【プラント配管設計の基礎】これで完璧！配管サポートの考え方！【配管支持、強度計算、設計、基準】

2022年6月28日2023年2月25日

みなさんこんにちは、プラントエンジニアのヤンです。

プラント配管を構成するものの中で避けて通れないものの一つが「配管サポート」です。

プラント配管の多くは空間の中を取っており、そして配管自体の重量＋内部流体の荷重を支えるために適切な配管サポートの配置と設計が必要になります。

でもそれだけ重要な配管サポートなのにこれといった「基準」や「考え方」「決め方」などがいまいちはっきりしていないのも現実です。もちろんやろうと思えば力ずくで全て計算できるのですが・・・。

と言うことで今回は適切なサポートの配置やサポートの強度計算について解説していきます。

動画でも解説しています！

配管サポートはなぜ必要か？

プラント配管の多くは地面ではなく、建屋の中の空間や屋外であれば配管ラックなどの上に敷設されています。つまり配管は常に何かに支えられていることになります。

これら配管サポートは一見適当に取り付けられており、鋼材も適当に考えられがちですが配管にたわみが生じないように、配管の重量を適切に保持する必要があります。また、不適切な配管サポートは振動の原因となることもあります。

さらに配管サポートがないと配管工事を進めることができません。たまに勘違いしている人がいるのですが、配管工事を進めるためには配管サポートの設計がまず必要となります。

と言う意味でも配管サポートというのはプラント配管設計をする上で非常に重要な要素となるのです。

配管工事を順調に進めるために配管サポートの設計は非常に重要！

とはいっても配管サポートの間隔や強度の考え方にこれといって明確な原則がないのも事実です。

配管サポートの種類

配管サポートには配管の安定性と適切に配管を保持するために様々な種類のサポートが存在します。配管設計をする際にはこれら複数のサポートを組み合わせて、適切な配管構成になるように設計していきます。

大きく分類するとレストレイント、ハンガー、防振タイプの3種類に分類することができます。その中でも多くの種類の配管サポートに分類することができますが、ここでは代表的なものだけをまとめてみます。

サポートは数多く種類があるので配管の重量、振動、保温/保冷の有無でサポートを適切に選定する必要がある。

レストレイント

土間コンや建屋の構図部材から直接鋼材を利用して配管をサポートするものをレストレイントといいます。一般的に「配管サポート」と言えばこれを想像する人が多いのではないでしょうか？

レストレイントは配管の重量を全て建屋の構造部材などで支えるので、強固なサポートとすることが可能です。そのため基本的にはアングルやCチャンネルなどの部材を利用して作成されます。

レストレインとを使用する場合は下記の点に注意する必要があります。

レストレイントの注意点

配管の重量に応じて適切な構造部材を選定する必要がある。
腐食などに注意する。特にSS400製のサポートにSUS製の配管を載せる場合は、PTFEの板などを敷いて絶縁する。
建屋の構造材から直接サポートを取るので建屋側に影響がないかを調査する必要がある。できれば事前にレストレイントを加味した設計が必要。
振動する配管は適切な振動の絶縁や防震サポートを使用しないと、建屋全体が大きく振動する。

レストレイントは非常に多く使用されるサポートです。拘束しているという点から考えればスライドシューやタイトシューもレストレイントの一部と考えることもできます。

レストレイントは配管の重量や振動を拘束するのに非常に有効ですが、配管の振動を適切に絶縁できなければ逆に建屋に振動を伝播するので注意する必要があります。

しかし、大口径の配管や重量の思い配管を利用する化学プラントでは非常に多く使用されるタイプのサポートです。適切な振動の絶縁や強度計算を行えば大きなトラブルも発生しなく、長年にわたり使用できるサポートとなります。

さらにレストレインにはいくつかの種類のサポートが存在します。

パイプサポート（溶接タイプ）

溶接タイプのパイプサポートは配管に直接サポートのための配管を溶接したものになります。基本的には配管材質と同じ材質の配管を直接溶接して作成しますので、以下のような場合にはお勧めできません。

パイプサポート（溶接タイプ）が使用できない例

溶接後に熱処理などが必要な場合。
効果な材料の場合。例えばチタンなど。
メッキ配管（SGP-Wなど）。溶接部に適切な処理を行えば可能。
ライニング管

パイプサポートは配管に直接サポートを取ることができない時、例えば配管ラックまでの距離などが長い時や床から直接サポートを取りたい時に重宝します。たまにこれを普通のティーズなどで分岐してサポートにする人がいますが、内部流体がそこで滞留する恐れがありますのでそのような施工はしない方がいいでしょう。

また、溶接部に後からピンホールなどが生じないように屋外配管では水抜き穴を設けておくなどの配慮も必要です。

スライドシュー、タイトシュー

配管が軸芯方向に伸縮する場合はサポートでその動きを拘束してしまうと、配管のフランジやサポートを接続している構造物に応力が働いてしまい配管やサポートの破損につながります。

しかし、垂直方向には動かないようにしたい場合はスライドシューが用いられます。少しだけ動かしたいけどある程度までは拘束したい場合はタイトシューが使用されます。

スライドシュー、タイトシューの注意点としては

スライドシュー、タイトシューの注意点

必ずガイドを作成する。たまに面倒なのかUボルトを締め付けないで代用している人もいるが、配管が摩擦することで肉厚の減少や、腐食の原因になるので必ずガイドを作成する。
ガイドの作成が面倒であればローラーサポートを使用する。
他の配管サポートと共有する場合は配管設計の際にガイドの高さ分を考慮する。

基本的にスライドシューやタイトシューは蒸気配管やブラインなどの温度変化を生じる配管に使用します。これらの配管は配管伸縮を適切に考慮しないと、配管自体に応力が生じてしまい漏れなどの原因になるので必ず配管の伸縮性を拘束しないサポートの設計が必要です。

しかし、近頃は上記にもある通りローラーサポートという便利なものがありますので、これを使用することが非常に多いですね。

パイプハンガー

上部の梁や鉄骨などから寸切りボルトおよびターンバックルで高さを調整して、配管をクランプでサポートするタイプのサポートをパイプハンガーと言います。

基本的には水平配管にしか使用せず垂直配管には使用しません（というか構造的に垂直配管には使用できない）

なおパイプハンガーは下記のような場合には使用できません。

パイプハンガーが使用できない例

基本的に複数の配管をサポートすることはできない。垂直方向に2本の配管をサポートすることはある。
振動が大きい配管には使用できない。振動を拘束するには不適。
配管ルートに考慮する必要がある。真上に梁などの構造物がないと配管を垂直に支えることができなくなり、配管の無駄な応力や振動の原因になる。
重量の重い配管には不向き。使用しても50A程度までにとどめておいた方が良い。
多くの配管をパイプハンガーでサポートする場合は、建屋の設計の際に重量を考慮してもらう必要がある。既設の建屋でパイプハンガーを使用する場合は、問題ないかをよく確認する。

基本的に私はパイプハンガーはあまり使用しません。使用したとしても計装空気くらいでしょうか？といってもその計装空気も他の配管サポートを利用する場合も多いので、パイプハンガーを使用することは極めて少ないです。

パイプハンガーは基本的にはプラントの常時使用している配管には私は不向きだと思います。重量的にも不利だし、振動を抑えることができないし、何より建屋の梁などに大きな負荷をかけますので。

防振サポート

配管が振動する場合はその振動を建屋や他の機器に伝達しないために、サポートで振動を絶縁する必要があります。この時に使用するのが防振サポートです。

防振サポートはその防振方法によりゴム式、油圧式、バネ式、およびメカニカル式に大きく分類分けすることができます。これらほとんどはメーカーが防振器として販売しており、さらに振動の振幅などにより必要なサポートの個数や型式などが異なるのでメーカーで選定してもらうのが一般的となります。

防振サポートの注意点

基本的にメーカーで選定してもらう。そのために配管の振動に関するデータが必要となる（でも大体のメーカーはある程度の情報は持っている）。
振動が軸方向、軸直角方向の両方にある場合は複数のサポートが必要になる。
バネ式、油圧式の場合は定期的なメンテナンスが必要になることがある。
メカニカル式は基本的に原子力発電所専用の防振器。
振幅によって使える防振器と使えない防振器がある。特に油圧式は注意。
防振器の選定を間違えると逆に防振器が共振して、配管の振動が大きくなることがある。特にバネ式は注意する。

サポート間隔の決定方法

サポートは多ければ多いほど配管を支えることができるし、配管工事の際も一時的な借りおきができるので非常に便利になります。

しかし、その場合はサポート製作の費用や時間、コストもかかりますし逆にサポートにより配管レイアウトの自由度が低くなる可能性があります。

一方でサポートが少な過ぎれば配管がたわんでしまい漏れの原因や、塩ビなどの配管の場合は最悪割れることも考えられます。そのためサポート間隔を決定する場合は以下のことを考慮する必要があります。

サポート間隔の考え方

菅がたわんでドレンが溜まったりして、運転やメンテナンスに影響を及ぼさないようにする。
曲げ応力が材料の許容応力未満になるようにする。
運転時の配管フレキシビリティを過度に拘束しない
振動に対して適切な位置に設置されている。

ということで計算を・・・と言いたいですが一般的には以下の表のように基本的なサポート間隔が決まっています。この表以外でもASME B31.1 Power Pipingや公共工事の仕様書などいろいろな規格が存在します。

ただし、実際の配管にはバルブなどの集中荷重がかかるのでこの表だけで決めることはできません。集中荷重がある場合は、曲げ応力を最小限とするためになるべく荷重の近くにサポートを配置する必要があります。

また自分で計算して決定したい場合は「piping support calculation.xlsx」をダウンロードして使用してみてください（必ず「技術計算に使えるソフト類を公開！もちろん全てフリーソフトです！」内の注意事項をよく読んでから使用してください）。

サポートは配管のたわみや集中荷重を考慮して間隔を決定していく。

サポート配置の決定

サポート配置について「絶対にこれ！」という法則や決まりは存在しないので、設計者の長年の勘と経験に依存するところが大きいです。しかし基本的なルールとしては以下のようになります。

サポート配置の基本的なルール

サポート間隔をベースにサポート点を決める。
集中荷重や垂直配管のあるところは、たわみ、応力などを考慮してサポートを追加する。
パイプやフランジなどの配管の構成部品に、直接サポートを設置しない
配管ルートを考慮する。
機器のメンテナンスや安全通路を考慮する。安全通路の上には配管がなるべく来ないことが望ましい。メンテナンスにも配管を適切に保持できるサポートとメンテナンスに邪魔にならないサポートを考える。
ポンプに接続されているパイプで最初のサポートは、フレキで振動を絶縁したのちに土間コンからサポートを取る。

サポート間隔を厳守するのは必須ですが、先ほども書いたようにバルブなどの集中荷重があるところは別途でサポートが必須です。特に調節弁などのアクチェーターが大きく、重いバルブの直近にはサポートが必須となります。

あとはメンテナンスなどを考慮することが必要ですが、なるべく安全通路の上に配管が来ないようなサポート配置を考慮しましょう。毒性ガスや腐食性流体の配管が安全通路に沿って、しかも真上に敷設されていたら気分がいいものではないですからね。

配管サポートの設置に絶対のルールはない！臨機応変に荷重だけでなく安全性も考慮すること！

特に注意すること

サポート配置で特に注意することは

内部流体をよく考慮する。ガスであれば配管自体の重さだけを考慮すればいいですが、水の場合は水の重量も考慮する必要があります。特に強度的に弱い硬質塩ビ管は注意しましょう。
調節弁などのアクチェーターが重いバルブの直近にはサポートが必須です。
振動を切ってからサポートを取り付ける。振動を抑えるためにサポートを取り付ける場合は、フレキなどで機器と絶縁してからサポートを取り付けましょう。絶縁しないと振動がサポートを伝わって建屋全体が振動します。

サポート設置の失敗例

ここでは私が実際に経験した配管サポートの失敗例を解説していきます。配管サポートは配管の重量を保持するとともに配管を固定し、その振動を抑えたりする役目もありますが、逆に振動を増幅したり建屋に伝播する時もあります。

今回の失敗例をしっかりと読んでみなさんもサポート設計する時の参考にしてください。

振動を絶縁せずにサポート設置

振動を絶縁せずにサポートを設置すると配管を伝わった振動がサポートから建屋へと伝播して、建屋全体が振動しその振動が別の配管に伝わります。

こうなると振動する配管の箇所にサポートを設置しても、今度は別のところが振動し出すのでいたちごっこのような感じになりますので、振動する機器とはかならず絶縁して接続しましょう。

ポンプ周りのサポート

ポンプ周りの配管も必ずと言っていいほどフレキシブルチューブやゴムフレキで振動を絶縁します。ここでもサポートの取る位置を間違えると全く意味がなくなります。

防振装置を利用した場合のサポートはサポートも防振仕様に！

振動する機器を据え付ける場合は機械基礎と呼ばれる振動などを考慮した基礎か、もしくは防振装置と呼ばれるものを利用します。

ここで勘違いしやすいのが防振装置というのはあくまでも”床に振動を伝えない”ものであり、”機械の振動を止める”ものではありません。むしろ機械は振動します。そのようなときはフレキで絶縁しても配管サポートも防振仕様することがお勧めです。

配管ルートも考慮したサポート位置

配管サポートにより配管ルートは決定します。この時にあまりにも安全性などを考慮するあまりに、非効率的な配管ルートを考える人がいます。しかし、その場合はサポート費用だけでなく配管材料費や工費さらには圧力損失なども増えるので、あまりいいことがありません。

もちろん腐食性流体などの危険な流体の時は安全第一で考える必要がありますが、臨機応変に配管サポートの位置を考えることが必要です。

配管工事を考慮したサポート

プラント配管工事は一部をプレハブで作成して、機器との合わせ部や曲がりなどの箇所を現合として現場で接続する時があります。この時に現合の部分を考慮してサポートを設置しないと、配管を支えるところがないので非常に工事がしにくくなります。

50Aなどの軽い配管であればなんとかなるかもしれませんが、これが100Aや150Aになると人の手では支えることができません。かといってこのためだけにカニクレーンを手配するのは非効率的なので、現場工事も考慮した配管サポートを考えましょう。

サポートで拘束してはいけない場合

蒸気ヘッダーからの分岐管などは基本的に配管サポートで拘束してはいけません。蒸気ヘッダーの伸縮に追従していけるようにしないと、分岐管の方に無駄な応力などが生じる恐れがあります。

そのため基本的に分岐管にはサポートを設置しない、もしくは可動式のサポートで分岐管にもフレキシビリティを持たせましょう。

サポート材質、形状、強度計算

サポート材質については腐食を気にしないところではSS400やSTK400などの鋼材が使用されます。もちろん、塗装は施して錆止めをして使用します。SUS304などのステンレス鋼を使用するときもありますが、半導体工場や食品工場などのコンタミが問題ににあるところで多く使用されます。

また、SUS304製の配管を使用している場合は鉄と接触させると、異種電界腐食の原因となるのでSUS304製サポートが使用される場合があります。

両方とも使用される鋼材の種類としては荷重の大きさにもよりますが、等辺山形鋼（アングル）、溝形鋼（Cチャンネル）、H形鋼が主に用いられます。

サポートの形状としてはほとんどが片持ち梁、両端支持梁のどちらかとなりますがそれにより強度計算が異なります。基本的な強度計算としてはサポート間隔と同様に「piping support calculation.xlsx」で計算することができます。特に設計で注意する点は下記のようになります。

配管サポート設計・選定の注意点

配管サポートには電気ラックなどが取り付けられることがあるので若干の余裕を見る。
屋外に配管を敷設する場合は寒冷地では雪や氷の重量も考慮する。
保温・保冷剤の重量も考慮する。

でも・・・数多くあるサポートをいちいち計算するのは面倒です。

公共工事の仕様書を活用する！

とはいっても数多くあるサポートをいちいち計算するのは非常に面倒です。サポート毎にかかる荷重は違うのでいちいち計算するのは非常に面倒だし、さらに門型なのか？片持ちなのかによって強度も変わるのでいちいち計算するのは効率的ではないです。

私もそれが嫌で色々探した結果見つかったのが「公共工事の仕様書」です。特におすすめは大阪市建設局の「公共工事の仕様書」で、その中にある配管サポートの資料は非常にわかりやすく選定もしやすいです。

ファイルは「大阪市建設局」の「工事請負共通仕様書（下水道施設機械・電気設備工事編）「内の「配管設備（15）」という資料です。一部抜粋させてもらうと

こんな感じでサポート自体の寸法と荷重から最適なサポートを選定できるようになっています。これはかなり便利なので使わない手はありませんよね。

しかも公共工事の仕様書なのでおそらく間違いなどはないので、ほとんどのプラントで使用できるはずです（ただし高圧ガス配管には使えないかも）。

ちなみになんでこんなに詳細な表があるかというと、どこの公共工事でもそうなのですが公共工事は基本的に「どこの誰がやっても同じ品質のものができる事」が非常に重要です。変に業者間で見積が大きく変わってしまうと、相見積もりの意味がなくなってしまうからです。

そのため配管サポートなども「基準」を設けることで、業者間の設計の違いによる費用の違いを最小限に抑えることで「同じ技術レベルで安いところ」を選べるようにしています。

配管サポートの選定は公共工事の仕様書を有効に使おう！

配管サポート設計の勉強をするには？

配管サポート設計の勉強にお勧めなのは「「配管設計」実用ノート」と「配管設計・施工ポケットブック」です。両方とも基本的な支持間隔の考え方や強度計算の仕方などが解説されています。

特に「「配管設計」実用ノート」では実際の配管設計を含めた計算例が掲載されていますので、初めて配管設計をする人には非常に勉強しやすい本となっています。

「「配管設計」実用ノート」と「配管設計・施工ポケットブック」は両方とも配管設計者には必須となる情報が記載されているので、プラント配管設計だけでなく、工場の保安部門に勤めている人にもお勧めできます。

「「配管設計」実用ノート」

「配管設計」実用ノート

「配管設計・施工ポケットブック」

配管設計・施工ポケットブック新装版

まとめ

配管サポートは配管工事をする上で欠かせない存在です。配管サポートがなければ配管を敷設することができないので、配管設計者は適切な配管サポートを設計する必要があります。

配管サポートを設計する場合に重要なのは適切な間隔と強度設計です。そのためには正確な配管の情報が必要となります。強度については自分で計算知ることもできますが、公共工事の仕様書を利用することで簡単に選定することができます。

配管サポートはプラント配管を構成する上で非常に重要なものです。適切な配管サポートが設計できるようにぜひこの記事を参考にしてください。