JP2004028769A - Stress evaluating method for curved pipe, stress evaluating device, program, and storage medium for the same - Google Patents

Stress evaluating method for curved pipe, stress evaluating device, program, and storage medium for the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stress evaluating method and a stress evaluating device for evaluating a curved pipe for simply and precisely calculating the stress generated in the curved pipe constituting a pipe line. <P>SOLUTION: Regarding the curved pipe A to be evaluated, if a measuring limit is exceeded, the stress evaluation is performed as follows: a distribution of the stress in a curved pipe B being adjacent to the pipe A is measured by a magnetic anisotropy sensor, flatness value of the curved pipe B is obtained from the relational formula of the stress-moment relation and the moment-flatness value, and an initial diameter of the pipe B is obtained from a measure of the diameter of the pipe B. The flatness vale of the pipe A is obtained from the measurement of the diameter of the pipe A considering that the initial value of diameter of the pipe B is equivalent to that of the pipe A, and the distribution of the stress in the curved pipe A is calculated using the relational formula of moment-flatness value and the relational formula of stress-moment. Wherein, the relational formula of moment-flatness value is derived e.g. by developing the theoretical formula of Rodabaugh & George etc., regarding displacement in a sectional direction of the curved pipe. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管路の応力評価方法、応力評価装置等に関する。詳細には、管路を構成する曲管部における応力評価方法、応力評価装置等に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、ガス等を供給する管路(ラインパイプ)を敷設する場合、管路には、地盤沈下等による外力による応力が発生するが、共同溝や橋台前後には外力に対する変位を吸収するために、曲管が多用される。管路を安全に維持管理する上で、管路上のどの箇所で最大応力が発生するかを把握することは、重要である。また、最大応力は、大抵の場合、曲管部において発生するので、曲管部における応力評価が特に重要である。尚、管路は供用状態にあり、上記の応力評価は非破壊診断が原則であるので、歪ゲージによる測定方法を用いることは、困難である。
【0003】
従来、曲管部等の管路の応力評価に関しては、以下のような手法が取られる。まず、複数の測定点において、沈下量の測定、水準測量を実施する。沈下量の測定は、埋設部に設置した沈下棒等により行われ、水準測量は、共同構内サポート部に設けられた測定点等において実施される。次に、管路の形状を考慮した有限要素法(FEM)モデルを作成する。そして、この有限要素法モデルに、管路の変形量として沈下量の測定値、水準測量の測定値を入力して解析を実施し、解析結果から曲管部の応力評価を行う。
【0004】
また、特公平7−62636号公報や特公平7−69226号公報には、磁気異方性センサを用いて管路の応力を評価する手法(磁歪法)が示されている。
【0005】
特公平7−62636号公報に係る手法は、管路の直管部にモーメントが作用したとき、管路表面に発生する応力を材料力学的に評価し、管の断面が変形しないと仮定したときの管路表面の応力分布が周期360度のSIN関数となることに着目し、磁気異方性センサの出力をこのSIN関数に回帰することによって、当該SIN関数の振幅成分と位相角とから、それぞれ、曲げ応力の大きさと、曲げの方向を求めようとするものである。
【0006】
特公平7−69226号公報に係る手法は、管路の直管部にモーメントが作用したとき、管路が扁平によって断面変形を生じ、このとき管路の表面に発生する応力を弾性力学的に評価し、管路表面の応力分布が周期180度のSIN関数となることに着目し、磁気異方性センサの出力をこのSIN関数に回帰することによって、当該SIN関数の振幅成分と位相角とから、それぞれ、扁平応力の大きさと、扁平の方向を求めようとするものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の有限要素法モデルによる解析の精度を確保するためには、沈下量、水準測量の測定点数を相当多く設ける必要があるという問題点があった。例えば、口径600mmの管路の場合、5m程度の間隔で最低50mにわたる測定データを要する。このため、計測のための費用が増大する。さらに、これらの測定データを有限要素法で繰り返し解析するので、費用と時間が必要であり、また、作業には、熟練者の存在が不可欠であるという問題点があった。
【0008】
また、曲管部の場合は、どの程度の応力状態にあるのかを非破壊で直接測定することが困難である。上記の特公平7−62636号公報や特公平7−69226号公報が示す従来技術は、いずれも直管部の曲げ応力、あるいは扁平応力を推定するための手法である。従って、磁気異方性センサを用いて非破壊で応力測定を行う磁歪法を援用するにしても、曲管の断面変形の影響のない直管部での純曲げ応力を測定し、有限要素法等の解析手段を援用して曲管部の応力を推定するという間接的な方法を行うにとどまる。
【0009】
また、面内曲げモーメントを受けた曲管の断面扁平は、曲管中央部において最も大きく、曲管端部においても中央部の70%程度の扁平が生じる。この扁平が消滅するのは、曲率半径によって異なるものの、1.5DR程度の曲率半径の場合、曲管端部から3D程度離れたところとなる。対象とする管が750mmの口径であれば、2m以上の離隔が必要ということになり、洞道内(共同溝内)や橋台前後などではスペースの余裕がないことが殆どであることを考慮すると、上記の離隔による扁平が消滅した位置で適用できるケースは極端に制限されることになるという問題点がある。一方、磁歪法を直接曲管部の応力測定に適用したとしても、当該部には相当の製造時の歪が残留していること及びその分布形状が複雑であることから、例えば、沈下等の外力により生じる応力分を分離することは、極めて困難であるという問題点がある。
【0010】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、管路を構成する曲管に発生する応力を簡便に精度よく算出することを可能とする曲管の応力評価方法、応力評価装置等を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために第1の発明は、管を構成する曲管に作用するモーメントと当該曲管に生じる応力の分布との関係を示す第1の応力−モーメント関係式に、センサによる前記応力の分布の測定値を回帰することにより前記モーメントを算出する工程と、前記モーメントと前記応力の分布との関係を示す第2の応力−モーメント関係式を前記曲管の断面方向変位について展開することにより導出した、前記曲管の扁平量と前記モーメントとの関係を示すモーメント−扁平量関係式に、前記モーメントを入力して前記扁平量を算出する第1の扁平量算出工程と、を具備することを特徴とする曲管の応力評価方法である。
【0012】
また、上記の応力評価方法は、前記管を構成する第1の曲管及び第2の曲管の径の初期値を同等とみなし、前記第1の扁平量算出工程により算出した前記第1の曲管の扁平量と前記第1の曲管及び前記第2の曲管の径の測定値とに基づいて、前記第2の曲管の扁平量を算出する第2の扁平量算出工程と、前記第2の曲管の扁平量を前記モーメント−扁平量関係式に入力して前記第2の曲管に作用するモーメントを算出し、このモーメントを前記第2の応力−モーメント関係式に入力して前記第2の曲管の応力分布を算出する工程と、を具備することが望ましい。
【0013】
第1の発明では、磁気異方性センサ等を用いて曲管に生じている応力の分布を測定し、この応力の分布の測定値に基づいて第1の応力−モーメント関係式に関して回帰分析することにより当該曲管に作用するモーメントを算出し、モーメント−扁平量関係式から曲管の扁平量を算出する。
【0014】
また、第1の発明では、管を構成する第1の曲管及び第2の曲管の径の初期値を同等とみなし、第1の扁平量算出工程により算出した第1の曲管の扁平量と第1の曲管及び第2の曲管の径の測定値とに基づいて、第2の曲管の扁平量を算出し、この第2の曲管の扁平量をモーメント−扁平量関係式に入力して第2の曲管に作用するモーメントを算出し、このモーメントを第2の応力−モーメント関係式に入力して第2の曲管の応力分布を算出する。
【0015】
「管」は、ガス、水等を供給するための管路(ライフライン)であり、曲管、直管等から構成される。
「第1の曲管」は、応力評価対象の曲管と同時期に製作され、径(内径、外径等)の初期値が当該応力評価対象の曲管と同等であるとみなし得る曲管であり、例えば、応力評価対象の曲管の近辺、前後に配設されている曲管である。
「第2の曲管」は、応力評価の対象の曲管である。
【0016】
「センサ」は、曲管に生じる応力を測定するものであり、例えば、磁気異方性センサである。尚、磁気異方性センサによる応力分布測定に関しては、原理的な制約から管の降伏応力のせいぜい70%程度が測定限界であることが知られている。また、曲管における残留応力は、直管等と比較して大きいことから、測定限界は、さらに制限されると考えられる。磁気異方性センサによる応力測定の詳細については、後述する。
【0017】
「扁平量」は、曲管の断面変形量、径の変化量(外径変化量、内径変化量等)であり、例えば、外力による断面変形を受けていない状態(製作時、設置時等)の曲管を基準とした曲管の径(外径、内径等)の経年変化量である。すなわち、外力により生じた扁平量は、曲管の径の初期値と現時点における曲管の径の測定値との差に相当する。
【0018】
「第1の応力−モーメント関係式」は、曲管に作用するモーメントと当該曲管に生じる応力(管軸方向応力、管周方向応力等)との関係を示すものであり、例えば、Karmanの理論式である。Karmanの理論式は、曲管にモーメントが作用した際の、曲管部に発生する応力の分布を理論的に説明するものである。Karmanの理論(Karmanの扁平応力理論)の詳細については、後述する。
【0019】
「第2の応力−モーメント関係式」は、曲管に作用するモーメント(面内曲げモーメント、面外曲げモーメント等)と当該曲管に生じる応力(管軸方向応力、管周方向応力等)との関係を示すものである。また、この第2の応力−モーメント関係式は、面内曲げモーメントに対応する管軸方向応力及び管周方向応力、面外曲げモーメントに対応する管軸方向応力及び管周方向応力を示すものが望ましく、例えば、Rodabaugh & Georgeの理論式である。この理論式の詳細については、後述する。
【0020】
「モーメント−扁平量関係式」は、管を構成する曲管の扁平量と当該曲管に作用するモーメントとの関係を示すものであり、たとえば、Rodabaugh & Georgeの理論式を、曲管の断面方向変位について、所定の次数の項まで展開することにより導出される関係式である。
【0021】
この場合、モーメント−扁平量関係式は、
=ηEI/kR×e
=ηEI/kR×e
と表すことができる。
但し、
は、面内曲げモーメント、
は、面外曲げモーメント、
Eは、弾性係数、
Iは、前記管の断面二次モーメント、
Rは、前記曲管の曲率半径、
2×eは、周方向の角度0°方向における前記扁平量、
2×eは、周方向の角度45°方向における前記扁平量、
は、たわみ定数、
η1、η2は、曲管の内圧、曲率半径、半径、管厚により定まる定数。
【0022】
「周方向の角度」は、曲管の外径、内径の方向、曲管の周上の位置等を示すものである。この周方向の角度は、曲管の断面(管軸に垂直な平面による断面)を円形とした場合、この断面の所定の基準半径とのなす角により表される。尚、周方向の角度の定義については後述する。例えば、曲管の曲率半径方向は、周方向の角度90°(−90°)方向に相当する。
【0023】
尚、k、η、ηは、応力−モーメント関係式において展開する項の次数にもよるが、例えば、3次程度の項まで展開するとすると、
=1/(c4+c5+c6+c7)、
η=1/{r(2d+4d+6d)}、
η=1/{r(2d−6d)}、
としたものを用いることができる。
但し、
Ψ=PR/Ert、
λ=tR/r(1−ν(1/2)(λ:パイプ係数)、
C1=5+6λ+24Ψ、
C2=17+600λ+480Ψ、
C3=37+7350λ+2520Ψ、
=3(C2C3−110.25)/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=7.5C3/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=78.75/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
c4=1+3d+2.25d
c5=0.25(d +34d +74d −10d−42d)、
c6=λ/12×(36d +3600d +4410d )、
c7=Ψ(12d +240d +1260d )、
Pは、内圧、
tは、管厚、
rは、前記管の半径、
νは、ポアソン比。
【0024】
第1の発明では、磁気異方性センサ等のセンサにより曲管の応力分布を測定し、Karmanの理論式等を用いて曲管の作用モーメントを算出し、モーメント−扁平量関係式を用いて曲管の作用モーメントから曲管の扁平量を算出するので、曲管の径の初期値の記録がない場合であっても、当該曲管の扁平量を算出することができる。そして、この曲管の径を測定することにより、当該曲管の径の初期値を算出することも可能となる。
【0025】
また、第1の発明では、所定の曲管における径の初期値を応力評価対象の曲管における径の初期値とすることで応力評価対象の曲管の扁平量を算出し、モーメント−扁平量関係式、Rodabaugh & Georgeの理論式等により、当該応力評価対象の曲管の応力分布を算出する。この場合、応力評価対象の曲管の径の初期値の記録がない場合であっても、当該曲管の応力評価を行うことができる。また、管の降伏応力を超える範囲等、磁気異方性センサの測定限界を超える場合であっても、応力評価を行うことができる。
【0026】
また、第1の発明では、(1)0°/180°方向、(2)45°/−135°方向または−45°/135°方向について、すなわち、2方向について、曲管の扁平量(外径変化量等)をノギス等の一般的な測定具により測定することにより、実用上十分な精度で、面内曲げモーメントに対応する管軸方向応力及び管周方向応力、面外曲げモーメントに対応する管軸方向応力及び管周方向応力を算出することができる。
【0027】
第2の発明は、管を構成する曲管に作用するモーメントと当該曲管に生じる応力の分布との関係を示す第1の応力−モーメント関係式に、センサによる前記応力の分布の測定値を回帰することにより前記モーメントを算出する手段と、前記モーメントと前記応力の分布との関係を示す第2の応力−モーメント関係式を前記曲管の断面方向変位について展開することにより導出した、前記曲管の扁平量と前記モーメントとの関係を示すモーメント−扁平量関係式に、前記モーメントを入力して前記扁平量を算出する第1の扁平量算出手段と、を具備することを特徴とする曲管の応力評価装置である。
【0028】
また、上記の応力評価装置は、前記管を構成する第1の曲管及び第2の曲管の径の初期値を同等とみなし、前記第1の扁平量算出工程により算出した前記第1の曲管の扁平量と前記第1の曲管及び前記第2の曲管の径の測定値とに基づいて、前記第2の曲管の扁平量を算出する第2の扁平量算出手段と、前記第2の曲管の扁平量を前記モーメント−扁平量関係式に入力して前記第2の曲管に作用するモーメントを算出し、このモーメントを前記第2の応力−モーメント関係式に入力して前記第2の曲管の応力分布を算出する手段と、を具備することが望ましい。
【0029】
第2の発明は、第1の発明の応力評価方法に係る応力評価装置についての発明である。応力評価装置は、上記の第1の応力−モーメント関係式、第2の応力−モーメント関係式、扁平量−モーメント関係式等をメモリ上、データベース等に保持する。
【0030】
「応力評価装置」として、コンピュータ等の情報処理装置を用いることができる。また、この応力評価装置を応力評価サーバとしてインターネット等のネットワークに接続し、端末装置(パーソナルコンピュータ、情報携帯端末、携帯電話等)がネットワークを介してこの応力評価サーバにアクセスできるようにすることもできる。
【0031】
この場合、端末装置からネットワークを介して曲管の径の測定値、磁気異方性センサによる曲管の応力分布の測定値等を応力評価サーバに入力したりすることができる。応力評価サーバは、曲管の径の初期値、扁平量、作用モーメント、応力分布等を算出し、その算出結果を端末装置にネットワークを介して送信することができる。また、応力評価サーバは、入力データ及び算出結果をデータベースに保持、記録、管理し、応力評価サーバ自身あるいは端末装置等が必要に応じて当該データベースを利用できるようにすることができる。
【0032】
第3の発明は、コンピュータに第2の発明の応力評価装置として機能させるプログラムである。
第4の発明は、コンピュータに第2の発明の応力評価装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体である。
【0033】
「記録媒体」とは、CD−ROM、DVD、フレキシブルディスク、ハードディスク等である。
前述したプログラムをインターネット等のネットワークを介して流通させたり、記録媒体を流通させることもできる。
【0034】
本発明の構成および特徴については、以下に説明する実施の形態および添付図面において明らかにされる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照しながら、本発明にかかる応力評価方法、応力評価装置等の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明および添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。
【0036】
まず、図1〜図6を参照しながら、扁平量(曲管の断面扁平量)に基づく曲管の応力評価について説明する。
【0037】
図1は、曲管の斜視図であり、「周方向の角度」(以降単に「角度」ともいう)φの定義を説明するものである。図2は、曲管の断面図であり、角度の定義を説明するものである。尚、曲管101の管軸102に対する垂直断面は円形であるとして説明する。また、本実施の形態では、曲管の扁平量、断面変形量は、主として曲管の外径変化量に相当するものとして説明するが、外径変化量に代えて曲管の内径変化量等を用いても、実用における精度上の問題はない。
【0038】
断面201は、曲管101の管軸102に対する垂直断面である。図2において中心点202と断面の周の最右端の点203とを結ぶ半径を基準半径(周方向の角度0°)として、図1及び図2に示すように管の周方向の角度を定義する。尚、曲管の外径、内径等の方向を示す際、例えば、周方向の角度0°の位置と周方向の角度180°の位置を結ぶ方向については、本明細書中において、「0°/180°方向」「0°方向」等と表現することにする。
【0039】
曲管に沈下等による外力が加わると曲げモーメントが発生する。曲げモーメントの方向としては、面内曲げ及び面外曲げとに分けられる。面内曲げは、曲管の管軸を含む平面方向の曲げであり、面外曲げは、曲管の管軸を含む平面外方向への曲げである。
【0040】
曲管に面内曲げモーメント(M)が作用したときの管軸方向応力σiL、管周方向応力σiC、面外曲げモーメント(M)が作用したときの管軸方向応力σoL、管周方向応力σoCは、Rodabaugh & Georgeの理論(Rodabaugh,E.C.,and George,H.H.,”Effect of Internal Pressure on Flexibility and Stress Intensification Factors of Curved Pipe or Welding Elbows,” Trans. ASME,Vol.79,1957,pp.939−948.)によると、次のように表される。
【0041】
σiL(φ)=kr/I(1−ν)×f(φ) ・・・[1−1]
σiC(φ)=kr/I(1−ν)×f(φ) ・・・[1−2]
σoL(φ)=kr/I(1−ν)×f(φ) ・・・[1−3]
σoC(φ)=kr/I(1−ν)×f(φ) ・・・[1−4]
【0042】
ここで、φ:管の周方向角度(図1、図2参照)、ν:ポアソン比、R:曲管の曲率半径、r:管半径、t:管厚、I:管の断面2次モーメント、M:曲管に作用する面内曲げモーメント、M:曲管に作用する面外曲げモーメント、k:たわみ係数、である。
尚、λ=tR/r(1−ν(1/2)と置くと、kは、λと内圧Pの関数である。λは、パイプ係数である。
【0043】
尚、f(φ)、f(φ)、f(φ)、f(φ)は、具体的に記述すると、次のように表される。
【式1】

Figure 2004028769
ただし、±の符号における+(プラス)は管の外表面における応力、−(マイナス)は内表面における応力を計算するときに用いる。
【0044】
また、dもkと同様λと内圧Pの関数となる。nを何次の項まで採ればよいかについては、λの値によって異なり、λが小さくなるほど高次の項まで必要となるが、λ=0.1程度であれば3次までで十分とされている。この場合、d、kは、次のように表される。
【0045】
=3(C2C3−110.25)/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=7.5C3/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=78.75/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
但し、
Ψ=PR/Ert(E:弾性係数)、
C1=5+6λ+24Ψ、
C2=17+600λ+480Ψ、
C3=37+7350λ+2520Ψ、
とした。
【0046】
=1/(c4+c5+c6+c7)
但し、
c4=1+3d+2.25d
c5=0.25(d +34d +74d −10d−42d)、
c6=λ/12×(36d +3600d +4410d )、
c7=Ψ(12d +240d +1260d )、
とした。
【0047】
また、管に面内曲げモーメントM、面外曲げモーメントMが作用したときの管の半径変化量をそれぞれe、eとし、断面方向変位について式[1−1]〜式[1−4](Rodabaugh & Georgeの理論式)を展開して、M、Mとe、eとの関係を求めると、
=ηEI/kR×e ・・・[3−1]
=ηEI/kR×e ・・・[3−2]
である。
【0048】
ここで、
η=1/{r(2d+4d+6d)}
η=1/{r(2d−6d)}
=r’−ri0
 e=r’−ro0
 (ri0:外力が作用する前の周方向の角度0°の半径)
(r’:外力が作用した後の周方向の角度0°の半径)
(ro0:外力が作用する前の周方向の角度45°の半径)
(r’:外力が作用した後の周方向の角度45°の半径)
である。
【0049】
尚、2×eは、周方向の角度0°方向における扁平量(最大外径変化量、最大内径変化量、最大断面変形、最大扁平量)に相当する。
また、2×eは、周方向の角度45°方向における扁平量(最大外径変化量、最大内径変化量、最大断面変形、最大扁平量)に相当する。
【0050】
面内曲げ、面外曲げにおける扁平量W(φ)、W(φ)は、それぞれ、次のように表すことができる。尚、次式に示す扁平量W(φ)、W(φ)は、曲管の直径の変化量(半径変化量×2)である。
(φ)=2×η{2dcos(2φ)+4dcos(4φ)+6dcos(6φ)} ・・・[4−1]
(φ)=2×η{2dsin(2φ)+4dsin(4φ)+6dsin(6φ)} ・・・[4−2]
【0051】
図3は、曲管に、面内曲げモーメント、面外曲げモーメント、これらの合成モーメントが作用した場合の扁平量(外径変化量)と周方向の角度との関係を示す図である。縦軸は、扁平量(外径変化量)を示し、横軸は、周方向の角度を示す。
【0052】
曲線301は、曲管に面内曲げモーメントが作用した場合の扁平量(外径変化量)と周方向の角度との関係を示す。
曲線302は、曲管に面外曲げモーメントが作用した場合の扁平量(外径変化量)と周方向の角度との関係を示す。
曲線303は、曲管に合成モーメントが作用した場合の扁平量(外径変化量)と周方向の角度との関係を示す。
曲線301、曲線302、曲線303は、式[4−1]、式[4−2]からも分かるように、周期180°のグラフとなる。
【0053】
図3の曲線301を参照すると、面内曲げにおける扁平量(外径変化量)は、角度0°/角度180°方向で最大であり、角度90°/角度−90°方向では、角度0°/角度180°方向の扁平量(外径変化量)と比較して符号が反対であり小さな値となる。また、面内曲げにおける扁平量(外径変化量)は、角度45°、角度−45°、角度135°、角度−135°ではほぼ0となる。
【0054】
図3の曲線302を参照すると、面外曲げにおける扁平量(外径変化量)は、角度45°/角度−135°方向で最大であり、角度135°/角度−45°方向では、角度45°/角度−135°方向の扁平量(外径変化量)と比較して符号が反対である。また、面外曲げにおける扁平量(外径変化量)は、角度0°、角度180°、角度90°、角度−90°ではほぼ0となる。
【0055】
従って、面内曲げ及び面外曲げの両方の曲げが作用した状態であっても、角度0°/角度180°方向の扁平量(外径変化量)2eを測定すれば、式[3−1]により、面内曲げモーメントMを算出可能である。
また、面内曲げ及び面外曲げの両方の曲げが作用した状態であっても、角度45°/角度−135°方向または角度135°/角度−45°方向の扁平量(外径変化量)2eを測定すれば、式[3−2]により、面外曲げモーメントMを算出可能である。
【0056】
、Mが得られれば、式[1−1]〜式[1−4](Rodabaugh& Georgeの理論式)により断面の任意の位置での応力(σiL、σ 、σoL、σoC)を計算することができる。
【0057】
図4は、扁平量(外径変化量)と最大周方向応力との関係を測定するための実験の概要を模式的に示す図である。試験体である管401は、曲管402及び直管403等から構成される。
【0058】
曲管402としてモナカエルボ(API−X60規格、肉厚t=12.7mm、外径2r=610mm、曲率半径R=1.5DR、λ=0.138)を用いた。これに直管403としての袖管を溶接し、一方をフランジを介して定盤に取り付け、他方のフランジを油圧ジャッキで下方向405、上方向406に荷重を負荷した。すなわち、曲管402に対して面内曲げモーメントを作用させた。荷重点にはロードセル(図示せず)を設け、負荷荷重を測定可能とした。
【0059】
扁平量(外径変化量)の測定位置はエルボの中央断面404とし、ノギスを用いて2方向(0°/180°方向、90°/270°(−90°)方向)について測定した。また、中央断面404の周上には検証のため2軸歪ゲージ(図示せず)を周方向の角度にして15度ピッチで取り付け、応力測定を行った。
【0060】
図5は、上記の実験結果より得られた、扁平量(外径変化量)と円周方向の最大応力との関係を示す図である。縦軸は、最大周方向応力を示し、横軸は、扁平量(外径変化量)を示す。尚、最大周方向応力は、中央断面404の周上に設けられた2軸歪ゲージにより測定された周方向の応力のうち最大のものである。
「○」印(図5)の各点は、0°/180°方向に関する測定値を示し、「□」印(図5)の各点は、90°/270°(−90°)方向に関する測定値を示す。
【0061】
直線501は、0°/180°方向における、扁平量(外径変化量)と円周方向の最大応力との関係を示す。
直線502は、90°/270°(−90°)方向における、扁平量(外径変化量)と円周方向の最大応力との関係を示す。
直線501、直線502が示すように、0°/180°方向、90°/270°(−90°)方向のいずれに関しても、扁平量(外径変化量)と円周方向最大応力との間には、直線性すなわち比例関係がみられる。
【0062】
上記の実験で用いたモナカエルボは、2つ割のものを縦(管軸方向)に溶接(シーム溶接等)して作られていることから、0°/180°方向の方が90°/270°(−90°)方向よりも変形し易い。また、図3について前述したように、面内曲げモーメントにおいては、理論的にも0°/180°方向の扁平量(外径変化量)の方が90°/270°(−90°)方向より大きくなる。
【0063】
このように扁平量(外径変化量)には異方性がみられるが、純粋に縦シームの存在による影響を分離するのは困難である。従って、面内曲げモーメントに係る応力評価は、縦シームの影響の少ない0°/180°方向の扁平量(外径変化量)を測定することにより行うことが望ましい。
【0064】
尚、当該モナカエルボの材料の降伏応力は約410MPaであるが、上述したように、弾性領域では、扁平量(外径変化量)と円周方向最大応力との間に直線性(比例関係)がみられる。
また、上方向406(図5において最大周方向応力が負の方向)についてみると、降伏応力の1.5倍程度の範囲(塑性領域)まで、扁平量(外径変化量)と円周方向最大応力との間に直線性(比例関係)がみられる。
【0065】
次に、上述した応力評価方法と上記の実験結果との比較について述べる。図6は、周方向及び軸方向の応力分布に関する解析値(上述の応力評価方法による解析値)及び実験値を示す図である。縦軸は、応力を示し、横軸は、周方向の角度を示す。
【0066】
図5に示す実験結果において、0°/180°方向の扁平量(外径変化量)が8mmの場合(図5:点503)、最大周方向応力は、400MPa弱程度となる。
この0°/180°方向の扁平量(外径変化量)8mmに対するモーメントは[3−1]式より、M=1.7×10N・mとなる。このMを式[1−2]、式[1−1]に代入し、応力分布を計算すると図6の実線601(周方向解析値)、実線602(軸方向解析値)が得られる。
【0067】
また、この0°/180°方向の扁平量(外径変化量)8mmにおいて、中央断面404の周上に15度ピッチで設けた2軸歪ゲージにより測定した、周方向応力の測定値を「●」印(図6)の各点(周方向実験値)により示し、軸方向応力の測定値を「□」印(図6)の各点(軸方向実験値)により示した。
【0068】
周方向の応力に関しては、実験値と解析値のピーク位置に若干ずれがみられるが、応力値はほぼ一致している。軸方向の応力に関しては、実験値と解析値のピーク位置は一致するが、応力値には若干のずれがみられる。尚、これらの若干のずれに関しては、実用上問題ないものである。
以上の実験値と解析値の比較及び考察により、ノギスで得られる程度の精度の扁平量(外径変化量)測定値であっても、実用的に十分な精度の応力推定が可能であるといえる。
【0069】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、(1)0°/180°方向、(2)45°/−135°方向または−45°/135°方向の2方向について、曲管の扁平量(外径変化量)をノギス等の一般的な測定具により測定することにより、実用上十分な精度で当該曲管に生じる応力分布の推定を行うことができる。
【0070】
曲管を採用する目的の1つは、通常配管にフレキシビリティを付与し、その変形によって応力を低減させることにある。そのため3次元配管となることが多い。このことは、荷重として面内曲げモーメント及び面外曲げモーメントとが同時に作用する確率が高くなることを示している。面内曲げモーメントと面外曲げモーメントの両方のモーメントが作用した状態での断面変形は相当複雑なものとなる。
【0071】
しかしながら、図3に関して説明したように、面内曲げモーメント作用時の断面変形は、0°/180°方向において最大であり、45°/−135°方向及び−45°/135°方向においては理論上は殆ど0となる。一方、面外曲げモーメント作用時の断面変形は、45°/−135°方向または−45°/135°方向において最大であり、0°/180°方向においては理論上は殆ど0となる。
【0072】
これらのことから、(1)0°/180°方向の扁平量(外径変化量)から式[3−1]により面内曲げモーメント(M)を算出し、(2)45°/−135°方向または−45°/135°方向の扁平量(外径変化量)から式[3−2]により面外曲げモーメント(M)を算出することができる。
【0073】
すなわち、(1)0°/180°方向の扁平量(外径変化量)、(2)45°/−135°方向または−45°/135°方向の2方向の扁平量(外径変化量)を測定することにより、面内曲げモーメント(M)と面外曲げモーメント(M)とを分離して算出することができる。そして、これらの面内曲げモーメント(M)と面外曲げモーメント(M)から、式[1−1]〜式[1−4](Rodabaugh & Georgeの理論式)により、面内曲げモーメントおよび面外曲げモーメントの両方向の曲げモーメントによる応力分布を算出することができる。
【0074】
設計で採用しているANSI B31.8に則した応力(σ)については、面内曲げモーメント(M)及び面外曲げモーメント(M)から合成モーメント(M)を求め(式[5−1]参照)、断面係数(Z)で除したものに、面内曲げモーメントによる応力集中係数(i)を乗じて(面内曲げモーメントと面外曲げモーメントでは、前者のほうが約17%ほど大きいため、安全側の評価となる)、外径変化(扁平)が生じている曲管の応力(σ)とする(式[5−2]参照)。
M=(M +M (1/2)  ・・・[5−1]
σ=M・i/Z       ・・・[5−2]
【0075】
また、上記の応力評価手法は、非破壊により、直接曲管そのものの応力を評価することができる。さらに、圧力を下げる等の措置を必要とせず、供用状態、使用状態において、応力評価、応力推定を行うことができる。従って、曲管の応力評価を実施するに当たって、機具の投入等、特別の措置を講ずる必要もない。
【0076】
また、曲管の中央断面における2方向の扁平量(外径変化量)を測るのみで応力評価、応力診断を行うことが可能であり、測定のために熟練者を必要としないので、磁歪法等に比較して費用的負担を軽減することができる。
【0077】
また、扁平化が曲管に応力を発生させるというモードが分かっていることから、応力評価結果の信頼性が高い。すなわち、上記、実験値と解析値との比較、考察において説明したところであるが、本実施の形態に示した応力評価は、実用上十分な精度を有する。
さらに、沈下等の変形モードが明確なものばかりでなく、熱応力等、諸々の外力が作用した状態における応力推定にも用いることができる。
【0078】
また、扁平量に関しては、ノギス等の測定具により曲管の外径変化量を測定したが、ピグ等の測定具、検査具により曲管の内径変化量等を測定するようにしてもよい。
【0079】
次に、図7〜図9を参照しながら、磁気異方性センサを用いた管路の曲管の応力評価について説明する。
まず、磁気異方性センサの動作原理について説明する。
図7は、磁気異方性センサの動作原理を示す図である。
図8は、図7に示した磁気異方性センサの部分的な詳細図である。
【0080】
磁気異方性センサ701は、励磁コア702、磁気異方性検出コア703等から構成される。測定対象物708は、磁気異方性センサ701による測定の対象物である。励磁コア702と磁気異方性検出コア703とは直交状態に配設されている。測定対象物708には、X方向に引張応力σが作用している。測定対象物708の透磁率をμ、透磁率μのX方向成分をμx、Y方向成分をμyとする。励磁コア702は、励磁コイル704を有し、磁気異方性検出コア703は、磁気異方性検出コイル705を有する。
【0081】
測定対象物708に応力(ひずみ)が作用すると、透磁率μに異方性が生じる。測定対象物708が図7に示すような応力状態にある場合、引張応力方向であるX方向の透磁率μxがY方向の透磁率μyに比べて相対的に大きくなる。
【0082】
このとき、励磁コイル704に電源706により電流を流すと、励磁コア702の一方の足の先端から出た磁束の大部分は最短距離で直接他方の足に向かうが、測定対象物708に磁気異方性があるために、一部は磁気異方性検出コア703の中を経由して、励磁コア702の他方の足に向かう。
【0083】
以上の磁気回路を交流磁界で形成すると、磁気異方性検出コイル705に誘導電流が流れ、電圧計707により電圧が検出される。この電圧値Vは、X方向の透磁率μxとY方向の透磁率μyの差、すなわち、(μx−μy)に比例する。また、透磁率μは、測定対象物708の応力(ひずみ)σ(X方向成分σx、Y方向成分σy)と比例関係にある。従って、以下の関係式が成り立つ。
【0084】
V=K0×(μx−μy)  ・・・[6−1]
但し、K0は、比例定数。
V=K1×(σx−σy)  ・・・[6−2]
但し、K1は、比例定数。
【0085】
このように、磁気異方性センサ701は、X方向とY方向の応力差(σx−σy)に比例した電圧値Vを検出値として出力する。従って、比例定数K1が分かれば、式[6−2]により、X方向とY方向の応力差(σx−σy)を算出することができる。以上が磁気異方性センサによる応力測定の原理である。
【0086】
次に、Karmanの扁平応力理論について説明する。Karmanの扁平応力理論は、曲管にモーメントが作用した際の、曲管部に発生する応力の管周方向の分布を理論的に説明するものである。曲管にモーメント(M)が作用したときの管軸方向応力σ、管周方向応力σ、は、Karmanの扁平応力理論によると、次のように表される。
【0087】
σ(φ)=kMr/I×{sinφ−6sinφ/(5+6λ)+9νλcos2φ/(5+6λ)}    ・・・[7−1]
σ(φ)=kMr/I×{ν(sinφ−6sinφ/(5+6λ))+9λcos2φ/(5+6λ)}  ・・・[7−2]
【0088】
ここで、φ:管の周方向角度(図1、図2参照)、ν:ポアソン比、R:曲管の曲率半径、r:管半径、t:管厚、I:管の断面2次モーメント、M:曲管に作用するモーメント、である。
λは、パイプ係数であり、λ=tR/rである。
kは、たわみ係数であり、k=(10+12λ)/(1+12λ)である。
【0089】
また、前述したように、磁気異方性センサの出力は、式[6−2]から分かるように、直交2方向の応力差(σ(φ)−σ(φ))を示すものである。この直交2方向の応力差(σ(φ)−σ(φ))は、次のように表される。
【0090】
σ(φ)−σ(φ)=kMr/I×{(1−ν)sinφ−(1+ν)6sinφ/(5+6λ)−(1−ν)9λcos2φ/(5+6λ)} ・・・[8]
【0091】
従って、曲管部にモーメントが作用したとき、管表面に発生する応力を磁気異方性センサで測定すると、式[8]の分布形状が得られることになる。以上がKarmanの扁平応力理論の概要である。
【0092】
図9は、磁気異方性センサによる、曲管の応力分布測定の概略を示す図である。
磁気異方性センサ902は、曲管901の表面を円周方向に走査しながら、応力分布の測定を行う。磁気異方性センサ902は、区間903に示すように等間隔に移動しながら、曲管901の応力を測定する。最小二乗法等の統計的手法によって、測定結果を式[8]に回帰して(σ(φ)−σ(φ))の分布を求め、さらに、測定結果及びこの(σ(φ)−σ(φ))の分布を式[7−1]、式[7−2]に回帰してσ(φ)、σ(φ)、M(曲管に作用するモーメント)を推定することができる。
【0093】
磁気異方性センサは、その原理から、モーメント等の外力による負荷応力のみならず、残留応力も同時に重畳する形で計測する。従って、磁気異方性センサの測定結果から、直接最大応力、最小応力を求めずに、敢えて、式[8]に回帰することにより、残留応力成分を除去する。
【0094】
残留応力は、マクロ的に見ると管の周方向にランダムに、すなわち、平均的に分布していると考えると、式[8]に回帰することによって残留応力成分が除去され、純粋にモーメントによる負荷応力のみが抽出されることになる。また、残留応力のみならず、管の内部流体の圧力による応力や、管軸方向の単純引張あるいは圧縮等のように管周方向に分布を持たない一定値として現れる応力についても、式[8]に回帰することによって残留応力と同様に除去することが可能である。
【0095】
このように、磁気異方性センサを曲管の周方向に移動させて応力分布を測定し、この測定値を式[7−1]、式[7−2]、式[8]に回帰分析することによって、当該曲管に発生する応力評価及び作用モーメント推定等を行うことができる。
【0096】
尚、上記図1〜図6について説明した、扁平量(曲管の断面扁平量)に基づく曲管の応力評価手法(応力評価手法▲1▼)に関しては、降伏応力を超える領域に関しても応力評価が可能である(図5参照)。しかしながら、曲管の径の初期値、すなわち、外力による断面変形を受けていない状態(製作時、設置時等)の曲管の外径値、内径値等の記録がない場合、扁平量(外径変化量、内径変化量等)の正確な値が得られず、ひいては、信頼性を有する応力評価を行うことは困難である。
【0097】
また、上記図7〜図9について説明した、磁気異方性センサを用いた管路の曲管の応力評価手法(応力評価手法▲2▼)に関しては、磁気異方性センサの原理的な制約から管の降伏応力のせいぜい70%程度が測定限界である。また、曲管おける残留応力は、直管等と比較して大きいことから、測定限界は、さらに制限されると考えられる。
【0098】
次に、図10を参照しながら、曲管の径(外径、内径等)の初期値の記録がない場合の曲管の応力評価、あるいは、磁気異方性センサの測定限界を超える領域における曲管の応力評価について説明する。
図10は、管路1001の概略構成を示す図である。管路1001は、曲管1002〜曲管1005等を有するものとし、そのうち曲管1002は、評価対象(応力評価の対象)の曲管Aとし、その他の曲管1003等は、曲管Aと同時期に製造された曲管Bであるとする。
【0099】
曲管A等の径の初期値の記録がない場合、まず、曲管Aに関して、上記の磁気異方性センサを用いた曲管の応力評価手法▲2▼により応力評価を行う。ここで得られた応力分布が磁気異方性センサの測定限界に近い場合、すなわち、測定限界を超えている可能性がある場合、曲管A近辺(曲管Aの前後等)の曲管、例えば、曲管1003(曲管B)に関して、曲管Aと同様に、上記の磁気異方性センサを用いた曲管の応力評価手法▲2▼により応力評価を行う。
【0100】
ここで得られた応力分布が磁気異方性センサの測定範囲内であれば、式[7−1]、式[7−2]、式[8]に関して回帰分析等の処理を行い、曲管Bに作用するモーメント(M)を推定する。さらに、式[3−1]、式[3−2]により、この作用モーメント(M)に対応する曲管Bの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e)を求める。
【0101】
次に、曲管Bの外径、内径等(2r’)をノギス、ピグ等を用いて測定し、曲管Bの外径、内径等の初期値(2r=2r’−2e)を求める。評価対象の曲管Aの外径、内径等の初期値(2r)は、曲管Bと同時期に製造されているとすれば、曲管Bの外径、内径等の初期値(2r)と同等とみなすことができる。
【0102】
次に、曲管Aの外径、内径等(2r’)をノギス、ピグ等を用いて測定し、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e=2r’−2r=2r’−2r)を求める。
尚、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)2eは、2e=2r’−2r=2r’−2r=(2r’−2r’)+2e、と表すことができる。従って、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e)は、曲管Bの扁平量(2e)に曲管Aと曲管Bの外径、内径等の測定値の差(2r’−2r’)を加えて算出してもよい。
【0103】
次に、上記図1〜図6について説明した、扁平量(曲管の断面扁平量)に基づく曲管の応力評価手法▲1▼と同様にして、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e)から式[3−1]、式[3−2]により、曲管Aに作用するモーメントMを求め、式[1−1]〜式[1−4](Rodabaugh & Georgeの理論式)により、曲管Aに発生している応力を評価する。
【0104】
尚、曲管Aに関して、上記の磁気異方性センサを用いた曲管の応力評価手法▲2▼により応力評価を行い、ここで得られた応力分布が磁気異方性センサの測定範囲内であれば、その値をそのまま曲管Aの応力評価結果として用いてもよい。
【0105】
このように、評価対象の曲管Aに作用する応力が磁気異方性センサの測定限界を超える場合であっても、また、評価対象の曲管Aの外径、内径等の初期値に関する記録がない場合であっても、評価対象の曲管A近辺の他の曲管Bに関して、磁気異方性センサにより応力分布測定を行い、応力評価手法▲2▼における式[7−1]、式[7−2]、式[8]から曲管Bに作用するモーメントを求め、応力評価手法▲1▼における式[3−1]、式[3−2]から曲管Bの扁平量(外径変化量、内径変化量等)を求め、曲管Bの外径、内径等の測定値から曲管Bの外径、内径等の初期値を求め、これを曲管Aの外径、内径等の初期値として曲管Aの扁平量を算出し、応力評価手法▲1▼により曲管Aの応力評価を行うことができる。
【0106】
次に、図11を参照しながら、上述した応力評価方法に係る応力評価装置について説明する。
上記の式[1−1]〜式[5−2]及びその他の計算式、応力評価の手順等をコンピュータに登録、記録することで、当該コンピュータは、磁気異方性センサにより測定した応力値、ノギス等により測定した曲管の外径、内径等、その他の必要数値が入力されると、曲管の応力評価、応力分布の算出を行うことができる。
【0107】
図11は、曲管の応力評価装置としてのコンピュータが実行する処理を示すフローチャートである。上記図10に関して説明したのと同様に、曲管Aは、評価対象(応力評価の対象)の曲管であり、曲管A近辺に設置されている曲管Bは、曲管Aと同時期に製造された曲管であるとする。
【0108】
曲管Aに関して、上記の磁気異方性センサを用いた曲管の応力評価手法▲2▼により得られた応力値をコンピュータに入力する(ステップ1101)。
コンピュータは、この応力値が磁気異方性センサの測定限界を超えている可能性があるかどうかを判定する(ステップ1102)。
この応力値が磁気異方性センサの測定限界を超えている可能性がある場合(ステップ1102のYES)、曲管A近辺の他の曲管に関して、上記の磁気異方性センサを用いた曲管の応力評価手法▲2▼により得られた応力値をコンピュータに入力する(ステップ1103)。
コンピュータは、この応力値が磁気異方性センサの測定限界を超えている可能性があるかどうかを判定する(ステップ1104)。
ステップ1103〜ステップ1104の処理を繰り返し、測定限界範囲内の応力値を示す曲管を選定し、この曲管を曲管Bとする。
【0109】
コンピュータは、磁気異方性センサにより得られた応力分布に基づいて、式[7−1]、式[7−2]、式[8]に関して回帰分析等の処理を行い、曲管Bに作用するモーメント(M)を算出する(ステップ1105)。
コンピュータは、式[3−1]、式[3−2]により、作用モーメント(M)に対応する曲管Bの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e)を求める(ステップ1106)。
【0110】
曲管Bの外径、内径等(2r’)をノギス、ピグ等を用いて測定し、この測定値をコンピュータに入力する(ステップ1107)。
コンピュータは、曲管Bの外径、内径等の初期値(2r=2r’−2e)を求める(ステップ1108)。尚、初期値は、外力による断面変形を受けていない状態(製作時、設置時等)の曲管の外径、内径等である。
【0111】
次に、曲管Aの外径、内径等(2r’)をノギス、ピグ等を用いて測定し、この測定値をコンピュータに入力する(ステップ1109)。
コンピュータは、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e=2r’−2r=2r’−2r)を算出する(ステップ1110)。尚、評価対象の曲管Aの外径、内径等の初期値(2r)は、曲管Bと同時期に製造されているとすれば、曲管Bの外径、内径等の初期値(2r)と同等とみなすことができる。
【0112】
コンピュータは、曲管Aの扁平量(2e)の算出値を用いて、式[3−1]、式[3−2]により、曲管Aに作用するモーメント(M)を算出する(ステップ1111)。
コンピュータは、曲管Aに作用するモーメント(M)の算出値を用いて、[1−1]〜式[1−4](Rodabaugh & Georgeの理論)により、応力評価を行う(ステップ1112)。
【0113】
以上の過程を経て、応力評価装置としてのコンピュータは、磁気異方性センサにより測定した応力分布、ノギス等により測定した曲管の外径、内径等、その他の必要数値が入力されると、曲管の応力評価、応力分布の算出を行うことができる。さらに、評価対象の曲管に作用する応力が磁気異方性センサの測定限界を超える場合であっても、また、評価対象の曲管の外径、内径等の初期値に関する記録がない場合であっても、扁平量(曲管の断面扁平量)に基づく曲管の応力評価手法(応力評価手法▲1▼)及び磁気異方性センサを用いた管路の曲管の応力評価手法(応力評価手法▲2▼)に係る処理を実行することにより、コンピュータは、当該初期値を推定、算出して、評価対象の曲管の応力評価を行うことができる。
【0114】
尚、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)2eは、2e=2r’−2r=2r’−2r=(2r’−2r’)+2e、と表すことができる。従って、曲管Aの扁平量(外径変化量、内径変化量等)(2e)は、曲管Bの扁平量(2e)に曲管Aと曲管Bの外径、内径等の測定値の差(2r’−2r’)を加えて算出してもよい。
【0115】
また、上記の応力評価装置としてのコンピュータを応力評価サーバとしてインターネット等のネットワークに接続し、端末装置(パーソナルコンピュータ、情報携帯端末、携帯電話等)がネットワークを介してこのサーバにアクセスできるようにすることもできる。
【0116】
この場合、端末装置からネットワークを介して磁気異方性センサにより得られた曲管の応力分布を応力評価サーバに入力(ステップ1101、ステップ1103)したり、外径又は内径の測定値をネットワークを介して応力評価サーバに入力(ステップ1107、ステップ1109)することができる。応力評価サーバは、曲管の扁平量、面内曲げモーメント、面外曲げモーメント、応力分布等を算出(ステップ1110〜ステップ1112)し、その算出結果を端末装置にネットワークを介して送信することができる。また、応力評価サーバは、入力データ及び算出結果をデータベースとして記録、管理し、応力評価サーバ自身あるいは端末装置が必要に応じて当該データベースを利用できるようにしてもよい。
【0117】
また、このコンピュータ(上記の応力評価サーバ、端末装置等を含む)の機能は、すべてソフトウェア、コンピュータプログラムによって実現することが可能である。このため、必要なソフトウェア、コンピュータプログラムは、ネットワークを介して、あるいは、プログラムを記録したCD−ROM、DVD−ROMなどの記録媒体によって、流通させることが可能である。
【0118】
次に、図12を参照しながら、前述の応力評価方法、応力評価装置等を用いた管のメンテナンス及び補修に関して説明する。図12は、管1202の応力解放方法の概要図を示す。地盤1201には管1202が埋設されている。この管1202の任意の点(曲管部等)について、前述の実施の形態に示す方法で応力を算出して応力解放の必要性を判定し、応力解放部1204を決定する。
【0119】
応力解放部1204の下部の掘削部1205の地盤を掘削し、管1202の応力解放部1204を応力解放部1203の位置に移動させる。そして、掘削部1205を再度埋め立て、管1202の位置を補修する。
【0120】
次に、図13を参照しながら、前述の応力評価方法、応力評価装置等を用いた管のメンテナンス及び補修に関して説明する。図13は、管1302の応力解放方法の概要図を示す。地盤1301には管1302が埋設されている。この管1302の任意の点(曲管部等)について、前述の実施の形態に示す方法で応力を算出して応力解放の必要性を判定し、応力解放部1303を決定する。応力解放部1303の両端付近を切断し、応力解放部1303の中央部分を除去する。そして、切断部1304と切断部1305を接合し、管1302の位置を補修する。
【0121】
図12及び図13に関して説明したように、本発明の実施の形態に係る応力評価方法、応力評価装置等を用いることにより、現場で簡便に任意の点での応力を算出し、管のメンテナンスや補修を行うことができる。
【0122】
以上、添付図面を参照しながら、本発明にかかる曲管の応力評価方法、応力評価装置等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0123】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、管路を構成する曲管に発生する応力を簡便に精度よく算出することを可能とする曲管の応力評価方法、応力評価装置等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】曲管の斜視図
【図2】曲管の断面図
【図3】曲管に、面内曲げモーメント、面外曲げモーメント、これらの合成モーメントが作用した場合の扁平量(外径変化量)と周方向の角度との関係を示す図
【図4】扁平量(外径変化量)と最大周方向応力との関係を測定するための実験の概要を模式的に示す図
【図5】扁平量(外径変化量)と円周方向の最大応力との関係を示す図
【図6】周方向及び軸方向の応力分布に関する解析値及び実験値を示す図
【図7】磁気異方性センサの動作原理を示す図
【図8】図7に示した磁気異方性センサの部分的な詳細図
【図9】磁気異方性センサによる、曲管の応力分布測定の概略を示す図
【図10】管路の概略構成を示す図
【図11】曲管の応力評価装置としてのコンピュータが実行する処理を示すフローチャート
【図12】管のメンテナンス及び補修に関する説明図
【図13】管のメンテナンス及び補修に関する説明図
【符号の説明】
101………曲管
102………管軸
401………管
402………曲管
403………直管
404………中央断面
701………磁気異方性センサ
702………励磁コア
703………磁気異方性検出コア
704………励磁コイル
705………磁気異方性検出コイル
706………電源
707………電圧計
708………測定対象物
901………曲管
902………磁気異方性センサ
1001………管路
1002………評価対象の曲管
1003、1004、1005………曲管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pipeline stress evaluation method, a stress evaluation device, and the like. More specifically, the present invention relates to a stress evaluation method, a stress evaluation device, and the like in a curved pipe portion forming a pipe.
[0002]
[Prior art]
In general, when laying a pipeline (line pipe) that supplies gas, etc., stress due to external force due to land subsidence etc. occurs in the pipeline, but in order to absorb displacement due to external force around the common groove and abutment , Curved tubes are often used. In order to safely maintain the pipeline, it is important to know where the maximum stress occurs on the pipeline. In addition, since the maximum stress generally occurs in a curved pipe portion, stress evaluation in the curved pipe section is particularly important. Since the pipeline is in service and the above-mentioned stress evaluation is based on nondestructive diagnosis in principle, it is difficult to use a measuring method with a strain gauge.
[0003]
2. Description of the Related Art Conventionally, the following method is employed for stress evaluation of a pipe such as a curved pipe portion. First, at a plurality of measurement points, the amount of settlement is measured and leveling is performed. The measurement of the settlement amount is performed by a settlement rod or the like installed in the buried portion, and the leveling is performed at a measurement point or the like provided in the support unit in the joint premises. Next, a finite element method (FEM) model considering the shape of the pipeline is created. Then, the measured value of the settlement amount and the measured value of the leveling are input to the finite element method model as the deformation amount of the pipeline, and the analysis is performed, and the stress of the curved pipe portion is evaluated from the analysis result.
[0004]
Japanese Patent Publication No. 7-62636 and Japanese Patent Publication No. 7-69226 disclose a technique (magnetostriction method) for evaluating stress in a pipeline using a magnetic anisotropic sensor.
[0005]
The method according to Japanese Patent Publication No. 7-62636 discloses a method in which, when a moment is applied to a straight pipe portion of a pipe, the stress generated on the pipe surface is evaluated mechanically and it is assumed that the cross section of the pipe is not deformed. Focusing on the fact that the stress distribution on the pipeline surface becomes a SIN function with a period of 360 degrees, by regressing the output of the magnetic anisotropy sensor to this SIN function, the amplitude component and the phase angle of the SIN function Each seeks the magnitude of the bending stress and the direction of the bending.
[0006]
According to the method according to Japanese Patent Publication No. 7-69226, when a moment acts on a straight pipe portion of a pipeline, the pipeline undergoes cross-sectional deformation due to flattening. Evaluation, focusing on the fact that the stress distribution on the pipeline surface becomes a SIN function with a period of 180 degrees, and by regressing the output of the magnetic anisotropy sensor to this SIN function, the amplitude component and phase angle of the SIN function Therefore, the magnitude of the flat stress and the direction of the flat stress are determined from the above.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to ensure the accuracy of analysis by the conventional finite element method model, there is a problem that it is necessary to provide a considerably large number of measurement points for settlement and leveling. For example, in the case of a pipe having a diameter of 600 mm, measurement data over a minimum of 50 m is required at intervals of about 5 m. For this reason, the cost for measurement increases. Further, since these measurement data are repeatedly analyzed by the finite element method, there is a problem that cost and time are required, and that the presence of a skilled person is indispensable for the work.
[0008]
In the case of a curved tube, it is difficult to directly measure the degree of stress in a non-destructive state. The prior arts described in Japanese Patent Publication No. 7-62636 and Japanese Patent Publication No. 7-69226 are methods for estimating bending stress or flat stress of a straight pipe portion. Therefore, even if the magnetostriction method of measuring the stress in a non-destructive manner by using a magnetic anisotropic sensor is used, the pure bending stress in the straight pipe portion which is not affected by the cross-sectional deformation of the curved pipe is measured, and the finite element method is used. The indirect method of estimating the stress of the curved pipe portion by using the analysis means such as the above is merely performed.
[0009]
Further, the cross-section of the curved pipe that has received the in-plane bending moment has the largest flatness at the central part of the curved pipe, and the flattened end of the curved pipe has about 70% of the central part. The flatness disappears depending on the radius of curvature, but in the case of a radius of curvature of about 1.5 DR, it is about 3D away from the end of the curved pipe. If the target pipe is 750 mm in diameter, a separation of 2 m or more is necessary, and considering that there is almost no room for space inside the sinus (in the common ditch) or around the abutment, There is a problem that the case where the flattening due to the above-mentioned separation can be applied at a position where the flattening has disappeared is extremely limited. On the other hand, even if the magnetostriction method is directly applied to the measurement of stress in a curved tube portion, since considerable distortion during production remains in the portion and its distribution shape is complicated, for example, the sedimentation There is a problem that it is extremely difficult to separate a stress component generated by an external force.
[0010]
The present invention has been made in view of such a problem, and a stress evaluation method, a stress evaluation device, and the like for a curved pipe capable of easily and accurately calculating a stress generated in a curved pipe constituting a pipeline. The purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a first aspect of the present invention provides a first stress-moment relational expression showing a relationship between a moment acting on a curved pipe constituting a pipe and a distribution of stress generated in the curved pipe by a sensor. Calculating the moment by regressing the measured value of the stress distribution, and developing a second stress-moment relational expression showing a relationship between the moment and the stress distribution with respect to a displacement in a sectional direction of the curved pipe. A first flattening amount calculating step of calculating the flattening amount by inputting the moment into a moment-flattening relational expression indicating a relationship between the flattening amount of the curved pipe and the moment, which is derived by performing A stress evaluation method for a curved pipe, comprising:
[0012]
Further, in the stress evaluation method described above, the first curved pipe and the second curved pipe constituting the pipe are regarded as having the same initial value of the diameter, and the first flattened amount calculated in the first flattening amount calculating step is calculated. A second flatness calculating step of calculating the flatness of the second curved pipe based on the flatness of the curved pipe and the measured values of the diameters of the first curved pipe and the second curved pipe; The flatness of the second curved pipe is input to the moment-flatness relational expression to calculate the moment acting on the second curved pipe, and this moment is input to the second stress-moment relational expression. And calculating the stress distribution of the second curved pipe.
[0013]
In the first invention, the distribution of stress generated in the curved tube is measured using a magnetic anisotropic sensor or the like, and regression analysis is performed on the first stress-moment relational expression based on the measured value of the stress distribution. Thus, the moment acting on the curved pipe is calculated, and the flatness of the curved pipe is calculated from the moment-flatness relational expression.
[0014]
Further, in the first invention, the initial values of the diameters of the first curved pipe and the second curved pipe constituting the pipe are regarded as equivalent, and the flatness of the first curved pipe calculated in the first flattening amount calculating step is calculated. The flatness of the second curved pipe is calculated based on the amount and the measured value of the diameter of the first curved pipe and the diameter of the second curved pipe, and the flatness of the second curved pipe is defined as a moment-flatness relation. The moment acting on the second curved pipe is calculated by inputting the equation to the equation, and the moment is input to the second stress-moment relational equation to calculate the stress distribution of the second curved pipe.
[0015]
The “pipe” is a pipe (lifeline) for supplying gas, water, and the like, and includes a curved pipe, a straight pipe, and the like.
The “first curved pipe” is manufactured at the same time as the curved pipe to be subjected to the stress evaluation, and the initial value of the diameter (inner diameter, outer diameter, etc.) can be considered to be equivalent to the curved pipe to be subjected to the stress evaluation. For example, curved pipes are disposed near, before and after a curved pipe to be subjected to stress evaluation.
The “second curved pipe” is a curved pipe to be subjected to stress evaluation.
[0016]
The “sensor” measures a stress generated in a curved tube, and is, for example, a magnetic anisotropic sensor. It is known that the measurement limit of the stress distribution measurement by the magnetic anisotropic sensor is at most about 70% of the yield stress of the pipe due to the principle limitation. In addition, since the residual stress in a curved pipe is larger than that in a straight pipe or the like, the measurement limit is considered to be further limited. The details of the stress measurement by the magnetic anisotropic sensor will be described later.
[0017]
"Flatness" refers to the amount of cross-sectional deformation and diameter change (outer diameter change, inner diameter change, etc.) of a curved tube, for example, a state in which it is not subjected to cross-sectional deformation due to external force (at the time of manufacture, installation, etc.). This is the amount of change over time in the diameter (outer diameter, inner diameter, etc.) of the curved pipe with reference to the curved pipe. That is, the flatness caused by the external force corresponds to the difference between the initial value of the diameter of the curved pipe and the measured value of the diameter of the curved pipe at the present time.
[0018]
The “first stress-moment relational expression” indicates a relationship between a moment acting on a curved pipe and a stress (a pipe axial stress, a pipe circumferential stress, and the like) generated in the curved pipe. For example, Karman's It is a theoretical formula. Karman's theoretical formula theoretically describes the distribution of stress generated in the curved pipe portion when a moment acts on the curved pipe. The details of Karman's theory (Karman's flat stress theory) will be described later.
[0019]
The “second stress-moment relational expression” includes a moment acting on a curved pipe (an in-plane bending moment, an out-of-plane bending moment, etc.) and a stress generated on the curved pipe (a pipe axial stress, a pipe circumferential stress, etc.) This shows the relationship. In addition, the second stress-moment relational expression indicates a pipe axial stress and a pipe circumferential stress corresponding to an in-plane bending moment, and a pipe axial stress and a pipe circumferential stress corresponding to an out-of-plane bending moment. Desirably, for example, the theoretical formula of Rodabaughu & George. The details of this theoretical formula will be described later.
[0020]
The “moment-flatness relational expression” indicates a relationship between the flatness of a curved pipe constituting the pipe and a moment acting on the curved pipe. For example, the theoretical equation of Rodabaugh && George is expressed by the following equation. This is a relational expression derived by expanding the direction displacement up to a term of a predetermined order.
[0021]
In this case, the moment-flatness relational expression is
Mi= Η1EI / kpR × ei,
Mo= Η2EI / kpR × eo,
It can be expressed as.
However,
MiIs the in-plane bending moment,
MoIs the out-of-plane bending moment,
E is the modulus of elasticity,
I is the second moment of area of the tube;
R is the radius of curvature of the curved tube,
2 × eiIs the flattening amount in the circumferential direction at an angle of 0 °,
2 × eoIs the flattening amount in the circumferential direction at an angle of 45 °,
kpIs the deflection constant,
η1 and η2 are constants determined by the internal pressure of the curved pipe, the radius of curvature, the radius, and the pipe thickness.
[0022]
The “angle in the circumferential direction” indicates the direction of the outer diameter and the inner diameter of the curved pipe, the position on the circumference of the curved pipe, and the like. The angle in the circumferential direction is represented by an angle formed by a predetermined reference radius of a cross section of the curved pipe (a cross section taken on a plane perpendicular to the pipe axis). The definition of the angle in the circumferential direction will be described later. For example, the radius of curvature direction of the curved tube corresponds to the direction of 90 ° (−90 °) in the circumferential direction.
[0023]
Note that kp, Η1, Η2Depends on the order of the term that expands in the stress-moment relational equation. For example, if the term expands to about the third order,
kp= 1 / (c4 + c5 + c6 + c7),
η1= 1 / {r (2d1+ 4d2+ 6d3)},
η2= 1 / {r (2d1-6d3)},
Can be used.
However,
Ψ = PR2/ Ert,
λ = tR / r2(1-ν2)(1/2)(Λ: pipe coefficient),
C1 = 5 + 6λ2+ 24Ψ,
C2 = 17 + 600λ2+ 480 °,
C3 = 37 + 7350λ2+ 2520Ψ
d1= 3 (C2C3-110.25) / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
d2= 7.5C3 / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
d3= 78.75 / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
c4 = 1 + 3d1+ 2.25d1 2,
c5 = 0.25 (d1 2+ 34d2 2+ 74d3 2-10d1d2-42d2d3),
c6 = λ2/ 12 × (36d1 2+ 3600d2 2+ 4410d3 2),
c7 = Ψ (12d1 2+ 240d2 2+ 1260d3 2),
P is the internal pressure,
t is the tube thickness,
r is the radius of the tube,
ν is Poisson's ratio.
[0024]
In the first invention, the stress distribution of a curved tube is measured by a sensor such as a magnetic anisotropic sensor, the acting moment of the curved tube is calculated using Karman's theoretical formula, and the like, and the moment-flatness relational expression is used. Since the flatness of the curved pipe is calculated from the acting moment of the curved pipe, the flatness of the curved pipe can be calculated even when the initial value of the diameter of the curved pipe is not recorded. Then, by measuring the diameter of the curved pipe, the initial value of the diameter of the curved pipe can be calculated.
[0025]
In the first aspect, the flatness of the curved pipe to be subjected to stress evaluation is calculated by setting the initial value of the diameter of the predetermined curved pipe to the initial value of the diameter of the curved pipe to be subjected to stress evaluation. The stress distribution of the curved tube to be subjected to the stress evaluation is calculated by a relational expression, a theoretical expression of Rodabaugh && George, and the like. In this case, even if there is no record of the initial value of the diameter of the curved pipe to be subjected to the stress evaluation, the stress evaluation of the curved pipe can be performed. Moreover, even when the measurement limit of the magnetic anisotropic sensor is exceeded, such as a range exceeding the yield stress of the tube, the stress evaluation can be performed.
[0026]
In the first invention, the flatness of the curved pipe (1) in the 0 ° / 180 ° direction, (2) in the 45 ° / -135 ° direction or in the −45 ° / 135 ° direction, that is, in the two directions, The amount of change in the outer diameter) is measured with a general measuring instrument such as a caliper, so that the tube axial stress, pipe circumferential stress, and out-of-plane bending moment corresponding to the in-plane bending moment can be obtained with sufficient accuracy for practical use. Corresponding pipe axial stress and pipe circumferential stress can be calculated.
[0027]
According to a second aspect of the present invention, a first stress-moment relational expression showing a relationship between a moment acting on a curved pipe constituting the pipe and a distribution of stress generated in the curved pipe is used to calculate a measured value of the stress distribution by a sensor. Means for calculating the moment by regression; and a curve obtained by developing a second stress-moment relational expression showing a relation between the moment and the stress distribution with respect to a displacement in a sectional direction of the curved pipe. A first flatness calculating means for calculating the flatness by inputting the moment to a moment-flatness relational expression indicating a relationship between the flatness of the pipe and the moment; This is a pipe stress evaluation device.
[0028]
Further, the stress evaluation device considers the initial values of the diameters of the first curved pipe and the second curved pipe constituting the pipe to be equivalent, and calculates the first flattened amount calculated in the first flattening amount calculating step. Second flatness calculating means for calculating the flatness of the second bent pipe based on the flatness of the bent pipe and the measured values of the diameters of the first bent pipe and the second bent pipe; The flatness of the second curved pipe is input to the moment-flatness relational expression to calculate a moment acting on the second curved pipe, and this moment is input to the second stress-moment relational expression. Means for calculating the stress distribution of the second curved pipe.
[0029]
The second invention is an invention regarding a stress evaluation device according to the stress evaluation method of the first invention. The stress evaluation device stores the first stress-moment relational expression, the second stress-moment relational expression, the flatness-moment relational expression, and the like in a memory or a database.
[0030]
An information processing device such as a computer can be used as the “stress evaluation device”. Also, the stress evaluation device may be connected to a network such as the Internet as a stress evaluation server so that a terminal device (a personal computer, a personal digital assistant, a mobile phone, etc.) can access the stress evaluation server via the network. it can.
[0031]
In this case, the measured value of the diameter of the curved pipe, the measured value of the stress distribution of the curved pipe by the magnetic anisotropy sensor, and the like can be input to the stress evaluation server from the terminal device via the network. The stress evaluation server can calculate the initial value of the diameter of the curved pipe, the flattening amount, the acting moment, the stress distribution, and the like, and can transmit the calculation result to the terminal device via the network. Further, the stress evaluation server can hold, record, and manage the input data and the calculation result in a database so that the stress evaluation server itself or a terminal device can use the database as needed.
[0032]
A third invention is a program that causes a computer to function as the stress evaluation device of the second invention.
A fourth invention is a recording medium that records a program that causes a computer to function as the stress evaluation device of the second invention.
[0033]
The “recording medium” is a CD-ROM, DVD, flexible disk, hard disk, or the like.
The above-described program can be distributed through a network such as the Internet, or a recording medium can be distributed.
[0034]
The configuration and features of the present invention will be clarified in the embodiments described below and the accompanying drawings.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a stress evaluation method, a stress evaluation device, and the like according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the following description and the accompanying drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0036]
First, with reference to FIGS. 1 to 6, a description will be given of stress evaluation of a curved pipe based on a flattened amount (a cross-sectional flattened amount of a curved pipe).
[0037]
FIG. 1 is a perspective view of a curved tube, and explains the definition of “circumferential angle” (hereinafter, also simply referred to as “angle”) φ. FIG. 2 is a cross-sectional view of a curved tube, and explains the definition of an angle. Note that a description will be given on the assumption that the curved pipe 101 has a circular cross section perpendicular to the pipe axis 102. Further, in the present embodiment, the flat amount and the cross-sectional deformation amount of the curved pipe are mainly described as corresponding to the outer diameter change amount of the curved pipe. There is no problem in accuracy in practical use.
[0038]
The cross section 201 is a vertical cross section of the curved pipe 101 with respect to the pipe axis 102. In FIG. 2, the radius connecting the center point 202 and the rightmost point 203 of the circumference of the cross section is defined as a reference radius (angle of 0 ° in the circumferential direction), and the circumferential angle of the pipe is defined as shown in FIGS. I do. When indicating directions such as the outer diameter and the inner diameter of the curved pipe, for example, a direction connecting a position at a circumferential angle of 0 ° and a position at a circumferential angle of 180 ° is referred to as “0 °” in the present specification. / 180 ° direction ”,“ 0 ° direction ”, and the like.
[0039]
When an external force such as settlement is applied to a curved pipe, a bending moment is generated. The direction of the bending moment is divided into in-plane bending and out-of-plane bending. The in-plane bending is bending in a plane direction including the pipe axis of the bent pipe, and the out-of-plane bending is bending in an out-of-plane direction including the pipe axis of the bent pipe.
[0040]
In-plane bending moment (Mi) Acts on the pipe in the axial direction σiL, Pipe circumferential stress σiC, Out-of-plane bending moment (Mo) Acts on the pipe in the axial direction σoL, Pipe circumferential stress σoCRodabaugh & George's Theory (Rodabaugh, EC, and Georg, HH, "Effect of Internal Pressing on Flexibility Energy and Strength Investigation Funding and Strengthening Investigation." 1957, pp. 939-948.), It is expressed as follows.
[0041]
σiL(Φ) = kpMir / I (1-ν2) × f1(Φ) ... [1-1]
σiC(Φ) = kpMir / I (1-ν2) × f2(Φ) ... [1-2]
σoL(Φ) = kpMor / I (1-ν2) × f3(Φ) ... [1-3]
σoC(Φ) = kpMor / I (1-ν2) × f4(Φ) ・ ・ ・ [1-4]
[0042]
Here, φ: circumferential angle of the pipe (see FIGS. 1 and 2), ν: Poisson's ratio, R: radius of curvature of the bent pipe, r: pipe radius, t: pipe thickness, I: secondary moment of area of the pipe , Mi: In-plane bending moment acting on curved pipe, Mo: Out-of-plane bending moment acting on curved pipe, kp: Deflection coefficient.
Note that λ = tR / r2(1-ν2)(1/2)And put, kpIs a function of λ and the internal pressure P. λ is a pipe coefficient.
[0043]
Note that f1(Φ), f2(Φ), f3(Φ), f4(Φ) is specifically expressed as follows.
(Equation 1)
Figure 2004028769
However, + (plus) in the sign of ± is used when calculating the stress on the outer surface of the tube, and-(minus) is used when calculating the stress on the inner surface.
[0044]
Also, dnAlso kpIt becomes a function of λ and the internal pressure P in the same manner. The order in which n should be taken depends on the value of λ. As λ becomes smaller, higher-order terms are required, but if λ = about 0.1, up to the third order is sufficient. ing. In this case, dn, KpIs expressed as follows.
[0045]
d1= 3 (C2C3-110.25) / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
d2= 7.5C3 / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
d3= 78.75 / {6.25C3-C1 (C2C3-1100.25)},
However,
Ψ = PR2/ Ert (E: elastic modulus),
C1 = 5 + 6λ2+ 24Ψ,
C2 = 17 + 600λ2+ 480 °,
C3 = 37 + 7350λ2+ 2520Ψ
And
[0046]
kp= 1 / (c4 + c5 + c6 + c7)
However,
c4 = 1 + 3d1+ 2.25d1 2,
c5 = 0.25 (d1 2+ 34d2 2+ 74d3 2-10d1d2-42d2d3),
c6 = λ2/ 12 × (36d1 2+ 3600d2 2+ 4410d3 2),
c7 = Ψ (12d1 2+ 240d2 2+ 1260d3 2),
And
[0047]
In addition, the pipe has an in-plane bending moment Mi, Out-of-plane bending moment MoThe amount of change in the radius of the pipe wheni, EoEquations [1-1] to [1-4] (Rodabough & George's theoretical equation) are developed for the displacement in the sectional direction, and Mi, MoAnd ei, EoLooking for a relationship with
Mi= Η1EI / kpR × ei... [3-1]
Mo= Η2EI / kpR × eo... [3-2]
It is.
[0048]
here,
η1= 1 / {r (2d1+ 4d2+ 6d3)}
η2= 1 / {r (2d1-6d3)}
ei= Ri’-Ri0
Eo= Ro’-Ro0
(Ri0: Circumferential angle of 0 ° before external force acts)
(Ri′: Radius at an angle of 0 ° in the circumferential direction after external force is applied)
(Ro0: Circumferential angle of 45 ° before external force acts)
(Ro′: Radius at an angle of 45 ° in the circumferential direction after the external force is applied)
It is.
[0049]
In addition, 2 × eiIs equivalent to the flat amount (the maximum outer diameter change amount, the maximum inner diameter change amount, the maximum cross-sectional deformation, the maximum flat amount) in the circumferential direction at an angle of 0 °.
Also, 2 × eoCorresponds to the flattening amount (the maximum outer diameter change amount, the maximum inner diameter change amount, the maximum cross-sectional deformation, the maximum flattening amount) in the 45 ° circumferential direction.
[0050]
Flatness W in in-plane bending and out-of-plane bendingi(Φ), Wo(Φ) can be expressed as follows, respectively. Note that the flattening amount W shown in the following equationi(Φ), Wo(Φ) is the amount of change in the diameter of the curved tube (the amount of change in radius × 2).
Wi(Φ) = 2 × η1$ 2d1cos (2φ) + 4d2cos (4φ) + 6d3cos (6φ)} ・ ・ ・ [4-1]
Wo(Φ) = 2 × η2$ 2d1sin (2φ) + 4d2sin (4φ) + 6d3sin (6φ)} [4-2]
[0051]
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an in-plane bending moment, an out-of-plane bending moment, and a flat amount (outer diameter change amount) and a circumferential angle when these combined moments act on a curved pipe. The vertical axis indicates the flatness (the amount of change in outer diameter), and the horizontal axis indicates the angle in the circumferential direction.
[0052]
A curve 301 shows the relationship between the flat amount (outer diameter change amount) and the circumferential angle when an in-plane bending moment acts on a curved pipe.
A curve 302 shows the relationship between the flat amount (outer diameter change amount) and the angle in the circumferential direction when an out-of-plane bending moment acts on the curved pipe.
A curve 303 indicates the relationship between the flat amount (outer diameter change amount) and the angle in the circumferential direction when a resultant moment acts on the curved pipe.
The curve 301, the curve 302, and the curve 303 are graphs having a period of 180 °, as can be seen from the equations [4-1] and [4-2].
[0053]
Referring to the curve 301 in FIG. 3, the flatness (outer diameter change amount) in the in-plane bending is maximum in the direction of the angle 0 ° / 180 °, and is 0 ° in the direction of 90 ° / angle−90 °. The sign is opposite to the flat amount (outer diameter change amount) in the 180 ° direction, and the value is small. Further, the flatness (outer diameter change amount) in the in-plane bending is substantially zero at the angles of 45 °, −45 °, 135 °, and −135 °.
[0054]
Referring to the curve 302 in FIG. 3, the flatness (outer diameter change amount) in out-of-plane bending is maximum in the direction of 45 ° / 135 °, and in the direction of 135 ° / −45 °, the angle is 45 °. The sign is opposite to the flat amount (outer diameter change amount) in the direction of ° / angle-135 °. Further, the flatness (outer diameter change amount) in out-of-plane bending is almost 0 at an angle of 0 °, an angle of 180 °, an angle of 90 °, and an angle of −90 °.
[0055]
Therefore, even when both in-plane bending and out-of-plane bending are applied, the flatness (outer diameter variation) 2e in the direction of 0 ° / 180 °iIs measured, the in-plane bending moment M is calculated by the equation [3-1].iCan be calculated.
Further, even when both in-plane bending and out-of-plane bending are applied, the flatness (outer diameter change amount) in the direction of 45 ° / 135 ° or 135 ° / −45 °. 2eoIs measured, the out-of-plane bending moment M is obtained from the equation [3-2].oCan be calculated.
[0056]
Mi, MoIs obtained, the stress (σ) at an arbitrary position on the cross section is obtained by Expressions [1-1] to [1-4] (Rodabaugh & George's theoretical expression).iL, Σi C, ΣoL, ΣoC) Can be calculated.
[0057]
FIG. 4 is a diagram schematically showing an outline of an experiment for measuring a relationship between a flat amount (amount of change in outer diameter) and a maximum circumferential stress. The tube 401, which is a test body, includes a curved tube 402, a straight tube 403, and the like.
[0058]
A monaka elbow (API-X60 standard, wall thickness t = 12.7 mm, outer diameter 2r = 610 mm, radius of curvature R = 1.5 DR, λ = 0.138) was used as the curved tube 402. A sleeve tube as a straight tube 403 was welded to this, one was attached to a surface plate via a flange, and the other flange was loaded with a hydraulic jack downward 405 and upward 406 with a hydraulic jack. That is, an in-plane bending moment was applied to the curved tube 402. A load cell (not shown) was provided at the load point so that the applied load could be measured.
[0059]
The measurement position of the flattening amount (outer diameter change amount) was the center cross section 404 of the elbow, and measurement was made in two directions (0 ° / 180 ° direction and 90 ° / 270 ° (−90 °) direction) using calipers. Further, a biaxial strain gauge (not shown) was attached on the periphery of the central cross section 404 at a pitch of 15 degrees at an angle in the circumferential direction for verification, and stress was measured.
[0060]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the flat amount (the amount of change in outer diameter) and the maximum stress in the circumferential direction, obtained from the above experimental results. The vertical axis indicates the maximum circumferential stress, and the horizontal axis indicates the flatness (outer diameter variation). The maximum circumferential stress is the largest of the circumferential stresses measured by a biaxial strain gauge provided on the circumference of the central section 404.
Each point indicated by “○” (FIG. 5) indicates a measured value in the 0 ° / 180 ° direction, and each point indicated by “□” (FIG. 5) indicates a measured value in the 90 ° / 270 ° (−90 °) direction. Shows the measured values.
[0061]
A straight line 501 indicates the relationship between the flatness (the amount of change in outer diameter) and the maximum stress in the circumferential direction in the 0 ° / 180 ° direction.
A straight line 502 indicates the relationship between the flatness (the amount of change in outer diameter) and the maximum stress in the circumferential direction in the 90 ° / 270 ° (−90 °) direction.
As shown by the straight line 501 and the straight line 502, in any of the 0 ° / 180 ° direction and the 90 ° / 270 ° (-90 °) direction, between the flat amount (outer diameter change amount) and the circumferential maximum stress. Has a linearity, that is, a proportional relationship.
[0062]
The monaka elbow used in the above experiment was made by welding (seam welding, etc.) vertically (in the direction of the pipe axis) two pieces, so that the direction of 0 ° / 180 ° is 90 ° / 270 °. Deformation is easier than in the ° (-90 °) direction. In addition, as described above with reference to FIG. 3, in the in-plane bending moment, the flatness (outer diameter change amount) in the 0 ° / 180 ° direction is theoretically the 90 ° / 270 ° (−90 °) direction. Be larger.
[0063]
As described above, the flatness (outer diameter variation) has anisotropy, but it is difficult to separate the influence of the presence of the vertical seam. Therefore, it is desirable to evaluate the stress related to the in-plane bending moment by measuring the flatness (outer diameter variation) in the 0 ° / 180 ° direction where the influence of the vertical seam is small.
[0064]
Note that the yield stress of the material of the Monaca elbow is about 410 MPa, but as described above, in the elastic region, linearity (proportional relationship) between flatness (outer diameter change) and circumferential maximum stress is present. Be looked at.
In the upward direction 406 (the direction in which the maximum circumferential stress is negative in FIG. 5), the flat amount (outer diameter change amount) and the circumferential direction are reduced to a range (plastic region) of about 1.5 times the yield stress. There is linearity (proportional relationship) between the maximum stress.
[0065]
Next, a comparison between the above-described stress evaluation method and the above-described experimental results will be described. FIG. 6 is a diagram showing analytical values (analytical values by the above-described stress evaluation method) and experimental values relating to the circumferential and axial stress distributions. The vertical axis indicates stress, and the horizontal axis indicates circumferential angle.
[0066]
In the experimental results shown in FIG. 5, when the flat amount (outer diameter change amount) in the 0 ° / 180 ° direction is 8 mm (FIG. 5: point 503), the maximum circumferential stress is less than 400 MPa.
The moment with respect to the flatness (outer diameter variation) of 8 mm in the 0 ° / 180 ° direction is M from the equation [3-1].i= 1.7 × 105N · m. This MiIs substituted into Equations [1-2] and [1-1], and the stress distribution is calculated, whereby a solid line 601 (circumferential analysis value) and a solid line 602 (axial analysis value) in FIG. 6 are obtained.
[0067]
In the flatness (change in outer diameter) in the 0 ° / 180 ° direction of 8 mm, a measured value of the circumferential stress measured by a biaxial strain gauge provided at a pitch of 15 ° on the circumference of the central cross section 404 is “ Each point (experimental value in the circumferential direction) is indicated by a mark (●), and the measured value of the axial stress is indicated by each point (experimental value in the axial direction) (FIG. 6).
[0068]
Regarding the stress in the circumferential direction, there is a slight difference between the peak positions of the experimental value and the analytical value, but the stress values are almost the same. Regarding the stress in the axial direction, the peak positions of the experimental value and the analytical value coincide with each other, but a slight shift is seen in the stress value. It should be noted that there is no practical problem regarding these slight deviations.
From the comparison and consideration of the above experimental values and analytical values, it can be concluded that it is possible to estimate stress with sufficient accuracy for practical use even with flatness (outer diameter change) measured values with the accuracy of a vernier caliper. I can say.
[0069]
As described above, according to the embodiment of the present invention, the tune is formed in two directions of (1) 0 ° / 180 ° direction, (2) 45 ° / -135 ° direction or -45 ° / 135 ° direction. By measuring the flatness (change in outer diameter) of the pipe with a general measuring tool such as a caliper, it is possible to estimate the stress distribution generated in the curved pipe with sufficient accuracy for practical use.
[0070]
One of the purposes of using a curved pipe is to give flexibility to a normal pipe and reduce stress by deformation. Therefore, three-dimensional piping is often used. This indicates that the probability that the in-plane bending moment and the out-of-plane bending moment simultaneously act as a load increases. The cross-sectional deformation in the state where both the in-plane bending moment and the out-of-plane bending moment are applied becomes considerably complicated.
[0071]
However, as described with reference to FIG. 3, the cross-sectional deformation when the in-plane bending moment acts is maximum in the 0 ° / 180 ° direction, and is theoretical in the 45 ° / −135 ° direction and the −45 ° / 135 ° direction. The top is almost zero. On the other hand, the cross-sectional deformation during the action of the out-of-plane bending moment is maximum in the 45 ° / −135 ° direction or the −45 ° / 135 ° direction, and is theoretically almost zero in the 0 ° / 180 ° direction.
[0072]
From these facts, (1) the in-plane bending moment (M) can be calculated from the flatness in the 0 ° / 180 ° direction (the amount of change in the outer diameter) by the equation [3-1].i) Is calculated, and (2) the out-of-plane bending moment (M) is calculated from the flatness (outer diameter change amount) in the 45 ° / -135 ° direction or the −45 ° / 135 ° direction by the equation [3-2].o) Can be calculated.
[0073]
That is, (1) flatness in 0 ° / 180 ° direction (outer diameter change amount), (2) flatness amount in two directions of 45 ° / -135 ° direction or −45 ° / 135 ° direction (outer diameter change amount) ), The in-plane bending moment (Mi) And out-of-plane bending moment (Mo) Can be calculated separately. Then, these in-plane bending moments (Mi) And out-of-plane bending moment (Mo), The stress distributions due to the bending moments in both directions, the in-plane bending moment and the out-of-plane bending moment, can be calculated by Expressions [1-1] to Expression [1-4] (the theoretical expression of Rodabaugh & George).
[0074]
For the stress (σ) in accordance with ANSI B31.8 adopted in the design, the in-plane bending moment (Mi) And out-of-plane bending moment (Mo), The resultant moment (M) is obtained (see Equation [5-1]), and the result is divided by the section modulus (Z), and then multiplied by the stress concentration coefficient (i) due to the in-plane bending moment (in-plane bending moment and For the out-of-plane bending moment, the former is about 17% larger, so it is evaluated on the safe side), and the stress (σ) of the curved pipe where the outer diameter change (flat) occurs (Equation [5-2]) reference).
M = (Mi 2+ Mo 2)(1/2)... [5-1]
σ = M · i / Z [5-2]
[0075]
Further, the above-described stress evaluation method can directly evaluate the stress of the curved pipe itself in a non-destructive manner. Further, stress evaluation and stress estimation can be performed in a service state and a use state without requiring measures such as lowering the pressure. Therefore, it is not necessary to take any special measures, such as loading equipment, when performing stress evaluation of a curved pipe.
[0076]
In addition, stress evaluation and stress diagnosis can be performed only by measuring the flatness (change in outer diameter) in two directions in the center section of the curved pipe, and a skilled person is not required for the measurement. Thus, the cost burden can be reduced as compared with the above.
[0077]
In addition, since the mode in which flattening generates stress in the curved pipe is known, the reliability of the stress evaluation result is high. That is, as described above in the comparison and consideration between the experimental values and the analysis values, the stress evaluation described in the present embodiment has sufficient accuracy for practical use.
Further, the present invention can be used not only for a clear deformation mode such as settlement, but also for stress estimation in a state where various external forces such as thermal stress are applied.
[0078]
As for the flatness, the change in the outer diameter of the curved tube is measured by a measuring tool such as a caliper, but the measuring device such as a pig or the inspection tool may be used to measure the change in the inner diameter of the curved tube.
[0079]
Next, with reference to FIGS. 7 to 9, a description will be given of stress evaluation of a curved pipe in a pipeline using a magnetic anisotropic sensor.
First, the operating principle of the magnetic anisotropy sensor will be described.
FIG. 7 is a diagram illustrating the operation principle of the magnetic anisotropy sensor.
FIG. 8 is a partial detailed view of the magnetic anisotropic sensor shown in FIG.
[0080]
The magnetic anisotropy sensor 701 includes an excitation core 702, a magnetic anisotropy detection core 703, and the like. The measurement object 708 is an object to be measured by the magnetic anisotropy sensor 701. The excitation core 702 and the magnetic anisotropy detection core 703 are arranged orthogonally. A tensile stress σ acts on the measurement object 708 in the X direction. The magnetic permeability of the measurement object 708 is μ, the X-direction component of the magnetic permeability μ is μx, and the Y-direction component is μy. The excitation core 702 has an excitation coil 704, and the magnetic anisotropy detection core 703 has a magnetic anisotropy detection coil 705.
[0081]
When a stress (strain) acts on the measurement object 708, anisotropy occurs in the magnetic permeability μ. When the object to be measured 708 is in a stress state as shown in FIG. 7, the magnetic permeability μx in the X direction, which is the tensile stress direction, is relatively larger than the magnetic permeability μy in the Y direction.
[0082]
At this time, when a current is supplied from the power supply 706 to the exciting coil 704, most of the magnetic flux emitted from the tip of one leg of the exciting core 702 goes directly to the other leg at the shortest distance. Due to the anisotropy, a part goes through the magnetic anisotropy detection core 703 to the other leg of the excitation core 702.
[0083]
When the above magnetic circuit is formed by an AC magnetic field, an induced current flows through the magnetic anisotropy detection coil 705, and a voltage is detected by the voltmeter 707. This voltage value V is proportional to the difference between the magnetic permeability μx in the X direction and the magnetic permeability μy in the Y direction, that is, (μx−μy). The magnetic permeability μ is proportional to the stress (strain) σ (X-direction component σx, Y-direction component σy) of the measurement object 708. Therefore, the following relational expression holds.
[0084]
V = K0 × (μx−μy) [6-1]
Here, K0 is a proportional constant.
V = K1 × (σx−σy) [6-2]
Here, K1 is a proportional constant.
[0085]
As described above, the magnetic anisotropy sensor 701 outputs the voltage value V proportional to the stress difference (σx−σy) in the X direction and the Y direction as a detection value. Therefore, if the proportionality constant K1 is known, the stress difference ([sigma] x- [sigma] y) in the X direction and the Y direction can be calculated by equation [6-2]. The above is the principle of the stress measurement by the magnetic anisotropic sensor.
[0086]
Next, Karman's theory of flat stress will be described. Karman's flat stress theory theoretically describes the distribution of stress generated in a curved pipe portion in the pipe circumferential direction when a moment acts on the curved pipe. Pipe axial stress σ when moment (M) acts on a curved pipeL, Pipe circumferential stress σCAccording to Karman's flat stress theory, is expressed as follows.
[0087]
σL(Φ) = kMr / I × {sinφ-6sin3φ / (5 + 6λ2) + 9νλcos2φ / (5 + 6λ)2)} ... [7-1]
σC(Φ) = kMr / I × {ν (sinφ−6sin3φ / (5 + 6λ2)) + 9λcos2φ / (5 + 6λ)2)} ... [7-2]
[0088]
Here, φ: circumferential angle of the pipe (see FIGS. 1 and 2), ν: Poisson's ratio, R: radius of curvature of the bent pipe, r: pipe radius, t: pipe thickness, I: secondary moment of area of the pipe , M: Moment acting on the curved pipe.
λ is a pipe coefficient, and λ = tR / r2It is.
k is a deflection coefficient, and k = (10 + 12λ)2) / (1 + 12λ)2).
[0089]
Further, as described above, the output of the magnetic anisotropy sensor indicates the stress difference (σL(Φ) -σC(Φ)). The stress difference in the two orthogonal directions (σL(Φ) -σC(Φ)) is expressed as follows.
[0090]
σL(Φ) -σC(Φ) = kMr / I × {(1-ν) sinφ− (1 + ν) 6sin3φ / (5 + 6λ2) − (1−ν) 9λ cos2φ / (5 + 6λ)2)} ・ ・ ・ [8]
[0091]
Therefore, when the stress generated on the tube surface when a moment acts on the curved tube portion is measured by the magnetic anisotropy sensor, the distribution shape of Expression [8] is obtained. The above is the outline of Karman's theory of flat stress.
[0092]
FIG. 9 is a diagram showing an outline of measurement of a stress distribution in a curved tube using a magnetic anisotropy sensor.
The magnetic anisotropy sensor 902 measures the stress distribution while scanning the surface of the curved tube 901 in the circumferential direction. The magnetic anisotropy sensor 902 measures the stress of the curved tube 901 while moving at equal intervals as shown in a section 903. The measurement result is regressed to equation [8] by a statistical method such as the least square method or the like (σL(Φ) -σC(Φ)) is obtained, and the measurement result and this (σ)L(Φ) -σC(Φ)) is regressed to Equation [7-1] and Equation [7-2] to obtain σL(Φ), σC(Φ) and M (moment acting on the curved pipe) can be estimated.
[0093]
Due to its principle, the magnetic anisotropic sensor measures not only a load stress caused by an external force such as a moment, but also a residual stress at the same time. Therefore, the residual stress component is removed by dare to return to the equation [8] without directly obtaining the maximum stress and the minimum stress from the measurement results of the magnetic anisotropy sensor.
[0094]
Assuming that the residual stress is randomly distributed in the circumferential direction of the pipe, that is, averagely distributed, macroscopically, the residual stress component is removed by regressing on the equation [8], and purely due to the moment. Only the applied stress will be extracted. Further, not only the residual stress but also the stress due to the pressure of the internal fluid of the pipe and the stress appearing as a constant value having no distribution in the pipe circumferential direction, such as simple tension or compression in the pipe axis direction, are expressed by the following equation [8]. By returning to the above, it is possible to remove the residual stress as well.
[0095]
In this way, the magnetic anisotropy sensor is moved in the circumferential direction of the curved pipe to measure the stress distribution, and the measured value is regression-analyzed into the equations [7-1], [7-2], and [8]. By doing so, it is possible to evaluate the stress generated in the curved pipe and estimate the acting moment.
[0096]
The stress evaluation method (stress evaluation method {circle around (1)}) for a curved pipe based on the flatness (cross-section flatness of a curved pipe) described with reference to FIGS. (See FIG. 5). However, if there is no record of the initial value of the diameter of the curved pipe, that is, the outer diameter value, inner diameter value, etc. of the curved pipe in a state where it is not subjected to cross-sectional deformation due to external force (at the time of manufacture, installation, etc.), It is difficult to obtain accurate values of the amount of change in diameter and the amount of change in inner diameter, and it is difficult to perform reliable stress evaluation.
[0097]
Regarding the stress evaluation method (stress evaluation method {circle over (2)}) of a curved pipe in a pipeline using the magnetic anisotropy sensor described with reference to FIGS. The measurement limit is at most about 70% of the yield stress of the pipe. Further, since the residual stress in a bent pipe is larger than that in a straight pipe or the like, the measurement limit is considered to be further limited.
[0098]
Next, referring to FIG. 10, stress evaluation of a curved pipe when there is no record of an initial value of the diameter (outer diameter, inner diameter, etc.) of the curved pipe, or in a region exceeding the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor. The evaluation of the stress of a curved pipe will be described.
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of the conduit 1001. The pipe 1001 has a curved pipe 1002 to a curved pipe 1005 and the like. The curved pipe 1002 is a curved pipe A to be evaluated (an object of stress evaluation), and the other curved pipes 1003 and the like are curved pipes A. It is assumed that the tube B is manufactured at the same time.
[0099]
When there is no record of the initial value of the diameter of the curved tube A or the like, first, the curved tube A is subjected to stress evaluation by the curved tube stress evaluation method (2) using the magnetic anisotropy sensor. If the obtained stress distribution is close to the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor, that is, if there is a possibility that it exceeds the measurement limit, a curved tube near curved tube A (before and after curved tube A, etc.) For example, similarly to the curved tube A, the stress evaluation is performed on the curved tube 1003 (curved tube B) by the curved tube stress evaluation method (2) using the magnetic anisotropy sensor described above.
[0100]
If the obtained stress distribution is within the measurement range of the magnetic anisotropy sensor, a process such as regression analysis is performed with respect to Expressions [7-1], [7-2], and [8], and a curved tube is obtained. Moment acting on B (MB). Further, according to Expressions [3-1] and [3-2], this acting moment (MB) (The amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) of the curved tube B (2e)B).
[0101]
Next, the outer diameter and inner diameter of the curved tube B (2rB′) Is measured using a caliper, a pig or the like, and the initial values (2rB= 2rB'-2eB). Initial values of the outer diameter and inner diameter of the curved tube A to be evaluated (2rA) Is the initial value of the outer diameter and inner diameter of the curved tube B (2rB) Can be considered equivalent.
[0102]
Next, the outer diameter and inner diameter of the curved tube A (2rA′) Is measured using a caliper, a pig or the like, and the flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) (2e)A= 2rA'-2rA= 2rA'-2rB).
The flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) 2eAIs 2eA= 2rA'-2rA= 2rA'-2rB= (2rA'-2rB’) + 2eB,It can be expressed as. Accordingly, the flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) (2eA) Is the flatness of the curved tube B (2e)B) Shows the difference between the measured values of the outer diameter and inner diameter of the curved pipe A and the curved pipe B (2rA'-2rB)).
[0103]
Next, in the same manner as in the stress evaluation method (1) of the curved pipe based on the flatness (the flatness of the curved pipe) described with reference to FIGS. , Change in inner diameter, etc.) (2eA) From Equations [3-1] and [3-2], the moment M acting on the curved pipe AAIs calculated, and the stress generated in the curved tube A is evaluated by the formulas [1-1] to [1-4] (Rodabaugh & George's theoretical formula).
[0104]
The curved pipe A was subjected to stress evaluation by the curved pipe stress evaluation method (2) using the magnetic anisotropic sensor described above, and the obtained stress distribution was within the measurement range of the magnetic anisotropic sensor. If there is, the value may be used as it is as the stress evaluation result of the curved pipe A.
[0105]
As described above, even when the stress acting on the curved pipe A to be evaluated exceeds the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor, it is also necessary to record the initial value of the outer diameter, the inner diameter, and the like of the curved pipe A to be evaluated. Even if there is no curve, stress distribution measurement is performed on the other curved tube B near the curved tube A to be evaluated by the magnetic anisotropy sensor, and the equations [7-1] and [7] in the stress evaluation method (2) are used. The moment acting on the curved pipe B is obtained from [7-2] and the equation [8], and the flatness of the curved pipe B is calculated from the equations [3-1] and [3-2] in the stress evaluation method (1). Diameter change, inner diameter change, etc.), and from the measured values of the outer diameter, inner diameter, etc. of the curved pipe B, the initial values of the outer diameter, inner diameter, etc. of the curved pipe B are obtained, The flatness of the curved tube A is calculated as an initial value, and the stress of the curved tube A can be evaluated by the stress evaluation method (1).
[0106]
Next, a stress evaluation apparatus according to the above-described stress evaluation method will be described with reference to FIG.
By registering and recording the above formulas [1-1] to [5-2] and other calculation formulas, procedures for stress evaluation, and the like in the computer, the computer obtains the stress value measured by the magnetic anisotropy sensor. When other necessary numerical values such as the outer diameter and the inner diameter of the curved pipe measured by a caliper and the like are input, the stress evaluation and the stress distribution of the curved pipe can be performed.
[0107]
FIG. 11 is a flowchart illustrating a process executed by a computer as a stress evaluation device for a curved pipe. As described with reference to FIG. 10 above, the curved tube A is a curved tube to be evaluated (stress evaluation target), and the curved tube B installed near the curved tube A is the same as the curved tube A at the same time. It is assumed that the bent tube is manufactured in the following manner.
[0108]
With respect to the curved tube A, the stress value obtained by the curved tube stress evaluation method (2) using the magnetic anisotropy sensor is input to the computer (step 1101).
The computer determines whether this stress value may have exceeded the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor (step 1102).
If there is a possibility that the stress value exceeds the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor (YES in step 1102), the curve using the magnetic anisotropy sensor described above is used for other curved pipes near the curved pipe A. The stress value obtained by the pipe stress evaluation method (2) is input to a computer (step 1103).
The computer determines whether this stress value may have exceeded the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor (step 1104).
The processing of steps 1103 to 1104 is repeated to select a curved pipe having a stress value within the measurement limit range, and this curved pipe is defined as a curved pipe B.
[0109]
The computer performs processing such as regression analysis on Expressions [7-1], [7-2], and [8] based on the stress distribution obtained by the magnetic anisotropy sensor, and acts on the curved tube B. Moment (MB) Is calculated (step 1105).
The computer calculates the acting moment (M by using the equations [3-1] and [3-2].B) (The amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) of the curved tube B (2e)B) Is obtained (step 1106).
[0110]
Outer diameter, inner diameter, etc. of curved tube B (2rB') Is measured using a caliper, a pig or the like, and the measured value is input to a computer (step 1107).
The computer calculates the initial values (2rB= 2rB'-2eB) Is obtained (step 1108). Note that the initial values are the outer diameter, the inner diameter, and the like of the curved pipe in a state in which the cross section is not deformed by an external force (at the time of manufacture, installation, and the like).
[0111]
Next, the outer diameter and inner diameter of the curved tube A (2rA') Is measured using a caliper, a pig or the like, and the measured value is input to a computer (step 1109).
The computer calculates the flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) (2eA= 2rA'-2rA= 2rA'-2rB) Is calculated (step 1110). In addition, the initial value (2rA) Is the initial value of the outer diameter and inner diameter of the curved tube B (2rB) Can be considered equivalent.
[0112]
The computer calculates the flatness of the curved tube A (2eA), The moment (M) acting on the curved pipe A is calculated by the equations [3-1] and [3-2].A) Is calculated (step 1111).
The computer calculates the moment (MA)), Stress evaluation is performed by [1-1] to [1-4] (Rodabaugh & George's theory) (step 1112).
[0113]
Through the above process, the computer as the stress evaluation device inputs the stress distribution measured by the magnetic anisotropy sensor, the outer diameter and the inner diameter of the curved tube measured by a caliper, etc., and other necessary numerical values. It is possible to evaluate the stress of the pipe and calculate the stress distribution. Further, even when the stress acting on the curved pipe to be evaluated exceeds the measurement limit of the magnetic anisotropy sensor, or when there is no record regarding the initial value of the outer diameter, the inner diameter, etc. of the curved pipe to be evaluated. Even if there is, a stress evaluation method for a curved pipe based on the flatness (a cross-sectional flatness of a curved pipe) (stress evaluation method (1)) and a stress evaluation method for a curved pipe in a pipeline using a magnetic anisotropic sensor (stress By executing the process according to the evaluation method (2)), the computer can estimate and calculate the initial value, and can evaluate the stress of the curved pipe to be evaluated.
[0114]
The flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) 2eAIs 2eA= 2rA'-2rA= 2rA'-2rB= (2rA'-2rB’) + 2eB,It can be expressed as. Accordingly, the flatness of the curved tube A (the amount of change in outer diameter, the amount of change in inner diameter, etc.) (2eA) Is the flatness of the curved tube B (2e)B) Shows the difference between the measured values of the outer diameter and inner diameter of the curved pipe A and the curved pipe B (2rA'-2rB)).
[0115]
In addition, the computer as the stress evaluation device is connected to a network such as the Internet as a stress evaluation server so that a terminal device (a personal computer, a personal digital assistant, a mobile phone, etc.) can access the server via the network. You can also.
[0116]
In this case, the stress distribution of the curved pipe obtained by the magnetic anisotropy sensor from the terminal device via the network is input to the stress evaluation server (step 1101, step 1103), or the measured value of the outer diameter or the inner diameter is transmitted to the network. (Step 1107, Step 1109). The stress evaluation server may calculate the flatness, the in-plane bending moment, the out-of-plane bending moment, the stress distribution, and the like of the curved pipe (steps 1110 to 1112), and transmit the calculation result to the terminal device via the network. it can. Further, the stress evaluation server may record and manage the input data and the calculation result as a database so that the stress evaluation server itself or the terminal device can use the database as needed.
[0117]
The functions of the computer (including the stress evaluation server, the terminal device, and the like) can be realized by software and a computer program. Therefore, necessary software and computer programs can be distributed via a network or a recording medium such as a CD-ROM or a DVD-ROM in which the programs are recorded.
[0118]
Next, with reference to FIG. 12, a description will be given of maintenance and repair of a pipe using the above-described stress evaluation method, stress evaluation apparatus, and the like. FIG. 12 shows a schematic diagram of a method for releasing the stress of the tube 1202. A pipe 1202 is embedded in the ground 1201. For an arbitrary point (such as a curved pipe portion) of the pipe 1202, the stress is calculated by the method described in the above-described embodiment, the necessity of stress release is determined, and the stress release section 1204 is determined.
[0119]
The ground of the excavation section 1205 below the stress release section 1204 is excavated, and the stress release section 1204 of the pipe 1202 is moved to the position of the stress release section 1203. Then, the excavated portion 1205 is reclaimed, and the position of the pipe 1202 is repaired.
[0120]
Next, the maintenance and repair of a pipe using the above-described stress evaluation method, the stress evaluation device, and the like will be described with reference to FIG. FIG. 13 shows a schematic diagram of a method for releasing the stress of the tube 1302. A pipe 1302 is buried in the ground 1301. At any point (such as a curved pipe portion) of the pipe 1302, the stress is calculated by the method described in the above embodiment, the necessity of stress release is determined, and the stress release section 1303 is determined. The vicinity of both ends of the stress releasing portion 1303 is cut off, and a central portion of the stress releasing portion 1303 is removed. Then, the cutting portion 1304 and the cutting portion 1305 are joined, and the position of the pipe 1302 is repaired.
[0121]
As described with reference to FIGS. 12 and 13, by using the stress evaluation method, the stress evaluation device, and the like according to the embodiment of the present invention, it is possible to easily calculate the stress at an arbitrary point on site, and perform maintenance of the pipe. Repairs can be made.
[0122]
As described above, the preferred embodiments of the stress evaluation method and the stress evaluation device for a curved pipe according to the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious to those skilled in the art that various changes or modifications can be made within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. I understand.
[0123]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a stress evaluation method, a stress evaluation device, and the like for a curved pipe, which can easily and accurately calculate a stress generated in a curved pipe constituting a pipeline. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a curved tube.
FIG. 2 is a sectional view of a curved pipe;
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an in-plane bending moment, an out-of-plane bending moment, and a flat amount (outer diameter change amount) and a circumferential angle when these combined moments act on a curved pipe;
FIG. 4 is a diagram schematically showing an outline of an experiment for measuring a relationship between a flattening amount (outer diameter change amount) and a maximum circumferential stress.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a flat amount (a change in outer diameter) and a maximum stress in a circumferential direction.
FIG. 6 is a diagram showing analytical values and experimental values regarding the circumferential and axial stress distributions;
FIG. 7 is a diagram showing the operating principle of a magnetic anisotropic sensor.
FIG. 8 is a partial detailed view of the magnetic anisotropic sensor shown in FIG. 7;
FIG. 9 is a diagram showing an outline of measurement of a stress distribution in a curved pipe by a magnetic anisotropic sensor
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a pipeline;
FIG. 11 is a flowchart showing processing executed by a computer as a stress evaluation device for a curved pipe;
FIG. 12 is an explanatory diagram related to pipe maintenance and repair.
FIG. 13 is an explanatory diagram related to pipe maintenance and repair.
[Explanation of symbols]
101 …… Bent tube
102 .... tube axis
401 ... tube
402 ......... Bent tube
403 ...... Straight pipe
404 ...... Center cross section
701 ... magnetic anisotropy sensor
702 Excitation core
703 ... magnetic anisotropy detection core
704: Excitation coil
705: Magnetic anisotropy detection coil
706 ...... Power supply
707 voltmeter
708 ... Measurement target
901 …… Bent tube
902 ... magnetic anisotropy sensor
1001 ... pipeline
1002 ... Curved tube to be evaluated
1003, 1004, 1005 ... curved pipe

Claims (12)

管を構成する曲管に作用するモーメントと当該曲管に生じる応力の分布との関係を示す第1の応力−モーメント関係式に、センサによる前記応力の分布の測定値を回帰することにより前記モーメントを算出する工程と、
前記モーメントと前記応力の分布との関係を示す第2の応力−モーメント関係式を前記曲管の断面方向変位について展開することにより導出した、前記曲管の扁平量と前記モーメントとの関係を示すモーメント−扁平量関係式に、前記モーメントを入力して前記扁平量を算出する第1の扁平量算出工程と、
を具備することを特徴とする曲管の応力評価方法。
By regressing the measured value of the stress distribution by a sensor to a first stress-moment relational expression showing the relationship between the moment acting on the curved pipe constituting the pipe and the distribution of the stress generated in the curved pipe, the moment is obtained. Calculating the
The relation between the flatness of the curved pipe and the moment is shown by deriving a second stress-moment relational expression showing the relation between the moment and the distribution of the stress on the displacement in the sectional direction of the curved pipe. A first flattening amount calculating step of calculating the flattening amount by inputting the moment into a moment-flattening relational expression;
A stress evaluation method for a curved pipe, comprising:
前記管を構成する第1の曲管及び第2の曲管の径の初期値を同等とみなし、前記第1の扁平量算出工程により算出した前記第1の曲管の扁平量と前記第1の曲管及び前記第2の曲管の径の測定値とに基づいて、前記第2の曲管の扁平量を算出する第2の扁平量算出工程と、
前記第2の曲管の扁平量を前記モーメント−扁平量関係式に入力して前記第2の曲管に作用するモーメントを算出し、このモーメントを前記第2の応力−モーメント関係式に入力して前記第2の曲管の応力分布を算出する工程と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の曲管の応力評価方法。
The initial values of the diameters of the first curved pipe and the second curved pipe constituting the pipe are regarded as equivalent, and the flatness of the first curved pipe calculated in the first flattening quantity calculating step and the first flattened pipe are compared with the first curved pipe. A second flattening amount calculating step of calculating the flattening amount of the second curved tube based on the measured value of the diameter of the curved tube and the second curved tube;
The flatness of the second curved pipe is input to the moment-flatness relational expression to calculate the moment acting on the second curved pipe, and this moment is input to the second stress-moment relational expression. Calculating the stress distribution of the second curved pipe by using
The stress evaluation method for a curved pipe according to claim 1, comprising:
前記第1の応力−モーメント関係式は、Karmanの理論式であり、前記第2の応力−モーメント関係式は、Rodabaugh & Georgeの理論式であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の曲管の応力評価方法。3. The method according to claim 1, wherein the first stress-moment relational expression is a Karman theoretical expression, and the second stress-moment relational expression is a Rodabaugh & George theoretical expression. 4. The stress evaluation method of the curved pipe as described. 前記モーメント−扁平量関係式は、
=ηEI/kR×e
=ηEI/kR×e
であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の曲管の応力評価方法。
但し、
は、面内曲げモーメント、
は、面外曲げモーメント、
Eは、弾性係数、
Iは、前記管の断面二次モーメント、
Rは、前記曲管の曲率半径、
2×eは、周方向の角度0°方向における前記扁平量、
2×eは、周方向の角度45°方向における前記扁平量、
は、たわみ定数、
η1、η2は、曲管の内圧、曲率半径、半径、管厚により定まる定数。
The moment-flatness relational expression is:
M i = η 1 EI / k p R × e i ,
M o = η 2 EI / k p R × e o ,
The stress evaluation method for a curved pipe according to any one of claims 1 to 3, wherein:
However,
M i is plane bending moment,
Mo is the out-of-plane bending moment,
E is the modulus of elasticity,
I is the second moment of area of the tube;
R is the radius of curvature of the curved tube,
2 × e i is the flatness in the circumferential direction at an angle of 0 °,
2 × eo is the flatness in the circumferential direction at an angle of 45 °,
k p is the deflection constant,
η1 and η2 are constants determined by the internal pressure of the curved pipe, the radius of curvature, the radius, and the pipe thickness.
前記k、η、ηは、
=1/(c4+c5+c6+c7)、
η=1/r(2d+4d+6d)、
η=1/r(2d−6d)、
であることを特徴とする請求項4に記載の応力評価方法。
但し、
Ψ=PR/Ert、
λ=tR/r(1−ν(1/2)
C1=5+6λ+24Ψ、
C2=17+600λ+480Ψ、
C3=37+7350λ+2520Ψ、
=3(C2C3−110.25)/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=7.5C3/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=78.75/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
c4=1+3d+2.25d
c5=0.25(d +34d +74d −10d−42d)、
c6=λ/12×(36d +3600d +4410d )、
c7=Ψ(12d +240d +1260d )、
Pは、内圧、
tは、管厚、
rは、前記管の半径、
νは、ポアソン比。
The above k p , η 1 , η 2 are:
k p = 1 / (c4 + c5 + c6 + c7),
η 1 = 1 / r (2d 1 + 4d 2 + 6d 3 ),
η 2 = 1 / r (2d 1 −6d 3 ),
The stress evaluation method according to claim 4, wherein
However,
Ψ = PR 2 / Ert,
λ = tR / r 2 (1-ν 2 ) (1/2) ,
C1 = 5 + 6λ 2 + 24 °,
C2 = 17 + 600λ 2 + 480 °,
C3 = 37 + 7350λ 2 + 2520 °,
d 1 = 3 (C2C3-110.25) / {6.25C3-C1 (C2C3-110.25)},
d 2 = 7.5C3 / {6.25C3- C1 (C2C3-110.25)},
d 3 = 78.75 / {6.25C3- C1 (C2C3-110.25)},
c4 = 1 + 3d 1 + 2.25d 1 2,
c5 = 0.25 (d 1 2 + 34d 2 2 + 74d 3 2 -10d 1 d 2 -42d 2 d 3),
c6 = λ 2/12 × ( 36d 1 2 + 3600d 2 2 + 4410d 3 2),
c7 = Ψ (12d 1 2 + 240d 2 2 + 1260d 3 2),
P is the internal pressure,
t is the tube thickness,
r is the radius of the tube,
ν is Poisson's ratio.
管を構成する曲管に作用するモーメントと当該曲管に生じる応力の分布との関係を示す第1の応力−モーメント関係式に、センサによる前記応力の分布の測定値を回帰することにより前記モーメントを算出する手段と、
前記モーメントと前記応力の分布との関係を示す第2の応力−モーメント関係式を前記曲管の断面方向変位について展開することにより導出した、前記曲管の扁平量と前記モーメントとの関係を示すモーメント−扁平量関係式に、前記モーメントを入力して前記扁平量を算出する第1の扁平量算出手段と、
を具備することを特徴とする曲管の応力評価装置。
By regressing the measured value of the stress distribution by a sensor to a first stress-moment relational expression showing the relationship between the moment acting on the curved pipe constituting the pipe and the distribution of the stress generated in the curved pipe, the moment is obtained. Means for calculating
The relation between the flatness of the curved pipe and the moment is shown by deriving a second stress-moment relational expression showing the relation between the moment and the distribution of the stress on the displacement in the sectional direction of the curved pipe. A first flatness calculating means for calculating the flatness by inputting the moment into a moment-flatness relational expression;
A stress evaluation device for a curved pipe, comprising:
前記管を構成する第1の曲管及び第2の曲管の径の初期値を同等とみなし、前記第1の扁平量算出工程により算出した前記第1の曲管の扁平量と前記第1の曲管及び前記第2の曲管の径の測定値とに基づいて、前記第2の曲管の扁平量を算出する第2の扁平量算出手段と、
前記第2の曲管の扁平量を前記モーメント−扁平量関係式に入力して前記第2の曲管に作用するモーメントを算出し、このモーメントを前記第2の応力−モーメント関係式に入力して前記第2の曲管の応力分布を算出する手段と、
を具備することを特徴とする請求項6に記載の曲管の応力評価装置。
The initial values of the diameters of the first curved pipe and the second curved pipe constituting the pipe are regarded as equivalent, and the flatness of the first curved pipe calculated in the first flattening quantity calculating step and the first flattened pipe are compared with the first curved pipe. Second flatness calculating means for calculating the flatness of the second curved pipe based on the measured value of the curved pipe and the diameter of the second curved pipe;
The flatness of the second curved pipe is input to the moment-flatness relational expression to calculate the moment acting on the second curved pipe, and this moment is input to the second stress-moment relational expression. Means for calculating the stress distribution of the second curved pipe by means of:
The stress evaluation device for curved pipes according to claim 6, comprising:
前記第1の応力−モーメント関係式は、Karmanの理論式であり、前記第2の応力−モーメント関係式は、Rodabaugh & Georgeの理論式であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の曲管の応力評価装置。8. The method according to claim 6, wherein the first stress-moment relational expression is a Karman theoretical expression, and the second stress-moment relational expression is a Rodabaugh & George theoretical expression. The stress evaluation device for curved pipes according to the above. 前記モーメント−扁平量関係式は、
=ηEI/kR×e
=ηEI/kR×e
であることを特徴とする請求項6から請求項8のいずれかに記載の曲管の応力評価装置。
但し、
は、面内曲げモーメント、
は、面外曲げモーメント、
Eは、弾性係数、
Iは、前記管の断面二次モーメント、
Rは、前記曲管の曲率半径、
2×eは、周方向の角度0°方向における前記扁平量、
2×eは、周方向の角度45°方向における前記扁平量、
は、たわみ定数、
η1、η2は、曲管の内圧、曲率半径、半径、管厚により定まる定数。
The moment-flatness relational expression is:
M i = η 1 EI / k p R × e i ,
M o = η 2 EI / k p R × e o ,
The stress evaluation device for a curved pipe according to any one of claims 6 to 8, wherein:
However,
M i is plane bending moment,
Mo is the out-of-plane bending moment,
E is the modulus of elasticity,
I is the second moment of area of the tube;
R is the radius of curvature of the curved tube,
2 × e i is the flatness in the circumferential direction at an angle of 0 °,
2 × eo is the flatness in the circumferential direction at an angle of 45 °,
k p is the deflection constant,
η1 and η2 are constants determined by the internal pressure of the curved pipe, the radius of curvature, the radius, and the pipe thickness.
前記k、η、ηは、
=1/(c4+c5+c6+c7)、
η=1/r(2d+4d+6d)、
η=1/r(2d−6d)、
であることを特徴とする請求項9に記載の応力評価装置。
但し、
Ψ=PR/Ert、
λ=tR/r(1−ν(1/2)
C1=5+6λ+24Ψ、
C2=17+600λ+480Ψ、
C3=37+7350λ+2520Ψ、
=3(C2C3−110.25)/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=7.5C3/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
=78.75/{6.25C3−C1(C2C3―110.25)}、
c4=1+3d+2.25d
c5=0.25(d +34d +74d −10d−42d)、
c6=λ/12×(36d +3600d +4410d )、
c7=Ψ(12d +240d +1260d )、
Pは、内圧、
tは、管厚、
rは、前記管の半径、
νは、ポアソン比。
The above k p , η 1 , η 2 are:
k p = 1 / (c4 + c5 + c6 + c7),
η 1 = 1 / r (2d 1 + 4d 2 + 6d 3 ),
η 2 = 1 / r (2d 1 −6d 3 ),
The stress evaluation device according to claim 9, wherein:
However,
Ψ = PR 2 / Ert,
λ = tR / r 2 (1-ν 2 ) (1/2) ,
C1 = 5 + 6λ 2 + 24 °,
C2 = 17 + 600λ 2 + 480 °,
C3 = 37 + 7350λ 2 + 2520 °,
d 1 = 3 (C2C3-110.25) / {6.25C3-C1 (C2C3-110.25)},
d 2 = 7.5C3 / {6.25C3- C1 (C2C3-110.25)},
d 3 = 78.75 / {6.25C3- C1 (C2C3-110.25)},
c4 = 1 + 3d 1 + 2.25d 1 2,
c5 = 0.25 (d 1 2 + 34d 2 2 + 74d 3 2 -10d 1 d 2 -42d 2 d 3),
c6 = λ 2/12 × ( 36d 1 2 + 3600d 2 2 + 4410d 3 2),
c7 = Ψ (12d 1 2 + 240d 2 2 + 1260d 3 2),
P is the internal pressure,
t is the tube thickness,
r is the radius of the tube,
ν is Poisson's ratio.
コンピュータに請求項6から請求項10のいずれかに記載の応力評価装置として機能させるプログラム。A program for causing a computer to function as the stress evaluation device according to any one of claims 6 to 10. コンピュータに請求項6から請求項10のいずれかに記載の応力評価装置として機能させるプログラムを記録した記録媒体。A recording medium recording a program for causing a computer to function as the stress evaluation device according to claim 6.
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