JP7370827B2

JP7370827B2 - 配管とその施工方法

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Publication number: JP7370827B2
Application number: JP2019212358A
Authority: JP
Inventors: 健一郎小林; 健長谷部; 尚武増子; 周二木原
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-10-30
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP2021085413A

Description

本発明は配管とその施工方法に関し、特に配管の熱伸縮を吸収するための配管の施工方法に関する。

配管の熱伸縮を吸収する方策の一つとして、エルボやベンドを用いて配管を施工する方法がある。この方法は液体のよどみが発生しにくいという利点を有する。その他の方策として、配管に伸縮継手を設ける方法がある。伸縮継手は大きな設置スペースを必要としないため、スペースが限られている場合に有利である。伸縮継手としてはベローズを用いるタイプと、配管の長さ方向に摺動するスライド部材を用いるタイプ（特許文献１）と、が知られている。

特開２０１１－１２７７３８号公報

エルボやベンドを用いて配管を施工する方法は、エルボやベンドを配管部材（例えば、配管を構成する管）と同じ材料で形成しているため、配管の熱伸縮を吸収しきれない場合があり、配管に隙間が生じたり、配管が破損する可能性がある。一方、配管の熱伸縮の吸収性を向上させるためには広い設置スペースが必要となる。

配管に伸縮継手を設ける方法は、流体のよどみが発生しやすい。さらに、ベローズタイプの伸縮継手は、内圧のかかる配管に適用するとベローズの変形が制限され所望の性能を発揮できない場合がある。また、ベローズタイプの伸縮継手は、内圧による反力の副作用を生じ、配管を破損させる可能性がある。さらに、ベローズのような可動部やスライド部材のような摺動部を有する部材は劣化しやすく、メンテナンスや交換の頻度が高くなる傾向がある。

本発明は、狭い設置スペースで熱伸縮を吸収でき、メンテナンスや交換の頻度を抑制可能な配管とその施工方法を提供することを目的とする。

本発明は、２つの配管部材を屈曲部を介して接続する配管とその施工方法に関する。配管は超純水または純水が流れるようにされた屋外配管であり、配管の施工時の環境温度と配管を流れる超純水または純水の温度との差が所定の温度を上回る。屈曲部は曲げ部を構成する継手を有し、継手の弾性係数は配管部材の弾性係数より小さい。

本発明によれば、狭い設置スペースで熱伸縮を吸収でき、メンテナンスや交換の頻度を抑制可能な配管とその施工方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る配管の概要図である。配管の曲がり部の詳細図である。変形しやすい継手を用いたことによる効果を示す模式図である。９０度エルボのたわみを説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る配管の概要図である。

図面を参照して本発明の配管の施工方法のいくつかの実施形態について説明する。各図において、Ｘ軸とＹ軸は互いに直交する水平軸を、Ｚ軸はＸ軸及びＹ軸と直交する鉛直軸を意味する。Ｘ軸については、第１の設備２から第２の設備３を向く方向を＋Ｘ方向といい、その反対方向を－Ｘ方向という。Ｙ軸についても向きを区別するため、＋Ｙ方向、－Ｙ方向という場合がある。図１は本発明の第１の実施形態に係る配管１の概要図（アイソメ図）である。配管１は屋外に設置され、タンク、ポンプ、処理装置などの第１の設備２と、タンク、ポンプ、処理装置などの第２の設備３との間を結んでいる。流体は第１の設備２から第２の設備３に向けて流れる。

本実施形態の配管１は互いに離れた２点間である第１の設備２，第２の設備３間をＸ方向に直線状に延び、＋Ｙ方向に膨らむ屈曲部６が部分的に設けられたものである。すなわち、配管１は、第１の設備２から屈曲部６の始点である第１の点Ｐ１までの区間を＋Ｘ方向に直線状に延びる第１の配管（第１の配管部材）４と、第１の配管４と同一の直線上に設けられ、屈曲部６の終点である第２の点Ｐ２から第２の設備３までの区間を＋Ｘ方向に直線状に延びる第２の配管（第２の配管部材）５と、第１の配管４と第２の配管５との間に設けられた屈曲部６と、を有している。配管１を流れる流体は限定されず、例えば、水（超純水及び純水を含む）、油、ガスなどが挙げられる。配管１を流れる流体の温度は所定の温度とされている。流体の温度は変動してもよく、配管経路に沿って変化してもよい。

屈曲部６はＸ－Ｙ面内にほぼＵ字型の経路に沿って設けられている。屈曲部６は継手７と短管８と接続配管９とが組み合わされたものである。屈曲部６は、一端側が第１の配管４に接続され、＋Ｙ方向に曲げられて＋Ｙ方向に延び、＋Ｘ方向に曲げられて＋Ｘ方向に延び、－Ｙ方向に曲げられて－Ｙ方向に延び、再び＋Ｘ方向に曲げられて＋Ｘ方向に延び、他端側が第２の配管５に接続されている。屈曲部６の曲げ部は継手７で構成されている。継手７と継手７の間には短管８及び接続配管９が設けられている。図２により詳細に示すように、継手７の両側にはフランジ８１に接続された短管８が設けられ、フランジ８１は隣接する接続配管９のフランジ９１、及び第１の配管４若しくは第２の配管５のフランジ（図２には第１の配管４のフランジ４１を示す）とボルト（図示せず）で接続されている。フランジ８１とフランジ９１との間、及びフランジ８１とフランジ４１との間にはガスケット１１が設けられている。短管８は省略することもできる。短管８と継手７は熱圧着、熱融着、熱溶着、電気融着等によって接合されている。継手７は直交する２つの配管（接続配管９同士、接続配管９と第１の配管４、または接続配管９と第２の配管５）を接続するエルボないしベンドである。２つの配管は互いに非平行である限り９０度以外の角度（例えば４５度や６０度）をなしていてもよい。屈曲部６は配管１の熱伸縮を吸収するために設けられることから、屈曲部６には配管の変位を拘束する配管サポートは設けられていない。ただし、自重（Ｚ方向下方の荷重）を支持するための最低限のサポートを設けることは可能である。

ところで、高温の流体が流れる配管については、従来から熱伸縮を考慮した設計が行われており、必要に応じ上述したエルボやベンドを含む屈曲部が設けられている。しかし、常温に近い流体が流れる配管については通常熱伸縮が問題となることはなく、熱伸縮に起因する配管の熱変形は考慮されない。これに対し、本願発明者はこのような場合であっても、特定の条件で熱伸縮が問題となることを見出した。一例として、非常に長い直線配管を屋外設置する場合を考える。ここでは、５００ｍ離れた設備間に配管を直線状に据え付けるものとする（図１において、屈曲部６を直線配管１０６に置き換えたものを想定する）。夏場などの高温環境で施工する場合、外気温は３０～４０℃に達し、配管自体はさらに高温になる可能性がある。しかし、設備間の距離５００ｍは不変であるため、配管は「高温環境下において５００ｍの長さとなるように」据え付けられることになる。通常、５００ｍの配管は複数の区間に分割されて施工されるため、最後に据え付けられる区間の配管の長さが調整されて、配管に軸方向の応力が生じないようにされる。これによって、隣接する配管同士のフランジ接続や溶接も適切に行うことができる。一方、運転開始後に常温の流体が流通すると、配管の温度は流体の温度と同程度となる。しかし、施工中の配管の温度と流体が流通しているときの配管の温度の差が大きいため、非常に大きな熱変形が生じる可能性がある。例えば施工中の配管の温度が６０℃、流体が流通しているときの配管の温度を２０℃とすると、温度差は４０℃である。配管が塩ビ管である場合、塩ビ（ポリ塩化ビニル）の線膨張係数は６～８×１０^-5／Ｋ程度であるので、６～８×１０^-5／Ｋ×４０Ｋ×５００ｍ＝１．２～１．４ｍもの熱伸縮が配管の軸方向に生じる。このように、施工時の環境温度（より正確には配管の温度）と流体の温度の差及び配管の直線長さによっては、たとえ流体の温度が常温であっても極めて大きな熱変形が生じる可能性がある。

以上の理由から、本実施形態では配管１に屈曲部６を設けて配管１の熱伸縮を吸収している。しかしながら、屈曲部６はスペースを必要とするため、できるだけ屈曲部６をコンパクトに構成することが望ましい。このため、本実施形態では、さらに継手７に変形しやすい材料を用いて継手７自体の曲げ変形性能を高めている。具体的には、継手７の弾性係数が配管部材の弾性係数より小さくされており、より詳細には、継手７のヤング率が配管部材のヤング率より小さくされている。継手７の材料としては例えばポリエチレンが挙げられるが、他にポリプロピレン、強化ポリプロピレンなどを用いることもできる。特にポリエチレンは塑性変形範囲においても、想定外の熱応力や外力を吸収する能力が高い。

図３は、変形しやすい継手７を用いたことによる効果を示す模式図である。第１の配管４は非常に長い直線配管であり、その端部に第１のエルボ７Ａが接続され、第１のエルボ７Ａに第１の接続配管９Ａが接続され、第１の接続配管９Ａに第２のエルボ７Ｂを介して、第２の接続配管９Ｂが接続されている。比較例のエルボ１０７Ａは第１の配管４、第１及び第２の接続配管９Ａ，９Ｂと同じ材料（例えば塩ビ）で作成され、本実施形態の第１のエルボ７Ａと同一の中心線Ｃと同一の肉厚ｔ（図２参照）を有している。比較例のエルボ１０７Ａに第１の接続配管１０９Ａが接続され、第１の接続配管１０９Ａに第２のエルボ１０７Ｂを介して、第２の接続配管１０９Ｂが接続されている。本実施形態の第１のエルボ７Ａは比較例のエルボ１０７Ａよりもヤング率の小さいポリエチレンで作成されている。破線は施工時の第１のエルボ７Ａと第１の接続配管９Ａを示している（比較例においても同様）。ここでは、第１の配管４が－Ｘ方向に大きく収縮した場合を説明する（－Ｘ方向の熱収縮量をΔＸとする）。第１の接続配管９Ａと第２の接続配管９Ｂの熱伸縮量は小さいので、第２のエルボ７Ｂの位置は不変とする。この結果、第１のエルボ７ＡはＸ方向に広がるように変形する。この変形は、第１の配管４が伸縮しない（つまり、第１のエルボ７Ａの第１の配管４側の端部の位置が不変である）とした場合に、第１のエルボ７Ａの第１の接続配管９Ａと接続される端部に径方向（＋Ｘ方向）の引張力を掛けた場合の変形と同様と考えられる。

図４は９０度エルボを示しており、一方の端部は固定されており、他方の端部に径方向の力Ｗが掛かっている。これは、図３において、第１のエルボ７Ａの第１の配管４側の端部を図４における固定端とし、第１のエルボ７Ａの第１の接続配管９Ａと接続される端部を図４における自由端としたときに、第１の配管４が伸縮しないで、第１のエルボ７Ａの第１の接続配管９Ａと接続している端部に径方向（＋Ｘ方向）の引張力Ｗが掛かっている状態と同様の状態を模擬していると考えられる。この時の荷重方向の変位δは（π＋１）ＷＲ³／４ＥＩとなる。ここで、Ｒはエルボの曲率半径、Ｅはエルボのヤング率、Ｉはエルボの断面２次モーメントである。変位δはＥに反比例しており、Ｅが小さいほど大きくなる。また、変位δが大きくなるに従い端部の開き角θも大きくなる。変位δと開き角θが大きいため、熱変形による第１の接続配管９ＡのＺ軸まわりの回転角が大きくなり、－Ｘ方向の熱収縮量ΔＸを吸収しやすくなる。この結果、第１の接続配管９Ａを比較例の第１の接続配管１０９Ａより短くして、第２の接続配管９Ｂを比較例の第２の接続配管１０９Ｂよりも第１の配管４に近づけることができる。すなわち、屈曲部６をコンパクトに構成することができる。以上の効果は、本実施形態の第１のエルボ７Ａの曲げ剛性（ＥＩ）を比較例のエルボ１０７Ａの曲げ剛性（ＥＩ）より小さくしたことの効果ということもできる。

図５は屈曲部６を３次元的に構成した例を示している。本実施形態では第１の配管４と第２の配管５は互いに平行である。第２の配管５は第１の配管４に対し＋Ｙ方向にずれている。第１の配管４の内部を流通する流体の流れ方向と第２の配管５の内部を流通する流体の流れ方向とは同一方向（＋Ｘ方向）である。本実施形態では第２の配管５と、Ｚ軸方向において第１の配管４と同一の高さに配置された他の配管１０との干渉を防止するために屈曲部６にＺ軸方向に延びる接続配管９９を設けている。ここで、屈曲部６の接続配管９９のうち、第２の配管５側に設けられた接続配管９９のＺ軸方向の長さは、第１の配管４側に設けられた接続配管９９のＺ軸方向の長さよりも長くなっている。これにより、他の配管１０との干渉を回避するとともに、さらに熱伸縮の吸収能力を高めることができる。

以上説明したように、本実施形態は、継手７に変形しやすい材料を用いて継手７自体の曲げ変形性能を高めている（具体的には継手７のヤング率を配管のヤング率より小さくしている）ことを特徴とする。

また、本実施形態は、施工時の環境温度と配管１を流れる流体の温度との差が所定の温度を上回るときに配管１に屈曲部６を設けることを特徴とする。本発明は新設の配管に適用することが好ましいが、既設の配管において熱変形の問題が生じた場合にも既設の配管の改造として適用できる。本発明においては、配管１を流れる流体の絶対温度が重要でないことに留意すべきである。従って、冬季や寒冷地などの低温環境下で施工が行われ、常温の流体が配管１を流れる場合も配管１に屈曲部６を設けることが好ましい。逆に言えば、施工時の温度が常温であって、配管１を流れる流体の温度も常温である場合は屈曲部６を設けるメリットは得られない。所定の温度は特に限定されないが、例えば２０度程度に設定することができる。

本発明は線膨張係数の高いプラスチック材料に好適に適用できる（上述の通り、塩ビの線膨張係数は６～８×１０^-5／Ｋ程度であり、鉄の線膨張係数は１．２×１０^-5／Ｋ程度である）が、鉄などの金属配管にも適用できる。

本実施形態では、配管１を屋外に設置した場合について説明したが、配管１を地中に設置した場合についても同様である。

１配管
４第１の配管
５第２の配管
６屈曲部
７継手（エルボ、ベンド）
８短管
９接続配管

Claims

２つの配管部材を屈曲部を介して接続する配管の施工方法であって、
前記配管は超純水または純水が流れるようにされた屋外配管であり、
前記配管の施工時の環境温度と前記配管を流れる前記超純水または前記純水の温度との差が所定の温度を上回り、
前記屈曲部は曲げ部を構成する継手を有し、前記継手の弾性係数は前記配管部材の弾性係数より小さい、配管の施工方法。
前記継手のヤング率は前記配管部材のヤング率より小さい、請求項１に記載の配管の施工方法。
前記継手の曲げ剛性は、前記配管部材と同一の材料からなり、前記継手と同一の中心線と同一の肉厚を有する継手の曲げ剛性より小さい、請求項１または２に記載の配管の施工方法。
前記配管部材は塩ビからなり、前記継手はポリエチレンからなる、請求項１から３のいずれか１項に記載の配管の施工方法。
前記配管の一端側を第１の配管部材に接続し、前記配管の他端側を、前記第１の配管部材と同一直線上に設置され、または前記第１の配管部材と平行に設置された第２の配管部材に接続して、前記第１の配管部材と前記第２の配管部材とを連結する、請求項１から４のいずれか１項に記載の配管の施工方法。
前記配管部材の外部と内部の少なくとも一方の温度が変化する、請求項１から５のいずれか１項に記載の配管の施工方法。
２つの配管部材と、前記２つの配管部材を接続する屈曲部とを有する配管であって、
前記配管は超純水または純水が流れるようにされた屋外配管であり、
前記配管の施工時の環境温度と前記配管を流れる前記超純水または前記純水の温度との差が所定の温度を上回り、
前記屈曲部は曲げ部を構成する継手を有し、前記継手の弾性係数は前記配管部材の弾性係数より小さい、配管。
前記継手のヤング率は前記配管部材のヤング率より小さい、請求項７に記載の配管。
前記継手の曲げ剛性は、前記配管部材と同一の材料からなり、前記継手と同一の中心線と同一の肉厚を有する継手の曲げ剛性より小さい、請求項７または８に記載の配管。