化学プラント大全 
令和2〜6年度の60大問で、型10（流動・伝熱・材料力学）は主としても従としても0回でした。学識の対策としては最後でよい型ですが、保安管理技術では毎年出ます。
- 学識では5年間・60大問で出題ゼロ。優先度は最下位
- 捨てる型ではない。保安管理技術の問6〜問8で「何に比例するか」が毎年問われる
- 薄肉円筒の周方向応力は軸方向の2倍（縦割れの理由）
学識では出ない ── 出るのは保安管理技術
| 科目 | 問 | 内容 |
|---|---|---|
| 保安管理技術（国試） | 問6 | 圧縮機・ポンプ |
| 問7 | 流動・伝熱・分離 | |
| 問8 | 漏えい防止（シール・ガスケット） | |
| 保安管理技術（検定） | 問6・問12 | 漏えい（ピンホールからの漏えい量）・運転管理（ウォータハンマ） |
学識では計算できることが求められるが、5年間出ていない。保安管理技術では関係の方向が言えれば取れ、毎年出るので必須です。
- 保安管理技術では択一の定性的な知識として問われる。「レイノルズ数が大きいと乱流」「層流の管摩擦係数はレイノルズ数に反比例」程度が言えれば取れる
- 学識の優先順は、型9 → 型6 → 型7 → 型3 → 型4 → 型1 → 型2 → 型8 → 型5 → 型10 で構わない
型別の全体像は計算10の型、優先順位は学識の出題マップ、保安管理技術の全体像は保安管理技術の攻略へ。
流動 ── 流速2倍で圧損約4倍、管径半分で約32倍
「何に比例するか」だけ押さえてください。 数値計算は保安管理技術では出ません。
| 問われ方 | 答え |
|---|---|
| 流速を2倍にすると圧力損失は | 約4倍（乱流では u² にほぼ比例。層流なら約2倍） |
| 管径を半分にすると圧力損失は | 約32倍（流量一定のとき、乱流（λ 一定）は Δp ∝ 1/D⁵ で約32倍、層流は 1/D⁴ で約16倍） |
| 粘度が上がると Re は | 下がる（層流側へ） |
| キャビテーションが起きる条件 | 吸込側の圧力が飽和蒸気圧を下回る |
| 式 | 内容 |
|---|---|
| レイノルズ数 | Re ＝ Duρ/μ（D：管内径、u：平均流速、ρ：密度、μ：粘度）。Re ＜ 約2,100 で層流／Re ＞ 約4,000 で乱流 |
| ベルヌーイの定理 | p/(ρg) ＋ u²/(2g) ＋ z ＝ 一定。各項の単位はすべて長さ（m）（ヘッド表示） |
| 圧力損失（ダルシー・ワイスバッハ） | Δp ＝ λ × (L/D) × (ρu²/2)。層流なら λ ＝ 64/Re |
| ポンプの理論動力 | P ＝ ρgQH（Q：流量 m³/s、H：全揚程 m）。軸動力は効率ηで割る：P_shaft ＝ ρgQH/η |
Re は無次元数なので、単位が揃っていれば必ず無次元になり、検算に使えます。
→ 配管の圧力損失／管摩擦係数／NPSHとキャビテーション／ポンプの選定
伝熱 ── 向流のほうが伝熱面積が小さくて済む
向流は ΔT_lm が大きいので、伝熱面積が小さくて済みます。 向流の ΔT₁・ΔT₂ は「入口 vs 出口」の組み合わせで取ります。
| 問われ方 | 答え |
|---|---|
| 向流と並流、伝熱面積が小さくて済むのは | 向流（ΔT_lm が大きい） |
| 並流で到達できない条件 | 低温側出口 ＞ 高温側出口にはできない |
| 汚れが付くと総括伝熱係数 U は | 下がる（熱抵抗が増える） |
| 熱伝達を支配するのは | 最も熱抵抗が大きい側（境膜） |
| 式 | 内容 |
|---|---|
| 熱伝導（平板） | Q ＝ λAΔT/L。多層壁は熱抵抗（L/λ）の直列和 |
| 熱貫流 | Q ＝ KAΔT、1/K ＝ 1/h₁ ＋ L/λ ＋ 1/h₂ ＋ 汚れ係数 |
| 熱交換器 | Q ＝ UAΔT_lm、ΔT_lm ＝ (ΔT₁ − ΔT₂) / ln(ΔT₁/ΔT₂)（対数平均温度差） |
対数平均温度差のミニ例題
向流熱交換器で高温側 90→50℃、低温側 20→40℃。ΔT_lm は？
〔解答〕
- ΔT₁ ＝ 90 − 40 ＝ 50 K（高温側入口 vs 低温側出口）
- ΔT₂ ＝ 50 − 20 ＝ 30 K（高温側出口 vs 低温側入口）
- ΔT_lm ＝ (50 − 30) / ln(50/30) ＝ 20 / 0.511 ＝ 39.1 K
ln(50/30) も対数表で求めます。log(5/3) ＝ 0.699 − 0.477 ＝ 0.222 → ×2.303 ＝ 0.511。
→ 伝熱の3形態／総括伝熱係数／伝熱面積の計算／熱交換器の完全ガイド
材料力学 ── 周方向応力は軸方向の2倍、だから縦割れ
内圧を受ける薄肉円筒（内径D、板厚t）では、周方向応力 σ_θ ＝ pD/(2t) が軸方向応力 σ_z ＝ pD/(4t) の2倍。 最も大きい応力に直交する向きに裂けるので、圧力容器の破裂は「縦割れ」になります。
| 向き | 内圧が押す面積 | 受け持つ断面積 | 釣り合い |
|---|---|---|---|
| 周方向 | D × L（縦に切った投影） | 2 × t × L（2箇所の板厚） | p × D × L ＝ σ_θ × 2tL → σ_θ ＝ pD/(2t) |
| 軸方向 | πD²/4（鏡板） | πD × t（円周の板厚） | p × πD²/4 ＝ σ_z × πDt → σ_z ＝ pD/(4t) |
釣り合いを取る断面積が違うので2倍になります。導出は覚えなくて構いません。
ミニ例題：内径1.0 m、板厚10 mm の薄肉円筒に内圧2.0 MPa。周方向応力は？
〔解答〕 σ_θ ＝ pD/(2t) ＝ (2.0 × 1.0) / (2 × 0.010) ＝ 100 MPa。単位を m で揃えるのがポイントで、板厚を mm のまま入れると1000倍ずれます。
熱応力 ── 拘束されたまま温度が変わると降伏する
拘束された棒では σ ＝ EαΔT（E：ヤング率、α：線膨張係数）。だから配管には伸縮継手やループ配管が必要です。
例：炭素鋼（E ＝ 200 GPa、α ＝ 12×10⁻⁶ /K）が100 K 昇温して完全拘束されたら？
〔解答〕 σ ＝ 200×10⁹ × 12×10⁻⁶ × 100 ＝ 240 MPa。炭素鋼の降伏点（約240 MPa）に達します。100℃の温度変化だけで降伏するので、熱膨張を逃がす設計が必須です。
本番前の確認 ── 押さえるのはこの5つ
| 優先 | 押さえること |
|---|---|
| 1 | 薄肉円筒：周方向が2倍、だから縦割れ（甲種化学の過去5年には出ていないが、設計の基礎として） |
| 2 | 向流のほうが伝熱面積が小さくて済む |
| 3 | Re ＜ 2,100 で層流 |
| 4 | キャビテーション ＝ 飽和蒸気圧を下回る |
| 5 | 熱応力 σ ＝ EαΔT（拘束は危険） |
学識対策としては1回読むだけでよく、演習は不要です。もし学識に出ても基礎式レベルで、機械の深い内容は甲種機械の範囲です。その時間を型9（燃焼・爆発）に回すほうが、期待値ははるかに高いです。→ 型9｜燃焼・爆発の計算
次は学識の記述問題（問6）です。→ 学識 問6の記述問題
出典：高圧ガス保安協会『甲種化学・機械 試験問題集 令和7年度版』。令和2〜6年度の国家試験5回・技術検定5回、計60大問を筆者が型に分けて集計しました。問題文は転載せず、要約して解説しています。
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