JP5884418B2 - 継手構造物の使用限界予測方法 - Google Patents

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Description

本発明は、継手部に対して直角方向に大きな塑性変形が想定される継手構造物の延性破壊における使用限界を簡易に予測する手法に関し、ＡＰＩ規格Ｘ８０やＸ１００グレードの高強度・厚肉ＵＯＥ鋼管における継手の延性破壊性能予測方法として好適なものに関する。
近年、パイプラインの敷設費用を下げるため、ＡＰＩ規格Ｘ８０やＸ１００グレードの高強度・厚肉鋼管が開発され（例えば、特許文献１）、地震地帯や凍土地帯の天然ガスパイプラインでの使用も一部始まっている。
地震地帯や凍土地帯に埋設されたパイプラインの場合、地盤変動による外力で大きな塑性変形が発生するおそれがある。すなわち、地震による地盤の変形（地震動、側方流動、斜面崩壊など）や凍土地帯における地盤の変形（凍土の融解や凍結）により大きな歪が発生する。
塑性変形が生じたパイプラインは、鋼管同士を連結する円周溶接部に潜在する欠陥から延性き裂が発生・進展あるいは母材部でのくびれ発生による延性破壊を生じることがある。パイプラインが延性破壊する場合、その過程において延性き裂が鋼管の板厚方向に貫通して内容物が漏れる（「リーク」ともいう。）危険性が指摘されている。
そのため、パイプラインの継手部では、鋼管継手部で想定される溶接欠陥に歪が集中しないように溶接金属の強度を母材より高くし（継手のオーバーマッチングとも言う）、継手部の延性き裂発生を抑え母材部で破断させる設計がなされている。
非特許文献１は、円周溶接継手の許容限界歪みに及ぼす溶接金属と母材の強度マッチングの影響に関するものであり、継手部欠陥からの延性き裂発生時点を鋼管継手の使用限界として、その使用限界と前記強度マッチングの影響を明らかにしている。
Ｗ０２００５／１０８６３６
本橋裕之、村井一恵、谷田部洋 「周溶接継手の許容限界歪みに及ぼす強度マッチングタイプの影響」、溶接学会全国大会講演概要 第８１巻 ｐ．１４０−１４１、２００７年
しかしながら、継手部に想定される溶接欠陥から延性き裂が発生しても、板厚方向に貫通していなければ、内容物がリークすることはない。非特許文献１は、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鋼管継手部の使用限界を定めるため、鋼管継手部の変形性能が過小評価になり、必要以上に鋼管の厚肉化が要求されることとなる。
パイプラインの破壊形態として、鋼管継手部の欠陥から延性き裂が発生した場合でも、板厚方向に貫通して内容物がリークする前に、母材部で延性破壊が生じるケースが想定される。この場合、母材部と同等の耐延性破壊性能が発揮されることになり、設備の有効利用の観点から望ましいが、このような破壊形態を可能とする溶接金属部と母材部の強度の取り合わせや、使用限界の予測方法など不明な点も多い。
そこで本発明は、継手部の溶接欠陥から延性き裂が発生しても板厚方向に貫通する前に母材部で破断する場合の鋼管継手部の使用限界を簡易に予測する手法を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するため、鋼管周継手部を含む鋼管の一部を切り出した試験片を用いるＣｕｒｖｅｄ Ｗｉｄｅ Ｐｌａｔｅ試験（以降ＣＷＰ試験と呼ぶ）によって継手部の溶接欠陥からの延性き裂発生・進展過程と母材部の局所くびれによる延性破壊過程について観察を行った。ＣＷＰ試験では、継手部の溶接線方向に対して直角方向に荷重が作用するよう引張負荷を与えた。
継手部における溶接欠陥はき裂が板厚方向に進展しやすく、もっとも厳しい評価が得られる溶接熱影響部のボンド部に周方向表面欠陥を人工的に付与した。欠陥の大きさは多層溶接の１パス分に相当する深さ３ｍｍ（１パス分がすべて欠陥と仮定）、周方向長さ７０ｍｍと非常に大きくした。
試験は継手の強度マッチングを変化させた鋼管継手部を用いて、周方向表面欠陥からの延性き裂の発生・進展過程と母材部の局所くびれによる延性破壊過程について観察を行い、以下の知見を得た。
（１）板厚１６ｍｍ以上の鋼管継手部の（溶接金属の硬さ/母材の硬さ）が１．０５未満では周方向表面欠陥から発生した延性き裂が略板厚方向に進展し継手部で破断した。
（２）一方、（溶接金属の硬さ/母材の硬さ）が１．０５から１．２０の間では周方向表面欠陥から延性き裂が発生するもののき裂長さは板厚にくらべると短く、最終的な破壊は母材部での延性破壊であった。
（３）また、溶接欠陥から延性き裂が発生して以降、最大荷重に至るまでのＣＷＰ試験の標点間伸びとＡＳＴＭ Ａ３７０に準拠した母材部の全厚引張試験で得られる一様伸びは良く一致した。
（４）最大荷重点以降は母材部にくびれ部が生じ、このくびれ部に変形が集中し延性破壊に至る。
（５）ＣＷＰ試験片の延性破壊した位置を基準に全厚引張試験と同じ標点間での延性破壊に至るまでの伸びを測定した結果、全厚引張試験の破断時伸びとよく一致し、くびれ発生以降もＣＷＰ試験と全厚引張試験では同様の破壊挙動を示す。
（６）以上より、溶接欠陥から延性き裂が発生するものの最終的に母材部で破断する鋼管継手部の延性破壊に至るまでのひずみは、母材部の全厚引張試験で得られる一様伸び、破断時伸びを用いた（１）式で予測できる。
εＬ：継手構造物の延性破壊限界ひずみ［％］
Ｌｗ：継手構造物の変形量を評価する標点間距離
εＴ：母材部の一様伸び［％］
εＦ：母材部の破断時伸び［％］
Ｌ０：母材部の全厚引張試験片の標点間距離
本発明は得られた知見を基に更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は、１.継手部に対して直角方向に負荷される引張り応力により、前記継手部の欠陥から延性き裂が発生するが、母材部で延性破壊する継手構造物の使用限界を予測する使用限界予測方法であって、前記継手構造物が母材部で延性破壊する際の延性破壊限界ひずみと、当該継手構造物の使用中のひずみとを比較して使用限界を予測する際、前記延性破壊限界ひずみを（１）式により求めることを特徴とする継手構造物の使用限界予測方法。

εＬ：継手構造物の延性破壊限界ひずみ［％］
Ｌｗ：継手構造物の変形量を評価する標点間距離
εＴ：母材部の一様伸び［％］
εＦ：母材部の破断時伸び［％］
Ｌ０：母材部の全厚引張試験片の標点間距離
２.前記限界ひずみと前記使用中のひずみとの比較を、前記使用中のひずみに安全率を乗じて行うことを特徴とする１記載の継手構造物の使用限界予測方法。
３.前記継手構造物の継手部が母材板厚が１６ｍｍ以上、母材の硬さに対する溶接金属の硬さ（溶接金属の硬さ（ＨＶ）/母材の硬さ（ＨＶ））が１．０５以上であることを特徴とする１または２記載の継手構造物の使用限界予測方法。
本発明によれば、継手部の溶接欠陥から延性き裂が発生しても板厚方向に貫通する前に母材部で破断する場合の鋼管継手部の使用限界を、ＣＷＰ試験などの大掛かりな実大試験を行わずとも全厚引張試験結果から簡易にその使用限界を予測でき、産業上極めて有用である。
本発明は、母材部の全厚引張試験で得られる一様伸び、破断時伸びを構成要素とする予測式に基づき継手部の使用限界（延性破壊限界ひずみ）を予測し、継手構造物の使用中のひずみと比較することを特徴とする。
予測式は（１）式とする。
εＬ：継手構造物の延性破壊限界ひずみ［％］
Ｌｗ：継手構造物の変形量を評価する標点間距離
εＴ：母材部の一様伸び［％］
εＦ：母材部の破断時伸び［％］
Ｌ０：母材部の全厚引張試験片の標点間距離
本発明では、まず、全厚引張試験たとえばＩＳＯ ６８９２、 ＡＳＴＭ Ａ３７０、 ＪＩＳ Ｚ２２４１ に準拠した全厚引張試験を行い、母材部の一様伸び、破断時伸びを求める。
次に鋼管継手部の変形量を規定するための標点間距離を決定する。この標点間距離は、任意に設定することが可能で、例えば、管径の１倍や２倍などと定める。
（１）式に、得られた母材部の一様伸び、破断時伸び、及び設定した標点間距離を代入して、継手構造物の延性破壊限界ひずみ［％］を求め、前記限界ひずみと使用中のひずみとの比較を行い、両者のひずみが同じの場合、継手構造物が使用限界状態にあると判定する。
継手構造物の安全性を確保するため、この判定の際、使用中のひずみに安全率を乗じて行っても良い。
尚、継手部の溶接欠陥から延性き裂が発生しても板厚方向に貫通する前に母材部で破断する場合の鋼管継手部は、例えば、母材板厚が１６ｍｍ以上、（溶接金属の硬さ（ＨＶ）/母材の硬さ（ＨＶ））が１．０５以上の場合に得ることが可能である。
板厚が１４．５ｍｍ〜３８ｍｍの鋼管の円周部を同じ板厚同士で突き合わせて、ガスメタルアーク溶接により円周溶接して突合せ多層溶接継手鋼管を作製した。得られた継手鋼管から継手部を含む試験片を採取し、ＣＷＰ試験により鋼管継手部の使用限界について調査した。ＣＷＰ試験では継手部の溶接金属と母材の境界にはもっとも厳しい評価となる周方向表面欠陥を付与し、その大きさは深さ３ｍｍ周方向長さ６０〜７０ｍｍとした。
表１に試験結果を示す。Ｎｏ．１〜３の延性破壊位置は欠陥からの延性き裂発生が生じるものの最終破壊位置は母材部であった。
表より、Ｎｏ．１〜３の場合、本発明法の予測式で予測した延性破壊限界ひずみ（Ｎｏ．１〜３）とＣＷＰ試験で得られる破断時の伸び（実験値）との差は５％以内で良く一致した。非特許文献１などに記載されている従来の判定方法（延性き裂の発生を使用限界とする）の場合、ＣＷＰ試験で延性破壊するまでの破断時伸びとの誤差は２０％以上となり継手性能を過小評価していることが認められる。
比較例Ｎｏ．４は（溶接金属の硬さ/母材の硬さ）が１．０５未満であるため欠陥からの延性き裂が発生後、き裂が進展して最終破壊位置は欠陥部となった。比較例Ｎｏ．５は（溶接金属の硬さ/母材の硬さ）が１．０５以上であるが板厚が１６ｍｍ以下となるため最終破壊位置が欠陥部となった。
表１に示した結果より、継手構造物が母材部で延性破壊する際の延性破壊限界ひずみを（１）式で求めた場合、当該延性破壊限界ひずみの精度が高いため、継手構造物の使用中のひずみとを比較して使用限界を正確に予測することが可能である。その結果、継手構造物に使用する板厚を適正なものとし、従来法で判定する場合と比較してパイプラインの敷設費用を下げるが可能である。なお、表において、母材の硬さ：Ｈｖ（ＢＭ）は１０ｋｇの圧痕により測定した母材の板厚方向における硬さの平均値である。また、溶接金属の硬さ：Ｈｖ（ＷＭ）は溶接金属の板厚中央部において１０ｋｇの圧痕により測定した硬さの平均値である。表２に、実施例で用いた予測式（式（１））の各値（Lw、εT、εF、L0）を示す。

Claims (3)

  1. 継手部に対して直角方向に負荷される引張り応力により、前記継手部の欠陥から延性き裂が発生し、母材部で延性破壊する継手構造物の使用限界を予測する使用限界予測方法であって、前記継手構造物が母材部で延性破壊する際の延性破壊限界ひずみと、当該継手構造物の使用中のひずみとを比較して使用限界を予測する際、前記延性破壊限界ひずみを（１）式により求めることを特徴とする継手構造物の使用限界予測方法。

    εＬ：継手構造物の延性破壊限界ひずみ［％］
    Ｌｗ：継手構造物の変形量を評価する標点間距離
    εＴ：母材部の一様伸び［％］
    εＦ：母材部の破断時伸び［％］
    Ｌ０：母材部の全厚引張試験片の標点間距離
  2. 前記延性破壊限界ひずみと前記使用中のひずみとの比較を、前記使用中のひずみに安全率を乗じて行うことを特徴とする請求項１記載の継手構造物の使用限界予測方法。
  3. 前記継手構造物の継手部が母材板厚が１６ｍｍ以上、母材の硬さ（ＨＶ）に対する溶接金属の硬さ（溶接金属の硬さ（ＨＶ）/母材の硬さ（ＨＶ））が１．０５以上であることを特徴とする請求項１または２記載の継手構造物の使用限界予測方法。
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