじれが追加されています (図 8)。

図 8. カンチレバーを備えた高いポストに関する懸念の 1 つは、ポストのねじれです。

サポートは、スライドやガイドが必要ないほど十分に柔軟であると考えられます。これは、パイプの予想変位とスライド/ガイドからの計算された摩擦力から生じるたわみを比較することで簡単に証明できます。 摩擦力が、予想されるパイプの変位以上にサポートを偏向させるのに十分である場合、スライドまたはガイドは必要ありません。これは、スライドまたはガイドが動き始める前にサポートが曲がるためです。 繰り返しますが、特にポストが閉断面部材でない場合は、サポートの座屈安定性を考慮する必要があります。

長いネジ付きロッドハンガーと調整可能なパイプローラー。 これもよく見られるケースで、背の高いポストの場合と同様に、ネジ付きロッド ハンガーの剛性がローラーを回転させるのに必要な抵抗を提供するには十分ではない可能性があるため、ローラーは単に高価な支柱として機能するだけです。クレビスハンガー (図 9)。

図 9. ここに示されているようなロッド ハンガーの剛性は、ローラーが回転するための抵抗を提供しない可能性があります。

パイプサポートの設計とエンジニアリングは、産業プラントにおける他のエンジニアリング分野と同様に、困難を伴う場合があります。 さまざまな状況を少し理解し、常に既製のソリューションに頼るのではなく、多くの場合、設計をよりシンプルで信頼性が高く、より安価で設置が容易なものにすることができます。

スコット・ジェンキンス編集

スコット・フェラー AMG, Inc. (1497 Shoup Mill Rd, Dayton, OH, 45414; 電話: 937-260-4630; 電子メール: [email protected]) の運営担当執行副社長です。 AMG, Inc. は、さまざまな化学処理および関連する重工業セグメントに幅広い設計および建設サポート サービスを提供する、フルサービスのエンジニアリング コンサルティング会社です。