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【プラント設計の基礎】圧力容器の強度計算について【内圧・外圧】

2020年4月18日

圧力容器はその名の通り大気圧以外の圧力を保持する設備となります。

重要なのは必ずしもそれが大気圧以上というわけではないことです。時には大気圧未満の圧力を保持するために使われます。

そして、時にはその両方の性能が求められます。

その為、設計を誤れば内圧に耐え切れずに破裂したり、外圧に耐え切れずに圧壊することもあるので正確な設計が必要です。

ここではその圧力容器の強度計算について解説します。

なお、「解説はどうでもいい!俺は計算がしたいんだ!」という方はこちらから計算シートをダウンロードできます。

 

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第一種、第二種ともに「圧力容器構造規格の解説」を購入しましょう

圧力容器を設計するのであれば圧力容器構造規格の解説は必ず持っておくべきです。

まず、圧力容器を設計するのであれば圧力容器構造規格の解説を購入しましょう。

強度計算だけでなく引用規格や解説も備わっているので、圧力容器に関わるのであれば必ず1冊持つべき本です。

そして、結構隅々まで読んでおきましょう。結構細かなところで「これはいいけどあれはだめ」みたいなところが多いです!

ちなみに私も持っていますが・・・結構古いので買い換えないと。

圧力容器の設計は細かい点が多い

圧力容器の設計は結構細かいところがあります。〇〇には溶接はダメとか、△△の場合はいいけど□□だダメとか・・・そんなの全部覚えれません!

圧力容器の設計は基本的に計算で最適な板厚を求めていくだけですが、細かいところでいろいろ注意点があります。

私が今まで引っ掛かった(?)細かいところを解説していきます。

わからなかったらボイラー協会に聞く

わからなかったらボイラー協会に聞いてしまいましょう!それが一番早いですが人によってたまにいうことが違う・・・というか言葉だけじゃ伝わらないので

の二つがあると確実ですね!

フランジはJIS、ANSI、JPIに適合したフランジを使うこと

基本的にフランジはJIS、ANSI、JPIに適合したフランジを使いましょう。

なぜなら下記のような場合は計算を省略できるからです。

フランジをJIS、ANSI、JPIを使うことの利点
  • 最高使用圧力が1MPa以下(未満じゃないんだねここ)
  • 呼び径が300A以下のフランジに平板を取り付ける
  • フランジと平板が同材質
  • 平板の板厚≧フランジの板厚

ただし、関係通達の中では「JIS」としか記載がないのでもしかしたらJISだけかもしれませんが。

私はこれに気づくまで必死に計算をしていて、ボイラー協会の人から「細かいところまで計算してるけどこれやらなくてもいいんだよ」って言われるまで全く気づきませんでした。

著しく曲げ応力が発生するところは溶接不可

ここも日本語がよくわからないですね!「著しく曲げ応力が発生するところ??」ってなりませんか?

これは「皿型鏡板のすみの丸みの部分には溶接しちゃだめよ!」ってことです!(他の部分でもそうですが)

ならはっきりかいてよ!って言いたいですけど・・・。

これも私の前職では

  • 圧力容器の鏡板はとりあえず2:1半だ円形鏡板つかえ

っていう暗黙のルールがありまして、それを知らなかった人が皿型鏡板で設計したら、すみの丸みの部分に溶接していてボイラー協会から怒られました。

まぁ、私と同じ部署の人だったんですけど

それで「そんなことどこに書いてるの!?」っていう話になって、「著しく曲げ応力が発生するところは溶接不可」っていうのが該当するってわかったわけです。

で、その次のページの解説にはっきりと

  • 「皿型鏡板のすみの丸みの部分に関台などを溶接によって取り付けてはならない。なお、2:1半だ円形鏡板では、角野丸みの部分はなく、曲げ応力は、分散されるので、構造上やむなく取り付けるスカートや作業台用のラグを取り付けても差し支えない。」

とばっちり書いてありました。

細かいところまで読んでおかないと気づかないところですよね。

溶接継手の効率には注意!

溶接継手は圧力容器の設計に大きくかかわってきます。

しかし、継手効率が100%となるのは全放射線検査を行う必要があります。

ここはあくまでも設計者側にゆだねられています。さらに隅肉溶接やプラグ溶接では継手効率は100%になりません。

意外と忘れがちなので注意してください。

基本的に水圧試験、気圧試験は例外

圧力容器の耐圧試験は水圧で実施することが定めれれています。水は圧縮率が小さいので万が一、継手に欠陥があっても危険性が小さいためです。

しかし、時には中に水を入れるのを適さない時もあります。

そのような場合だけ気圧試験も認められますが、ボイラー協会にその理由を書かねばなりません。

また、できる限り水には防錆剤を入れることをおすすめします。

内圧を受ける圧力容器の計算は簡単

内圧を受ける圧力容器の計算は簡単です。計算式に当てはめればいいだけですからね。

材料の許容引っ張り応力も、温度によって多少変わりましますが、一覧になっているので簡単です。

外圧を受ける圧力容器の計算はちょっと面倒

それとは別に外圧を受ける場合はちょっとめんどくさいです。

いろいろと係数を計算してから表を読んで値を算出して、さらにそこから計算・・・と結構めんどくさいです。

私はその表の曲線を無理やり数値化して、エクセルで計算できるようにしています。

一応、これで大きな間違いは今までなかったですが、毎回不安なので一応手計算もしています。

まとめ「圧力容器構造規格の解説」を読み込もう!

まとめ
  • 不安な点・不明な点はボイラー協会に問い合わせよう。
  • フランジはJISなどの規格品を使うと安心。
  • 曲げ応力が発生するところは溶接不可→鏡板は2:1半だ円形鏡板を使っておこう。
  • 溶接継手の効率には注意!
  • 基本的に試験は水圧!気圧で行いたい場合は事前に申請が必要。
  • 内圧の設計は簡単。外圧は少し面倒。

 

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