ウォーターハンマー（水撃現象）の原因と対策方法！発生を防ぐ運用についてご紹介

ウォーターハンマーとは何か？

ウォーターハンマーとは、配管内を流れる液体の流速が急激に変化する際に圧力の急激な上昇・下降を伴うことで衝撃が発生する現象のことです。

水などの液体は質量と運動エネルギーを持って流れています。しかし、バルブの急速な閉鎖やポンプの緊急停止によって流れが瞬時に遮断されると、行き場を失った運動エネルギーが圧力エネルギーへと変換されます。液体は圧縮されにくい（非圧縮性）ため、このエネルギーは液体の変形という形で受け止めきれず、衝撃波となって超高速で配管内を往復・反射します。これが「ドン！」「カン！」という衝撃音の正体です。

よくキャビテーション（気泡の発生・崩壊）と混同されますが、キャビテーションが気泡による局所的な浸食であるのに対し、ウォーターハンマーは配管系全体を揺るがす物理的衝撃です。放置すれば、継手やバルブの破損、配管の支持体の破壊といった現象を引き起こします。

ウォーターハンマーが設備に与える影響

ウォーターハンマーが発生すると、配管や機器に対して設計圧力をはるかに超える衝撃力が瞬時に加わるため、設備寿命を縮める要因となります。ここで考えられる影響としては以下のようなものがあります。

• 圧力の急上昇により配管、バルブ、継手、配管支持、配管路のポンプなどが破損する
• 圧力の急降下により配管に凹みが生じる
• 圧力制御を行っている場合には制御が乱れたりセンサーが異常をきたしたりする
• 衝撃音や振動の発生による騒音

特に高温水や劇物を扱う現場では、バルブや配管の損傷による漏洩は人身事故や周囲の環境への被害にもつながりかねないため、安全管理上、注意が必要です。

ウォーターハンマーが発生する主な原因

バルブを急に閉める・開ける操作

発生しやすい要因として思い浮かぶのはバルブの急閉鎖です。前述の水道管の蛇口を急に閉めるのがこれにあたります。高速で流れる流体を瞬時に遮断すると、運動エネルギーが行き場を失い、強烈な圧力エネルギー（衝撃波）へと変換されます。

レバー操作で急開閉できるボールバルブやバタフライバルブ、応答速度の速い電磁弁はリスクが高まります。また、自動制御ラインの緊急停止時も同様です。配管を守るためには、「緩やかに閉める」操作や、電動弁の開閉時間を長く設定するなどの対策が求められます。

ポンプの突然の停止

ポンプの予期せぬ急停止にも注意が必要です。停電や緊急停止などにより液体の供給が急に止まったとき、すでに下流側へ流れていた液体は慣性で移動し続ける反面、新たに供給される液体量が激減することでポンプの吐出側近くの配管内が一時的に負圧になります。これを水柱分離と呼びます。これが発生すると、負圧に引っ張られて下流側の液体は減速し、上流側の液体は加速するため、液柱が再結合しますが、このときに衝撃や振動が発生します。

停電などポンプの急停止を想定して対策を施すことがウォーターハンマー発生のリスクを低減させる要因となります。

ウォーターハンマーの具体的な対策方法

バルブの開閉速度を制御する

ウォーターハンマー対策の基本は、配管内の運動エネルギーを急激に変化させないことです。バルブを短時間で急に閉めてしまうと、それだけ発生する衝撃圧は跳ね上がります。

特に電動弁や空気作動弁では、アクチュエータの動作速度を遅く設定するか、全閉直前で一度停止する「2段階閉鎖」の導入を検討してください。

手動弁の場合も同様に注意が必要です。一気に開閉できるタイプのバルブの使用を避けた上、ゆっくり開閉するようにすることでコストをかけずにリスクを大幅に低減できます。

ポンプの停止を緩やかにする

ポンプ側での対策として、フライホイールを設けることが挙げられます。

これを設置することにより、停電などで急にポンプが停止しても慣性効果により回転速度がゆるやかに低下するようになるため、水柱分離の発生への対策となります。

圧力変化を吸収する機器を設置する

物理的に圧力変化に対応させる装置を設置するというのも解決策となります。ここで考えられるのが、サージタンク、空気弁、アキュムレータ、リリーフバルブの設置などです。

このうち、空気弁やアキュムレータは圧力の局所的な低下による水柱分離が発生した際に空気を供給して管内の圧力を回復させる用途で用いられます。
サージタンクは圧力上昇時には水を受け止め、逆に低下時には水を供給することで圧力の急変化を緩和する働きをします。

リリーフバルブは配管内で過剰な圧力が発生した際に圧力を開放してくれます。ポンプの吐出側の配管に取り付けることで配管内の圧力が調整され、急なバルブの開閉などに伴う圧力上昇を緩和することができます。

まとめ