JPS629794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は低温液化ガス流送配管のクールダウ
ン方法に関するものである。

〔従来の技術〕

低温液化ガス（LN₂、LNG、LO₂、LAr等）の
流送配管は、液化ガスの流送を開始した時におけ
る配管の急激な冷却収縮を防ぐために、液化ガス
の流送に先立つて液化ガスを安全に流送し得る液
化ガス流送可能温度まで冷却される。これは配管
のクールダウンと呼ばれているもので、このクー
ルダウンは配管内に低温流体を流すことによつて
行なわれる。

この配管のクールダウンを行なう場合、一般に
はまずクールダウン用の低温液（通常は流送しよ
うとする低温液化ガスが利用される）をガス化し
て配管内に流すことによりガス冷却によるプレク
ールを行ない、次いで低温液を配管内に流すこと
により液冷却による本格的なクールダウンを行な
う方法が採用されている。

ところで、このようにして配管のクールダウン
を行なう場合、ガス冷却時においては、ガス中に
完全にガス化し切れなかつた液分が霧状になつて
多量に含まれていることから、この霧状の液分が
管内で滴下し液流となつて管底部を流れることに
なり、また液冷却時においても液は管内いつぱい
には流されないから、いずれの場合にも配管は底
部側がまず最初に冷却されることになる。このた
め、配管のクールダウンにおいては、配管の上部
と下部との温度差により配管が弓状に変形する
（上向きに反る）現象を発生することがある。こ
の現象はボーイング現象といわれるもので、配管
が拘束されていなければボーイングが生じても何
ら問題はないが、実際は配管はサポート等によつ
て適当間隔ごとに拘束されているから、ボーイン
グが生じると配管に応力が発生し、この発生応力
が配管の許容応力を越えると配管が損傷を受ける
ことになる。

このため、従来は、クールダウン時に継続して
配管のボーイングを監視し、ボーイングが生じた
時に、低温液体の管内流送を一時的に止めるか、
あるいは流送量を減少させて配管の冷却速度を制
御している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の方法はボーイングの
原因（配管上下部の温度差）を考慮したものでは
なく、実際にボーイングが生じてから冷却速度を
制御するものであるために、当然のことからが冷
却速度の制御が後手となり、そのために配管にそ
の許容応力を越える応力が発生して配管が損傷す
るおそれがあつた。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、低温液化ガス流送配管内に低温流
体を流して該配管を液化ガス流送可能温度まで冷
却するに当り、前記配管の上下部の外面に設けた
温度センサにより配管の上部と下部の温度を検出
し、この配管上下部の温度差ΔＴが ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥ σａ：配管の許容応力 Ｋ：配管断面の温度分布により定まる定数 α_T：配管の線膨張係数 Ｅ：配管のヤング率 の範囲を越えたときに配管内への低温流体の流送
を一時的に停止するかあるいは流送量を減少させ
る配管冷却速度の制御を行なつて、上記温度差Δ
Ｔを上記式の範囲内に保つことにより、配管にそ
の許容応力を越える応力が発生するのを防ぐよう
にしたものである。

〔作 用〕

すなわち、この発明は、従来のように実際に配
管にボーイングが生じてから配管の冷却速度を制
御するのではなく、ボーイングにより配管に生じ
る応力とボーイングを生じさせる原因である配管
上下部の温度差との関係を解明して、この関係か
ら配管に生ずる応力が配管の許容応力を越えない
ようにするための条件つまり許容される配管上下
部の温度差ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥを求めておき、配
管の クールダウンに当つて配管の上部と下部の温度を
検出して、配管の上下部の温度差が上記式の範囲
を越えないように配管の冷却速度を制御すること
により、クールダウン時に配管に発生する上記温
度差による応力を許容応力内におさえるようにし
たものであり、この発明によれば、配管にその許
容応力を越える応力を発生させないようにして安
全性の高い配管のクールダウンを行なうことがで
きる。

〔実施例〕

以下、この発明のクールダウン方法について説
明する。

まず上記式ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥについて説明す
る と、この式は次のようにして求められる。

第１図は一般的な低温液化ガス流送配管の配管
方式を示したもので、図中１は配管、２，２は前
記配管１を適当間隔ごとに支持固定する固定装置
であり、前記配管１は固定装置２，２によつてず
れ動かないように拘束されている。また、３，３
は前記各固定装置２，２間の中間に設けられて固
定装置２，２間の配管中央部を支持固定する中間
固定装置、４，４は前記各固定装置２，３間に配
設されて配管１を下側からのみ支持する支持部材
であり、前記配管１はその軸方向の伸縮を吸収す
る伸縮継手５，５を介して前記固定装置２，２に
固定されているから、配管１は固定装置２，２間
の部分を１つのブロツクとしてみることができ
る。

第２図は上記配管方式における１つのブロツク
をモデル化して示したもので、このモデル図にお
いてＡ，Ａは配管１の両端を支持する枢支点、Ｂ
は前記配管１の中央部を固定する中央固定点、
Ｃ，Ｃは配管１の重量を受ける支持点を示し、ま
たＰはボーイングにより配管中央部が浮き上がろ
うとした時に発生する反力を示している。

ところで、今、前記配管１のクールダウン時に
おいて配管１にボーイングが発生したとすると、
ボーイングにより配管１に生じる仮想の曲げモー
メントの大きさＭ_Tは次の一般式で表わすことが
できる。

Ｍ_T＝Ｋα_ＴΔＴ／Ｄ・EI ……(1) Ｋ：配管断面の温度分布によつて決まる定数（配
管断面の温度勾配はほぼ直線となるからＫ＝１
とみてよい） α_T：配管の線膨張係数 （ステンレス鋼管の場合1.5×10^-5／℃） Ｅ：ヤング率 （ステンレス鋼管の場合2.0×10⁶Kg／cm²） ΔＴ：配管断面の上下部の温度差（℃） Ｄ：管径（cm） Ｉ：配管断面の２次モーメント（cm^４） また、前記第２図のモデルをもとに、配管の両
端のみを支持したスパン全長が２ ｌの配管モデ
ルを想定し、このモデルにおいて配管１に第３図
ａに示すようなボーイングが発生した場合の配管
１の変形を考えると、管軸方向には温度差がない
とすれば配管中央０（xy座標の原点とする）か
らｘだけ離れた位置におけるボーイングによる配
管１の変形の大きさｙ_M（ｘ）は次式で示すこと
ができる。

ｙ_M（ｘ）＝Ｍ_Ｔ／２ＥＩ（l²−x²）……(2) （−ｌ≦ｘ≦ｌ） 一方、前記配管モデルにおいて自重ｗ（Kg／
cm）により配管１が第３図ｂに示すようにわんだ
場合について考えると、配管中央からｘだけ離れ
た位置における配管１の自重によるたわみ量ｙ_W
（ｘ）は次式で示すことができる。

ｙ_W（ｘ）＝Ｗ／２４ＥＩ（l²−x²）（x²−５ l²）…
…(3) （−ｌ≦ｘ≦ｌ） そして、配管１はボーイングによる変形と自重
による下向きのたわみとを加えた量だけたわむこ
とになるから、配管中央からｘだけ離れた位置に
おける配管１のたわみ量ｙ（ｘ）は、 ｙ（ｘ）＝ｙ_M（ｘ）＋ｙ_W（ｘ） となる。なお、実際の配管１は第１図に示すよう
に支持部材４，４によつて支持されているから、
配管１のたわみは上向きのみに発生することにな
る。

ここで、以下の計算に便利なように前記仮想の
曲げモーメントの大きさＭ_Tを次式のように表わ
すことにする。

Ｍ_T＝５／１２wl²・α ……(4) なお、上記(4)式においてαは無次元の係数であ
り、α＝０のときはボーイングが全く生じていな
いことを示す。

(2)式に(4)式を代入して配管１のたわみ量ｙ
（ｘ）＝ｙ_M（ｘ）＋ｙ_W（ｘ）を計算すると、 ｙ（ｘ）＝Ｗ／２４ＥＩ（l²−x²）（x²＋５ l²α−５
l²） （−ｌ≦ｘ≦ｌ） となり、α＝１であればｙ（０）＝０となる。

次に、両端が枢支点Ａ，Ａで支持され、中央部
が中央固定点Ｂで支持固定されている配管につい
て考えてみると、このような３点支持の場合は、
中央部において配管１のたわみ方向に対し逆向き
の反力が作用することになる。

そこで、配管１の両端のみを支持した場合につ
いて、ボーイング及び自重によるたわみがないと
し、この配管の中央部に上下方向の押力Ｐが作用
した場合を考えると、この押力Ｐによつて生じる
配管中央部のたわみ量ｙ_Pは次式によつて表わす
ことができる。

ｙ_P＝Ｐｌ^２／４ＥＩ（ｌ−ｘ）｛１−（ｘ−ｌ）^２／
３ ｌ^２｝……(5) （尚、上式は０≦ｘ≦ｌの範囲で成立する） 前記押力Ｐは配管１の中央部を拘束している場
合において、配管１がボーイング及び自重によつ
てたわもうとした時にその反力として作用するも
のであり、配管１の中央部が拘束されていれば配
管中央部のたわみ量は０（ｙ_M＋ｙ_W＋ｙ_P＝０）
となるから、中央固定点Ｂにおいてたわもうとす
る配管１に作用する反力Ｐは、 Ｐ＝５／４（１−α）wl ……(6) となる。

従つて配管１が３点支持されている場合の配管
中央からｘだけ離れた位置における配管１のたわ
み量ｙ（ｘ）は次式で表わすことができる。

ｙ（ｘ）＝ｙ_M（ｘ）＋ｙ_W（ｘ）＋ｙ_P（ｘ）＝ｗ（ｌ−ｘ）／２４ＥＩx²｛ｘ−３−５α／２ｌ｝ ……(7) （尚、上式は０≦ｘ≦ｌの範囲で成立する） そして、配管１が３点支持されている場合にお
ける配管１のたわみ形状は、前記(7)式から想定す
ることができる。

すなわち、(7)式において１／５＞α＞０であれば、 配管１のたわみ量（上向きのたわみ量）ｙはスパ
ン全長２ ｌにわたつてｙ≦０となり、これは第
４図ａに示すように配管１にボーイングが全く生
じていない状態を示している。なお第４図ａはｙ
＜０の場合つまり配管１が自重によつて下向きに
たわんでいる状態を示している。

また(7)式において３／５＞α＞１／５であれば、配
管１の たわみ量ｙは中央固定点Ｂからある距離だけ離れ
た点においてｙ＝０となり、この点より中央側で
はｙ≦０、端部側ではｙ≧０となる。これは第４
図ｂに示すように配管１にボーイングが生じる状
態を示しているが、このボーイングは中央固定点
Ｂ付近には生じない比較的軽度なものである。

ここで、３／５＞α＞１／５である場合における中央
固定 点Ｂからｙ＝０となる点までの距離l₁とすると、 l₁＝３−５α／２ｌ ……(8) である。

さらに、(7)式において１≧α＞３／５であれば、配 管１のたわみ量ｙはスパン全長２ ｌにわたつて
ｙ≧０となり、これは第４図ｃに示すように配管
１に過大なボーイングが生じている状態を示して
いる。

次に、３点支持されている配管１に生じている
曲げモーメントについて考えると、配管１に生じ
ている曲げモーメントＭは配管１の自重ｗを中央
固定点Ｂにおける上向きの反力Ｐによつて決まる
（ボーイングそのものは曲げモーメントとしては
働かない）から、前記曲げモーメントＭは次式で
示すことができる。

Ｍ＝Ｗ／２（l²−x²）−５／８（１−α）wl（ｌ−ｘ）
…… (9) （０≦ｘ≦ｌ） また、曲げモーメントＭはｘ＝５／８（１−α）ｌ で最大となり、この最大の曲げモーメントＭ
（max）は、 Ｍ（max）＝ｗｌ^２／２・（５α＋３）^２／６４……(
10) となる。

ところで、１／５＜α＜１の場合は、 （５α＋３）^２／６４≒α ……(11) であるから、上記(10)式は次のように表わせる。

Ｍ（max）＝ｗｌ^２／２・α ……(12) 従つて配管１に最大の曲げモーメントＭ
（max）が生じているときの配管１に生じる応力
σは、 σ＝ｗｌ^２／２・Ｄ／２Ｉα＝ｗｌ^２／４ＩＤ・α…
…（13） となる。

そして、前記(1)式と(4)式を（13）式に代入する
と次式のようになる。

すなわち、配管１に曲げモーメントが生じたと
きに配管１に生じる応力σは、上記（14）式にお
ける変数つまり配管上下部の温度差ΔＴによつて
決まることになる。従つて配管１に生じる応力σ
が配管１の許容応力σａを越えないようにするに
は、 となるようにすればよく、そのためにはクールダ
ウン時に継続して配管上下部温度差ΔＴを監視
し、ΔＴが常に（15）式の範囲内にあるように配
管冷却速度を制御すればよい。

第５図は前記配管上下部の温度差ΔＴを監視す
る方法を示したもので、図中１ａは配管（例えば
ステンレス鋼管）１を被覆している保冷材であ
り、配管１の上下部の外面には配管外面の温度を
検出する温度センサS₁，S₂が設置され、この温度
センサS₁，S₂は温度指示計１０に接続されてい
る。この温度指示計１０は、一方の温度センサS₁
によつて検出された配管上部の温度と、他方の温
度センサS₂によつて検出された配管下部の温度と
をそれぞれ指示するものである。

しかして、クールダウン時における冷却速度の
制御は、前記温度指示計１０に指示される配管上
部温度と下部温度を読取つてその温度差ΔＴを計
算し、前記（14）式を基にあらかじめ計算してお
いた値を前記温度差ΔＴが越えた時に配管１内へ
の低温流体の流送を一時的に停止するか、あるい
は流送量を減少させればよい。

なお、この冷却速度の制御はプレクールのため
のガス冷却時においても、また、プレクール後の
液冷却時においても全く同様にして行なえばよ
く、また前記配管上下部の温度検出位置は配管拘
束位置の中間（第１図に示す配管方式においては
固定装置２と中間固定装置３との中間）に定めれ
ばよい。

ここでこの発明のクールダウン方法についてそ
の一実施例を具体的に説明する。

第１図に示した配管方式において、 Ｋ＝1.0 α_T＝1.5×10^-5 Ｅ＝2.0×10⁶Kg／cm² Ｄ＝76.2cm Ｉ＝210000cm^４ ｌ＝3000cm ｗ＝2.56Kg／cm とし、また配管１の許容応力σａを σａ＝1330Kg／cm²（発電用火力設備に関する技
術基準の細目を定める告示による）とする。

（14）式に上記数値を代入すると、配管上下部
の温度差ΔＴと配管１に生じる応力σの関係はσ
＝３／５Ｋα_TＥΔＴ＝18・ΔＴとなる。

そして発生応力σが配管の許容応力σａを越え
ないようにするためには（15）式を満足すればよ
いのであるから、σａ＝1330Kg／cm²の配管のクー
ルダウンにおいて許容される配管上下部の温度差
ΔＴは、 ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥ＝１３３０／１８＝74 となる。

従つて許容応力が1330Kg／cm²の配管のクールダ
ウンにおいては、配管上下部の温度差が74℃を越
えないようにすれば配管に過大な応力を発生させ
ることなく安全なクールダウンを行なうことがで
きる。

なお、上記（15）式は配管の物性（線膨張係数
α_Tとヤング率Ｅ）のみに関係し、配管の管径
Ｄ、断面二次モーメントＩ、長さｌ、単位長さ当
りの重量ｗには関係なく成立するから、このクー
ルダウン方法は様々な低温液化ガス流送配管のク
ールダウンに広く適用することができる。

ところで、実際のクールダウンにおいては、ガ
ス冷却は冷却効率が悪く時間を要することからで
きるだけ早く液冷却に切換えた方がクールダウン
に要する時間及び費用（主に人件費）を削減する
ことができるが、あまり早く液冷却を開始する
と、ボーイングによつて配管を損傷するおそれが
ある。

すなわち、第６図はクールダウン時における配
管上下部の温度変化を示したもので、実線で示す
曲線は配管上部の温度変化を示し、破線で示す曲
線は配管下部の温度変化を示している。この図か
らも分かるように、クールダウンにおいて配管上
下部の温度差が最も大きくなるのはガス冷却を終
了して液冷却を開始した時であり、液冷却を開始
すると配管下部の温度が急激に液温Ｔ_Lまで降下
するのに対して配管上部の温度降下が遅れるか
ら、前記（15）式の範囲を越える温度差が発生す
ることがある。

そこで、液冷却を開始しても前記（15）式を満
足できるようにするために液冷却の開始時期につ
いて考えてみると、配管下部の温度がＴ_Pとなつ
た時に液冷却を開始したとすれば、液冷却を開始
した時に生じる配管上下部の温度差ΔＴ_PCLは、
流の流入による配管下部の温度低下量（Ｔ_P−Ｔ
_L）と、ガス冷却終了時点ですでに生じていた配
管上下部の温度差Ｔ_Cとの和で表わせる。

ΔＴ_PCL＝Ｔ_P−Ｔ_L＋Ｔ_C ……（16） ここで前記（15）式のΔＴをΔＴ_PCLに置きか
えると、 ΔＴ_PCL＝Ｔ_P−Ｔ_L＋Ｔ_C≦５σａ／３Ｋα_ＴＥ ∴Ｔ_P≦Ｔ_L−Ｔ_C＋５σａ／３Ｋα_ＴＥ ……（17） となる。

従つて、液冷却開始時に配管上下部の温度差Δ
Ｔが（15）式の範囲を越えないようにするには、
配管下部の温度が上記（17）式を満足する温度に
なつた時に液冷却を開始すればよい。

この液冷却の開始時期について一実施例をあげ
ると、例えばLNG流送配管においては、LNGの
液温（沸点）がＴ_L＝−162℃であるから、液冷却
を開始できる状態となつた時の配管下部温度Ｔ_P
は、その時（液冷却開始直前）の配管上下部の温
度差Ｔ_Cが０℃（Ｔ_L−Ｔ_C＝−162℃）の場合は Ｔ_P＝−162＋５σａ／３Ｋα_ＴＥ ３／５Ｋα_TＥΔＴ＝18・ΔＴであれば（配管の線膨 張係数α_T及びヤング率Ｅが前述の例の場合） Ｔ_P＝−162＋σａ／１８ であり、またＴ_C＝30℃（Ｔ_L−Ｔ_C＝−192℃）の
場合は Ｔ_P＝−192＋５σａ／３Ｋα_ＴＥ ３／５Ｋα_TＥΔＴ＝18・ΔＴであれば Ｔ_P＝−192＋σａ／１８ である。

第７図はこの関係を示したもので、この図か
ら、例えば配管の許容応力σａが1330Kg／cm²であ
る場合は、Ｔ_C＝０℃であつたら配管下部温度Ｔ_P
が−88℃以下になつた時に冷却を開始し、Ｔ_C＝
30℃である場合には配管下部温度Ｔ_Pが−117℃以
下になつてから液冷却を開始すればよいことが分
かる。

従つて実際のクールダウンに当つては、ガス冷
却時から液冷却時にかけて継続して配管上下部の
温度を監視し、その温度差ΔＴが（15）式の範囲
を越えないように配管の冷却速度を制御すると共
に、配管下部の温度Ｔ_Pが（17）式を満足する温
度となつた時にガス冷却から液冷却に切換えれば
よい。

なお、前記配管上下部の温度の監視は、ガス冷
却時には配管下部の温度差ΔＴが上記（15）式の
範囲を越えるおそれが全くない場合は液冷却の開
始が可能となつたことを知るためにだけ行なえば
よく、その場合はガス冷却を開始した後適当な時
間を見計らつて温度開始を開始すればよいし、ま
た液冷却を開始した後も、配管上部の温度と液温
との差が（15）式の範囲内になればそれ以後の温
度監視はクールダウンの完了を知るためだけ行な
えばよい。また、上記実施例ではガス冷却による
プレクールを行なつた後に液冷却を行なうクール
ダウンを例にとつて説明したが、前記（15）式は
ガス冷却のみによつてクールダウンを行なう場合
にも、最初から液冷却によつてクールダウンを行
なう場合にもそのまま適用することができる。

〔発明の効果〕

この発明の低温液化ガス流送配管のクールダウ
ン方法は、低温液化ガス流送配管内に低温流体を
流して該配管を液化ガス流送可能温度まで冷却す
るに当り、前記配管の上下部の温度差ΔＴを前述
の（15）式すなわち ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥ σａ：配管の許容応力 Ｋ：配管断面の温度分布により定まる定数 α_T：配管の線膨張係数 Ｅ：配管のヤング率 の範囲内に保つように配管の冷却速度を制御しな
がら冷却を行なうことを特徴とするものであり、
この発明によれば、ボーイングの原因である配管
上下部の温度差の監視により発生応力が配管の許
容応力を越えないようにして安全性の高いクール
ダウンを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は一般的な低温液化ガス流送
配管の配管方式を示す原理図及びそのモデル図、
第３図ａ，ｂは配管の両端のみを支持した場合の
モデル図、第４図ａ，ｂ，ｃは配管が３点支持さ
れている場合のモデル図、第５図は配管上下部の
温度差を監視する方法の一例を示す断面図、第６
図及び第７図はガス冷却によるプレクール後に液
冷却を開始するクールダウンを行なう場合におけ
る配管上下部の温度変化図及び配管の許容応力と
液冷却開始可能温度との関係図である。 １……配管、S₁，S₂……温度センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 低温液化ガス流送配管内に低温流体を流して
   該配管を液化ガス流送可能温度まで冷却するに当
   り、前記配管の上下部の外面に設けた温度センサ
   により配管の上部と下部の温度を検出し、この配
   管上下部の温度差ΔＴが次式の範囲を越えたとき
   に配管内への低温流体の流送を一時的に停止する
   かあるいは流送量を減少させる配管冷却速度の制
   御を行なつて、上記温度差ΔＴを次式の範囲内に
   保つことを特徴とする低温液化ガス流送配管のク
   ールダウン方法。 ΔＴ≦５σａ／３Ｋα_ＴＥ σａ：配管の許容応力 Ｋ：配管断面の温度分布により定まる定数 α_T：配管の線膨張係数 Ｅ：配管のヤング率