ウォーターハンマーの原因と対策｜計算式と設計実務ガイド

2025年12月24日 最終更新日時 : 2025年12月24日 エバープレイ編集部

はじめに — ウォーターハンマーとは何か

ウォーターハンマー（water hammer）は、配管内の流体が急激に速度変化（急停止・急始動）することで発生する圧力の過渡現象を指します。俗に「ゴンッ」「ガチャン」という衝撃音や配管の振動、弁や配管の破損・継手の緩みを引き起こすため、上下水道、給排水、産業プラント、冷温水循環などさまざまな分野で重要な設計・保守課題です。本コラムでは、物理的メカニズム、代表的な計算式、実務的な対策と設計指針、現場での検出・対処法を詳しく解説します。

物理的なメカニズムと基本理論

ウォーターハンマーは、圧縮性流体に対する圧力波の伝播現象として理解できます。弁の急閉やポンプの停止により流速が短時間で変化すると、流体の慣性で圧力波が発生し、配管内を音速に近い速度で伝播します。圧力波は境界（閉端、開放端、弁、管路分岐）で反射・透過し、干渉して短時間に大きな過渡圧を生じることがあります。

代表的な計算式：ジュコフスキーの式（Joukowsky）

最も広く使われる一次近似はジュコフスキーの式です。弁を瞬時に閉じた場合の圧力増加ΔPは次の式で与えられます。

  • ΔP = ρ · a · ΔV

ここでρは流体密度、aは圧力波の伝播速度（波速度）、ΔVは流速の変化量（弁閉時は初期流速）です。この式は流速変化が急で、配管系が単純な場合の最大理論圧力を与えます。

波速度 a の算定（管壁の弾性を含む式）

流体のみの音速ではなく、配管の弾性や流体の圧縮性を含めた波速度を用いる必要があります。一般的な式は次の通りです。

  • a = sqrt( K / (ρ (1 + (K·D)/(E·e) )) )

ここでKは流体の体積弾性係数（水の場合おおよそ2.0〜2.2×10^9 Pa）、Dは管内径、eは管厚、Eは管材料のヤング率（鋼で約2.0×10^11 Pa）です。管が柔らかいほど（eが小さい、材料Eが小さい）波速度は低下し、結果的に同じ速度変化でも圧力上昇が小さくなります。

数値例

例：水ρ=1000 kg/m3、K=2.2×10^9 Pa、鋼管D=0.5 m、e=0.01 m、E=2.0×10^11 Paとすると

  • K·D/(E·e) = (2.2e9×0.5)/(2.0e11×0.01) ≈ 0.55
  • a ≈ sqrt(2.2e9 / (1000×(1+0.55))) ≈ 1.19×10^3 m/s

もし流速が1 m/sで急停止した場合、ΔP = 1000×1190×1 ≈ 1.19×10^6 Pa ≒ 11.9 bar。これは配管の通常圧力を大きく超える可能性があり、設計上無視できません。

反射・透過と境界条件の役割

圧力波は境界で反射されます。閉端（弁が閉まっている箇所など）では速度がゼロとなるため反射圧力は同符号で戻り、圧力が強められることがあります。一方、自由開放端（大きな貯水槽など）に近い場合、反射で符号が逆転し負圧となることがあり、これがコラム分離（column separation）やキャビテーションの原因になります。負圧が発生すると液柱が分断され、後で再接触する際に大きなインパクトを生じて損傷を引き起こすことがあります。

損傷・現象の具体例

  • 配管破裂、フランジ・継手の破損
  • 弁やポンプへの衝撃（軸受破損、シール破損）
  • 支持構造や配管吊り金具の損傷、共振による増幅
  • 騒音（衝撃音）や計測誤差
  • コラム分離による再衝突（高い局所圧力）やキャビテーションによる穴あき

検出とモニタリング

現場では以下の手段でウォーターハンマーを監視・検出します。

  • 圧力トランジェントの高周波成分を取れる高速圧力センサ（サンプリング数kHz域）
  • 加速度計や振動センサによる配管振動のモニタリング
  • 騒音計やコリジョン音の解析
  • SCADA/PLC上での異常波形監視（急激な流速・圧力変化の検出）

設計上・現場での対策（優先順位付き）

1) 運転・操作の見直し

  • 急閉弁や急停止操作を避ける。弁は段開閉や電気/空気式のスロースタート/スロークローズ機構を採用する。

2) サージタンク・空気室の設置

  • 高い位置のサージタンクや空気室は過圧・負圧を吸収し、波の振幅を低減する。

3) サージアレスタ（空気式、バネ式、ダンパー式）の導入

  • 瞬時の圧力上昇を容器内で吸収することで配管への衝撃を軽減する。

4) 圧力逃がし・安全弁の配置

  • 設定圧を超える場合に安全に逃がすが、頻繁な動作は避けるべき。

5) 配管構成の改良

  • 短い閉塞区間を避け、リリーフポイントやバイパスラインを計画する。配管支持を強化して固有振動数を変える。

6) ポンプ制御の工夫

  • 周波数変換器（VFD）でポンプの停止・起動曲線を制御し、急停止を回避。

7) チェックバルブの選定

  • 逆流防止だけでなく、スラミング（逆流衝撃）を防ぐためのダンパ付きチェックバルブを選ぶ。

設計上の判断基準（実務的ルール）

・ジュコフスキーの式で算出したΔPが設計圧力に近い／超える場合、対策が必要。 ・弁閉止時間が配管系の反射時間（配管全長の往復時間 ≒ 2L/a）に比べて十分に長ければ過渡は緩和されるため、弁の閉止時間を制御するのが有効。 例：弁閉止時間を反射往復時間の数倍にする運転指針を設ける。

ソフトウェアと数値解析

詳細設計では1次元過渡解析ソフトウェアを用いるのが一般的です。代表的なツールにBentley HAMMER、AFT Impulse、SUADEなどがあり、配管系の精細なモデル化（弁特性、ポンプのトランジェント特性、空気の混在、コラム分離の扱い）により実効的な対策検討が可能です。解析により時間歴（圧力、流速）を確認し、最大値だけでなく負圧発生箇所や反射パターンを把握します。

現場での応急対応

  • 異常音や振動を確認したら、段階的に操作を変更して急激な弁操作やポンプ停止を避ける。
  • 安全弁や逃がし弁の動作を確認し、破損が疑われる場合は速やかに遮断して調査。
  • 継手、フランジの漏れや緩みを点検・増し締め。

事例と教訓（要約）

多数の実例で、設計段階での過渡解析不足や運転手順の不備が原因で深刻な損傷が発生しています。代表的な教訓は「設計圧に余裕を持たせる」「運転・制御ルールを明確にする」「保守で圧力センサ・振動センサの監視を行う」の3点です。特に地下配管や隠蔽配管では初期設計段階で予測・対策を講じることがコスト面でも有利です。

まとめ

ウォーターハンマーは理論的には単純な式で最大値を推定できますが、実際の配管系では管壁弾性、境界条件、空気の混在、コラム分離など多くの要因が関与します。実務ではジュコフスキーの式による概算評価に加え、過渡解析ソフトを用いた詳細設計、弁操作やポンプ制御の運転ルール、そしてサージタンクやサージアレスタ等の受け皿設置を組み合わせて対策を講じることが重要です。

参考文献

Wikipedia: ウォーターハンマー

Joukowsky equation (English Wikipedia)

Bentley HAMMER — Surge and Waterhammer Analysis

Technical discussions on wave speed and surge (eng-tips)

ScienceDirect: Water hammer — overview and references

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