「配管設計の専門用語は何から覚えればよいのだろう？」

「図面に書かれている言葉の意味がわからず、先輩の説明についていけない……」

配管設計の基礎を身に付けるには、まず図面・配管部品・寸法・設計条件・支持に関する基本用語を理解することが大切です。

この記事では、プラント配管設計の初心者が最初に覚えておきたい20用語を厳選し、それぞれの意味や役割、実際の設計業務での使い方を解説します。

さらに、記事の後半では、タンクからポンプへ水を送る架空の配管ラインを例に、20用語の関係を整理します。

専門用語を個別に覚えるだけでなく、実際の配管図面を理解するための基礎知識を身に付けていきましょう。

配管設計の初心者は、まず20用語を5分野に分けて覚えよう

配管設計の専門用語は、図面・配管部品・寸法・設計条件・支持の5分野に整理すると、全体像を理解しやすくなります。

配管設計では、流体を運ぶためのパイプを配置するだけでなく、配管の寸法や材料、使用条件、支持方法などを検討します。

例えば、タンクからポンプへ水を送る配管を設計する場合、次のような情報が必要です。

配管設計は、図面・部品・寸法・設計条件・支持がつながっている

配管設計の5分野は、それぞれ独立しているわけではありません。

例えば、P&IDで確認した配管ラインには、パイプやバルブなどの部品が含まれます。パイプには呼び径や肉厚があり、流体の圧力・温度などを考慮して仕様を決定します。

さらに、配管の自重を支えるサポートや、温度変化による熱膨張についても検討する必要があります。

配管設計の各分野を関連付けて学ぶことで、専門用語が実際の設計業務でどのように使われるのかを理解しやすくなります。

専門用語は意味と実際の使い方をセットで覚える

配管設計の専門用語は、名称だけでなく、部品の形状や図面上の位置と結び付けて覚えましょう。

例えば、エルボは配管の方向を変える継手です。

「エルボ＝方向を変える部品」と覚えたら、エルボの形状を確認し、実際の配管図面でどこに使用されているかを探してみてください。

用語の意味と図面上の使用例を関連付けることで、専門用語を実務で使える知識として整理できます。

配管設計初心者が最初に覚える20用語一覧

配管設計の初心者は、まず以下の20用語から学習を始めてみましょう。

図面に関する用語から始め、配管部品・寸法・設計条件・支持の順に整理しています。

20用語を覚える際は、まず名称と意味を理解し、次に各用語がどのような設計業務で使われるのかを確認してください。

図面の基本用語3選｜P&ID・アイソメ図・ライン番号

配管設計の図面を理解するために、最初に覚えたいのが「P&ID」「アイソメ図」「ライン番号」の3用語です。

P&IDは配管や機器の接続関係を示し、アイソメ図は配管の立体形状や寸法などを表します。ライン番号は、複数の配管の中から特定の配管ラインを識別するために使用します。

① P&ID（配管計装図）｜配管・機器・計装の関係を示す図面

配管・機器・バルブ・計装機器などの接続関係や機能を示す図面。

P&IDは、配管設計で使用する基本的な図面の一つです。

例えば、タンクからポンプへ水を送る設備では、タンクとポンプがどのようにつながっているのか、配管の途中にどのようなバルブや計測機器が設置されているのかをP&IDで確認できます。

配管の流れだけでなく、圧力計や温度計などの計装機器、制御に関する情報も記載されます。

ただし、P&IDは系統や機能を示す図面であり、通常は配管の正確な立体配置や製作寸法を示しません。

実務での使用例： 配管レイアウトを検討する前に、P&IDで機器の接続先、ライン番号、バルブ、計装機器などを確認します。

P&IDなどのプロセス図面の表現方法は、ISO 10628-1などの規格で扱われています。実際の図面を読む際は、適用規格に加えてプロジェクト固有の図面凡例も確認してください。

出典：ISO 10628-1:2014 （ISO）Part 1: Specification of diagrams

② アイソメ図｜配管の立体形状や寸法を示す図面

配管の立体形状、寸法、継手、接続位置などを示す図面。

アイソメ図は、配管を立体的に表現した図面です。

配管の方向転換や分岐、寸法、接続部などを確認するために使用されます。

例えば、ポンプから出た配管が上方向へ立ち上がり、エルボで水平方向へ曲がる場合、アイソメ図では配管の方向や各部分の寸法を確認できます。

アイソメ図は、配管の製作や施工、部品の数量確認などに使用されることもあります。

実務での使用例： P&IDで確認した配管ラインについて、アイソメ図を使ってエルボやフランジの配置、配管寸法、接続位置などを確認します。

なお、アイソメ図は通常、実際の寸法比率どおりに描かれているとは限りません。配管の長さや位置を確認する際は、図面に記載された寸法値を優先してください。

アイソメ投影による配管の簡略表現については、ISO 6412-2などの規格があります。

出典：ISO/TC 10/SC 10 — Process plant documentation （ISO）Process plant documentation

③ ライン番号｜配管ラインを識別するための番号

設備内の配管ラインを識別するために付けられる番号や記号。

プラントには、水、蒸気、空気、薬品などを輸送する多数の配管が設置されています。

ライン番号は、それぞれの配管ラインを識別し、図面や設計資料を照合するために使用します。

例えば、学習用に次のようなライン番号を設定したとします。

100-W-001

この表記は説明用の架空の例です。実際のライン番号に含まれる情報や記載順序は、プロジェクトごとに異なります。

実務での使用例： P&IDに記載されたライン番号をラインリストと照合し、流体の種類、設計圧力、設計温度などの情報を確認します。

P&IDとアイソメ図の比較表

配管部品の基本用語7選｜パイプ・継手・バルブなど

配管部品の基本用語は、実際の部品の形状と役割をセットで覚えましょう。

プラント配管は、パイプだけで構成されているわけではありません。

配管の方向を変えるエルボ、分岐させるティー、異なる管径をつなぐレデューサーなど、さまざまな部品を組み合わせて構成されています。

④ パイプ｜流体を輸送する管

パイプは、プラント配管を構成する基本的な部品です。

パイプには炭素鋼鋼管やステンレス鋼管など、さまざまな材料が使用されます。使用する材料は、流体の性質、温度、圧力、腐食の可能性などを考慮して選定します。

また、パイプには外径・内径・肉厚があり、流体の輸送や強度の確保に関係します。

実務での使用例： 配管仕様書とラインリストを確認し、指定された材料・呼び径・肉厚などに適合するパイプを選定します。

鋼管の寸法体系については、ASME B36.10Mなどの規格が参考になります。

⑤ エルボ｜配管の方向を変える継手

エルボは、配管を曲げる必要がある場所に使用する部品です。

例えば、水平に設置された配管を上方向へ立ち上げる場合、90°エルボを使用することがあります。

エルボには90°エルボや45°エルボがあり、曲がり半径などによっても種類が分かれます。

実務での使用例： 配管レイアウト図やアイソメ図で配管の方向転換が必要な場所を確認し、配管仕様に適合するエルボを使用します。

エルボの寸法や種類は、適用する継手規格や配管仕様に基づいて確認します。

⑥ ティー｜配管を分岐・合流させる継手

ティーは、1本の配管を別の方向へ分岐させたり、複数の流れを合流させたりする場所に使用します。

例えば、1本の冷却水配管から2台の機器へ水を供給する場合、配管を分岐させるためにティーを使用することがあります。

ティーには、主管と枝管のサイズが同じ「同径ティー」と、サイズが異なる「異径ティー」があります。

実務での使用例： P&IDで配管の分岐を確認し、配管レイアウトやアイソメ図で分岐位置と使用するティーの仕様を確認します。

⑦ レデューサー｜異なる管径の配管を接続する継手

レデューサーは、配管のサイズを変更する場所に使用します。

例えば、呼び径100Aの配管から呼び径80Aの配管へ接続する場合、適切なレデューサーを使用することがあります。

代表的な形状には、中心軸が一致する同心レデューサーと、片側の面がほぼ直線となる偏心レデューサーがあります。

実務での使用例： 配管とポンプのノズルなどで接続サイズが異なる場合に、指定されたサイズと形状のレデューサーを確認します。

⑧ フランジ｜配管や機器を接続する部品

フランジは、配管をボルト・ナットなどによって接続する場所に使用します。

例えば、ポンプと配管をフランジで接続する場合、フランジの接合面に適切なガスケットを挟み、ボルト・ナットで締め付ける構造があります。

フランジ接合は、機器の点検や交換のために接続部を取り外す必要がある場所などで使用されます。

実務での使用例： ポンプノズルと配管を接続する際、フランジのサイズ、圧力クラス、シール面形状、材質などの適合性を確認します。

ASME B16.5は、対象となる配管フランジおよびフランジ付き継手の寸法、材料、圧力・温度定格などを扱う規格です。

出典：ASME B16.5 — Pipe Flanges and Flanged Fittings （ASME）

⑨ ガスケット｜接合面からの漏れを防ぐシール部材

ガスケットは、フランジ接合部などの密封性を確保するために使用します。

フランジの接合面には微細な凹凸があるため、適切なガスケットを使用し、所定の締付け条件を満たすことで密封性を確保します。

ガスケットには、シートガスケット、うず巻形ガスケット、リングジョイントガスケットなど、さまざまな種類があります。

実務での使用例： 配管仕様書や接合部の仕様に基づき、流体・圧力・温度・フランジ面形状などに適合するガスケットを確認します。

⑩ バルブ｜流体の流れを遮断・調整する機器

バルブは、配管内を流れる水や蒸気などの流体を制御するために使用します。

例えば、ポンプの点検時に配管内の流れを遮断したい場合、適切な遮断弁を使用します。

バルブには用途に応じてさまざまな種類があります。

実務での使用例： P&IDでバルブの種類や設置位置を確認し、配管仕様書やバルブの仕様書で適用条件を照合します。

バルブの種類によって、流量調整への適性や許容される使用方法は異なります。すべてのバルブを同じ目的で使用できるわけではありません。

配管寸法の基本用語2選｜呼び径・スケジュール番号

配管の寸法を理解するために、最初に覚えたいのが「呼び径」と「スケジュール番号」です。

呼び径は配管サイズを識別するための呼称であり、スケジュール番号は管の肉厚系列を表します。

呼び径とスケジュール番号を組み合わせることで、配管寸法を確認するための基本情報を整理できます。

⑪ 呼び径｜配管サイズを表す呼称

呼び径は、配管のサイズを表すための名称です。

日本では「25A」「50A」「100A」などのA呼称や、「1B」「2B」「4B」などのB呼称が使用されています。

また、ASME系の寸法表ではNPS（Nominal Pipe Size）やDN（Nominal Diameter）が使用されます。

呼び径について注意したいのは、呼び径の数値が、そのまま配管の外径や内径を表しているわけではないという点です。

例えば、一般的な鋼管寸法系列では、次のようになります。

※一般的なASME B36.10M系の鋼管外径の例です。管種・適用寸法規格によって確認すべき寸法体系は異なります。

このように、呼び径100Aの鋼管の外径は100mmではありません。

実務での使用例： P&IDやラインリストで配管の呼び径を確認し、適用する寸法規格の寸法表と照合して外径や肉厚を確認します。

出典：ASME B36.10M — Welded and Seamless Wrought Steel Pipe （ASME）

⑫ スケジュール番号｜配管の肉厚系列を示す番号

スケジュール番号は、配管の肉厚を確認する際に使用します。

例えば、SCH10、SCH40、SCH80などの表記があります。

一般的な鋼管寸法系列では、同じ呼び径・同じ寸法規格であっても、スケジュール番号によって肉厚が異なります。

ここで重要なのは、SCH40は肉厚40mmという意味ではないという点です。

配管の肉厚は、呼び径とスケジュール番号を組み合わせ、適用する寸法表で確認します。

例えば、一般的なASME B36.10M系のNPS 4（100A）の寸法は次のとおりです。

SCH40とSCH80は外径が同じでも、公称肉厚が異なるため、内径も異なります。

実務での使用例： 配管仕様書に指定された呼び径とスケジュール番号を確認し、寸法表で外径・肉厚・内径などを照合します。

配管の必要肉厚は、設計圧力・設計温度・材料・腐れ代・製造公差などの条件を考慮して検討します。スケジュール番号だけで配管の安全性を判断することはできません。

設計条件の基本用語4選｜流量・圧力・温度・配管仕様

配管設計では、配管の形状や寸法だけでなく、どのような流体を、どのような条件で輸送するのかを把握する必要があります。

初心者が最初に覚えたい設計条件に関する用語は、流量・設計圧力・設計温度・配管仕様の4つです。

⑬ 流量｜単位時間当たりに流れる流体の量

流量は、配管の中を水や蒸気などの流体がどれだけ流れるかを表す値です。

流量には、体積を基準とする体積流量と、質量を基準とする質量流量があります。

流量は、配管のサイズや流速を検討するための基本情報です。

例えば、同じ体積流量の水を流す場合、流路断面積が小さくなると平均流速は大きくなります。

体積流量と平均流速の関係は、次の式で表せます。

Q = A × v

Q：体積流量（m³/s）、A：流路断面積（m²）、v：断面平均流速（m/s）

実務での使用例： プロセス設計で設定された流量を確認し、流速や圧力損失などを考慮して配管サイズを検討します。

⑭ 設計圧力｜配管の設計に用いる圧力条件

設計圧力は、配管の設計で考慮する圧力条件です。

例えば、通常運転時の圧力が0.5MPaであっても、起動・停止時の圧力変動や異常時の条件などを考慮する必要がある場合があります。

設計圧力と運転圧力は、同じ値になるとは限りません。

実務での使用例： 設計圧力を確認し、パイプの必要肉厚やフランジ・バルブなどの圧力定格への適合性を検討します。

設計圧力の設定では、設備の運転条件、想定される圧力変動、適用規格、プロジェクトの設計基準などを確認する必要があります。

ASME B31.3は、プロセス配管の設計・材料・構成部品などに関する要求事項を扱う規格です。

出典：ASME B31.3 — Process Piping （ASME）

⑮ 設計温度｜配管の設計に用いる温度条件

設計温度は、配管の設計で考慮する温度条件です。

例えば、高温の蒸気を輸送する配管では、温度による材料の許容応力の変化や熱膨張などを考慮する必要があります。

一方、低温の流体を輸送する配管では、材料の低温特性などが重要になる場合があります。

設計温度と通常の運転温度は、同じとは限りません。

また、圧力設計に用いる温度と、熱膨張などの変位検討に用いる温度条件は、評価目的に応じて整理する必要があります。

実務での使用例： ラインリストに記載された設計温度を確認し、配管材料・フランジ・ガスケットなどの適用性を検討します。

⑯ 配管仕様（Piping Class）｜使用する材料・部品などの仕様

配管仕様は、使用するパイプや継手、フランジ、バルブなどを確認するための重要な設計情報です。

例えば、配管仕様書には次のような情報が記載される場合があります。

実務での使用例： P&IDやラインリストで配管仕様を確認し、配管仕様書に指定された材料や部品を選定します。

なお、プロジェクトで使用する「Piping Classの識別記号」と、フランジの「ASME Class 150」「Class 300」などの圧力クラスは同じ意味ではありません。

配管仕様の識別方法や記載項目は、プロジェクトごとに異なる場合があります。

配管支持・変位の基本用語4選｜サポート・熱膨張など

配管設計では、配管を適切に支えることに加えて、温度変化などによって生じる配管の動きを考慮する必要があります。

初心者が最初に覚えたいのは、配管サポート・アンカー・熱膨張・配管応力解析の4用語です。

配管サポートは配管を支えるための構造ですが、支持する方向や拘束する方向によって、配管の動きや発生する反力が変わります。

⑰ 配管サポート｜配管を支え、必要な動きを制御する構造

配管サポートは、配管が自重や内部流体の重量などによって過大に変形しないように支持するために使用します。

また、配管サポートには、配管の移動方向を制限したり、特定の方向へ動けるようにしたりする役割があります。

代表的な支持・拘束条件には、次のような種類があります。

実際の拘束方向や自由度は、サポートの構造・設置方向・接触条件などによって異なります。

実務での使用例： 配管レイアウトと荷重条件を確認し、配管の自重を支持しながら、必要な熱膨張を考慮したサポート配置を検討します。

⑱ アンカー｜配管の移動・回転を拘束する支持条件

アンカーは、配管の位置を保持するために使用される支持・拘束条件です。

例えば、配管応力解析のモデルでアンカーを設定すると、通常はX・Y・Zの3方向の並進変位と、各軸回りの3方向の回転を拘束する理想化モデルとして扱います。

一方、実際の支持構造には剛性や変形があるため、すべてのアンカーを完全剛体とみなしてよいとは限りません。

実務での使用例： 配管の荷重や熱膨張、機器への接続条件などを考慮し、必要な拘束位置や支持構造を検討します。

アンカーの位置は、熱膨張によって発生する応力やサポート反力、機器ノズルに作用する荷重などに関係します。

そのため、アンカーは配管を固定すればよいという考え方だけで配置するものではありません。

⑲ 熱膨張｜温度変化によって配管の長さが変わる現象

金属製の配管は、温度が変化すると寸法が変わります。

一般的な金属配管では、温度が上昇すると長さが増加し、温度が低下すると収縮します。

例えば、常温で設置された配管に高温の蒸気を流す場合、配管の温度上昇によって長さが増加します。

一様な温度変化を受ける直管の自由熱伸びは、線膨張係数を一定とみなせる場合、次の式で概算できます。

ΔL=αLΔT

例えば、長さ10mの鋼管について、線膨張係数を12×10⁻⁶/℃、温度上昇を100℃と仮定すると、自由熱伸び量は約12mmです。

ただし、実際の配管では、エルボやサポート、アンカーなどによって動きが制限されます。

温度変化による配管の変位が拘束されると、配管に熱応力やサポート反力などが発生することがあります。

実務での使用例： 高温配管のレイアウトを検討する際、配管の熱膨張を考慮し、配管形状・支持条件・機器との接続条件などを確認します。

⑳ 配管応力解析｜応力・変位・反力などを評価する解析

配管応力解析は、配管に作用する荷重や温度変化などを考慮し、配管の応力や変位、サポート反力などを評価するために行います。

配管に関係する代表的な荷重・変位には、次のようなものがあります。

配管応力解析では、検討対象に応じて、応力・変位・サポート反力・機器ノズル荷重などを確認します。

例えば、高温配管では、熱膨張による変位が配管レイアウトやサポート配置に適切に考慮されているかを検討します。

実務での使用例： 配管のレイアウトや支持条件をモデル化し、適用規格やプロジェクトの設計基準に基づいて応力・変位・反力などを評価します。

配管応力解析で評価する項目や許容値は、適用規格・材料・設計条件・機器の仕様などによって異なります。

出典：ASME B31.3 — Process Piping （ASME）

実践編｜1本の配管ラインで20用語を復習しよう

配管設計の20用語を覚えたら、次は1本の配管ラインを使って、それぞれの用語がどのように関係しているかを確認しましょう。

ここでは、タンクからポンプへ水を送る架空の配管ラインを例に、図面・配管部品・寸法・設計条件・支持の5分野を復習します。

タンクからポンプへ水を送る配管を例に考える

図面・部品・寸法・設計条件・支持の順に確認する

まず、タンクとポンプが配管で接続されていることを確認します。

P&IDでは、設備の接続関係やバルブの位置などを確認します。アイソメ図では、配管がどのような方向に延び、どこで曲がっているのかなどを確認します。

続いて、配管を構成する部品を探してみましょう。

タンクからポンプまでの配管にはパイプ・バルブ・エルボ・フランジなどを使用する場合があります。フランジ接合部では、接合面の密封に適切なガスケットを使用します。

次に、配管の呼び径・スケジュール番号を確認します。呼び径と肉厚系列は、適用する寸法規格と組み合わせて確認する必要があります。

さらに、流量・設計圧力・設計温度・配管仕様を確認し、使用する部品や材料の適合性を検討します。

最後に、配管の自重を支えるサポートや、温度変化によって生じる熱膨張を考慮します。必要に応じて配管応力解析を行い、応力・変位・サポート反力などを評価します。

なお、学習用概念図に描かれていないティー・レデューサー・アンカーなども、実際の配管の構成や設計条件に応じて使用されます。

20用語の復習では、各用語を覚えるだけでなく、どの図面や設計資料を確認するために必要な言葉なのかを考えることが大切です。

5つの確認問題で理解度をチェック

最後に、20用語の基本的な意味を理解できているか確認してみましょう。

配管設計の基本チェック

Q1. P&IDとアイソメ図の主な違いは何ですか？

Q2. 配管の方向変更・分岐・異径接続には、それぞれどの継手を使用しますか？

Q3. 呼び径とスケジュール番号は何を表していますか？

Q4. 設計圧力と設計温度は、配管設計でなぜ必要ですか？

Q5. 配管の熱膨張とサポートは、どのように関係しますか？

5つの確認問題で理解できなかった用語があれば、対応する本文を読み返し、部品や図面のイメージと一緒に確認してみましょう。

配管設計初心者がよく疑問に思うこと【FAQ】

Q1. 配管設計の初心者は、20用語だけ覚えれば十分ですか？

20用語は、配管設計の全体像を理解するための入門的な学習範囲です。

実際の業務では、配管材料・溶接・図面・流体・強度・適用規格など、さらに多くの知識が必要になります。

まずは基本用語を理解し、担当する業務に応じて学習範囲を広げていきましょう。

Q2. P&IDとアイソメ図は、どちらから勉強すればよいですか？

初心者は、まずP&IDで配管・機器・計装の接続関係を理解し、次にアイソメ図で配管の立体形状や寸法を確認する学習方法が考えられます。

ただし、担当する業務によって必要な図面は異なるため、実際の作業に合わせて学習を進めてください。

Q3. 配管設計にはCADの知識が必要ですか？

配管図面の作成や修正を担当する場合、CADの操作知識は役立ちます。

ただし、CADを操作できることと、配管設計の技術的な内容を理解していることは別です。

図面の意味、配管部品、設計条件などの基礎知識も身に付けましょう。

Q4. ASME B31.3などの規格は、最初から全部覚える必要がありますか？

最初から規格の全文を暗記する必要はありません。

まずはASME B31.3がどのような配管を対象とする規格なのか、配管設計のどの項目に関係するのかを理解しましょう。

実務では、プロジェクトで指定された適用規格の版と必要な条項を確認します。

Q5. 20用語を覚えた後は何を勉強すればよいですか？

次はP&ID・アイソメ図の読み方や、配管材料と寸法の関係を学んでみましょう。

さらに、配管サポート、熱膨張、配管応力解析などを学ぶと、用語と設計業務の関係をより深く理解できます。

まとめ｜20用語を覚えたら、次は配管図面を読んでみよう

配管設計の初心者は、まず図面・配管部品・寸法・設計条件・支持の5分野に関する20用語から学習を始めてみましょう。

配管設計の基本用語は、次の5分野に分けて整理できます。

配管設計の専門用語は、名称を暗記するだけでなく、図面や配管部品、設計条件との関係を理解することが大切です。

まずは、実際のP&IDやアイソメ図を開き、今回学んだ用語がどこに登場するのか確認してみてください。

「用語の意味がわかる」から「図面に書かれた情報が理解できる」へ。

基本用語と実際の図面を関連付けながら、配管設計の知識を少しずつ広げていきましょう。

次に学びたい配管設計の基礎知識

20用語を理解したら、次は図面や設計条件について詳しく学んでみましょう。

参考文献・技術資料

本記事の執筆にあたって参照した主な技術資料は、以下のとおりです。

本記事では、規格発行元の公開情報を参考に基本概念を説明しています。

規格本文の全文を転載したものではなく、個別の設備に対する設計の適合性を保証するものでもありません。

実際の設計では、プロジェクトに指定された適用規格・版・仕様書を確認してください。

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配管スペック（Piping Specification）とは、配管に使用する材料や部品、その仕様・適用条件などを定めたものです。

Piping Class（配管クラス）は、プロジェクトで定められた配管仕様を識別するために使用されます。

配管クラスの記号だけで材質や肉厚のすべてを判断するのではなく、対応する配管スペック表を確認することが重要です。

本記事では、架空のライン番号「2″-PW-1001-A1」を例に、P&IDから配管スペック表を探し、材質・肉厚・フランジ・バルブなどの仕様を読み解くまでを5STEPで解説します。

1. 配管スペックとは？Piping Classとの関係を初心者向けに解説

配管スペックとPiping Classを理解するためには、まず「配管の仕様を定めること」と「適用する仕様を識別すること」を区別する必要があります。

配管スペックは、使用する配管材料や部品を具体的に指定するための資料です。

一方、Piping Classは、配管の種類や使用条件などに応じて定められた仕様を識別するために使用されます。

1-1. 配管スペック（Piping Specification）とは？

配管スペックとは、特定の配管に適用する材料・部品の仕様や使用上の制限などを定めたものです。

プラントでは、配管が扱う流体、設計圧力、設計温度、腐食条件などに応じて、必要となる材料や配管部品が異なります。

例えば、一般的な水を扱う配管と、高温・高圧の蒸気を扱う配管では、使用する材料や部品に求められる条件が異なります。

配管スペックは、こうした条件を踏まえて使用する配管部品の仕様を整理し、設計・調達・施工における指定内容を統一するために利用されます。

代表的な指定項目は以下のとおりです。

配管スペック表には、上記の部品仕様に加え、適用サイズ、注記、設計条件などが記載される場合があります。

ただし、すべての情報が一つのスペック表に集約されるとは限りません。

設計圧力・温度や流体条件などを、別のラインリストやプロジェクト仕様書で管理する場合もあります。

配管スペック表を読む際は、記載された項目だけでなく、関連資料への参照指示や注記も確認することが重要です。

1-2. Piping Class（配管クラス）とは？

Piping Classとは、配管に適用する仕様を識別するためのクラスです。

例えば、あるプロジェクトで「A1」という配管クラスが定められている場合、「A1」に対応する配管スペック表を確認することで、指定された管・継手・フランジ・バルブなどの仕様を調べられます。

Piping Classと配管スペックの関係

ここで注意したいのは、Piping Classの識別コードに世界共通の意味があるわけではないという点です。

「A1」という記号が何を意味するのかは、各プロジェクトの配管クラス一覧表や仕様書の定義によって異なります。

例えば、プロジェクトによってはコードに材料区分や圧力クラスなどの情報を含める場合があります。

しかし、コードを構成する文字や数字の意味は、実際の命名規則を確認するまで判断できません。

1-3. Piping Classとフランジの圧力クラスは何が違う？

配管設計では、Piping Classとは別に、フランジの「Class 150」「Class 300」といった表記が使われます。

両方にClassという言葉が含まれていますが、意味は異なります。

比較表｜Piping Classとフランジ圧力クラスの違い

例えば、「Piping Class A1」に対応する配管スペック表で、「ASME B16.5 Class 150」のフランジが指定されている場合を考えてみましょう。

「A1」は、適用する配管仕様を特定するための識別コードです。

一方、「Class 150」は、対象フランジの圧力・温度定格に関係する区分です。

Class 150は、フランジを常に150psiまで使用できるという意味ではありません。

フランジの圧力・温度定格は、材料グループや温度などの条件に応じて確認する必要があります。

ASME B16.5は、対象フランジの圧力・温度定格、材料、寸法、表示、試験などを規定しています。

出典：ASME B16.5 – Pipe Flanges and Flanged Fittings （発行元：ASME）

2. Piping Classの読み方｜P&IDのライン番号から仕様表を探す

Piping Classを読み解く第一歩は、P&IDに記載されたライン番号から対象配管のクラスを確認し、対応する配管スペック表を特定することです。

P&IDには配管の接続関係や機器・計装に関する情報が記載されていますが、配管材料や継手、フランジなどの詳細仕様がすべて記載されているわけではありません。

配管の詳細な仕様を確認するには、P&IDと配管クラス一覧表、配管スペック表を関連づけて読む必要があります。

2-1. P&IDとライン番号の基本

P&ID（Piping and Instrumentation Diagram：配管計装図）は、プラント内の機器、配管、バルブ、計装機器などの接続関係や制御・計装上の情報を示す図面です。

P&IDに記載された配管には、対象ラインを識別するためのライン番号（Line Number）が付けられます。

ライン番号の構成は、企業やプロジェクトの設計基準によって異なりますが、一般的には呼び径、流体系統、ライン識別番号、配管クラスなどの情報を組み合わせて使用します。

例えば、P&IDに次のライン番号が記載されている場合を考えてみましょう。

この例では、ライン番号の末尾にある「A1」を配管クラスとして設定しています。

ただし、実際のライン番号では、クラスコードの位置や区切り方が異なる場合があります。

配管クラスがライン番号に含まれず、ラインリストなどの別資料で指定される場合もあります。

ライン番号を正しく読むためには、最初にプロジェクトのライン番号命名規則を確認することが重要です。

2-2. Piping Classの識別コードを読み解く

架空のライン番号「2″-PW-1001-A1」を分解すると、次のようになります。

今回の例では、ライン番号の末尾「A1」が配管クラスです。

配管クラス「A1」に該当する仕様書を調べることで、使用する配管材料や部品の指定を確認します。

ライン番号に呼び径が記載されている場合も、その呼び径が配管スペック表の適用サイズ範囲に含まれているか確認する必要があります。

例えば、今回のライン番号はNPS 2を示していますが、該当する配管スペック表でNPS 2の管や継手が使用可能であることを、対象部品の指定から確認します。

2-3. 配管クラス一覧から該当するスペック表を探す

P&IDから配管クラス「A1」を確認したら、次に配管クラス一覧表（Piping Class Indexなど）を参照します。

配管クラス一覧表は、各配管クラスと対応する仕様書番号や適用条件などを整理した資料です。

例えば、今回の学習用プロジェクトでは、次のようなクラス一覧表があると仮定します。

架空の配管クラス一覧表

※クラスコードと仕様書番号はすべて架空のものです。

今回のライン番号「2″-PW-1001-A1」に適用する仕様書は、クラス一覧表から「PS-A1」であると分かります。

そのため、配管材料やフランジの仕様を確認するには、配管スペック表「PS-A1」を開きます。

実際のプロジェクトでは、以下の情報も確認してください。

• 配管スペック表の正式な文書番号と改訂番号
• 対象ラインへの適用範囲と、関連資料への参照指示
• 承認済みの仕様書であるかどうか

同じクラスコードが記載されていても、プロジェクトや仕様書の改訂版が異なれば、指定内容が変わる可能性があります。

3. 配管スペック表の見方を5STEPで解説｜材質・肉厚・フランジを確認

配管スペック表を正しく読むには、配管クラスの確認だけでなく、設計条件、対象サイズ、部品ごとの指定内容を順番に確認することが重要です。

配管スペック表には複数のサイズや部品の仕様が記載されているため、該当するクラスの表を開いただけでは、対象ラインに使用するすべての部品を特定できない場合があります。

ここからは、架空のライン番号「2″-PW-1001-A1」と仕様書「PS-A1」を用いて、実際の確認作業を5STEPで説明します。

配管スペックの読み方　5 STEP

1. P&IDから配管クラスを確認する
2. 該当する配管スペック表を探す
3. 設計条件・適用範囲を確認する
4. 対象サイズの配管・部品仕様を確認する
5. 設計条件との適合性と不明点を確認する

STEP1｜P&IDから配管クラスを確認する

最初に、対象配管のライン番号と配管クラスを確認します。

今回の架空のライン番号は、次のとおりです。

ライン番号の命名規則によれば、末尾の「A1」が配管クラス、先頭の「2″」が呼び径を示しています。

したがって、次の段階では配管クラス「A1」に対応する仕様書を探し、NPS 2に適用する配管部品を確認します。

P&IDとラインリストなどの間で、ライン番号やクラスコードが一致しているかも確認してください。

STEP2｜該当する配管スペック表を探す

架空の配管クラス一覧表では、「A1」に対応する仕様書番号は「PS-A1」です。

したがって、配管スペック表「PS-A1」を開き、文書番号、改訂番号、承認状況、適用範囲を確認します。

配管スペック表には、適用する材料や部品のほか、サイズ範囲、接続方式、注記などが記載される場合があります。

配管設計ソフトウェアのAutoCAD Plant 3Dでも、配管スペックを参照して材料、定格、接続条件などの部品情報を管理しています。また、部品ごとに使用可能なサイズ範囲を設定できます。

出典：About Specs in a Piping Model （発行元：Autodesk）オートデスクヘルプ

配管スペック表を開いたら、対象の配管クラスと呼び径について、どの部品が指定されているかを調べます。

同じ配管クラスに複数の部品やサイズが登録されている場合は、対象サイズに適用する行と、その注記を確認する必要があります。

STEP3｜設計条件・適用範囲を確認する

配管スペック表を読む際は、対象ラインに適用する設計条件と仕様書の適用範囲を確認します。

主な確認項目は、設計圧力、設計温度、材料区分、設計規格、適用サイズなどです。

配管スペック表の共通条件・適用条件

今回の架空の配管スペック表「PS-A1」では、説明を簡潔にするため、具体的な設計圧力・温度を設定していません。

実際の設計では、対象ラインの設計圧力・温度が、ラインリストやプロジェクト仕様などで指定されている場合があります。

配管スペック表と関連する設計資料を照合し、必要な設計条件を確認してください。

なお、設計圧力・温度と通常運転時の圧力・温度は、必ずしも同じ値ではありません。

設計条件を確認する際は、通常運転時の条件だけでなく、該当プロジェクトの設計基準に従って指定された条件を確認する必要があります。

また、設計規格としてASME B31.3などが指定されている場合は、プロジェクトが採用する版と、対象配管への適用範囲を確認します。

ASME B31.3は、プロセス配管について、材料・部品、設計、製作、組立、検査、試験などの要求事項を扱う規格です。

出典：ASME B31.3 – Process Piping （発行元：ASME）

STEP4｜対象サイズの配管・部品仕様を確認する

配管スペック表の共通条件を確認したら、次に対象サイズの配管と各部品の仕様を読み解きます。

今回のライン番号は「2″-PW-1001-A1」であるため、呼び径NPS 2に適用する部品を確認します。

まず、架空の配管スペック表「PS-A1」を見てみましょう。

配管スペック表は、管、継手、フランジ、ガスケット、ボルト、バルブなどの部品ごとに確認する必要があります。

それぞれの読み方を説明します。

① Pipe Material｜配管材質の読み方

架空の配管スペック表では、Pipe Materialの欄に「ASTM A106 Gr.B」と記載しています。

ASTM A106は、高温用途を含む使用を想定した継目無炭素鋼鋼管の材料仕様を定める規格です。「Gr.B」は、その規格における材料のグレードを表します。

配管材料を確認する際は、材料規格とグレードをセットで読み取ります。

ただし、管の材質がASTM A106 Gr.Bと指定されていても、継手、フランジ、バルブがすべて同じ材料規格になるわけではありません。

各部品には、製品形状や製造方法などに応じて異なる材料規格が指定される場合があります。

したがって、配管の材料欄だけを確認して、すべての部品の材質を決めつけないようにしてください。

② Pipe Schedule｜配管肉厚の読み方

架空の配管スペック表では、Pipe Scheduleの欄に「Sch.40」と記載しています。

Sch.（Schedule）は、配管の肉厚を区分するための番号です。

Sch.40とは、肉厚が40mmという意味ではありません。

配管の公称肉厚は、呼び径とSch.の組み合わせに対応する寸法規格から確認します。

例えば、今回の架空例では、NPS 2の鋼管にSch.40が指定されています。

対象管がASME B36.10の寸法体系に従う場合、NPS 2・Sch.40に対応する公称肉厚を、該当する寸法表から確認します。

ASME B36.10は、溶接鋼管と継目無鋼管の寸法を標準化する規格です。

出典：ASME B36.10 – Welded and Seamless Wrought Steel Pipe （発行元：ASME）

なお、同じSch.番号であっても、呼び径が異なれば公称肉厚が異なる場合があります。

また、Sch.は管の寸法指定であり、Sch.番号だけで配管の許容圧力や設計適合性を判断できるわけではありません。

実際の設計では、材料、設計圧力・温度、適用規格、腐れ代、製造公差など、対象配管に適用する条件を確認する必要があります。

③ Flange｜フランジ仕様の読み方

架空の配管スペック表では、フランジについて次のように記載しています。

ASME B16.5は、対象となる管フランジとフランジ付き継手について、圧力・温度定格、材料、寸法、表示、試験などを規定する規格です。

Class 150やClass 300などの圧力クラスは、フランジの材料および温度に応じた定格を確認する際に使用されます。

出典：ASME B16.5 – Pipe Flanges and Flanged Fittings （発行元：ASME）

また、「RF」はRaised Faceの略で、ガスケットが接するフランジ座面の形式を示します。

ただし、「ASME B16.5 / Class 150 / RF」という情報だけでは、実際に使用するフランジのすべての仕様を特定できません。

実務では、フランジの材料、呼び径、形状、管との接続方法なども確認します。

例えば、溶接ネックフランジ（Welding Neck）、スリップオンフランジ（Slip-on）など、フランジの種類によって構造や接続方法が異なります。

また、フランジに接続する管の肉厚に合わせた端部仕様が必要になる場合があります。

フランジの規格・Class・座面だけでなく、対象ラインに適用するフランジの種類と接続条件を確認してください。

④ Fittings｜継手の仕様の読み方

Fittings（継手）は、配管の方向を変えたり、分岐させたり、管径を変更したりするための部品です。

代表的な継手には、次のようなものがあります。

代表的な配管継手の外観イメージ

エルボ、ティー、レデューサなどについては、配管スペック表から次の項目を確認します。

例えば、対象ラインがNPS 2である場合、NPS 2に対応するエルボやティーの仕様を確認します。

ただし、分岐部や異径接続部では、主管と分岐管・接続管でサイズが異なります。そのため、分岐表（Branch Table）や個別の配管スペックの指定も確認する必要があります。

⑤ Gasket / Bolting｜ガスケットとボルトの読み方

フランジ接続部では、フランジ本体だけでなく、ガスケット、ボルト、ナットなどの仕様も確認します。

ガスケットは、フランジ接続部の密封に使用する部品です。

ガスケットの選定に必要な項目には、材料、形式、寸法、圧力・温度条件、流体との適合性などがあります。

ボルト・ナットについても、材料、寸法、強度区分などの指定を確認する必要があります。

例えば、配管スペック表にClass 150のRFフランジが記載されていても、その情報だけでガスケットやボルトの仕様がすべて決まるわけではありません。

プロジェクトの配管スペック表や関連する部品仕様書に記載された指定を確認してください。

⑥ Valve｜バルブの仕様の読み方

バルブは、流体の遮断、流量調整、逆流防止などに使用する部品です。

代表的なバルブには、ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、チェックバルブなどがあります。

配管スペック表では、バルブの種類だけでなく、材料、圧力クラス、端部接続、適用サイズなどの情報を確認します。

バルブの主な確認項目

ASME B16.34は、対象となるバルブについて、圧力・温度定格、材料、寸法、試験、表示などの要求事項を規定しています。

出典：ASME B16.34 – Valves: Flanged, Threaded, and Welding End （発行元：ASME）

バルブの仕様を確認する際は、管やフランジの指定だけから使用可能なバルブを判断しないようにしてください。

特に、バルブの形式、端部接続、シート・シール材などは、対象流体や使用条件によって確認が必要となる項目です。

STEP5｜設計条件との適合性と不明点を確認する

配管スペック表から必要な情報を読み取ったら、最後に、配管仕様が対象ラインの設計条件に適用できるかを確認します。

配管スペック表の内容を理解できたことと、実際の配管設計が成立していることは同じではありません。

例えば、今回の架空例では、管材としてASTM A106 Gr.B、肉厚区分としてSch.40、フランジとしてASME B16.5 Class 150が記載されています。

しかし、設計圧力・温度やガスケット・バルブなどの仕様が未確定であるため、この組み合わせが実際の対象ラインに適合するかどうかは判断できません。

実際のプロジェクトでは、少なくとも次の項目を確認します。

ASME B31.3はプロセス配管の材料・部品、設計、製作、検査、試験などを扱います。配管の適合性を確認する際は、プロジェクトに適用される設計規格の要求事項を確認する必要があります。

出典：ASME B31.3 – Process Piping （発行元：ASME）

また、配管スペック表の指定とP&IDやラインリストの内容が一致しない場合は、どの資料のどの項目に相違があるのかを整理し、設計責任者へ確認してください。

仕様の不一致を、設計担当者の判断だけで修正したり、別の部品へ変更したりしないことが重要です。

4. 配管スペックを読むときの注意点｜間違えやすい5つのポイント

配管スペック表を読む際は、個々の項目の意味だけでなく、対象ラインへの適用条件や部品同士の関係にも注意が必要です。

特に、Piping Classの識別コード、フランジの圧力クラス、配管のSch.は、それぞれ異なる意味を持っています。

実務で注意したい5つのポイントを確認しましょう。

4-1. Piping Classのコードだけで材質を判断しない

Piping Classの識別コードは、プロジェクトごとに定義されるため、コードに含まれる英字や数字だけで配管材質を決めつけないようにしてください。

例えば、架空のコード「A1」を見て「Aは炭素鋼を意味する」と推測することはできません。

対象プロジェクトのクラス一覧や仕様書を確認し、コードの意味と対応する配管仕様を特定する必要があります。

確認方法： 配管クラスの凡例・命名規則を確認し、対象コードに対応する配管スペック表を開く。

4-2. フランジのClass番号を許容圧力と混同しない

ASME B16.5のClass 150やClass 300は、フランジの圧力・温度定格に関係する区分です。

Class 150を「150psiまで使用可能」と解釈したり、Class 300なら常にClass 150の2倍の圧力まで使用できると判断したりすることは適切ではありません。

フランジの適用可否は、対象材料と設計温度に対応する圧力・温度定格を確認する必要があります。

出典：ASME B16.5 – Pipe Flanges and Flanged Fittings （発行元：ASME）

確認方法： フランジの材料、圧力クラス、設計温度、適用規格を確認し、該当する圧力・温度定格と照合する。

4-3. 同じ配管クラスでもサイズごとに肉厚・部品仕様を確認する

同じPiping Classに属する配管でも、呼び径によって適用する管の肉厚区分や継手の種類、接続方法などが異なる場合があります。

例えば、ある配管クラスでNPS 2にはSch.40の管が指定されていても、同じクラスの別の呼び径にSch.40が指定されているとは限りません。

配管クラスだけでなく、対象呼び径に適用される管・継手・フランジ・バルブの仕様を個別に確認しましょう。

4-4. 配管クラスの変更位置（Class Break）を見落とさない

配管系統では、接続する機器の条件やプロセス上の要求などに応じて、配管クラスが途中で変更される場合があります。

このような配管クラスの変更境界は、Class Breakと呼ばれます。

例えば、同じP&IDに接続される配管であっても、ある区間にはクラスA1、別の区間にはクラスB1が適用される場合があります。

配管クラスが変更される位置や接続部の仕様を確認しないまま、一つのクラスの部品を系統全体に適用しないようにしてください。

確認方法： P&IDのクラス変更表示、ライン番号、ラインリスト、関連図面、プロジェクトの設計ルールを照合する。

4-5. 配管スペック表の改訂番号と例外事項を確認する

配管スペック表は、設計条件の変更や材料・部品の見直しなどにより、改訂される場合があります。

以前の業務で使用した配管スペック表が、現在のプロジェクトでも有効とは限りません。

仕様書を確認する際は、文書番号だけでなく、改訂番号、承認状況、適用範囲、注記、例外事項なども確認してください。

確認方法： プロジェクトの文書管理システムなどから、現在適用する承認済みの仕様書と関連図面を確認する。

比較表｜配管スペックで間違えやすい項目と正しい確認方法

5. 配管スペックの確認チェックリスト｜実務で使う前に確認したい項目

配管スペックの読み方を理解したら、実際のプロジェクト資料を使って仕様確認の手順を実践してみましょう。

P&ID、ラインリスト、配管クラス一覧、配管スペック表を照合し、必要な情報を順番に確認します。

• P&ID・ラインリストから対象配管と配管クラスを特定した
• 該当する配管スペック表の適用範囲・改訂番号・承認状況を確認した
• 設計圧力・温度などの設計条件と注記を確認した
• 対象呼び径の管・継手・フランジ・ガスケット・ボルト・バルブの仕様を確認した
• 不明点・不一致・例外事項を整理し、設計責任者への確認事項を明確にした

配管スペックの確認で不明点が見つかった場合は、曖昧なまま設計を進めず、どの資料のどの指定が不明なのかを整理してください。

例えば、「配管クラスA1のNPS 2のフランジについて、仕様表にはClass 150と記載されているが、適用するフランジ材料と接続形式が確認できない」といった形で質問を具体化すると、必要な情報を確認しやすくなります。

また、配管スペック表に記載されていない部品やサイズを使用する必要がある場合は、プロジェクトの設計基準に従い、適切な承認手続きを確認してください。

配管スペックの確認チェックリストは、設計審査や安全性の検証を代替するものではありません。

配管の設計・施工に適用する際は、該当プロジェクトの設計責任者による確認と必要な承認を受けてください。

6. 配管スペック・Piping Classのよくある質問

Q1. 配管スペックとPiping Classは同じ意味ですか？

配管スペックとPiping Classは密接に関連する概念ですが、厳密には役割が異なります。

配管スペックは、配管に適用する材料や部品の仕様などを定めたものです。

Piping Classは、プロジェクト内で適用する配管仕様を識別するためのクラスです。

実務では、配管スペックとPiping Classを近い意味で使用する場合もありますが、配管の仕様を確認する際は、対象クラスに対応する仕様書を特定することが重要です。

Q2. Piping ClassのA1やB1には共通の意味がありますか？

Piping Classの識別コードに、すべてのプロジェクトで共通する意味があるわけではありません。

企業やプロジェクトごとに、材料区分、圧力クラス、流体条件などを考慮した独自の識別コードを設定する場合があります。

A1やB1などの意味を確認する際は、対象プロジェクトの配管クラス一覧表、命名規則、配管スペック表を参照してください。

Q3. Piping ClassとフランジのClass 150は同じものですか？

Piping ClassとフランジのClass 150は異なる概念です。

Piping Classは配管仕様を識別するためのクラスです。一方、ASME B16.5のClass 150は、フランジの圧力・温度定格に関係する区分です。

Class 150という番号を、そのまま使用可能圧力と解釈しないようにしてください。

フランジの適用可否は、材料、温度、対象部品の仕様などを確認して判断する必要があります。

Q4. 同じPiping Classなら、すべての配管で同じSch.を使用しますか？

同じ配管クラスでも、対象の呼び径によってSch.や部品仕様が異なる場合があります。

Sch.は管の肉厚区分であり、同じSch.番号でも呼び径によって公称肉厚が異なる場合があります。

配管スペック表では、対象サイズに適用する管の肉厚区分を確認し、必要に応じて該当する寸法規格から公称肉厚を調べてください。

Q5. P&IDに配管クラスが記載されていない場合はどうしますか？

P&IDに配管クラスが記載されていない場合は、ラインリストや関連する設計資料を確認してください。

配管クラスの指定方法は、プロジェクトの図面・文書管理ルールによって異なります。

P&IDのライン番号から配管クラスを読み取れない場合でも、ラインリストや仕様書に対象ラインの情報が記載されている場合があります。

該当する資料を確認しても配管クラスを特定できない場合は、配管設計担当者や設計責任者に確認しましょう。

Q6. 配管スペック表だけで配管の設計は完了しますか？

配管スペック表を確認しただけでは、配管の設計は完了しません。

配管スペック表は、配管材料や部品の仕様などを確認するための重要な資料ですが、実際の設計では、設計圧力・温度、配管レイアウト、配管肉厚、荷重、熱膨張、支持方法、機器との接続条件なども検討する必要があります。

例えば、ASME B31.3はプロセス配管の材料・部品や設計、製作、検査、試験などの要求事項を扱っています。

出典：ASME B31.3 – Process Piping （発行元：ASME）

配管スペック表の確認は、配管設計に必要な作業の一つとして位置づけ、適用する設計規格やプロジェクト仕様に基づいて、必要な検証を実施してください。

7. まとめ｜配管スペックは5 STEPで読み解こう

配管スペック（Piping Specification）は、配管に使用する材料や部品、その仕様・適用条件などを定めたものです。

Piping Classは、対応する配管仕様を識別するために使用されます。

P&IDに記載された配管クラスの記号だけで使用する部品を判断するのではなく、配管クラス一覧や配管スペック表を参照し、対象サイズの材料・肉厚・フランジ・バルブなどの仕様を確認することが重要です。

1. P&IDで配管クラスを確認する
   対象ラインのクラスコードを特定する。
2. 該当する配管スペック表を探す
   クラス一覧から対応する仕様書を確認する。
3. 設計条件・適用範囲を確認する
   設計圧力・温度、適用規格、注記などを確認する。
4. 対象サイズの部品仕様を読む
   管・継手・フランジ・ガスケット・バルブなどの指定を確認する。
5. 設計条件との適合性と不明点を確認する
   関連資料と照合し、必要な事項を設計責任者に確認する。

配管スペック表を読み解くために、すべてのクラスコードを暗記する必要はありません。

重要なのは、対象ラインに適用する配管クラスを特定し、必要な資料を探して、材料・部品の仕様を確認できるようになることです。

まずは、実際のプロジェクトのP&IDと承認済みの配管スペック表を開き、担当ラインの仕様を5STEPに沿って確認してみましょう。

配管スペックの読み方を身につけたら、次は配管肉厚、熱膨張、配管応力解析、配管サポートなどの設計知識へと学習を広げていきましょう。

参考文献・参照資料

本記事の技術的な説明では、以下の規格発行機関およびソフトウェア開発元の公式資料を参照しています。

本記事は、配管スペックとPiping Classの基本概念および仕様表の読み方を解説する技術学習用コンテンツです。

規格の公式紹介資料は、規格本文のすべての要求事項を示すものではありません。

実際の配管設計・製作・検査などでは、対象プロジェクトに適用する規格の正式な版と関連仕様書を確認してください。

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配管設計を始めたばかりの方にとって、フレキシビリティ解析はつまずきやすいテーマの一つです。

しかし、最初から難しい応力計算を考える必要はありません。

配管フレキシビリティ解析とは、熱で伸びる配管を「どこへ動かし、どこで拘束するか」を考え、その結果として発生する応力・変位・反力・機器への荷重を確認する解析です。

この記事では、配管フレキシビリティ解析の基本を次の5STEPで整理します。

1. どれだけ伸びる？
2. どこへ動かす？
3. どこを拘束する？
4. 解析結果を4項目で確認する
5. NGならLayout・Supportを見直す

難しい式よりも先に「配管がどう動くのか」を理解すれば、フレキシビリティ解析の全体像がかなり見えやすくなります。

この記事のポイント

フレキシビリティ解析は、単に配管を「柔らかくする」ための解析ではありません。
必要な方向には動かし、不要な方向には動かさない配管系を設計することが重要です。

※実際の配管設計では、適用する設計規格、プロジェクト仕様、材料、温度・圧力条件、機器メーカーの許容荷重などを確認し、必要に応じて配管応力解析の専門担当者による検証を行ってください。

配管フレキシビリティ解析とは？まず「熱伸びの逃げ道」と考えよう

結論から言うと、**配管フレキシビリティ解析は「熱で伸びた配管の逃げ道を考える解析」**と理解すると分かりやすくなります。

高温配管を見ると、最初に、「応力はいくつになるのだろう？」と考えたくなります。

しかし、その前に確認したいことがあります。

「この配管は温度が上がったとき、どちらへ動こうとするのか？」という点です。

ASMEが提供するB31.3の設計教育でも、配管の十分な柔軟性、簡易配管解析・レイアウト、配管サポート設計は一連のテーマとして扱われています。

つまり、フレキシビリティは応力値だけではなく、レイアウトやサポートを含む配管設計全体の問題です。

熱伸びと熱応力は同じではない

温度が変化したときの配管の自由熱膨張量は、基本的に次の式で考えられます。

Δ L=α L Δ T

• ΔL：熱伸び量
• α：線膨張係数
• L：配管長
• ΔT：温度差

ここで大切なのは、ΔLはまず「変位」の話だということです。

例えば、一端を固定してもう一端が完全に自由な直管であれば、温度が上昇した配管は自由端側へ伸びることができます。

一方、配管の伸びようとする動きを両側から強く拘束すると、自由熱膨張が妨げられます。

すると、

Temperature（温度変化）
↓
Thermal Expansion（熱膨張）
↓
Restraint（拘束）
↓
Reaction Force / Moment（反力・モーメント）
↓
Thermal Stress（熱応力）

という流れが生まれます。

つまり、

熱膨張＝熱応力ではありません。

熱膨張によって生じようとする変位を拘束することが、反力や熱応力を発生させる重要な要因です。

フレキシビリティ解析と配管応力解析の違い

「フレキシビリティ解析と配管応力解析は別の解析ですか？」

という疑問もよくあります。

初心者向けには次のように整理すると分かりやすいでしょう。

比較表： フレキシビリティ解析と配管応力解析の違い

フレキシビリティ解析と配管応力解析を完全な別物として考える必要はありません。

配管応力解析の中で、熱膨張による変位を配管系がどのように吸収するかを見る重要な考え方がフレキシビリティ解析と考えると理解しやすくなります。

配管フレキシビリティ解析は5-STEPで考える

フレキシビリティ解析では、いきなり解析ソフトに配管モデルを入力するよりも、次の5-STEPを頭の中で整理してからモデルを見る方が理解しやすくなります。

STEP1｜温度差から「どれだけ伸びるか」を確認する

最初に確認するのは、配管がどれだけ伸びようとしているかです。

主な確認項目は、

• Installation Temperature
• Operating Temperature
• 温度差 ΔT
• 配管長 L
• 材料の線膨張係数 α

です。

例えば長い高温配管では、熱伸び量が数mmではなく数十mmになることもあります。

重要なのは、

この配管は運転時に何mm、どちらの方向へ伸びようとしているのか？

と考えることです。

熱膨張量そのものの詳しい計算方法は、別記事の「配管の熱膨張」で詳しく確認すると理解しやすくなります。

STEP2｜伸びた配管を「どこへ動かすか」を決める

次に考えるのは、発生した熱伸びをどこへ逃がすかです。

代表的な方法には、

• Elbow
• L字レイアウト
• Z字レイアウト
• Offset
• Expansion Loop
• 長い配管レグ

などがあります。

ここで覚えておきたいのが、

配管レイアウトそのものが、熱変位を吸収する「ばね」のように働く

という考え方です。

例えば、まっすぐな配管を両側から強く固定すれば、軸方向の熱伸びを逃がしにくくなります。

一方、途中に90°エルボがあり、エルボから先に十分な長さの配管レグがあれば、軸方向の熱伸びを横方向の曲げ変形として吸収できる場合があります。

ASMEのPipe Stress Engineeringでも「Thermal Expansion and Piping Flexibility」の中で、熱膨張力・応力、柔軟性を与える方法、SIF・Flexibility Factorなどが一連のテーマとして扱われています。

STEP3｜Anchor・Guideなどで「どこを拘束するか」を決める

配管の動く方向を決めたら、次にどの自由度を拘束するかを考えます。

ここで重要になるのが配管サポートです。

配管サポートを単なる「配管を支える金物」と考えるだけでは、熱膨張設計は理解しにくくなります。

フレキシビリティ解析では、

配管サポート＝配管が動ける方向と動けない方向を設計するもの

と考えることが重要です。

比較表： Rest・Guide・Line Stop・Anchorの基本的な役割

※実際の拘束自由度は、解析モデル、サポート構造、クリアランス、摩擦、Gap条件などによって異なります。「Guideだから必ずこの自由度」と機械的に判断せず、実際の支持構造を確認してください。

例えばGuideは配管を完全に止めるためのサポートではありません。

横方向への移動を抑えながら、軸方向への熱伸びを誘導することがGuideの重要な役割です。

そのため、Guide位置を変更するだけでも配管の変形形状やSupport Reactionが変わることがあります。

STEP4｜解析結果は4項目セットで確認する

配管応力解析を行ったら、Stressだけを見て終わりにしないことが大切です。

最低限、次の4項目をセットで確認します。

① Stress｜配管そのものは許容範囲か

まず確認するのが配管応力です。

ASME B31.3などの適用規格に従い、

• Sustained
• Expansion
• Occasional

などの荷重ケースについて、算定応力と許容値を比較します。

ASME公式によれば、現行のASME B31.3-2024でもFlexibility and Stress Intensification Factorsは主要な設計項目として扱われています。

ただし、

StressがOKだから配管設計全体もOK

とは限りません。

② Displacement｜配管はどこへ何mm動くか

Displacementでは、

• 配管がどちらへ動くか
• 移動量は何mmか
• 周辺設備と干渉しないか
• サポートから外れないか
• 可動部のストロークを超えないか

などを確認します。

解析結果を見るときは、数値表だけでなく変形図を見ることも重要です。

設計時に「この配管は＋X方向へ動くはず」と考えていたのに、解析モデルでは－Y方向へ大きく移動しているなら、サポート条件やモデル化を再確認する必要があります。

③ Reaction｜Supportや構造物にどれだけ荷重が入るか

Reactionとは、Anchor・Guide・Restなどに発生する反力です。

例えば、

• Anchor Reaction
• Guide Load
• Steel Structureへの荷重
• Support Beamへの荷重
• Foundationへの荷重

などの確認につながります。

配管自体のStressが許容範囲でも、Anchor Reactionが過大になることがあります。

その場合、配管側だけでなく支持構造物側の設計にも影響します。

④ Nozzle Load｜機器接続部へどれだけ荷重が伝わるか

配管はポンプ、圧力容器、熱交換器、塔槽類などのノズルへ接続されています。

配管が熱膨張すると、その変位がノズルで拘束され、

• Fx
• Fy
• Fz
• Mx
• My
• Mz

という力・モーメントが機器側へ伝わります。

J-STAGE掲載のノズル－シェル接合部に関する研究では、機器側のフレキシビリティを考慮すると、完全固定として扱う場合に比べてノズルに生じる反力・モーメントが変化することが示されています。

境界条件をどの程度の剛性として扱うかが、配管解析結果に影響することが分かります。

STEP5｜NGならLayout・Supportへ戻る

解析結果がNGだったとき、フレキシビリティ解析はそこで終了ではありません。

解析結果を配管設計へフィードバックすることが重要です。

例えば熱応力やNozzle Loadが大きい場合には、

• ElbowやOffsetを追加する
• 配管レグを長くする
• Expansion Loopを検討する
• Guide位置を変更する
• Anchor位置を変更する
• Line Stopの位置を見直す
• Spring Supportを検討する
• 境界条件や機器剛性を確認する

などの方法があります。

考え方は、

Analysis
↓
NG
↓
Layout / Support / Boundary Conditionを変更
↓
Re-analysis

という繰り返しです。

つまり、

配管応力解析は合否を判定するだけのツールではなく、より良い配管レイアウトへ修正するためのフィードバックツール

と考えると実務につながります。

配管を固定しすぎても、柔らかくしすぎてもいけない

配管フレキシビリティ設計では、「硬いほど安全」「柔らかいほど安全」という考え方のどちらも正しくありません。

目標は、

必要な方向には動き、不要な方向には動かない配管

です。

「Supportを増やせば安全」が間違いになる理由

配管サポートを増やせば、自重によるたわみや振動を抑えやすくなる場合があります。

しかし、高温配管では話が変わります。

例えば熱膨張する方向へ強い拘束を追加すれば、

Support追加
↓
Thermal Displacementを拘束
↓
Reaction増加
↓
Thermal Stress・Nozzle Load増加

となる可能性があります。

したがって、

「配管が動くからSupportを追加しよう」

と即断するのではなく、

「その動きは許容すべき動きなのか、それとも止めるべき動きなのか」

を先に考える必要があります。

実務で意識したい一言アドバイス

【結論】： 高温配管のSupportを検討するときは、Supportを追加する前に「その配管をどちらへ伸ばしたいか」を決めてください。

熱膨張配管では、すべての動きを止めることが必ずしも安全側になりません。拘束を一つ増やしただけで、別のAnchorや機器ノズルへ荷重が移ることがあります。Supportは「止める部品」ではなく、配管の動きをコントロールする部品として考えることが重要です。

「柔らかいほど安全」でもない

では、配管をできるだけ自由に動かせばよいのでしょうか。

それも違います。

配管を柔らかくしすぎると、

• 自重による変位
• 振動
• 地震時の大きな移動
• 周囲との干渉
• サポートからの脱落
• 機器ノズル周辺の不安定な挙動

など、別の問題が発生する場合があります。

比較表： 荷重によって配管に求められる設計思想は異なる

つまり、配管フレキシビリティ設計とは「柔らかい配管を作ること」ではありません。

柔軟性と剛性のバランスを取ることが重要です。

Flexibility FactorとSIFの違い

配管フレキシビリティ解析を調べると、

• Flexibility Factor
• Stress Intensification Factor
• SIF
• k-factor
• i-factor

といった言葉が出てきます。

初心者が最初に理解しておきたい違いは、非常にシンプルです。

Flexibility Factor＝曲がりやすさ・たわみやすさの補正
SIF＝局部的な応力の増えやすさの補正

です。

Flexibility Factorは「たわみやすさ」

エルボは曲げモーメントを受けたとき、単純な直管梁とまったく同じ変形をするわけではありません。

エルボでは断面の変形などによって、直管と比較して曲がりやすい挙動を示します。

日本溶接協会の疲労ナレッジプラットフォームでは、配管系を梁要素として扱う際、断面変形などによる剛性低下を反映して配管系全体のたわみ性を評価するためにFlexibility Factorを用いる考え方が説明されています。また、規定式の適用条件から外れる場合には、FEMや実験によって係数を求める考え方も示されています。

初心者向けに言い換えると、

Flexibility Factorは「この配管部品は単純な梁よりどれだけ曲がりやすいか」を解析モデルへ反映する係数

です。

SIFは「応力の増えやすさ」

一方、Stress Intensification Factor（SIF）は、エルボやティーなどの形状によって発生する局部的な応力増大を評価へ反映するための係数です。

伊藤忠テクノソリューションズの技術解説でも、配管系を梁要素でモデル化したときの単純な応力計算だけでは継手部分の実際の応力状態を十分に表現できないため、SIFを使って評価する考え方が説明されています。

比較表： Flexibility FactorとSIFの違い

ASME B31Jとは？

ASME B31Jは、金属配管部品のStress Intensification Factor（i-Factor）とFlexibility Factor（k-Factor）を扱うASME規格です。

ASME公式ページでは、現在B31J-2023が掲載されています。

B31Jの目次には、Bend・MiterのFlexibility／Stress Intensification Factorに加え、Branch ConnectionのFlexibility Factorを決定する試験方法や配管系解析への使用方法も含まれています。

また、ASME B31.3の現行版として掲載されているB31.3-2024では、Flexibility and Stress Intensification Factors（319・320項）が主要改訂事項の一つとして挙げられています。

ただし、配管フレキシビリティ解析を初めて学ぶ段階では、B31Jの詳細な算定式を暗記する必要はありません。

まずは、

k＝たわみやすさ
SIF＝応力の増えやすさ

という違いを理解しておけば十分です。

解析結果はStressだけ見ればよい？4つの結果を確認しよう

配管応力解析では、Stress Ratioが基準以下になっているかを見ることは重要です。

しかし、Stressだけを確認して解析を終了すると、設計上の問題を見落とす可能性があります。

Stress｜配管そのものは規格上OKか

Stressでは、適用する配管コードに従って配管応力を評価します。

ASME B31.3を使う場合には、例えば、

• Sustained
• Expansion
• Occasional

などの評価があります。

SUS・EXP・OCCやSh・Sc・SAの意味については、個別記事で詳しく確認すると理解しやすくなります。

Displacement｜配管はどこへ何mm動くか

Displacementでは数値だけでなく、変形方向も確認します。

特に重要なのが、

設計時に予想していた方向へ、本当に配管が動いているか？

というチェックです。

例えばGuideで軸方向へ誘導するつもりだった配管が、想定外の横方向へ大きく動いていれば、

• Guide条件
• Gap
• Support位置
• Anchor位置
• 境界条件

などを再確認する必要があります。

Reaction｜Support側は耐えられるか

Reactionは、

配管から支持構造へ伝わる荷重

です。

Anchor Reactionが大きければ、配管側で応力がOKでも、

• Support Steel
• Rack
• Beam
• Foundation
• Anchor Bolt

などの構造設計で問題になる可能性があります。

Nozzle Load｜機器側は耐えられるか

Nozzle Loadでは、

配管から機器へ伝わる力・モーメント

を確認します。

特に、

• Pump
• Compressor
• Heat Exchanger
• Vessel
• Tower

などの接続部では重要です。

配管が柔らかくなれば熱応力が低下する場合がありますが、どこへ荷重が移るかまで確認しなければ設計全体の評価はできません。

したがって解析結果は、

Stress + Displacement + Reaction + Nozzle Load

の4点セットで見ることをおすすめします。

フレキシビリティ解析で初心者がやりがちな5つの失敗

フレキシビリティ解析では、解析ソフトの操作ミス以上に、配管の動きをイメージしないままモデルを作ることが大きな問題になりやすいです。

比較表： 初心者がやりがちな5つの失敗と改善方法

失敗1｜Anchorを増やせば安全だと思う

Anchorを追加すると配管の動きは小さくなります。

しかし、熱伸びを拘束することで熱反力が増える可能性があります。

動きを小さくすることと、荷重を小さくすることは同じではありません。

失敗2｜Guideを「とりあえず」置く

Guideには配管を望ましい方向へ誘導する役割があります。

Guide位置やGap条件を適当に決めると、熱膨張の逃げ方そのものが変わります。

Supportを配置するときは、「何を止めたいのか」「何を動かしたいのか」をセットで考えます。

失敗3｜Stress Ratioだけ確認する

Stress Ratioが低くても、

• 大変位
• Anchor Reaction過大
• Nozzle Load過大

が発生している可能性があります。

解析レポートを確認するときは、Stress結果だけで判断しないことが重要です。

失敗4｜解析ソフトの結果をそのまま正しいと思う

CAESAR IIやAutoPIPEなどの配管応力解析ソフトは強力なツールです。

しかし、解析ソフトは入力されたモデルに従って計算します。

入力したSupport条件が実際の支持構造と異なっていれば、計算自体が正確でも現実の配管挙動とは異なる結果になります。

解析後には、

「この変形形状は物理的に納得できるか？」

を必ず確認したいところです。

失敗5｜熱応力NGなら肉厚を増やす

熱応力の問題では、管を厚くするだけで期待した改善にならない場合があります。

熱変位を拘束していることが根本原因なら、

• Layout
• Elbow
• Leg Length
• Guide
• Anchor
• Line Stop

などを見直して配管の逃げ道そのものを改善する方が本質的です。

実務で意識したい一言アドバイス

【結論】： 解析結果を見るときは、Stress表より先に変形図を見るくらいの意識を持つと、配管の挙動を理解しやすくなります。

変形図を見ると「なぜこのSupport Reactionが大きいのか」「なぜこのNozzle Loadが増えたのか」という原因を追いやすくなります。数値の合否だけではなく、配管がなぜその数値になったのかを考えることがフレキシビリティ解析を理解する近道です。

配管フレキシビリティ解析の基本FAQ

Q1. フレキシビリティ解析と配管応力解析は同じですか？

完全な別物と考える必要はありません。

配管応力解析は重量・圧力・温度・地震などを含む配管系全体の解析で、フレキシビリティ解析は特に熱膨張などの変位を配管の柔軟性でどのように吸収するかを見る重要な考え方です。

Q2. 配管が長いほどフレキシビリティは高くなりますか？

一般的には、曲げ変形に使える配管レグが長ければ柔軟性を確保しやすくなります。

ただし、配管を長くすれば必ず良いわけではありません。

長くなることで重量、たわみ、振動、Support配置、スペースなど別の課題も増えるため、総合的な設計が必要です。

Q3. エルボを増やせば熱応力は必ず下がりますか？

必ず下がるとは限りません。

熱応力は、

• エルボ位置
• 配管レグ長
• 管径
• 肉厚
• 温度
• Support位置
• Anchor位置
• 機器境界条件

などの組み合わせで決まります。

エルボを追加する目的は「個数を増やすこと」ではなく、適切な方向へ変形できるレイアウトを作ることです。

Q4. Anchorは少ない方がよいですか？

一概には言えません。

Anchorには、

• 配管系統を分割する
• 熱膨張方向を制御する
• 機器を保護する
• Expansion Joint等の荷重を受ける

などの目的があります。

Anchorの数よりも、なぜその位置にAnchorが必要なのかを明確にすることが重要です。

Q5. CAESAR IIなどがあれば原理を知らなくても解析できますか？

操作自体は可能でも、解析結果の妥当性を判断するには基本原理が必要です。

特にSupport・Gap・Friction・Boundary Conditionなどを誤ると、計算結果が現実の配管挙動と異なる可能性があります。

解析ソフトを使う前に、

「どちらへ動くはずか」

を予測できることが重要です。

Q6. フレキシビリティ解析はすべての配管で必要ですか？

すべての配管について同じレベルの詳細解析が必要とは限りません。

解析の必要性や評価方法は、

• 適用規格
• 温度
• 配管径
• 材料
• レイアウト
• 機器接続
• サービス条件
• プロジェクト仕様

などによって変わります。

実設計では、適用するASME B31.3などのコードやプロジェクトのStress Analysis Criteriaを確認してください。

まとめ｜フレキシビリティ解析は「どこへ動かし、どこで止めるか」で考える

配管フレキシビリティ解析は、難しい公式から覚える必要はありません。

まず次の5STEPを覚えると、配管応力解析の考え方を整理しやすくなります。

STEP1｜どれだけ伸びる？
温度差からThermal Expansionを確認する。

↓

STEP2｜どこへ動かす？
Elbow・Offset・配管レグなどのLayoutで熱変位の逃げ道を作る。

↓

STEP3｜どこを拘束する？
Rest・Guide・Line Stop・Anchorで配管の自由度をコントロールする。

↓

STEP4｜4つの解析結果を見る
Stress・Displacement・Reaction・Nozzle Loadを確認する。

↓

STEP5｜NGなら再設計する
Layout・Support・Boundary Conditionを見直して再解析する。

配管フレキシビリティ解析とは、単に配管を「柔らかくする」解析ではありません。

必要な方向には動かし、不要な方向には動かさない配管系を作るための設計です。

配管がどちらへ動こうとしているのかを理解できるようになると、Stress・Reaction・Nozzle Loadの数値にも理由が見えてきます。

次に読んでおきたい関連記事

フレキシビリティ解析の全体像が分かったら、次は配管応力解析でSUS・EXP・OCCが何を意味するのかを確認すると理解が深まります。

特に、次の順番で学ぶと各テーマがつながりやすくなります。

配管の熱膨張
↓
配管フレキシビリティ解析 ← 今ここ
↓
配管応力解析
↓
ASME B31.3
↓
Sh・Sc・SA
↓
Nozzle Load

配管フレキシビリティ解析を入口として、**「熱伸び→応力→許容値→機器への影響」**まで一続きで理解していきましょう。

この記事の主な参考資料

• ASME B31.3-2024 Process Piping — ASME。Process Pipingの現行版として掲載され、Flexibility and Stress Intensification Factors（paras. 319 & 320）が主要改訂項目に含まれています。
• ASME B31J-2023 — ASME。金属配管部品のStress Intensification Factors（i-Factors）およびFlexibility Factors（k-Factors）を扱う規格です。
• ASME B31.3 Process Piping Design — ASME。Piping Flexibility、Stress Intensification Factors、Piping Analysis and Layout、Pipe Support Designを体系的に扱う公式教育資料です。
• 疲労ナレッジプラットフォーム FC-09 — 一般社団法人 日本溶接協会。配管系のFlexibility Factorの適用条件と、適用範囲外でのFEM・実験による評価の考え方を扱っています。
• ASME B31J-2017におけるティーの新しい応力集中係数とたわみ係数 — 伊藤忠テクノソリューションズ engineering-eye。SIFとFlexibility Factor、ティーの柔軟性について実務的に解説しています。
• リフラクトリーライニングの剛性を考慮したノズル－シェル接合部のフレキシビリティ及び応力解析法の提案 — 『圧力技術』43巻3号、J-STAGE。機器ノズル側のフレキシビリティと配管熱応力解析・ノズル反力の関係を扱っています。

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「StressはOKだけど、Nozzle LoadがNGだから配管ルートを見直して」

と言われることがあります。

配管応力が許容値以内なのに、なぜ設計変更が必要なのか疑問に感じる人も多いのではないでしょうか。

配管ノズル荷重（Nozzle Load）とは、配管からポンプや熱交換器などの機器接続部へ伝わるForce（力）とMoment（曲げ・ねじり）のことです。

最初に覚えておきたいポイントは、

配管を守るStress、機器を守るNozzle Load

という違いです。

Pipe Stressは主に配管自身の健全性を評価します。一方、Equipment Nozzle Loadは配管から接続機器へ伝わる荷重を評価します。

したがって、Pipe StressがOKでもEquipment Nozzle LoadがNGになることはあります。

この記事では、配管ノズル荷重を初めて学ぶ人に向けて、

1. Nozzle Loadとは何か
2. Fx・Fy・Fz／Mx・My・Mzとは何か
3. なぜNozzle Loadが発生するのか
4. なぜ機器接続部で注意するのか
5. Calculated LoadとAllowable Loadをどう比較するのか

の5STEPで解説します。

さらに記事後半では、Nozzle Loadが許容値を超えた場合に、配管レイアウトやサポートをどのように見直すかまで説明します。

この記事の結論

STEP1｜配管ノズル荷重とは？まずStressとの違いを理解する

ノズル荷重とは配管から機器へ伝わる力

配管ノズル荷重とは、配管から機器のノズルへ伝わるForceとMomentです。

ノズル（Nozzle）とは、ポンプ・圧力容器・熱交換器などの機器本体と配管を接続する部分です。

イメージとしては、

配管 → ノズル → 機器

という順番で力が伝わります。

配管には自重・熱膨張・地震などによって力が発生します。

配管が自由に動けない場合、発生した力やモーメントがノズルを通じて接続機器へ伝わります。

この機器側へ伝達される荷重がEquipment Nozzle Loadです。

「配管を守るStress、機器を守るNozzle Load」

Pipe StressとEquipment Nozzle Loadは、同じ配管応力解析から確認できる結果ですが、評価している対象が異なります。

Pipe Stressの主な目的は、配管自体に発生する応力が適用配管コードの許容範囲に収まっているか確認することです。

一方、Equipment Nozzle Loadの目的は、配管からポンプや熱交換器などへ伝わる力とモーメントが、機器側の許容範囲に収まっているか確認することです。

ASMEが出版しているB31.3の解説資料でも、配管のSustained Loads、Thermal Stress、Flexibility Analysis、Supportsなどと、接続機器へのLoad Limitsは異なる設計論点として扱われています。

つまり、

Pipe Stress OK ≠ 配管システム全体がすべてOK

です。

StressがOKでもNozzle LoadがNGになる理由

例えば、長い配管が温度上昇によって膨張したとします。

配管に十分な柔軟性があれば、Elbowなどが変形することで熱膨張を逃がせます。

一方、配管が機器ノズル近くで強く拘束されている場合、熱膨張によって発生した反力が機器ノズルへ集中することがあります。

この場合、

• Pipe Stress：許容値以内
• Equipment Nozzle Load：許容値超過

という結果になる可能性があります。

したがって配管応力解析では、Stress Ratioだけを確認して終了してはいけません。

STEP2｜ノズル荷重はFx・Fy・FzとMx・My・Mzの6成分で見る

Equipment Nozzle Loadは基本的に、3方向のForce＋3方向のMomentで表します。

Forceは3方向｜Fx・Fy・Fz

Forceは直線方向へ機器ノズルを押したり引いたりする力です。

一般的なXYZ座標系では、

• Fx：X方向の力
• Fy：Y方向の力
• Fz：Z方向の力

として表します。

例えば鉛直方向をY軸とするモデルなら、配管やバルブの重量はFyとして大きく現れる場合があります。

ただし、座標軸の定義は解析モデルや機器規格によって異なるため、X・Y・Z方向を思い込みで判断しないことが重要です。

CAESAR IIでも、配管モデルのGlobal CoordinateとAPIなどのEquipment Code側のLocal Coordinateが異なる場合があり、ノズル荷重を適切な座標系へ変換して評価します。

Momentも3方向｜Mx・My・Mz

Momentは機器ノズルを曲げたりねじったりする作用です。

• Mx：X軸周りのMoment
• My：Y軸周りのMoment
• Mz：Z軸周りのMoment

MomentはForceだけでは分かりにくい「曲げ」の影響を表します。

例えば機器ノズルから離れた位置に重いValveが設置されている場合、Valve重量によるForceだけでなく、ノズルからValveまでの距離によってMomentも大きくなります。

力学的には、

という関係をイメージすると理解しやすくなります。

同じ重量でも、ノズルから遠い位置に重い機器があるほどMomentは大きくなる可能性があります。

Nozzle Load＝3 Force＋3 Moment

Equipment Nozzle Loadを理解する最初の基本は、

Fx,  Fy,  Fzと、Mx ,  My,  Mz という6成分を見ることです。

ただし実際の合否判定では、6成分を個別に比較するだけではないケースがあります。

API 610を例にすると、CAESAR IIの公式資料ではIndividual Nozzle LoadsだけでなくCombined Nozzle Loadsも評価します。

さらにX・Y・Z各成分、Resultant Force、Momentなど複数条件を確認します。

したがって、

「FxがAllowable以下だからポンプノズルはOK」

という単純な判断は避ける必要があります。

STEP3｜ノズル荷重はなぜ発生する？5つの代表的な原因

Equipment Nozzle Loadが大きくなる代表的な原因は次の5つです。

1. 配管・バルブの自重
2. 熱膨張
3. Support・Restraint
4. 地震などのOccasional Load
5. 施工時のMisalignment

Nozzle LoadがNGになった場合は、最初に「何が原因で荷重が大きくなったのか」を特定する必要があります。

1．配管・バルブの自重

配管自体には重量があります。

さらに、

• Valve
• Strainer
• Flange
• Insulation
• 配管内Fluid

などの重量も加わります。

機器近傍の配管Supportが不足している場合、配管重量の一部を機器ノズルが支える状態になる可能性があります。

特に大型ValveやStrainerをノズル近くに設置する場合は注意が必要です。

2．熱膨張

プラント配管でNozzle Loadを考えるうえで、特に重要なのが**Thermal Expansion（熱膨張）**です。

配管の熱伸びは基本的に、

Δ L = α L Δ T

で考えられます。

温度が上がれば配管は伸びようとします。

配管が自由に伸びられれば大きな反力は発生しにくいですが、Anchorや機器ノズルなどによって変位が拘束されると、熱伸びがReactionへ変わります。

流れで整理すると、

Temperature ↑
↓
Pipeが伸びる
↓
NozzleやRestraintが変位を拘束
↓
Reaction発生
↓
Nozzle Load増加

となります。

つまり、熱膨張設計で重要なのは**「熱伸びを止める」ことではなく「熱伸びをどこへ逃がすか」**です。

3．Support・Restraint

Rest、Guide、Line Stop、AnchorなどのSupport・Restraintは配管の動きをコントロールします。

例えばGuideは特定方向への横移動を制限しながら、配管軸方向の移動を許容する用途があります。

一方、Line Stopは軸方向の移動を拘束します。

配管Supportを追加すると配管の変位は小さくなる場合がありますが、拘束した方向のReactionは逆に大きくなる可能性があります。

したがって、

Supportを増やす＝Nozzle Loadが必ず下がる

ではありません。

Support設計では「どこを止めるか」だけでなく、どの方向へ配管を動かすかを考える必要があります。

4．地震などのOccasional Load

地震による慣性力やその他の動的荷重も、Equipment Nozzle Loadの原因になります。

地震時には配管・Valveなどの質量に慣性力が発生するため、SupportやEquipment Nozzleへ大きなReactionが発生する場合があります。

運転時だけでなく、プロジェクトで指定されたOccasional Load Caseについても確認が必要です。

5．施工時のMisalignment

解析モデル上の荷重だけでなく、施工状態も重要です。

例えば配管フランジと機器フランジの位置が合っていない状態で、ボルトを使って無理に引き寄せて接続すると、配管や機器に初期荷重が残る可能性があります。

完成時に「配管が接続できた」だけでは、機器に無理な力が掛かっていないことを保証できません。

STEP4｜ノズル荷重が大きいと何が起こる？回転機器と静止機器で違う

過大なEquipment Nozzle Loadで起こる問題は、回転機器と静止機器で少し異なります。

ポンプなど回転機器への影響

ポンプ・コンプレッサなどの回転機器では、内部に回転軸があります。

そのため外部配管からケーシングへ大きなForceやMomentが作用すると、

• Shaft Alignmentの悪化
• Casing Distortion
• 振動
• Bearingへの悪影響
• Reliability低下

などにつながる可能性があります。

API 610は石油・石油化学・天然ガス産業向けCentrifugal Pumpの代表的な規格です。APIのStandards PlanではAPI Standard 610の13th Editionが2026年6月29日付で掲載されています。

CAESAR IIのAPI 610評価では、Individual Nozzle Loadに加えて、ポンプ本体に作用するCombined Loadについても確認します。

つまりポンプでは、単にノズルそのものが壊れないかを見るだけでなく、配管荷重によってポンプ本体のAlignmentや機能へ悪影響を与えないかという視点が重要です。

熱交換器・圧力容器など静止機器への影響

Heat ExchangerやPressure Vesselなどの静止機器では、回転軸のAlignmentよりも、

• Nozzle Neck
• Nozzle-to-Shell Junction
• Shell
• Flange

などの局部応力や変形が重要になります。

過大なNozzle Loadによって、

• Local Stress増加
• Nozzle変形
• Shell変形
• Flange部の変形
• Leakage

などにつながる可能性があります。

静止機器では、機器メーカーのAllowable Loadに加えて、必要に応じてWRC BulletinやFEAなどを用いた詳細評価を行う場合があります。

回転機器と静止機器の違い

比較表：回転機器と静止機器で異なるNozzle Loadの主な影響

STEP5｜ノズル荷重はCalculated LoadとAllowable Loadを比較して判定する

Equipment Nozzle Load評価の基本的な考え方は、

Calculated Nozzle Load ≤ Allowable Nozzle Load

です。

Calculated Nozzle Loadは配管応力解析などから得られる機器ノズル位置の荷重です。

Allowable Nozzle Loadは、機器側が許容できる荷重です。

ただし、実際の合否判定を単純な6成分の大小比較だけで判断できるとは限りません。

Allowable Nozzle Loadはどこで確認する？

実務では次のような資料を確認します。

1. Project Specification
2. Equipment Datasheet
3. Vendor Allowable Load
4. 適用するEquipment Standard
5. 必要に応じて機器側の詳細応力評価

特に重要なのは、Vendorが指定したAllowable Loadがある場合は、その条件を確認することです。

インターネット上に掲載されている一般的なAllowable Tableを、別の機器へそのまま流用するべきではありません。

ポンプならAPI 610が代表例

Centrifugal PumpではAPI 610が代表的なEquipment Standardです。

CAESAR IIのAPI 610評価機能では、Individual Component Loads、Resultant Force、Resultant Moment、Pump Centerへ変換したCombined Loadなどを確認します。

つまりAPI 610評価は、

Fx ≤ AllowableだからOK

という単純な1項目チェックではありません。

API 610やその他の規格を使う場合は、適用Editionと評価条件を必ず確認してください。

ASME B31.3に万能なNozzle Allowable表があるわけではない

初心者が混同しやすいポイントが、

「ASME B31.3でStressがOKなら、機器ノズル荷重もOKでは？」

という疑問です。

ASME B31.3はProcess Pipingの設計・材料・製作・検査・試験などを扱う配管コードですが、すべてのPump、Heat Exchanger、Pressure Vesselなどに共通する万能なEquipment Nozzle Allowable Tableを提供する規格ではありません。

Equipment Nozzle Loadの許容値は、接続する機器によって評価方法が異なります。

例えば、

• Centrifugal Pump：API・Vendor Requirement
• Compressor：適用API規格・Vendor Requirement
• Heat Exchanger：Vendor Allowable・機器規格
• Pressure Vessel：Vendor評価・WRC・FEA

などです。

したがって、

ASME B31.3でPipe StressがOK＝Equipment Nozzle Loadも自動的にOK

ではありません。

許容ノズル荷重を超えたら？配管設計で見直す4つのポイント

Equipment Nozzle LoadがAllowableを超えた場合、いきなりSupportを追加するのではなく、次の順番で原因を確認すると効率的です。

1．まずWeightかThermalか原因を分ける

最初に確認したいのは、どのLoad CaseでNozzle Loadが大きくなっているかです。

例えば、

• Weightが支配的
• Operating Conditionで大きい
• Thermal Expansionで大きい
• Seismicで大きい

では、対策が異なります。

Weightによる荷重ならSupport追加や大型ValveのSupport方法が有効かもしれません。

Thermal Expansionによる荷重なら、Support追加よりも配管のFlexibilityを改善する方が効果的な場合があります。

2．配管ルートにFlexibilityを持たせる

Thermal Expansionが原因の場合、配管を柔らかくすることを検討します。

代表的な方法は、

• Elbowを利用する
• Offsetを設ける
• 配管長を確保する
• Expansion Loopを設ける

などです。

重要なのは、

熱伸びを止めるのではなく、変形しやすい方向へ逃がす

という考え方です。

直線配管を短く強固に固定すれば、変位は小さくできます。しかし配管が伸びようとする動きを強く止めれば、Reactionが大きくなる可能性があります。

3．Support位置と拘束方向を見直す

Supportは配管重量を支えるだけではありません。

Guide、Line Stop、Anchorなどは配管が動く方向を決めます。

そのためSupport設計では、

「どこにSupportを置くか」

だけでなく、

「どの方向を拘束し、どの方向へ動かすか」

を考える必要があります。

例えば機器直近に強いAxial Restraintを設けると、Weight荷重は改善してもThermal Reactionが悪化する場合があります。

4．必要ならVendorへ許容可否を確認する

Calculated Nozzle Loadが基準値を超えたからといって、必ず配管ルートを全面変更するとは限りません。

機器メーカーが追加のStrength Checkを行い、実際の機器について荷重を受け入れられると判断するケースもあります。

ただしVendor承認を前提に勝手にAllowableを拡大するのではなく、正式なEngineering Coordinationとして確認することが重要です。

PIP RECE002はRotating Machineryについて、最大公開Allowableを設計時にすべて使い切るのではなく、最終施工状態を考慮してReserve Marginを持たせる考え方を示しています。

PIPは、最大許容値近くまで設計することが低いMTBRと高いMaintenance CostにつながったOwner Experienceを背景として挙げています。

つまり、

Allowable以下だから理想的な設計

とは限りません。

特に回転機器では、可能な範囲でNozzle Loadに余裕を持たせることがReliabilityの観点でも重要です。

初心者が間違えやすいノズル荷重の3つの誤解

誤解1｜StressがOKなら配管設計は全部OK

間違いです。

Pipe Stressは配管自身の評価であり、Equipment Nozzle Loadは接続機器への荷重評価です。

Stress Ratioが低くても、

• Displacementが大きい
• Support Reactionが大きい
• Nozzle Loadが大きい

という場合があります。

配管応力解析では、Stressだけで配管システム全体を判断しないことが重要です。

誤解2｜Supportを増やせばNozzle Loadは必ず下がる

必ずしも下がりません。

Supportを追加すればWeightによる変位を小さくできる場合があります。

しかし配管の熱膨張方向を強く拘束すれば、Thermal Reactionが増える可能性があります。

Support設計では、

Weight SupportとThermal Restraintを分けて考える

ことがポイントです。

誤解3｜Allowableの99％なら理想的な設計

Allowable以下であれば規格上の判定条件を満足する場合がありますが、許容値ぎりぎりまで荷重を使うことが最適設計とは限りません。

PIP RECE002はRotating MachineryのNozzle LoadについてReserve Marginを残す考え方を採用しています。

特にPumpやCompressorなどReliabilityが重要な機器では、可能な範囲でNozzle Loadを低く抑えることも設計上の重要な視点です。

配管ノズル荷重に関するよくある質問

Q1．ノズル荷重と配管反力は同じですか？

完全な同義ではありませんが、配管応力解析では機器ノズル位置におけるForce・MomentをEquipment Nozzle Loadとして評価するため、解析モデル上のReactionやElement Force/Momentが関連します。

CAESAR IIでは、配管モデルの出力荷重をEquipment Analysisへ取り込み、APIなどの機器コードで必要な座標系に変換して評価できます。

Q2．ASME B31.3にノズル許容荷重は載っていますか？

ASME B31.3に、すべての機器へ共通適用できる万能なEquipment Nozzle Allowable Tableが掲載されているわけではありません。

Pump、Compressor、Heat Exchanger、Pressure Vesselなど、機器ごとにProject Specification、Vendor Requirement、適用Equipment Standardなどを確認する必要があります。

Q3．API 610はどんな機器に使いますか？

API 610は、石油・石油化学・天然ガス産業向けのCentrifugal Pumpを対象とする代表的な規格です。

APIのStandards Planでは、API 610の13th Editionが2026年6月29日付で掲載されています。

ただし、すべてのポンプにAPI 610を適用するわけではありません。Project SpecificationとEquipment Datasheetで適用規格を確認してください。

Q4．Nozzle LoadはOPEとSUSのどちらを見ますか？

一律に「OPEだけ」「SUSだけ」と決めることはできません。

Equipment Standard、Project Specification、Vendor Requirementによって必要なLoad Caseが異なります。

CAESAR IIのEquipment Analysisでも、複数のLoad CaseやLoad Case Setを機器ノズル評価へ取り込める構成になっています。

したがって、適用する評価基準が何のLoad Caseを要求しているか確認することが重要です。

Q5．Nozzle Loadが高いとき、最初に何を確認しますか？

最初に確認したいのは、

どのLoad Case・どの成分が支配的か

です。

Weight由来なのか、Thermal Expansion由来なのか、Seismic由来なのかを切り分けます。

原因が分かれば、Support追加、Layout変更、Flexibility確保など対策の方向性を判断しやすくなります。

Q6．CAESAR IIのStress Ratioが低ければ安心ですか？

Stress Ratioが低いことは重要ですが、Stress Ratioだけで配管システム全体の健全性を判断することはできません。

少なくとも、

• Stress
• Displacement
• Support Reaction
• Equipment Nozzle Load

などを目的に応じて確認する必要があります。

Q7．Anchorを機器のすぐ近くに置けばNozzle Loadを下げられますか？

必ずしも下げられません。

AnchorやLine Stopで機器近傍の配管を強く拘束すると、配管重量による変位は抑えられても、Thermal ExpansionによるReactionが大きくなる場合があります。

Anchor位置は、熱膨張をどちらへ逃がすかまで考えて決めることが重要です。

まとめ｜ノズル荷重は「配管から機器へ伝わる力」で考える

配管ノズル荷重を理解するときは、難しい式から覚えるより、

配管から機器へ、どのような力が伝わっているか

という物理的な流れから考えると理解しやすくなります。

最後に今回の5STEPを整理します。

STEP1｜Nozzle Loadとは？

配管から機器ノズルへ伝わるForceとMoment

STEP2｜何を見る？

Fx・Fy・Fz＋Mx・My・Mzの6成分

STEP3｜なぜ発生する？

代表的な原因は、

• Weight
• Thermal Expansion
• Support / Restraint
• Seismic
• Misalignment

です。

STEP4｜なぜ注意する？

Pumpなどの回転機器では、Shaft Alignment・Casing Distortion・Reliabilityなどが問題になります。

Heat ExchangerやPressure Vesselなどの静止機器では、Local Stress・Deformation・Leakageなどが問題になります。

STEP5｜どう判定する？

基本イメージは、

Calculated Nozzle Load ≤ Allowable Nozzle Load

です。

ただし実際の評価方法は、APIなどのEquipment Standard、Project Specification、Vendor Requirementによって異なります。

そしてNozzle LoadがNGになった場合は、

原因特定 → Layout → Flexibility → Support → Re-analysis → Vendor確認

の順で検討します。

配管応力解析で最も大切なのは、数字だけを見ることではありません。

「どの荷重が、どこから発生し、最終的にどこへ伝わるのか」

を考えることが重要です。

最後に、今回の記事で最も覚えてほしいポイントを一言でまとめます。

配管を守るStress、機器を守るNozzle Load。

この違いを理解できると、Stress、Displacement、Reaction、Nozzle Loadがバラバラの解析結果ではなく、一つの配管システムを異なる視点から評価している結果として見えるようになります。

関連記事

配管ノズル荷重をさらに理解するには、次の順番で学ぶと全体像をつかみやすくなります。

配管応力解析を理解したい人
→「配管応力解析とは？一次応力・二次応力を初心者向けに解説」

熱膨張を理解したい人
→「配管の熱膨張を実例計算｜ΔL＝αLΔTから熱応力まで解説」

Supportを理解したい人
→「プラント配管サポートの基本｜Rest・Guide・Line Stop・Anchorの違いを解説」

配管コードを理解したい人
→「ASME B31.3とは？配管設計者が知るべき基本を5STEPで解説」

参考文献・技術資料

• ASME B31.3 – Process Piping：Process Pipingの設計・材料・製作・検査・試験などを定める代表的な配管コード。2026年9月時点ではASME公式サイトでB31.3-2024が確認できます。
• API Standard 610 – Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries：対象となる遠心ポンプの設計要求やノズル荷重評価で参照される代表的規格。API Standards Planでは13th Editionが2026年6月29日付で掲載されています。
• PIP RECE002 – Design of Piping Loads on Rotating Machinery Nozzles：Rotating MachineryのAllowable Piping LoadsとReserve Marginの考え方を示すPractice。
• CAESAR II Applications Guide / Users Guide – Hexagon：API 610のIndividual Nozzle Loads、Combined Nozzle Loads、座標変換、Load Case評価などの実装確認に使用。

※ASME・APIなどの規格は改訂されます。実際の設計では、所属プロジェクトで指定されたEdition、Project Specification、Equipment Datasheet、Vendor Requirementを必ず確認してください。

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「ScとShは何が違う？」
「SAも許容応力なら、Shとの違いは？」
「なぜSUSはSh、EXPはSAと比較するの？」

このあたりで混乱する人は少なくありません。

結論からいうと、Sc・Sh・SAは次のように整理すると理解しやすくなります。

• Sc：対象となる変位サイクルの最低金属温度側における基本許容応力
• Sh：対象となる変位サイクルの最高金属温度側における基本許容応力
• SA：熱膨張などによる変位応力範囲に対する許容値

そして実際の配管応力解析では、まず次の関係を押さえてください。

SUS → SL → Sh

EXP → SE → SA

Sc・Sh・SAを3つの記号として丸暗記するより、**「荷重 → 応力 → 許容値」**の流れで覚えたほうが、CAESAR IIやAutoPIPEなどの解析結果も理解しやすくなります。

ASME公式では、現行のProcess Piping規格としてASME B31.3-2024が掲載されており、石油精製、化学、医薬、発電、半導体、極低温設備など幅広いプロセス配管を対象としています。

配管の許容応力とは？まず材料強度との違いを理解しよう

許容応力とは、配管を設計するときに使用できる応力の上限値です。

材料には「引張強さ」や「降伏強さ」があります。

しかし、配管設計で材料が壊れる直前まで応力を許容するわけではありません。

規格では材料強度や温度などを考慮し、設計に使用するための**基本許容応力（Basic Allowable Stress）**を定めています。

許容応力は「設計で使ってよい応力の上限」

例えば材料について考えると、次の3つは意味が異なります。

つまり、材料が持っている強度 ≠ 設計でそのまま使ってよい応力です。

安全な配管設計では、材料強度そのものではなく、採用する設計規格に基づいた許容応力を使用します。

配管の許容応力は材料・温度・規格で変わる

許容応力は材料だけで一意に決まる値ではありません。

配管設計では主に、

• 材料
• 金属温度
• 採用する設計規格
• Code Edition

を確認する必要があります。

伊藤忠テクノソリューションズの技術解説でも、基本許容応力は安全設計のため各規格で設定される値であり、同じ材料でも設計規格や年版によって値が異なる場合があると説明されています。

したがって、インターネットで「SUS304 許容応力 ○○MPa」と見つけても、その数値をそのまま設計に使用するのは適切ではありません。

「どのCodeの何年版で、何℃の値なのか」まで確認することが重要です。

ASME B31.3では材料の基本許容応力をAppendix Aで確認する

ASME B31.3では、一般的な材料についてAppendix Aの材料表などから基本許容応力を確認します。

若手設計者が最初に意識したいのは、「許容応力の数値そのものを暗記しない」ことです。

重要なのは、材料 × 温度 × Code Editionから適切な値を選択できることです。

Sh・Sc・SAの違い｜3つを同じ「許容応力」と考えない

Sh・Sc・SAで最も重要なのは、3つを同じ種類の許容応力として扱わないことです。

ScとShは材料のBasic Allowable Stressです。

一方、SAは熱膨張などのDisplacement Stress Rangeを評価するための許容値です。

Scとは？最低温度側の基本許容応力

Scは、対象となる変位サイクルで想定される最低金属温度におけるBasic Allowable Stressです。

一般的な「常温で据付→高温で運転」という配管なら、ScをCold側の許容応力と考えると理解しやすいでしょう。

ただし、Sc＝必ず常温の許容応力と固定して覚えるのは正確ではありません。

ASME B31.3では、Scは対象となる変位サイクル中の最低金属温度側で決まる考え方です。

2024版の公開テキストでも、ScとShはそれぞれ対象変位サイクルの最低・最高金属温度に対応する許容応力として示されています。

例えば極低温配管では、運転状態がCold側になる可能性があります。

そのため、Sc＝Cold sideと理解したうえで、実案件では温度条件を確認するのが正しい考え方です。

Shとは？最高温度側の基本許容応力

Shは、対象となる変位サイクルで想定される最高金属温度におけるBasic Allowable Stressです。

一般的な高温配管では、

• 据付状態：低温側 → Sc
• 運転状態：高温側 → Sh

となるため、

Sh＝Hot側の許容応力

と考えると理解しやすくなります。

Shは後述するSustained Stressの評価にも使用します。

つまりShには、

1. 高温側の基本許容応力
2. Sustained Stressを評価する基準
3. SAを算定する基礎値

という役割があります。

SAとは？熱膨張による変位応力範囲の許容値

SAはAllowable Displacement Stress Rangeです。

日本語では「許容変位応力範囲」などと表現できます。

ここで重要なのは、SAはShやScと同じ意味の材料許容応力ではないという点です。

Sc・Shは材料・温度から決まるBasic Allowable Stressです。

一方、SAはSc・Shに加えて、温度サイクルなどを考慮するStress Range Factor fを使って求めます。

ASME B31.3-2024では、計算された変位応力範囲SEが許容変位応力範囲SAを超えないことを要求する構造になっています。

基本式は次のとおりです。

したがって、

Sc・Sh＝材料側の基本許容応力

SA＝配管系の変位応力範囲を判定する許容値

と分けて理解すると混乱しません。

比較表： Sc・Sh・SAの違い

※「SUS評価＝Sh」「EXP評価＝SA」は初心者向けの基本整理です。実際のコード評価は荷重ケースや適用規定を確認してください。

SUSはSh・EXPはSA｜配管応力解析ではこう使い分ける

配管応力解析では、まず何の荷重によって発生した応力なのかを考えることが重要です。

最初からSc・Sh・SAを見ても分かりにくいため、

荷重 → 解析ケース → 応力 → 許容値

の順に考えてみましょう。

まず荷重を「持続荷重」と「変位荷重」に分ける

代表的な持続荷重には、

• 配管自重
• 流体重量
• 保温材重量
• 圧力による長手方向応力

などがあります。

配管応力解析では、こうした持続荷重を**SUS（Sustained）**として評価します。

基本的な流れは、

Weight・Pressureなど → SUS → SL → Sh

です。

一方、配管が加熱されて熱膨張すると、アンカーや機器ノズルなどの拘束によって変位応力が発生します。

熱膨張などの変位荷重は、

Thermal Expansion → EXP → SE → SA

という流れで評価します。

SUSはShと比較する

持続荷重による応力SLは、基本的に最高温度側の基本許容応力Shと比較します。

ASME B31.3の公開テキストでも、持続荷重によるSLがShを超えないという評価構造が確認できます。

初心者向けに言い換えると、

「自重や内圧など、運転中にかかり続ける荷重による応力が、材料の許容範囲内かを見る」

という評価です。

解析ソフトでは、SUS → Code Stress → Allowable Stress → Ratioの順に結果を見ると理解しやすくなります。

EXPはSAと比較する

熱膨張などによる変位応力範囲SEは、許容変位応力範囲SAと比較します。

ASME B31.3-2024でも、computed displacement stress range SEは、allowable displacement stress range SAを超えないことが規定されています。

したがって、

EXPの熱応力をShと直接比較して合否判定するわけではありません。

ここは配管応力解析を学び始めたときに、特に混乱しやすいポイントです。

なぜ熱応力はShではなくSAで評価するのか？

理由は、自重・内圧と熱膨張では応力が発生する仕組みが異なるからです。

自重は配管自身の重量によって発生します。

配管が少し変形したからといって、自重そのものがなくなるわけではありません。

一方、熱膨張による応力は、配管が温度変化によって伸びようとする変位を、アンカーやサポートなどが拘束することで発生します。

例えば配管の両端が完全に自由なら、配管は温度上昇によって伸びても大きな熱応力は発生しません。

しかし両端を強固に固定すると、自由に伸びられなくなるため熱応力が発生します。

つまり、

自重・内圧 → 荷重そのものが作用する

熱膨張 → 変位を拘束することで応力が発生する

という違いがあります。

そのためASME B31.3では、熱膨張などの変位応力について、単純なHot側の基本許容応力Shではなく、**変位応力範囲SEと許容変位応力範囲SA**によって評価します。

さらに配管は、

停止 → 昇温 → 運転 → 冷却 → 停止

という温度変化を繰り返します。

そのため変位応力の評価では、単なる瞬間的な応力値だけではなく、繰返しサイクルも重要になります。

「熱応力がShを超えた＝NG」ではない

例えば、

• Sh = 130 MPa
• 熱膨張によるSE = 180 MPa

だったとします。

ここで、

180 MPa > 130 MPaだからNG

と判断するのは適切ではありません。

EXPの評価では、

SE ≦ SA

を確認するからです。

例えばSA = 205 MPaなら、

180 < 205

となり、少なくとも変位応力範囲のコードチェック上は許容範囲内となります。

ただし、配管設計ではStress Ratioだけでなく、

• 配管変位
• サポート反力
• アンカー荷重
• 機器ノズル荷重

なども確認する必要があります。

「Code StressがOK＝配管系全体が必ず問題なし」ではありません。

SAはどう決まる？Sc・Sh・サイクル数との関係

SAはScとShを基礎に、繰返し回数を考慮して決まります。

ASME B31.3-2024に示される基本形は次のとおりです。

それぞれの記号は、

• SA：Allowable Displacement Stress Range
• Sc：最低金属温度側のBasic Allowable Stress
• Sh：最高金属温度側のBasic Allowable Stress
• f：Stress Range Factor

です。

数式だけを見ると難しそうですが、考え方はシンプルです。

「Cold側とHot側の材料許容応力を基礎に、温度サイクルによる疲労の影響を考慮してEXP用の許容範囲を決める」

という式です。

Stress Range Factor fとは？

fはStress Range Factorです。

設計寿命中の等価フル変位サイクル数Nに応じて、許容変位応力範囲を調整します。

ASME B31.3-2024では、

という関係が示されています。

ここで重要なのは、式を暗記することではありません。

例えば配管が、

1. 停止状態
2. 加熱
3. 高温運転
4. 冷却
5. 停止状態

というサイクルを繰り返せば、配管には膨張と収縮が繰り返し発生します。

そのため、「何MPa発生するか」だけでなく「何回繰り返すか」も重要になります。

2020版以前と2022版以降ではfの式が違う

ここは実務で注意したいポイントです。

ASME B31.3-2020ではStress Range Factorの式として旧式が使用されていましたが、2022 Editionでは20N^-0.333へ変更されています。

2022版の公開テキストでも新しい式が確認でき、2024版でも同じ形が確認できます。

つまり、古い解説記事を参照すると、現在のEditionとは異なるfの式が掲載されている可能性があります。

配管応力解析ではCode Editionの確認が重要なのは、このような理由からです。

Liberal Stressとは？

SAには、もう一つ知っておくと便利な考え方があります。

基本式は、

ですが、Sh > SLの場合には、持続荷重側で使われていない余裕を考慮した式も使用できます。

ASME B31.3-2024でも、ShがSLより大きい場合に未使用分をSA側へ反映できる式が示されています。

配管応力解析の実務では、このような考え方をLiberal Stressと呼ぶことがあります。

初心者の段階では、

「SUS側に余裕がある場合、その余裕を条件付きでEXP側の許容範囲へ反映できる」

程度に理解しておけば十分です。

まずは、

SUS → Sh

EXP → SA

という基本関係を理解することを優先してください。

Sh・Sc・SAで初心者が間違えやすい5つのポイント

1．Sc＝常温、Sh＝運転温度と固定して覚える

一般的な高温配管では、

Sc＝常温側、Sh＝運転温度側

となることが多いため、入門用の覚え方としては便利です。

しかしASME B31.3の厳密な考え方は、

• Sc：対象変位サイクル中の最低金属温度
• Sh：対象変位サイクル中の最高金属温度

です。

極低温配管などでは単純な「Cold＝据付」「Hot＝運転」という関係にならない可能性があります。

2．ShとSAを同じ種類の許容応力だと思う

ShとSAは役割が違います。

Sh＝Basic Allowable Stress

SA＝Allowable Displacement Stress Range

です。

名称に「Allowable」が含まれるため混同しやすいですが、同じものではありません。

3．EXPをShと比較してしまう

初心者が最も覚えておきたい関係は、

SUS → SL → Sh

EXP → SE → SA

です。

熱膨張によるEXP結果をShと直接比較するのではなく、変位応力範囲SEと許容変位応力範囲SAを比較します。

4．解析ソフトのStress Ratioだけを見る

CAESAR IIやAutoPIPEが「OK」と表示しても、入力条件が間違っていれば正しい評価にはなりません。

最低限、

• Code
• Edition
• Material
• Temperature
• Pressure
• Load Case
• Support Condition
• Unit

を確認してください。

5．インターネット上の許容応力値をそのまま使う

CTCの技術解説でも、同じ材料であっても採用する規格や年版によって基本許容応力が変わる可能性が指摘されています。

さらに、誤った材料ライブラリを使用すると非安全側の評価になるケースも説明されています。

したがって、ネット上の許容応力値ではなく、プロジェクト指定Code Editionを確認することが基本です。

Sh・Sc・SAを実例で計算してみよう

ここまでの内容を、具体的な数字で確認してみましょう。

ASME B31.3の計算例として公開されている条件では、

• Sc = 138 MPa
• Sh = 130.8 MPa
• f = 1.00

という値が使われています。2022版のAppendix S例では、この条件からSAを205.2 MPaと算出しています。

基本式は、

SA = f ( 1.25 Sc + 0.25 Sh )

です。

数値を代入すると、

SA = 1.00 ×[ ( 1.25×138 ) + ( 0.25 ×130.8 ) ]

=172.5 + 32.7

SA = 205.2 MPaとなります。

ここで注目したいのは、Sh = 130.8 MPaに対して、SA = 205.2 MPaとなっていることです。

「許容応力」という言葉だけを見ると、

と思うかもしれません。

しかしShとSAは、そもそも評価する目的が違います。

• Sh：約131 MPa → Sustained側の評価基準
• SA：約205 MPa → Displacement Stress Range側の評価基準

です。

例えば、

SUSのSL = 120 MPa

なら、120 < 130.8でSh以下です。

一方、EXPのSE = 180 MPa

なら、180 < 205.2でSA以下です。

同じ配管モデルでも、SUSとEXPでは比較する許容値が違うことが分かります。

FAQ｜配管のSh・Sc・SAでよくある質問

ShとScはどちらが大きいですか？

材料と温度条件によって異なります。

一般的な高温配管では、温度が上昇すると材料の基本許容応力が低下するため、Sc > Shとなるケースが多くあります。

ただし「必ずScのほうが大きい」という固定ルールではありません。

Scは常温の許容応力ですか？

必ずしも常温とは限りません。

常温で据付けて高温運転する一般的な配管では、Scが常温側になるため、その覚え方で理解しやすいでしょう。

厳密にはASME B31.3で、Scは対象変位サイクル中の最低金属温度側のBasic Allowable Stressとして扱われます。

SAは材料表に載っていますか？

ShやScと同じ意味で材料表から直接読み取る値ではありません。

SAはSc・ShやStress Range Factor fなどを使って求めるAllowable Displacement Stress Rangeです。

基本式は、

です。

熱応力がShを超えたらNGですか？

EXPの熱膨張応力については、Shを超えたという理由だけでNGとは判断できません。

変位応力範囲SEは許容変位応力範囲SAと比較して、

SE ≦ SA

を確認します。

SUSとEXPの違いは何ですか？

簡単に整理すると、

• SUS：自重・内圧などの持続荷重を評価
• EXP：熱膨張などによる変位応力範囲を評価

です。

初心者は、

SUS → Sh

EXP → SA

から覚えると理解しやすくなります。

SAが大きいほど安全ですか？

SAの値だけでは配管系の安全性は判断できません。

配管応力解析では、

• SE/SA
• 配管変位
• サポート反力
• アンカー荷重
• ノズル荷重
• Occasional Load

なども確認します。

コードストレスが許容範囲でも、機器ノズル荷重や配管変位が許容範囲を超える場合があります。

ASME B31.1でもSc・Sh・SAを使いますか？

B31.1でも同様の記号が登場しますが、B31.3とB31.1を完全に同じ規定として扱ってはいけません。

採用する配管コードによって、

• 材料許容応力
• 計算式
• 制限
• 適用条件

が異なる場合があります。

実案件では必ずプロジェクト指定のCodeとEditionを確認してください。

まとめ｜Sh・Sc・SAは「荷重→応力→許容値」で覚えよう

Sh・Sc・SAは、3つの記号を個別に丸暗記するより、配管応力解析全体の流れの中で理解することが重要です。

最後に4点だけ確認しましょう。

1. Scは最低温度側、Shは最高温度側のBasic Allowable Stress
2. SAは熱膨張などのDisplacement Stress Rangeに対する許容値
3. SUS → SL → Sh
4. EXP → SE → SA

全体像は次のようになります。

自重・内圧など
      ↓
     SUS
      ↓
     SL
      ↓
     Sh


熱膨張など
      ↓
     EXP
      ↓
     SE
      ↓
     SA


Sc ──┐
     ├──→ SAの算定
Sh ──┘

配管応力解析で迷ったら、最初に、

「何の荷重によって発生した応力なのか？」

を考えてください。

持続荷重ならSUS側、熱膨張などの変位ならEXP側です。

そのあと、

SUS → SL → Sh

EXP → SE → SA

と追えば、解析結果の意味がかなり整理しやすくなります。

次に理解しておきたいのは、一次応力と二次応力の違いです。

SUSとEXPで評価方法が異なる理由をさらに深く理解すると、配管応力解析の考え方が一段クリアになります。

関連記事：配管応力解析とは？一次応力・二次応力を初心者向けに解説

あわせて、

• ASME B31.3とは？配管設計者が知るべき基本を5STEPで解説
• 配管の熱膨張を実例計算｜ΔL＝αLΔTから熱応力まで解説
• プラント配管サポートの基本｜Rest・Guide・Line Stop・Anchorの違いを解説

へつなげると、配管応力解析を体系的に理解できます。

参考文献・規格

• ASME B31.3-2024, Process Piping — The American Society of Mechanical Engineers
  ASME公式ではB31.3-2024が現行版として掲載されています。
• ASME B31.3-2024 — Allowable Displacement Stress Range関連規定
  SE ≤ SA、SA = f(1.25Sc + 0.25Sh)、Liberal Stressを考慮した式、2024版のStress Range Factorなどの確認に使用。
• ASME B31.3-2022 — Appendix S計算例
  Sc = 138 MPa、Sh = 130.8 MPa、SA = 205.2 MPaの例を参照。
• 「配管系解析における材料の基本許容応力値」伊藤忠テクノソリューションズ engineering-eye
  基本許容応力と規格・年版・材料ライブラリの関係を確認。

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ASME B31.3がプロセス配管に関する規格であることは知っていても、

• ASME B31.3では具体的に何を確認するのか
• ASME B31.1とは何が違うのか
• 配管肉厚や許容応力とどう関係するのか
• SUS・EXP・OCCとは何なのか
• 配管応力解析では何を評価しているのか

まで体系的に説明できる人は、意外と少ないのではないでしょうか。

結論からいうと、ASME B31.3は配管応力解析だけを規定したCodeではありません。

ASME公式では、B31.3をProcess Pipingの安全な設計・建設に必要な要求事項を定めるCodeとして位置付けており、材料やComponentの選定・適用から、設計、製作、組立、施工、検査、試験まで幅広く扱っています。

この記事では、現行のASME B31.3-2024を念頭に、

STEP1：適用範囲
STEP2：設計条件
STEP3：材料・肉厚
STEP4：荷重・応力
STEP5：製作・検査

という5STEPで、ASME B31.3と配管設計の実務をつなげて解説します。

最初からCode全文を暗記する必要はありません。

まずは、**「自分が今行っている配管設計業務が、B31.3のどこにつながっているのか」**という設計の地図を手に入れましょう。

ASME B31.3とは？まず知っておきたい規格の全体像

ASME B31.3を一言で表すなら、プロセス配管を安全に設計・製作・検査するためのCodeです。

「B31.3って配管応力解析の規格ですよね？」

ASME B31.3を初めて扱う設計者から、このようなイメージを持たれることがあります。

配管応力解析はASME B31.3の重要な一部ですが、B31.3が扱う範囲はそれだけではありません。

ASME公式のB31.3教育プログラムでも、Scope、Design、Materialsだけでなく、Fabrication、Assembly、Erection、Inspection、Examination、Testingまでを一連の要求事項として扱っています。

ASME B31.3はProcess PipingのCode

ASMEはAmerican Society of Mechanical Engineersの略です。

ASME B31シリーズはPressure Piping、つまり圧力配管に関するCode群であり、その中でASME B31.3はProcess Pipingを対象とするCodeです。

Process Pipingには、代表的に化学・石油・製薬・半導体・水素などのプロセス設備で使用される配管があります。

したがって、ASME B31.3＝化学プラントだけのCodeと覚えるのも正確ではありません。

重要なのは、B31.3がProcess Pipingという用途・システムを対象にしたCodeだと理解することです。

B31.3は「計算だけ」のCodeではない

配管設計者がB31.3と聞くと、

• Pipe Thickness
• Allowable Stress
• Sustained Stress
• Expansion Stress
• Occasional Stress

などの計算を最初に思い浮かべるかもしれません。

しかしASME公式のB31.3コースでは、設計だけでなく、材料選定、溶接、熱処理、曲げ加工、組立、施工、Inspection、Examination、Testingなども体系的に扱われています。

つまり、配管のStress Ratioが許容値以内だったとしても、「StressがOKだからB31.3としてすべてOK」とは限りません。

材料、Pressure Design、製作、溶接、検査、試験なども含めて成立して、初めて配管システム全体としてCode要求を満たす方向へ進みます。

ASME B31.3は安全に関わるコンセンサスCode

ASME B31.3は単なる民間企業の設計マニュアルではありません。

米国労働安全衛生局OSHAは、ASME B31.3 Process Piping Codeをpublished consensus documentの具体例として挙げています。

OSHAは、このようなコンセンサス文書を業界で広く使われるRAGAGEP、つまりRecognized and Generally Accepted Good Engineering Practicesの情報源として扱っています。

そのため、B31.3の記事では「分かりやすさ」を優先する一方で、数値やCode Requirementを過度に単純化しないことが重要です。

ASME B31.3とB31.1の違い｜まず「どちらが厳しい？」と考えない

ASME B31.3を学び始めると、かなりの確率で登場するのがASME B31.1との違いです。

結論からいうと、初心者が最初に覚えるべき違いは、

B31.3＝Process Piping

B31.1＝Power Piping

という適用分野です。

ASME B31.1はPower Pipingを扱い、ASME公式も発電設備などのPower Piping systemsを対象にしたCodeとして説明しています。

比較表: ASME B31.3とASME B31.1の基本的な違い

「B31.1とB31.3はどちらが厳しい？」だけでは判断できない

B31.1とB31.3を比較した記事では、安全係数や許容応力などの数字がよく紹介されています。

数字の違いを理解すること自体は重要です。

しかし、配管設計者が最初に考えるべき問いは、「B31.1とB31.3のどちらが厳しいか？」ではありません。

まず確認するべきなのは、「今回の配管システムには、どのCodeが適用されているか？」です。

実務では、

• Design Basis（設計の基本方針）
• Applicable Codes & Standards（適用規格・基準）
• Piping Specification（配管仕様）
• Client Specification（顧客仕様）
• Contract Requirement（契約要件）
• 適用法令

などを確認します。

配管設計者はASME B31.3をこの5STEPで理解する

ASME B31.3の条文を最初から順番に読み始めると、初心者は途中で全体像を見失いやすくなります。

そこで配管設計者の実務に合わせて、B31.3を次の5STEPに整理してみましょう。

STEP1：適用範囲を確認する
STEP2：設計条件を整理する
STEP3：材料・肉厚・Componentを確認する
STEP4：荷重・応力・変位を確認する
STEP5：製作・検査・試験を確認する

ASME公式のB31.3教育プログラムでも、ScopeからDesign Conditions、Pressure Design、Flexibility and Support、Materials、Fabrication、Inspection・Examination・Testingへ進む構成になっています。

つまり、5STEPはB31.3の考え方を配管設計者の業務フローへ置き換えたものです。

STEP1｜まず適用範囲を確認する

配管設計で最初に確認するのは、計算式ではありません。

「この配管システムにASME B31.3が適用されるのか」というScopeです。

ASME公式のB31.3コースでも、最初のテーマとしてOverview and Scopeが配置されています。

実務では、まずDesign BasisやPiping Specificationなどから、

• Applicable Code
• 適用Edition
• Fluid Service
• Client Requirement
• Jurisdiction
• Project独自仕様

を確認します。

特にEditionは重要です。

ASME Codeは改訂されるため、Web上で見つけたB31.3の説明が、現在担当しているProjectと同じEditionを前提にしているとは限りません。

2026年現在、ASME B31.3の現行EditionはB31.3-2024ですが、実際のProjectでは契約条件によって別Editionが指定されることもあります。

したがって、「最新版＝必ず今回使う版」とも限りません。

STEP2｜Design Pressure・Design Temperature・荷重条件を整理する

適用Codeを確認したら、次は配管設計の入力条件を整理します。

代表的なのが、

1. Design Pressure（設計圧力）
2. Design Temperature（設計温度）
3. Weight（荷重）
4. Thermal Effect（熱影響）
5. Wind（風）
6. Earthquake（地震）
7. その他のEnvironmental Loads（環境荷重）

です。

ASME公式のB31.3教育内容でも、Design ConditionsとDesign Criteriaの後にPressure Designへ進む構成になっています。

設計条件を整理すると、後の評価項目との関係が見えてきます。

Pressure
→ Pipe ThicknessやPressure Designに関係

Temperature
→ Allowable StressやThermal Expansionに関係

Weight
→ Sustained Load評価に関係

Wind・Earthquake
→ Occasional Load評価に関係

つまり、配管応力解析のSUS・EXP・OCCは突然現れるものではありません。

最初に設定した設計条件が、後のCode評価へつながっています。

STEP3｜材料・肉厚・Componentを確認する

ASME B31.3の設計では、配管材料や肉厚、FittingやFlangeなどのComponentも重要です。

代表的な確認事項には、

• Piping Material
• Allowable Stress
• Corrosion Allowance
• Required Thickness
• Fitting
• Flange
• Valve
• Branch Connection

などがあります。

ASME公式B31.3コースでも、Pressure Design of Piping ComponentsやMaterialsは主要テーマとして扱われています。

初心者が特に注意したいのは、

「Stress AnalysisがOK＝配管設計全体がOK」ではない

という点です。

配管応力解析のStress Ratioが100％未満でも、必要肉厚を満たしていなかったり、材料やComponentの選定がCode Requirementに適合していなかったりすれば、配管システム全体としては成立しません。

ASME B31.3を理解するときは、

Pressure DesignとSystem Stress Analysisを別々に理解したうえで、最後に一つの配管設計としてつなげる

ことが重要です。

STEP4｜重量・熱膨張・地震などの荷重と応力を確認する

ASME B31.3と配管応力解析を理解するうえで、STEP4が最もつまずきやすいポイントです。

最初に考えたいのは、「配管に何が作用しているのか？」です。

配管に作用するものを初心者向けに大きく分けると、Force（荷重）系とDisplacement（変位）系として考えると理解しやすくなります。

Force系の代表例は、

• Weight
• Pressure
• Wind
• Earthquake

です。

一方、Displacement系の代表例は、

• Thermal Expansion
• Anchor Movement
• Equipment Movement
• Settlement

などです。

Sustainedとは

Sustainedは文字どおり、継続的に作用する荷重に関係する評価です。

初心者向けには、Weight＋Pressureなどをイメージすると理解しやすいでしょう。

配管応力解析ソフトでは、Sustainedを略してSUSと表示するケースがあります。

配管や内容物の重量は重力として常に作用するため、適切なSupport SpanやRest Supportなどによって支える必要があります。

Expansion / Displacement Stress Rangeとは

温度変化がある配管では、配管が熱膨張・熱収縮します。

配管が自由に伸び縮みできれば大きな拘束力は生じませんが、Anchorや機器ノズルなどで変位を拘束すると、配管に曲げや反力が発生します。

配管応力解析では、このような変位に起因する応力範囲を評価します。

解析ソフトではEXPと表示されるケースがあります。

重要なのは、「温度そのものが配管を押す」と覚えないことです。

温度変化によって配管が伸びようとし、その変位が拘束されることで応力やReactionが発生します。

Occasionalとは

Occasional Loadは、常時作用するわけではない荷重に関係します。

代表的には、

• Earthquake
• Wind

などです。

解析ソフトではOCCと表示されるケースがあります。

SUS・EXP・OCCという3文字を暗記するより、「どんな荷重が配管に作用しているか」から考えた方が、後から応力計算を理解しやすくなります。

Primary StressとSecondary StressはSUS・EXPと完全な同義語ではない

ASME B31.3を学ぶと、Primary StressとSecondary Stressという言葉も登場します。

初心者向けの記事では、

• Primary Stress＝SUS
• Secondary Stress＝EXP

と説明されることがあります。

概念をイメージする入口としては分かりやすいのですが、完全な同義語として覚えるのは避けた方が安全です。

Primary StressとSecondary Stressは、応力がどのような性質を持つかを理解するための概念です。

一方、

• Sustained
• Occasional
• Displacement Stress Range

は、ASME B31.3のCode評価や配管応力解析結果を見る際に使われる評価区分として整理すると理解しやすくなります。

Primary Stressは、荷重に対して力の釣り合いを保つために必要となる応力として理解できます。

Secondary Stressは、熱膨張などの変位が拘束されることによって発生し、局部的な降伏などによって再分配され得る自己制限性を持つ応力として理解するのが基本です。

この違いが、SustainedとExpansionで許容評価の考え方が異なる理由を理解する入口になります。

Stress AnalysisはStressだけ見ない

「配管応力解析」という名前から、Stressだけ確認すればよいと思われがちです。

しかし実務では、少なくとも次の4つを関連付けて見ることが重要です。

1. Stress
2. Displacement
   
3. Support Reaction
   
4. Equipment Nozzle Load

Stressが許容値以内でも、配管変位が大きすぎれば周囲の設備と干渉する可能性があります。

Support Reactionが大きすぎれば、Support Structure側の設計に影響します。

Equipment Nozzle Loadが大きすぎれば、Pump、Vessel、Heat Exchangerなど接続機器へ過大な荷重を与える可能性があります。

したがって、

「StressがOKだから解析終了」

ではなく、

「Stress＋Displacement＋Reaction＋Nozzle Loadをまとめて確認する」

ことが重要です。

STEP5｜製作・検査・試験までがASME B31.3

配管設計者がB31.3を理解するとき、STEP4のStress Analysisで終わらせないことが重要です。

ASME B31.3は、

• Fabrication
• Assembly
• Erection
• Inspection
• Examination
• Testing

まで扱っています。

ASME公式には、B31.3のMaterials・Fabrication・Examination・Testingに特化した教育プログラムも用意されています。

ASMEは、その教育内容でDesign・MaterialsとFabrication・Examination rulesの関係を理解することを重視しています。

つまりASME B31.3は、

計算して終わるCode

ではありません。

設計した配管が適切な材料で製作され、必要な溶接・熱処理・検査・試験を経て、安全な配管システムとして完成するところまでが重要です。

ASME B31.3と配管応力解析はどうつながる？

ASME B31.3と配管応力解析の関係を理解するには、熱膨張を「何mm伸びるか」だけで終わらせないことがポイントです。

熱膨張は「何mm伸びるか」で終わらない

直管の単純な熱伸びは、基本的には次の関係で考えられます。

ΔL ＝ αLΔT

• ΔL：熱伸び量
• α：線膨張係数
• L：配管長
• ΔT：温度差

たとえば高温配管では、温度が上昇すると配管は伸びようとします。

しかし実際の配管設計では、

「何mm伸びるか？」

を計算した時点では終わりません。

次に考えるのは、

「その熱伸びをどこへ逃がすか？」

です。

配管の熱変位を適切に吸収するために、

• Elbow
• Offset
• Expansion Loop
• Anchor
• Guide
• Rest
• Line Stop
• Spring Support

などを組み合わせます。

そして最終的に、

• Stress
• Displacement
• Reaction
• Nozzle Load

を確認します。

LayoutとSupportがFlexibilityを左右する

熱膨張対策で重要なのが**Flexibility（可とう性）**です。

配管レイアウトに曲がりがなく、両端を強く拘束した直管は、熱膨張を逃がしにくくなります。

一方で、ElbowやOffsetを適切に配置すると、配管が曲げ変形することで熱変位を吸収しやすくなります。

つまり、

Temperature
↓
Thermal Expansion
↓
Layout・Support
↓
Flexibility
↓
Stress・Displacement・Reaction

という関係があります。

配管応力解析は、単に「Stressを計算するソフト」ではありません。

配管LayoutとSupport条件を変えながら、安全に熱膨張を吸収できる配管系を設計するための確認手段

と考えると、本質が見えやすくなります。

ASME B31Jは応力解析を深く学ぶ段階で知っておきたい

ASME B31.3による配管応力解析を深く学ぶと、ASME B31Jという規格も目にするようになります。

ASME B31J-2023は、Metallic Piping ComponentsのStress Intensification Factorであるi-Factorや、Flexibility Factorであるk-Factorなどを扱うStandardです。

SIFやFlexibility Factorは、ElbowやBranch Connectionなどの局部的な応力・柔軟性を評価するうえで重要ですが、ASME B31.3を初めて学ぶ段階ですべて理解する必要はありません。

初心者はまず、「配管応力解析を深く学ぶとB31Jにもつながる」という位置付けだけ押さえておけば十分です。

初心者がASME B31.3を勉強するときのおすすめ順序

ASME B31.3は情報量が多いため、最初からCodeを1ページ目から順番に暗記しようとすると挫折しやすくなります。

配管設計者であれば、次の順番がおすすめです。

step
1Scope(範囲)

最初に、「ASME B31.3は何を対象にしているのか」を理解します。

B31.1や他のB31 Codeとの違いも、まずScopeから考えます。

step
2Design Pressure（設計圧力）・Design Temperature（設計温度）

次に配管設計の入力条件を理解します。

Pressure・Temperatureは、後のPressure Design、材料許容応力、熱膨張評価につながります。

step
3Materials（材質）・Allowable Stress（許容応力）

使用材料と温度条件の関係を理解します。

材料の許容応力を単なる暗記数字として扱わず、「材料＋温度によって評価条件が変わる」という関係を理解することが大切です。

step
4Pressure Design（圧力設計）

Pipe ThicknessやComponentのPressure Designへ進みます。

step
5Sustained（自重、内圧）・Expansion（熱膨張、強制変位）・Occasional（地震、風）

配管系全体に作用する荷重の種類を整理し、Code Stress評価を理解します。

step
6Flexibility（配管の可とう性）・Support（支持）

熱膨張をどこへ逃がすのかを考えます。

Anchor、Guide、Rest、Line StopなどSupportの役割も、この段階で学ぶと理解しやすくなります。

step
7Fabrication・Examination・Testing

最後に、設計した配管がどのように製作・検査・試験されるのかまで視野を広げます。

ASME公式の教育内容もScopeからDesign、Materials、Fabrication、Inspection・Examination・Testingへ進んでおり、設計と製作・品質確認を一つの体系として理解する構成になっています。

step
8必要になったらB31Jや高度なStress Analysisへ

基礎が理解できてから、

• SIF
• Flexibility Factor
• Fatigue
• Stress Range
• 詳細なLoad Combination
• CAESAR IIなどの解析

へ進みます。

ASME B31.3を扱うときに初心者が注意したい5つのこと

ASME B31.3を実務で使う場合、Codeの内容だけでなく情報の扱い方も重要です。

1．適用Editionを必ず確認する

ASME B31.3にはEditionがあります。

現在の最新版だけを見るのではなく、担当ProjectでどのEditionが指定されているかを確認してください。

OSHAもRAGAGEPの適用確認では、採用された文書のEditionやPublication Dateを把握する重要性に触れています。

2．Web記事の数字だけで設計しない

Web記事には、

• 許容応力
• 安全係数
• Test Pressure
• Support Span
• Expansion Loop間隔

など、具体的な数字が多数掲載されています。

数字は理解の助けになりますが、Edition、材料、温度、Fluid Service、Project条件などによって前提が違う可能性があります。

設計に使用する値は、最終的に適用EditionのCode本文やProject Specificationで確認することが重要です。

3．Code Requirementと経験則を区別する

配管設計には、Codeが明確に要求している事項と、長年の設計経験から使われているPracticeや目安があります。

たとえばSupport SpanやExpansion Loopの配置間隔などは、設計会社やProjectによってDesign Practiceを持っているケースがあります。

経験則が有用であっても、「B31.3にそう書いてある」とは限りません。

Code RequirementとEngineering Practiceを分けて説明することが重要です。

4．Project Specificationも確認する

実際のプラント設計では、ASME B31.3だけで設計条件が完結するとは限りません。

Client SpecificationやCompany Standardによって、B31.3より追加的な要求が定められているケースがあります。

したがって実務では、Code＋Project Specificationという視点が必要です。

5．日本国内では国内法令・基準との関係も確認する

ASME B31.3は国際的に広く利用されるCodeですが、日本国内で設備を設計する場合、対象設備によって国内法令や適用基準も確認する必要があります。

したがって、「ASME B31.3に適合しているから、日本国内の法的要求も自動的にすべて満たす」とは考えない方が安全です。

Projectごとに適用法令、規格、Client Requirementを確認してください。

ASME B31.3に関するよくある質問

Q1．ASME B31.3とは簡単に言うと何ですか？

ASME B31.3はProcess Pipingの安全な設計・製作・検査・試験などに関する要求事項をまとめたCodeです。

配管応力解析だけではなく、Materials、Design、Fabrication、Assembly、Erection、Inspection、Examination、Testingまで幅広く扱います。

Q2．ASME B31.1とB31.3の違いは何ですか？

基本的には、

ASME B31.1＝Power Piping
ASME B31.3＝Process Piping

という適用範囲の違いから理解します。

「どちらの安全率が高いか」だけでCodeを選ぶのではなく、Project Specificationと適用Scopeを確認することが重要です。ASME B31.1はPower Piping systemsを対象としています。

Q3．ASME B31.3は日本でも使われますか？

海外向けプラントやASMEをDesign Codeとして指定するProjectなどでは、ASME B31.3が使用されます。

ただし、日本国内では対象設備に応じて国内法令や基準の確認も必要です。

ASME B31.3と国内法令・Project Requirementを別々に確認するという考え方が重要です。

Q4．ASME B31.3を全部覚える必要がありますか？

ASME B31.3を最初からすべて暗記する必要はありません。

初心者は、

Scope
→ Design Conditions
→ Materials・Pressure Design
→ Loads・Stress・Flexibility
→ Fabrication・Inspection・Testing

という全体像から理解すると、必要なCode Requirementを探しやすくなります。

Q5．SUS・EXP・OCCとは何ですか？

配管応力解析では一般に、

SUS：Sustained
EXP：Expansion
OCC：Occasional

という略称を目にします。

SUSは重量や圧力などの継続荷重、EXPは熱変位などによるDisplacement Stress Range、OCCは地震や風などのOccasional Loadを理解する入口になります。

ただし、解析ソフトのLoad Case定義はProjectや解析設定によって異なるため、表示名だけで判断せず、実際のLoad Combinationを確認してください。

Q6．Primary StressとSecondary Stressの違いは何ですか？

Primary Stressは、外力に対して力の釣り合いを維持するために必要となる応力として理解できます。

Secondary Stressは、熱膨張の拘束など変位条件によって生じ、局部的な降伏による再分配が可能な自己制限性を持つ応力として理解するのが基本です。

初心者は、Primary＝SUS、Secondary＝EXPと完全な同義語として暗記せず、

「応力の性質」と「Code上の評価区分」は関連するが別の整理軸

として理解すると混乱しにくくなります。

Q7．配管応力解析にはCAESAR IIが必須ですか？

CAESAR IIは配管応力解析で広く知られているソフトウェアの一つですが、ASME B31.3が特定の市販解析ソフトだけを必須としているわけではありません。

配管系の複雑さ、Project Specification、解析目的、Client Requirementなどに応じて適切な解析方法を選定します。

重要なのはソフト名ではなく、適用Codeに従って必要な荷重・応力・変位・Reaction等を適切に評価できていることです。

まとめ｜B31.3は「設計の地図」を理解すると読みやすくなる

ASME B31.3を初めて見ると、Codeのボリュームや専門用語の多さから難しく感じるかもしれません。

しかし、配管設計者が最初からすべてを暗記する必要はありません。

ASME B31.3を配管設計者の視点で整理すると、次の5STEPになります。

STEP1：適用範囲を確認する
STEP2：Design Pressure・Temperatureなどの設計条件を整理する
STEP3：材料・肉厚・Componentを確認する
STEP4：SUS・EXP・OCCなど荷重・応力・変位を確認する
STEP5：Fabrication・Examination・Inspection・Testingまで確認する

そして配管応力解析では、Stress Ratioだけを見るのではなく、

Stress＋Displacement＋Reaction＋Nozzle Load

を関連付けて確認することが重要です。

ASME B31.3を理解する第一歩は、Codeの式を大量に暗記することではありません。

「自分が今、配管設計のどのSTEPにいて、何を確認しようとしているのか」

を把握することです。

設計の地図が頭に入ると、ASME B31.3原文を読むときにも、必要な情報を探しやすくなります。

次は、**「配管応力解析とは？一次応力・二次応力を初心者向けに解説」**で、STEP4の荷重・応力評価をもう一段深く理解してみてください。

この記事を書いた人

• 氏名：KAIJI
• プラント配管設計経験：25年以上
• 配管応力解析経験：10年以上
• ASME B31.3を扱った業務経験：5年以上。
• その他にもASME 31.1や高圧ガス保安法(KHK)を扱った業務経験あり

参考文献・公式資料

• ASME B31.3 Process Piping — ASME
• ASME B31.3 Process Piping Code Overview — ASME
• ASME B31.3 Process Piping Code — ASME Learning & Development
• ASME B31.3 Process Piping Materials, Fabrication, Examination and Testing — ASME
• ASME B31.1 Power Piping — ASME
• ASME B31J-2023: Stress Intensification Factors and Flexibility Factors — ASME
• RAGAGEP in Process Safety Management Enforcement — Occupational Safety and Health Administration

ASME公式資料ではB31.3がDesign・MaterialsだけでなくFabrication・Assembly・Erection・Inspection・Examination・Testingまで扱うCodeとして説明されています。

また、OSHAはASME B31.3をpublished consensus documentの例として明示しており、プロセス設備の安全性に関わる技術情報では一次規格を確認する重要性が高いといえます。

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• 「一次応力と二次応力は何が違うの？」
• 「SUSと一次応力は同じ意味？」
• 「熱応力は高くても大丈夫なの？」
• 「解析結果では、結局どの数字を見ればいいの？」

このような疑問を持つのは珍しくありません。

最初から規格式を丸暗記する必要もありません。

配管応力解析を理解する最初のポイントは、「一次応力は力に支配される」「二次応力は拘束された変位によって生じる」という違いを理解することです。

ASMEの技術資料でも、

• Primary Stressは、force-controlled load（力で支配される荷重）に対する応力
• Secondary Stressは、deformation-controlled load（変形で支配される荷重）に対する応力

であり、Secondary Stressにはself-limiting（自己制限的）な性質があると説明されています。

熱応力もSecondary Stressの代表例として示されています。

この基本が分かると、

• 自重・内圧 → Sustained（SUS）
• 熱膨張・強制変位 → Expansion（EXP）
• 地震・風など → Occasional（OCC）

という配管応力解析の実務的な分類も理解しやすくなります。

ただし、「一次応力＝SUS」「二次応力＝EXP」が完全な同義語というわけではありません。

本記事では、この違いも含めて、配管応力解析の全体像を初心者向けに順番に解説します。

この記事を読み終える頃には、配管応力解析結果を見ながら、

• 何の荷重を評価しているのか
• SUS・EXP・OCCとは何か
• なぜSUSとEXPでは許容値が違うのか
• Stress Ratioは何を意味するのか
• 応力以外に何を確認する必要があるのか

を自分の言葉で説明できることを目指します。

配管応力解析とは？まず「何を確認する解析なのか」を理解しよう

配管応力解析とは、配管に作用するさまざまな荷重によって発生する変位・荷重・モーメント・応力などを計算し、配管や接続機器が安全に使用できるか確認する解析です。

「応力解析」という名前から、配管に発生する応力だけを計算するものだと思われがちですが、実務ではもっと広い範囲を確認します。

伊藤忠テクノソリューションズの技術解説でも、プラント配管には自重、熱膨張、地震、風、振動などが作用し、過大な変形・応力や流体漏えいを防止するために、配管ルートやサポートの種類・位置を決定すると説明されています。

配管には自重・内圧・熱膨張・地震などの荷重が作用する

配管に作用する荷重には、代表的に次のものがあります。

AutoPIPEについても、静的解析では内圧・熱膨張・強制変位・摩擦力などを扱い、動的解析にも対応する配管応力解析システムとして紹介されています。

重要なのは、荷重によって配管への作用の仕方が違うことです。

自重は配管が変形しても消えません。

一方、熱膨張による応力は、配管が自由に伸びられるか、Anchorや機器ノズルなどで拘束されているかによって大きく変わります。

この荷重の「性質の違い」が、一次応力と二次応力を理解する鍵になります。

配管応力解析で確認するのは「応力」だけではない

配管応力解析では、少なくとも次のような結果を確認します。

• 配管応力
• 配管変位
• サポート反力
• Anchor荷重
• Guide・Line Stopなどの拘束荷重
• ポンプ・タンク・熱交換器などへのノズル荷重
• 配管の接触・浮き上がり
• 必要に応じて動的応答

JFEプラントエンジのAutoPIPEによる解析事例でも、熱・内圧・自重・地震による配管応力だけでなく、配管変位、サポートや支持構造物に作用する反力、接続機器への荷重まで評価すると説明されています。

そのため、「Stress Ratioが100％以下だったから配管設計は終了」という考え方では不十分です。

配管自体の応力が許容値以下でも、ポンプノズルに過大な荷重を伝えていたり、配管が大きく移動して周囲と干渉したり、サポート反力が過大になったりする可能性があります。

配管応力解析の基本は「荷重→変形→応力→評価→改善」

配管応力解析の流れをシンプルにすると、次のようになります。

配管モデルを作る

↓

自重・内圧・温度・地震などの荷重条件を与える

↓

変位・荷重・モーメント・応力・反力を計算する

↓

ASME B31.3などの適用規格や機器側の許容値と比較する

↓

問題があれば配管ルートやサポートを変更する

↓

再解析して成立性を確認する

配管応力解析とは、単純な「強度計算」ではありません。

配管ルート、サポート、機器との接続条件まで含めて、配管システム全体を成立させるための設計プロセスと考える方が実務に近い理解です。

一次応力と二次応力の違いは「力」と「拘束された変位」

配管応力解析を理解するうえで最も重要なのが、一次応力（Primary Stress）と二次応力（Secondary Stress）の違いです。

最初は次のように覚えてください。

ASMEの公開技術資料では、Primary Stressをforce-controlled loadsへの応答、Secondary Stressをimposed deformation-controlled loadsへの応答として整理しています。

Secondary Stressについてはself-limitingであり、Thermal StressもSecondary Stressであると説明されています。

ここから詳しく見ていきます。

一次応力とは「力を受け続けることで生じる応力」

一次応力を理解するには、配管の上に重りを載せた状態をイメージすると分かりやすくなります。

配管に重量が作用すると、配管は重量を支えなければなりません。

配管が少し変形したとしても、重りそのものが消えるわけではありません。

配管には重力が存在する限り荷重が作用し続けます。

このように外から加わる力によって支配される荷重を、Force-controlled Loadと考えます。

ASMEの説明でも、Primary Stressはforce-controlled loadによって発生し、外から加わる荷重との力・モーメントの釣り合いを満足する必要があるとされています。

配管設計では、自重や圧力に関係する応力が代表的なイメージです。

一次応力が過大になった状態では、局部的に少し変形しただけでは荷重そのものが消えません。

そのため、一次応力では過大な荷重による塑性崩壊などを防止する視点が重要になります。

二次応力とは「動きたいのに拘束されて生じる応力」

二次応力の代表例が、熱膨張による応力です。

配管の温度が上昇すると、配管は次の式で表される量だけ伸びようとします。

Δ L =α L Δ T

ここで、

• Δ L：熱伸び量
• α：線膨張係数
• L：配管長さ
• Δ T：温度変化

です。

重要なのは、配管が熱膨張すること自体が直ちに大きな熱応力を生むわけではないことです。

両端が自由な配管であれば、温度が上昇しても配管はそのまま伸びることができます。

一方、配管の両端がAnchorや機器ノズルなどで固定されている場合、配管は、「伸びたい。でも伸びられない」状態になります。

熱膨張によって生じようとする「変位」が拘束されることで、配管内部に熱応力が発生します。

これがDisplacement-controlled、つまり変位によって支配される応力という考え方です。

ASMEの技術資料も、Secondary Stressをdeformation-controlled loadによって生じる応力として説明しています。

二次応力には「自己制限性」がある

一次応力と二次応力を分けるもう一つの重要な考え方が、**自己制限性（Self-limiting）**です。

Secondary Stressにはself-limitingな性質があるとASMEの技術資料で説明されています。

熱膨張を例に考えてみましょう。

配管が熱で伸びようとしているにもかかわらず両端を完全に拘束すると、弾性解析では大きな熱応力が計算されることがあります。

しかし局部的な塑性変形などによって配管がわずかに変形できれば、拘束によって発生していた応力は再分配されます。

つまり、外力が存在する限り支え続ける必要がある一次応力とは性質が違います。

ただし、「二次応力には自己制限性がある＝熱応力はいくら高くても問題ない」という意味ではありません。

配管設備は、停止→加熱→運転→冷却→停止という温度変化を繰り返します。

熱膨張による応力が繰り返し作用すれば、疲労損傷が問題になります。

このため配管コードでは、熱膨張による応力を単純な一回の最大応力としてだけ見るのではなく、**Expansion Stress Range（変位応力範囲）**として評価する考え方が使われます。

一次応力と二次応力を比較するとこうなる

比較表： 一次応力と二次応力の違い

SUS・EXP・OCCとは？一次・二次応力とつなげて理解する

一次応力と二次応力の基本が分かったら、次は実際の配管応力解析で頻繁に登場するSUS・EXP・OCC・OPEを理解しましょう。

CAESAR IIでは、Stress TypeとしてOPE、SUS、EXP、OCC、FATなどが区別されています。Stress Typeによって、応力の計算方法や使用する許容応力が決まります。

初心者向けに大きく整理すると、次の関係になります。

自重・圧力など → SUS

熱膨張・強制変位など → EXP

地震・風など → OCC

実際の運転状態を再現する組み合わせ → OPE

SUSは自重・内圧などの継続荷重を評価する

SUSはSustainedの略です。

Sustainedには「継続する」「持続する」という意味があります。

配管では、自重や流体重量、圧力など、運転中に継続して作用する荷重の評価に関係します。

CAESAR IIの技術資料でも、SUSはSustained Caseとして区別されており、別の公式解説ではweightやpressureをprimary loadsとして扱っています。

初心者向けには、

SUS＝配管がずっと支え続けなければならない荷重のチェック

と考えると理解しやすいでしょう。

ASME B31.3をCAESAR IIに実装した公式資料では、Sustained Stressの許容値として(S_h)、つまり評価温度に対応するHot Allowable Stressを用いる体系が示されています。

EXPは熱膨張・強制変位による「変化量」を評価する

EXPはExpansionの略です。

Expansionで重要なのは、熱膨張によって生じる応力を単純な「運転中の最大応力」として見るのではなく、状態間で生じる変位・応力の範囲として考えることです。

たとえば配管が、据付時20℃ → 運転時200℃まで加熱されるとします。

配管は20℃の状態から200℃の状態まで熱膨張します。

そのとき生じる変位の変化範囲からExpansion Stressを評価します。

CAESAR IIのApplication Guideでも、Operating CaseからSustained Caseを差し引いてExpansion Caseを作成し、据付状態から運転状態までのdisplacement rangeを使ってExpansion Stressを計算する例が示されています。

概念的には、

冷間状態

↓

温度上昇

↓

配管が熱膨張

↓

拘束によって曲げ・変位が発生

↓

冷間→熱間の変化範囲をEXPとして評価

という流れです。

OCCは地震・風など短時間の荷重を評価する

OCCはOccasionalの略です。

Occasionalとは「時折発生する」という意味です。

配管設備では、

• 地震
• 風
• 一時的な外力

などの評価に使われます。

ここで初心者がよく疑問に感じるのが、

という問題です。

実務を理解する段階では、地震をPrimary / Secondaryのどちらか一方へ無理に当てはめて覚えるよりも、地震などの短時間荷重はOccasional LoadとしてSUSやEXPとは別のコード評価を行うと理解した方が整理しやすくなります。

CAESAR IIのB31.3実装資料でも、SUS・OCC・EXPは異なる許容基準で評価されています。

OPEは運転状態だが、そのままCode Stress判定するものではない

OPEはOperatingの略です。

Operating Caseには、実際の運転状態を再現するため、

• Weight
• Pressure
• Temperature
• Displacement
• Force

などが組み合わされます。

CAESAR II公式資料では、Operating Caseにはweight・pressure・forceなどのPrimary Loadと、displacements・thermal expansionsなどのSecondary Loadの両方が含まれると説明されています。

Operating Caseは、実際の運転時に、

• 配管がどちらへ動くのか
• サポートにどれくらい荷重がかかるのか
• 機器ノズルにどれくらい荷重が伝わるのか
• 周囲の配管・構造物と干渉しないか

などを見るために非常に重要です。

しかしCAESAR II公式Helpでは、B31.1やB31.3などについて、OPEはCode Compliance Caseではなく、allowable stressを報告しないと説明されています。

つまり、

「OPEの応力が一番大きいから、OPEだけ見れば安全性を判断できる」

という考え方は適切ではありません。

規格上の評価は、SUS・EXP・OCCなど、荷重の性質に応じたStress Typeで行います。

一次・二次応力からSUS・EXP・OCCまでを1枚で整理

ここまでをシンプルにつなげると、次のようになります。

自重・圧力

↓

Force-controlled

↓

Primary Stressと強く関連

↓

Sustained

↓

SUS

熱膨張・強制変位

↓

Displacement-controlled

↓

Secondary Stressと強く関連

↓

Expansion

↓

EXP

地震・風

↓

短時間の荷重

↓

Occasional

↓

OCC

ただし、Primary / SecondaryとSUS / EXP / OCCは同じ分類体系の言葉ではありません。

Primary / Secondaryで荷重・応力の物理的性質を理解し、その後にSUS / EXP / OCCというコード評価へ進む

という順番がおすすめです。

なぜSUSとEXPでは許容値が違うのか？

SUSとEXPで評価方法や許容値が異なる大きな理由は、SUSとEXPでは荷重の性質と想定する破損メカニズムが異なるからです。

規格式だけを見ると難しく感じますが、

SUS＝力を支え続ける問題

EXP＝拘束された変位を繰り返す問題

と考えると理解しやすくなります。

SUSは塑性崩壊を防ぐ視点が重要

Sustained Loadは、自重や圧力などの継続荷重に関係します。

自重による力は、配管が多少変形してもなくなりません。

過大なForce-controlled Loadが存在し続ければ、配管は荷重を支えることができなくなり、塑性崩壊などにつながる可能性があります。

CAESAR IIのB31.3実装資料では、Sustained Stressについて概念的に、SL (持続応力) ≦  Sh(基本許容応力)　となるよう評価する体系が示されています。

実際のB31.3のSustained Stress式には軸方向応力、曲げ、ねじりなどの規定が含まれるため、単純な「自重応力÷許容応力」だけではありません。

初心者の段階では、

SUSでは、継続的な力によって配管が荷重を支えられなくならないかを確認する

と理解しておけば十分です。

EXPは熱サイクルによる疲労も考える

Expansionでは、温度変化によるStress Rangeが重要になります。

プラント配管は一度だけ加熱されて終わるとは限りません。

たとえば、

20℃：停止

↓

200℃：運転

↓

20℃：停止

という温度サイクルを設備の起動・停止のたびに繰り返します。

配管はそのたびに、伸びる→戻る→伸びる→戻るという変形を繰り返します。

二次応力にはself-limitingな性質がありますが、繰返しによる損傷を無視できるという意味ではありません。

CAESAR IIに示されるB31.3のExpansion Allowableには**cyclic reduction factor (f)**が組み込まれており、繰返し回数を考慮する仕組みがあります。

CAESAR IIのB31.3実装では、たとえばExpansion Allowableについて、

SA=f[1.25(Sc+Sh)−SL]

という形の評価体系が示されています。

ここで重要なのは式を暗記することではありません。

SUSとEXPでは荷重の性質が違うため、同じ許容値で単純比較していない

という設計思想を理解することが重要です。

なお、B31.3の式・係数・適用条件はEditionや対象条件によって変更されることがあります。

実案件では必ず採用しているASME B31.3のEditionとプロジェクト仕様を確認してください。

Stress Ratio 100％の意味

配管応力解析ソフトではStress Ratioが表示されることがあります。

イメージとしては、

Stress Ratio = {Code Stress} / {Allowable Stress} ×100

です。

たとえば、

• Code Stress：100 MPa
• Allowable：120 MPa

なら、（100 / 120) × 100 ≒ 83.3% となります。

一般的には、Stress Ratio ＜ 100％であれば、その評価ケースについて規格の許容範囲内です。

一方、Stress Ratio ＞ 100％であれば、そのコード評価条件を満足していないため、配管ルートやサポートなどの設計を見直す必要があります。

ただし、

Stress Ratioが101％になった瞬間に配管が破断する

という意味ではありません。

Stress Ratioは、実際の破断応力に対する比率ではなく、規格で定められた評価基準・Allowableに対する比率です。

逆に、

Stress Ratioが99％だから配管システム全体が安全

という意味でもありません。

変位、サポート反力、機器ノズル荷重などの確認も必要です。

配管応力解析では応力以外に何を見る？

配管応力解析で重要なのは、Stress Ratioだけではありません。

実務では少なくとも、

1. 配管変位
2. サポート反力
3. 機器ノズル荷重

を合わせて確認します。

JFEプラントエンジのAutoPIPEによる解析でも、応力だけでなく、配管の変位、サポート・支持構造物にかかる反力、接続機器への荷重を評価しています。

変位

高温配管では、数十mm、条件によってはそれ以上動くことがあります。

応力が許容範囲内でも、変位が大きければ、

• 隣接配管との干渉
• 鉄骨との干渉
• サポートからの脱落
• 伸縮継手の許容変位超過
• ドレン勾配への影響

などの問題が発生する可能性があります。

Operating Caseは、このような運転時変位を確認するうえで重要です。

CAESAR II公式資料も、Operating Caseをhot displacementの確認や、運転時のrestraint・equipment loadを求めるために使用すると説明しています。

サポート反力

Rest、Guide、Line Stop、Anchorなどのサポートには、配管から力が伝わります。

解析結果では、

• Restの鉛直荷重
• Guideの横方向荷重
• Line Stopの軸方向荷重
• Anchorの三方向荷重・モーメント

などを確認します。

配管自体のStress Ratioが低くても、Anchor Reactionが極端に大きければ支持鉄骨や基礎を大型化する必要があります。

配管応力解析は、配管の健全性と支持構造物の健全性をつなぐ役割も持っています。

ノズル荷重

配管はポンプ、コンプレッサー、タンク、熱交換器などの機器に接続されています。

高温配管が熱膨張して機器を強く引っ張れば、配管応力が許容値以内でも、機器ノズルへの荷重が許容値を超える可能性があります。

そのため配管応力解析では、「配管自身は大丈夫か？」だけでなく、「配管が接続機器へ無理な力を与えていないか？」という視点が欠かせません。

サポートを増やせば安全、とは限らない

配管応力解析の面白さと難しさを象徴するのが、サポートのトレードオフです。

初心者のうちは、

「配管が動くならサポートを増やして固定すれば安全なのでは？」

と考えやすいのですが、熱配管では必ずしもそうではありません。

自重に対してはRestを適切に追加すると、配管のたわみや曲げモーメントを抑えられる場合があります。

地震に対しても、GuideやLine Stopなどで過大な移動を抑制することが有効な場合があります。

しかし熱膨張に対して拘束を増やしすぎると、

熱膨張を拘束する

↓

熱応力が上がる

↓

サポート反力が上がる

↓

機器ノズル荷重が上がる

ということがあります。

engineering-eyeの技術解説でも、サポートが少ないと熱応力は低減する一方、地震時の変形・応力が大きくなる可能性があり、両者のバランスを取ることが配管設計の役割だと説明されています。

AutoPIPEのユーザー事例でも、熱応力解析では拘束点を減らして応力集中を緩和したい一方、地震や風では拘束点を増やして変形を抑えたいという相反関係があり、サポート形状とサポート位置のバランスが重要とされています。

つまり配管サポート設計では、「固定するほど強い」ではなく、「必要な方向は拘束し、動かしたい方向は適切に逃がす」という考え方が重要です。

初心者が配管応力解析で間違えやすい5つのポイント

ここまでの内容を整理するため、初心者が特に間違えやすいポイントを5つ確認します。

1．一次応力＝引張応力、二次応力＝曲げ応力ではない

一次・二次という言葉から、

一次応力＝引張

二次応力＝曲げ

と思ってしまうことがありますが、これは適切ではありません。

ASMEの技術資料では、Primary / Secondaryは荷重の性質に基づく分類として説明されています。

一方、Membrane Stress、Bending Stress、Peak Stressは応力分布に基づく別の分類です。

つまり、

Primary / Secondary

と、

Membrane / Bending / Peak

は別の軸の分類です。

2．Primary＝SUS、Secondary＝EXPを完全な同義語にしない

初心者向けには、

Primary → SUS

Secondary → EXP

と対応させると理解しやすくなります。

しかしPrimary / Secondaryは応力・荷重の物理的性質を理解する概念であり、SUS / EXPは配管コードの解析ケース・Stress Typeとして使われる用語です。

CAESAR IIでもSUS、EXP、OCC、OPEなどを独立したStress Typeとして扱っています。

「関連が強いが同義ではない」と覚えてください。

3．熱応力が高い＝すぐ破断ではない

Secondary Stressにはself-limitingな性質があります。

したがって弾性解析で高い熱応力が計算された場合でも、その値をそのまま「実際の破断応力」と考えるのは適切ではありません。

一方で、温度変化を何度も繰り返せば疲労などが問題になるため、熱応力を無視してよいわけでもありません。

「即破断ではない。しかし規格評価は必要」

という理解が重要です。

4．OPEの最大応力だけで判断しない

Operating CaseにはPrimary LoadとSecondary Loadの両方が含まれます。

そのためOPEは、実際の運転変位、サポート荷重、ノズル荷重などを見るうえで重要です。

しかしB31.1/B31.3系では、CAESAR IIのOPEはCode Compliance Caseではありません。

規格応力評価ではSUS・EXP・OCCなどを確認します。

5．サポートは多ければ多いほど安全ではない

サポートを増やすと自重や地震に対して有利になる場合があります。

しかし拘束点が増えると熱膨張の自由度が減り、熱応力・サポート反力・機器ノズル荷重が大きくなる場合があります。

配管サポートの目的は、「できるだけ動かさないこと」ではありません。

「必要な方向を拘束し、許容できる方向には適切に動かすこと」が重要です。

一次応力・二次応力から配管応力解析を理解する5STEP

配管応力解析結果を見るときは、次の5STEPで考えると整理しやすくなります。

step
1どんな荷重が作用しているか確認する

まず、

• 自重
• 圧力
• 温度
• 強制変位
• 地震

など、何が配管を動かそうとしているのか確認します。

いきなり応力値を見ないことがポイントです。

step
2ForceかDisplacementか考える

荷重が、

力によって支配されるのか

それとも、

変位を拘束したことで生じるのか

を考えます。

自重はForce-controlledの代表例です。

拘束された熱膨張はDisplacement-controlledの代表例です。

step
3Primary / Secondaryの性質を理解する

Force-controlledならPrimary Stressの考え方と強く関連します。

Displacement-controlledならSecondary Stressの考え方と強く関連します。

Secondary StressではSelf-limitingという性質も思い出してください。

step
4SUS / EXP / OCCのCode Caseを確認する

次に解析ソフトで、

• SUS
• EXP
• OCC

などのStress Typeを確認します。

OPEは運転状態の変位・荷重を見るうえで重要ですが、B31.1/B31.3系のCAESAR IIではOPEそのものをCode Compliance Caseとして扱いません。

step
5応力・変位・反力・ノズル荷重をまとめて確認する

最後に、Stressだけではなく、

Displacement

Support Reaction

Nozzle Load

まで確認します。

配管応力解析の最終目的は、Stress Ratioを低くすることではありません。

配管・サポート・接続機器を含むシステム全体を成立させることが最終目的です。

配管応力解析に関するよくある質問

一次応力と二次応力では、どちらが危険ですか？

一次応力と二次応力は単純に「どちらが危険」と比較するものではありません。

一次応力はForce-controlledな性質を持ち、過大な状態では塑性崩壊などが問題になります。

二次応力はSelf-limitingな性質がありますが、温度サイクルなどによる繰返しでは疲労などが問題になります。

一次応力と二次応力では想定する荷重・破損メカニズムが異なるため、それぞれ適切な方法で評価します。

熱応力はすべて二次応力ですか？

拘束された熱膨張によって生じる熱応力は、Secondary Stressを理解する代表例です。

ASMEの公開技術資料でもThermal StressをSecondary Stressとして説明しています。

ただし実際の配管コード評価には詳細な応力式や荷重ケースの定義があります。

初心者の段階では、

「自由な熱伸びそのものではなく、熱伸びを拘束することで二次応力が発生する」

と理解することが大切です。

地震応力は一次応力ですか？

配管コードを実務的に理解する場合は、地震荷重を単純に一次・二次の二択で覚えるより、Occasional Loadとして評価すると理解する方が分かりやすいでしょう。

CAESAR IIでもOCCはSUS・EXPとは異なるStress Typeとして定義されています。

SUSと一次応力は同じ意味ですか？

完全に同じ意味ではありません。

Sustained Loadは自重・圧力などPrimaryなForce-driven Loadと強く関連するため、初心者がPrimary Stressを理解する際にSUSと対応させるのは有効です。

ただしPrimary Stressは応力の性質を説明する概念であり、SUSは配管コード上のStress Type・評価ケースです。

Expansion Stressが100％を超えると配管はすぐ壊れますか？

Stress Ratioが100％を超えたからといって、その瞬間に配管が破断するという意味ではありません。

Stress Ratioが100％を超えるということは、適用している規格の許容基準を満足していないことを意味します。

そのため、配管ルートの柔軟性を増やす、拘束条件を見直す、サポート位置を変更するなどの設計改善を行い、再評価する必要があります。

CAESAR IIとAutoPIPEは何をするソフトですか？

CAESAR IIとAutoPIPEは、代表的な配管応力解析ソフトウェアです。

配管モデルに自重、圧力、温度、強制変位、地震などの荷重条件を与え、変位・応力・荷重・反力などを計算します。

AutoPIPEについては、静的・動的荷重に対する配管応力解析システムとして、内圧・熱膨張・強制変位などを扱うことが紹介されています。

配管応力解析はすべての配管で必要ですか？

すべての配管について、必ず詳細なコンピュータ解析を行うとは限りません。

解析の必要性や評価方法は、

• 適用規格
• 設計温度
• 配管径・肉厚
• 配管ルート
• 材料
• 接続機器
• 運転条件
• プロジェクトの設計基準

などによって異なります。

ASME B31.3などの適用規格と、各プロジェクトの設計仕様・解析基準に従って判断してください。

まとめ｜一次・二次応力が分かれば配管応力解析の全体像が見えてくる

配管応力解析は、難しい数式を暗記するところから始める必要はありません。

最初に理解したいのは、

「配管に何が作用し、配管がどちらへ動こうとして、その動きを何が拘束しているのか」

という物理現象です。

今回のポイントを整理します。

• 一次応力（Primary Stress）はForce-controlledな荷重と関係する
• 二次応力（Secondary Stress）はDisplacement-controlledな荷重と関係する
• 拘束された熱膨張はSecondary Stressを理解する代表例
• Secondary StressにはSelf-limitingな性質がある
• SUSは自重・圧力などの継続荷重評価と強く関連する
• EXPは熱膨張・強制変位などによるStress Rangeの評価と強く関連する
• 地震・風などはOCCとして別枠で評価する
• Primary＝SUS、Secondary＝EXPは完全な同義語ではない
• OPEは運転変位・反力などを見る重要なケースだが、B31.1/B31.3系CAESAR IIではCode Compliance Caseそのものではない
• Stress Ratioだけでなく変位・サポート反力・ノズル荷重まで確認する
• サポートを増やせば必ず安全になるわけではなく、熱膨張とのバランスが重要

配管応力解析を理解する一番の近道は、応力値だけを見るのではなく、

荷重 → 変位 → 拘束 → 応力 → 規格評価 → 配管・サポート改善

という一連の流れで考えることです。

一次応力と二次応力の違いが理解できると、SUS・EXP・OCCという解析結果も、単なるアルファベットの記号ではなく「何を確認しているケースなのか」が見えてきます。

そして配管応力解析の本当の目的は、単にStress Ratioを100％以下にすることではありません。

配管を必要な方向には支えながら、熱膨張させたい方向には適切に動かし、配管・サポート・接続機器のすべてを成立させること。

この考え方が、配管応力解析を実際の配管設計へつなげる第一歩です。

次に読みたい記事

二次応力の代表例である熱膨張をさらに理解したい場合は、「配管の熱膨張を実例計算｜ΔL＝αLΔTから熱応力まで解説」で、熱伸び量の計算から、自由膨張と完全拘束の違い、熱応力まで順番に確認すると理解が深まります。

配管の動きをコントロールするサポートについて理解したい場合は、「プラント配管サポートの基本｜Rest・Guide・Line Stop・Anchorの違いを解説」へ進むと、配管応力解析 → 熱膨張 → サポート設計が一本につながります。

参考資料・技術資料

本記事の技術的な整理では、以下の資料を主要な参考情報として使用しています。

• ASME「DAY 02 – BPV III and NQA Workshop」
  Primary Stressをforce-controlled、Secondary Stressをdeformation-controlledかつself-limitingとして説明しているASME公開技術資料。
• Hexagon「CAESAR II Users Guide – Stress Type」
  OPE・SUS・EXP・OCC・FATなどのStress Typeと、OPEがB31.1/B31.3ではCode Compliance Caseではないことを確認。
• Hexagon「CAESAR II Users Guide – B31.3」
  B31.3におけるSustained、Expansion、Occasionalの応力許容体系を確認。
• Hexagon「CAESAR II Applications Guide」
  Operating Case、Sustained Case、Expansion Caseとdisplacement rangeの関係を確認。
• JFEプラントエンジ「配管の熱応力解析技術（AutoPIPE）」
  配管応力だけでなく変位、サポート反力、接続機器荷重を評価する実務的な解析対象を確認。
• 伊藤忠テクノソリューションズ engineering-eye「設計規格による配管系の応力解析の基礎」
  自重・熱膨張・地震と配管ルート、サポート設計のトレードオフを確認。

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「ΔL＝αLΔTという式は知っているけれど、αやLには何を入れればいい？」

配管設計を始めた頃、このような疑問を持つ人は少なくありません。

配管の自由な熱膨張量は、基本式　ΔL＝αLΔTを使えば概算できます。

例えば、配管長20m、据付温度20℃、運転温度200℃の条件では、日本製鉄が参考値として示している線膨張係数を使うと、炭素鋼配管は約41.8mm、ステンレス配管は約59.0mm伸びる計算になります。

しかし、プラント配管の熱膨張設計は「59mm伸びる」と分かったところで終わりではありません。

配管が自由に伸びれば変位として現れますが、AnchorやGuideなどで熱変位を拘束すれば、配管やサポート、接続機器にForceやMomentが発生します。

つまり配管熱膨張を理解するには、

熱伸びを計算する

↓

熱伸びをどこへ逃がすか設計する

↓

配管系全体の応力・反力を確認する

という順番で考えることが重要です。

この記事では、ΔL＝αLΔTの意味から具体的な計算例、炭素鋼とステンレスの違い、Rest・Guide・Line Stop・Anchorによる拘束、さらにASME B31.3のFlexibility Analysisまで、配管熱膨張の考え方を順番に解説します。

この記事で分かること

• ΔL＝αLΔTの意味と使い方
• 炭素鋼・ステンレス配管の熱膨張量
• 10m・20m・50m・100m配管の実例計算
• 線膨張係数αが資料によって違う理由
• 「熱膨張」と「熱応力」の違い
• Rest・Guide・Line Stop・Anchorと熱膨張の関係
• 配管自身のFlexibilityで熱変位を吸収する考え方
• 手計算からASME B31.3の配管応力解析へ進む流れ

配管の熱膨張とは？まず「何mm伸びるか」を理解しよう

結論からいうと、金属製の配管は温度が上昇すると長くなり、温度が低下すると短くなります。

この長さの変化が「熱膨張・熱収縮」です。

配管は温度が上がると長くなる

例えば、常温20℃で施工した直管を考えてみましょう。

運転開始によって配管金属温度が200℃まで上昇すると、配管は長手方向へ伸びようとします。

配管の片側を固定し、反対側を自由にしている場合を単純化すると、

20℃の配管

┃────────────→

↓

200℃の配管

┃────────────────→

というように、自由端側が移動します。

この温度変化によって増えた長さが熱膨張量ΔLです。

熱膨張量は「ΔL＝αLΔT」で概算できる

直管の自由熱膨張量は、一般に次の式で概算できます。

ΔL＝αLΔT

それぞれの記号は次の意味です。

日本製鉄の技術資料でも、鋼管の熱膨張量について同じ関係式が示されています。

また参考値として、SGP・炭素鋼の線膨張係数を11.6×10⁻⁶、ステンレスを16.4×10⁻⁶としています。

ΔTは「運転温度」ではなく温度差

熱膨張計算で特に間違えやすいのがΔTです。

例えば、

• 据付時の配管温度：20℃
• 運転時の配管金属温度：200℃

なら、

Δ T=200-20

なので、

Δ T=180℃

です。

ΔT＝200℃ではありません。

熱膨張量は「何℃になったか」だけでなく、基準状態から何℃変化したかで決まります。

配管が長いほど、温度差が大きいほど熱膨張量も増える

式　ΔL=αL ΔT　を見ると、熱膨張量ΔLは配管長Lに比例します。

同じ材質・同じ温度差なら、

• 10mより20m
• 20mより50m
• 50mより100m

の配管の方が大きく伸びます。

同様に配管長と材質が同じなら、ΔT＝50℃よりΔT＝200℃の方が熱膨張量は大きくなります。

つまり熱膨張量を決める主要な3要素は、

①材質 α

②配管長 L

③温度差 ΔT

です。

ΔL＝αLΔTを使って配管の熱膨張を実際に計算

ΔL＝αLΔTは難しい式ではありません。

大切なのは、α・L・ΔTの意味と単位を理解したうえで、実際の配管条件を代入することです。

ここからは具体的な数字で計算してみます。

実例① 炭素鋼配管20m・20℃→200℃の場合

条件を次のように仮定します。

• 材質：炭素鋼
• 配管長：20m
• 据付時温度：20℃
• 運転時温度：200℃
• 線膨張係数：11.6×10⁻⁶/℃

配管長をmmにすると、L=20,000mm　です。

温度差は、Δ T=200-20=180℃　です。

日本製鉄が参考値として掲載している炭素鋼の線膨張係数11.6×10⁻⁶を使うと、次のようになります。

Δ L=11.6×10⁻⁶×20,000×180

Δ L=41.76mm

したがって、自由に伸びられる状態なら、20mの炭素鋼配管は約41.8mm伸びる　という概算になります。

実例② ステンレス配管20m・20℃→200℃の場合

同じ条件で材質だけをステンレスに変えてみます。

日本製鉄が参考値として示すステンレスの線膨張係数16.4×10⁻⁶を使います。

Δ L = 16.4×10⁻⁶×20,000×180

Δ L=59.04mm

つまり、20mのステンレス配管で約59mm　です。

20m程度の配管でも、据付温度と運転温度の差が180℃あれば約6cm動こうとする計算になります。

ここまで熱変位が大きくなると、サポートや機器接続部を無視して「少しくらい伸びても大丈夫だろう」と考えることはできません。

炭素鋼とステンレスではどれくらい違う？

同じ条件を並べると違いが分かりやすくなります。

比較表

 20m・温度差180℃における炭素鋼とステンレスの熱膨張量

日本製鉄が掲載している代表値で比較すると、同じ長さ・同じ温度差でもステンレスの方が大きく伸びます。

ベンカンもステンレス鋼鋼管の線膨張係数を17.3×10⁻⁶/℃、炭素鋼鋼管を11.6×10⁻⁶/℃として、ステンレス鋼鋼管の方が大きく伸びることへの注意を示しています。

10m・20m・50m・100mでは何mm伸びる？

炭素鋼・ΔT＝180℃・α＝11.6×10⁻⁶/℃として、配管長だけを変えて計算すると次のようになります。

100mの炭素鋼配管では、単純計算上約209mmです。

20cm以上動こうとするため、長距離の高温配管では熱膨張を配管レイアウトに組み込んで考える必要性が直感的に分かります。

南国フレキ工業も、鋼管や18-8系ステンレス鋼などについて、温度ごとの1m当たりの熱膨張量を一覧化しています。

温度と材質によって単位長さ当たりの熱伸びが異なることが確認できます。

線膨張係数αの値がサイトによって違うのはなぜ？

配管熱膨張を調べると、「ステンレスは16.4×10⁻⁶」という資料もあれば、「17.3×10⁻⁶」という資料もあります。

どちらか一方が単純に間違っているとは限りません。

線膨張係数を見るときは、

• 材料の種類
• ステンレスの鋼種
• 温度範囲
• 平均線膨張係数かどうか
• 参照している規格やデータ

を確認する必要があります。

例えば日本製鉄はステンレスの参考値として16.4×10⁻⁶を掲載しています。

一方、ベンカンは0～100℃の範囲でステンレス鋼鋼管の熱膨張係数を17.3×10⁻⁶/℃としており、20,000mm・温度差50℃なら17.3mm伸びる計算例を掲載しています。

さらに、NASAが公開しているSS304の材料物性資料では、Mean Coefficient of Thermal Expansion（平均熱膨張係数）が温度によって変化することがグラフで示されています。

したがって、

ΔL＝αLΔTで一定のαを使う計算は、熱伸びを直感的・概算的に把握するには非常に便利です。ただし、高温配管の正式な設計では、適用規格で使用する温度範囲の熱膨張データを確認することが重要です。

「何mm伸びるか」だけでは配管設計が終わらない理由

配管の熱膨張量を求めたら、次に考えるべきことは、

「その配管が本当に自由に伸びられるのか？」です。

ここからが配管熱膨張設計の重要な部分です。

自由に伸びられる配管では熱膨張は「変位」になる

片側を固定し、反対側を完全に自由とした単純な直管なら、温度上昇による熱膨張は主として配管端部の変位として現れます。

例えば、Δ L=59mm　なら、単純化すれば自由端が約59mm動くイメージです。

配管が自由に移動できれば、「伸びたい」という熱変位を配管自身の移動によって逃がせます。

熱膨張を拘束するとForce・Moment・熱応力が発生する

ところが、実際の配管は自由空間に浮いているわけではありません。

• Anchor
• Guide
• Rest
• Line Stop
• 機器ノズル
• 構造物
• 他の配管

などと関係しています。

例えば直管の両端を強固に固定すると、配管は温度上昇によって伸びようとしても自由に伸びられません。

考え方としては、

温度上昇

↓

本来はΔLだけ伸びたい

↓

Anchor等が移動を拘束

↓

Force・Momentが発生

↓

配管・Support・Equipment NozzleにReaction

↓

Thermal Stress

となります。

つまり、

熱膨張量ΔLと熱応力は同じものではありません。

熱膨張量は温度変化によって生じようとする変位であり、その熱変位を拘束することによってForce・Momentや応力が発生します。

ASME B31.3はProcess Pipingについて材料、設計、製作、検査、試験などを扱う規格であり、2024年版でもFlexibility and Stress Intensification Factorsが主要項目として扱われています。

ΔL＝αLΔTとσ＝EαΔTは何が違う？

熱膨張を学ぶと、σ = E α Δ T という式を見ることがあります。

日本製鉄の技術資料でも、熱膨張量の式とは別に、熱応力の基本関係として、

σ = α ( t2 – t1) E　を掲載しています。

この2つは目的が違います。

自由に伸びる場合

Δ L = α L Δ T

→ どれだけ伸びるか

完全拘束を概念的に考える場合

σ＝EαΔT

→ 伸びを完全に止めたらどれだけ大きな応力が生じ得るか

ただし、実際の配管系は単純な完全拘束直棒ではありません。

実配管には、

• エルボ
• ティー
• オフセット
• Support
• 摩擦
• ノズル
• 配管自身の曲げ変形
• Support変位

などがあります。

したがって、実配管の熱応力をσ＝EαΔTだけで評価して設計完了とすることは適切ではありません。

実際の配管では、配管系全体のFlexibilityを考える必要があります。

Rest・Guide・Line Stop・Anchorは熱膨張をどうコントロールする？

配管サポートは、単に**「配管が落ちないように支える金物」**ではありません。

熱膨張を考える配管では、

どの方向へ動かし、どの方向を止めるか

を決める役割があります。

配管軸方向をX、横方向をY、鉛直方向をZとして整理すると、Rest・Guide・Line Stop・Anchorの違いが理解しやすくなります。

Rest｜配管重量を支える

Restは、基本的に配管の重量を支持するサポートです。

特に重要なのは鉛直方向です。

配管を下から受けることで重量を支持しますが、水平方向については構造・摩擦条件によって滑ることができます。

つまりRestは、重量を支えながら、熱膨張による水平移動を完全には止めないという考え方で使われるケースがあります。

ただし、実際には配管とSupport間の摩擦によって水平Reactionが発生します。

Guide｜熱膨張する方向へ配管を誘導する

Guideは名称どおり、配管の移動方向を案内するサポートです。

例えばX方向へ伸ばしたい直管なら、

• X方向(配管軸方向)：移動を許容
• Y方向(配管軸直角方向)：横ずれを制限

という拘束を設定します。

Guideを適切に設けることで、熱膨張する配管が横方向へ大きく蛇行したり、想定外方向へ移動したりすることを抑えながら、設計した方向へ熱変位を誘導できます。

Line Stop｜配管軸方向の移動を止める

Line Stopは配管軸方向の移動を拘束します。

例えば配管軸がX方向なら、Line Stopは主としてX方向の移動を止めます。

Line Stopを設ける位置によって、配管をどちら側へ熱膨張させるかをコントロールできます。

そのため、Line Stopは単なる固定部品ではなく、配管熱変位の流れを設計するうえで重要です。

Anchor｜配管の基準点として拘束する

Anchorは配管系の基準となる拘束点です。

単純化すると、

• X方向
• Y方向
• Z方向
• 回転方向

を強く拘束する役割を持ちます。

Anchorを配置すると、

Anchorを基準として、配管の熱膨張をどちらへ逃がすのか

という設計意図が生まれます。

Anchor位置を決めずにGuideだけを考えても、熱変位の方向は整理できません。

Anchor・Guide・Line Stopは互いに独立した部品として覚えるより、「熱膨張の方向を設計するための拘束条件」として考えると理解しやすくなります。

比較表

Rest・Guide・Line Stop・Anchorの基本的な役割

※Rest上の水平移動には摩擦が作用します。また、実際の拘束自由度はSupport形状、Gap、摩擦係数、施工条件、設計仕様によって異なります。表は基本概念を理解するための簡略化です。

配管の熱伸びは「配管自身のしなり」で吸収する

配管の熱膨張対策は、すべてを止めることではありません。

むしろ高温配管では、配管自身を適切に変形させて熱変位を吸収するという考え方が重要です。

この配管の変形しやすさを理解するキーワードが**Flexibility（可とう性）**です。

真っすぐな直管を強く拘束すると熱変位を逃がしにくい

長い直管を両端で強く拘束すると、軸方向に発生しようとする自由熱伸びを逃がしにくくなります。

一方、途中にエルボやオフセットがあれば、配管の曲げ変形を利用して熱変位を吸収できる場合があります。

つまり、熱膨張設計では、

配管を動かさない設計

ではなく、

安全な方向へ適切に動かす設計

という発想が重要です。

L字配管は曲げ変形を利用できる

例えばL字形の配管なら、直管部の熱膨張によってエルボ以降の脚部が曲げ変形します。

直管一本だけを見れば、「50mm伸びる」という軸方向の変位ですが、L字配管全体では配管自身が曲がることで変位を吸収します。

このように、配管形状そのものがFlexibilityを作ります。

Z字配管やOffsetでも熱変位を吸収できる

Z形のOffsetを設けると複数の脚部が変形できるため、直線配管より熱膨張を吸収しやすくなります。

ただし、

• Offset長さ
• 管径
• 肉厚
• 材質
• 温度
• Anchor位置

によって応力は変わります。

「エルボを1個入れれば大丈夫」という単純なものではありません。

Expansion Loopは配管経路を利用してFlexibilityを増やす

長い直線配管では、U字形などのExpansion Loopを設ける方法があります。

Expansion Loopは直線方向の熱変位を、Loop部分の曲げ変形によって吸収します。

配管が長くなれば自由熱伸びも増えるため、長距離配管では意図的にFlexibilityを持つレイアウトが重要になります。

ベンカンも、熱伸縮処理としてベローズ形伸縮継手を使用する方法だけでなく、配管の可とう性を利用して伸縮を吸収する方法を紹介しています。

Expansion Jointは便利だが「入れれば解決」ではない

配管自身のFlexibilityだけでは難しい場合、BellowsなどのExpansion Jointを利用する方法もあります。

しかし、熱膨張量が大きい＝Expansion Jointを入れればよいとは限りません。

Expansion Jointを使う場合でも、

• Anchor
• Guide
• 変位方向
• 許容変位
• 圧力による推力
• メーカーが定める設置条件

などを考える必要があります。

Expansion Jointは熱変位を吸収する有力な手段ですが、配管系全体の拘束設計とセットで考える機器です。

ΔL＝αLΔTからASME B31.3の配管応力解析へ進む流れ

ここまで理解できれば、ΔL＝αLΔTと配管応力解析の関係が見えてきます。

重要なのは、手計算と配管応力解析を対立させないことです。

手計算には手計算の役割があり、解析には解析の役割があります。

私は配管熱設計を、次の3段階で考えると理解しやすいと考えています。

LEVEL1｜熱伸びを計算する

最初に、Δ L=α L Δ Tで自由熱伸びを概算します。

LEVEL1で知りたいのは、

この配管は温度変化によって、どの程度動こうとするのか？

です。

例えば、

• 5mm
• 20mm
• 60mm
• 200mm

では設計者が持つべき感覚が変わります。

この段階では細かな応力値より、まず熱変位のオーダーを把握します。

LEVEL2｜熱伸びを設計する

次に考えるのは、

その熱変位をどこへ逃がすのか？

です。

LEVEL2では、

• Anchor
• Guide
• Line Stop
• Rest
• Elbow
• Offset
• Expansion Loop
• Equipment Nozzle

などを組み合わせます。

つまりLEVEL2は、変位方向と拘束条件を決めるレイアウト・Support設計です。

例えば60mm伸びる配管について、「60mm伸びる」だけではなく、「Anchor Aから右方向へ40mm、左方向へ20mm程度動かす設計なのか」といった熱変位の行き先を考えます。

LEVEL3｜配管系全体として成立するか解析する

最後に、

• Displacement
• Stress Range
• Support Reaction （支持反力）
• Anchor Load
• Equipment Nozzle Load

などを確認します。

ここでASME B31.3などの適用規格に基づくFlexibility Analysisへ進みます。

ASMEはB31.3 Process Pipingの公式ページで、2024年版の主要変更項目の一つとして**Flexibility and Stress Intensification Factors（paras. 319 & 320）**を挙げています。

ASMEが提供するB31.3 Process Piping Designコースでも、

• Providing Adequate Piping Flexibility（適切な配管の柔軟性の確保）
• Stress Range（応力範囲）
• Stress Intensification Factor（応力集中係数）
• Cold Spring（コールドスプリング）
• Simplified Piping Analysis and Layout（簡易配管解析およびレイアウト）
• Pipe Support Design（配管サポート設計）

などが主要テーマとして扱われています。

したがって、熱膨張 → Flexibility → Stress Range → Support / Reactionという流れは、配管設計における重要な体系です。

高温域では「αを1つ固定する」だけでなく温度依存性を確認する

初心者が熱膨張を理解するとき、Δ L=α L Δ Tは非常に便利です。

一方、温度範囲が広い配管では、線膨張係数をすべての温度に対して一定と考えるより、使用する規格・材料データに基づいて温度依存の熱膨張を確認することが重要です。

NASAのSS304データでも、平均熱膨張係数が温度に対して変化しています。

したがって概念的には、

初期検討

Δ L= α L Δ T

↓

詳細設計

適用規格のTemperature-dependent Expansion Dataを用いて評価

という段階を踏むと理解しやすくなります。

手計算は配管応力解析ソフトを使っても重要

CAESAR IIなどの配管応力解析ソフトを使用する場合でも、ΔL＝αLΔTによる手計算は役に立ちます。

例えば、「20mのステンレス配管なら概算60mm程度伸びるはず」と理解していれば、解析ソフトの結果が、

• 6mm
• 60mm
• 600mm

のどれになっているかを見た瞬間に、モデル条件や単位設定を疑う判断材料になります。

解析ソフトは入力条件に基づいて計算します。

したがって、手計算は解析の代用品というより、解析結果の妥当性を確認するための基礎感覚として非常に重要です。

配管熱膨張の計算でよくある5つの失敗

配管熱膨張の基本式は単純ですが、実務ではいくつかの典型的な間違いがあります。

失敗1｜ΔTに運転温度をそのまま入れる

据付温度20℃、運転温度200℃なら、

誤り→Δ T=200℃ではなく、

正しい考え方→Δ T=200−20=180℃です。

ΔTは温度そのものではなく温度差です。

失敗2｜mとmmを混ぜる

L＝20mをそのまま式に入れながら、最終結果をmmとして扱うと単位を間違えます。

αを1/℃、Lをmmとして使うなら、20m=20,000mmへ変換します。

式に数字を入れる前に、「最終的にΔLを何の単位で出したいのか」を決めてください。

失敗3｜αをすべての温度で同じ値として扱う

代表値を使う概算ではα一定で問題ありません。

しかし、高温域や広い温度範囲を扱う正式な配管設計では、温度による材料物性の変化を確認する必要があります。

SUS304についてもNASAの材料データでは平均熱膨張係数の温度依存性が示されています。

失敗4｜「60mm伸びるから60mmの隙間を取ればOK」と考える

熱膨張量は配管設計の入口です。

実際には、

• 配管がどちらへ動くか
• Anchorはどこか
• Guideはどこか
• Elbowはどう変形するか
• Support摩擦はどう作用するか
• Equipment Nozzleにどの程度のReactionが入るか

を考える必要があります。

自由熱伸び量と実配管の各点の変位は必ずしも同じではありません。

失敗5｜直管一本だけを見て配管系全体を見ない

例えばポンプに接続する配管の場合、「直管Aが30mm伸びる」という情報だけでは十分ではありません。

エルボ、分岐、Support、機器ノズルなどを含め、AnchorからAnchorまでの配管系全体として熱変位を考える必要があります。

配管応力解析の目的は、単一の直管の伸びを計算することではなく、配管系全体の変形・応力・Reactionを確認することです。

配管熱膨張の計算・設計でよくある質問

炭素鋼の線膨張係数はいくつですか？

日本製鉄の技術資料では、SGP・炭素鋼の参考値として**11.6×10⁻⁶**が示されています。

ただし、正式な設計では使用材料と温度範囲に適したデータを確認してください。

SUS304の線膨張係数はいくつですか？

ステンレス配管の概算では16～17×10⁻⁶/℃程度の代表値を目にすることが多く、日本製鉄はステンレスの参考値として16.4×10⁻⁶、ベンカンは0～100℃で17.3×10⁻⁶/℃を使用しています。

SUS304の熱膨張係数には温度依存性があるため、使用する温度範囲とデータ出典の確認が重要です。

配管10mなら何mm伸びますか？

配管長だけでは決まりません。最低でも、

• 材質
• 配管長
• 温度差

が必要です。

例えば炭素鋼、L＝10m、ΔT＝180℃、α＝11.6×10⁻⁶/℃なら、

Δ L = 11.6×10⁻⁶×10,000×180なので、Δ L ≒ 20.9mmです。

蒸気配管はどのくらい伸びますか？

「蒸気配管だから○mm」と一律には決まりません。

熱膨張量を求めるには、

• 配管材質
• 配管長
• 据付時の配管温度
• 運転時の配管金属温度

などが必要です。

例えば同じ蒸気温度でも、10mと100mでは熱伸び量が大きく異なります。

何mm以上伸びたらExpansion Jointが必要ですか？

「○mm以上なら必ずExpansion Joint」という一律の基準では判断できません。

Expansion Jointが必要かどうかは、

• 配管長
• 配管径・肉厚
• 材質
• Layout
• Anchor位置
• ElbowやOffsetのFlexibility
• Support
• 機器許容荷重
• 適用規格

などを考えて判断します。配管自身のFlexibilityで吸収できる場合もあります。

Anchorを増やせば熱膨張に対して安全になりますか？

必ずしもそうではありません。

Anchorを追加すると配管の移動を制限できますが、同時に自由熱膨張を拘束するため、Anchor Reaction（固定点の反力）や配管応力が増える場合があります。

「動くから固定する」という発想だけでAnchorを増やすのではなく、どこへ熱変位を逃がしたいのかを先に考えることが重要です。

配管応力解析はいつ必要ですか？

一律に「○℃以上」「○m以上」と断定することはできません。判断には、

• 適用規格
• 設計温度
• 配管径
• 材料
• Layout
• 支持条件
• 機器接続
• Fluid Service
• プロジェクト仕様

などが関係します。

ASME B31.3を適用するProcess Pipingでは、規格要求とプロジェクト設計基準に基づいてFlexibility評価の必要性を判断します。

ASME B31.3はProcess Pipingの設計・材料・製作・検査・試験などを幅広く対象としています。

CAESAR IIなどを使えばΔLの手計算は不要ですか？

配管応力解析ソフトを使う場合でも、手計算による概算は役立ちます。

ΔL＝αLΔTで自由熱伸びを把握しておけば、解析結果の変位が常識的なオーダーかどうかを確認できます。

配管応力解析ソフトは非常に強力ですが、解析モデルの入力条件が間違っていれば結果も間違います。

手計算による工学的な感覚を持つことは、解析ソフトを正しく使ううえでも重要です。

まとめ｜熱伸びを「計算する」から「設計する」へ

配管の熱膨張量を求める基本式は、Δ L= α L Δ Tです。

まず押さえておきたいポイントを整理します。

• 配管の自由熱膨張量はΔL＝αLΔTで概算できる
• αは線膨張係数、Lは配管長、ΔTは温度差
• 炭素鋼とステンレスでは線膨張係数が異なる
• ステンレスは炭素鋼より熱膨張量が大きくなりやすい
• 線膨張係数αは温度範囲によって変化するため、正式設計では出典・適用温度を確認する
• 自由に伸びる配管では熱膨張は主に変位として現れる
• AnchorやRestraintで熱変位を拘束するとForce・Moment・Thermal Stressにつながる
• Rest・Guide・Line Stop・Anchorは配管の自由度と熱膨張方向を設計する重要な要素
• Elbow・Offset・Expansion Loopなど、配管自身のFlexibilityを利用して熱変位を吸収できる
• 最終的には配管系全体についてStress RangeやReactionなどを評価する

配管熱膨張で最も大切なのは、

「何mm伸びるのか」を求めることだけではありません。

本当に重要なのは、

「発生した熱伸びを、どこへ、どのように逃がすのか」

を設計することです。

そのため、配管熱膨張を検討するときは、

LEVEL1｜熱伸びを計算する

Δ L= α L Δ T

↓

LEVEL2｜熱伸びを設計する

Anchor・Guide・Line Stop・Rest・Layout

↓

LEVEL3｜安全性を評価する

Flexibility・Stress・Reaction・Equipment Nozzle Load

という順番で考えてみてください。

「熱膨張＝難しい熱応力解析」という印象があっても、最初の入口は非常にシンプルです。

まずΔL＝αLΔTで配管がどれだけ伸びるのかを把握し、次にどの方向へ動かすのかを考える。

この順番が理解できると、配管サポートや配管応力解析が一つの流れとして見えてきます。

次に読む

配管の熱膨張方向を設計するには、Rest・Guide・Line Stop・Anchorが「どの方向を拘束するのか」を理解することが重要です。

関連記事：プラント配管サポートの基本｜Rest・Guide・Line Stop・Anchorの違いを解説

参考資料・規格

本記事では、主に以下の一次資料・メーカー技術資料を参考にしています。

• ASME B31.3-2024 Process Piping｜ASME
  Process Pipingの材料、設計、製作、検査、試験等を扱う規格。2024年版ではFlexibility and Stress Intensification Factorsも主要項目として示されています。
• ASME B31.3 Process Piping Design｜ASME
  ASME公式教育プログラム。Adequate Piping Flexibility、Stress Range、Stress Intensification Factors、Pipe Support Designなどが主要テーマとして扱われています。
• 「4.熱による鋼管の膨張と荷重」｜日本製鉄株式会社
  ΔL＝α(t2－t1)Lの計算式、炭素鋼・ステンレスの線膨張係数参考値、熱応力の基本関係を掲載しています。
• Space Nuclear Propulsion Material Property Handbook｜NASA
  SS304について平均熱膨張係数と温度の関係を掲載しており、熱膨張特性の温度依存性を確認できます。
• 「配管の熱膨張と熱伸縮処理」｜株式会社ベンカン
  ステンレス配管についてΔL＝αLΔtの具体的な計算例と、配管の可とう性を利用した熱伸縮処理を掲載しています。
• 「各種金属パイプ1m当たりの熱膨張量の表」｜南国フレキ工業株式会社
  鋼管・18-8系ステンレス鋼・銅・アルミニウムの温度別熱膨張量を比較できます。

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もしあなたが今、そんな風に考えて設計図を引いているなら、少しだけ手を止めてください。

プラント設計の世界において、「呼び圧力（10KやClass 150）」という名前をそのまま「耐えられる圧力」だと信じ込むことは、重大な設計ミス、最悪の場合は爆発や漏洩事故に直結する非常に危険な行為です。

結論からお伝えします。

バルブやフランジが耐えられる圧力は、温度が上がるほど坂道を転げ落ちるように低下します。

この現象を「ディレーティング（圧力値の減少）」と呼びます。

この記事では、かつて私も陥った「10Kの罠」を解き明かし、JISやASMEといった規格表を正しく読み解いて、自信を持って安全なバルブを選定するための実務手順を徹底解説します。

この記事を読み終える頃には、あなたは「なんとなく」の選定を卒業し、確固たる根拠を持って設計に臨めるようになっているはずです。

「10Kだから大丈夫」の落とし穴。なぜ温度で圧力が変わるのか？

「KAIJI君、この350℃のラインに10Kのバルブを選んだ根拠は何だ？」

20年前、上司にそう問われた私は、自信満々に答えました。「10Kは1.0MPaまで耐えられる規格ですから、今回の常用圧力0.8MPaなら十分余裕があります」。

その瞬間、上司の顔色が変わりました。「バカ野郎！ 金属は熱を持てば飴のように柔らかくなるんだ。350℃の炭素鋼が、常温と同じ力で圧力を支えられるわけがないだろう！」

これが、私が「圧力・温度レーティング（P-Tレーティング）」の重要性を骨身に刻んだ瞬間でした。

流体温度と材料強度の関係は、明確な反比例の関係にあります。

金属材料は温度が上昇すると、原子間の結合が弱まり、永久変形が始まる「降伏点」が著しく低下します。

さらに高温域では、一定の荷重をかけ続けると時間とともに変形が進む「クリープ現象」も無視できなくなります。

つまり、「呼び圧力（10KやClass 150）」とは、あくまで「特定の基準温度（通常は38℃以下）」における耐圧性能を示す「名前」に過ぎないのです。

温度が上がれば、そのバルブが耐えられる「最高許容圧力」は、名前の数値よりもずっと低いところまで減少します。

カタログを読み解く3つの鍵：材質・規格・ディレーティング

バルブの選定ミスを防ぐためには、カタログの表紙にある「10K」という文字ではなく、カタログ巻末の技術資料にある「圧力・温度レーティング表」を読み解く必要があります。

ここで重要になるのが、「材質」「規格」「ディレーティング」の3つの要素の関係性です。

まず、材質によって圧力の低下率は全く異なります。

例えば、炭素鋼（WCBなど）とステンレス鋼（CF8Mなど）を比較すると、ステンレス鋼は常温での耐圧こそ炭素鋼に譲るものの、高温域での強度低下は比較的緩やかという特性があります。

次に、参照する規格（JIS B 2220やASME B16.34）によって、基準となる数値が異なる点に注意が必要です。

日本国内で一般的なJIS規格と、海外案件で必須となるASME規格では、安全率の考え方や基準温度が異なります。

JIS B 2220 と ASME B16.34 の主要な違い

最高許容圧力と流体温度の関係を定義したものが「P-Tレーティング」です。

設計者は、自分が選ぼうとしているバルブの「材質」が、どの「規格」の、どの「材料グループ」に属しているかを確認し、その温度における「最高許容圧力」を特定しなければなりません。

 実務で迷わない！「絶対に失敗しないバルブ選定」5ステップ

若手エンジニアが実務でミスなくバルブを選定するための、標準的なワークフローを整理しました。この5ステップを順に踏むことで、根拠のある選定が可能になります。

step
1設計条件（温度・圧力）の確定

単に「常用圧力」だけでなく、異常時に想定される「最高使用温度」と「最高使用圧力」をセットで把握してください。

step
2流体に適した材質の選定

流体の腐食性や温度範囲から、ボデー材質（炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼など）を決定します。

step
3該当する規格レーティング表の参照

メーカーの技術資料から、ステップ2で選んだ材質のP-Tレーティング表を開きます。

JIS品ならJIS B 2220、ASME品ならASME B16.34に基づいた表を探してください。

step
4比例補間による許容圧力の算出

規格表には50℃刻みなどで数値が記載されています。

例えば、設計温度が325℃の場合、300℃と350℃の数値から「比例補間（線形補間）」を用いて、その温度での正確な最高許容圧力を算出します。

[計算例：比例補間]
300℃での許容圧力が2.8MPa、350℃での許容圧力が2.6MPaの場合、325℃での許容圧力は：

 

step
5シートレーティングの最終確認

これが最も重要な落とし穴です。バルブ全体の耐圧性能は、「ボデー（本体）」と「シート（弁座）」のレーティングのうち、低い方の値に制限されます。

 現場の疑問：ソフトシートの限界と「呼び圧力」の罠

現場の若手からよく受ける質問に、「ボデーが20Kなら、どんな温度でも20Kの性能を発揮できるんですよね？」というものがあります。

答えは「ノー」です。

特に注意が必要なのが、ボール弁などに使われる「ソフトシート（テフロン/PTFEなど）」です。

ボデー（金属）が300℃まで耐えられる設計であっても、ソフトシートは200℃付近で急激に強度が低下し、シール性を失います。

この場合、バルブの最高許容圧力はボデーの数値ではなく、シートの限界温度によって厳しく制限されます。これを「シートレーティング」と呼びます。

まとめ

「圧力・温度レーティング」の本質を理解することは、プラントエンジニアとしての第一歩です。

1. 呼び圧力（10K等）は常温の基準であり、高温では耐圧が下がる（ディレーティング）。
2. 材質と規格（JIS/ASME）によって、低下の度合いは異なる。
3. バルブの限界は、ボデーとシートの「低い方」で決まる。

次にバルブを選ぶときは、カタログの表紙を閉じて、巻末のレーティング表を開いてみてください。

そこで導き出した数値こそが、あなたの設計を守る「根拠」になります。

もし判断に迷ったら、メーカーの技術窓口に「この温度・圧力条件でのシートレーティングを教えてください」と問い合わせてみましょう。

その一言が、大きな事故を防ぐはずです。

[参考文献リスト]

• 日本産業規格 JIS B 2220:2012「鋼製管フランジ」
• ASME B16.34-2025 “Valves Flanged, Threaded and Welding End”
• 株式会社キッツ「技術データ：圧力ー温度基準（P-Tレーティング）」
• 株式会社TLV

その他

「ASME B16.34に基づく」

• ASME公式
• Crane
• Velan
• Bonney Forge
• Flowserve

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本記事では「スプリングハンガー　コンスタントハンガー　違い」を軸に、支持特性・適用条件・使い分け基準、調整や施工の注意点まで実務目線で整理します。

配管支持設計の基本（荷重・変位・許容範囲）を踏まえて解説するので、客先説明や社内レビューに使える根拠も身につきます。

スプリングハンガーとコンスタントハンガーの違い

スプリングハンガーとコンスタントハンガーは、どちらも配管の自重や運転荷重を支える装置ですが、支持の考え方は大きく異なります。

ここでは、設計・選定で最も重要となる「荷重の扱い」と「適用できる配管条件」という2つの観点から違いを整理します。

荷重変動に対する支持特性が異なる

スプリングハンガーは、配管の上下変位に応じて支持荷重が変化する構造です。

ばねの伸び縮みにより荷重を受けるため、運転時と停止時で支持力が変わります。

変位量が小さい配管では、この荷重変動が問題になりにくく、構造も比較的シンプルです。

一方、コンスタントハンガーは、リンク機構を用いて配管が動いても支持荷重をほぼ一定に保ちます。

変位が大きい場合でも、配管やノズルに余計な力を与えにくい点が特徴です。

荷重変動を許容できるかどうかが、両者を分ける大きな判断軸になります。

適用できる配管条件が異なる

スプリングハンガーは、熱膨張量が小さく、荷重変動率を一定範囲に収められる配管に向いています。

例えば、比較的短い配管や中低温ラインでは採用しやすい支持方式です。

対してコンスタントハンガーは、高温配管や長尺配管など、上下変位が大きくなる条件で効果を発揮します。

特に、機器ノズルに接続する配管では、荷重変動を抑えることが重要になります。

配管条件を正しく把握せずに選定すると、応力増大や機器損傷につながるため注意が必要です。

スプリングハンガーとは何か

スプリングハンガーは、配管の熱膨張による上下変位を吸収しながら荷重を支持する装置です。

固定支持では対応できない配管に用いられ、設計では役割や構造を正しく理解することが重要になります。

スプリングハンガーの基本的な役割

スプリングハンガーの役割は、配管の自重や流体重量を支えつつ、運転時の変位を許容することです。

配管は温度変化によって伸び縮みするため、完全に固定すると大きな応力が発生します。

スプリングハンガーを使うことで、上下方向の動きをばねで受け止め、配管に過度な力が集中するのを防げます。

特に、建屋上部から吊る配管では、支持点に柔軟性を持たせることで全体の応力バランスが安定します。

配管を「支えながら逃がす」という点が、この装置の本質的な役割です。

スプリングハンガー構造の仕組み

スプリングハンガーは、コイルばねとケース、ロードロッドなどで構成されています。

配管が下がるとばねが伸び、上がると縮むことで荷重を受け持ちます。このとき、ばね定数に応じて支持力が変化するのが特徴です。

構造自体はシンプルですが、設定荷重や変位量を誤ると、想定以上の荷重変動が生じます。

例えるなら、体重計の上に立ったまま上下するようなもので、位置によって表示が変わるイメージです。

構造を理解することが、正しい選定の第一歩になります。

スプリングハンガーを配管に使う目的

スプリングハンガーを使う目的は、配管応力の低減と設備の長寿命化です。

固定支持だけで配管を支えると、熱膨張による力が継手や機器ノズルに集中します。

その結果、漏れや損傷が起こりやすくなります。

スプリングハンガーを適切に配置することで、配管全体で変位を分散でき、局所的な負担を抑えられます。

設計段階で目的を明確にしておくと、不要な過剰設計や支持不足を防ぎやすくなります。

スプリングハンガーの使い方と設計時の考え方

スプリングハンガーは、選定だけでなく使い方や調整方法まで含めて設計品質が決まります。

ここでは、実務で押さえておきたい代表的な使い方と、設計・施工時に意識すべき考え方を整理します。

スプリングハンガーの代表的な使い方

スプリングハンガーは、主に配管の中間部や機器近傍の吊り支持として使われます。

固定支持では応力が集中しやすい箇所に設けることで、熱膨張による上下変位を吸収できます。

例えば、高温配管が梁から吊られる場合、全てを固定すると配管が逃げ場を失います。

そこで一部をスプリング支持に切り替えると、配管全体の動きが滑らかになります。

配置の考え方は、応力解析結果をもとに「動かしたい点」を見極めることが重要です。

単に吊れるから使う、という判断は避ける必要があります。

スプリングハンガー調整の基本手順

スプリングハンガーは、設置後の調整が性能に直結します。

まず、据付時には仮固定状態で配管を支持し、所定の位置に配管を収めます。

その後、設計荷重に合わせて調整ナットを回し、ばねを所定の初期位置に設定します。

運転開始後には、実際の変位量や支持状態を確認し、必要に応じて微調整を行います。

ばね位置がずれたまま放置すると、想定外の荷重がかかる恐れがあります。

調整は一度で終わりではなく、確認まで含めて一連の作業と考えることが大切です。

スプリングハンガー取扱説明書で確認すべき点

取扱説明書には、設計や施工に直結する重要な情報が記載されています。

特に確認したいのは、許容変位量、荷重調整範囲、仮固定方法です。

メーカーごとに構造や調整手順が異なるため、過去の経験だけで判断すると誤りが生じます。

例えば、仮固定ピンの解除タイミングを誤ると、配管に余計な応力が残ります。

説明書は「施工時の注意書き」ではなく、設計意図を補足する資料として読む姿勢が重要です。

コンスタントハンガーとは何か

コンスタントハンガーは、配管が上下に動いても支持荷重を一定に保つことを目的とした支持装置です。

スプリングハンガーと混同されやすいですが、役割や設計上の考え方は明確に異なります。

ここでは基本から整理します。

コンスタントハンガーの基本的な役割

コンスタントハンガーの役割は、配管の変位量に関わらず、ほぼ一定の支持力を与えることです。

高温配管では、運転時に大きな熱膨張が発生し、支持点が上下に大きく移動します。

このとき支持荷重が変動すると、配管や機器ノズルに余計な力が加わります。

コンスタントハンガーを用いることで、配管が動いても荷重条件を安定させられます。

特に、タービンやポンプなど精密機器に接続する配管では、荷重一定という特性が重要な意味を持ちます。

コンスタントハンガー構造の特徴

コンスタントハンガーは、ばねとリンク機構を組み合わせた構造をしています。

配管が上下に動くとリンクが回転し、ばねの作用点が変わることで支持力を一定に保ちます。

見た目は複雑ですが、動作原理は「てこの力」を利用したものです。

この構造により、変位が大きくても荷重変動を最小限に抑えられます。

一方で、装置自体が大型になりやすく、重量や設置スペースの検討が欠かせません。

構造を理解しておくと、設計時の制約を把握しやすくなります。

コンスタントハンガーが必要になる配管条件

コンスタントハンガーが必要になるのは、熱膨張量が大きく、スプリングハンガーでは荷重変動率が許容範囲を超える配管です。

代表例は、高温蒸気配管や長距離にわたる主幹配管です。

また、機器ノズルに近い支持点では、わずかな荷重変動でも影響が大きくなります。

こうした条件では、支持力を一定に保つことが配管健全性の確保につながります。

単に「高温だから使う」のではなく、変位量と荷重条件を合わせて判断することが重要です。

コンスタントハンガーの調整と設計上の注意点

コンスタントハンガーは高性能な反面、調整や設計条件を誤ると本来の性能を発揮できません。

ここでは、実務で特に重要となる調整の考え方と、設計段階で見落としやすい注意点を整理します。

コンスタントハンガー調整の考え方

コンスタントハンガーの調整は、「設計時に想定した運転状態」を正確に再現することが目的です。

据付時は仮固定状態で配管を支持し、設計荷重に合わせてリンク位置や調整ナットを設定します。

その後、仮固定を解除し、配管が自由に動ける状態を作ります。

運転開始後は、配管の実際の変位が想定通りかを確認します。

ここでズレがあると、荷重一定の前提が崩れます。

調整は一度きりではなく、確認と補正まで含めた作業として捉える必要があります。

荷重一定を維持する仕組み

コンスタントハンガーが荷重を一定に保てるのは、リンク機構によってばねの作用点が変化するためです。

配管が下がるとリンクが回転し、ばねの有効長さが変わります。

その結果、ばね力の変化が相殺され、支持荷重がほぼ一定になります。

これは、シーソーで位置を変えても釣り合いが取れる状態に近い仕組みです。

この構造により、配管や機器に加わる力の変動を抑えられます。

仕組みを理解しておくと、設計説明やトラブル対応がしやすくなります。

設計段階で確認すべき制限事項

コンスタントハンガーには、変位量や設置角度などの制限があります。

許容変位を超えると、リンクが正常に動かず荷重一定が保てません。

また、本体重量が大きいため、建屋側の支持強度も確認が必要です。

さらに、メンテナンススペースを確保しないと、調整や点検が困難になります。

これらを後工程で修正するのは容易ではありません。

設計段階で制限条件を洗い出しておくことが、トラブル防止につながります。

スプリングハンガーとコンスタントハンガーの使い分け基準

両者の違いを理解しても、最終的には「どちらを採用するか」を判断する必要があります。

ここでは、実務で判断軸になりやすい3つの基準を整理し、設計時に迷いにくくする考え方を示します。

①配管の熱膨張量で判断する

使い分けの最も基本的な基準は、配管の上下変位量です。

熱膨張が小さい配管であれば、スプリングハンガーでも荷重変動は限定的です。

反対に、高温・長尺配管では変位が大きくなりやすく、スプリング支持ではばねの伸縮量が増えます。

その結果、支持荷重の変化が無視できなくなります。

こうした条件では、変位が大きくても荷重を一定に保てるコンスタントハンガーが有効です。

まずは解析結果から変位量を把握することが、判断の出発点になります。

②荷重変動率で判断する

次に重要なのが、運転時に発生する荷重変動率です。

スプリングハンガーは構造上、変位に比例して支持力が変わります。

そのため、荷重変動率が許容範囲内に収まるかを確認する必要があります。

許容値を超える場合、配管や機器に余計な力がかかります。

コンスタントハンガーは、この荷重変動を抑えるための装置です。

数値として荷重変動率を比較することで、感覚ではなく根拠を持って選定できます。

③設備重要度で判断する

設備の重要度も、使い分けに影響します。

主要幹線配管や停止が許されない設備では、わずかな荷重変動がトラブルにつながります。

このような場合は、安全側としてコンスタントハンガーを選ぶ判断も合理的です。

一方、影響範囲が限定的な補助配管では、スプリングハンガーで十分なケースもあります。

設備全体への影響度を考慮し、過不足のない支持方式を選ぶことが、設計の質を高めます。

メーカー・カタログ情報の活用方法

スプリングハンガーやコンスタントハンガーは、メーカーごとに仕様や表記が異なります。

カタログを正しく読み取れないと、設計条件に合わない製品を選定する恐れがあります。

ここでは、実務で役立つカタログ活用の視点を整理します。

三和テッキスプリングハンガーカタログの見方

三和テッキのカタログでは、荷重範囲、許容変位、調整量が整理されています。

まず確認したいのは、設計荷重が調整範囲の中央付近に収まるかどうかです。

端に近い設定では、将来の調整余裕がなくなります。

次に、変位量と荷重変動率の関係をチェックします。

図表を読み飛ばさず、実際の配管変位と照らし合わせることが重要です。

品番選定は数字合わせではなく、条件との適合確認が本質になります。

日本発条スプリングハンガーの特徴

日本発条のスプリングハンガーは、ばね性能の安定性とラインナップの広さが特徴です。

荷重区分が細かく設定されているため、設計条件に近い製品を選びやすくなります。

一方で、型式が多いため、構造や調整方法の違いを理解していないと混乱しがちです。

カタログでは、構造図や調整方法の記載を必ず確認します。

ばねメーカーならではの特性を理解すると、選定理由を説明しやすくなります。

メーカー選定時の比較ポイント

メーカーを比較する際は、価格だけで判断しないことが重要です。

確認すべきポイントは、許容変位、調整方法、保守性、納期対応です。

特に、現場調整のしやすさは施工品質に直結します。

また、国内外の規格対応や実績も無視できません。

将来的な交換や追加工事を考えると、継続供給の有無も重要な要素になります。

設計段階で比較軸を明確にしておくと、後工程がスムーズになります。

設計・選定ミスで起こるトラブル事例

スプリングハンガーやコンスタントハンガーは、選定や設定を少し誤るだけで配管トラブルにつながります。

ここでは実務で起こりやすい代表的なミスを整理し、未然に防ぐ視点を示します。

荷重変動の見落としによる不具合

よくあるのが、熱膨張量は確認しているものの、荷重変動率の評価が不十分なケースです。

スプリングハンガーを採用した結果、運転時に支持荷重が大きく変化し、機器ノズルに想定外の力が加わります。

その影響で、ボルト緩みやフランジ漏れが発生することがあります。

解析結果の変位だけを見るのではなく、支持力がどれだけ変わるかを併せて確認することが重要です。

数値を一段深く見る意識が、トラブル回避につながります。

調整不足による配管応力増大

設計通りに機器を選定しても、調整不足で不具合が生じることがあります。

初期設定がずれたまま運転に入ると、配管が常に引っ張られた状態になります。

その結果、配管応力が想定以上に増大し、長期的に疲労破壊を招く恐れがあります。

特に、仮固定解除の確認漏れは典型例です。

調整作業を施工任せにせず、設計者として確認項目を明確にしておくことが大切です。

まとめ｜スプリングハンガーとコンスタントハンガーの違いを理解して正しく使い分ける

スプリングハンガーとコンスタントハンガーの違いは、荷重の扱い方と適用できる配管条件にあります。

熱膨張量、荷重変動率、設備重要度を整理することで、適切な支持方式を選べます。

構造や調整方法まで理解しておくと、設計説明やトラブル対応にも強くなります。

単なる部品選定ではなく、配管全体の健全性を考えた使い分けが重要です。

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