圧力脈動の説明: 総合ガイド

圧力脈動は、さまざまな産業用途で大きな課題を引き起こします。これらの振動を放置すると、過度の振動、騒音、効率の低下、さらには壊滅的な機器故障につながる可能性があります。

この包括的なガイドでは、機械業界における圧力脈動の原因と結果を詳しく取り上げます。次に、これらの問題を軽減するための実証済みのソリューションとベストプラクティスを検討し、システムを最適化して最高のパフォーマンスと信頼性を実現できるよう支援します。

圧力脈動とは何か

圧力脈動は、特にポンプ、コンプレッサー、タービンを備えた流体システムで発生する圧力の周期的な変動です。これらの圧力変動は、システムの安定した動作圧力に重畳され、振幅は数ミリバールから数バールの範囲になります。

圧力脈動は、定常圧力変化や圧力サージとは異なります。定常変化は、システム全体の圧力が比較的ゆっくりと徐々に変化することです。一方、圧力サージは、バルブの閉鎖やポンプの起動などのイベントによって発生する突然の高振幅スパイクです。サージは一時的なイベントですが、脈動は、原因となるメカニズム (ポンプなど) が動作している限り継続する継続的な振動です。

圧力脈動の原因

往復ポンプとコンプレッサー

圧力脈動の最も一般的な原因の1つは、往復ポンプおよびコンプレッサー。これらの装置は、ピストンまたはプランジャーの周期的な動きによって流体を移動させることによって動作します。ピストンが前後に動くと、吸入フェーズと排出フェーズが交互に発生し、流量と圧力に固有の変動が生じます。

容積式ポンプ

ギアポンプ、スクリューポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプも、圧力脈動の原因となることがあります。これらのポンプは、個別の量の流体を捕捉して移動させるため、特にポンプの吐出口で、流れの脈動や圧力の変動が生じる可能性があります。

パイプレイアウト

パイプの直径が急激に変化して膨張や収縮が起こると、流れが乱れたり圧力が変動したりします。長くてまっすぐなパイプでは脈動が伝播して増幅する可能性があり、曲がりやエルボでは圧力波が反射して干渉パターンが生じる可能性があります。パイプサポートとアンカーの位置と間隔も、脈動に対するシステムの応答に影響を与える可能性があります。

圧力容器とタンク

システム内の圧力容器やタンクは脈動流と相互作用し、脈動を増幅または減衰させる可能性があります。脈動周波数が容器やタンクの固有周波数と一致すると、共振過度の振動が発生し、損傷が発生する可能性があります。

乱流と渦放出

流体が障害物を通過したり、複雑な形状を通過したりすると、局所的な渦や渦流が周期的に発生することがあります。これらの流れの不安定性により、パイプ壁に変動力が生じ、圧力脈動につながります。

ウォーターハンマー（急速バルブ閉鎖）

急激なバルブの閉鎖やポンプの起動/停止は、ウォーターハンマーと呼ばれる現象を引き起こす可能性があります。流体が突然停止または方向転換を余儀なくされると、圧力波が発生し、音速でシステム内を伝わります。この圧力サージは通常の動作圧力の数倍になる可能性があり、パイプ、バルブ、その他のコンポーネントに重大な損傷を引き起こす可能性があります。

流れの方向/速度の変化

流れの方向や速度が急激に変化すると、圧力脈動が発生する可能性があります。これは、流体の進路や速度が強制的に変更されるパイプの曲がり、T 字継手、またはレデューサーで発生する可能性があります。その結果生じる流れの乱れにより、局所的な圧力変動が生じ、システム全体に広がる可能性があります。

共振

共鳴は、圧力脈動の周波数が配管システムまたはそのコンポーネントの固有周波数と一致するときに発生します。共鳴状態では、脈動が大幅に増幅され、過度の振動、騒音、および潜在的な構造損傷につながる可能性があります。共鳴のリスクは、サポートされていない長いパイプスパン、低い減衰、または励起周波数と音響または構造の固有周波数が一致するシステムで高くなります。

流体特性

輸送される流体の特性も圧力脈動の挙動に影響を与える可能性があります。主な流体特性は次のとおりです。

密度: 密度の高い流体は慣性が大きいため、流れの乱れを受けると圧力の変動がより顕著になる可能性があります。
粘度高粘度の流体は、流れに対する抵抗とエネルギーを消散させる能力が増加するため、圧力脈動を減衰させる傾向があります。
圧縮性: ガスなどの圧縮性流体は、非圧縮性液体に比べて圧力脈動の影響を受けやすくなります。圧縮性により圧力波がより容易に伝播し、脈動振幅が大きくなる可能性があります。

制御されていない圧力脈動の影響

振動

過度の振動は、制御されていない圧力脈動によって最もよく発生する結果の 1 つです。変動する圧力波は、パイプ、バルブ、その他のコンポーネントに機械的振動を引き起こす可能性があります。これらの振動は、機器の摩耗を増大させるだけでなく、システムの構造的完全性にリスクをもたらします。

ノイズ

圧力脈動は、特に流速が速いシステムや圧力が急激に変化するシステムでは、可聴ノイズとして現れることが多い。乱流とキャビテーション脈動流によって生成される低音のゴロゴロ音から高音の笛のような音まで、さまざまな周波数のノイズが発生する可能性があります。

効率の低下

脈動流に関連するエネルギーは、望ましい流体移動には寄与しないため、本質的に無駄になります。このエネルギー損失は、ポンプやコンプレッサーの消費電力の増加として現れ、運用コストの増加につながります。さらに、脈動によって生じる乱流や流れの乱れにより、熱交換器、フィルター、その他のプロセス機器の有効性が低下し、システムの効率がさらに低下する可能性があります。

機器の損傷

おそらく、制御されていない圧力脈動の最も深刻な結果は、機器の損傷の可能性です。変動する圧力によって課される繰り返しのストレスサイクルにより、さまざまなコンポーネントの摩耗が加速し、早期に故障する可能性があります。

シール、ガスケット、ゲージ: 周期的な負荷により、シールやガスケットの劣化が早まり、漏れが生じたり、システムの整合性が失われたりすることがあります。圧力計やその他の計器も脈動圧力によって損傷を受け、不正確な測定値や完全な故障につながる可能性があります。
侵食: 圧力脈動に関連する乱流パターンは、特に流れの方向や速度が急激に変化する領域で侵食を加速させる可能性があります。時間が経つにつれて、この侵食によりパイプの壁が薄くなり、漏れが生じ、さらには破裂につながることもあります。
キャビテーション: 圧力脈動がひどい場合、局所的な圧力低下により、キャビテーションと呼ばれる蒸気泡の形成と崩壊が起こることがあります。これらの泡の内破により、高強度の衝撃波が発生し、表面が侵食されて穴が開き、インペラ、バルブ、その他の部品に重大な損傷を与える可能性があります。
パイプライン破裂極端な場合には、圧力脈動によって引き起こされる振動、浸食、疲労の複合的な影響により、パイプラインが破裂する可能性があります。

ソリューション

脈動ダンパー

脈動ダンパー流体システムの圧力変動を抑えるために設計された装置です。通常、圧力容器内のガス充填ブラダーまたはダイヤフラムで構成されます。流体圧力が上昇すると、ガスが圧縮され、圧力スパイクを吸収します。圧力が低下すると、ガスが膨張し、下流の圧力をより一定に保ちます。

脈動ダンパーは、システムを通じて脈動が伝達されるのを最小限に抑えるために、ポンプの排出口やバルブの近くなど、脈動源の近くに設置されます。

サージサプレッサ

サージサプレッサ（ショックアレスタとも呼ばれる）ウォーターハンマーアレスターは、ウォーターハンマー現象に伴う突然の圧力スパイクを吸収するように設計されています。バルブが急速に閉じられると、サプレッサーによって限られた流体が膨張室に流れ込み、圧力の急上昇を和らげます。

サージサプレッサーは通常、パイプの終点と急速閉鎖バルブの近くに設置されます。

スタッガードベーンインペラ

のために遠心ポンプずらした羽根を持つインペラを使用すると、圧力脈動を軽減できます。従来のインペラでは、羽根は均等間隔で配置されており、各羽根が渦巻き状の舌部を通過するときに圧力脈動が発生します。羽根を不均等な間隔でずらすことで、圧力脈動がより均等に分散され、全体的な脈動振幅が軽減されます。

スタッガードベーンインペラーは、ポンプのブレード通過周波数での脈動を減らすのに最も効果的です。脈動を完全に排除することはできませんが、大幅に減らすことができます。振動騒音問題もあります。

ポンプ設計

最適効率点 (BEP) から遠く離れた場所で動作する大型ポンプは、流れの不安定性と脈動が発生しやすくなります。必要な流量で BEP に近い場所で動作するポンプを選択すると、脈動を軽減できます。

のために容積式ポンプ1 つの大型ポンプを使用する代わりに、複数の小型ポンプを並列で使用すると、脈動振幅を低減できます。3 重ポンプは、よりスムーズな流れの供給により、単重ポンプや二重ポンプの設計よりも脈動が低くなる傾向があります。

代替アプローチ

場合によっては、配管システムに簡単な変更を加えるだけで脈動を軽減できます。

オリフィスプレート: 脈動源の下流にオリフィスプレートを設置すると、圧力降下が生じ、脈動エネルギーを消散させるのに役立ちます。
フレキシブルホースと伸縮継手: 脈動源の近くにフレキシブル接続部を使用すると、配管システムの他の部分から振動を分離するのに役立ちます。伸縮継手は、大きな応力や故障につながる可能性のあるパイプの動きや熱膨張に対応します。

運用上の調整

ハードウェアソリューションに加えて、システム操作を調整することで圧力脈動を管理できます。

ポンプ速度制御: ポンプを低速で運転すると、脈動の周波数と振幅が減少します。可変周波数ドライブにより、需要の少ない期間にポンプを低速で運転できます。
マルチポンプフェージング: 複数のポンプを設置する場合、ポンプ間の位相角を調整して脈動が同期しないようにすると、下流の脈動を最小限に抑えることができます。