ウォーターハンマー(水撃圧)算定｜ジューコフスキー式・管材別音速・防止器選定

ジューコフスキー式と原理

基本式

急閉 (t_c ≤ 2L/a): ΔP = ρ × a × Δv

緩閉 (t_c > 2L/a): ΔP = ρ × a × Δv × (2L / (a·t_c))

ここで ρ は水の密度(1000 kg/m³)、a は圧力波速度(管内の音速)、Δv は流速変化量(m/s)、t_c は弁閉鎖時間(秒)、L は配管長(m)。Joukowsky (Zhukovsky) 1898年にロシアの流体力学者N.E.ジューコフスキーが導出した式で、水撃現象の理論的最大圧力上昇を算定する国際標準の式です。

物理的な原理

配管内を流れる水は、質量×速度分の運動量を持ちます。弁を急閉すると流れが強制停止され、運動エネルギー(1/2·ρ·v²)が瞬時に圧力エネルギーに変換されて圧力波として上流に伝播。波は管内音速(a)で伝わり、上流の貯槽で反射して下流に戻り、弁で再反射…と繰り返します。この圧力波の振幅がジューコフスキー式で算出できるΔPです。

直感的な数値感覚

鋼管(a=1,400 m/s)・水(ρ=1,000 kg/m³)を流速1 m/sで急閉すると、ΔP = 1000 × 1400 × 1 = 1,400,000 Pa = 1.4 MPa = 14気圧。給水本管の常時圧力(0.3〜0.5 MPa)の3〜5倍もの瞬時圧力上昇。これが管路破裂・継手漏水・給水金具破壊の原因になります。

Δvの実務

単純な急閉ではΔv=v（流速そのもの）ですが、部分閉止・電磁弁のON/OFF・ポンプトリップでは流速変化分Δvのみが対象。ポンプが停止してもチェック弁の閉鎖遅れによる逆流で正逆双方向の水撃が発生することもあり、より複雑な解析（Method of Characteristics法）が必要になるケースもあります。

管材別 圧力波速度

圧力波速度aは、水の圧縮性と管壁の弾性変形で決まり、管材質・肉厚・口径で変化します。剛性が高い管材(鋼管・鋳鉄管)では水本来の音速(約1,480 m/s)に近く、柔軟な管材(塩ビ管・ポリエチレン管)では大きく低下。

非金属管の水撃圧は鋼管の1/2〜1/5と小さく、可撓性による波の吸収効果があります。マンション給水引込では耐震・耐水撃対策としてポリエチレン管(PE100)やPEX管が主流となっています。

急閉と緩閉の判別

判別基準

波の往復時間 T = 2L / a

弁閉鎖時間 t_c と往復時間 T を比較して判別します:

• 急閉 (t_c ≤ T) — 弁閉鎖前に圧力波が戻ってこない → 最大の水撃圧が発生（ジューコフスキー式そのまま）
• 緩閉 (t_c > T) — 弁閉鎖中に圧力波が反射戻し → 水撃圧が緩和（係数 T/t_c 倍に低減）

具体例

鋼管(a=1,400)・配管長L=50mなら、往復時間T=2×50/1400=0.071秒。弁閉鎖時間が0.1秒(t_c > T)なら緩閉扱いでΔPは71%に緩和。0.05秒(t_c ≤ T)なら急閉で最大圧力。電磁弁・ソレノイド弁は数十msで閉じるため多くが急閉扱い、ボール弁・ゲート弁の手動操作は数秒〜数十秒で緩閉扱いになります。

ポンプトリップでの水撃

ポンプ停止(電源喪失・遮断機動作)ではポンプ吐出側の圧力急落 → 慣性で下流に流れが続く → チェック弁閉鎖時に逆流水撃という複雑な現象。ポンプの慣性小(小容量ポンプ)ほど早く止まり、水撃も大きくなります。上下水道の主ポンプ設備では、慣性重錘(はずみ車)を追加してポンプ停止を緩やかにする対策も。

水撃防止器の種類と選定

設置位置の原則

水撃防止器は水撃発生源(弁・電磁弁・洗濯機給水口・食洗機)の直近に設置するのが鉄則。上流にまとめて設置すると、水撃波が発生源から防止器に到達する間に既に管路にダメージを与えます。マンション各戸の洗濯機水栓・キッチン水栓に個別設置する構成が理想です。

業界別 現場での応用

典型的な水撃事故シナリオ

設計・施工のベストプラクティス

1. 弁閉鎖時間の確保

電磁弁・ソレノイド弁は緩閉型（1〜3秒閉鎖）への変更が基本対策。電磁弁のコイルへの通電を段階的にオフにする「ソフトクローズ制御」もあり。

2. 流速の抑制

給水本管の設計流速は1.5〜2.0 m/s以下が推奨。SHASE-S 206では2.0 m/s以下を標準とし、水撃圧を鋼管2.8 MPa以下に抑制。流速が半分になれば水撃圧も半分。

3. 非金属管の採用

マンション給水引込・住戸内配管ではPEX管・PB管・PE100管を採用することで水撃圧を鋼管の1/3〜1/4に低減。耐震性も向上。

4. 空気弁・空気溜まりの回避

配管高所の空気溜まりは水撃圧を数倍に増幅する要因。自動空気弁を高所に設置して空気排出、または配管勾配で気泡を末端に誘導。

5. 減圧弁の設置

給水本管の圧力が高い場合(0.5 MPa超)、減圧弁で建物入口の圧力を0.3 MPa前後に抑えると、水撃圧の絶対値も比例して減少。マンション各階への減圧弁配置が標準。

6. 水撃防止器の適正選定

防止器の容量はV防 ≒ 0.02 × Q × t_c（Q=流量L/s, t_c=弁閉鎖時間s）を目安。過小容量では効果薄、過大容量では初期費用増。カタログスペック値と実流量を照合。

よくある間違い・事故例

• 急閉と緩閉の判別を無視 — 弁閉鎖時間が2L/a以下なら急閉、それ以上なら緩閉で式が違う。判別を誤ると圧力上昇を過小/過大評価し、防止器の選定ミスにつながる。
• 管材質の圧力波速度を鋼管一律で計算 — 塩ビ管・PE管の音速は鋼管の1/3程度。水撃圧も比例して小さいため過大評価になり、不要な高スペック防止器導入で施工費増。
• 水撃防止器を末端でなく上流に設置 — 水撃発生源(弁)の直近に設置しないと効果半減。器具や電磁弁の直近設置が正解。集合配管の上流1箇所では各戸への波を止められない。
• 設計流速を過大に設定 — SHASE-S基準の2 m/sを超える設計は水撃圧を倍増。配管口径を上げて流速を下げるのが根本策。
• 空気溜まり放置 — 高所の空気溜まりが水撃時に急圧縮され、局所圧力を数倍に増幅。自動空気弁の未設置による配管破裂事故例あり。
• チェック弁の閉鎖遅れ — ポンプ停止時に逆流を許すと、チェック弁閉鎖時の逆水撃が正水撃より大きくなる。緩閉型チェック弁への変更が必要。
• マンション階段室での「ドン」音を放置 — 給水本管の水撃音は騒音クレームだけでなく、継手ゆるみ・パッキン劣化・漏水事故の前兆。減圧弁・防止器増設で対応。

関連規格・法令

• SHASE-S 206 ― 空気調和・衛生工学会規格「給排水衛生設備規準」。給水配管の設計流速・水撃防止・配管材質選定の日本国内標準。建築設備設計の基準。
• 給水装置構造・材質基準（水道法） ― 給水装置の耐圧試験圧力1.75 MPa、逆流防止・水撃防止の要件。厚生労働省告示。
• SHASE-S 003 ― 空気式・水圧式サージアブソーバー規格。水撃防止器の性能基準。
• JIS B 8265 ― 圧力容器の構造 — 一般事項。配管系の許容応力設計の基準。
• JIS B 8210 ― 逆止め弁・安全弁の規格。緩閉型チェック弁の性能要件。
• 消防法施行規則 第14条 ― 消火設備配管の耐圧試験・水撃対策要件。
• 水道施設設計指針（日本水道協会） ― 上水道 送配水設備の水撃解析・サージタンク設計基準。
• NFPA-13 ― 米国防火協会 スプリンクラー配管基準。海外プロジェクト参照。
• 電気事業法 発電用水力設備の技術基準 ― 水力発電の導水管・調圧井の水撃対策要件。

参考文献・公的資料

• 空気調和・衛生工学会（SHASE） ― SHASE-S 206、SHASE-S 003等の設備規準の発行主体。給排水設備設計の日本国内基準。
• 日本水道協会（JWWA） ― 水道施設設計指針、水道用資機材規格の発行。上下水道の水撃対策基準。
• 厚生労働省 水道課 ― 水道法・給水装置構造材質基準の告示・通知。
• 日本産業標準調査会（JISC） ― JIS B 8265・JIS B 8210等の圧力容器・弁類JIS規格の検索。
• 消防庁 消防用設備等技術基準 ― 消火設備配管の耐圧・水撃対策要件。
• 経済産業省 産業保安グループ ― 電気事業法・ガス事業法の技術基準。
• 産業技術総合研究所 計量標準総合センター ― 流量・圧力の計量標準。水撃計測の基準。
• 日本機械学会（JSME） ― 流体工学部門論文・書籍。ジューコフスキー式の詳細解説。
• 土木学会 ― 上下水道・ダム・水力発電の水撃解析事例。
• NFPA (National Fire Protection Association) ― 米国 消火配管の国際基準。

よくある質問（FAQ）

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