化学プラント大全 
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ポンプから異音がする、吐出し圧力が揺れる、流量が出ない。このような異常が起きると「NPSH不足ではないか」と考えます。ただし、NPSHa、NPSHr、NPSH3を同じ意味で扱うと、判断を誤ります。
設備側が計算するのはNPSHa、ポンプメーカーが示すのはNPSHrです。NPSH3は、NPSHrを決めるときの代表的な試験判定基準の一つです。 NPSH3に達する前からキャビテーション気泡は発生し得るため、「NPSHa＝NPSH3なら安全」とは判断しません。
この記事では、用語の違い、NPSHaの計算手順、メーカー曲線との照らし合わせ方、余裕の決め方を順に説明します。
この記事の結論
- NPSHaは設備が利用できる吸込余裕、NPSHrはポンプが指定性能を満たすために必要とする吸込余裕
- NPSH3は、一定流量・一定回転速度で吸込条件を悪化させ、初段揚程が3％低下したときのNPSHr。キャビテーション初生点ではない
- NPSHaは、液面圧力・飽和蒸気圧・液面と基準面の高低差・吸込配管損失から、すべて同じ最悪運転条件で計算する
- NPSHa−NPSHrの必要余裕に万能な一律値はない。ポンプ形式、液、運転範囲、変動、適用規格、メーカー推奨、社内基準を合わせて決める
- 異音や振動が出たら、吸込弁を絞らず、手順に従って流量、最低液位、最高液温、槽圧、ストレーナ差圧、吸込圧を確認する
1. NPSHa・NPSHr・NPSH3は別の量
NPSHは、ポンプ入口（基準面）で液の全ヘッドが飽和蒸気圧ヘッドをどれだけ上回るかを表します。単位は通常mです。圧力を扱う項にはゲージ圧ではなく絶対圧を使います。
| 用語 | 意味 | 誰が求めるか | 実務で見る場所 |
| NPSHa（available） | 設備の吸込条件から利用できるNPSH | 設備・配管側 | 計算書、運転条件表 |
| NPSHr（required） | 指定流量・回転速度・液などの条件で、ポンプが指定性能を満たすために必要なNPSH | ポンプメーカー | 性能曲線、データシート |
| NPSH3 | 初段揚程が3％低下した点で定めたNPSHr | 試験結果からメーカーが表示 | NPSH3と明記された性能曲線 |
文献やカタログでは、NPSHrとNPSH3を同じ量の別名として使うことが多く、ISO 9906ではNPSH3と表記します。この記事では、ポンプが必要とする量の総称をNPSHr、3％揚程低下で決めた試験値をNPSH3と呼び分けます。カタログの必要NPSH曲線がNPSH3を採用している場合は、その曲線の各値が「3％揚程低下基準のNPSHr」という意味です。
NPSH3の試験では、流量と回転速度を一定に保って吸込圧力を少しずつ下げ、初段の全揚程が3％低下したときのNPSHaをNPSH3とします。気泡の初生、騒音、壊食、揚程低下は同じ点から始まらないので、NPSHa＝NPSH3は「キャビテーションが始まる境界」ではありません。多段ポンプでは初段の揚程で判定するので、試験成績や性能曲線の定義も確認します。
2. NPSHaの計算式｜高さの符号と基準面を先に決める
液面からポンプ吸込側までのエネルギー収支で表すと、NPSHaは次のように計算できます。
NPSHa ＝ (Ps − Pv) / (ρg) ＋ z − hL
- Ps：液面に作用する絶対圧力［Pa］
- Pv：計算温度における液の飽和蒸気圧［Pa abs］
- ρ：計算温度における液密度［kg/m³］
- g：重力加速度［m/s²］
- z：液面からポンプ指定基準面までの高低差［m］。液面が基準面より上ならプラス、下ならマイナス
- hL：吸込配管、弁、継手、ストレーナなどの損失水頭［m］
もう一つ見落としやすいのが基準面です。横軸ポンプでは軸中心付近を使うことが多い一方、立形・多段ポンプではメーカーが指定する基準面が異なる場合があります。NPSHaを計算した基準面と、NPSHr曲線の基準面を一致させてください。
3. 開放槽・加圧槽・飽和液で圧力項を読み分ける
大気開放槽
液面圧力Psには、その場所の大気絶対圧を使います。標高が高い場所では大気圧が低くなるため、海面付近の値をそのまま使わないようにします。
不活性ガスなどで加圧した密閉槽
液面に作用する全絶対圧をPsに使います。ゲージ圧しかない場合は、現地大気圧を加えて絶対圧へ直します。適切な加圧はNPSHaを増やしますが、通常時ではなく最低槽圧で評価します。
自液蒸気だけで満たされた飽和槽
気相が液の蒸気だけで、同じ温度で気液平衡にあるなら、液面圧力はおおむね飽和蒸気圧となり、(Ps−Pv)/(ρg)はほぼ相殺されます。このときNPSHaは主に押込み高さzから吸込損失hLを引いた値になります。
ただし、不活性ガスなどの非凝縮性ガスを加えれば、全圧は蒸気分圧より高くなります。「密閉槽はすべて圧力項が相殺する」「加圧してもNPSHaは変わらない」は誤りです。
4. 計算例｜20℃の水を3m吸い上げる
大気開放槽から20℃の水を吸い上げる例です。ポンプ指定基準面は最低液面より3m上、設計流量での吸込損失は1.0mとします。
- Ps＝101,325Pa abs
- Pv＝2,337Pa abs
- ρ＝1,000kg/m³
- z＝−3.0m
- hL＝1.0m
NPSHa ＝ (101,325−2,337)/(1,000×9.81)−3.0−1.0 ＝ 6.09m
同じ流量・回転速度でメーカー曲線のNPSHrが2.5mなら、数値上の差は次のとおりです。
- 水頭差：NPSHa−NPSHr＝6.09−2.5＝3.59m
- 比：NPSHa/NPSHr＝6.09/2.5＝2.44
ここで「3.59mあるから合格」と自動判定はしません。プロジェクトが要求する余裕、メーカー推奨、評価する運転範囲を確認して、初めて合否を決めます。
5. 計算ツール｜同じ運転条件の値を入力する
下のツールは、1つの運転点におけるNPSHaとNPSHrの差を確認するものです。初期値には上の計算例を入れています。
NPSHa 計算・余裕確認ツール
同じ運転点の値を入力します。液物性とNPSHrは推定せず、設計データとメーカー性能曲線の値を使います。
NPSHa ＝ (Ps−Pv)/(ρg) ＋ z − hL
このツールは理解と計算確認の補助です。余裕値を自動設定せず、実機のメーカー曲線、適用規格、購入仕様書、社内基準を優先してください。NPSHrがNPSH3の場合、NPSHa=NPSHrは初段揚程3％低下の判定点であり、キャビテーション初生点ではありません。
入力値はすべて同じ運転条件にそろえてください。 最低液位・最低槽圧・最高液温・最大吸込損失のうち、実際に同時に起こり得る組合せを、対象の流量・回転速度とともに1ケースとして入力します。通常値を1つでも混ぜると、NPSHaを大きく見積もります。
6. 2本の曲線は交点だけで判断しない
槽圧・液位・液物性が一定で、吸込配管の摩擦が支配的な単純系では、流量が増えるほどhLが増え、NPSHaは低下します。一方、NPSHrはポンプ形式と運転点によって変わり、一般に大流量側で増えますが、低流量側でもポンプ内部の再循環や温度上昇の影響で必要値が増える場合があります。
したがって、NPSHrを一律の右上がり曲線として作図してはいけません。実機のメーカー性能曲線を、その回転速度・羽根車径・液条件で確認します。
NPSHa曲線とNPSHr曲線の交点は、選んだNPSHr基準とNPSHaが等しくなる流量を示すだけです。NPSHrがNPSH3なら、交点は3％揚程低下基準との一致点です。交点を「安全に運転できる最大流量」や「キャビテーション初生点」と呼ばないでください。
7. NPSH余裕は一律値ではなく、用途ごとに決める
NPSH余裕の表し方には、主に次の2つがあります。
- 水頭差：NPSHa−NPSHr［m］
- 比率：NPSHa/NPSHr［−］
顧客の仕様では「NPSHa−NPSH3≧0.6 m」または「NPSHa≧1.3×NPSH3」と指定する例が多くあります。古い化学プラントの資料には、0.33 m以上とするものもあります。どれも、すべてのポンプと液に共通する安全基準ではありません。実務では、ポンプ形式と回転速度、液の種類、運転範囲（POR・AOR）、液位や液温の変動、計算精度と経年変化、適用規格とメーカー推奨を合わせて必要余裕を決め、後の「設計・購入仕様で残す項目」の表の形で残します。
NPSHaがNPSH3をわずかに上回るだけでは、静かな運転、壊食防止、長寿命を保証できません。 必要な信頼性を発注時にメーカーと合意し、評価条件と余裕を仕様書へ残します。
8. 現場でNPSH不足を疑ったときの確認順
異音や流量低下が出ても、キャビテーションだけに決めつけません。空気の巻込みや異物、軸受・芯出し異常でも似た症状が出ます。症状での見分け方は「ポンプのキャビテーションとは」の切り分け表にまとめています。
運転手順と設備の許容範囲を確認したうえで、次を同じ時刻のデータとして並べます。
- 運転流量と回転速度：メーカー曲線のどこで運転しているか
- 吸込槽の最低液位と槽圧：設計条件を下回っていないか
- 液温：上昇して飽和蒸気圧が増えていないか
- 吸込圧力とストレーナ差圧：閉塞や弁の半開で損失が増えていないか
- 吸込弁の状態：本来全開の弁が絞られていないか
- 気泡・渦・空気だまり：吸込タンクと配管からガスが入っていないか
応急的に流量を下げる場合は、設備の手順に従って吐出し側の調節または回転速度制御を使います。遠心ポンプの吸込弁を絞って流量調節すると、吸込損失が増えてNPSHaをさらに削るため禁止です。異常が継続・増大する場合は、設備の停止基準に従います。
吸込配管の渦、空気だまり、偏心レジューサ、ストレーナについては「ポンプまわりの配管レイアウト」で詳しく解説します。
9. 設計・購入仕様で残す項目
NPSHの数字だけを仕様書へ書くと、評価条件が分からなくなります。少なくとも次をセットで残します。
| 区分 | 仕様書・計算書へ残す内容 |
| NPSHa | 流量、回転速度、最低液位、最低槽圧、最高液温、飽和蒸気圧、密度、吸込損失、基準面 |
| NPSHr | メーカー曲線、流量、回転速度、羽根車径、試験・判定基準（NPSH3など）、基準面 |
| 余裕 | 差または比、決めた根拠（ポンプ形式・液条件・評価するPOR・AOR・変動・計算精度と経年変化）、適用規格、メーカー推奨 |
往復動ポンプなど、吸込配管内の液柱を周期的に加速する機種では、定常摩擦損失だけでなく加速水頭も検討します。遠心ポンプ用の単純なNPSHa計算を、すべての容積式ポンプへそのまま流用しないでください。
まとめ
- NPSHaは設備側、NPSHrはポンプ側。同じ流量・回転速度・液条件・基準面で比較する
- 交点は安全限界ではない。実機の曲線、運転範囲、合意した余裕で運転できる流量を判断する
- 現場では流量・回転速度、液位、槽圧、液温、吸込圧、ストレーナ差圧、空気混入を同じ時刻のデータで並べる
参考文献
- 外山幸雄『絵とき「ポンプ」基礎のきそ―選定・運転・保守点検』日刊工業新聞社, 1-7「吸込揚程」 Amazonで見る
- 外山幸雄『ポンプの選定とトラブル対策』日刊工業新聞社, 第2章「知っておきたいポンプの技術」2-7「NPSHAとNPSH3」 Amazonで見る
- 化学工学協会編『化学プラント用ポンプ・圧縮機』丸善, 2・2・2「有効NPSHと必要NPSHの関係」
- 西野悠司『「配管設計」実用ノート』日刊工業新聞社, 3.5「ポンプNPSHと配管」 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」
- Hydraulic Institute「Pump FAQs」（NPSHa、NPSHr、NPSH3の定義と3％揚程低下基準）
- Hydraulic Institute「Reliability Basics: Understanding NPSH, POR, and AOR」（NPSH余裕と運転範囲）
設備技術は、回転機械・静機器・配管・計装・設備信頼性の12の記事マップで案内しています。
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