ウォーターハンマー（水撃）は、配管の中を流れていた水が急に止められ、その勢いが圧力の波に変わって配管や弁を打つ現象です。水の流速1m/sを一瞬で止めると、鋼管では約1.3MPa（13気圧ほど）の圧力が上乗せされる計算になり、継手の抜けや弁の破損を招きます。
原因は水配管と蒸気配管で異なり、水配管では弁の急閉止やポンプ停止、蒸気配管では配管にたまったドレン（蒸気が冷えてできた水）が大半を占めます。対策の軸は、蒸気配管ではドレンを溜めないこと、水配管では流れを急に止めないことの2つです。
ウォーターハンマーとは｜原因は水と蒸気で違う
ウォーターハンマーとは、流れている水の速度が急に変わったとき、運動エネルギーが圧力に変わって管内を往復する現象です。弁の直前で生じた高圧は上流へ進み、端で反射して戻り、今度は負圧になって往復を繰り返します。
水道技術研究センターの解説では、閉止前の流速が速いほど、また閉止時間が短いほど高い圧力が出るとされています。満員電車が急停車したとき、先頭の乗客に後ろの乗客の体重が一気にかかる様子にたとえられています。
止められた水の勢いが圧力波になり、弁と上流の間を行き来します。
※水配管で弁を急に閉じた場合の模式図です。蒸気配管でドレンの塊がぶつかる型、蒸気が急に凝縮する型は起き方が異なります（下の表）。
水撃圧はどれくらいになるか
急閉止で生じる圧力上昇の目安は、ジューコフスキーの式 ΔP＝ρ×a×Δv（密度×圧力波の伝わる速さ×流速の変化）で求められます。圧力波の速さaは管の材質や肉厚で決まり、内径50mm・肉厚3mmの鋼管で1,325m/sという例があります。
この値で計算すると、流速1m/sの水を急に止めたときの上昇は1,000×1,325×1≒1.3MPaです。流速は配管流速の計算方法のとおり流量と内径から出せるので、自分の配管で当てはめると危険度の見当がつきます。
水撃圧は流速に比例し、流速が2倍なら上昇も2倍になります。
単位：MPa（急閉止した場合の上限の目安）
※ΔP＝ρ×a×Δv に水の密度1,000kg/m³、圧力波の速さ1,325m/s（内径50mm・肉厚3mmの鋼管の例、京都大学数理解析研究所講究録1084）を入れた計算値です。管の材質・口径で変わります。
この式は、弁を閉じる時間が圧力波の往復時間2L/a（Lは弁から上流の反射点までの長さ）より短いことを前提にしています。長さ100mの配管なら往復は約0.15秒で、これより十分ゆっくり閉めれば上昇は小さくなります。
ウォーターハンマーの3つの型
現場で起きるウォーターハンマーは、水配管の急閉止型と、蒸気配管の2つの型に分けられます。蒸気側の2つはどちらも、配管・機器・ドレン回収管に滞留したドレンが原因だとテイエルブイ（TLV）の技術資料は整理しています。
| 型 | 起きる配管 | 起き方 | 主なきっかけ |
|---|---|---|---|
| 急閉止型 | 水配管・ポンプ吐出管 | 流れが急に止まり、圧力波が往復する | 弁の急閉止、ポンプ停止時の逆止弁の急閉 |
| ドレン衝突型 | 蒸気輸送配管 | ドレンの塊が蒸気に押されて高速で曲がりや弁にぶつかる | 暖管不足のまま止め弁を開ける、低い点のドレン溜まり |
| 急凝縮型 | 蒸気配管・ドレン回収管 | ドレンの波が蒸気を閉じ込め、その蒸気が一気に凝縮して水同士が衝突する | ドレン水位が高い、トラップの閉塞、出口配管の水溜まり |
音がしたときの見分け方と初動
「ガン」「カンカン」という音がしたら、いつ鳴ったか（立ち上げ時か、弁を閉めた後か、ポンプ停止時か）で型を絞り、確認先を決めます。TLVの解説では、止め弁を閉めた後やゆっくり操作しても続くなら、ドレンの波による急凝縮型が疑わしいとしています。
現場でよく取られる対応は、止め弁を閉じて蒸気を止めるか、弁をゆっくり操作して管内の衝撃を弱めることです。配管のずれ、保温材の割れ、漏れが見えるときは近づかず、自社の運転手順に従って系統を隔離してから点検に入ります。
いつ鳴ったかで、まず見る場所が変わります。
※TLV「Waterhammer: Causes and Locations」、テイエルブイ技術資料（2018）、水道技術研究センターQ&Aをもとに作成。止め弁の操作は各工場の運転手順に従ってください。
ウォーターハンマーが起きやすい場所
蒸気配管で起きやすいのは、ドレンが自然に集まる低い点と、流れが絞られる弁の手前です。TLVがスチームトラップを付けるべき箇所として示すのは、ボイラー出口直後、蒸気ヘッダー、立上り手前、減圧弁・制御弁手前、配管末端の5つです。
配管の形が原因でドレンがたまる例も多く、スパイラックス・サーコの資料は支持不良による配管のたるみ、同心レジューサ、下向きに付けたストレーナを挙げています。対策として、偏心レジューサを底面がそろう向きで使い、ストレーナのバスケットは横向きに付けるよう勧めています。
点検ではこの8か所のドレンの抜け方を先に見ます。
※TLV 宮脇真美「蒸気輸送配管におけるドレン排除の重要性とその手法」（2020）、Spirax Sarco「Steam Mains and Drainage」をもとに作成。
見落とされやすいのがトラップの出口側です。TLVの事例報告では、出口配管のレイアウトでドレンが滞留し、そこへトラップから蒸気が漏れてハンマーが起きた例が多いとされ、出口のドレンが減圧で再蒸発するフラッシュ蒸気の扱いも鳴り方を左右します。
事故例に学ぶ｜配管が壊れた現場と点検項目
公表された事故を並べると、冷えた配管、抜けないドレン、働かないトラップの3つが重なったときに配管が壊れていることが分かります。ここでは調査結果が公開されている海外の2件と、国内メーカーの事例報告を取り上げます。
2007年ニューヨーク：トラップの詰まりと大雨
2007年7月18日夕方、ニューヨークのレキシントン街で1924年敷設の24インチ地下蒸気管が破裂し、避難中の1人が亡くなり45人が負傷しました。蒸気を供給するコンエジソン社の調査では、過去の継手補修のシール材がスチームトラップ2台を詰まらせていたとされています。
当日は大雨で配管が冷やされてドレンが増え、詰まったトラップでは排出できずにウォーターハンマーが起きたというのが同社の説明です。同社はその後、同じ種類の弁を1,600台以上交換しています。
1つの不具合ではなく、4つの条件が重なって破裂しています。
※Con Edison社の発表（2007年12月）をWikipedia「2007 New York City steam explosion」の要約と報道・裁判記録で照合してまとめました。訴訟側の技術者は溶接部のき裂を指摘しており、同社はこれを否定しています。
この事故から引き出せる点検項目は2つで、補修後にトラップへ異物が入っていないかの確認と、雨や外気で冷えたときにドレン量が増えても抜ける能力があるかの確認です。補修作業そのものの安全は、ロックアウト・タグアウトで蒸気の元を確実に断ってから行います。
2019年英国：冷えた配管に蒸気を入れた
英国安全衛生庁（HSE）は2019年8月、暖房用の蒸気系統で蒸気が噴き出し3人が負傷した件を受けて注意喚起を出しました。初期の調べでは、ウォーターハンマーによる圧力境界の破損の可能性が示されています。
HSEによると、この型が最も起きやすいのは十分にドレンを抜いていない冷えた配管に蒸気を入れたときで、蒸気が凝縮して体積が減ったところへ水が一気に流れ込みます。HSEが挙げた点検項目は次の4つです。
- 配管の勾配とドレン抜きの確認
- ドレンがたまる位置の洗い出し
- スチームトラップと止め弁の作動確認
- ボイラー運転員の教育
国内の事例報告：トラップの閉塞と出口配管
国内では、TLVが配管技術研究協会誌（2018年）で蒸気プラントのトラブル事例をまとめています。ドレン滞留の原因は、摩耗やスケールでトラップが閉塞してドレンを出せなくなるケースと、配管レイアウトでドレンがたまるケースの2つに分けられています。
間欠的に排出するトラップは、閉じている間に入口側へドレンをためるうえ、開いたときに大量のドレンとフラッシュ蒸気を一気に出口へ送ります。出口配管に水溜まりがあると大きなハンマーの起点になるため、同報告は連続排出型への切り替えと作動診断を勧めています。
蒸気配管の対策①設計・改造で効く数値の目安
設計で効くのは、下り勾配を取り、一定の間隔と低い点に、本管と同じくらいの太さのドレンポケットを付けてトラップへ落とすことです。TLVはドレンポケットのない配管が多い現状から、30m以内の間隔でトラップを付けるよう推奨しています。
スパイラックス・サーコの資料にある数値の目安は次のとおりで、いずれもメーカーの推奨値です。実際の配管は圧力や口径、敷設条件に合わせて設計者が決めます。
- 勾配：蒸気の流れ方向に1/100以上の下り（10mで100mm）、上り区間は1/40以上
- ドレン抜きの間隔：30〜50mごと、加えて立上りの下などの低い点
- やむを得ず逆勾配で敷く区間：蒸気速度15m/s以下、勾配1/40以上、ドレン抜きは15m以内
- トラップの後には逆止弁を付ける
ポケットは本管のドレンを取りこぼさない太さと、ゴミをためる深さを持たせます。
※Spirax Sarco「Steam Mains and Drainage」の推奨表をもとに作成。取り出し位置を底から上げるのは、スケールやゴミをトラップへ送らないためです。
よくある失敗が、水平な本管の底に細い管を1本付けただけのドレン抜きです。TLVによると、この取り出し方ではドレンがうまく流れ込まず、一部が素通りして下流へ運ばれるため、本管と同径程度のポットで受けてトラップへ落とす形が理想とされています。
細い取り出し管ではドレンが上を素通りし、太いポケットなら受け止められます。
※TLV 宮脇真美（2020）の図をもとに模式化。ポケットの下部はゴミ・スケールの溜まりを兼ねます。
蒸気配管の対策②立ち上げ手順とトラップ保全
運転で効く対策は、立ち上げ時にドレンを抜きながら配管を温め、止め弁は少しずつ開けることです。スパイラックス・サーコは、冷えた配管で弁を速く開けることを原因の1つに挙げ、高速の蒸気が届く前にドレンが抜けるよう、止め弁をゆっくり開けるよう求めています。
ドレンを先に抜き、配管が温まってから蒸気量を増やします。
※Spirax Sarco「Steam Mains and Drainage」、HSE Safety notice（2019）、TLV（2020）の要件をもとにした一般的な流れです。弁の順番と開度は各工場の手順書に従ってください。
トラップは付けて終わりではなく、選び方と点検で効き目が決まります。TLVは蒸気輸送配管のトラップに、負荷に合わせてドレンを連続排出し、立ち上げ時のエアを急速に抜けることを求め、ドレンを冷えるまでためてから出す温調式は使ってはならないとしています。
選定・据付・点検の3段階で、ドレンをためない状態を保ちます。
※TLV 宮脇真美（2020）、岸本直文（2018）をもとに作成。超音波と表面温度でトラップの良否を自動判定し、遠隔で常時監視する機器もあります。
トラップの作動原理ごとの得意・不得意や、蒸気漏れと詰まりの見分け方は別の記事で詳しく整理しています。点検で不良が見つかったトラップの交換先を選ぶときに使えます。
水配管・ポンプの対策｜逆止弁と弁の閉め方
水配管の対策は、流れを急に止めないことと、逆流が始まる前に逆止弁を閉じることの2つです。水道技術研究センターは、弁の開閉時間はできるだけ長いほうが望ましく、電動弁やフロート弁のように自動で動く弁には特に注意が要るとしています。
ポンプ停止時に鳴る原因の多くは吐出側の逆止弁です。スイング式やリフト式の逆止弁は、構造上、流れが逆向きになってから閉じるため、その瞬間に急閉止が起きます。
高置水槽が高いほど、また圧力タンクの圧力が高いほど衝撃は大きく、複数台を並べる配管では渦巻ポンプの並列運転と逆止弁の注意点もあわせて確かめます。
起き方によって、効く対策が変わります。
※水道技術研究センターQ&A（水道技術ジャーナル2004年4月・2008年7月）、日立評論（1976年4月号）をもとに作成。はずみ車は管路によって効果が十分でなく、水中ポンプには付けにくいとされています。
弁から離れた場所で被害が出るのも水配管の特徴で、圧力波は管路を伝わるため、離れた曲管部で騒音や継手の抜けが起き、原因がつかみにくいとされています。異音の出る場所だけでなく、その系統で最近動いた弁やポンプの操作記録までさかのぼって確かめます。
ウォーターハンマー対策のよくある質問
小さな音のウォーターハンマーなら放置してもよいですか？
放置は勧められません。TLVの技術資料では、常態的なウォーターハンマーによる配管破裂が死亡事故につながった事例があり、要因はトラップ不良などによるドレン滞留と結論づけられたと紹介されています。
家庭の水道で「ドン」と鳴るのも同じ現象ですか？
同じ急閉止型のウォーターハンマーです。水道技術研究センターによると、全自動洗濯機やシングルレバー水栓のように一気に閉まる器具で起きやすく、水栓をゆっくり閉めるか、器具の直近に水撃防止器を付けると和らぎます。
計算した水撃圧が配管の耐圧より低ければ安心ですか？
ジューコフスキーの式は、弁を2L/aより短い時間で閉めたときの粗い目安です。分岐の多い管路やポンプ停止時の水柱分離までは表せないため、大口径・大流量の管路では水理解析で弁の形式と開閉時間を決めるよう水道技術研究センターは勧めています。
ボイラーのキャリーオーバーもウォーターハンマーの原因になりますか？
原因になります。負荷変動などで缶水が蒸気と一緒に運ばれると乾き度が下がるうえ、その水がハンマーを起こすため、TLVはボイラーの蒸気出口直後にトラップを付けるよう求めています。缶水が泡立って運ばれる仕組みはボイラーのプライミングとフォーミングで整理しています。
まとめ
- ウォーターハンマーは流れが急に止まり、勢いが圧力波になって配管を打つ現象。水撃圧は流速に比例し、閉める時間が短いほど大きい
- 蒸気配管の原因はたまったドレンで、高速ドレンの衝突と蒸気の急凝縮の2つの型がある
- 公表された事故では、冷えた配管・抜けないドレン・詰まったトラップが重なっていた
- 蒸気配管は下り勾配、定間隔と低い点のドレンポケット、連続排出型トラップ、暖管してから止め弁をゆっくり開ける
- 水配管は弁の閉止時間を長くし、逆流前に閉じる逆止弁や水撃防止器を使う
ウォーターハンマーは設計・運転・保全のどこか1つが欠けると起きるため、配管を設計する人と毎日の運転・点検を担う人が同じ図面を見て確かめるのが近道です。日常の点検を担う仕事は設備保全の仕事内容、配管の設計から立ち上げまでを担う仕事はプラントエンジニアの仕事で紹介しています。
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出典
出典・参考資料（12件）を開く出典・参考資料を閉じる
- 株式会社テイエルブイ 宮脇真美「蒸気輸送配管におけるドレン排除の重要性とその手法」月刊省エネルギー Vol.72 No.10（2020）
- 株式会社テイエルブイ 岸本直文「蒸気プラントにおけるスチームトラップのトラブル事例」配管技術研究協会誌 2018秋・冬季号
- TLV「Waterhammer: Causes and Locations」
- Spirax Sarco「Steam Mains and Drainage」
- HSE「Safety notice to act as a reminder of the phenomenon of condensate induced water hammer」（2019年8月）
- Con Edison「Steam Report: Bubble-Collapse Water Hammer Caused Lexington Avenue Incident」（2007年12月27日）
- Wikipedia「2007 New York City steam explosion」
- 水道技術研究センター Q&A「ウォーターハンマ（水撃）の発生要因と対策について」（水道技術ジャーナル2008年7月）
- 水道技術研究センター Q&A「配水管路におけるバルブ開閉による水撃現象」（水道技術ジャーナル2004年4月）
- 京都大学数理解析研究所 講究録1084（水撃波の伝播速度の例）
- ATMOS International「The Joukowsky Equation」
- 日立評論 1976年4月号（ポンプ管路の水撃と水柱分離の対策）
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