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蒸気ドラム（上胴）はボイラーで発生した気水混合物から蒸気だけを取り出し、送り出す重要な部品です。一級ボイラー技士試験では、ドラム内の気水分離装置の種類・動作原理・配置が出題されます。
蒸気ドラムの役割
水管ボイラーの蒸気ドラムは以下の機能を担います：
- 気水分離：水管（昇水管）から来た気水混合物を蒸気と水に分離する
- 蒸気貯留：蒸気を一時的に蓄え、負荷変動に対するバッファーとなる
- 水位管理：缶水水位の基準点となる（安全低水面・常用水位等の基準）
- 蒸気送出：分離した蒸気を過熱器または主蒸気管へ送り出す
気水分離装置の種類
ドラム内に設置される気水分離装置（セパレーター）には、以下の種類があります。
1. サイクロンセパレーター
気水混合物をサイクロン（渦巻き）状に流すことで遠心力により水と蒸気を分離します。水は遠心力で外壁に押し付けられて下に落ち、蒸気は中心部を上昇します。分離効率が高く、高圧・大容量ボイラーに使用されます。
2. バッフル（邪魔板）セパレーター
板状の邪魔板に気水混合物を衝突させて水を分離します。構造がシンプルで圧力損失が小さいため、補助的な一次分離に使われることがあります。
3. スクラバー（蒸気洗浄装置）
分離後の蒸気に含まれる微細な水滴（キャリーオーバー）をさらに除去する装置です。細かいメッシュや邪魔板を通すことで、蒸気中の水分を低減します。二次分離として使用されます。
4. 乾燥管（ドライパイプ）
蒸気取り出し口にスリット（細長い穴）を持つ管で、蒸気を通す際に水分を分離します。構造が単純で小型ボイラーに使用されます。
気水分離の仕組み
昇水管から上昇してきた気水混合物の蒸気含有率（乾き度）は一般に高くなく、水滴が多く含まれています。これをそのまま蒸気として使用すると：
- 配管・タービン・弁への水撃（ウォーターハンマー）が発生する
- 蒸気の熱量が低下する（エンタルピー損失）
- タービンブレードへの損傷リスクがある
サイクロンセパレーターでは気水混合物を接線方向に導入し、遠心力（Fc = mv²/r）によって水（密度大）を外周に押し付け、蒸気（密度小）を中心部から取り出します。
ドラム内部の構成配置
一般的な水管ボイラーの蒸気ドラム内部構成（入口から出口方向）：
- 気水混合物入口（昇水管接続部）
- 一次セパレーター（サイクロン・バッフル）
- 二次セパレーター（スクラバー・メッシュ）
- 蒸気出口（過熱器または主蒸気管へ）
- 給水入口（給水内管）
- 連続ブロー管
蒸気乾き度と分離性能
蒸気の品質は「乾き度（x）」で表されます。
乾き度 x = 蒸気質量 ÷ （蒸気質量 + 水質量）
x = 1.0 が完全乾燥蒸気（飽和蒸気の乾き）、x < 1.0 が湿り蒸気です。セパレーターの性能により、ドラム出口でx ≥ 0.99以上を確保することが設計目標とされます。
ドラムの設計と材料
蒸気ドラムはボイラー構造規格の規定に基づいて設計・製造されます。
- 鋼製の円筒形構造で、胴板・鏡板・管座・マンホールで構成される
- 胴板の最小厚さはボイラー構造規格で圧力・直径に応じて計算される
- マンホールはドラム内部の点検・清掃のために設けられ、胴の内径が400 mm以上の場合に必要（ボイラー構造規格準拠）
試験ポイント
- サイクロンセパレーターは遠心力で分離（接線方向導入→外周に水・中心に蒸気）
- スクラバーは二次分離で微細水滴を除去
- 乾き度x＝1が完全乾燥蒸気、x<1が湿り蒸気
- キャリーオーバー（蒸気中に水分が混入すること）を防ぐことがセパレーターの目的
出典：ボイラー及び圧力容器安全規則・安全衛生技術試験協会 公表試験問題
作成：fufumumu_design｜更新：2026年11月
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