ポンプ停止時のウォーターハンマ｜圧力波・液柱分離・逆止弁衝撃のしくみ

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ポンプ停止の直後、配管から「ドン」と大きな音がする。圧力計の指針が振り切れる。配管が揺れる。こうした現象はウォーターハンマの可能性があります。

ただし、音の正体は1つではありません。弁急閉による正圧、ポンプ停止による負圧、液柱分離と再結合、逆止弁の急閉、空配管への液柱衝突が重なることがあります。音だけで「逆止弁が悪い」と決めると、本当の原因を見落とします。

1. ウォーターハンマは「圧力の波」

流れている液体は運動量を持っています。弁を急に閉めたり、ポンプが急停止したりすると流速が短時間で変わり、その変化が配管内を圧力波として伝わります。

剛体の水柱全体が一瞬で止まるのではありません。閉止点やポンプ付近から圧力の変化が始まり、液体と配管の弾性を伴いながら音速に近い速さで進み、タンク、弁、閉端、分岐で反射します。

瞬時の流速変化に対する基本関係は、Joukowskyの式で表されます。

ΔP ＝ ρCΔV

ΔPは圧力変化、ρは液密度、Cは圧力波の伝播速度、ΔVは流速変化です。大事なのは、流速の変化が大きく、短時間で起きるほど圧力変化が大きくなるということです。

実配管では弁閉止時間、ポンプ慣性、配管材質・肉厚、支持、分岐、液中ガス、弁特性が影響します。式だけで現場圧力を決めず、過渡解析で評価します。

2. 弁急閉で起きる正圧

流れの下流にある弁を急閉すると、弁直前の液が止められ、上流側の圧力が上がります。この正圧波は上流へ伝わり、タンクやポンプ側で反射します。

次の条件ほど厳しくなります。

• 配管が長い
• 流速が高い
• 口径が大きく、移動する液の質量が大きい
• 弁の最終閉止が急
• 液に気泡が少なく、配管が剛い
• 反射波が重なる配置になっている

手動弁でも安全とは限りません。大口径・長距離配管では、人が普通に閉めたつもりでも過渡現象から見れば急閉です。閉止時間を設計で定め、バルブチャートや操作手順で管理する設備があります。

3. ポンプ急停止で起きる負圧

運転中のポンプが停電やトリップで急停止すると、ポンプが与えていた揚程が失われます。一方、吐出し配管内の液は慣性で流れ続けようとします。ポンプ直後の圧力が下がり、負圧波が下流へ伝わります。

配管の高所やポンプ直後で圧力が液の蒸気圧以下まで下がると、液が局所的に蒸発し、液柱が切れます。これが液柱分離です。

その後、タンク水頭や反射波によって流れが戻り、分かれた液柱が再び衝突すると、大きな正圧が生じます。最初のポンプ停止時より、時間をおいてから大きな「ドン」が出る場合があるのはこのためです。

ポンプ停止時のウォーターハンマは、単純な「圧力が上がる現象」ではありません。まず圧力が下がり、分離し、再結合で上がることがあります。圧力計が最大値しか記録しないと、原因となった負圧を見逃します。

4. 逆止弁の役割と限界

ポンプ吐出し側の逆止弁は、停止時の逆流と逆回転を防ぎます。しかし、逆止弁は圧力波を消す装置ではありません。

ポンプ停止後、流れが減速して逆流に転じてから弁体が閉じると、逆流速度を急にゼロへするため衝撃が生じます。これをチェックバルブスラムと呼ぶことがあります。

弁の挙動は形式・口径・設置姿勢・流速で変わります。

• スイング式：弁体の移動量が大きく、条件によって閉止が遅れる
• リフト式・ばね式：短いストロークで早く閉じられるが、圧力損失や脈動適性を確認する
• ノンスラム形：逆流速度が大きくなる前の閉止を狙うが、系統条件との適合が必要

「音がするから重い弁に替える」「強いばねにする」といった単独判断は禁物です。閉止が早すぎても圧力波を作り、遅すぎても逆流を増やします。ポンプの減速特性と系統の流れ反転時刻に合う弁を選びます。

5. 空配管の急速充填でも起きる

ウォーターハンマは停止時だけではありません。空の長い配管へポンプで急速に送液すると、先端へ向かう液柱が空気だまり、閉止弁、逆止弁へ衝突します。

さらに、配管中の空気が圧縮されて急膨張すると、液柱を押し戻して圧力変動を増幅することがあります。高所のエアポケットは、流量を不安定にし、急な排気・閉塞も作ります。

初回充填や整備後の復旧では、通常運転の起動と同じ速度で流してはいけません。低流量で充填し、指定ベントから空気を抜き、満液を確認してから流量を上げます。

6. 現場で見えるサイン

• ポンプ停止・弁操作の直後、または少し遅れて「ドン」「ガン」という衝撃音
• 圧力計の急上昇・急低下・指針振動
• 配管・サポート・逆止弁の大きな振動
• ポンプの一時的な逆回転
• フランジ、ガスケット、伸縮継手、計装導圧配管からの漏れ
• 空気弁やベントからの断続的な排気・吸気

通常の弁体着座音、配管熱伸び、キャビテーション、二相流、サポートのがたでも音は出ます。発生時刻と操作・トリップ時刻を照合し、圧力の高速トレンドがあれば波形を確認します。

7. 発生したときの運転対応

第一に人身安全と漏えい確認です。危険物、高温液、高圧液では、配管へ近づく前に遠隔情報を確認します。

• 漏えい、配管変位、支持損傷、異常圧力を確認する
• 設備SOPに従い、必要ならポンプ・関連設備を安全停止する
• 弁を反射的に急開・急閉しない
• ポンプ再起動を繰り返さない。空配管や液柱分離状態を悪化させることがある
• トリップ時刻、弁指令・実開度、圧力・流量・液面トレンドを保存する
• 逆止弁の閉止音、逆回転、停電・瞬停、制御弁動作を記録する

圧力が落ち着いたから直ったとは限りません。支持金具、アンカー、フランジ、逆止弁内部、計装配管には一度の衝撃で損傷が残ることがあります。

8. 設計・改造で使う対策

対策同士が干渉することがあります。たとえば空気を入れれば負圧は抑えられても、酸化・汚染・可燃性雰囲気・後工程へのガス混入が問題になる液があります。サージ対策はプロセス安全と一体で決めます。

まとめ

• ウォーターハンマは流速の急変が圧力波として配管を伝わる現象
• 弁急閉では正圧、ポンプ急停止では負圧が起点になりやすい
• 負圧で液柱分離し、再結合すると大きな衝撃圧が出る
• 逆止弁は逆流防止に必要だが、閉止遅れと急閉で衝撃源にもなる
• 発生時は弁やポンプをむやみに再操作せず、SOPに従い、圧力・流量・弁動作の時系列を保存する
• 対策は流速、閉止時間、慣性、逆止弁、サージ設備、過渡解析を系統全体で検討する

次の記事では、空運転でポンプが壊れる場所と、それを防ぐ満液検知、液面、吸込圧力、流量、温度、振動、インターロックの組み合わせを扱います。

参考文献

• 外山幸雄『絵とき配管技術 基礎のきそ』日刊工業新聞社, 5-6「ウォーターハンマ」
• 西野悠司『「配管設計」実用ノート』日刊工業新聞社, 8.6「ウォータハンマ」 　Amazonで見る
• 高圧ガス保安協会『高圧ガス保安技術』学識編 11.5「圧縮機とポンプ」、保安管理技術編 3.2.6「バルブの操作」
• 日本機械学会編『流体機械』ポンプの運転と水撃作用
• 化学工学会編『プロセス機器構造設計シリーズ3 配管』丸善, ポンプ吐出し配管と逆止弁