化学プラント大全 
はじめに：ポンプからの「悲鳴」を聞いたことがありますか？
夏の暑い日、プラントの片隅でポンプから「バリバリ！」「ジャラジャラ！」という音が聞こえてきたことはありませんか？
まるで砂利でも噛み込んだような凄まじい音ですが、実は中には液体しか入っていません。
これはポンプの悲鳴、すなわち「キャビテーション（空洞現象）」です。
内部で発生した気泡が弾ける衝撃で、金属製のインペラー（羽根車）をもボロボロに破壊してしまうこの現象。防ぐための唯一の鍵が、今回解説する「NPSH（正味吸込ヘッド）」という指標です。
「計算が難しそう…」と身構える必要はありません。この記事では、難解なNPSHを「お財布事情」に例えてわかりやすく解説し、明日から使える計算手順を完全網羅します。
1. 敵を知る：キャビテーションはなぜ「凶器」なのか？
泡の正体は「常温の沸騰」
ポンプの吸込口は、ストローでジュースを吸うときと同じように、ポンプ内部で「最も圧力が低くなる場所」です。
もし、この部分の圧力が、液体の「蒸気圧（沸騰する圧力）」を下回るとどうなるでしょうか？
たとえ温度が30℃であっても、液体は一瞬で沸騰し、激しく気泡（蒸気）が発生します。これがキャビテーションの正体です。
崩壊する時の衝撃波
発生した気泡は、インペラーの回転に伴って圧力の高い場所へ移動します。すると、今度は周囲の圧力に押し潰されて、一瞬で消滅（崩壊）します。
問題は、この「泡が消える瞬間」です。
気泡が一点に向かって急激に縮むとき、マイクロジェットと呼ばれる超局所的な衝撃波が発生します。その威力は金属を少しずつ削り取るほど強力です。これが長時間続くと、インペラーはスポンジのように穴だらけになり（壊食）、やがて破損します。
2. 概念の翻訳：NPSHは「お財布の残高」である
キャビテーションを防ぐための指標であるNPSH（Net Positive Suction Head）。
教科書には $NPSH_A$ や $NPSH_R$ といった記号が出てきますが、これは「買い物」に例えると一発で理解できます。
① 必要NPSH ($NPSH_R$) ＝ 商品の「定価」
- 誰が決める？：ポンプメーカー
- 意味：「このポンプを正常に動かしたければ、吸込口に最低でもこれだけの圧力の余裕（エネルギー）を持ってきてください」という要求値です。カタログに記載されています。
② 有効NPSH ($NPSH_A$) ＝ あなたの「所持金」
- 誰が決める？：ユーザー（設計者・現場）
- 意味：タンクの高さや配管の太さによって、実際にポンプの吸込口まで届けられる「圧力の余裕（残高）」です。計算で求めます。
鉄則：所持金は足りているか？
ポンプを安全に動かす条件はただ一つです。
【キャビテーション防止の鉄則】
所持金 ($NPSH_A$) ＞ 定価 ($NPSH_R$) ＋ お小遣い（マージン）
現場の設備が作り出す「有効NPSH」が、ポンプが要求する「必要NPSH」を上回っていなければなりません。
ギリギリの所持金では不安なので、通常は0.5m〜1.0m程度のマージン（余裕）を持たせるのが設計のセオリーです。
3. 実践！有効NPSH ($NPSH_A$) の計算手順
では、現場の「所持金（有効NPSH）」を計算してみましょう。
公式は一見複雑に見えますが、要素はたった4つです。
$$
NPSH_A = \frac{10^6(P_s – P_v)}{\rho g} + h_s – h_l
$$
- $P_s$：吸込液面上の圧力 [MPa abs] （空からの援軍）
- $P_v$：液体の蒸気圧 [MPa abs] （温度による税金）
- $\rho$：液体の密度 [kg/m³]
- $g$：重力加速度 [9.81 m/s²]
- $h_s$：実揚程 [m] （高さのボーナス）
- $h_l$：吸込配管の損失ヘッド [m] （配管の摩擦借金）
⚠️【超重要】圧力の単位に注意！
NPSHの計算では、すべて「絶対圧 (abs)」を使います。
大気開放タンクの場合、ゲージ圧は0MPaGですが、計算式には0.1013 MPa abs（標準大気圧）を代入します。ここを0にしてしまうと計算が破綻するので注意してください。
計算ケーススタディ
「夏場、少し配管が細めのライン」を想定して計算してみましょう。
- 条件：水（30℃）、流量10m³/hr、大気開放タンク
- 配置：液面高さはポンプ吸込中心より10m上 ($h_s = +10m$)
- 配管：50A (内径54.1mm)、長さ10m
手順1：吸込液面上の圧力 $P_s$
大気開放なので、大気圧がそのまま「押し込み圧」として使えます。
$$P_s = 0.1013 \text{ MPa abs}$$
手順2：蒸気圧 $P_v$ （Antoine式）
温度が上がると蒸気圧は高くなり、有効NPSHを食いつぶします。
30℃の水の蒸気圧を確認します（蒸気表やAntoine式より）。
$$P_v \approx 0.0042 \text{ MPa abs}$$
現場のポイント：
これがもし100℃だったら？ $P_v$ は大気圧と同じ $0.1013 \text{ MPa}$ になり、$P_s – P_v$ がゼロになります。つまり、大気圧による押し込み効果が完全に相殺されてしまうのです。これが「熱い液は吸いにくい」理由です。
手順3：吸込配管の圧力損失 $h_l$
配管内を流れる「摩擦」によるロスです。流速を計算し、摩擦係数から求めます。
（詳細な計算過程は割愛しますが、流量10m³/hr・50A配管の場合）
$$h_l \approx 0.026 \text{ m}$$
※配管が太く短いため、損失はごくわずかです。
【詳細記事】現場で使える圧力損失計算｜ダルシーの式からエルボの等価長さまで【シミュレーター付】
手順4：合算して判定
$$
NPSH_A = \frac{10^6(0.1013 – 0.0042)}{1000 \times 9.81} + 10 – 0.026
$$
- 圧力項（大気圧 – 蒸気圧）のヘッド換算：約 9.9 m
- 実揚程：+ 10 m
- 損失：- 0.026 m
合計： $NPSH_A \approx 19.9 \text{ m}$
一般的なポンプの必要NPSH ($NPSH_R$) は2〜5m程度なので、今回は「所持金たっぷり」で余裕クリアです。
NPSHa (有効NPSH) 計算シミュレーター
現場の条件を入力して、キャビテーションのリスクを判定します
判定: 計算中…
4. 現場トラブルシューティング：もし音が鳴り止まなかったら？
計算上はOKでも、現場ではトラブルが起きます。
もし「バリバリ」という音が聞こえたら、計算式のどの要素が悪化しているかを確認しましょう。
① 液温が上がっていないか？ ($P_v$ の悪化)
夏場、直射日光で配管が温められていませんか？
- 対策：配管に散水する、クーラーの冷却水量を増やす。
② ストレーナが詰まっていないか？ ($h_l$ の悪化)
工事後のゴミや、スラリーがストレーナに詰まると、配管抵抗 ($h_l$) が急激に増大します。
- 対策：ポンプ吸込側の圧力計（連成計）を見てください。針が負圧側（真空側）に大きく振れていたら、ストレーナ詰まりのサインです。
③ 液面が下がっていないか？ ($h_s$ の悪化)
タンクの液面計 (LI) が低レベルになっていませんか？
- 対策：一時的に流量を絞るか、液面が回復するまで待つ。
まとめ：NPSH計算は「ポンプへの思いやり」
NPSHの計算は、単なる数字合わせではありません。
「熱いお風呂に入るとのぼせる」のと同じで、ポンプにとっても「熱い液」「吸いにくい配管」は苦痛なのです。
- $NPSH_A$（所持金） を正確に計算して把握する。
- $NPSH_R$（定価） に対して十分な余裕を持たせてあげる。
これが設計者の役割であり、現場で異音に気づいたときに「液温が高い？」「ストレーナが詰まった？」と推測できるのが運転員のスキルです。
この計算ロジックを頭に入れて、ポンプの「声」に耳を傾けてみてください。
初学者におすすめの流体力学の参考書７選！
