JP5505280B2 - 鋼構造物の使用限界予測手法 - Google Patents
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Description
本発明は、延性破壊が想定される鋼構造物の使用限界予測手法に関し、特に地震地帯や不連続凍土地帯など大きな外力が想定される場所で用いられる高強度鋼管に適用して好適なものに関する。
近年、パイプラインをコストダウンするためＡＰＩ規格でＸ８０やＸ１００グレードの高強度鋼管が開発されている（例えば、特許文献１）。鋼管は高強度の他に不安定破壊特性として脆性破壊特性と、延性的な不安定破壊特性である不安定延性破壊特性を備えることが重要とされている。
天然ガスパイプラインの敷設は地震地帯や凍土地帯に拡大し、これら地域に敷設されるパイプラインには、地盤変動による外力で大きな塑性変形が発生する。塑性変形を受けたパイプラインは溶接部等に潜在する欠陥から発生する延性き裂が進展して不安定延性破壊を生じ、延性破壊は介在物などからのボイド発生、成長、それらの連結過程であるため、その過程において板厚を貫通して内容物をリークする危険性が指摘されている。
非特許文献１は高強度ラインパイプ円周溶接部の延性破壊クライテリオンに関し、Ｘ８０及びＸ１００グレード高強度ラインパイプの母材および円周溶接継手の延性破壊挙動を切欠丸棒試験片と表面切欠き付広幅試験片によって調査し、母材および円周溶接継手に共通して、切欠丸棒試験片で得られたき裂発生限界歪（限界相当塑性歪）に、表面切欠き付広幅試験片のノッチ先端歪が達したときに延性き裂が発生することから、限界相当塑性歪が試験片サイズに依存しない破壊クライテリオンとして有効なことが述べられている。
石川信行、遠藤茂、伊木聡 「高強度ラインンパイプ円周溶接部の延性破壊クライテリオンと歪ベース設計」、溶接学会論文集 第２３巻 第２号 ｐ．３１１−３１８、２００５年
パイプライン等内圧がかかる鋼構造物の場合、欠陥部などの応力集中部から延性き裂が発生しても、進展して板厚を貫通するまでリークは発生しない。従って、延性破壊の初期段階である微小延性き裂が発生したことに基づいて使用限界を予測する非特許文献１記載の破壊クライテリオンを適用して設計した場合、微小延性き裂が板厚表面まで進展する過程を考慮せずに設計するので過度に安全な鋼構造物が得られ、経済性が損なわれる場合も発生する。
そこで、本発明は、経済性と安全性の調和がとれた鋼構造物の製造が可能な、鋼構造物の使用限界予測手法を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するため周方向に表面欠陥を有する鋼管が内圧下で軸方向に大変形を受けた時の延性き裂進展挙動について詳細に検討し、以下の知見を得た。
１．鋼管の延性き裂進展挙動は延性き裂が欠陥最深部から発生した後、管厚方向に進展し最終的に板厚を貫通することでリークへと至るものである。
２．延性き裂が進展する部位では同時に管厚方向に局所くびれが生じて管厚が減少し、よりリークへと至りやすい状況になる。
３．特に、延性き裂進展長さ（Δａ）および局所くびれ量（Ｒａ）を用いて求まる有効延性破壊パラメータが１．０になると延性き裂進展長さおよび局所くびれ量が急激に大きくなり延性き裂が板厚を貫通しリークへと至る。
４．鋼管の延性き裂進展挙動は、小型試験片であるＳｉｎｇｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｔｅｎｓｉｏｎ試験片の延性き裂進展挙動として再現可能である。
５．３、４より有効延性破壊パラメータ１．０を指標にすることで小型試験の延性き裂進展抵抗と構造物の変形挙動計算を用いて内圧のかかる構造物の使用限界（リーク発生点）を予測できる。
１．鋼管の延性き裂進展挙動は延性き裂が欠陥最深部から発生した後、管厚方向に進展し最終的に板厚を貫通することでリークへと至るものである。
２．延性き裂が進展する部位では同時に管厚方向に局所くびれが生じて管厚が減少し、よりリークへと至りやすい状況になる。
３．特に、延性き裂進展長さ（Δａ）および局所くびれ量（Ｒａ）を用いて求まる有効延性破壊パラメータが１．０になると延性き裂進展長さおよび局所くびれ量が急激に大きくなり延性き裂が板厚を貫通しリークへと至る。
４．鋼管の延性き裂進展挙動は、小型試験片であるＳｉｎｇｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｔｅｎｓｉｏｎ試験片の延性き裂進展挙動として再現可能である。
５．３、４より有効延性破壊パラメータ１．０を指標にすることで小型試験の延性き裂進展抵抗と構造物の変形挙動計算を用いて内圧のかかる構造物の使用限界（リーク発生点）を予測できる。
本発明は得られた知見をもとに更に検討をくわえてなされたもので、すなわち、本発明は、
１．鋼構造物の延性破壊による使用限界を予測する鋼構造物の使用限界予測手法であって、 鋼構造物における欠陥の有効開口変位が予め定めた限界有効開口変位量に達する時の外力または変形量を前記鋼構造物の使用限界外力または変形量とし、
前記限界有効開口変位量は鋼構造物に存在する表面欠陥から生じた延性き裂が板厚を貫通する際の有効開口変位量であって、
評価対象物と同じ材質で前記欠陥と同じ板厚に対する欠陥深さ寸法の切欠きを有する小型試験片を用いた試験から前記切欠きの有効開口変位と延性き裂進展長さと局所くびれ量を測定することで求めた延性破壊抵抗曲線において、有効延性破壊パラメータが１．０に達するときの有効開口変位であることを特徴とする鋼構造物の使用限界予測手法。
１．鋼構造物の延性破壊による使用限界を予測する鋼構造物の使用限界予測手法であって、 鋼構造物における欠陥の有効開口変位が予め定めた限界有効開口変位量に達する時の外力または変形量を前記鋼構造物の使用限界外力または変形量とし、
前記限界有効開口変位量は鋼構造物に存在する表面欠陥から生じた延性き裂が板厚を貫通する際の有効開口変位量であって、
評価対象物と同じ材質で前記欠陥と同じ板厚に対する欠陥深さ寸法の切欠きを有する小型試験片を用いた試験から前記切欠きの有効開口変位と延性き裂進展長さと局所くびれ量を測定することで求めた延性破壊抵抗曲線において、有効延性破壊パラメータが１．０に達するときの有効開口変位であることを特徴とする鋼構造物の使用限界予測手法。
本発明によれば、下記の効果により経済性と安全性を兼ね備えた鋼構造物が製造可能で産業上極めて有用である。
（１）内圧のかかる構造物がリークへ至るまでに許容できる外力（変形量）を、実構造物を用いた試験をせずとも簡易に予測できるので、当該構造物の使用条件を容易に判別できる。（２）また、構造物に作用する外力（変形量）が決定している場合、当該構造物に許容できる欠陥寸法も簡易に予測できるので、欠陥の補修可否の検討等メンテナンスにも活用でき鋼構造物の長寿命化、維持コストの削減にも役立つ。
（１）内圧のかかる構造物がリークへ至るまでに許容できる外力（変形量）を、実構造物を用いた試験をせずとも簡易に予測できるので、当該構造物の使用条件を容易に判別できる。（２）また、構造物に作用する外力（変形量）が決定している場合、当該構造物に許容できる欠陥寸法も簡易に予測できるので、欠陥の補修可否の検討等メンテナンスにも活用でき鋼構造物の長寿命化、維持コストの削減にも役立つ。
本発明は、鋼構造物における欠陥の有効開口変位が、リークが発生する有効開口変位として定義する限界有効開口変位量に達する時の外力または変形量を前記鋼構造物の使用限界外力または変形量とすることを特徴とする。以下、本発明を、周方向に表面欠陥を有する鋼管が軸方向に大変形を受けた場合を対象として詳細に説明する。
本発明では、まず、限界有効開口変位量を決定するため、評価対象とする鋼管の延性破壊抵抗曲線を求める。延性破壊抵抗曲線は、有効開口変位（δｅｆｆ）と有効延性破壊パラメータ（αｅｆｆ）の関係を示し、式（１）で表される。
延性破壊抵抗曲線は、鋼構造物の延性き裂進展挙動を再現するために用いられる小サイズの材料試験材片、例えばＤＮＶ−ＲＰ−Ｆ１０８に準拠したＳｉｎｇｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｔｅｎｓｉｏｎ試験片を用いて数本の引張途中除荷試験を行って求める。図２に除荷した試験片の中央断面を示す。図２で定義される有効開口変位（δｅｆｆ）、延性き裂進展長さ（Δａ）および局所くびれ量（Ｒａ）を測定し、延性き裂進展長さ（Δａ）および局所くびれ量（Ｒａ）を用いて有効延性破壊パラメータ（αｅｆｆ）を式（２）で求める。
有効開口変位（δｅｆｆ）と有効延性破壊パラメータ（αｅｆｆ）を式（１）の形で近似して評価対象材の延性破壊抵抗曲線とする。
そして、有効延性破壊パラメータ（αｅｆｆ）が１に達したときの有効開口変位をリークが発生する限界有効開口変位量と決定する。
本発明では、得られた限界有効開口変位の値に基づいて、鋼構造物の使用限界、すなわち、鋼構造物に作用する外力または変形量の限界の予測が可能となる。図１は、本発明により鋼管の使用限界を求める場合を模式的に説明する図で、延性破壊抵抗曲線より求めた限界有効開口変位量を求めて（ａ）、鋼管に作用する外力によって変化する有効開口変位（δｅｆｆ）が当該限界有効開口変位量に達したときを使用限界とすることを示している（ｂ）。
また、欠陥の有効開口変位（δｅｆｆ）は鋼管の変形量にかえて外力との関係を求めても良い。使用限界の予測方法については、得られた限界有効開口変位の値に基づいて予測される方法であれば特に限定はされず、種々の方法によって予測可能である。
例えば、三次元弾性有限要素解析によって行うことができる。得られた限界有効開口変位に達するときの鋼構造物の軸方向作用歪みを鋼構造物の使用限界として予測する方法である。
三次元弾性有限要素解析による導出法を説明する。弾塑性解析にはヤング率は２０６０００ＭＰａ、ポアソン比は０．３を使用する。
上記解析において降伏後（弾性変形後）の解析には、対象とする鋼管の軸方向から切り出した例えばＪＩＳ １４Ａ号試験で得られた公称応力−公称歪関係から求めた相当応力−相当塑性歪関係を使用する。一様伸び以降は、一様伸びの１／２の歪から一様伸びまでの相当応力−相当塑性歪関係をＳｗｉｆｔタイプの式で回帰して使用する。
以下、実施例を用いて更に本発明を説明する。
操業圧力１４．３ＭＰａ、鋼管サイズΦ２１６ｘ１０．３ｔ（ｍｍ）、周方向表面欠陥３０ｘ４（ｍｍ）を有する、３水準の強度レベルのシームレス鋼管（以下、評価対象材）が軸方向に大変形を受けた時の使用限界を本発明により求めた。
評価対象材の延性破壊抵抗曲線は、初期欠陥深さａ０＝３ｍｍ、切欠き先端半径０．１ｍｍ、厚さ７ｍｍ、幅１４ｍｍおよび長さ２８０ｍｍで引張方向が鋼管の軸方向となるように採取したＳｉｎｇｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｔｅｎｓｉｏｎ試験片を７本用いて引張途中除荷試験を行って、前述の方法により求め、限界有効開口変位量を決定した。
次に、切欠き先端の開口変位と評価対象材の変形挙動を把握するために、三次元弾塑性有限要素解析を実施した。解析コードは汎用の解析コードであるＡＢＡＱＵＳ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｖｅｒ．６．７を用いた。弾塑性解析に使用したヤング率は２０６０００ＭＰａ、ポアソン比は０．３である。
降伏後の解析には、評価対象材の軸方向から切り出したＪＩＳ １４Ａ号試験で得られた公称応力−公称歪関係から求めた相当応力−相当塑性歪関係を用いた。さらに、一様伸び以降は、一様伸びの１／２の歪から一様伸びまでの相当応力−相当塑性歪関係をＳｗｉｆｔタイプの式で回帰して使用した。有限要素解析で求めた評価対象材の有効開口変位が前記限界有効開口変位量に達する時の軸方向作用歪を評価対象材の使用限界（リーク発生歪（予測値））とした。
一方、検証のため、評価対象材の軸方向引張試験を行いリークが発生する軸方向作用歪（実験値）を求めた。表１に実験値と本発明による使用限界（リーク発生歪（予測値））を示す。両者はよく一致しており、本発明によって内圧のかかる鋼構造物の使用限界を精度良く予測できることが認められた。
また、予測結果に及ぼす有効延性破壊パラメータの影響を調べるために、有効延性破壊パラメータが１．０、０．９５、０．９、０．８５、０．８に達したときの有効開口変位をそれぞれリークが発生する限界有効開口変位量と定めた場合の予測結果を求め、上記実験結果を比較した。
図３に限界有効開口変位を決定した有効延性破壊パラメータの値と、当該有効延性破壊パラメータの値による限界有効開口変位量を用いて求めた予測値と前述の実験値の誤差（％）の関係を示す。
有効延性破壊パラメータの値を１．０未満とすると誤差が大きく、特に、有効延性破壊パラメータ０．９未満を指標した場合には大きい。内圧のかかる鋼構造物の使用限界予測には有効延性破壊パラメータ１．０を指標とすることが最適であることが認められる。
パイプラインに発生する最大引張歪は、パイプの寸法や地盤の状況などによって異なるが、代表的な作用歪は２％程度である。本実施例では、安全率も考慮し設計上４％歪が作用したときに構造物の欠陥を許容できるか判定する。
評価する欠陥は、パイプライン敷設中あるいは操業中に工事等生じる凹みキズとし、ＷＥＳ２８０５に準拠して特性化した欠陥寸法を有する半だ円形き裂とした。図４にＷＥＳ２８０５による欠陥寸法の特性化を示す。
まず、ＤＮＶ−ＲＰ−Ｆ１０８に準拠したＳｉｎｇｌｅ ｅｄｇｅ ｎｏｔｃｈｅｄ ｔｅｎｓｉｏｎ試験片を用いて７本の引張途中除荷試験を行い、評価対象材の延性破壊抵抗曲線を求めて、有効延性破壊パラメータが１．０に達したときの有効開口変位をリークが発生する限界有効開口変位量とした。
次に、三次元弾塑性有限要素解析により対象鋼管に４％の軸方向歪が作用した場合の欠陥の有効開口変位を求め、限界有効開口変位量と比較した。解析コードは汎用の解析コードであるＡＢＡＱＵＳ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｖｅｒ．６．７を用いた。
有限要素解析による欠陥の有効開口変位が限界有効開口変位量以上となる場合は４％歪に達する前にリークが発生し、評価した欠陥は許容できないと判定される。一方、欠陥の有効開口変位が限界有効開口変位未満となる場合は評価した欠陥は許容でき補修が不要と判断される。表２に本実施例で評価した欠陥寸法（ＷＥＳ２８０５による特性欠陥寸法）と、解析結果を示す。延性き裂の発生を使用限界と予測する従来手法においては、すべての欠陥で補修が必要と判定されるが、本発明によるとＮｏ．３の欠陥寸法まで許容でき欠陥補修の可否についてより合理的な判定ができる。
Claims (1)
- 鋼構造物の延性破壊による使用限界を予測する鋼構造物の使用限界予測手法であって、 鋼構造物における欠陥の有効開口変位が予め定めた限界有効開口変位量に達する時の外力または変形量を前記鋼構造物の使用限界外力または変形量とし、
前記限界有効開口変位量は鋼構造物に存在する表面欠陥から生じた延性き裂が板厚を貫通する際の有効開口変位量であって、評価対象物と同じ材質で前記欠陥と同じ板厚に対する欠陥深さ寸法の切欠きを有する小型試験片を用いた試験から前記切欠きの有効開口変位と延性き裂進展長さと局所くびれ量を測定することで求めた延性破壊抵抗曲線において、有効延性破壊パラメータが１．０に達するときの有効開口変位であることを特徴とする鋼構造物の使用限界予測手法。
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