JP2019078548A - 鋼管の曲げ試験装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】供試体となる鋼管の軸方向の全長に亘ってほぼ等しいモーメントを発生させることができる鋼管の曲げ試験装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明に係る鋼管の曲げ試験装置１は、供試体となる鋼管３の一端を可動アーム５に、鋼管３の他端を固定アーム７にそれぞれ固定し、可動アーム５を固定アーム７側に移動することで鋼管３にモーメントを発生させて鋼管３を曲げ変形させるものであって、固定アーム７及び可動アーム５のアーム長を、供試体となる鋼管３の長さの５０％以上に設定したことを特徴とするものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、パイプライン等に使用される鋼管の曲げ試験装置及び方法に関する。

パイプラインを形成する鋼管は、その使用環境において必要とされる変形性能を評価する必要がある。例えば、ガスパイプラインにおいては、内圧が作用している状態で、地震による地盤変動が発生すると、内圧が作用したまま曲げられる状態となる。
したがって、鋼管製造メーカにおいては、パイプライン用の鋼管については内圧を作用させた状態での性能照査が求められることが多い。

鋼管に内圧が作用した状態での曲げ試験方法としては、伝統的に４点曲げ試験装置を用いる方法があるが、この方法では載荷点の補強が必要であり、その補強により試験結果が変わってしまうという問題がある。
この問題を解決するものとして、アーム曲げ試験装置を用いる試験方法が開発された。図８は、非特許文献１に記載されているアーム曲げ試験装置を上方から見た状態の図である。

アーム曲げ試験装置２１は、図８に示されるように、一端がロッド２３にピン結合されロッド軸方向には移動しないように固定された固定アーム２５と、一端がロッドにピン結合されロッド軸方向にはジャッキ２７によって移動可能な可動アーム２９とを有し、これら固定アーム２５と可動アーム２９の他端に試験に供する鋼管３１の各端部を固定し、可動アーム２９を固定アーム２５側にロッド２３に沿って移動させることで鋼管３１に曲げモーメントを発生させるというものである。
なお、図８に示す例では、摩擦面をテフロン（登録商標）シートにしたベース３３で支持するようにしている。

「高圧ガス導管液状化耐震設計指針 資料編」、社団法人 日本ガス協会、2001年12月初版発行

鋼管の曲げ試験方法においては、本来、試験装置の仕様に起因するようなモーメントが鋼管の一部に集中する事態を極力を防ぐ必要がある。すなわち、試験体となる鋼管の長さ方向で等しいモーメントを作用させて、試験体となる鋼管のいずれの箇所が弱点となるのか、つまり座屈しやすいあるいは破断しやすいかを評価する必要がある。
しかしながら、非特許文献１に開示されているアーム曲げ試験装置は、固定アーム及び可動アームの長さが非常に短いものであり、鋼管の中央部と端部とではモーメントの差が大きくなり、正しい試験結果を得られないという問題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、供試体となる鋼管の軸方向の全長に亘ってほぼ等しいモーメントを発生させることができる鋼管の曲げ試験装置及び方法を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る鋼管の曲げ試験装置は、供試体となる鋼管の一端を可動アームに、前記鋼管の他端を固定アームにそれぞれ固定し、前記可動アームを前記固定アーム側に移動することで前記鋼管にモーメントを発生させて前記鋼管を曲げ変形させるものであって、
前記固定アーム及び前記可動アームのアーム長を、前記供試体となる鋼管の長さの５０％以上に設定したことを特徴とするものである。

（２）また、本発明に係る鋼管の曲げ試験方法は、供試体となる鋼管の一端を可動アームに、前記鋼管の他端を固定アームにそれぞれ固定し、前記可動アームを前記固定アーム側に移動することで前記鋼管にモーメントを発生させて前記鋼管を曲げ変形させるものであって、前記固定アーム及び前記可動アームのアーム長を前記供試体となる鋼管の長さの５０％以上に設定して曲げ試験を行うことを特徴とするものである。

本発明の鋼管曲げ試験装置は、固定アーム及び可動アームのアーム長を、供試体となる鋼管の長さの５０％以上に設定したことにより、鋼管の全長に亘ってモーメントの大きな不均一が生ずることがなく適切な試験を行うことができ、鋼管の適切な性能評価ができる。
また、アーム長を鋼管の長さの５０％以上に設定したことで、可動アームの基端側に付与する荷重を低減することができる。

本実施の形態に係る鋼管の曲げ試験装置の説明図である（その１）。 本実施の形態に係る鋼管の曲げ試験装置の説明図である（その２）。 アーム曲げ試験方法の課題を説明する説明図である。 解析モデルの説明図である。 解析結果をグラフ表示した図である（その１）。 解析結果をグラフ表示した図である（その２）。 解析結果をグラフ表示した図である（その３）。 従来のアーム曲げ試験装置の説明図である。

本発明の一実施の形態に係る鋼管の曲げ試験装置１は、図１に示すように、供試体となる鋼管３の一端を可動アーム５に、鋼管３の他端を固定アーム７にそれぞれ固定し、可動アーム５の基端側に荷重を付加して可動アーム５を固定アーム７側にガイドロッド９に沿って移動させることで鋼管３にモーメントを発生させて鋼管３を曲げ変形させるもの（以下、「アーム曲げ試験装置１」という）である。
そして、本実施の形態では、固定アーム７及び可動アーム５のアーム長を供試体となる鋼管３の長さの５０％以上に設定したことを特徴とするものである。

上記のアーム曲げ試験装置１によって鋼管３の曲げ試験を行う場合は、鋼管３の両端をキャップによって封止した状態で所定の内圧を鋼管３内部にかけた状態で、可動アーム５の機端側をジャッキによって押圧し、可動アーム５をガイドロッド９に沿って固定アーム７側に移動させることで、鋼管３にモーメントを発生させて鋼管３を曲げ変形させるようにすればよい。

本発明の特徴は、可動アーム５及び固定アーム７のアーム長を供試体となる鋼管３の長さの５０％以上に設定したことにあるので、アーム長をこのように設定した理由を以下に説明する。

鋼管の性能試験の観点からは、その性能を正しく評価するためには、モーメントを鋼管の全長に亘ってほぼ等しく発生させる必要がある。
しかし、アーム曲げ試験装置１では、供試体となる鋼管３を曲げたときにその中央部と管端部とではモーメントに差異が生ずる。この点を、図２に基づいて説明する。
図２は、可動アーム５を固定アーム７側にδ_x移動させて鋼管３に曲げを発生させた状態を示しており、このとき可動アーム５及び固定アーム７は鉛直方向からθ_arm傾いた状態になっている。

図１に示すように、曲げが発生する前の鋼管中心線からガイドロッド９の中心線（各アームの回転中心を結んだ線）までの距離はＬ_armである。本発明におけるアーム長はこのときのＬ_armである。
曲げが発生した図２に示す状態では、アーム長はδ_y+Ｌ_armcosθ_armとなる。鋼管３は曲げ角度＝２θ_armが２０°程度で座屈するので、通常θ_armは１０°程度であることから、cosθ_arm≒１であり、δ_y+Ｌ_armcosθ_arm≒δ_y+Ｌ_armとなる。

他方、鋼管端部では鋼管中心線からガイドロッド９の中心線までの距離は曲げが発生する前と同じＬ_armである。そのため、曲げが発生した状態における鋼管中央部のモーメントＭは、荷重をＦとして、Ｍ＝（δ_y+Ｌ_arm）×Ｆであるが、鋼管端部ではＭ＝Ｌ_arm×Ｆとなり、鋼管中央部のモーメントが鋼管端部よりも大きくなる。つまり、鋼管軸方向で鋼管３に発生するモーメントが不均一になり、これを図示したのが、図３である。
図３に示すように、鋼管３の中央部に向かってモーメントは徐々に大きくなる。

図２から理解されるように、アーム長が長くなるほど鋼管３に曲げが発生したときの管軸方向でのモーメントの差は小さくなる。この点からは、極力長いアーム長にすることが理想であるが、工学的には限界も有るため、アーム長がどの程度であれば、性能試験に支障のないモーメント差となるかを見極めることが重要である。

そこで、発明者は、図４の解析モデルに示すようにアーム長を変えてアーム長のモーメントに及ぼす影響について解析を行った。図４（ａ）はアーム長（Ｌ_arm）が６ｍの場合、図４（ｂ）はアーム長（Ｌ_arm）が２ｍの場合をそれぞれ示している。解析は、表１に示すように、アーム長を１ｍ、２ｍ、４ｍ、６ｍ、８ｍ、２０ｍ、４０ｍと変化させて行った。その他の解析条件は表１に示す通りである。

図５は解析結果をグラフ表示したものであり、横軸がアーム長を、縦軸が鋼管中央のモーメントと鋼管端部のモーメントの比であるモーメント比（中央／端部）を示している。
モーメント比が大きくなるということは、鋼管３の中央に曲げが集中していることを意味している。
図５を見ると、アーム長が１ｍでは２８％、アーム長が８ｍでは５％程度鋼管中央が大きくなっている。
４ｍよりもアーム長が短いと、鋼管中央と鋼管端部のモーメント比は1.1を越え、また、４ｍより短くなると急激にモーメント比が大きくなっている。このことから、本解析結果から鋼管３が８ｍの場合にはアーム長が４ｍ以上であることが望ましいと言える。

また、アーム長が短くなってモーメント分布が不均一になると、ひずみの軸方向での不均一を招くことから、アーム長と曲げ角度との関係についても検討した。
図６は表１に示した各アーム長についてモーメントと管端回転角との関係をグラフ表示したものであり、縦軸がモーメント、横軸が管端回転角を示している。図６から、アーム長が短くなるほど管端回転角が小さくなり早期に座屈が生じていることが分かる。

図７は、最大モーメント時における管端回転角とアーム長との関係をグラフ表示したものであり、縦軸が最大モーメント時における管端回転角で横軸がアーム長を示している。
図７から、アーム長が４ｍ以上であれば、最大モーメント時における管端回転角はほとんど低下することがないことが分かる。他方、４ｍより短い場合には管端回転角が急激に小さくなっている。
このことから、アーム長を４ｍ以上にすることで、管軸方向での発生モーメントの差異に起因する弊害を防止できることが分かる。

上記の解析では、鋼管３の長さを８ｍに設定した場合であり、この場合においてアーム長を４ｍ以上に設定することは、鋼管長の５０％以上にアーム長を設定することを意味する。

以上の検討から分かるように、アーム曲げ試験装置１において、アーム長を供試体である鋼管３の長さの５０％以上の長さに設定することで、鋼管３の全長に亘ってモーメントの大きな不均一が生ずることがなく適切な試験を行うことができる。

また、アーム長の下限値を供試体である鋼管３の長さの５０％とした理由は上記の通りであるが、その結果、アーム長が従来例である非特許文献１に開示されているものよりも長くなり、これによって以下のような効果を奏することができる。

近年では供試験体の鋼管が大径化し、また板厚も増加しているため、アーム長を長くすることで、テコの原理によりジャッキ等によって与える荷重が小さくても大きなモーメントを作用させることができる。
例えば、本発明の鋼管曲げ試験装置１であれば、φ48、板厚が２２ｍｍ、長さ１２ｍの鋼管３を供試体とした場合、６ｍのアーム長となるが、この場合の可動アーム５に与える荷重は３００tonとなる。これが仮に図８に示された非特許文献１のような０.５〜１ｍ程度のアーム長であれば、必要とされる荷重は３６００ton〜１８００tonとなり、通常の装置では曲げられない。

また、アーム長が短い場合、可動アーム５の基端側に与える荷重は鋼管３の断面に圧縮荷重として作用する。圧縮荷重が作用した状態では座屈が促進される。これは、初期状態で全断面圧縮ひずみが卓越した状態であるから、荷重作用後には圧縮側にすぐに降伏するため圧縮ひずみが不当に促進されるからである。座屈が促進されると、過度に安全側の試験結果となり、鋼管３の性能を評価するに妥当ではない。
また、引張ひずみの限界を評価する観点では過度に圧縮を卓越させた場合には危険側の検討をしていることになり、作用荷重を適正な、結果への影響が出ない範囲に留めることが重要である。
この点、本発明においては、アーム長がある程度長くなるため、作用荷重が過大になることがなく、適切な試験結果を得ることができる。

１ 鋼管の曲げ試験装置(アーム曲げ試験装置)
３ 鋼管
５ 可動アーム
７ 固定アーム
９ ガイドロッド
＜従来例＞
２１ アーム曲げ試験装置
２３ ロッド
２５ 固定アーム
２７ ジャッキ
２９ 可動アーム
３１ 鋼管
３３ ベース

Claims (2)

1. 供試体となる鋼管の一端を可動アームに、前記鋼管の他端を固定アームにそれぞれ固定し、前記可動アームを前記固定アーム側に移動することで前記鋼管にモーメントを発生させて前記鋼管を曲げ変形させる鋼管の曲げ試験装置であって、
   前記固定アーム及び前記可動アームのアーム長を、前記供試体となる鋼管の長さの５０％以上に設定したことを特徴とする鋼管の曲げ試験装置。
2. 供試体となる鋼管の一端を可動アームに、前記鋼管の他端を固定アームにそれぞれ固定し、前記可動アームを前記固定アーム側に移動することで前記鋼管にモーメントを発生させて前記鋼管を曲げ変形させる鋼管の曲げ試験方法であって、
   前記固定アーム及び前記可動アームのアーム長を前記供試体となる鋼管の長さの５０％以上に設定して曲げ試験を行うことを特徴とする鋼管の曲げ試験方法。