JP2012092888A - 配管システム - Google Patents

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Abstract

【課題】機器ノズルに対して該機器ノズルより大口径で重量があり、内部流体の持つ温度により熱伸びを伴う配管を繋ぎこむ配管システムにおいて、機器ノズルへの荷重負荷を小さくする。
【解決手段】配管システムは、エルボ管１と、機器ノズル６に接続されエルボ管１の入口端２にベローズ４で接続された直管５と、一端がエルボ管１の側方に固定された直管７と、直管７の他端にベローズ８で接続された直管９と、直管５，９に固定されたタイロッド支持フランジ１０，１１と、フランジ１０，１１間を連結するタイロッド１２と、エルボ管１のベローズ４の近傍を固定点とするアンカ１３とを有する。更に、機器ノズル６、直管５、及び、エルボ管１の、アンカ１３より下側の配管部材の熱伸びによりベローズ４が収縮し、タイロッド支持フランジ１０，１１間でのすべての配管部分の熱伸びでベローズ８がベローズ４と同じ収縮量となるように、タイロッド支持フランジ１０，１１間の配管部材の長さが決定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、石油化学プラントあるいは発電プラントなどにおいて配管が繋がる機器、その中でも、ＦＣＣ（流動接触分解装置）のエキスパンダのような配管から受ける荷重負荷許容値が小さい回転機、または高温の反応器などと接続される配管システムに関するものである。
ＦＣＣ（流動接触分解装置）のエキスパンダは精密な回転機構を備えているので、この種の機器には外部から過剰な力やモーメントが加わらないようにする必要がある。このため、そのような機器に備わっている機器ノズルに繋ぎこむ金属製の配管システムにおいては該ノズルの荷重負荷を軽減する措置が採られている。
その措置の一つとして、従来、設備運転時の温度変化に伴う、機器ノズルや配管の熱伸びによる変位を、配管システムに設けた伸縮管継手で吸収させることが行われている。伸縮管継手としては、ベローズを備えたベローズ形伸縮管継手（ＪＩＳ Ｂ ２３５２参照）が一般に知られており、ＪＩＳ Ｂ ２３５２の表１中で幾つかの種類のベローズ形伸縮管継手が示されている。その中で最も単純な非拘束ベローズ形伸縮管継手を配管同士の連結に適用すれば、吸収できる変位に限界はあるものの、配管の軸方向変位、軸直角方向変位、及びねじれを除く任意平面内の角変位を吸収でき、ノズルに作用する荷重をベローズのばね定数に応じて軽減できる。
しかし、このタイプの継手では配管の内圧によって配管同士を引き離す方向（あるいは引き付ける方向）に作用する力（以下、内圧推力）が発生し機器ノズルへ作用する。このため、口径や内圧が大きくなると単純な非拘束ベローズ形伸縮継手を単体で使用することが難しくなる。このような場合にはベローズの軸方向の伸びを拘束する機構を設けて、内圧推力がベローズ形伸縮管継手外部へ伝達することを抑制した継手が使用される。公知のベローズ形伸縮管継手の種類には、ベローズを介して連結した配管端部にヒンジを用いて一平面内の角変位のみを吸収するヒンジ形伸縮管継手、一平面だけでなく任意平面内の角変位のみを吸収するジンバル形伸縮管継手、及び任意平面内の軸直角方向変位を吸収するユニバーサル形伸縮管継手などがある（特許文献１参照）。
なお、それらの配管システムは各配管部材の熱伸びにより移動するため、その重量の支持も配管の移動に追従させる必要がある。これにはスプリングハンガ、或いは、移動に対してより吊上げ力変動の少なくなる機構を備えたコンスタントスプリングハンガと呼ばれるハンガサポートを用いて、配管システムを吊り上げた状態で設置することが行われている。
また、内圧推力のベローズ形伸縮管継手外部への伝達を発生させずに更に軸方向変位を吸収できるようベローズ形伸縮管継手を使用する方法として、内圧による内圧推力を内部的にバランスさせて相殺するためのベローズ、及びそのバランスを保った状態で軸方向変位を許容するように配置されたタイロッドを追加装備した、いわゆる内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手が使用されている（特許文献１の図８や、特許文献２の図参照）。
特開平１０−１４１５６５号公報 米国特許第４２６５４７２号明細書
前述したように、従来のベローズ形伸縮管継手を含む配管システムでは、ベローズのばね定数に応じて機器ノズルに作用する荷重負荷を軽減できるが、現在の大型プラントにおいてはその荷重負荷軽減策も不十分なものとなっている。
プラントの大型化によって配管口径が拡大すると配管システムにかかる内圧推力が大きくなり、ベローズのばね定数自体も増加する。配管自体の長さも長くなるため、吸収すべき変位も大きくなる。また、これらによりヒンジ、ジンバルなどの摺動部では摩擦力も増大し、機器ノズルへの荷重負荷の増加に繋がる。更に、配管システムはハンガサポートによって吊上げられた状態で設置されるため、熱伸びにより移動した配管システムにはハンガサポートの摺動部の摩擦に対する作動抵抗力が働く。ハンガサポート内部の摺動部などの摩擦のため、配管の移動に伴って動作するときに必要な力（いわゆる初動荷重）は、吊上げている配管重量の５％程度になると言われており、ハンガサポートに内在する初動荷重が機器ノズルに与える影響が無視できなくなってきている。例えば、配管径φ３５００ｍｍ、配管肉厚１３５ｍｍのステンレス管では１ｍ当り１１トンの配管重量となる。この配管の長さを約１４ｍとして１５０トンの配管を吊っていればハンガサポートの初動荷重は７．５トン程度にもなるため、この荷重が支配的となり、機器の荷重負荷許容値を超えてしまうことがある。
このような配管システムの内圧推力、ばね反力、摩擦力、及びハンガサポートの作動抵抗力を含む種々の荷重負荷が機器ノズルに掛からないようにするためには、機器ノズルと配管部材との間にベローズを設け、その配管部材のベローズのなるべく近くに固定点（アンカ）を設置して配管システムを固定する方法が、概念的には考えられてきた。このアンカにより、配管システムで生じる初動荷重等の荷重負荷を完全に支持して、機器ノズル側へ伝わる荷重負荷を防止できるはずである。しかしながら、従来技術では以下の点でその設置が困難であった。
このような条件にすると、機器ノズルには、内圧推力とベローズの変位によるばね反力が掛かる。内圧推力については、前述した内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手を採用することにより吸収することができる。しかし、ベローズ直近の配管部材を固定してしまうと、ノズルの軸方向への熱伸びの全てを、ベローズが圧縮する変位で吸収することになる。更に、内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手を採用すると、配管口径の拡大によって、ベローズ単体のばね定数が増大している上に、バランス用ベローズ追加の影響によってばね定数が更に増加する。これにより、ばね反力が増大し、やはり機器ノズルの荷重負荷許容値を超えてしまうため、従来技術の範囲内ではベローズ直近の配管部材にアンカを設置することは現実的に不可能であった。そこで、内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手において、変位吸収によって生じるベローズのばね反力を相殺する新たな技術を開発し、ベローズ直近の配管部材にアンカを設置する方法を実現することが喫緊の課題となっている。
本発明は、上記背景技術の実情に鑑み、配管口径の拡大に伴う機器への荷重負荷を軽減できる配管システムを提供することを目的とする。
本発明は、機器の機器ノズルに繋ぎこむベローズ形伸縮管継手を含む配管システムに係わるものである。
この配管システムに関する本発明の態様の一つは、
本管と、
機器から延びる機器ノズルに接続された第１の配管部材であって、本管の一端に第１のベローズを介して接続された第１の配管部材と、
一端が本管の側部に接続された第２の配管部材と、
第２の配管部材の他端に第２のベローズを介して一端が接続され、他端が閉構造とされた第３の配管部材と、
第１の配管部材の外周に固定された第１のタイロッド支持部材と、
第３の配管部材の外周に固定された第２のタイロッド支持部材と、
第１のタイロッド支持部材と第２のタイロッド支持部材の間を一定の距離に維持するタイロッドと、
本管の、第１のベローズの近傍部分を固定点とするために敷設されたアンカとを有する。
そして、上記の課題を解決するために、本発明では、機器ノズル、第１の配管部材、及び、本管の、アンカより機器ノズル側の配管部材の熱伸びに対して第１のベローズが収縮し、かつ、第１及び第２のタイロッド支持部材間でのすべての配管部材の熱伸びによって第２のベローズが該第１のベローズと同じ収縮による変位（収縮量）となるように、第１のタイロッド支持部材と第２のタイロッド支持部材の間の配管部材の長さが決定されていることを特徴とする。
このような構成は、内圧バランス式のベローズ型伸縮管継手の構造を用いているため、内圧による内圧推力を第１のベローズと第２のベローズによってバランスさせることができる。更に、第１のタイロッド支持部材と第２のタイロッド支持部材の間での各配管部材の長さを調整して、機器ノズルと全ての配管部材の熱伸びに対して常に両ベローズの収縮による変位が同じになるようにされていれば、常にベローズのばね反力も相殺される。
従って本発明によれば、機器ノズルに対して該機器ノズルより重量があり、しかも内部流体の温度により熱伸び（または熱収縮）を伴う配管を繋ぎこむ配管システムにおいて、機器への荷重負荷を小さくすることができる。従来のヒンジ形伸縮継手、ジンバル形伸縮継手、ユニバーサル形伸縮継手を適用する設計手法に比べてノズル近傍にアンカがあることにより配管システムから機器ノズルに作用する摩擦力、作動抵抗力を大幅に小さくすることができ、しかも、ベローズのばね反力も配管システム中の配管部材の熱伸びによるベローズの変位を利用して相殺させているため、機器ノズルにかかる荷重負荷を従来の内圧バランス形伸縮継手に比べてより小さくできる。
本発明による配管システムの一実施形態の概要を示す側面図。 他の実施形態の配管システムを示す側面図。 他の実施形態の配管システムを示す側面図。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の配管システムは内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手が採用されたものであり、この配管システムの一実施形態の概要を図１に側面図で示す。この図に示されるように、本実施形態の配管システムの下端は回転機等の機器ノズルに繋がれており、該配管システムはこの機器ノズルへの外力（配管自重、配管の熱伸び、ベローズのばね反力、内圧推力や、その他の各所の荷重負荷、摩擦力、作動抵抗力など）を小さくするための装置となっている。
図１に示す態様では、横方向に延在する配管を機器ノズルに繋ぎこむ例を示している。図１を参照すると、エルボ管（曲管）１が入口端２と排出端３を有する。エルボ管１の排出端３は、横方向に延在する配管と接続される。エルボ管１の入口端２はベローズ４を介して直管５と接続されている。直管５は機器ノズル６に接続されている。またエルボ管１のアーチ形部分の表面には直管７がエルボ管１の直管部分と直列に並ぶように溶接されている。直管７はエルボ管１の内部と連通している。直管７とエルボ管１とは同じ径であり、直管７の温度はエルボ管１の温度と等しくするため、温度を持つ内部流体が十分に直管７に流れ込むようにその連通部分の開口は大きくする方が好ましい。従って、エルボ管１のエルボをティーに置き換えることも考えられる。直管７の、エルボ管１とは反対側の端には、ベローズ４と同じ径のベローズ８を介して直管９が接続されている。直管５及び９にはタイロッド支持フランジ１０及び１１がそれぞれ形成されており、これらの２つのタイロッド支持フランジ１０及び１１は、等間隔に配置された同一長さの複数本のタイロッド１２により連結されている。なお、本願ではタイロッド支持部材としてフランジを例に挙げて説明しているが、タイロッド支持部材はこれに限定されるものでなく、その他の支持手段も適用可能である。
更に、エルボ管１の、ベローズ４近傍の直管部分はアンカ１３に連結されており、この連結部分は外力で動かない場所（すなわち固定点）とされている。アンカ１３は、板材で構成され、エルボ管１に溶接されており、アンカ１３の取付け部が、機器１４を設置したコンクリートの基礎に直接固定された形鋼等の構造物に固定されるものとする。なお、機器１４も外力で動かないように固定されており、機器の固定点１５と配管システムのアンカ１３（固定点）は機器ノズルと配管システムのそれぞれの熱伸びの基点となるが、これらは機器１４の設置面に対して垂直直線上にあればよく、図１のように必ずしも機器ノズル６の中心線上にある必要はない。
以上のように機器ノズル６とその上に繋がるエルボ管１との間にベローズ４を設け、更に、エルボ管１のベローズ４の製作上可能な限りの近傍をアンカ１３によって固定点としていることで、ベローズ４の収縮（すなわちばね反力）をなるべく小さくしながらかつ、配管システムの外力が直接的に機器に掛からないようにしている。ここで、製作上可能な限りの近傍とは、熱影響を考えてベローズ４とエルボ管１の接続端（溶接線）から例えば、配管の肉厚の４〜５倍程度の距離あるいは、その他の製作上、設置上等の制限事由により適宜決定できる。
このような配管システムでは、エルボ管１を通る流体の圧力（すなわち管の内圧）によりベローズ４の両端に軸方向の内圧推力が掛かる。また、各配管部材が熱伸びした時のベローズ４やベローズ８の変位によるばね反力も機器ノズル６に掛かる。ところがベローズ４に内圧推力が働いたときベローズ８にも内圧推力が働く。ベローズ４の下向きの内圧推力は直管５に、ベローズ８の上向きの内圧推力は直管９にそれぞれ伝わるが、直管５と９はタイロッド１２で繋がれているため、両者の内圧推力は相殺される。従って、ベローズによる内圧推力は機器ノズル６には作用しない。
ここで、説明の便宜上、タイロッド支持フランジ１０の上端とタイロッド支持フランジ１１の下端の間の熱伸びによる変位を全く考慮しないとすると、機器ノズル６の熱移動に対してベローズ４が縮み、それと同じだけベローズ８が伸びることにより、これらの変位によるベローズのばね反力が同じ方向に共に機器ノズル６に作用する。
本発明では、この変位により生じるベローズ４及びベローズ８のばね反力を相殺し、機器ノズル６に荷重負荷が掛からなくするために以下の設計手法をとる。
先ず機器ノズル６からアンカ１３までの間の熱伸びを確認する。機器ノズル６、直管５、及びエルボ管１のアンカ１３より下の部材の熱伸びはアンカ１３が固定されているために全てベローズ４が吸収して収縮する。次にタイロッド支持フランジ１０、１１間の熱伸びを確認する。このタイロッド支持フランジ１０、１１間の部材は機器ノズル６の熱伸びにより長さを保ったまま全体的に上方に移動する。また、この間はタイロッド１２により拘束されているため、エルボ管１、直管７、直管５のタイロッド支持フランジ１０よりエルボ管１側の部材、及び直管９のタイロッド支持フランジ１１より直管７側の部材の熱伸びはベローズ４とベローズ８が収縮して吸収する。
エルボ管１にアンカ１３が在ることによりベローズ４の収縮量は決定される。従ってその残りの変位がベローズ８のものとなる。このタイロッド支持フランジ１０、１１間の距離ＬＴ０は長い寸法を採用しているがこれは、タイロッド１２が上に移動する量よりもタイロッド支持フランジ１０、１１間の直管５、７の部材とエルボ管１の熱伸びの量が大きくなるようにしてベローズ８の変位を収縮させる方向にするためである。更に、タイロッド支持フランジ１０、１１間の距離ＬＴ０は計算を行い厳密に決めることによってベローズ４とベローズ８の収縮量を等しくすることができる。これによってベローズ４とベローズ８の収縮によるばね反力は方向は逆向きで大きさは等しくなり、タイロッド支持フランジ１０、１１間で相殺されるため、ベローズのばね反力も機器ノズル６には作用しない。
図１に本実施形態の配管システムの構成に計算式で使うパラメータを付して示す。この図に付した設計用パラメータの概要は以下のとおりである。
Ｄ１：機器ノズルの温度変化による変位量［ｍｍ］（機器ノズル６からみてタイロッド支持フランジ１０の方向をプラスとする）
Ｌ１：直管５の、機器ノズル６との接続端からタイロッド支持フランジ１０の機器ノズル６側とは反対の端までの部分の長さ［ｍｍ］
ＬＴ０：タイロッド支持フランジ１０の機器ノズル６側とは反対の端端とタイロッド支持フランジ１１の機器ノズル６側の端との間のタイロッド１２の長さ［ｍｍ］
ＬＴ１：直管５の、タイロッド支持フランジ１０の機器ノズル６側とは反対の端から、ベローズ４と直管５の接続端までの部分の長さ［ｍｍ］
ＬＢ１：ベローズ４の軸方向の長さ［ｍｍ］
ΔＬＢ１：ベローズ４の軸方向の変位量［ｍｍ］（収縮方向をプラスとする）
ＬＴ２：エルボ管１の、エルボ管１とベローズ４の接続端から固定点（アンカー１３）までの部分の長さ［ｍｍ］
ＬＴ３：固定点（アンカ１３）からベローズ８と直管７との接続端までの配管部分の長さ［ｍｍ］
ＬＢ２：ベローズ８の軸方向の長さ［ｍｍ］
ΔＬＢ２：ベローズ８の軸方向の変位量［ｍｍ］（収縮方向をプラスとする）
ＬＴ４：直管９の直管９とベローズ８の接続端からタイロッド支持フランジ１１の機器ノズル６側の端までの部分までの長さ［ｍｍ］
α(t)：常温から温度ｔ℃に変化するときの配管部材の熱膨張率［−］
ｋ(B1,t)：ベローズ４の温度ｔ℃におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］
ｋ(B2,t)：ベローズ８の温度ｔ℃におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］
本配管システムの設計に使用する計算式は以下のとおりである。
図１において、機器の固定点（アンカ１５）から固定点（アンカ１３）までの間の熱伸びを計算する。ベローズ４の変位量（収縮）ΔＬＢ１は機器の固定点（アンカ１５）から機器ノズル６の熱伸び、即ち機器ノズル６の変位量(Ｄ１)に、該機器ノズルからアンカ１３による固定点までの配管部分の熱伸びによる変位量を合計したものとなるので、次の式１が成り立つ。
ΔＬＢ１＝Ｄ１＋α(t)（Ｌ１＋ＬＴ１＋ＬＴ２） ・・・・式１
上の式１は、配管システムにおける温度分布が一定かつ材料が同じであるとして考えて、各配管部分の熱伸びによる変位を同じ温度での熱膨張率α(t)で計算する式とした。但し、各配管部分の温度、材料等が異なる場合には配管部分ごとに熱膨張率を変えて計算する必要がある。
更に図１において、タイロッドの温度が不変であると仮定すると、タイロッド支持フランジ１０の機器ノズル６側とは反対の端とタイロッド支持フランジ１１の機器ノズル６側の端との間のタイロッド１２の長さＬＴ０は他の配管部分の温度変化に関係しないで一定となる。そのため、この間での全ての配管部分の熱伸びによる変位の和はベローズ４とベローズ８の変位（収縮量）の和に等しいことになるので、次の式２が成り立つ。
α(t)（ＬＴ１＋ＬＴ２＋ＬＴ３＋ＬＴ４）＝ΔＬＢ１+ΔＬＢ２ ・・・・式２
ここで、前述の温度分布の条件によりベローズ４とベローズ８のばね定数が等しいと考えると両ベローズの変位が等しければ両ベローズのばね反力も等しいと考えられる。機器ノズル６と全ての配管部分の熱伸びによる変位に対して常に両ベローズ４，８の収縮による変位が同じになるようにされていれば、常に両ベローズのばね反力も相殺されて両ベローズのばね反力が機器ノズル６に作用しない。よって、上の式２において、両ベローズ４，８の変位が等しいとすると、ΔＬＢ２はΔＬＢ１に置き換えることができる。これにより、次の式３が得られる。
２・ΔＬＢ１＝α(t)（ＬＴ１＋ＬＴ２＋ＬＴ３＋ＬＴ４） ・・・・式３
先に説明したようにタイロッド支持フランジ１０の上端とタイロッド支持フランジ１１の下端の間の距離ＬＴ０は従来の内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手に比べて長くなるが、これは、式２において左辺の熱伸びの変位量の合計を大きくとり、ΔＬＢ２の値がΔＬＢ１と同じプラス（即ち収縮）とするためである。この間の長さを計算式に合わせるためには図１中のＬＴ３の寸法を調整するのが適切である。
上の式１と式３からΔＬＢ１を消去し、ＬＴ３を計算する式を導くと、次の式４が得られる。
ＬＴ３＝２・Ｄ１／α(t)＋２・Ｌ１＋ＬＴ１＋ＬＴ２−ＬＴ４ ・・・・式４
図１に示した実施形態による配管システムにおいて、この式４で求められたＬＴ３の寸法を持たせることにより、温度変化による機器ノズル６の熱伸びによる変位Ｄ１（上下方向のみ）に対して、その機器ノズル６の移動を吸収し、その時のベローズ４、８のばね反力も釣り合うように相殺することができる。その上、本実施形態の配管システムは内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手の構造を持つため、内圧による内圧推力も相殺される。これらの作用により、配管システムから機器ノズルへの外力を極めて小さく抑えることができる。
以下に計算例を示す。
Ｄ１＝５０［ｍｍ］
Ｌ１=５００［ｍｍ］
ＬＴ１＝ＬＴ２＝ＬＴ４＝５００［ｍｍ］
ＬＢ１＝ＬＢ２＝１０００［ｍｍ］
α(t)＝０．０１３９２［−］（配管素材がステンレス３０４Ｈで、約２０℃〜約７５０℃変化した場合）
ＬＴ３＝２・５０／０．０１３９２＋２・５００＋５００＋５００−５００
＝８６８４［ｍｍ］
ＬＴ０＝５００＋１０００＋５００＋８６８４＋１０００＋５００
＝１２１８４［ｍｍ］
ΔＬＢ１＝ΔＬＢ２＝５０＋０．０１３９２・（５００＋５００＋５００）
＝７１［ｍｍ］
なお、上記実施形態の配管システムでは本管としてエルボ管を用いているが、それに替えてティーを使用することも可能である。
以上は前述の通り各配管部分の熱膨張率は全てα(t)で等しいとして式１、式２、式３、式４を導いたが、各配管部分の温度または材料が等しくないため熱膨張率が異なる場合でも対応できるより一般的な式を以下に式１ａ、式２ａ、式３ａ、式４ａ、５として示す。以下の式の中で各配管部分、例えば図１中の直管５の寸法Ｌ１での熱膨張率はα(L1,t)と表すものとする。
ΔＬＢ１＝Ｄ１＋α(L1,t)・Ｌ１+α(LT1,t)・ＬＴ１+α(LT2,t)・ＬＴ２
・・・・式１ａ
α(LT1,t)・ＬＴ１＋α(LT2,t)・ＬＴ２＋α(LT3,t)・ＬＴ３＋α(LT4,t)・ＬＴ４＝ΔＬＢ１+ΔＬＢ２ ・・・・式２ａ
各ベローズの温度または、材料が異なる場合は、ベローズの変位が等しければベローズのばね反力も等しいという考えは成り立たず、各ベローズのその温度でのばね定数とベローズ自身の熱膨張によるばね反力の増加を考慮する必要がある。以上よりベローズ４とベローズ８のばね反力が等しい場合の条件は以下の式５により考えられる。
ｋ(B1,t)・（ΔＬＢ１＋α(LB1,t)・ＬＢ１）＝ｋ(B2,t)・（ΔＬＢ２＋α(LB2,t)・ＬＢ２）−Ｆ ・・・・式５
式５でＦは機器ノズルからみてタイロッド支持フランジ１０の方向（図１で上向き）をプラスとする調整力だが、ベローズ４とベローズ８のばね反力を完全に等しくバランスさせる場合はゼロであり、もしバランスを崩してハンガ等の摩擦力、抵抗力等を考慮してバランスさせる場合はその値を使用する。
式２ａと式５よりΔＬＢ２を消去すると以下の式３ａが求められる。
（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・ΔＬＢ１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)・ＬＢ１−α(LB2,t)・ＬＢ２+１／ｋ(B2,t)・Ｆ＝α(LT1,t)・ＬＴ１＋α(LT2,t)・ＬＴ２+α(LT3,t)・ＬＴ３+α(LT4,t)・ＬＴ４ ・・・・式３ａ
この式３ａ、式１ａよりΔＬＢ１を消去し、ＬＴ３を左辺に残すと以下の式４ａが求められる。
ＬＴ３＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT3,t)＋α(L1,t)／α(LT3,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT3,t)・ＬＴ１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT3,t)・ＬＴ２−α(LT4,t)／α(LT3,t)・ＬＴ４＋1／ｋ(B2,t)／α(LT3,t)・Ｆ＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT3,t)・ＬＢ１−α(LB2,t)／α(LT3,t)・ＬＢ２ ・・・・式４ａ
（その他の態様例）
図１に示した配管システムは、本管用ベローズ４と内圧バランス用ベローズ８が縦一直線上に位置し、配管が機器ノズル６からエルボ管１で曲がって横方向に延びる構成である。しかし、その他に、配管を曲げずに鉛直方向に真っ直ぐ延ばすことも考えられる。図２及び図３はこのような鉛直方向に真っ直ぐに構成された配管システムを示す。これらの図では図１の例と同一機能を果たす構成部材には同じ符号を用いてある。
まず図２を参照すると、鉛直方向（図２の上下方向）に配置された直管２１が入口端２と排出端３を有する。直管２１の排出端３は、鉛直方向に延在する管と接続される。直管２１の入口端２はベローズ４（本管用ベローズ）を介して直管５と接続されている。直管５は機器ノズル６に接続されている。また直管２１の上部側表面には直管７が直管２１の延長方向とは直角な方向に延びるように溶接されている。直管７は直管２１の内部と連通している。直管７の、直管２１とは反対側の端には、ベローズ４と同じ径のベローズ８（バランス用ベローズ）を介して直管９が接続されている。直管５及び９にはタイロッド支持フランジ１０及び１１がそれぞれ形成されている。タイロッド支持フランジ１０には、等間隔に配置された複数本のタイロッド１２Ａが接続され、タイロッド支持フランジ１１にも、等間隔に配置された複数本のタイロッド１２Ｂが接続されている。タイロッド１２Ａとタイロッド１２Ｂは互いに直交する方向に延びており、直管２１に設けられたタイプレート２２に取り付けられている軸に嵌められたカムプレート２５に連結されており、ベローズ４（本管用ベローズ）とベローズ８（バランス用ベローズ）が一直線上になくても各々の内圧推力をバランスさせることができる。また熱伸びした直管２１と熱伸びの無いタイロッド１２Ａとの寸法の差もカムプレート２５の回転によりタイロッド支持フランジ１１に伝えることが出来る。但しこのタイプレート２２は直管２１に固定され、内圧による内圧推力の方向転換の力を受け止めるだけの強度が必要であると共に、前述の式２、式３、式４の適用を保つために直管２１内の温度に対して熱伸びを抑制するために断熱されており、ＬＴ０２の長さが変わらないようにする必要がある。
更に、直管２１の、ベローズ４近傍の直管部分はアンカ１３に連結されており、この連結部分は外力で動かない場所（すなわち固定点）とされている。アンカ１３は、図１の例と同様、機器１４を設置したコンクリートの基礎に直接固定された形鋼等の構造物で固定されるものとする。
このような配管システムにおいても、図１に示した例と同様に各配管部分の寸法を調整してベローズのばね反力を相殺させることができる。
図２の例では、前述した式４における寸法ＬＴ３は、ＬＴ３１＋ＬＴ３２に相当する。ＬＴ３１は固定点（アンカ１３）から前記タイプレート２２の回転軸（カムプレート２５の中心）までの配管部分の長さ［ｍｍ］、ＬＴ３２は前記タイプレート２２の回転軸２５のうち、前記第２のベローズ８に近い方の回転軸（図２では向かって左側のカムプレート２５の中心で）から前記第２のベローズと第２の配管部材７の接続端までの長さ［ｍｍ］である。
つまり、式４の右辺（２・Ｄ１／α(t)＋２・Ｌ１＋ＬＴ１＋ＬＴ２−ＬＴ４）の計算結果を適宜の寸法に分けることにより寸法ＬＴ３１と寸法ＬＴ３２を決定することができる。決定した寸法ＬＴ３１と寸法ＬＴ３２を使って図２の配管システムを構築することにより、温度変化による機器ノズル６の熱伸びによる変位（上下方向のみ）に対して、その機器ノズル６の移動を相殺し、その時のベローズ４のばね反力も相殺することができる。その上、本形態の配管システムも内圧バランス式のベローズ形伸縮管継手の構造を持つため、内圧による内圧推力も相殺される。これらの作用により、配管システムから機器ノズルへの外力を極めて小さく抑えることができる。
配管システムにおける温度分布が一定でベローズ４とベローズ８のばね定数が等しいと考えられる場合、ＬＴ３１の寸法は以下の式６で求められる。
ＬＴ３１＝２・Ｄ１／α(t)＋２・Ｌ１＋ＬＴ１＋ＬＴ２−ＬＴ４−ＬＴ３２
・・・・式６
各配管部分の温度、または材料が等しくなく熱膨張率が異なる場合、Ｌ３１の寸法は以下の式７で求められる。（式２ａ中のα(LT3,t)・ＬＴ３をα(LT31,t)・ＬＴ３１+α(LT32,t)・ＬＴ３２と置き換えることで求められる。）
ＬＴ３１＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT31,t)＋α(L1,t)／α(LT31,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT31,t)・ＬＴ１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT31,t)・ＬＴ２−α(LT4,t)／α(LT31,t)・ＬＴ４＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT31,t)・ＬＢ１−α(LB2,t)／α(LT31,t)・ＬＢ２＋１／ｋ(B2,t)／α(LT31,t)・Ｆ−α(LT32,t)／α(LT31,t)・ＬＴ３ ・・・・式７
また、配管が鉛直方向に真っ直ぐ延ばす場合の他の例として、図３のようにバランス用のベローズを複数設けた配管システムも考えられる。
なお、前述したカムプレート２５とタイロッド１２Ａ，１２Ｂに代えて、プーリーとチェーンを採用することも可能である。全てのタイロッドをチェーンに置き換えても良いし、一部のタイロッドをチェーンに置き換えても良い。
図３を参照すると、直管２１の上部側表面には、支持プレート２３が直管２１の延長方向とは直角な方向に延びるように溶接されている。支持プレート２３の上面には２つの直管７が固定され、かつ、直管２１を挟んで並列に配置されている。各直管７は直管２１の内部と各導管２４により連通している。
各直管７の、支持プレート２３とは反対側の端には、直管２１の両側の２箇所の和でベローズ４と同じ断面積（即ち同じ内圧反力）及びベローズばね反力となるベローズ８（バランス用ベローズ）を介して直管９が接続されている。理解のためもう少し詳細に述べると、単体のベローズ８はベローズ４の１／２倍の断面積であるためそれの１／√２倍の直径（ベローズの有効径：ベローズの山と谷の中間径を指す。）となる。またこの直径との比で同じベローズの断面形状だとほぼ１／√２倍のばね定数となるため、ベローズの山谷の高さをより大きくするなどして調整し、ベローズ４の１／２倍のばね定数にすれば２箇所のベローズ８でベローズ４とバランスさせることができる。直管５及び９にはタイロッド支持フランジ１０及び１１がそれぞれ形成されている。これらの２つのタイロッド支持フランジ１０及び１１は、等間隔に配置された同一長さの複数本のタイロッド１２により連結されている。更に、直管２１の、ベローズ４近傍の直管部分はアンカ１３に連結されており、この連結部分は外力で動かない場所（すなわち固定点）とされている。アンカ１３は、図１の例と同様、機器１４を設置したコンクリートの基礎に直接固定された形鋼等の構造物で固定されるものとする。
このような配管システムでも、前述の式６、式７を用いて各配管部分の寸法を調整することでベローズのばね反力を相殺させることができる。このシステムでは図２のようなリンク式カムプレート等が無くなるので摩擦力、抵抗力が更に小さくなる。
ただし、図３では直管２１と比較して口径の小さい導管２４から直管７，９に通じてその先は閉構造となっているため内部流体の流れは止まっており、更に、直管２１から配管部材の伝熱による熱の流れが図１及び図２に示した構造に比べて小さいため、直管７、９の温度と直管２１の温度とを同じに保つことは難しい。従って直管２１とは違う熱膨張率α(t)の値を採用する必要がある。例えば直管７、９とベローズ８の温度上昇がなく、熱伸びがないとすると、式７においてα(LT32,t)、α(LB2,t)、α(LT4,t)がゼロとなるので、簡略され、ＬＴ３１の寸法は以下の式８で示される。
ＬＴ３１＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT31,t)＋α(L1,t)／α(LT31,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT31,t)・ＬＴ１+ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT31,t)・ＬＴ２＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT31,t)・ＬＢ１＋１／ｋ(B2,t)／α(LT31,t)・Ｆ ・・・・式８
更に直管５、２１の温度および材料が等しく、熱膨張率が等しいとするとα(L1,t)、α(LT1,t)、α(LT2,t)、α(LT31,t)が等しいのでこれらをα(L1,t)とすれば、以下の式９となる。
ＬＴ３１＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(L1,t)＋Ｌ１）+ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・（ＬＴ１＋ＬＴ２）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(L1,t)・ＬＢ１＋１／ｋ(B2,t)・／α(L1,t)・Ｆ ・・・・式９
なお、図１から図３ではハンガサポートを示していないが、例えば図１ではベローズ４より下側の部分である直管５及びタイロッド支持フランジ１０、バランス用ベローズ８より上側の部分である直管９及びタイロッド支持フランジ１１、およびタイロッド１２の重量はスプリングサポート（或いはより移動による荷重変動の少ないコンスタントスプリングハンガ）により吊り上げることが必要である。また、この配管システムが水平配管に対して使われる場合は配管の中心の高さで支持する必要があるが、これらに対しても極力摩擦、作動抵抗力が小さくなるようにしなければならない。このような配管支持については図を簡略するために省略してある。
但し、このようなコンスタントスプリングハンガの設置により、前述したコンスタントスプリングハンガの初動荷重の検討が出てくる。しかし本発明ではベローズ４の上側の管部材をアンカ１３で動かないように固定している為、機器ノズル６の荷重負荷軽減のためにコンスタントスプリングハンガで吊る荷重はタイロッド１２とそれで連結された配管部材に限られる。エルボ管１や直管２１などの本管とこれらに繋がる配管の荷重負荷はアンカ１３で支持される。このため、従来のタイプの配管システムでコンスタントスプリングハンガにほぼ配管システム全体を吊らせる場合の荷重に比べて大幅に小さくなり、コンスタントスプリングハンガの初動荷重も大幅に小さく抑えられる。従って、配管の大口径化に伴って配管荷重が増大する場合でも機器ノズルへの負荷も従来システムより大幅に軽減される。
以上に本発明の実施例を図面とともに示したが、本発明は、図示した上下方向（鉛直方向）に延びる機器ノズル６に繋ぎこむ配管システムのみに限定されず、機器ノズルの延びる方向がいかなる方向であっても本発明による配管システムを適用可能である。
１ エルボ管（請求の範囲に記載の本管）
２ 入口端
３ 排出端
４ ベローズ（請求の範囲に記載の第１のベローズ）
５ 直管（請求の範囲に記載の第１の配管部材）
６ 機器ノズル
７ 直管（請求の範囲に記載の第２の配管部材）
８ 内圧バランス用のベローズ（請求の範囲に記載の第２のベローズ）
９ 直管（請求の範囲に記載の第３の配管部材）
１０、１１ タイロッド支持フランジ（請求の範囲に記載のタイロッド支持部材）
１２、１２Ａ、１２Ｂ タイロッド
１３ アンカ（固定点）
１４ 機器
１５ 機器の固定点
２１ 直管（特許請求の範囲に記載の本管）
２２ リンク式タイプレート（請求の範囲に記載のリンク）
２３ 支持プレート
２４ 導管（請求の範囲に記載の第２の配管部材）
２５ カムプレート

Claims (9)

  1. 機器の機器ノズルに繋ぎこむベローズ形伸縮管継手を含む配管システムであって、
    本管と、
    前記機器から延びる前記機器ノズルに接続された第１の配管部材であって、前記本管の一端に第１のベローズを介して接続された前記第１の配管部材と、
    一端が前記本管の側部に接続された第２の配管部材と、
    前記第２の配管部材の他端に第２のベローズを介して接続された第３の配管部材と、
    前記第１の配管部材の外周に固定された第１のタイロッド支持部材と、
    前記第３の配管部材の外周に固定された第２のタイロッド支持部材と、
    前記第１のタイロッド支持部材と前記第２のタイロッド支持部材の間を一定の距離に維持するタイロッドと、
    前記本管の、前記第１のベローズの近傍部分を固定点とするために敷設されたアンカと、を有し、
    前記機器ノズル、前記第１の配管部材、及び、前記本管の、前記アンカより機器ノズル側の配管部材の熱伸びに対して前記第１のベローズが収縮し、かつ、前記第１及び第２のタイロッド支持フランジ間でのすべての配管部材の熱伸びによって前記第２のベローズが該第１のベローズと同じ収縮による変位（収縮量）となるように、前記第１のタイロッド支持部材と前記第２のタイロッド支持部材の間の配管部材の長さが決定されていることを特徴とする配管システム。
  2. 前記機器ノズルの温度変化による変位量［ｍｍ］をＤ１、
    前記第１の配管部材の、前記機器ノズルとの接続端から前記第１のタイロッド支持部材までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(L1,t)、
    前記第１の配管部材の、前記第１のタイロッド支持部材の機器ノズル側とは反対の端から前記第１のベローズまでの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬＴ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT1,t)、
    前記本管の、前記本管と前記第１のベローズの接続端から前記アンカまでの配管部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ２、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT2,t)、
    前記アンカから前記第２のベローズまでの配管部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ３、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT3,t)、
    前記第３の配管部材の、前記第３の配管部材と前記第２のベローズの接続端から前記第２のタイロッド支持部材の機器ノズル側の端までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬＴ４、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT4,t)、
    前記第１のベローズの温ある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B1,t)、
    前記第２のベローズのある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B2,t)、
    配管システムを吊り上げる調整力をＦ［Ｎ］
    各前記配管部材の熱膨張率をα(t)とするとき、次式
    ＬＴ３＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT3,t)＋α(L1,t)／α(LT3,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT3,t)・ＬＴ１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT3,t)・ＬＴ２−α(LT4,t)／α(LT3,t)・ＬＴ４＋1／ｋ(B2,t)／α(LT3,t)・Ｆ＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT3,t)・ＬＢ１−α(LB2,t)／α(LT3,t)・ＬＢ２
    を満たすことを特徴とする請求項１に記載の配管システム。
  3. 前記本管はエルボ管またはティーで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の配管システム。
  4. 前記本管は直管で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の配管システム。
  5. 前記第２の配管部材が、前記本管の、前記アンカより機器ノズル側とは反対側における側面に接続され且つ前記本管の延長方向とは角度をなす方向に延びており、前記タイロッドがタイプレートおよびカムプレートを用いて前記角度を持って配設されていることを特徴とする請求項４に記載の配管システム。
  6. 前記機器ノズルの温度変化による変位量［ｍｍ］をＤ１、
    前記第１の配管部材の、前記機器ノズルとの接続端から前記第１のタイロッド支持部材までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(L1,t)、
    前記第１の配管部材の、前記第１のタイロッド支持部材の機器ノズル側とは反対の端から前記第１のベローズまでの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬＴ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT1,t)、
    前記本管の、前記本管と前記第１のベローズの接続端から前記アンカまでの配管部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ２、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT2,t)、
    前記アンカから前記第２のベローズまでの配管部分における、前記アンカから前記タイプレートに設置されている回転軸までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ３１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT31,t)、
    前記アンカから前記第２のベローズまでの配管部分における、前記タイプレートに設置されている前記第２のベローズに近い方の回転軸から前記第２のベローズと前記第２の配管部材の接続端までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ３２、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT32,t)、
    前記第３の配管部材と前記第２のベローズの接続端から前記第２のタイロッド支持部材の機器ノズル側の端までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ４、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT4,t)、
    前記第１のベローズの温ある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B1,t)、
    前記第２のベローズのある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B2,t)、
    配管システムを吊り上げる調整力をＦ［Ｎ］
    各前記配管部材の熱膨張率をα(t)とするとき、次式
    ＬＴ３１＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT31,t)＋α(L1,t)／α(LT31,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT31,t)・ＬＴ１+ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT31,t)・ＬＴ２＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT31,t)・ＬＢ１＋１／ｋ(B2,t)／α(LT31,t)・Ｆ
    を満たすことを特徴とする請求項５に記載の配管システム。
  7. 前記カムプレートと一部または全部のタイロッドの代わりにプーリーとチェーンを用いることを特徴とする請求項５または６に記載の配管システム。
  8. 前記本管の側面に固定され且つ前記本管の延長方向とは直角な方向に延びる支持プレートを更に有し、
    前記第２の配管部材の前記一端が前記支持プレートの機器ノズル側とは反対側に接続され、且つ少なくとも２つの前記第２の配管部材が前記本管に並列に配置されており、前記第２のベローズの有効径での面積の総和が前記第１のベローズの有効径での面積に等しいことを特徴とする請求項４に記載の配管システム。
  9. 前記機器ノズルの温度変化による変位量［ｍｍ］をＤ１、
    前記第１の配管部材の、前記機器ノズルとの接続端から前記第１のタイロッド支持部材までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(L1,t)、
    前記第１の配管部材の、前記第１のタイロッド支持部材の機器ノズル側とは反対の端から前記第１のベローズまでの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT1,t)、
    前記本管の、前記本管と前記第１のベローズの接続端から前記アンカまでの配管部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ２、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT2,t)、
    前記アンカから前記第２のベローズまでの配管部分における、前記アンカから前記第２の配管部材を前記本管に固定する支持部材までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ３１、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT31,t)、
    前記アンカから前記第２のベローズまでの配管部分における、前記第２の配管部材を前記本管に固定する支持部材から前記第２のベローズまでの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］をＬＴ３２、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT32,t)、
    前記第３の配管部材の、前記第３の配管部材と前記第２のベローズの接続端から前記第２のタイロッド支持部材の機器ノズル側の端までの部分について、当該部分の長さ［ｍｍ］ をＬＴ４、常温からある温度まで変化したときの熱膨張率をα(LT4,t)、
    前記第１のベローズの温ある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B1,t)、
    前記第２のベローズのある温度におけるばね定数［Ｎ／ｍｍ］をｋ(B2,t)、
    配管システムを吊り上げる調整力をＦ［Ｎ］、
    各前記配管部材の熱膨張率をα(t)とするとき、次式
    ＬＴ３１＝（１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)）・（Ｄ１／α(LT31,t)＋α(L1,t)／α(LT31,t)・Ｌ１）＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT1,t)／α(LT31,t)・ＬＴ１＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LT2,t)／α(LT31,t)・ＬＴ２−α(LT4,t)／α(LT31,t)・ＬＴ４＋ｋ(B1,t)／ｋ(B2,t)・α(LB1,t)／α(LT31,t)・ＬＢ１−α(LB2,t)／α(LT31,t)・ＬＢ２＋１／ｋ(B2,t)／α(LT31,t)・Ｆ−α(LT32,t)／α(LT31,t)・ＬＴ３２
    を満たすことを特徴とする請求項８に記載の配管システム。
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