30 メートルの炭素鋼の蒸気ラインは、起動するたびに 20 ℃ から 210 °C まで加熱されます。温度上昇が完全に抑制されると、パイプ壁に 400 MPa をはるかに超える熱応力が発生し、炭素鋼の降伏強度をはるかに超え、ライン自体がその軸に沿って約 70mm 成長します。アンカー、フランジ、および機器のノズルはそれを受け入れることができません。直管配管に対する実際的な工学的答えは、軸方向拡張ベローズです。つまり、システムの残りの部分が許容荷重内に収まるように、長手方向の動きを吸収する波形の金属要素です。
適切な軸方向拡張ベローズの選択は、必要な軸方向の動き、設計圧力、設計温度、および予想されるサイクル寿命の 4 つの数値によって決まります。これらを正しく行えば、ベローズは何十年にもわたってラインに使用できます。それらを誤解すると、数か月以内に計画外のシャットダウンを計画することになります。以下のセクションでは、軸方向拡張ベローズがどのように機能するか、基本的な熱データからサイズを決定する方法、および現場での故障が通常どこから始まるかについて説明します。
軸方向拡張ベローズとは何ですか?
軸方向拡張ベローズ (軸方向拡張ジョイントまたは軸方向金属コンペンセータとも呼ばれる) は、パイプの中心線に平行な変位を吸収するために直線パイプに取り付けられる柔軟なコンポーネントです。コア要素は薄壁の波形ステンレス鋼管です。各回旋は小さな環状のバネのように曲がり、組み立てられたベローズは硬いパイプよりもはるかに柔軟であるため、ほぼすべての長手方向の動きはアンカーやノズルに伝達されるのではなく、回旋の内部で取り込まれます。これらのアセンブリは、蒸気分配、熱水、伝熱流体、極低温移送ライン、エンジン排気ダクトなど、直線配管で熱補償が必要な場合に使用されます。
完全な軸方向拡張継手には通常、次の部品が含まれます。
- ベローズエレメント — 柔軟性を提供し、圧力を抑える単層または多層ステンレス鋼 (304/316L、または高温使用用のニッケル合金)。
- エンドコネクション — 既存の配管クラスに適合するように選択された突合せ溶接端、ルーズ フランジ、または溶接フランジ。
- 内部フローライナー — ベローズ内の薄いスリーブで、流れを滑らかに保ち、乱流を減らし、波形を粒子の侵食から保護します。
- 外装カバー — 屋外、地下、または断熱施設用の保護ジャケット。
- リミットまたはタイロッド — 特別な構成でのみ使用されます。純粋な軸方向ジョイントでは通常それらが省略されるため、動きを制限するものはありません。
図 1 は、主要部品を等角断面図で示しています。
図 1. 軸方向拡張ベローズの主要コンポーネント (等角断面図)。
304 ステンレス鋼のフレキシブルメタルコンペンセータ波形伸縮継手 この軸方向に拡張するベローズは、配管システム内の熱膨張を吸収します。 304 ステンレス鋼または炭素鋼で作られており、最大 1.6MPa までの圧力をサポートし、水、蒸気、油の用途に適しています。 製品を見る→ 軸方向拡張ベローズが熱移動にどのように対処するか
熱膨張は物理学の問題であり、意見ではありません。ベローズが吸収しなければならない成長は、次の標準式で計算されます。
ΔL = L × α × ΔT
ここで、L は直管の長さ (メートル)、α は管材料の線熱膨張係数 (mm/m・℃) (炭素鋼の場合、約 0.0123)、ΔT は温度上昇 (℃) です。その結果、伸縮継手は 2 つのアンカー間で対応しなければならない軸方向の移動がミリメートル単位で行われます。
以下のグラフは、一般的な材料の 10 m パイプの 100 °C 上昇時の成長を計算したものです。たとえば、ステンレス鋼は、同じ長さの炭素鋼よりも約 40 % 長く成長します。これは、ベローズの動作定格を再チェックせずにラインを炭素鋼からステンレスに変換する場合に重要な事実です。
図 2. 典型的な線熱膨張係数から計算された、100 °C の温度上昇ごとのパイプ 10 m あたりの熱膨張。
ベローズは、その軸に沿って圧縮または伸長することにより、この成長を吸収します。軸方向のバネ定数が低いため、アンカーにかかる反力は小さく保たれますが、移動能力は有限です。そのため、次のステップでは適切な選択を計算する必要があります。
主な選択基準: 動作、圧力、温度、サイクル寿命
必要な軸方向の移動が判明したら、それが仕様の中心になります。以下の折れ線グラフは、需要がどの程度急速に増加するかを示しています。30 m の炭素鋼ラインの場合、温度が 25 °C 上昇するごとに、必要な移動距離は約 9 mm 増加します。
図 3. 温度上昇に対する 30 m の炭素鋼線の計算された軸方向の伸び (α = 0.0123 mm/m·°C)。
動き
計算された増加量は最小容量です。起動過渡現象、接地沈下、設置公差を20～30％以上の余裕を持たせて、自由長からのプラス、マイナスの値で定格移動量をご指定ください。
圧力
すべてのベローズには最大許容使用圧力があります。圧力が高い場合、複数層のベローズは、バネ定数を低く保ちながら、同じ合計厚さの単一層よりも高い強度を提供します。強度だけを求めて直径を大きくすることは避けてください。直径が大きくなると、アンカーが耐えなければならない推力が大きくなります。
温度
設計温度は、ベローズ材料の許容応力を直接設定します。標準の 304/316L ステンレス鋼は、約 550 °C までのほとんどのユーティリティサービスに対応しますが、温度が高くなるとクリープが加速し、疲労寿命が短くなります。インコネルなどのニッケル合金は、厳しい高温での使用に指定されています。
サイクル寿命
金属ベローズの疲労寿命は有限であり、EJMA の設計実践では、その寿命を動作の振幅に直接関連付けています。サイクルあたりのストロークが大きいほど、ベローズが耐えられるサイクルは少なくなります。頻繁に循環するラインの場合は、1 つの短いベローズを限界まで押し込むのではなく、より多くの回旋を持ち、1 回の回旋あたりのストロークが小さいベローズを選択します。
表 1 は、標準的な軸方向拡張ベローズの代表的な範囲をまとめたものです。正確な値は、直径、材質、層数、およびメーカーの設計計算によって異なります。
| パラメータ | シンボル | 単位 | 代表的な範囲 |
|---|---|---|---|
| 呼び径 | DN | mm | DN25 – DN600 |
| ベローズごとの軸方向の動き | Δx | mm | ±10～±100 |
| 設計圧力 | P | MPa | 0.1～2.5 |
| 設計温度 | T | °C | -196～550 |
| 軸方向バネ定数 | Kx | N/mm | 20 – 2000 |
| プライ数 | n | - | 1～6 |
| 予測サイクル寿命 | N | サイクル | 1,000 – 100,000 |
アキシャル、ラテラル、ユニバーサル — どの構成が必要ですか?
軸方向ベローズは、変位がそれ自体の軸に沿って発生する場合に効果的です。実際の配管は横方向に移動することも多く、そこで構成を選択することになります。レーダー チャートは、3 つの主要なファミリーを定性的な 1 から 5 のスケールで比較しており、高いほど優れています。
図 4. 伸縮継手のタイプの定性的比較 (1 ～ 5、大きいほど優れています)。スコアは標準的な計算ではなく、典型的なエンジニアリングのトレードオフを反映しています。
- 軸方向 expansion joint — 1 つのジャバラ、コンパクトで経済的で、両端に固定された長い直線走行に最適です。
- 横方向 expansion joint — 横方向の変位を吸収しながら圧力推力を保持するタイロッド付きベローズ。オフセットやコンパクトなプラント レイアウトで一般的です。
- ユニバーサル expansion joint - 中間パイプによって接続された 2 つのベローズ。より長い長さとわずかに高いアンカー力を犠牲にして、単位コスト当たりの最大の変位容量。
特定のラインについてこれらのオプションを比較検討している場合は、 金属ホースとコンペンセータのソリューションをさまざまな使用条件で比較する方法 各家庭の実際的な制限を詳しく説明します。
配管システム用の金属ホースおよびコンペンセータのサプライヤー このサプライヤーのリストには、金属ホースとコンペンセーターのオプションが含まれており、製造能力と認証が強調されています。さまざまな使用条件に対する柔軟なソリューションを比較し、ベローズ故障の根本原因を評価する場合に役立ちます。 製品を見る→ 一般的な障害モードとその防止方法
ベローズの早期故障が 1 つの劇的な出来事によって引き起こされることはほとんどありません。現場でのメンテナンスのレビューでは、同じ少数の根本原因が、ほぼ以下の割合で何度も繰り返し現れることが示されています。
図 5. 報告されたベローズ サービス障害のおおよその分布。割合は参考値であり、業界や動作条件によって異なります。
- 腐食 — 塩化物、酸、酸性液体は 304/316L を攻撃します。攻撃的な媒体の場合は、より厚い壁に頼るのではなく、より高級な合金に移行してください。
- 疲労 cracking — ベローズが定格サイクル寿命を超えているか、仕様で想定されているよりもはるかに頻繁にシステムがサイクルしている。
- 過度の伸長 or misalignment — ジャバラは不完全なパイプの位置合わせを修正するために使用されるか、アンカーが滑った場合に使用されます。ベローズは動きを吸収するものであり、位置合わせツールではありません。
- ウォーターハンマー or overpressure — サージ イベントにより、畳み込みが限界を超えます。ラインに急閉バルブが付いている場合は、過渡負荷を確認してください。
- 製造上の欠陥 — 溶接不良や輸送中に生じたへこみは、後に亀裂となる可能性があります。受け取り時の検査は安い保険です。
これらのメカニズムがどのように発達するかを段階的に見てみるには、このレビューを参照してください。 金属製ベローズが産業用パイプラインで失敗する理由 典型的な損傷シーケンスを順を追って説明します。
規格、認証、および文書化
完全な調査では、寸法だけでなく、設計基準を指定する必要があります。軸方向拡張ベローズに関して最も一般的に要求される文書は次のとおりです。
| 標準 | 範囲 | なぜそれが重要なのか |
|---|---|---|
| EJMA規格 | 金属ベローズ伸縮継手の設計と疲労計算 | ほとんどのメーカーのカタログに記載されているバネ定数、動作評価、サイクル寿命予測の基礎 |
| EN 14917 | 圧力用途用金属ベローズ伸縮継手 | 欧州プロジェクト受け入れの有名なルート |
| ASME B31.1 / B31.3 | 電力およびプロセス配管 | アンカー、ガイド、荷重ケースに関するシステムレベルのルール |
| GB/T 12777 | 金属ベローズ伸縮継手 - 一般的な技術条件 | 中国の国家規格、アジア太平洋地域の調達で広く使用されています |
| EAMA | 金属伸縮継手に関するヨーロッパのガイダンス | 欧州メーカー間の慣行を調和させる |
見積もりを依頼する場合は、提案された設計の技術データシート、全体配置図、およびサイクル寿命の計算を依頼してください。 ISO 9001 に基づいて約 20 年間ステンレス鋼ベローズを製造してきた Haoyin (Ningbo) Bellows Technology など、成熟した品質システムを持つメーカーは、この文書をパッケージの標準部分として提供します。
軸方向拡張ベローズに関するよくある質問
軸方向拡張ベローズとは何ですか?
プロセス圧力を抑えながら、熱膨張によって引き起こされる軸方向の伸びと圧縮を吸収するために、直線パイプに取り付けられた波形金属コンポーネント。
アキシャル拡張継手とユニバーサル拡張継手の違いは何ですか?
アキシャルジョイントは1つのベローズを使用し、パイプ軸に沿った動きのみを吸収します。ユニバーサルジョイントは2つのベローズと中間パイプを組み合わせ、横方向の動きや複合的な動きも吸収します。
金属ベローズ伸縮継手の軸方向の最大移動量はどれくらいですか?
標準設計では、直径、巻き込み数、および必要なサイクル寿命に応じて、通常、±10 mm ～ ±100 mm が提供されます。ジャバラを多段に配置することで、より大きな移動が可能になります。
軸方向拡張ベローズの設計にはどのような基準が適用されますか?
最も一般的な参照先は、EJMA 規格、EN 14917、ASME B31.1/B31.3、および GB/T 12777 です。該当する規格は通常、プロジェクトのエンジニアリング仕様で設定されます。
軸方向拡張ベローズは高温に耐えられますか?
ステンレス鋼 304/316L ベローズは、制御された条件下で約 550 °C までの温度で通常使用されます。高温用には、インコネルなどのニッケルベースの合金が指定されています。
ベローズが吸収しなければならない軸方向の動きはどのように計算すればよいですか?
ΔL = L × α × ΔT を使用します。ここで、L は配管の長さ、α は配管材料の熱膨張係数、ΔT は温度上昇です。選択範囲に 20 ～ 30 % のマージンを追加します。
