高圧ガス製造保安責任者 乙種機械 保安管理技術 練習問題 第30問: 配管の温度変化による伸縮と熱応力について、正しいものはどれか。

正しいのは「両端を固定した直管の熱応力は、固定点の間の長さによらず…」です。拘束の無い配管は温度差に比例して伸びますが、まっすぐな管 (直管) の両端を固定すると伸びが妨げられ、熱応力 σ = EαΔT が生じます (E は縦弾性係数 = 材料の伸びにくさ、α は線膨張係数 = 1 K あたりに伸びる割合、ΔT は温度差)。

伸びそのものは長さに比例しますが、ひずみ (伸び÷長さ) で考えると長さが消えるので、応力は固定点の間の長さによりません。温度差が大きいと、この応力は降伏点を超えることもあります。

「炭素鋼より線膨張係数が小さい」は誤りで、type 304 などのオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は炭素鋼より大きく、同じ条件なら伸びも大きくなります (米国エネルギー省の材料の手引きの表では、系統を分けない「ステンレス鋼」の値が炭素鋼の約 1.7 倍)。「全体を一様に加熱すれば…熱応力は生じない」も誤りで、膨張の割合が違う材料をつないだ部材は、一様に加熱しても伸びの差で熱応力が生じます。

「できるだけ速く昇温し」も誤りで、急な加熱や冷却は厚肉の壁の内外に大きな温度差を作るので、昇温・降温の速さに上限を設けてゆっくり温度を変えます。「先に冷えた内面側には圧縮の応力」も誤りで、先に冷えて縮もうとする内面側が引張、まだ伸びている外面側が圧縮になり、冷えた側に割れが生じることがあります。

両端を固定した直管の熱応力は EαΔT で決まり、固定点の間の長さにはよりません。