JP2005300444A - 鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速延性破壊で重要な、せん断き裂伝播抵抗の材料評価に適した試験片を用いた特性評価をすることにより、高速延性破壊による大事故を防止するための、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法を提供する。
【解決手段】ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法において、鋼管軸方向に伝播する鋼管肉厚（板厚）方向貫通き裂の、き裂先端包絡線が鋼管周方向断面で鋼管肉厚方向から傾斜した、斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片での、鋼管の使用温度条件下における試験吸収エネルギーが、下記（Ａ）式で表されるＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）以上を満足する場合に、該鋼管は高速延性破壊の伝播を停止させ得るものと判定することを特徴とする、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
ＤＷＴＴｓｌｐ＝２．３×１０-5×Ｄ2.3×ｔ-1×Ｐ2・・・（Ａ）
ここで、Ｄ：鋼管外径（ｍｍ）、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｐ：使用圧力（ＭＰａ）
【選択図】図１
【解決手段】ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法において、鋼管軸方向に伝播する鋼管肉厚（板厚）方向貫通き裂の、き裂先端包絡線が鋼管周方向断面で鋼管肉厚方向から傾斜した、斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片での、鋼管の使用温度条件下における試験吸収エネルギーが、下記（Ａ）式で表されるＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）以上を満足する場合に、該鋼管は高速延性破壊の伝播を停止させ得るものと判定することを特徴とする、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
ＤＷＴＴｓｌｐ＝２．３×１０-5×Ｄ2.3×ｔ-1×Ｐ2・・・（Ａ）
ここで、Ｄ：鋼管外径（ｍｍ）、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｐ：使用圧力（ＭＰａ）
【選択図】図１
Description
本発明は、ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法に関するものである。
高速延性破壊は、不安定延性破壊とも呼ばれ、鋼管の管軸方向に延性破壊が１００ｍ／ｓ以上もの高速で長距離伝播する現象である。この高速延性破壊は、ガスパイプライン等では１００ｍから数ｋｍにもおよぶ長距離破壊の可能性があり、それにより想定される被害の大きさから、その防止が安全上重要視されている。
この高速延性破壊の発生メカニズムとしては、破壊部からの内部ガスのパイプライン外への放出によるガス圧の減圧速度とそれに伴う破壊の駆動力の減少速度に対し、き裂伝播速度が同程度以上の速度の場合に、き裂先端での減圧が生じずに長距離伝播する現象と理解される。
この高速延性破壊の発生メカニズムとしては、破壊部からの内部ガスのパイプライン外への放出によるガス圧の減圧速度とそれに伴う破壊の駆動力の減少速度に対し、き裂伝播速度が同程度以上の速度の場合に、き裂先端での減圧が生じずに長距離伝播する現象と理解される。
この高速延性破壊に関する材料特性としては、従来、ＤＷＴＴ試験での吸収エネルギーとの相関が有るとされてきた。特に、標準ＤＷＴＴ試験法の他にシェブロンノッチＤＷＴＴ試験法が開発され、これが米国石油学会規格ＡＰＩ−５Ｌ（２０００年）に取り入れられ、材料評価に用いられてきた。また、アメリカガス協会（ＡＧＡ）第７回ラインパイプ研究シンポジウム（１９８６年）では、伝播エネルギーのみをより精度良く評価する手法として、予き裂を導入したプレクラックＤＷＴＴ試験法が提案された（非特許文献１参照）。
また、特許文献１に記載の発明のように、不安定延性破壊の伝播停止特性検定方法に、シャルピー吸収エネルギーを用いた方法も提案されている。さらに、特許文献２、特許文献３では、飽和き裂先端開口変位（δＲ−Ｐｌａｔｅａｕ）と高速延性破壊特性との関係からその防止に必要な特性を有する鋼管が示された。
これらの従来の高速延性破壊に関する試験法は、一般的な破壊試験に用いられる試験片、すなわち、板厚方向に貫通した切欠きまたは初期き裂を有し、その切欠きまたはき裂先端の包絡線が板面に垂直である試験片を用いる試験法である。
特開昭５９−０２０８３５号公報
特開２００２−２５０４８０号公報
特開２００２−２８５２８３号公報
アメリカガス協会（ＡＧＡ）第７回ラインパイプ研究シンポジウム、論文２１番（１９８６年）
これらの従来の高速延性破壊に関する試験法は、一般的な破壊試験に用いられる試験片、すなわち、板厚方向に貫通した切欠きまたは初期き裂を有し、その切欠きまたはき裂先端の包絡線が板面に垂直である試験片を用いる試験法である。
しかしながら、実際の高速延性破壊では、き裂先端の包絡線方向は、最大主せん断方向となる、板面と４５°をなす方向である。そのため、上記従来の試験法では、き裂伝播とともに、伝播面が初期の板面に垂直な破面から板面と４５°をなすせん断破面に遷移することになる。この場合でも、試験片の破面の大部分はせん断破壊面となるが、板面に垂直な初期き裂から板面と４５°をなすせん断き裂への遷移には遷移エネルギーを要することなどを考慮すれば、これらの従来の試験法では、延性破壊の伝播に消費されるエネルギーのみを精度良く測定することはできないといえる。すなわち、このき裂モードの遷移に要するエネルギーは、同一の鋼材では試験片毎の測定値のばらつきを生じ、また、鋼材間の比較をする場合には測定値誤差を生じるため、結果的に、鋼材の高速延性破壊特性の正しい評価を阻害することになる。
そこで、本発明は、せん断き裂伝播抵抗の材料評価に適した試験片を用いた特性評価をすることにより、高速延性破壊による大事故を防止するための、高速延性破壊特性に優れた鋼管を製造・評価することのできる、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、パイプラインを鋼管軸方向に伝播する高速延性破壊を防止するための対策を鋭意検討するなかで、その破面が鋼管周面に対しおよそ４５゜の角度を有するせん断き裂で有ることに着目した。また、従来の各種ＤＷＴＴ試験法では、試験片の板面に垂直な切欠きまたは初期き裂から、伝播時の板面に対しおよそ４５°の角度を有するせん断き裂にモードが変化し、このモード変化によるエネルギー消費が、従来の各種ＤＷＴＴ試験法のバラツキの原因になっていることを見出した。
本発明は、以上の知見に基づき、さらに、検討を重ねて初めてなされたものでであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法において、鋼管軸方向に伝播する鋼管肉厚（板厚）方向貫通き裂の、き裂先端包絡線が鋼管周方向断面で鋼管肉厚方向から傾斜した、斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片での、鋼管の使用温度条件下における試験吸収エネルギーが、下記（Ａ）式で表されるＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）以上を満足する場合に、該鋼管は高速延性破壊の伝播を停止させ得るものと判定することを特徴とする、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
ＤＷＴＴｓｌｐ＝２．３×１０-5×Ｄ2.3×ｔ-1×Ｐ2・・・（Ａ）
ここで、Ｄ：鋼管外径（ｍｍ）、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｐ：使用圧力（ＭＰａ）
（２）前記鋼管の内圧による設計応力が、規格降伏点の６０％〜８０％であることを特徴とする、上記（１）に記載の鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
本発明は、以上の知見に基づき、さらに、検討を重ねて初めてなされたものでであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法において、鋼管軸方向に伝播する鋼管肉厚（板厚）方向貫通き裂の、き裂先端包絡線が鋼管周方向断面で鋼管肉厚方向から傾斜した、斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片での、鋼管の使用温度条件下における試験吸収エネルギーが、下記（Ａ）式で表されるＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）以上を満足する場合に、該鋼管は高速延性破壊の伝播を停止させ得るものと判定することを特徴とする、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
ＤＷＴＴｓｌｐ＝２．３×１０-5×Ｄ2.3×ｔ-1×Ｐ2・・・（Ａ）
ここで、Ｄ：鋼管外径（ｍｍ）、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｐ：使用圧力（ＭＰａ）
（２）前記鋼管の内圧による設計応力が、規格降伏点の６０％〜８０％であることを特徴とする、上記（１）に記載の鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
本発明により、ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊伝播停止性能を判定し、十分な斜め予き裂ＤＷＴＴ吸収エネルギーＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）を有する鋼管を使用することにより、高速延性破壊による大規模破壊を、精度良く効率的に防止することが可能になる。
本発明は、試験に先立ち試験片（試験体ともいう。）に付与する切欠きまたは初期き裂を、試験片板面に対して傾斜した、好ましくは４５゜±５°傾斜させることにより、試験結果のバラツキを低減し、より正確に高速延性破壊の伝播特性を評価するものである。
この試験法での試験片準備は、切欠加工以外は従来法と同様である。試験片は切り出し後端面の加工を実施した後、切欠加工を実施する。なお、鋼管からの試験片切り出しの場合は、鋼管周方向の湾曲を平板状に矯正して試験片に供するものとする。
切欠加工は、試験片の板面に対し傾斜させて、プレスノッチまたは機械切欠きを付与する。この時の切欠加工は、最大主せん断方向である試験片板面に対し４５゜から±５°以内とすることにより、き裂伝播モードの遷移エネルギーによる試験精度のバラツキを、試験片加工精度や試験条件による試験結果のバラツキ等の要因と比較して無視できる程度に小さくすることができ好ましい。試験片の板面に対し４５°傾斜させて切欠加工した場合の試験片の概観を図１に示す。
この試験法での試験片準備は、切欠加工以外は従来法と同様である。試験片は切り出し後端面の加工を実施した後、切欠加工を実施する。なお、鋼管からの試験片切り出しの場合は、鋼管周方向の湾曲を平板状に矯正して試験片に供するものとする。
切欠加工は、試験片の板面に対し傾斜させて、プレスノッチまたは機械切欠きを付与する。この時の切欠加工は、最大主せん断方向である試験片板面に対し４５゜から±５°以内とすることにより、き裂伝播モードの遷移エネルギーによる試験精度のバラツキを、試験片加工精度や試験条件による試験結果のバラツキ等の要因と比較して無視できる程度に小さくすることができ好ましい。試験片の板面に対し４５°傾斜させて切欠加工した場合の試験片の概観を図１に示す。
切欠き加工後、さらに予き裂加工を実施する。予き裂加工は、従来法と同様、最大荷重後最大荷重の５％〜１０％の荷重低下まで載荷した後除荷をする。切欠を試験片の板面に対し４５゜±５°傾けた場合は、予き裂も４５゜程度傾いたせん断予き裂となる。
上記のようにして準備した斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片を用いた、高速延性破壊試験は、従来法のＤＷＴＴ試験法と同様である。試験結果は、従来のＤＷＴＴ試験と同様、吸収エネルギーで評価される。本発明による試験法では、切欠または予き裂が既に板面に対して傾斜し、好ましくは４５゜傾いているので、せん断モードまたはせん断モードに近くなっており、モードの変化による余分なエネルギー吸収がないか無視できる程度に小さく、バラツキが少なくより正しい評価が可能である。
上記のようにして準備した斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片を用いた、高速延性破壊試験は、従来法のＤＷＴＴ試験法と同様である。試験結果は、従来のＤＷＴＴ試験と同様、吸収エネルギーで評価される。本発明による試験法では、切欠または予き裂が既に板面に対して傾斜し、好ましくは４５゜傾いているので、せん断モードまたはせん断モードに近くなっており、モードの変化による余分なエネルギー吸収がないか無視できる程度に小さく、バラツキが少なくより正しい評価が可能である。
降伏強度レベル５６０Ｎ／ｍｍ2級の、外径Ｄが７６２ｍｍ、肉厚ｔが１２．７ｍｍの鋼管について、表１の供試材を用い、標準ＤＷＴＴ試験、予き裂ＤＷＴＴ試験、せん断予き裂ＤＷＴＴ試験、および部分ガスバースト試験を実施した。
ＤＷＴＴ結果を図２に示す。図２より、せん断予き裂ＤＷＴＴ試験では、標準のＤＷＴＴ試験および予き裂ＤＷＴＴ試験にバラツキが小さく材料評価に適しているのが分かる。
部分ガスバースト試験の試験法を図３に示す。部分ガスバースト試験では、水８０％、空気２０％の体積比で内圧を１４ＭＰａまで昇圧した後、延性破壊を発生させ、クラックゲージによりき裂伝播速度を測定した。
ＤＷＴＴ結果を図２に示す。図２より、せん断予き裂ＤＷＴＴ試験では、標準のＤＷＴＴ試験および予き裂ＤＷＴＴ試験にバラツキが小さく材料評価に適しているのが分かる。
部分ガスバースト試験の試験法を図３に示す。部分ガスバースト試験では、水８０％、空気２０％の体積比で内圧を１４ＭＰａまで昇圧した後、延性破壊を発生させ、クラックゲージによりき裂伝播速度を測定した。
バースト試験の結果は、表１中にそのき裂速度Ｖｃを示した。鋼Ｃ〜鋼Ｆは、ＤＷＴＴｓｌｐの要求値を満足しており、バースト試験時の延性き裂は伝播速度が１００ｍ／ｓ以下の低速で伝播し停止するか、５００mm以内で停止し伝播速度が計測されなかった。このき裂伝播速度はガス減圧速度より十分遅く、したがって鋼Ｃ〜鋼Ｆ材では、実際のガスパイプラインの場合でも延性き裂は短い距離で停止する。
一方、鋼Ａ、鋼Ｂでは、延性破壊が２００ｍ／ｓ以上の高速で伝播した。天然ガスの減圧は、天然ガスの成分によっては２００ｍ／ｓ以上では十分な減圧が生じず、従って、鋼Ａ、鋼Ｂでは、実際のガスパイプラインでも高速延性破壊が長距離伝播しうる。
一方、鋼Ａ、鋼Ｂでは、延性破壊が２００ｍ／ｓ以上の高速で伝播した。天然ガスの減圧は、天然ガスの成分によっては２００ｍ／ｓ以上では十分な減圧が生じず、従って、鋼Ａ、鋼Ｂでは、実際のガスパイプラインでも高速延性破壊が長距離伝播しうる。
１ 試験片
２ 切欠き
３ 予き裂
４ 水
５ 空気
６ き裂発生位置
７ クラックゲージ
２ 切欠き
３ 予き裂
４ 水
５ 空気
６ き裂発生位置
７ クラックゲージ
Claims (2)
- ガスパイプライン等に使用される鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法において、鋼管軸方向に伝播する鋼管肉厚方向貫通き裂のき裂先端包絡線が鋼管周方向断面で鋼管肉厚方向から傾斜した斜め予き裂ＤＷＴＴ試験片での、鋼管の使用温度条件下における試験吸収エネルギーが、下記（Ａ）式で表されるＤＷＴＴｓｌｐ（Ｊ）以上を満足する場合に、該鋼管は高速延性破壊の伝播を停止させ得るものと判定することを特徴とする、鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
ＤＷＴＴｓｌｐ＝２．３×１０-5×Ｄ2.3×ｔ-1×Ｐ2・・・（Ａ）
ここで、Ｄ：鋼管外径（ｍｍ）、ｔ：肉厚（ｍｍ）、Ｐ：使用圧力（ＭＰａ） - 前記鋼管の内圧による設計応力が、規格降伏強度の６０％〜８０％であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004119925A JP2005300444A (ja) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | 鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法 |
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| JP2004119925A JP2005300444A (ja) | 2004-04-15 | 2004-04-15 | 鋼管の高速延性破壊の伝播停止特性判定方法 |
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|---|---|
| JP2005300444A true JP2005300444A (ja) | 2005-10-27 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102466600A (zh) * | 2010-11-18 | 2012-05-23 | 中国石油天然气集团公司 | 一种钢管落锤撕裂试验异常断口评价方法 |
-
2004
- 2004-04-15 JP JP2004119925A patent/JP2005300444A/ja not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102466600A (zh) * | 2010-11-18 | 2012-05-23 | 中国石油天然气集团公司 | 一种钢管落锤撕裂试验异常断口评价方法 |
| CN102466600B (zh) * | 2010-11-18 | 2015-05-27 | 中国石油天然气集团公司 | 一种钢管落锤撕裂试验异常断口评价方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070703 |