第15章 材料と強度
圧力容器に生じる応力の考え方（円筒胴の円周方向と軸方向の応力、鏡板、応力集中）、設計圧力と許容圧力、材料の選び方（低温脆性・腐食・溶接部）。
1. 応力と材料の強さ
凝縮器や受液器のような容器は、中の冷媒の圧力で内側から押されています。材料の中には、その力に抵抗する力が生まれます。これを単位面積あたりで表したものが応力です。
応力 ＝ 材料に加わる力 ÷ 力を受ける断面積
単位は N/mm²（ニュートン毎平方ミリメートル）で、1N/mm² ＝ 1MPa です。
材料を引っ張っていくと、次のように変わります（引張試験）。
・はじめは、力を除けば元に戻る（弾性）
・ある応力（降伏点）をこえると、力を除いても元に戻らない変形（塑性変形）が残る
・さらに引っ張ると、やがて破断する。破断までの最大の応力を引張強さという
容器を設計するときは、引張強さそのものではなく、それより十分に小さい許容引張応力を使い、材料に生じる応力がこの値を超えないようにします。
2. 円筒胴に生じる応力
内圧Pを受ける、内径D・板厚tの薄肉の円筒胴には、2つの向きの応力が生じます。
円周方向（接線方向）の応力 σt ＝ P × D ÷（2 × t）
軸方向（長手方向）の応力 σl ＝ P × D ÷（4 × t）
ここから次のことがわかります。
・円周方向の応力は、軸方向の応力の2倍
・応力は、内圧と内径に比例し、板厚に反比例する（板を厚くすると応力は小さくなる）
・円周方向の大きな応力は、胴を縦に割ろうとする力なので、長手方向（軸方向）の溶接継手にかかる。強度上とくに大切なのは長手継手
計算例：内圧1.5MPa、内径500mm、板厚10mmのとき
σt ＝ 1.5 × 500 ÷（2 × 10）＝ 37.5N/mm²
σl ＝ 1.5 × 500 ÷（4 × 10）＝ 18.75N/mm²
逆に、必要な板厚は σt が許容引張応力 σa を超えないように求めます（溶接継手の効率などを考えない簡単な形）。
t ≧ P × D ÷（2 × σa）
これに、腐食で薄くなる分の腐れしろを加えた厚さにします。
なお、球形の胴では、内圧による応力は P × D ÷（4 × t）で、同じ内径・板厚の円筒胴の円周方向の応力の半分ですみます。
3. 鏡板と応力集中
円筒胴の両端をふさぐ板を鏡板といいます。形によって強さが違います。
・半球形 … 同じ内径・板厚なら最も強い（応力が小さい）
・半だ円形（さら形より深いだ円の形）
・皿形 … 浅い皿のような形。すみの丸みの部分に応力が集中しやすく、同じ板厚なら最も弱い
応力集中とは、穴・切欠き・溝や、形が急に変わる部分で、応力が局部的に大きくなることです。容器にノズルなどの穴をあけるときは補強をし、形はなめらかに変化させます。
4. 設計圧力と許容圧力
冷凍則では、機器の製造に係る技術上の基準のなかで、設計圧力を次のように説明しています。
・設計圧力＝当該容器を使用することができる最高の圧力として設計された適切な圧力（冷凍則 第64条第1号イ）
・容器は、設計圧力又は設計温度において発生する最大の応力に対し安全な強度を有しなければならない（同号ロ）
・容器の板の厚さなどは、形状、寸法、設計圧力、設計温度における材料の許容応力、溶接継手の効率等に応じ、適切であること（同号ハ）
冷凍装置では、高圧部（凝縮圧力がかかる部分）と低圧部（蒸発圧力がかかる部分）で、設計圧力を分けて考えます。低圧部も、停止中にまわりの温度が上がると中の冷媒の圧力が上がるので、それに耐えられるように設計します。
前の章で学んだ許容圧力は、設計圧力または腐れしろを除いた肉厚に対応する圧力のうち、いずれか低いほうの圧力です（冷凍保安規則関係例示基準）。腐食で板が薄くなれば、許容圧力も下がります。
例示基準では、設計圧力を冷媒ガスの種類ごとに、高圧部・低圧部の別と基準凝縮温度に応じた表で定めています（例示基準 19）。
・高圧部 … 圧縮機（または発生器）の作用による凝縮圧力を受ける部分
・低圧部 … 高圧部以外の部分
・同じ冷媒なら、低圧部の設計圧力は高圧部と同じか、それより低い（R13のように同じ値のものもある）。例：R22は基準凝縮温度43℃の高圧部が1.6MPa、低圧部が1.3MPa。アンモニアは高圧部1.6MPa、低圧部1.26MPa（例示基準 表19.1）
・表にない冷媒の場合、高圧部は「通常の運転で予想される最高使用圧力」「停止中に予想される最高温度による圧力」「43℃の飽和圧力」のうち最も高い圧力以上、低圧部は「通常の運転で予想される最高使用圧力」「停止中に予想される最高温度による圧力」「38℃の飽和圧力」のうち最も高い圧力以上とする
二段圧縮の装置では、低段側の圧縮機（ブースタ）の吐出し圧力を受ける部分（中間圧力の部分）は高圧部から除かれ、低圧部として扱われます（例示基準 8.2 備考）。凝縮圧力を受けるのは、高段側の圧縮機の吐出しから凝縮器・受液器を経て膨張弁に至る部分です。また、多元冷凍装置で、通常の運転状態の凝縮温度が−15℃以下の部分も高圧部から除かれます。
5. 材料の選び方
冷凍則では、容器の材料について次のように定めています（いずれも冷凍則 第64条第1号）。
・材料は、設計圧力、設計温度、製造する高圧ガスの種類等に応じ、適切なものであること（イ）
・溶接部は、母材の最小引張強さ（母材が異なる場合は、最も小さい値）以上の強度を有するものでなければならない（ホ。アルミニウム合金などに例外あり）
・突合せ溶接部は、放射線透過試験などの非破壊試験で内部の有害な欠陥がないことを確かめる（ヌ）
材料選びで気をつける性質
・低温脆性 … 炭素鋼などは、低い温度になると衝撃に対してもろくなる。低温で使う部分には、低温でもろくなりにくい材料（オーステナイト系ステンレス鋼、銅、アルミニウムなど）や、低温用の鋼を使う
・腐食 … アンモニアは銅や銅合金を腐食させるので、アンモニア冷媒の設備には鋼を使う。外面の腐食には、塗装や耐食材料で備える。指定設備では、直接風雨にさらされる部分や結露のおそれのある部分に、銅、銅合金、ステンレス鋼その他耐腐食性材料を使うか、耐腐食処理をする（冷凍則 第57条第6号）
・腐れしろ … 腐食で薄くなることを見込んで、計算上必要な板厚に上乗せしておく厚さ
例示基準では、容器の腐れしろを材料ごとに決めています（例示基準 23.1.2）。
・鋳鉄 … 1mm
・鋼 … 1mm（直接風雨にさらされない部分で耐食処理を施したものは0.5mm）
・銅、銅合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン … 0.2mm
材料には使える温度の範囲もあり、例示基準では耐圧部分に使う材料ごとに許容引張応力を使える温度や最低使用温度が示されています（例示基準 20.2・表20.1）。配管用炭素鋼鋼管（SGP）は、毒性ガスの配管、設計圧力が1MPaを超える配管、設計温度が100℃を超える配管には使用しないなどの制限があります（例示基準 表20.2(b)。第13章参照）。
POINT
6. ここだけは覚える
・応力＝力÷断面積。1N/mm²＝1MPa。破断までの最大の応力が引張強さ。設計は許容引張応力で
・円筒胴：円周方向 σt＝PD/(2t)、軸方向 σl＝PD/(4t)。円周方向は軸方向の2倍
・応力は内圧と内径に比例、板厚に反比例。長手継手が強度上重要
・必要板厚 t≧PD/(2σa)＋腐れしろ（簡単な形）
・鏡板は半球形が最も強く、皿形はすみの丸みに応力集中
・設計圧力＝容器を使用できる最高の圧力として設計された圧力（冷凍則 第64条）
・許容圧力＝設計圧力と、腐れしろを除いた肉厚に対応する圧力の低いほう
・溶接部は母材の最小引張強さ以上の強度（冷凍則 第64条第1号ホ）
・炭素鋼は低温でもろくなる（低温脆性）。アンモニアに銅・銅合金は使わない
・高圧部＝凝縮圧力を受ける部分。二段圧縮のブースタ吐出し（中間圧力）部分は低圧部扱い（例示基準）
・腐れしろ：鋼1mm、銅・ステンレス鋼・アルミニウムなど0.2mm（例示基準 23.1.2）