マンホールの蓋

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背景

主要都市の地下には、下水道、雨水管、蒸気トンネル、共同溝などの地下ユーティリティが溢れています。マンホールと呼ばれるアクセス方法は、定期的にこれらの地下導管に掘り下げられ、保守作業員がそれらに到達できるようにします。マンホールは、人々が地下のユーティリティを掃除、検査、または修理できるようにするために必要です。ニューヨーク市の3番目の給水トンネルでは、マンホールは非常に浅い場合もあれば、70階建ての場合もあります。マンホールの蓋は、通りや歩道に沈められた丸い鉄板で、通行人がマンホールに落ちないようにします。

マンホールの蓋は、直径が22インチ（56 cm）以上である必要がありますが、直径が60インチ（1.5 m）にもなる場合があります。平均的なカバーの重量は250〜300ポンド（113〜136 kg）です。下水道はメタンガスを生成し、軽量のカバーを邪魔にならないように押し出し、有害ガスを通りに放出する可能性があるため、下水道のマンホールカバーを重くすることが重要です。

歴史

人々が都市に住み始めるとすぐに、し尿をどうするかという問題が問題になりました。最初の都市は、下水道として機能する大きな川に沿って建設されました。人間の排泄物が人と密接に接触しすぎたために発生した定期的な疫病のため、これはほとんど満足のいくものではありませんでした。ローマの土木技師は、地下下水道の発明でこの問題を解決しました。手で掘られ、レンガで裏打ちされたローマの下水道は、都市の廃棄物を収集し、それをはるか下流に堆積させました。ローマ人は定期的な清掃を可能にするためにこれらの下水道へのアクセス方法を構築しました。これらのアクセス方法を覆った石のマンホールの蓋は、ヨルダンの古いローマの都市ジェラシュで今でも見ることができます。

現代文明がローマ人のレベルにまで上がるまでにはかなりの時間がかかります。 1856年にシカゴの下水道システムの建設が開始されました。ニューヨーク市には、現在の6,200マイル（10,000 km）と比較して、1870年までに200マイル（320 km）の下水道が敷設されていました。カバー付きの最初のマンホールは、おそらく19世紀初頭に、下水道ではなく、水道や都市ガスのパイプライン用に建設されました。これらのマンホールのカバーはどれも現在まで生き残ることが知られていません。

原材料

マンホールの蓋は鋳鉄でできています。鋳鉄とは、鉄を溶かしてから型に流し込む、つまり鋳造することを意味します。典型的なマンホールの蓋は、灰色の鋳鉄を使用して鋳造されています。ダクタイル鋳鉄は、強度が高いため、飛行機のターミナルの近くにあるような特殊なマンホールの蓋に使用されます。灰色の鋳鉄は、元素鉄と合金元素の炭素とシリコンで構成されています。合金化剤、主に炭素は、鋳鉄にその強度と耐久性を与えます。ダクタイル鋳鉄は、溶鉄にマンガンを添加して製造されます。マンガンは鉄の炭素にフレークの代わりに根粒を形成させ、ダクタイル鋳鉄にそのより大きな強度と展性を与えます。

マンホールの蓋を作るために必要な他の原材料は、鉄の他に、粘土で結合された砂である緑砂です。生砂は溶銑を流し込む型を作るのに使われます。砂の混合物は、約90％の珪砂、4〜10％の粘土、2〜10％の有機物（石炭など）、および2〜5％の水で構成されています。砂は緑色ではありません。緑は、鋳造プロセス中に濡れたままにできるという事実を指します。

デザイン

最も単純なものから最も華やかなものまで、すべてのマンホールの蓋は、最初に木またはアルミニウムでモデル化されます。モデルは、溶融鋳鉄が注がれる型を作るために使用されます。マンホールの表面のために作成されたデザインは、それらを作成した熟練した職人と同じくらい多様です。丸い物体を同じ直径の丸い穴に落とすことができないため、すべてのマンホールの蓋は丸いです。マンホールの重さは、その下に立っている労働者を簡単に殺す可能性があるため、これは非常に重要です。丸いマンホールの蓋は、丸めることができるため、表面上を動き回るのも簡単です。長方形のユーティリティボックスカバーがありますが、マンホールの上には取り付けられていません。

製造
プロセス

マンホールの蓋を含むすべての鋳造品は、鋳造所と呼ばれる大きな工場で作られています。スクラップ鋼は鋳造所に入り、溶けて合金化され、鋳鉄として残されます。鋳鉄はいたるところにあります。米国の典型的な家には、主にパイプやパイプの付属品としてだけでなく、炉やエアコンにも約2,000ポンド（900 kg）の鉄鋳物が含まれています。鋳造プロセスは、パターン作成、金型の準備、溶解/注入、冷却と仕上げの5つのステップで構成されます。

パターン作成

• 1マンホールのパターンは、木から彫られるか、アルミニウムから機械加工されます。アルミニウムモデルは、耐久性が高いため、大規模な生産工程で使用されます。パターンは、鋳造物が冷えるときに収縮できるように、完成したマンホールの蓋よりもわずかに大きくなるように設計されています。マンホールごとに、カバーの上半分と下半分の2つのパターンが必要です。パターンの上半分は通常装飾的なデザインで提供されますが、デザインは通常、基本的なワッフル、かご細工、または現代の同心円パターンに限定されています。 1950年以前は、パターンは流れ星から街のスカイラインまで何でもあり得ました。金型の下半分は、単純に平らにすることも、3次元の蜘蛛の巣パターンで設計して、カバーの移動を非現実的にするほどカバーの重量を増やすことなく、はるかに高い強度を提供することもできます。

金型の準備

• 2砂型は、マンホールモデルの2つの半分をフラスコと呼ばれるボックスに配置して、モデルがボックスのベースを形成するようにすることで作成されます。上のフラスコはコープとして知られ、下のフラスコはドラッグとして知られています。緑の砂をフラスコにしっかりと詰めて、2つの型を作ります。上部の金型には、溶鉄が注がれる穴（ライザーまたはスプルーと呼ばれる）と、ガスを金型から逃がすための通気口があります。マンホールの蓋の場合、これらのライザーとベントは、木片をフラスコに垂直に置き、砂がフラスコに詰められたらそれを取り除くだけで作成できます。ライザーは通常、金型に直接つながることはありません。ライザーは、「パーティングライン」（金型の2つの半分が結合される平面）でランナー、水平チャネルに接続します。ランナーを使用すると、溶融金属を複数の場所で金型に供給できるため、最終鋳造でボイドが形成されるのを防ぐことができます。
• 3パターンが削除されると、フラスコの底はマンホールの蓋の上半分と下半分の中空の画像になります。次に、金型の下半分と上半分が、大きな金属フレームである「ドラッグフラスコ」に組み立てられます。
• 4一部の鋳物は、熱硬化性の化学樹脂と一緒に砂を結合して作られています。つまり、固定するには加熱する必要があります。このプロセスには、金型を非常に迅速に構築でき、労力が少なくて済むといういくつかの利点があります。これらのタイプの金型は、大量の鋳造を行う場合の自動化に最適です。ただし、マンホールの蓋は通常、自動化を正当化する量で製造されていません。

溶かす/注ぐ

• 5キュポラ、電気アーク、反射炉、誘導炉、るつぼ炉は、ほとんどの鋳造所が鋳鉄の製造に使用するスクラップ鋼を溶かすために一般的に使用されます。ザ 砂型を使用したマンホールの蓋の製造。スクラップ鋼は炉に入れられ、約2,700°F（1,500°C）で溶解されます。
• 6次に、必要な合金金属とフラックスが溶鉄に追加されます。フラックスの目的は、不純物と結合して「スラグ」と呼ばれる廃棄物を生成することです。スラグは鉄よりも軽いため、溶銑の上に浮き、取り除くことができます。
• 7溶銑は大きな金属製の取鍋に集められます。鋳物工場の作業員は、溶鉄が飛散しないように遠くから作業し、取鍋を傾けて、鉄がライザー（またはスプルー）から砂型に注がれるようにします。ライザーは、余分な溶鉄を保持するように設計されています。鋳物が冷えて収縮すると、余分な金属が型に充填されます。溶銑の温度は生砂中の有機物の自己発火温度よりもはるかに高いため、有機物は燃焼し、金型内に存在するすべての酸素を使い果たします。これにより、マンホールの蓋の酸化を防ぎます。鋳造作業員は、金型から噴出する排気ガスを監視して、鋳造物に気泡が発生する可能性のある金型にガスが閉じ込められていないことを確認します。

冷却

• 8金属が十分に冷えて金型から取り出せるようになるまで、約1時間半かかります。完全な冷却には約1日かかります。
• 9大規模な鋳造所では、冷却された鋳物と型を振動する火格子の上に置き、砂がすべて振り落とされるまで振とうします。小さな鋳造所では、同じプロセスがワイヤーブラシを持った労働者によって達成されるかもしれません。
• 10 w型から使用済みの砂を処理することは、鋳造プロセス中に大量の砂が生成される可能性があるため、鋳造作業員にとって大きな頭痛の種になる可能性があります。使用するたびに、砂はサイクロンで選別され、細かすぎて再利用できないものを取り除き、存在する可能性のあるすべての金属スラグをふるいにかけます。

仕上げ

• 11複雑な鋳造では、仕上げが鋳造プロセスの大部分を占める可能性がありますが、マンホールの蓋は多くの仕上げを必要としません。ほとんどの場合、必要なのは、ランナー、ゲート、ライザー（溶鉄が注がれたチャネルは、完成したマンホールの蓋の小さな石筍になります）を取り外し、表面をショットブラストしてから、ベアリング表面を機械加工することです。カバーがフレーム内で平らになることを確認してください。

品質管理

鋳鉄は通常、スクラップ鋼で作られています。原材料は管理されていないため、鋳造所では、使用する前に溶融金属を注意深く分析して、鉄、炭素、合金の金属が適切な割合で含まれていることを確認する必要があります。鋳造後、鋳鉄の強度と延性をテストして、鋳鉄で作られたマンホールの蓋が設計どおりに機能することを確認する必要があります。強度と延性は、マンホールの蓋の鋳造に使用されたのと同じ金属から司法試験片を鋳造することによって評価されます。バーは張力計に配置され、弾性限界を超えて破損または伸長するまで両端を引っ張ります。弾性限界は、張力が解放された場合にバーを引っ張って元の形状に戻すことができるポイントです。ダクタイル鋳鉄は通常、破損する前に2％から10％の伸びに耐えることができます。灰色の鋳鉄はもろいため、大幅に伸びる前に壊れます。灰色の鋳鉄で作られた製品を設計するエンジニアは、製品がもろいため、過負荷になると警告なしに破損することを常に念頭に置いておく必要があります。これは災害を引き起こす可能性があるため、鋳鉄部品は通常、ダクタイル鋳鉄部品よりもはるかに高い安全率を持っています。

副産物/廃棄物

一酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、亜酸化窒素、ベンゼンなどのガス状排出物は、溶鉄が生砂に接触すると生成されます。過去には、鉛はいくつかのタイプの金型でバインダーとしてよく使用されていました。これらの使用済み金型を埋め立てると、重金属汚染の問題が発生しました。樹脂結合鋳物は、それらを硬化させるために焼くと揮発性有機化合物を生成します。

緑砂の砂のほとんどは、新しい鋳物にリサイクルできます。ただし、鋳造作業中に一定の割合の砂が細かくなりすぎて、廃棄する必要があります。

未来

マンホールの蓋の製造工程が将来大きく変わる可能性は低いです。また、鋳鉄は非常に経済的であるため、マンホールの蓋の製造に代替材料が使用される可能性もありません。マンホールの蓋のエキサイティングな展望には、コンピューター支援設計とコンピューター支援製造（CAD-CAM）が含まれます。 CAD-CAMを使用すると、マンホールの蓋の設計者は、自動機械でプラスチックの型から切り出すことができる複雑なパターンを作成できます。高給の職人が特別なマンホールの蓋のために特に複雑なモデルを作成するのに数日または数週間を費やす必要はありません。デザインの準備ができたら、モデルをわずか数分でカットできます。マンホールの蓋のデザインの黄金時代が近づいているかもしれません。マンホールの蓋は、退屈で実用的なサークルではなく、街の通りや歩道に芸術性を加えることができます。

詳細情報

本

Baumeister、Theodore、他。 マークスの機械エンジニア向け標準ハンドブック。 第8版McGraw Hill Book Company、1979年。

Davis、J。R.、ed。 ASMスペシャリティハンドブック、鋳鉄。 ASM International、1996年。

メルニック、ミミ。 マンホールの蓋。 ケンブリッジ：MIT Press、1994年。

Samokhin、V。S.、ed。 廃水システムの設計ハンドブック。 ニューヨーク：Allerton Press、Inc.、1986年。

その他

Architectural IronCompanyのWebページ。 2001年9月28日。 。

世界の下水道が団結する。 2001年9月28日。。

ジェフ 雨