みなさんこんにちは、プラントエンジニアのヤンです。
現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。
今回は「プラントの配管設計」について解説します。
皆さんも配管設計に困ったことはありますよね？学校で配管設計なんて習わないし、かといって教科書的なものは見当たらないし。
僕自身も実際に設計してみて図面をダメ出しされ、そこから本を読んで必死に勉強して、実際のプラントでどのような配管がいいのかを勉強しました。
しかし、配管はその長さや配管径は違っても必ず存在します。ですのでプラント配管設計の大枠を理解すれば、設計会社などで外注の配管設計業務にあたることができるくらい、重要な仕事です。
そこで実務でいろいろ僕が経験したことも踏まえて、解説していこうと思います。
説明したいことが多すぎるので「カテゴリー（配管、バルブ、継手）」も参考にしてください！
- プラントエンジニアになったばかりの人。
- 配管設計を見よう見まねでやっているが正確な”理屈”が知りたい人。
- 管設計の知識を学びたい人。
- 配管設計に使える参考書などを知りたい人。
近頃は転職サイトも非常に多いですが”エンジニア”向けの転職プラットフォームはあるのに、”プラントエンジニア”に特化したものはありませんでした。その為、総合転職サイトで求人を探してもなかなか見つかりにくい状況ですよね？そこでおすすめなのが「プラント特区」です。”プラント業界専門の転職求人プラットフォーム”ですのできっとあなたに合った求人が見つかるはずです。
動画でも解説しています！
動画もだいぶ増えてきましたのでこちらから、再生リストにアクセスをお願いします。
配管設計を学ぶことの重要性
配管はほとんどのプラントで施工が必要であり、プラントといえば配管が無くてはならないものです。
しかしながら、結構会社によっては独学で学ばせたり（前職でもそうでしたが）、非常に問題のある設計をしたりしていますので、僕がどのように設計をしていたかを書いていきたいと思います。
もちろん、僕のやってきた方法が全て正解であることはないし、人によって色々と考え方が違うので、この記事を参考に自分なりの最適解を考え出してほしいと思います。
この記事のポイント
- 基本設計は自分の会社での設計基準に従う！なければ自分で決めよう！
- 配管図関係はいきなり配管を考える間にまず「どこにサポートを設置できるか？」を考えよう！ もちろん、安全通路や機器配置も考慮すること！
- 失敗は成功のもと。でも失敗は許されないので失敗例を勉強しよう。
- 事前の保険は必要。
プラント配管設計の前に配管って何？という人は「図解入門 現場で役立つ管工事の基本と実際」で勉強しよう！
配管設計をする前に、配管工事自体がよくわからない人には「図解入門 現場で役立つ管工事の基本と実際」がおすすめです。
比較的新しい本ですが図が多用されており、配管工事をしたことがない人にもわかり易い内容になっています。僕も本屋で立ち読みして非常に良い本だったので購入してしまいました。
これで基本を学べば基本的な配管工事の考え方などは全く問題ないので、配管工事自体がよくわからない人は購入することをおすすめします。
まずはちゃんとPIDを書こうね
まずはPiping and Instrument Diagrams略してPIDを正確に書けるようにしましょう。
ちなみに図面を読む能力と書く能力は違うものと考える人もいますが、僕は基本的に正確に図面を書けないと図面を正確に読めないと思っています。
なので、自分できちんと図面を書けるようにしましょう。
ちょっと話がそれましたがPIDとは、プラントの中での配管や制御系統が網羅されている図面の事です。
これがないとプラント設計はできません。
まず配管設計する際は
- 流速
- 流量
- 温度
- 圧力
これらをはっきりさせましょう。そうしないと基本的な配管設計はできません。
もちろん、粘度とかも関係あるのですがここでは割愛します。
プラント配管の基本設計：配管内の流速・流量および配管口径
- 配管設計の基本は流速と流量から配管口径の算出。もちろんそれ以外にもあるけど、まずはここから覚えよう！
はっきり言ってこの辺はどの会社でも設計基準があり、その中で基本流速が決まっていると思うのでそこから計算していけばよいとおもいます。
設計基準がない場合は
- 実は僕が依然所属していたプラントエンジニアリングの会社も「ほんとにエンジニアリング会社かよ・・・」っていうくらいお粗末な設計基準しかなかった。
もし、設計基準がなく自分で決めるしかない場合はぜひ「配管設計・施工ポケットブック 新装版」を参考にしてください。
この本は「ポケットブック」と書いてある割には、基本設計から詳細設計（サポートの計算や振動の考え方、そして保温なども）、施工や見積もりの算出の仕方まで書いてあり、配管設計する際には無くてはならない本となっています。
むしろ、よほどの高温高圧でなければこの本一冊で十分設計ができます。
基本的な流速の考え方や、各配管口径での1m/sあたりの流量なども記載があるので、非常に便利な本です。コンパクトで現場事務所にも持参できる割には非常にためになる本です。是非購入してほしいと思います。
配管口径の計算は下の記事を参考にしてください。
材料に関しては「プラント配管ポケットブック」が一番参考になります。基本的な配管材料から、鋼材一覧、ネジの種類や保温に関しても乗っているので、これ一冊で配管材料に関しては完璧です。
この2冊は会社になければ自分で購入しましょう！ というか会社にあっても自分がすぐ使えるように、購入しておくことを強くおすすめします！
ただし、気体は圧縮性があるのでどの時点がどの圧力なのか？ 自分が計算している単位はノルマルなのか？ スタンダードなのか？ それ以外なのか？ を常に考えて設計していかないととんでもないことになります。
この辺りはボイル・シャルルの法則などでも簡単に計算できるが、意外とおざなりにしている人も多いと思うのでしっかり見直しておきましょう。
また、配管口径も場合いによっては1口径上を選択するなどの計画が必要です。
流速に対する配管口径の決め方や、配管材料は会社によって定められている所が多いが、基本的な計算の仕方を知っていれば自分で計算できるので覚えておきましょう！
たまに
- 「こんな単純な計算なんてやる意味がない」
という意見を聞くことがあります。というか新入社員が言っていた。
はっきりいって、単純な計算であろうと設計に対する根拠を持つことはエンジニアにとって当たり前のことです。
単純な計算だから意味がないという風に考えている時点でエンジニア失格です。
プラント配管の詳細設計その１：配管図・スプール図・サポート
- 計算で設計できてもそれを図面として表せないと工事はできませんよね。
いくら基本設計が完璧であっても詳細設計の部分で間違いがあっては意味がなくなります。特に配管図に関しては、基本的なルールを知らないとトラブルの原因となります。
なお、個人的には配管図を描く前にサポート図を完成させるべきだと思っています（完璧でなくてもサポートを設置する位置くらいは確定したほうが良いと思います）。もちろん、配管図で配管ルートを考えることは非常に重要です。ルートは短くて曲がりがない方が圧損も少ないし、工数も少なくて済むからです。
しかし、実際の配管はサポートがなければ固定することができません。つまり、配管サポート上にしか配管を据えることはできないということになります。
ですので、最初に配管サポートをある程度決めておけば「配管図を書いてからサポートを置くところがないので配管図も変更する」という二度手間がなくなります。
図面の書き方は実はプラント配管のみを専門とした本は少ないし、会社によって書き方に差があるのでまずは会社のやり方を勉強することをお勧めします。
そしてここでも参考になるのが「配管設計・施工ポケットブック 新装版」と「プラント配管ポケットブック」です。
プラント配管の詳細設計その2：圧損・保温等
- 圧損はたまに経験則でやる人もいます。僕は計算+経験が必要だと思うよ。特に粘度の高い液体の場合とかは。
圧損に関して言えば、これに関しては基本設計の際にバルブのCV値などをまずよく考慮すべきです。よほど細い配管で高速で流す時などはまずいが、僕の経験上圧損で大きな問題が起こったことはまずないです。
しかし、広大な敷地でのプラント配管などはよく考慮する必要があります。圧損の計算はCV値が分からなくても相当長さ等で計算できます。この辺は検索すればすぐにわかるはずです。
保温についてはJISに定められている保温を使えばよいが、あまりにも効率を求めすぎると費用対効果が悪くなる。常識的には少なくても85％、多くても95％の保温を考慮すればよいかと思います。
配管の圧力損失については下記の記事を参考にしてください。
どうやってつなぐ？？
- 配管同士をつなぐのにはいろいろな方法があり、どれも一長一短です。プレハブと現場の比率や使用する流体を考慮して決定しましょう！
配管の接続方法はいろいろとあります。全て解説すると非常に長いのでここでは要点だけを説明しておきます。
フランジ
- 隅肉溶接だけなので難しいバックシールドなどが必要ない。
- プレハブで大量に製作して現場に持ち込めば現地溶接などの手間が省ける。
- 外す際もオフセットが不要。
- ボルト・ナットが必要。
- 高価な材料だとフランジが高い。
- フランジボルト穴の位置合わせが必要。
- 漏れの原因となる。
- フランジの大きさ分スペースが必要。
- ホットボルティング、コールドボルティングなどが必要になる。
ねじ込み
- ネジキリ盤があればだれでも施工できる。
- 現場施工が簡単。
- シールテープ等を使用する必要がある。
- ねじを切る分肉厚が薄くなるので漏れの原因となりやすい。
- オフセットがいるので適時ユニオンを使用しないと取り外しが不可（通称地獄）になる。
- 低圧の配管や漏れても危険性の少ない配管にしか使用できない。
溶接
- 漏れが0になる。
- フランジのようなスペースなどが不要。
- 強度的にも材料とほぼ同一になる。
- 溶接の技能が必要。
- 取り外しができない。
- 現場施工では屋外の場合や姿勢が不安定な場合があるので難しくなり欠陥が発生しやすい。
- バックシールドが必要な場合は現場では欠陥が発生しやすい。
- 200V電源、シールドガスなどの機材が必要。
接着剤による溶着
- 施工が簡単。
- フランジを取り付ければ取り外しもできる。
- 適切に施工すれば漏れが0で信頼性が高い。
- 施工した後の品質確認が行いにくい。
- 一見上手くいっているように見えて突然抜ける場合がある。
- ソルベントクラックなどの不具合が発生しやすい。
配管サポートがないと配管施工ができない！
意外と忘れがちなのが配管サポートです。配管サポートというものは
- 配管のたわみを抑える。
- バルブや計装機器の集中荷重を受ける。
- 配管の振動を抑える。
しかしながら「これ！」という基準や計算方法が存在しないのが現実です。もちろん無理やり計算すれば求めることができますが。
詳しくは「【プラント設計の基礎】これで完璧！配管サポートの考え方！【強度計算、設計、基準】」で解説しています。
プラント配管設計の注意事項：事前に保険を作っておく
- 大は小を兼ねる！かねない時もあるので注意も必要だけどね！
配管関係は一度据えてしまうと、交換自体はできるが配管口径を大きくするのは難しいです。
もちろん、費用にもよるが事前に保険を作っておけば大きなトラブルも未然に防げるし、何年にもわたって安定した運転を実施できます。
というわけで僕のやった改善事項を1個だけ紹介します。
- P＆IDでは機器への冷却水配管が10Aだった。
- 冷却水はお客さんからの支給。
- 水質がよくわからないのでスケールなどの付着を考慮して、機器までは25Aとして機器の接続部をブッシングで繋いだ。
- 機器出口側にグローブ弁と流量計を設置して流量調整できるようにした。
- 稼働後、他の担当者の冷却水配管はスケール付着による流量低下＆配管口径がギリギリなので調整不能。薬注でなんとか対応。
- 僕のやったところはスケール付着しても配管口径が大きかったので、客先が冷却水を改善するまでバルブの調整のみで対応。
なお、設計段階では
- 費用が上がる。
- 材料費が無駄。
- P＆ID通りに作るべき。
などの意見がありましたが、結果を見ればどちらが正解かよく分かるはずです。冷却水が流れずに機器が壊れるのと、配管材料の費用の両方をよく比べてみてほしいと思います。
P＆ID通りに配管作るだけでいいのであれば、プラントエンジニアなんて職業はいりません。
予算、工事性、安全性、メンテナンス性、安全・安定稼働これらを総合的に考えて、プラントを設計・建築していくのがプラントエンジニアです。
上記は単純ですがうまく行った例ですね！
おなじく、計装空気も計算からバッファータンクを求めることはできますが、二圧容器の場合は買うにも価格が高いし、作るにもボイラー協会への資料など非常に時間がかかる。
その為、もちろん２圧容器は保険として付けるが、スペースがあればヘッダー管を太くしてそれをバッファー代わりとしました。
ユーティリティ関係ははっきり言って軽視されがちですが、トラブルが起きるとプラント全体の停止が伴うことがあります。
ある程度の保険を持ち、トラブルを少なくしようという考えは24時間動くことが多いプラントでは非常に重要です。
配管だけではなくいろいろなことも勉強する
- 配管だけで成り立つプラントはないですからね！ほかの機器の勉強も必要！
プラント配管はそれだけでは成り立っていません。多くのバルブ、ポンプおよびタンクなどが接続され、さらに保温などがされて一つの配管として成り立ちます。
ここがプラントエンジニアの腕の見せ所なのですが、単にバルブ1個やポンプ1台ではなくそれらがどのように配管に対して影響（良い意味でも悪い意味でも）するのかよく考える必要があります。
- バルブを適当に付けたら流量が上がらなくなった
- ポンプの揚程が足りなかった
- 圧損が大きすぎた
などなどいろいろな問題を起こしかねません。
そのため、配管のことだけではなくバルブのことやポンプのことなど、配管に関係する機器の勉強も必要です。
「トラブルから学ぶ配管技術-トラブル事例とミスを犯さない現場技術」でトラブル・失敗例を参考にする。
- 失敗から学ぶことはとても重要です。
配管設計の際には「このような設計をしましょう」とは書いてあるが、「こういうトラブルの原因になるから、これはだめですよ」と書いてあるのは非常に少ない。
「トラブルから学ぶ配管技術-トラブル事例とミスを犯さない現場技術」はそれを教えてくれます。配管設計の際にやってはいけないことを勉強できるので設計者には非常に勉強になる。
同時に、現場施工の際に事前におかしな配管を発見する為にも、このような本を持っていることは絶対に無駄にはならないと思います。
トラブルから学ぶ配管技術-トラブル事例とミスを犯さない現場技術
サニタリー工場はサニタリー配管の知識を学ぶ
- サニタリー配管は一般配管とはまた別の知識が要求されます。
サニタリー工場は一般的な配管の考え方とは違い、CIPの際の洗浄性や液溜まりの少ない配管、コンタミのない配管などを重要視します。
一般的な配管とは違うので設計の際は注意が必要です。
サニタリー配管については「食品とかで使われるサニタリー配管って何？そんな人への簡単な解説です！」で解説をしていますので参考にしてみてください。
さらなるレベルアップのために1級管工事施工管理技士の取得を目指す。
- 1級管工事施工管理技士を取得すれば自分の能力の証明になります！
プラントエンジニアとしてのさらなるレベルアップのためにお勧めの資格が「1級管工事施工管理技士」です。
管工事施工管理技士とは
建設業のうち冷暖房設備工事、空調設備工事、給排水・給湯設備工事、ダクト工事、浄化槽工事、ガス配管工事、衛生設備工事などの管工事において、施工計画を作成し、工程管理、品質管理、安全管理等の業務を行う。
Wikipediaより引用
というような資格ですが、テストでは配管などに関する幅広い知識が求められます。また、実地試験では実務経験の記述が必要など難易度が非常に高い資格です。
しかし、1級管工事施工管理技士の資格を取得していると配管に対する幅広い知識を有していると認められるので、スキルアップにも非常に有効な資格です。
プラント配管設計のまとめ
- プラント配管設計は多種多様な流体や圧力・温度を扱うため、多くのことを考慮する必要があり非常に難しい分野である。
- まず基本的なことは図解入門 現場で役立つ管工事の基本と実際で勉強しよう！
- 「配管設計・施工ポケットブック 新装版」、「プラント配管ポケットブック」で大体の配管設計は可能。
- 設計根拠を持つことはプラントエンジニアとして当たり前！
- 時には設計に”余裕”を持たすことも重要！
- トラブルは知識の宝庫！「トラブルから学ぶ配管技術-トラブル事例とミスを犯さない現場技術」でどんなトラブルが実際に起こるのか勉強しよう！
説明したいことが多すぎるので「カテゴリー（配管、バルブ、継手）」も参考にしてください！
トラブルから学ぶ配管技術-トラブル事例とミスを犯さない現場技術
近頃は転職サイトも非常に多いですが”エンジニア”向けの転職プラットフォームはあるのに、”プラントエンジニア”に特化したものはありませんでした。その為、総合転職サイトで求人を探してもなかなか見つかりにくい状況ですよね？そこでおすすめなのが「プラント特区」です。”プラント業界専門の転職求人プラットフォーム”ですのできっとあなたに合った求人が見つかるはずです。
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