伸縮管（伸縮継手）の完全ガイド：種類・計算・設計・施工・維持管理まで徹底解説

はじめに：伸縮管とは何か

伸縮管（伸縮継手、エキスパンションジョイント）は、配管・ダクト・橋梁など構造物が熱変化や地盤変動、地震、荷重変動などで生じる相対変位（伸び縮み、ずれ、回転）を吸収・補償するための機器です。伸縮管を適切に配置することにより、配管応力の低減、漏洩防止、機器寿命の延長、施工性の向上が図れます。用途は上下水道・プラント・空調ダクト・橋梁・トンネルなど多岐にわたります。

伸縮管の主な種類

• 金属製ベローズ形（ベローズ型伸縮継手）

  薄板金属を波状に成形したベローズ（蛇腹）を用いるタイプ。高温・高圧環境での使用に適し、軸方向、横方向、角度変位の吸収能力が高い。ステンレス鋼が一般的な材料。

• ゴム製伸縮継手（ゴム軟質ジョイント）

  耐震性・耐摩耗性に優れ、配管の振動吸収や騒音低減に効果的。耐薬品性や温度耐性を考慮し、EPDM、NBR、CSM等の材質選定が必要。

• テレスコピック型（伸縮管そのものがスライドするタイプ）

  単純なスリーブ構造で長手方向の伸縮を直接吸収。低コストだが気密性・水密性が必要な場合や偏心・角度変位には不向き。

• ボールジョイント・ユニバーサルジョイント型

  大きな角度変位や偏心を許容するために用いられる。取付け自由度が高く、橋梁端部や可動部に適用。

• 橋梁用伸縮装置（モジュラージョイント、ストリップシール等）

  車道・歩道の繋ぎ目に用いる大型の伸縮装置。水密性、耐久性、走行性が重要。

設計上の基本原理と計算式

伸縮量の把握は設計の第一歩です。主に熱膨張、地盤沈下、地震変位、施工誤差が原因となります。基礎的な熱膨張量は次の式で表されます。

ΔL = α × L × ΔT

ここでΔLは長さ変化、αは材料の線膨張係数、Lは温度変化前の長さ、ΔTは温度差です。例えば鋼材のαはおおむね11～13×10^-6 /°C程度です（使用温度域により差あり）。

圧力による推力と拘束条件

内部圧力が作用する配管では、伸縮継手に働く圧力推力（ブレスト力）を考慮しなければなりません。圧力推力は概ね以下の式で与えられます。

F = p × A

ここでFは推力、pは内部圧力、Aは断面積（内径に基づく面積）です。伸縮継手が軸方向移動のみを吸収する場合、アンカー（固定）やガイドで配管系全体の反力を受けるように設計する必要があります。ベローズ型では、これにばね定数（スプリングレート）と組み合わせて取り扱われます。

伸縮継手の選定基準

• 吸収すべき変位量（軸方向、横方向、角度）
• 使用圧力・温度・媒体（腐食性、研磨性、異物含有など）
• 配管径・肉厚・支持条件（アンカー、ガイド）
• 耐久性（繰返し荷重、振動、疲労）
• 漏洩許容度、メンテナンス性
• 耐火性、衛生度（飲料用配管など）

配管系統における配置と拘束

伸縮継手を効果的に働かせるには、アンカーとガイドの配置が鍵です。アンカーは圧力推力を受けるための要所に設け、ガイドは配管の望まない方向への変位を制御します。一般にアンカーは配管の端部、機器接続部、分岐点などに設けられます。伸縮継手の両端にアンカーを置いてしまうと伸縮の余地がなくなるため、どこを固定するかは全体の挙動解析が必要です。

施工上の注意点

• 据付時の角度・オフセットの調整：取り付け時に無理なねじれや偏心を与えない。
• プレストレッチ・プレコンプレッション：ベローズ等は仕様により若干の初期変位を与える場合があるため、取扱説明書に従う。
• フランジボルトのトルク管理：均等に締め付け、ガスケットの潰れを均一にする。
• 支持材の強度確認：アンカーや支持台のボルト・アンカーの強度を確認。
• 腐食対策：屋外や塩害環境では防食措置や耐食材質を選択。

耐震・地震対策

地震時には大きな相対変位が発生します。伸縮継手の許容変位と配管の動態解析に基づき、エネルギーを安全に吸収できる構成にする必要があります。特殊なゴム製や金属ベローズ製の伸縮継手は大変位吸収型や減衰要素を持つものがあり、可動部にダンパーを併用する設計も行われます。

保守・点検と寿命管理

伸縮継手は使用条件により疲労や摩耗、腐食で劣化します。定期点検項目の例：

• 外観点検（亀裂、膨れ、腐食、シール部の劣化）
• 漏れの有無（目視・圧力試験）
• 取り付け部のボルト緩みや支持構造の変形
• 変位吸収能力の確認（必要に応じて作動試験）

メーカーが提示する耐用回数（例えばベローズの曲げ・伸縮疲労回数）や設計寿命に従い交換計画を立てます。ゴム系は紫外線・オゾン・油類で劣化しやすいため、環境条件に応じた素材選定と保護が重要です。

メリットとデメリット

• メリット
  • 配管応力の低減と機器保護
  • 振動・騒音の低減（特にゴム系）
  • 取付け誤差や熱変位の吸収による施工性向上
• デメリット
  • 初期コストとメンテナンスコスト
  • 使用条件による疲労・劣化リスク
  • 高圧・高温では選定が難しく、適切な設計が必要

具体的な設計フロー（実務の流れ）

1. 配管系統図の確認と許容変位の整理（熱伸縮、地震、施工誤差）
2. 対象箇所の流体条件（圧力・温度・媒体）の特定
3. 伸縮継手の候補選定（材質、形状、サイズ）
4. 支持条件の検討（アンカー、ガイドの配置）と荷重解析（圧力推力、風荷重、地震荷重）
5. 配管応力解析（必要に応じてFEA）で安全性の確認
6. 施工要領書の作成と据付監督
7. 点検・寿命管理計画の作成

実務でよくある留意点・失敗事例

• 過大な期待で小さな伸縮継手を選定してしまい、早期疲労・破損を招く。
• アンカー不足で配管全体が移動し、接続機器に過大な応力がかかる。
• 媒体の影響（薬品や高温蒸気）を適切に考慮せず、材料が想定より早く劣化する。
• 施工時に予圧や初期配置を誤り、実稼働で不具合が出る。

まとめ：設計者・施工者に求められるポイント

伸縮管は単なる“継ぎ手”ではなく、システム全体の安全性と耐久性を左右する重要部材です。設計段階で正確な変位量の把握、圧力・温度・媒体に応じた材質選定、アンカー・ガイド配置の適切な設計、施工管理、定期点検計画を整えることが不可欠です。また、特殊環境ではメーカーと協議し、標準カタログ外の設計や試験を行うことも検討してください。

参考文献

• Wikipedia: 伸縮継手（日本語）
• EJMA（Expansion Joint Manufacturers Association）公式サイト
• ASME：B31.3 Process Piping（設計指針の概要）
• Wikipedia: Expansion joint（英語）
• Engineering Toolbox: Linear thermal expansion（線膨張の計算）

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