JP5874868B1

JP5874868B1 - 座屈波形鋼管

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Publication number: JP5874868B1
Application number: JP2015539895A
Authority: JP
Inventors: 延広長谷川; 俊雄今井; 浩長嶺; 隼人中園
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: CA2980435C; CA2980435A1; WO2016185523A1; US20170102100A1; JPWO2016185523A1; PH12017501684A1; US9869410B2

Abstract

座屈波形部（３）を有する座屈波形鋼管（１）であって、前記座屈波形部（３）は、１．７２√（ｒ・Ｔ）で表される圧縮局部座屈半波長（Ｌ）の２．０５〜４．３２倍の座屈波長（Ｌｎ）と、鋼管直管部（２）の管厚（Ｔ）の８．００〜１６．２５倍で表される山高さ（ｈ）とに基づいて定められる正弦波で表される形状である、ことを特徴とする座屈波形鋼管（１）。ただし、ｒは鋼管直管部（２）の管厚中心半径、Ｔは鋼管直管部（２）の管厚である。

Description

本発明は、座屈波形鋼管に関する。

従来、石油、ガス、電気、水などを運ぶための鋼管は、地中に埋設されている。ところが、地中には断層が多数分布し、その距離も長大であるため、鋼管は、断層を回避して埋設することが困難である。断層とは、図１に示すように、固い地盤に生じる現象であり、地層や岩石に割れ目（断層面）を生じ、断層面に沿って両側が互いにずれている現象のことである。断層面におけるずれ（変位）は、平均して数ｍに達する。このため、固い地盤に断層面を横過して鋼管が埋設されている場合、断層運動が生じると、鋼管には、局部的な曲げ圧縮変形が生じる。そこで、地中に埋設された鋼管は、断層運動によって生じた変位によって破断や亀裂が発生することを回避するために、変位を吸収する変位吸収構造を備えている。

特許第５０３５２８７号公報

また、柔らかい地盤においては、褶曲と呼ばれる現象が生じる。褶曲とは、堆積当時水平であった地層が、地殻変動のため、波状に曲がる現象のことである。褶曲は、広範囲に亘って緩やかに撓みを生じる。このため、柔らかい地盤に鋼管が埋設されている場合、地殻変動が生じると、鋼管には、広範囲に亘って軸圧縮変形を生じる。

また、図２，図３に示すように、固い地盤の上に柔らかい地盤が重なっている地盤においては、撓曲と呼ばれる現象が生じる。撓曲とは、下部の固い地盤に断層が生じ、上部の柔らかい地盤に撓みを生じる現象のことである。ところが、断層面は、固い地盤に留まる場合もあれば、柔らかい地盤まで到達する場合もあり予想することは非常に困難である。このため、撓曲を生じる地盤に鋼管を埋設する場合、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれによっても破断や亀裂が発生することを回避する対策が必要である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれによっても破断や亀裂が発生することを回避することができる座屈波形鋼管を提案することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る座屈波形鋼管では、
（１）鋼管直管部と座屈波形部を有し、撓曲を生じる地盤に埋設される座屈波形鋼管であって、前記座屈波形部は、１．７２√（ｒ・Ｔ）で表される圧縮局部座屈半波長の２．０５〜４．３２倍の座屈波長と、前記鋼管直管部の管厚の８．００〜１６．２５倍で表される山高さとに基づいて定められる正弦波で表される形状であり、前記座屈波形部において前記地盤の断層運動による曲げ圧縮変形と撓曲による軸圧縮変形を吸収し前記鋼管直管部の変形を回避する、ことを特徴としている。ただし、ｒは鋼管直管部の管厚中心半径、Ｔは鋼管直管部の管厚である。

（２）また、上記（１）の座屈波形鋼管において、前記座屈波形部は、前記座屈波形鋼管の軸方向において間隔を空けて配設されている、ことが好ましい。

（３）また、上記（２）の座屈波形鋼管において、前記座屈波形部は、断層面を挟んで所定距離離間して配設される、ことが好ましい。

本発明に係る座屈波形鋼管によれば、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれによっても破断や亀裂が発生することを回避することができる。

図１は、地盤に生じる現象を説明するための概略図である。図２は、実施形態に係る座屈波形鋼管を配設する、撓曲を生じる地盤を説明する概略図である。図３は、実施形態に係る座屈波形鋼管を配設する地盤に撓曲を生じた際の鋼管の変形を説明する概略図である。図４は、実施形態に係る座屈波形鋼管を配設する地盤に断層を生じた際の鋼管の変形を説明する概略図である。図５は、実施形態に係る座屈波形鋼管を配設する地盤に撓曲を生じた際の鋼管の変形を説明する概略図である。図６は、実施形態に係る座屈波形鋼管の部分断面図である。図７は、実施形態に係る座屈波形鋼管の正面図である。

以下、本発明に係る座屈波形鋼管１の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る座屈波形鋼管１は、図４に示すように、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、図５に示すように、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれによっても破断や亀裂が発生することを回避するものである。断層運動による局部的な曲げ圧縮変形は、断層面Ｆを挟んで所定距離（以下、「塑性ヒンジ間距離」という。）離間した部分に生じる。曲げ圧縮変形の生じた部分は、塑性ヒンジという。この曲げ圧縮変形は、局部的であり、かつ、変位が平均して数ｍに達するものである。撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形は、例えば、断層変位が鉛直方向に３ｍ、水平方向に１．５ｍの場合、軸方向に２００ｍに亘って緩やかな撓みを生じる。

座屈波形鋼管１は、例えば、ＳＳ４００を含む軟鋼（炭素含有率が０．１３〜０．２０％の炭素鋼）で構成される。座屈波形鋼管１は、図６，図７に示すように、鋼管直管部２と座屈波形部３とが軸方向に繰り返されて形成されている。

座屈波形部３は、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形を吸収する部分である。座屈波形部３は、鋼管に生じる圧縮局部座屈に近似する形状に形成されている。地殻変動時、この座屈波形部３が変形することにより、座屈波形鋼管１は、変位を吸収する。座屈波形部３は、軸圧縮方向の反力が鋼管直管部２より低減されている。すなわち、座屈波形部３は、鋼管直管部２が変形するより前に変形することで、鋼管直管部２の変形を回避する。

座屈波形部３は、鋼管直管部２の径方向外側に膨出して形成されている。座屈波形部３は、１．７２√（ｒ・Ｔ）で表される圧縮局部座屈半波長Ｌの２．０５〜４．３２倍の座屈波長Ｌ_ｎと、鋼管直管部２の管厚Ｔの８．００〜１６．２５倍で表される山高さｈとに基づいて定められる正弦波で表される形状である。ここで、ｒ＝（Ｄ_０−Ｔ）／２である。ただし、ｒは鋼管直管部の管厚中心半径（鋼管の中心から管厚の中央までの距離）、Ｄ_０は鋼管直管部の外径、Ｔは鋼管直管部の管厚である。

座屈波形部３は、外径Ｄ_０、管厚Ｔ、山高さｈ、座屈波長Ｌ_ｎ、材質（弾性係数）と、断層変位や地盤条件などを考慮してＦＥＭ（Finite Element Method、有限要素法）解析を行うことで最適な形状が決定される。ここで、ＦＥＭ解析による最適形状の検討方法の一例を説明する。外径Ｄ_０および管厚Ｔ、は、座屈波形鋼管１として適用される口径（例えば、８００Ａ〜３０００Ａ）および厚さとする。座屈波長Ｌ_ｎは、座屈波長Ｌ_ｎを変数とし、山高さｈと管厚Ｔとを変えずにＦＥＭ解析を行って得られた軸圧縮方向の反力と軸変位との関係に基づいて、縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線が、軸圧縮方向の反力の最大値に到達した後、緩やかな勾配で推移するものを最適な形状として選択する。また、山高さｈは、山高さｈを変数とし、座屈波長Ｌ_ｎと管厚Ｔとを変えずにＦＥＭ解析を行って得られた軸圧縮方向の反力と軸変位との関係に基づいて、縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線が、軸圧縮方向の反力の最大値に到達した後、緩やかな勾配で推移するものを最適な形状として選択する。さらに、管厚Ｔは、管厚Ｔを変数とし、座屈波長Ｌ_ｎと山高さｈとを変えずにＦＥＭ解析を行って得られた軸圧縮方向の反力と軸変位との関係に基づいて、縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線が、軸圧縮方向の反力の最大値に到達した後、緩やかな勾配で推移するものを最適な形状として選択する。さらにまた、材質は、複数の弾性係数についてＦＥＭ解析を行って得られた軸圧縮方向の反力と軸変位との関係に基づいて、縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線が、軸圧縮方向の反力の最大値に到達した後、緩やかな勾配で推移するものを最適な材質として選択する。このようにして、選択された座屈波長Ｌ_ｎ、山高さｈ、管厚Ｔ、材質を組み合わせて複数のケースを作成し、各ケースについてＦＥＭ解析を行って、軸圧縮方向の反力の最大値と許容変位の結果を算出する。得られた結果の中で、軸圧縮方向の反力の最大値がより小さく、かつ、許容変位が大きく取れるケースが望ましいケースである。

上述のように、外径Ｄ_０、管厚Ｔ、山高さｈ、座屈波長Ｌ_ｎ、材質（弾性係数）を変数としてＦＥＭ解析を行って、軸圧縮方向の反力を低減し、かつ、許容曲げ角度が最大となる座屈波形部３の最適形状を求めた例を表１に示す。

表１に示した外径Ｄ_０、管厚Ｔ、山高さｈ、座屈波長Ｌ_ｎの座屈波形部３を有する座屈波形鋼管１は、管路の途中に配設された状態で、地中に埋設される。これらの座屈波形鋼管１は、地殻変動によって断層変位が生じた場合、座屈波形部３において変形することで、破断や亀裂が発生することが回避される。なお、これらの座屈波形鋼管１は、実管による変形確認実験およびＦＥＭ解析によって、座屈波形部３が変形することで、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれの変位も吸収し、かつ、鋼管直管部２における歪みを抑制することが確認された。

実管による変形確認実験では、座屈波形鋼管１に軸圧縮方向の荷重を加えて、軸圧縮方向の反力と軸変位とを計測する。そして、実管による変形確認実験では、縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線が、上述したＦＥＭ解析によって得られた縦軸を軸圧縮方向の反力とし横軸を軸変位とする曲線を再現しているか否かを判定する。また、実管による変形確認実験では、変形後の座屈波形鋼管１を目視やピンホール検査で確認し、破断や亀裂の有無を確認する。

ＦＥＭ解析による確認では、座屈波形鋼管１が埋設される地盤を土質材料の連続体（ソリッド要素）であると設定し、座屈波形鋼管１を含む管路との接触を考慮した弾塑性モデルで非線形ＦＥＭ解析を実施する。そして、ＦＥＭ解析による確認では、座屈波形鋼管１の曲げ角度を算出し、許容角度以下であれば有効性があると判定する。

表１より、上述したように、座屈波形部３の座屈波長Ｌ_ｎは、圧縮局部座屈半波長Ｌの２．０５〜４．３２倍であり、山高さｈは、鋼管直管部２の管厚Ｔの８．００〜１６．２５倍である。

具体的に、実施例１は、外径Ｄ_０が８１２．８ｍｍ、管厚Ｔが８．０ｍｍであるため、圧縮局部座屈半波長Ｌは９７．６ｍｍと算出される。これにより、座屈波長Ｌ_ｎ（＝２００ｍｍ）は、圧縮局部座屈半波長Ｌの２．０５倍と算出される。同様に、他の実施例においても計算すると、座屈波長Ｌ_ｎは、圧縮局部座屈半波長Ｌの２．０５〜４．３２倍と算出される。

また、具体的に、実施例１は、管厚Ｔが８．０ｍｍ、山高さｈが６４ｍｍであるため、高さの比（ｈ／Ｔ）は８．００倍と算出される。同様に、他の実施例においても同様に計算すると、高さの比（ｈ／Ｔ）は、８．００〜１６．２５倍と算出される。

座屈波形部３は、断層面Ｆを挟んで塑性ヒンジ間距離離間して配設されている。ここで、塑性ヒンジ間距離は、座屈波形鋼管１を埋設する際の設計時に断層変位や地盤条件を考慮してＦＥＭ解析を行うことで最適な値が算出される。より詳しくは、塑性ヒンジ間距離は、座屈波形鋼管１の外径Ｄ_０の数倍である。

次に、上記の構成を有する座屈波形鋼管１の作用を説明する。

撓曲を生じる地盤に座屈波形鋼管１が埋設され、地殻変動によって断層変位が生じて座屈波形鋼管１の埋設深度に断層が到達した場合、すなわち、座屈波形鋼管１が断層面Ｆを横過している場合、座屈波形鋼管１は、図４に示すように、曲げ圧縮変形を生じる。また、撓曲を生じる地盤の下部にある固い地盤（図２，図３に示す位置Ｂ）に座屈波形鋼管１が埋設され、地殻変動によって断層変位が生じた場合、座屈波形鋼管１が断層面Ｆを横過し、座屈波形鋼管１は、図４に示すように、曲げ圧縮変形を生じる。

また、撓曲を生じる地盤（図２，図３に示す位置Ａ）に座屈波形鋼管１が埋設され、地殻変動によって断層変位が生じて座屈波形鋼管１の埋設深度に断層が到達しない場合、すなわち、座屈波形鋼管１の周囲の地盤が撓曲を生じている場合、座屈波形鋼管１は、図５に示すように、軸圧縮変形を生じる。

以上の座屈波形鋼管１は、座屈波形部３が鋼管直管部２より低反力であるので、座屈波形鋼管１が埋設されている地盤に地殻変動が生じて、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形、または、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれが生じても、座屈波形部３が鋼管直管部２に優先して変形する。すなわち、座屈波形鋼管１は、座屈波形部３において、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれの変位も吸収することができる。

座屈波形鋼管１は、座屈波形部３において、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれの変位も吸収することができる。このため、座屈波形鋼管１は、埋設する地盤に断層または撓曲のいずれを生じる場所であっても、敷設することができる。

座屈波形鋼管１は、座屈波形部３が鋼管直管部２に優先して変形することにより、鋼管直管部２における歪みを抑制することができる。これにより、座屈波形鋼管１は、座屈波形部３が変形した場合であっても、鋼管直管部２の断面が大きく扁平して断面積が狭小になることを回避することができる。このため、座屈波形鋼管１は、石油、ガス、電気、水道などを運ぶ機能を維持することができる。

座屈波形鋼管１は、座屈波形部３が座屈波形鋼管１の軸方向において間隔を空けて配設されている。このため、断層の位置が不明確な場合であっても、座屈波形鋼管１が埋設されている地盤に地殻変動が生じた際には、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれの変位も吸収することができる。

座屈波形部３は、断層変位や地盤条件を考慮してＦＥＭ解析によって最適な塑性ヒンジ間距離を算出して、断層面Ｆを挟んで塑性ヒンジ間距離離間して配設することができる。これにより、座屈波形鋼管１は、より確実に断層運動による局部的な曲げ圧縮変形を吸収することができる。

従って、実施形態に係る座屈波形鋼管１によれば、断層運動による局部的な曲げ圧縮変形と、撓曲による広範囲に亘る軸圧縮変形のいずれによっても破断や亀裂が発生することを回避することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配設箇所等は、本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

座屈波形鋼管１がシールド内部に敷設され、シールドの内壁面によって座屈波形鋼管１の山高さｈに制限がある場合、１つの塑性ヒンジを複数の座屈波形部３によって形成してもよい。この場合、複数の座屈波形部３は、座屈波長Ｌ_ｎの数分の１程度の距離（以下、「山間距離」という。）離間して配設する。ここで、山間距離は、座屈波形鋼管１を埋設する際の設計時に断層変位や地盤条件を考慮してＦＥＭ解析を行うことで最適な値が算出される。これにより、座屈波形鋼管１は、隣接する座屈波形部３における変形が干渉することで座屈波形鋼管１の断面積が狭小になることを回避することができる。

１座屈波形鋼管
２鋼管直管部
３座屈波形部
Ｄ_０外径
ｒ鋼管直管部の管厚中心半径
Ｔ鋼管直管部の管厚
ｈ山高さ
Ｌ圧縮局部座屈半波長
Ｌ_ｎ座屈波長

Claims

鋼管直管部と座屈波形部を有し、撓曲を生じる地盤に埋設される座屈波形鋼管であって、
前記座屈波形部は、１．７２√（ｒ・Ｔ）で表される圧縮局部座屈半波長の２．０５〜４．３２倍の座屈波長と、前記鋼管直管部の管厚の８．００〜１６．２５倍で表される山高さとに基づいて定められる正弦波で表される形状であり、前記座屈波形部において前記地盤の断層運動による曲げ圧縮変形と撓曲による軸圧縮変形を吸収し前記鋼管直管部の変形を回避する、
ことを特徴とする座屈波形鋼管。
ただし、ｒは鋼管直管部の管厚中心半径、Ｔは鋼管直管部の管厚である。
前記座屈波形部は、前記座屈波形鋼管の軸方向において間隔を空けて配設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の座屈波形鋼管。
前記座屈波形部は、断層面を挟んで所定距離離間して配設される、
ことを特徴とする請求項２に記載の座屈波形鋼管。