シミュレーターで体感！「爆発限界混合ガス三角図」の基礎と読み方

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化学工場や、ガスを扱う現場において、爆発事故を防ぐことは最も重要な課題です。目に見えないガスの危険性を「見える化」し、安全を確保するための強力なツールが「三角図（爆発限界混合ガス三角図）」です。

教科書で図を見るだけでは少し難しく感じるかもしれませんが、数値を動かせるシミュレーターを使えば、直感的に理解することができます。この記事では、シミュレーターを操作しながら三角図の読み方を確かめます。

三角図から引き出す現場の判断基準は2つです。パージでは、限界酸素濃度から余裕を取った管理値以下まで窒素で酸素を下げること。空気を入れる前に、可燃性ガスを窒素で十分薄めておくこと。

三角図シミュレーターで何がわかるの？

三角図は、可燃性ガス、酸素、不活性ガス（窒素など）という「3つの成分の混合割合」を、一つの正三角形の中に表したグラフです。

実際の現場では、配管やタンク内のメンテナンスを行う際、安全のために内部に窒素などを注入して空気を追い出す「パージ（置換）作業」が行われます。このとき、内部には3つのガスが混ざり合った状態になります。

シミュレーターを使うと、各ガスの濃度（%）を入力・変更することで、現在のガス組成がグラフ上のどこにあるのかがリアルタイムで点（プロット）として表示されます。その点が「着火源があれば爆発してしまう危険な範囲（爆発範囲）」に入っているかどうかを、一目で確認・体感できるのが最大のメリットです。

三角図の構造と、シミュレーターでの動き

シミュレーターの画面を見ると、正三角形が描かれています。3つの「頂点」は、それぞれ対象となる成分の濃度が100%であることを示しています。

・上の頂点：可燃性ガス 100% ・左下の頂点：酸素 100% ・右下の頂点：不活性ガス（窒素など） 100%

濃度の読み取り方と点の動き

シミュレーターで各成分の割合（合計100%）を入力すると、三角形の中に点が打たれます。ある成分の濃度を上げると、その成分の頂点に向かって点が移動していくのがわかるはずです。

各成分の濃度は、対象となる頂点と向かい合う「底辺（0%のライン）」から、その頂点に向かってどれだけ進んだ位置にあるかで決まります。シミュレーター上で数値をいろいろ変えてみて、点がどのように動くかを確認してみましょう。

シミュレーターで確認すべき！4つの重要キーワードと線

シミュレーターのグラフ上には、安全管理上欠かせないいくつかの重要な線や領域が描かれています。実際に点を動かしながら、以下の4つを確認してください。

1. 爆発範囲（可燃性領域）

図の中央付近に描かれている、爆発下限界（LEL）の線・爆発上限界（UEL）の線と、限界酸素濃度の先端で囲まれた、三角形に近い形のエリアです。シミュレーターで成分を調整し、点がこのエリアに入ると、背景が赤くなったり「危険」と表示されたりします。この状態のときに火花などの着火源があると、爆発が起こってしまいます。

2. 空気線

酸素100%の頂点と、不活性ガス（窒素）100%の頂点を結ぶ底辺の上に、大気の組成（酸素約21%、窒素約79%）となる点があります。この点と、可燃性ガス100%の上の頂点を結んだ直線を「空気線」と呼びます。

シミュレーターで、大気の組成からスタートして可燃性ガスだけを少しずつ増やしてみてください。点がこの「空気線」上をまっすぐ上に向かって移動していくのがわかります。これが、大気中に可燃性ガスが漏れ出した状態です。

3. 爆発下限界（LEL）と爆発上限界（UEL）

シミュレーターで空気線上を点が移動していくと、やがて「爆発範囲」に入り、さらにガスを増やすと爆発範囲から抜け出します。この空気線と爆発範囲の境界線が交わる2つの点が重要です。

・下側の交点：爆発下限界（LEL）… これよりガスが薄いと燃えません。

・上側の交点：爆発上限界（UEL）… これよりガスが濃くても酸素不足で燃えません。

4. 限界酸素濃度（LOC または MOC）

爆発範囲の中で酸素濃度が最も低くなる点は、爆発範囲の右側の先端（窒素の頂点に近い側）にあります。その点を通る「酸素12%」の線が、シミュレーターのオレンジ色の破線です。酸素の頂点（左下）と向かい合う右の辺と平行な、斜めの線になります。

パージ作業のシミュレーションをしてみましょう。シミュレーターで不活性ガス（窒素）の割合をどんどん増やしていくと、点は右下（窒素の頂点）の方へ移動し、酸素濃度が下がっていきます。酸素濃度がこの「限界酸素濃度」の線より右側（低濃度側）にあれば、可燃性ガスの濃度を上げ下げしても、点は爆発範囲に入りません。

ただし、これは図の上での話です。実際の運転では、次の2点を必ず守ります。

① 限界酸素濃度ちょうどではなく、余裕を取った管理値以下に保つ。酸素計の誤差、容器内の混ざりむら、温度・圧力による限界酸素濃度の変化があるからです。『プロセス安全の基礎』（安全工学会 監修）に載っている管理基準の例では、静電気安全指針が限界酸素濃度8〜12%のガスに対して管理酸素濃度5%未満、米国のNFPA 69が「酸素濃度を連続監視しているときは限界酸素濃度−2%未満、監視していないときは限界酸素濃度×0.6未満」としています。メタン（限界酸素濃度12%）なら、12%を目標にしてはいけません。

② 可燃性ガスが濃い状態から空気を入れる前に、窒素で可燃性ガスを十分薄める。開放・点検のために空気を入れると、点は空気の点（酸素21%）に向かってまっすぐ動きます。可燃性ガスが濃いままだと、その途中で爆発範囲を横切ります。先に窒素で置換して、空気と混ざっても爆発範囲に入らない濃度まで可燃性ガスを下げてから、空気置換に移ります。シミュレーターで、可燃性ガスの濃い点から空気の点へ向かう道筋をたどって確かめてください。

爆発範囲の数値そのものの読み方（温度・圧力による変化、混合ガスの計算）は、爆発範囲（LEL・UEL）の読み方｜混合ガスの計算と、上限界が100%になるガスで扱っています。

まとめ：動かして学ぶ安全管理

三角図は、シミュレーターを使って自分で数値を動かしてみることで、はるかに明確に状況を把握できるようになります。

「可燃性ガスが漏れたら点はどう動く？」

「窒素で酸素を下げたあと、空気を入れたら点はどこを通る？」

このような様々なシチュエーションをシミュレーターで試すことで、ガス組成の変化と爆発リスクの関係を視覚的かつ正確に理解できます。安全なプロセス設計や運転管理の第一歩として、ぜひシミュレーターを活用して三角図の読み方をマスターしてください。

参考文献

• 安全工学会 監修、新井充・佐藤吉信・高木伸夫・野口和彦・若倉正英 編『実践・安全工学シリーズ2「プロセス安全の基礎」』化学工業日報社、2012年　第3章（限界酸素濃度と管理酸素濃度）
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• 労働安全衛生総合研究所「静電気安全指針2007」（技術指針 JNIOSH-TR-No.42）　付録G 表G.3 気体・液体蒸気の限界酸素濃度（2008年の訂正を含む）

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