化学プラント大全 
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熱交換器の安全ってどこを見るの？
チューブが破れたらどうなる？
そんな悩みを解決します。
・チューブ破損による低圧側の過圧（10/13ルール）
・液封（熱膨張）による過圧とサーマルリリーフ
・冷却喪失・内部漏れ・保温下腐食といった見落としやすいリスク
私の仕事は化学プラントの設計です。
熱交換器を安全の観点から見直します。
熱交換器は、圧力の異なる2つの流体を薄い金属1枚で隔てている機器です。ここが破れれば、高圧側の流体が低圧側へ一気に流れ込みます。
また、両端を弁で閉じられた熱交換器は、外部から加熱されるだけで内部圧力が急上昇します。液体はわずかな温度上昇で大きく膨張し、しかも圧縮できないためです。
熱交換器の安全は、性能設計とは別の視点で見る必要があります。
・チューブ破損で高圧流体が低圧側へ流入し、低圧側を過圧させます。低圧側の設計圧力が高圧側の10/13を下回るなら、対策を検討します。
・液封（熱膨張）は、弁で閉じ込められた液が温まるだけで起きます。サーマルリリーフ弁が要ります。
・冷却水の喪失は、下流の凝縮器・反応器を暴走させる起点になります。
・内部漏れは性能問題ではなく、環境・品質・安全の問題です。
・保温下腐食（CUI）は外から見えないまま進行します。
チューブ破損による過圧
何が起きるか
チューブが1本破断すると、破断口は2つ（両端）できます。高圧側の流体が、その断面積を通って低圧側へ噴出します。
低圧側の容積は限られており、逃がし能力も低圧側の想定でしか設計されていません。結果として低圧側が設計圧力を超えることになります。
怖いのは、低圧側の配管や下流機器まで過圧が波及することです。熱交換器のシェルが持っても、その先のタンクが持たない、ということが起こります。
10/13ルール
チューブ破損を考慮すべきかどうかの判定に、広く使われる目安があります（API 521 に示される考え方）。
低圧側の設計圧力が、高圧側の設計圧力の 10/13（約77％）を下回る場合、
チューブ破損による過圧の検討が必要になる
この 10/13 という数値は、圧力容器が設計圧力の約1.3倍まで（水圧試験圧力の水準まで）は短時間なら耐えうる、という考え方に由来します。逆に言えば、低圧側の設計圧力が高圧側の77％以上あれば、破損しても低圧側は持ちこたえる、という判断です。
静水頭や運転圧力の扱いは規格や社内基準によって違うため、適用は自社の基準に従ってください。
対策の選択肢
| 対策 | 内容 | 留意点 |
|---|---|---|
| 低圧側の設計圧力を上げる | 高圧側の10/13以上にする | 最も確実。機器コストは上がる |
| 安全弁・破裂板を設ける | 低圧側に逃がし装置を設置 | 吹出量の算定が難しい。二相流になることが多い |
| チューブの信頼性を上げる | 肉厚増、材質変更、検査強化 | 破損確率を下げるが、ゼロにはできない |
| 圧力差を小さくする | プロセス条件の見直し | 可能なら最も本質的 |
安全弁で対応する場合、吹出量の算定が非常に難しい点に注意してください。高圧の液が低圧側で急激にフラッシュして二相流になるため、単相のガスや液の式では計算できません。この検討はリリーフ設計の専門領域です。
【まとめ】RBPS 4つの柱と20の要素｜プロセス安全でやるべきことの全体マップ
液封（熱膨張）による過圧
なぜ危険なのか
液体はほとんど圧縮できません。一方で温度が上がれば膨張します。逃げ場のない空間に液を閉じ込めて加熱すると、圧力は急激に上がります。
水の場合、10 K の温度上昇でも、完全に密閉された状態では数十 MPa に達し得ます。有機液は熱膨張率が水より大きいため、さらに厳しくなります。
「たかが数℃の温度上昇」で機器が破壊されます。ここが液封の恐ろしさです。
熱交換器で液封が起きる場面
・運転停止のため両端の弁を閉じたが、片側にまだ蒸気が残っていた
・冷却水側を弁で締め切った状態で、プロセス側が高温のまま
・停止中の機器が日射で温まる（屋外設置）
・火災時の外部加熱
・保温された配管・機器で、内部の液が周囲温度まで戻る過程
とくに停止操作中が危険です。運転中は流れがあるので液封になりませんが、弁を閉じた瞬間に閉じ込め状態が生まれます。
対策
・サーマルリリーフ弁（熱膨張用安全弁）を設ける ── 小容量でよい。液が少量逃げれば圧力は下がる
・弁の間に閉じ込め空間ができる箇所を、P&ID上で洗い出す
・運転手順書に、閉じ込めを作らない操作順序を明記する
・ブロック弁に施錠管理（閉め忘れ・誤閉を防ぐ）
サーマルリリーフ弁はごく小容量で足ります。液がわずかに逃げれば圧力上昇は止まるためです。しかし「小さいから」と省略されがちで、実際の事故につながっています。
【まとめ】RBPS 4つの柱と20の要素｜プロセス安全でやるべきことの全体マップ
冷却喪失 ― 下流への波及
熱交換器そのものは壊れなくても、その機能が失われることが起点となる事故があります。
| 失われるもの | 結果 |
|---|---|
| 反応器の除熱 | 反応熱が蓄積し、暴走反応へ。最も深刻 |
| 塔頂コンデンサの冷却 | 蒸気が凝縮せず塔内圧力が上昇。安全弁作動、あるいは塔の破損 |
| 製品クーラーの冷却 | 高温の製品が下流タンクへ。タンクの過圧・材質の限界超過 |
原因は熱交換器の汚れだけではありません。冷却水ポンプの停止、停電、冷却塔の能力低下、配管の閉塞、弁の誤操作など、系統全体に及びます。
設計では「冷却が失われたときに何が起きるか」をHAZOPなどで検討し、必要なら独立した防護層（高温インターロック、緊急冷却系、緊急脱圧）を設けます。
除熱能力はスケールアップ時に不足しやすい点にも注意が必要です。反応器の容積は3乗で増えるのに、ジャケットの伝熱面積は2乗でしか増えません。
内部漏れ ― 性能ではなく安全の問題
チューブの微小な破孔や拡管部の緩みで、両流体が混ざる状態です。全面破断ほど劇的ではないため、気づかれにくいのが特徴です。
| 漏れの方向 | 起きること |
|---|---|
| プロセス液 → 冷却水 | 冷却水系が汚染される。排水として系外に出ると環境問題 |
| 冷却水 → プロセス液 | 製品への水混入。水と反応する物質なら発熱・発生ガス |
| 蒸気 → プロセス液 | 同上。加水分解、発泡 |
水と激しく反応する物質（金属ナトリウム、有機金属、酸塩化物など）を扱う熱交換器では、水系の熱媒を使わないという選択が必要になることがあります。熱媒油や空冷にする、間接的な中間熱媒系を挟む、といった対策です。
検知の手段
・冷却水の導電率・pH・TOCの監視
・プロセス側の水分濃度の監視
・熱収支の不整合（両側で計算した Q が合わない）
・定期的な渦流探傷（ECT）
熱交換器の性能が落ちたときの診断手順【汚れと決めつける前に】
伝熱管はこう壊れる【腐食・エロージョン・振動・熱疲労】
その他の見落としやすいリスク
保温下腐食（CUI）
保温材の下で、外部から侵入した水分により炭素鋼が腐食する現象です。保温材に覆われて外から見えないまま進行します。
とくに危険な温度域は、水が存在しうる約−4℃〜175℃です。この範囲で運転される保温された熱交換器は、定期的に保温を剥がしての点検が必要です。
熱交換器のノズル部、サドル（支持部）まわり、ドレン部など、水が溜まりやすい形状が要注意箇所です。
熱衝撃
蒸気の急投入や冷却水の急停止は、チューブと管板に大きな熱応力を与えます。運転手順で緩やかな昇温・降温を規定してください。起動停止の多いプラントでは、これが寿命を決めることがあります。
凍結
冬季に停止した水系の熱交換器で、内部の水が凍結して膨張し、チューブを破損させることがあります。空冷式や屋外設置の機器で起きやすい問題です。
停止時のドレン抜き手順、あるいは不凍液の使用、保温トレースの設置で対策します。
起動・停止時の非定常
定常運転では問題ない設計でも、起動時や停止時には想定外の条件が出ます。片側だけに流体がある、温度差が定常より大きい、流量が極端に少ない──こうした状態を運転手順とともに検討してください。
【まとめ】RBPS 4つの柱と20の要素｜プロセス安全でやるべきことの全体マップ
設計時のチェックリスト
・高圧側と低圧側の設計圧力比は 10/13 を満たしているか。満たさないなら対策は何か
・弁で閉じ込められる空間はないか。サーマルリリーフ弁は設けたか
・冷却が失われたときに何が起きるか。防護層は独立しているか
・内部漏れが起きたときの影響は許容できるか。検知手段はあるか
・保温下腐食の温度域に入っていないか。点検計画はあるか
・起動・停止時の条件は検討したか
・凍結のおそれはないか
まとめ
・チューブ破損で高圧流体が低圧側へ流入します。低圧側の設計圧力が高圧側の10/13を下回るなら対策を検討します。
・安全弁で対応する場合、二相流になるため吹出量の算定が難しい点に注意が必要です。
・液封は「たかが数℃の温度上昇」で機器を破壊します。サーマルリリーフ弁は小容量で足りますが、省略されがちです。
・冷却喪失は暴走反応や塔の過圧の起点になります。防護層の独立性を確認してください。
・内部漏れは性能問題ではなく、環境・品質・安全の問題です。検知手段を用意します。
・保温下腐食は外から見えないまま進行します。−4℃〜175℃の範囲がとくに危険です。
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参考文献
- 吉田邦夫・吉田英生 監修『熱交換器ハンドブック』省エネルギーセンター、2005年、IV編 設備保全 3「検査」、4「寿命予測とトラブル事例」4.2 トラブル事例 Amazonで見る
- 尾花英朗『熱交換器設計ハンドブック（増訂版）』工学図書、1974年（1994年 2版6刷）、第4部「熱交換器の基本設計」 Amazonで見る
- Center for Chemical Process Safety / AIChE 著、化学工学会 SCE・Net 安全研究会 訳『若い技術者のためのプロセス安全入門』丸善出版、2018年 Amazonで見る
- API STD 521 Pressure-relieving and Depressuring Systems（チューブ破損時の過圧の考え方）
