化学プラント大全 
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ポンプから「ジャリジャリ」「バリバリ」という音がする。砂利を吸い込んだような音なのに、液は澄んでいる。圧力計の針が細かく振れ、流量が出ない——キャビテーションです。
厄介なのは、初期はほとんど害がないのに、放っておくと羽根車の金属が削れて穴が開くことです。この記事では、キャビテーションが何をきっかけに始まり、どの順番で悪くなるかを追います。「なぜ吸込側だけがこんなに気を遣われるのか」の答えでもあります。
この記事の結論
- キャビテーションは液の沸騰。羽根車の入口で圧力が飽和蒸気圧より下がると、その温度のまま気泡ができる
- 大気圧が押し上げられる高さは水柱で約10 m。吸込配管の損失があるので、実際に吸い上げられるのはそれよりずっと低い
- 進み方は3段階。①初期＝ほぼ無害 → ②発達＝流量・揚程・効率が落ちる → ③継続＝羽根車入口が壊食（えぐれる）
- 現場のサインは音・振動・圧力計の不安定・流量低下。音が出たら、揚程が落ちていなくても原因を調べる
- 壊れるのは羽根車の入口側。最も圧力が低い入口で気泡ができ、そのすぐ下流で潰れるから
1. なぜ吸い上げられるのか｜押し上げているのは大気圧
ポンプを液面より高い位置に据えても液を吸い上げられるのは、ポンプが引っ張っているからではなく、大気圧が液面を押し上げているからです。
大気圧が押し上げられる高さは、水なら液柱で約10 m。つまりどんなに優れたポンプでも、大気圧のもとでは水を10 m以上吸い上げることはできません。 これはポンプの性能ではなく物理の上限です。
実際にはもっと低くなります。吸込配管の摩擦損失と、液を加速するのに使われる速度ヘッドの分だけ、押し上げに使える圧力が減るからです。液温の飽和蒸気圧の分も使えません。10 mから吸上げ高さ・配管の損失・飽和蒸気圧を差し引いて何mが残るか——これがNPSHaの計算で、「NPSHaとNPSHrとは」で扱います。
2. 何が起きているか｜羽根車の入口で液が沸く
吸上げ高さや吸込配管の損失が大きすぎると、羽根車入口の圧力が局部的に大きく下がります。圧力がその液温での飽和蒸気圧より下がった瞬間、液は沸騰します。 温度を上げなくても、圧力を下げれば沸く——山の上で水が100℃より低い温度で沸くのと同じです。
沸騰の場所は決まっています。羽根車の入口です。ポンプの中で最も圧力が低くなるのがここで、液が羽根車に入る直前に速度が上がり、翼の入口で局部的な圧力低下が起きます。気泡はここでできて、圧力が回復するすぐ下流の羽根の表面で潰れます。だから壊食は羽根車の入口寄りに出ます。
できた気泡はそのままではありません。羽根車が液にエネルギーを与えて圧力が上がると、気泡は瞬時に押しつぶされて消えます。 この生成と崩壊が繰り返され、崩壊のたびに大きな衝撃圧が発生します。これが騒音・振動・壊食の正体です。
砂利のような音がするのに液は澄んでいる、という現象の説明はこれです。音を出しているのは固体ではなく、潰れている気泡です。
3. 3段階で悪くなる
キャビテーションは「起きた／起きていない」の2択ではありません。段階があります。
| 段階 | 中で起きていること | 外から分かること |
| ① 発生初期 | 気泡が少し発生している | 性能はほとんど落ちず、気づかないことが多い。音・振動が出始めることもある |
| ② 発達 | 気泡が羽根車の流路をふさぐ | 効率と全揚程が低下。ついには全揚程が急低下して揚水不能に。音・振動が強まり、圧力計が不安定になる |
| ③ 継続 | 崩壊の衝撃圧が金属を叩き続ける | 羽根車・ケーシング表面が壊食（キャビテーション損傷）。海綿状にえぐれる |
運転員が覚えておくべきことは、音・振動と揚程の低下は同時には始まらないということです。音と振動は気泡が潰れるときに出るもので、揚程の低下とは別の現象です。音が出たら、性能が落ちていなくても原因を調べます。逆に、音がしないことは安全の証明になりません。だから設計段階でNPSHの余裕を確保しておくことが本筋になります。
③まで進むと、羽根車を交換するまで戻りません。しかも壊食が進むにつれて吐出し量・揚程・効率がじわじわ下がり続けるので、「最近このポンプ、流量が出ないな」という緩慢な劣化として現れることもあります。
4. 現場のサイン｜音・振動・圧力計・流量の4つ
キャビテーションが疑われるとき、次の4つを順に確かめます。
- 音：ジャリジャリ、バリバリ。砂利を吸ったような音。聴診棒をケーシングに当てて聞くと分かりやすい
- 振動：気泡の崩壊が不規則なので、振動も不規則に出る
- 圧力計の不安定：吸込圧力計・吐出圧力計の針が細かく振れる。指示が安定しない
- 流量低下：②が進むと吐出し量が落ちる。ひどいときは急に揚水不能になる
ただし、この4つはキャビテーション以外でも出ます。 空気の吸込み（吸込配管からのエア噛み）でもほぼ同じ症状になります。ポンプ自身のサージング（山形の性能曲線の頂上付近で運転し、吐出し側に空気だまりや槽がある場合）でも振動が出ます。切り分けは次のように考えます。
| 症状 | キャビテーション | 空気の吸込み | 異物・詰まり |
| 吸込圧力 | 低い（設計より下） | 低い、または不安定 | ストレーナ差圧が大きい |
| 液温 | 高い／蒸気圧に近い | 関係ない | 関係ない |
| 流量 | 増やすほど悪化 | 液面が下がると悪化 | 徐々に低下 |
| 弁を絞ると | 音が止まる（NPSHaが回復） | 止まらないことがある | 変わらない |
吐出し弁を少し絞ると音が止まるなら、キャビテーションの可能性が高い。 流量が減ると吸込配管の損失が減って、NPSHaが回復するからです。大流量側で運転しているポンプなら、ポンプが必要とするNPSHrも下がります。ただし、最小流量より下まで絞らないでください。低流量側では、ポンプ内部の再循環や温度上昇で必要なNPSHが逆に増えます。これは応急処置で、原因（液面・液温・配管・運転点）を直さないと再発します。
運転中にキャビテーションを疑ったときは、iPhoneアプリポンプ 3D図鑑の有効NPSHの計算で「運転中の吸込み圧力計から」を選ぶと、吸込圧力計の読み・液温での蒸気圧・流量からいまのNPSHaを出し、必要NPSHとの余裕を2つの目安で判定できます（紹介ページ）。
5. 起きたときの応急処置と、根本の対策
現場でその場でできること（応急）：
- 吐出し弁を絞って流量を下げる。上に書いた理由でNPSHの収支が改善する（最小流量より下げない）
- 吸込タンクの液面を上げる。液面が高いほどNPSHaが増える
- 液温を下げる。飽和蒸気圧が下がるのでNPSHaが増える
- 吸込ストレーナの差圧を確認する。詰まっていれば清掃。吸込側の損失はそのままNPSHaを削る
設計・改造でやること（根本）：
- 吸込配管を短く・太く・曲がりを少なくする
- ポンプの据付位置を下げる（液面との高低差を稼ぐ）
- 両吸込みの羽根車にする。片吸込みより必要NPSHを下げられる
- 立形なら羽根車の位置を下げる（吸込キャンを深くする）
- インデューサ（誘導羽根）付きの羽根車にする
- 回転数を下げる
- 吸込液面の圧力を上げる（窒素などで加圧する。自液の蒸気だけの飽和槽では効かない。「飽和液・高温液・液化ガスのポンプ」参照）
- 液中に混入するガスを減らす
どれも「NPSHaを増やすか、NPSHrを減らすか」のどちらかです。この2つの量が何で決まるのかは、「NPSHaとNPSHrとは」で計算まで含めて扱います。
まとめ
- 現場のサインは音・振動・圧力計の不安定・流量低下。弁を絞って音が止まればキャビテーションの疑いが濃い
- 応急は流量を下げる・液面を上げる・液温を下げる。根本は吸込配管とポンプの据付、羽根車の選択
切り分けは目安です。実機では運転記録（流量・液位・液温・吸込圧）と合わせて判断してください。
この記事の内容を現場で使えるように、iPhoneアプリ「ポンプ 3D図鑑」を作りました。10形式の選定、揚程・NPSH・動力など12項目の計算、10形式の3D図鑑、トラブル早見・軸封の選び方などの資料を1本にまとめています。800円の買い切りで、広告・追加課金はありません。
計算と選定の結果は構想段階の概算で、保証計算ではありません。必要NPSHの概算や比速度からの羽根車の形は目安です。3Dは代表構造の教育用モデルで、特定の機種の寸法・形状とは一致しません。実機の選定・発注・安全判断は、メーカーの性能曲線と仕様書、適用規格で確認してください。
参考文献
- 高橋徹『流体のエネルギーと流体機械』理工学社, 2章「ポンプ」10. ポンプの吸込性能（大気圧と吸上げ高さ、キャビテーションの発生と発達、壊食） 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」(4) キャビテーション、(5) サージング、9章 エロージョン
- 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5章「トラブルを減らすためのアプローチ」5・1 吸込トラブル Amazonで見る
- 外山幸雄『絵とき「ポンプ」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 1-7「吸込揚程」 Amazonで見る
- 化学工学会編『実践・安全工学シリーズ3 安全マネジメントの基礎』（ポンプの異常現象体験、聴診棒による異音の確認） Amazonで見る
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