JP2006105251A

JP2006105251A - 樹脂製配管接続部材及び樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法

Info

Publication number: JP2006105251A
Application number: JP2004292040A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ando; 和哉安東; Toshiichi Kajikawa; 敏一梶川
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】本発明の目的は、管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を容易に測定できる樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法を提供するとともに、この樹脂製配管接続部材に３年の寿命を保証するための残留応力の上限値を与え、もって３０年の寿命を保証可能な樹脂製配管接続部材を提供することにある。
【解決手段】本発明の樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法は、透明樹脂からなる例えばヘッダー３０内に反射板４０を置き、この反射板４０に向け白色光を偏光板１、１／４波長板２を介してヘッダー３０の軸方向に出射し、この光を前記反射板４０で反射して、ヘッダー３０の内側から外側に向け管壁を透過させ、さらに１／４波長板４、偏光板５を通過させ、この際生ずる縞次数を測定することによりヘッダー３０の残留応力を求めることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば戸建住宅や集合住宅等の建築構造物内に配管される給水管や給湯管などに使用される樹脂製管継手等の樹脂製配管接続部材及びこの樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法に関するものである。

例えば戸建住宅や集合住宅内において、給水管や給湯管の配管を行う場合、近年では金属の溶出や腐食の問題がなく衛生的に優れているということから、その材質が従来の金属管から樹脂管に変わりつつある。
同時にこれら配管同士を継ぐ管継手などの樹脂製配管接続部材も、金属製のものから樹脂製のものへ変わりつつある（特許文献１）。
因みに、特許文献１には、耐熱性に優れ、射出成形やブロー成形により形成しても寸法変化が少なく、また耐衝撃性にも優れ、ウオーターハンマー等に十分耐え得る樹脂、ポリフェニルサルフォンで管継手を製造したものが開示されている。

ここで戸建住宅や集合住宅内において給水給湯管として樹脂管を使用する場合には、これら樹脂管の長期信頼性を予め評価しておく必要があり、この長期信頼性の評価方法の一つとしてＪＩＳでは、ＪＩＳＫ６７６９の熱間内圧クリープ試験を課している。
この試験は管継手などの樹脂製配管接続部材にも適用され、例えば１１０℃の温度雰囲気下において、管継手などに円周方向の応力（フープストレス）として２．４ＭＰａを負荷せしめ、試験開始後少なくとも８７６０時間（１年間に相当）経過後、水漏れやその他欠陥が生じないことを求めている。
尚、昨今では、これら給水管や給湯管、あるいはこれらを接続する管継手等の樹脂製配管接続部材に３０年の寿命を求めるようになってきつつある。

樹脂製配管接続部材の長期信頼性は、材料の押出温度や成形温度、あるいはその構造等様々な条件により左右され、例えば材料や構造を変更する場合には、これら種々の製造条件について、各々最適な条件を決める必要があり、具体的には、例えば実験計画法によりその最適条件を求めていた。
しかし、樹脂製配管接続部材の材料やその構造を変更する度に、いちいち実験計画法で最適条件を設定し、例えば１年も掛けて破壊試験である前記ＪＩＳが規定する試験を実施するのでは、時間とコストが膨大になってしまう。
また最適条件にて製造した、いわゆる試験サンプルが前記ＪＩＳ試験に合格したとしても、実際にできあがった樹脂製配管接続部材が本当に長期信頼性のあるものであるかどうか判断するのは難しい、という問題もある。

一般にこれら樹脂製配管接続部材の寿命には、樹脂製配管接続部材内の残留応力、特に管形状のものにあっては、円周方向の残留応力が大きく影響する、と言われている。この残留応力は材料固有の応力と材料加工時に発生する応力の和で表される。
さらにはこの残留応力に加え、樹脂製配管接続部材を、特に布設に際して許容されている最小曲げ半径で布設する場合、この樹脂製配管接続部材に負荷される円周方向の応力や、布設後負荷される水圧等による円周方向の応力も寿命に影響する。
結局、樹脂製配管接続部材の寿命には、樹脂製配管接続部材成形時に内部に残っている残留応力と、施工時に加わる応力と、配管後に加わる水圧等による応力（いずれも円周方向の応力）の総和が影響する。

そこで本発明者らは、前述したＪＩＳで規定する長期信頼性試験の代わりに、できあがった製品（樹脂製配管接続部材）の残留応力を規定することで長期信頼性を保証できるのではないか、と考えた。
つまり前述した熱間内圧クリープ試験の結果から、樹脂製配管接続部材が３０年間の寿命を確保できる応力の総和を知り、この値から施工時負荷される応力と水圧等による応力を推測して、これらの値を差し引けば、布設前の樹脂製配管接続部材が持っている内部応力、すなわち残留応力の値の上限値を規定できる、と考えた。

ここで、前述した熱間内圧クリープ試験のグラフの傾きは、樹脂製配管接続部材の材料固有の値である、と考えられることから、例えば、試験片等を前記試験に供することで比較的容易に求めることができる。
すなわち、試験片等によって一度熱間内圧クリープ試験を行っておき、その結果にさらにこの樹脂製配管接続部材の使用条件と実際の製品の残留応力がわかれば、製品である樹脂製配管接続部材の寿命をかなり高い精度で推定することができるはずである。
このことから樹脂製配管接続部材の円周方向の残留応力（以下単に残留応力という）を測定できれば、この測定値と前述した残留応力の上限値を比較することにより、事前にその樹脂製配管接続部材が良品か否かの選別ができ、例えば、前述した３０年の寿命保証を確実に行える樹脂製配管接続部材だけをユーザーに対して供給できる、と考えられる。

特開２００３−１４１７１号公報

しかしながら従来にあっては、形状の複雑な管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を事前に容易に非破壊試験で測定する方法が少なく、そのためもあってか樹脂製配管接続部材に３０年の寿命を保証する残留応力の上限値を決めようとの提案も、またその示唆さえもされていなかった。

そこで本発明の目的は、管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を容易に測定できる樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法を提供するとともに、この樹脂製配管接続部材に３０年の寿命を保証するための残留応力の上限値を与え、もって３０年の寿命を保証できる樹脂製配管接続部材を提供することにある。

前記目的を達成すべく請求項１記載の樹脂製配管接続部材は、残留応力が２３ＭＰａ以下であることを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項１記載の樹脂製配管接続部材によれば、樹脂製配管接続部材の残留応力を２３ＭＰａ以下にしたことで、３０年の寿命を確実に保証できる樹脂製配管接続部材を提供することができる。

また請求項２記載の樹脂製配管接続部材は、請求項１記載の樹脂製配管接続部材が透明樹脂からなることを特徴とするものである。
このようにしてなる請求項２記載の樹脂製配管接続部材は、透明樹脂からなるが故に、後述する光弾性実験法によりその残留応力を容易に測定することができ、もってこの残留応力の値が２３ＭＰａ以下かどうか比較すれば、その樹脂製配管接続部材の寿命が３０年保証できるか否か容易に判定することができる。それ故、３０年の寿命を確実に保証できる樹脂製配管接続部材を提供することができる。

また本発明の請求項３記載の樹脂製配管接続部材は、請求項２記載の樹脂製配管接続部材において、前記透明樹脂の光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）が３．３以上であることを特徴としている。
このようにしてなる請求項３記載の樹脂製配管接続部材によれば、精度良く樹脂製配管接続部材の残留応力を測定でき、樹脂製配管接続部材の寿命保証をより確実に行うことができる。

さらに本発明の請求項４記載の樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法は、透明樹脂からなる樹脂製配管接続部材内に反射板を置き、該反射板に向け光を偏光板、１／４波長板をこの順に介して前記樹脂製配管接続部材の軸方向に出射し、この光を前記反射板で反射して前記樹脂製配管接続部材の内側から外側に向け透過させ、さらに１／４波長板、偏光板をこの順に通過させ、この際発生する縞次数を測定することにより前記樹脂製配管接続部材の残留応力を求めることを特徴とするものである。

このようにしてなる請求項４記載の樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法によれば、形状が複雑な管状の樹脂製配管接続部材であっても、この樹脂製配管接続部材が透明樹脂製であれば、残留応力を容易に測定することができ、樹脂製配管接続部材の寿命保証の判断に役立てることができる。

以上のように本発明によれば、管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を容易に測定できる樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法を提供できるとともに、この樹脂製配管接続部材に３０年の寿命を保証するための残留応力の上限値を与え、もって３０年の寿命を保証可能な樹脂製配管接続部材を提供することができる。

以下に本発明の一実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明者らが樹脂製の管継手に対して、前述したＪＩＳＫ６７６９で規定する熱間内圧クリープ試験を行い、寿命が３０年間保証できる内部応力の上限値を幾つかの温度毎に、具体的には２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、９５℃及び１１０℃で調べた結果を示すグラフである。
図１で縦軸は樹脂管に負荷されている円周方向の応力（ＭＰａ）値、横軸は前記円周方向の応力を負荷された場合に、樹脂管に水漏れやその他欠陥が発生するまでの時間（ｈ）を示している。
図１から、水漏れやその他の欠陥が発生するまでの時間（ｈ）に温度依存性があることが判る。そして３０年（２６２３００時間）の寿命を保証する円周方向の応力（フープストレス）は、この種の樹脂製配管接続部材が使用される温度雰囲気である２０℃においては、約２８ＭＰａ以下、１１０℃では約１０ＭＰａ以下であることが判る。
言い換えると、通常の使用温度である２０℃において、樹脂製の管継手において負荷される円周方向の応力が約２８ＭＰａ以下でなければ３０年の寿命を保証できないことが判る。

次に本発明者らは、樹脂管に管継手を連結する等の施工作業時に管継手等の樹脂製配管接続部材に負荷するであろう円周方向の応力値を推測した。
具体的には、布設工事で管継手等の樹脂製配管接続部材がもっとも大きな負荷が受けると予想される許容最小曲げ半径で曲げられて布設される場合の円周方向の応力を計算で求め、この値を４ＭＰａとした。

さらに布設後管継手等の樹脂製配管接続部材が受ける水圧による円周方向の応力を同様に計算し、これを０．４ＭＰａとし、さらには最悪状況下であるウオーターハンマー発生時に管継手等が受ける円周方向の応力を２ＭＰａと算出した。
以上から管継手等の樹脂製配管接続部材に寿命３０年を保証するためには、布設前の管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を、２８ＭＰａ−（４ＭＰａ＋０．４ＭＰａ）＝２３．６ＭＰａ、すなわち安全を考慮し、２３ＭＰａ以下にする必要があることが判る。
またこれにウオーターハンマー発生時の状況を考慮すると、２８ＭＰａ−（４ＭＰａ＋０．４ＭＰａ＋２ＭＰａ）＝２１．６ＭＰａ、すなわちこの値についても安全を考慮すると、２１ＭＰａ以下にする必要があることが明らかである。
このように、図１に示すグラフから、任意の使用温度及び保証期間等の設定に対応する樹脂製配管接続部材の最大残留応力を求めることができる。

そこで次には、単なる直管である樹脂管より、より形状が複雑な管継手のごとき樹脂製配管接続部材の残留応力をいかに測定するかが問題になる。
本発明者らはこの管継手等の樹脂製配管接続部材が透明であれば、その光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を測定し、さらに光弾性実験法により光が樹脂製配管接続部材の壁を透過する際発生する縞次数を検出すれば、樹脂製配管接続部材の残留応力を容易に得ることができることを見出した。
尚、樹脂によっては既にその光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）の値が知られているものもあり、その場合には、あえて樹脂製配管接続部材に用いた樹脂の透明サンプルから光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を求める必要はなく、既に知られている値をそのまま使用してもよい。もちろん実際に使用している樹脂の透明サンプルで光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を測定した方が、最終的に得られる残留応力値の精度が上がることはいうまでもない。

以下に透明樹脂からなる樹脂製配管接続部材、具体的には複数の枝管接続用の管継手を有するヘッダー３０において、残留応力の測定方法を説明することにする。
まず、このヘッダー３０を構成する透明樹脂からなる透明サンプル３を用意する。この透明サンプル３を図２のように偏光板１、１／４波長板２、透明サンプル３、１／４波長板４そして偏光板５をこの順で直列に配列し、図２の左側から単色光を出射する。
この状態で透明サンプル３上の測定点の近傍にサインペン等でマークを付ける。その後２枚の１／４波長板１、４を０目盛りに合わせて視野から除く（平面偏光状態にする）。次に２枚の偏光板１、５のハンドルを各々回して、黒色の等傾線を前記マークに合わせる。しかる後、今度は２枚の１／４波長板２、４を図２が示すように共に４５°回転させ、視野に入れる（円偏光状態にする）。

続いて透明サンプル３に所定の荷重を加えて、向かって右側の偏光板５のみハンドルで回転し、等傾線を移動して前記マークに合わせる。このとき回転した目盛りが縞次数であって、この数字は必ずしも自然数ではなく、小数点以下の数字を有することもある。
透明サンプル３に加えた荷重と前記縞次数の変化、すなわち前述した偏光板５を回転した目盛りの読みから光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を求めることができる。
具体的には下記式（１）において、Ｎに縞次数を、ｄに透明サンプル３の厚さ（ｍｍ）を、そして（σ_１―σ_２）には透明サンプル３に加えた荷重（ｋｇｆ／ｍｍ^２）を代入すれば、光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を算出することができる。
（σ_１―σ_２）＝Ｎ／αｄ・・・・・・・・・・（１）
ここでＮは前述したように縞次数（無次元）、ｄは透明サンプル３の厚さ（ｍｍ）、そして（σ_１―σ_２）は主応力差、すなわち残留応力である。
因みに、使用する波長λは５４６１オングストロームであり、この方法はＴａｒｄｙ法として知られている方法である。

図３は、複数の管継手を有するヘッダー３０の一部切開断面図である。このヘッダー３０において残留応力を具体的に測定する方法を以下に示す。
尚、このヘッダー３０の両端には主管である樹脂管３１をワンタッチで挿入、連結するためのソケット部３４ａが設けられ、側部には枝管である樹脂管３２が、これもワンタッチで挿入、連結されるソケット部３４ｂが複数設けられている。また符号１４はヘッダー３０と樹脂管３１、３２間の水密性を保持するために用いられているＯリングであり、符号１６は挿入した樹脂管３１、３２がヘッダー３０から抜けないようにするための抜け防止リングを示している。
さらに符号１８は各ソケット部３４ａ、ソケット部３４ｂ内に収納されている前記Ｏリング１４や抜け防止リング１６がソケット部３４ａ、３４ｂから抜け出ないように保持する保持部材を示している。
尚、ヘッダー３０の向かって左端においては、Ｏリング１４、抜け防止リング１６及び保持部材１８とを図が煩雑になるため省略している。

尚、このヘッダー３０は、透明な樹脂であるポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）で形成されており、このポリフェニルサルフォンを射出成形あるいはブロー成形して製造したものである。
このポリフェニルサルフォンで製作した透明サンプル３について、予め前述した図２に示すＴａｒｄｙ法及び前記式（１）を使って光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）を求めたところ、その値は９．９９（ｍｍ／ｋｇｆ）であった。

図３が示すように、ヘッダー３０内に反射板４０を、ヘッダー３０の中心軸に対して４５°傾けてセットした。その結果、図３に向かって左方向から、例えば白色光源６から白色光を偏光板１、１／４波長板２を透過させてヘッダー３０の中心軸に沿うように出射した場合、その光は反射板４０でヘッダー３０の半径方向に直角に反射され、ヘッダー３０の管壁をその厚さ方向に直角に透過し、さらに別の１／４波長板４、偏光板５をこの順に通過する。この偏光板５を通過後に現れる縞次数と、前述したヘッダー３０の光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）の値とを前記（１）式に代入すれば、ヘッダー３０の残留応力σ（ｋｇｆ／ｍｍ^２）を得ることができる。

ここで、残留応力の測定用の光源６として白色光を使用しているが、白色光を使用すると、赤色、黄色あるいは緑の等色線が縞模様になって現れる。ここで、例えば赤色の等色線の本数を数えれば縞次数が測定できる。またこの等色線の順序から残留応力の高い部分、低い部分の、いわゆる応力分布をも把握することができる。
但し、白色光を光源６にした場合、高次の縞模様がぼけて縞次数を数え難い場合がある。その場合には光源６を白色光の光源６から単色光の光源６に切り換えるとよい。その理由は、単色光にすると縞模様がはっきりし、縞次数を明確に捕らえることができるからである。但し、単色光を用いた場合には、前述した残留応力の分布状態の把握はでき難くなる。それ故、光源６は単色光でも白色光でも随時使用できるように切り換え可能にしておくと便利である。

ところで本発明の樹脂製配管接続部材では残留応力を２３ＭＰａ以下、好ましくは２１ＭＰａ以下にすることを特徴にしているが、透明サンプル３の厚さを３ｍｍにした場合、前述した光弾性感度αが９．９９（ｍｍ／ｋｇｆ）のポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）では１縞当りの応力は０．３ＭＰａに相当する。すなわち、αを約１０と仮定すると、Ｎ／１０・３＝Ｎ／３０（ｋｇｆ／ｍｍ^２）となり、これをＭＰａに換算すると、約０．３ＭＰａになる。
一方、これよりも光弾性感度αが低い、例えば光弾性感度αが１．３３（ｍｍ／ｋｇｆ）のポリカーボネート（ＰＣ）の場合、同様に計算すると１縞当り約２．５ＭＰａになってしまい、残留応力値２３ＭＰａを測定するには、その精度が荒くなり過ぎる。それ故、少なくとも光弾性感度αが３．３３（ｍｍ／ｋｇｆ）以上の透明樹脂で樹脂製配管接続部材を形成することが、残留応力をより精度よく測定する上で好ましい。因みに、光弾性感度αが３．３３（ｍｍ／ｋｇｆ）の場合、１縞当りの応力は約０．９ＭＰａになる。

光弾性感度αが３．３（ｍｍ／ｋｇｆ）以上であることに加え、この樹脂製配管接続部材が給水管や給湯管用に使用されることを考慮し、耐熱性、耐水性、衛生性をも合わせて考えると、例えば前述したポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）の他に、ポリサルフォン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）あるいはポリエーテリイミド（ＰＥＩ）等が最適な樹脂として推奨できる。

図３では樹脂製配管接続部材としてヘッダー３０を示したが、樹脂製配管接続部材には、通常の管継手、プラグ（栓）、ニップル（分岐管の連結部材）、エルボ（配管曲げ部形成部材）、さらには管継手と樹脂管との連結に際して、樹脂管の形状を矯正するために樹脂管内に挿入されるインコアと呼ばれるもの等も含まれる。

このように配管に接続する前の樹脂製配管接続部材の残留応力を２３ＭＰａ以下に抑えたものを前述したＪＩＳＫ６７６９で規定する熱間内圧クリープ試験にかけたところ、水漏れ等の不具合が発生するまでの時間は２６３０００時間以上、すなわち３０年以上であった。
尚、残留応力を２３ＭＰａ以下に抑えた樹脂製配管接続部材は、射出成形法やブロー成形法で、その成形条件、特に冷却時間等を調整することで容易に得ることができるが、できあがった樹脂製配管接続部材に切削加工等でネジを切ったりすると、そのネジ部に局所的に大きな残留応力が発生する可能性が高く、さらにその部分にネジによる応力が発生してしまう。それ故、できるだけ射出成形法やブロー成形法だけで樹脂製配管接続部材を製造するのが好ましい。

また通常の配管においては、稀ではあるがウオーターハンマーが発生することがあり、このウオーターハンマーの発生に対処するには、好ましくはより安全な２１ＭＰａ以下に樹脂製配管接続部材の残留応力を抑えておく方がよい。

以上述べたように本発明によれば、管継手等樹脂製配管接続部材の残留応力を容易に測定できる樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法を提供することができるとともに、この樹脂製配管接続部材に３０年の寿命を保証するための残留応力の上限値を与えることができる。それ故、３０年の寿命を確実に保証できる樹脂製配管接続部材を提供することができる。
尚、本発明の樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法で樹脂製配管接続部材の残留応力が判れば、この値と図１に示す熱間内圧クリープ試験の結果、あるいは標準試験片で予めクリープ試験を行って得た各材料毎の試験結果とを付き合わせれば、測定した樹脂製配管接続部材の個々の寿命を推定することもできる。

樹脂製管継手に対して行った熱間内圧クリープ試験の結果を示すグラフである。透明樹脂の光弾性感度αを測定するために用いるＴａｒｄｙ法を説明するための概略図である。本発明の樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法の一実施例を示す概略図である。

符号の説明

１偏光板
２１／４波長板
３透明サンプル
４１／４波長板
５偏光板
６光源
３０ヘッダー
３１樹脂管
３２樹脂管
４０反射板

Claims

残留応力が２３ＭＰａ以下であることを特徴とする樹脂製配管接続部材。
透明樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の樹脂製配管接続部材。
前記透明樹脂の光弾性感度α（ｍｍ／ｋｇｆ）が３．３以上であることを特徴とする請求項２記載の樹脂製配管接続部材。
透明樹脂からなる樹脂製配管接続部材内に反射板を置き、該反射板に向け光を偏光板、１／４波長板をこの順に介して前記樹脂製配管接続部材の軸方向に出射し、この光を前記反射板で反射して前記樹脂製配管接続部材の内側から外側に向け透過させ、さらに１／４波長板、偏光板をこの順に通過させ、この際発生する縞次数を測定することにより前記樹脂製配管接続部材の残留応力を求めることを特徴とする樹脂製配管接続部材の残留応力測定方法。