【蒸気の格付け：特級】タービンを回す「過熱蒸気」の品格

プラントの構内を縦横無尽に走る配管。その中を流れる流体には、それぞれ「格付け」があると言っても過言ではありません。

ユーティリティの代表格である蒸気の中でも、発電用タービンや大型のコンプレッサー駆動用タービンへと送り込まれる「過熱蒸気」は、間違いなく「特級」の扱いを受けるべき存在です。

飽和蒸気が持つ湿り気を一切排除し、さらに温度を積み増したその姿は、目に見えないほど透明でありながら、莫大なエネルギー（エクセギ）を内包しています。

しかし、その高いエネルギーゆえに、一度扱いを誤れば設備に致命的なダメージを与え、時には甚大な災害を引き起こす危うさも秘めています。

この「気高い」過熱蒸気を安全かつ効率的に手なずけるために、設計担当者や工事監督員が共通言語として持っておくべき知識を整理してお伝えします。

過熱蒸気の物理的性質

まず、なぜタービンを回すには過熱蒸気でなければならないのか、その理由を明確にしておきましょう。最大の目的は「ドレン（凝縮水）の発生防止」です。

高速回転するタービンの翼に、液滴が衝突すれば「エロージョン（浸食）」を引き起こし、翼を物理的に破壊してしまいます。

過熱蒸気は、同じ圧力の飽和蒸気よりも高い温度を持っています。この「余裕」があるおかげで、配管内での放熱やタービン内部での膨張（仕事）によって温度が下がっても、すぐには液面が発生しません。

この「余裕」を数値化したものが「過熱度（Delta T）」です。

過熱度（Delta T）の管理：タービンを守る鉄則

設計および運転において、最も重要な指標が以下の計算式で表される過熱度です。

過熱度（Delta T）の算出 Delta T = T_actual - T_sat (T_actual: 実際の蒸気温度、T_sat: その圧力における飽和温度)

例えば、圧力が10 MPaGのとき、飽和温度（T_sat）は約311度です。もし実際の蒸気温度（T_actual）が500度であれば、過熱度は189度となります。

タービンの設計仕様には、必ず「最低限維持すべきDelta T」が定められています。これを下回ることは、タービンにとっての死刑宣告に等しいのです。

設計担当者は、ボイラー出口からタービン入口までの放熱ロスを計算し、最悪の気象条件（冬場の強風時など）でも十分なDelta Tが確保できるよう、保温仕様や配管ルートを決定しなければなりません。

材料選定の要諦：なぜASTM A335なのか

過熱蒸気配管の設計において、炭素鋼（一般鋼管）の使用は禁物です。通常、過熱蒸気は400度を超える高温域で運用されるため、炭素鋼では「クリープ」と呼ばれる現象により、応力がかかり続けることで徐々に変形し、最終的に破断してしまいます。

ここで登場するのが、高温用合金鋼鋼管である「ASTM A335」シリーズです。特に以下のグレードは、プラント設計における「標準」として頻繁に登場します。

クロム（Cr）を添加することで耐酸化性を高め、モリブデン（Mo）を添加することで高温強度（耐クリープ性）を確保しています。

材料選定を誤ることは、数年後の配管破裂を予約することと同じです。図面を確認する際は、必ず材質がASTM A335（またはJIS G 3458 配管用合金鋼鋼管）の適切なグレードになっているかを確認してください。

配管設計と仕様：熱膨張と強度計算の作法

高温の蒸気配管は、低温時（定検中など）と運転時で、その長さが劇的に変化します。例えば、100メートルの配管が500度まで昇温すれば、数十センチメートル単位で伸びる計算になります。

熱膨張の吸収（ループとベローズ）

この伸びを「逃がす」場所がないと、配管自体が曲がったり、接続されている機器のノズルを破壊したりします。そのため、「U型エクスパンションループ」を設けて配管の柔軟性（フレキシビリティ）を確保するのが定石です。

スプリングハンガーの役割

配管が熱で上下に動く場合、固定のサポートでは配管を持ち上げてしまい、荷重バランスが崩れます。そこで「スプリングハンガー」を用い、配管が動いても常に一定の荷重で支え続ける設計を行います。

安全弁の設計（JIS B 8210）

過熱蒸気系統には、圧力上昇を防ぐための安全弁が不可欠です。飽和蒸気用の安全弁とは異なり、高温によるバネのへたりを考慮した設計や、排気時の反動力を計算に入れた支持構造が求められます。

定検工事での急所：不具合を見逃さない検査ポイント

さて、工事監督員の皆さんが最も腕を試されるのが、定期修理（定検）工事です。過熱蒸気ラインのメンテナンスでは、以下のポイントを「急所」として捉えてください。

スプリングハンガーの「プリセット」確認

定検中、配管が冷えている状態（コールド状態）で、ハンガーのインジケーターが正しい位置を指しているか確認してください。もし異常な位置にあれば、運転中に過大な応力がかかっていた証拠です。また、ピンが抜けていないか、可動部が錆び付いていないかも重要です。

スチームトラップの健全性

「過熱蒸気だからドレンは出ない」というのは大きな誤解です。スタートアップ（昇温時）には膨大なドレンが発生します。

この時にトラップが正常に機能しないと、ウォーターハンマーが発生し、配管が暴れて支持構造を破壊します。バイメタル式やディスク式など、高温高圧に適したトラップの内部点検を怠らないでください。

クリープボイドの非破壊検査

長年使用しているA335 P11/P22配管については、溶接部を中心に「レプリカ法」などによる組織観察を行い、クリープによる微細な空孔（ボイド）が発生していないかを確認します。

これは目視では絶対に不可能な、科学的な「寿命診断」です。

保温材の管理

過熱蒸気の「品格」を保つのは保温です。保温材が脱落していたり、雨水が浸入してウェットな状態になっていたりすると、そこから急激に熱が逃げ、局所的なドレン発生や、配管外部腐食（CUI）の原因となります。特にエルボ部やフランジ部の復旧精度を厳しくチェックしてください。

バルブのシート漏れ点検

高温高圧の過熱蒸気がバルブのシート面からわずかに漏れ出すと、その高速流によって「スチームカット」と呼ばれる溝が刻まれます。一度溝ができると、バルブを閉めても止まらなくなります。シート研磨や部品交換の判断は、このスチームカットの有無を基準に行います。

ロジックで紐解く「スタートアップの作法」

設計やメンテナンスが完璧でも、運用、特に立ち上げ時の操作を誤ればすべてが台無しになります。

暖管（ウォーミングアップ）の徹底

冷え切った配管にいきなり高温蒸気を通せば、急激な熱歪みでフランジから漏洩したり、最悪の場合は配管が破断したりします。低圧の蒸気でゆっくりと温度を上げ、ドレンを完全に排出しきってから、徐々に圧力を高めていく。この「待つ」時間こそが、プラントを長持ちさせる秘訣です。

過熱蒸気を扱うということは、自然界の物理法則と真っ向から向き合うということです。温度、圧力、材料特性、そして熱力学。これら全ての要素が論理的に組み合わさって、初めて巨大なタービンは安定して回り続けます。

私たちの仕事は、単にボルトを締め、図面を引くことではありません。流体が持つエネルギーを理解し、それが設備に与える影響を予測し、先回りして対策を講じることです。ASTM A335の一本の配管に込められた設計思想を読み解けるようになったとき、あなたは真のプラントエンジニアとして、設備と対話ができるようになるはずです。