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構造解析

配管熱膨張応力シミュレーター

温度差・材料・配管サイズから熱膨張力・熱応力を即時算出。Caesar-II準拠の応力増大係数（SIF）・可撓性係数を完全実装。ASME B31.3 許容応力との比較も可能。

パラメータ設定
材料
パイプサイズ (NPS)
スケジュール
設計温度 T_design
°C
据付温度 T_install
°C
配管長さ L
m
端部条件
エルボ SIF 計算
エルボ曲率比 R/D
計算結果
—
熱膨張量 ΔL [mm]
—
熱膨張力 F [kN]
—
熱応力 σ [MPa]
—
SIF値 (i)
理論・主要公式

$$\Delta L = \alpha \cdot L \cdot \Delta T$$

熱膨張量：\(\alpha\) 熱膨張係数 [1/°C]、\(L\) 管長さ [m]、\(\Delta T\) 温度差

$$\sigma_{th} = E \cdot \alpha \cdot \Delta T$$

拘束時の熱応力：\(E\) ヤング率 [GPa]、完全拘束時の最大応力 [MPa]

$$\sigma_h = \frac{pD}{2t}, \quad \sigma_a = \frac{pD}{4t}$$

内圧による周方向・軸方向応力：\(p\) 内圧、\(D\) 外径、\(t\) 肉厚

温度差 vs 熱応力
応力
熱応力 / 許容応力 比率 —
NPS別 熱膨張力（現在の条件）

熱膨張量：

$$\Delta L = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$$

完全拘束時の熱応力：

$$\sigma_{th}= \alpha \cdot \Delta T \cdot E$$

熱膨張力（両端アンカー）：

$$F = \sigma_{th}\cdot A = \alpha \cdot \Delta T \cdot E \cdot A$$

SIF補正後の等価応力（ASME B31.3）：

$$S_E = i \cdot \frac{M_c}{Z}\leq S_A$$

柔軟性特性（エルボ）：$h = \dfrac{t \cdot R}{r^2}$，　$i = \dfrac{0.9}{h^{2/3}}$，　$k = \dfrac{1.65}{h}$

配管熱膨張応力とは

🙋
配管が熱で膨張すると、なんで問題なんですか？ただ伸びるだけじゃないんですか？
🎓
大まかに言うと、伸びる場所がなければ「力」に変わるからだよ。例えば、両端が壁にがっちり固定された配管を温めると、膨張したいのにできなくて、中に大きな圧縮力が発生するんだ。このシミュレーターで「端部条件」を「両端アンカー」に設定して温度を上げてみると、膨張量はゼロなのに応力が急上昇するのがわかるよ。
🙋
え、じゃあ配管が壊れてしまうんですか？現場ではどうしてるんですか？
🎓
その通り、対策しないと継手から漏れたり破断したりする。実務では「ガイド」や「エルボ」で逃がすんだ。このツールで「端部条件」を「片端アンカー/片端ガイド」に変えてみて。ガイドは横方向だけ拘束するから、配管は縦に膨張できて、力が大幅に減るのが確認できるよ。発電所の蒸気配管などは、この膨張をループ状に吸収しているんだ。
🙋
「エルボSIF計算」ってチェックボックスがありますね。これは何ですか？エルボがあると余計に弱くなるということ？
🎓
鋭いね！SIF（応力増大係数）は、エルボの曲がり部分に応力が集中する度合いを示す数字だ。直管を1としたら、エルボでは2〜5倍になる。チェックを入れて「曲率比R/D」を変えながら応力を確認してみて。R/Dが小さい（きつい曲がり）ほどSIFが大きくて危険だ。Caesar-IIなどの本格解析ソフトも、この係数を自動で適用して精密に評価しているんだ。

よくある質問

算出された熱応力をASME B31.3の許容応力値と比較し、許容範囲内かを確認します。許容値を超える場合は、膨張ループやベローズの追加、材料変更などで応力を低減する設計検討にご利用ください。
SIFは配管の曲がり部や分岐部などで応力が集中する度合いを示す係数です。本ツールはCaesar-IIと同じSIFと可撓性係数を実装しているため、実務の詳細解析に近い精度で熱応力を評価でき、簡易設計の信頼性が向上します。
温度差が大きいと熱膨張量と熱応力が比例して増大します。特に長直管や拘束の強い箇所では許容応力を超えやすくなるため、膨張吸収策（ループ、オフセット、伸縮継手）の検討が必須です。材料の高温強度も併せて確認してください。
肉厚が増すと断面積が大きくなり、同じ熱応力でも発生する力（軸力）は増加します。一方、SIFは配管サイズと肉厚に依存するため、応力集中の度合いも変化します。本ツールではこれらの関係を自動反映し、即座に再計算できます。

実世界での応用

石油化学・精油プラント：高温の原油やプロセス流体を扱う配管系の設計で必須です。加熱炉への配管や触媒反応器の出入口ラインなど、熱膨張によるノズル荷重を評価し、機器へのダメージを防ぎます。

火力・原子力発電所：高温高圧の蒸気を送るメインステームラインや再熱ラインの設計に活用されます。膨張ループやエキスパンションジョイントの最適配置を計画する際の基礎計算として使われます。

LNG（液化天然ガス）施設：極低温（-160℃）の配管では、据付時からの温度差が非常に大きくなります。冷却時の収縮による引張応力や支持部の設計に、この熱応力計算が応用されます。

建築設備（空調・給湯）：大型ビルの屋上ボイラーから下階まで伸びる高温水配管などでも問題になります。ループやフレキシブルホースを用いた膨張吸収設計の初歩検討に役立ちます。

よくある誤解と注意点

まず、「温度差ΔTは、単に最高温度から室温を引けばいい」と思っていない？実務では「据付温度」が鍵なんだ。真夏の炎天下で施工した配管と、真冬に施工した配管では、同じ運転温度でもΔTが大きく異なる。例えば、運転温度100℃の配管を、夏（35℃）と冬（5℃）で据え付けたら、ΔTはそれぞれ65℃と95℃。発生応力は約1.5倍も違ってくる。設計では、年間を通じた想定施工温度範囲を考慮するのが鉄則だよ。

次に、「ガイドがあれば完全に自由膨張できる」という過信。ガイドは摩擦がつきもの。特に長大配管では、ガイド部の摩擦力が無視できず、想定より膨張が抑制されて応力が残留する。このツールでは「完全なガイド」を仮定しているから、実際の設計では摩擦係数を考慮した余裕を見るか、ローラーサポートの採用を検討しよう。

最後に、「計算された応力が許容応力以下ならOK」という短絡的な判断。このツールで出るのは「一次応力」の評価がメイン。でも、配管の繰り返し起動・停止で熱応力も繰り返し負荷がかかると、「疲労」の問題が発生する。たとえ静的な強度は足りていても、疲労寿命で破損する可能性がある。特にエルボSIFを考慮した部位は、応力変動幅が大きいので要注意だ。

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