JPS63172089A - 高強度の断面形状を有する曲げ管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ業上の利用分野） 本発明は、化学プラント用配管、ボイラー用配管及び原
子力配管のように、機器の運転にともなって内圧及び曲
げモーメントなどの外力が、それぞれ単独または複合し
て加わる配管において、曲管部の強度特性が直管部の強
度特性よりも優れている寸法・形状を有する曲げ管製品
に関するものである。

（従来の技術） 従来の曲げ管は、日木工業規ｉ　ＪＩＳＢ２３０４．２
３０５等に規定されており、日本鉄鋼協会編纂３版鉄鋼
便覧ＩＶＰ１７９に記載されているハングルグ式曲げ法
によって製造される第２図（ａ）　に示す溶接式管継手
２（通称名：エルボ）を直管３に溶接部４で結合されて
構成されていた。エルボの曲管即断面形状は第２図（ｂ
）に示すように、外径りは直管部外径Ｄθに等しい値で
あり、肉厚ｔは曲管部中央断面角度φに対し全円周等肉
厚であり、その値は直管部肉厚ｔｏに等しい値が使用さ
れていた。

（発明が解決しようとしている問題点）本発明者らは、
このエルボから構成される曲げ配管において、内圧およ
び曲げモーメントなどの外力が、それぞれ単独または複
合して加わった場合に、その強度特性が十分であるかど
うかを寸法・形状の点から調査し問題点を抽出した。

まず、エルボに直管を溶接部で結合した配管について、
第３図（ａ）に示すように、その直管の端面の内圧付加
用本人ロアから水圧で配管内面に圧力を加えてゆき、内
圧Ｐが１００気圧に達した時のエルボの各部位毎の管外
面に発生する応力を調査するととも−に、更に配管が破
壊するまで内圧Ｐを昇圧し、その特性を調査した。第４
図に内圧Ｐが１００気圧に達した時に発生する応力を示
したが、発生応力はエルボの内周１部（φ＝−９０度）
が最大応力となっており、危険断面であることが示され
た。

第３図（ａ）に配管が破壊部５において破壊した状況を
示したが、破壊はエルボの内周１部（φ＝−９０度）近
傍で起こった。この部位がエルボの外周０部（φ＝＋９
０度）、中立Ｎ部（φ＝０度及び１８０度）及び直管よ
りも強度が劣っていることが示された。

次に、エルボに直管を溶接部で結合した配管について第
５図（ａ）に示すように、直管の片方の端面を固定し、
もう一方の端面８に油圧ジヤツキにより外力を加えてエ
ルボに曲げモーメントを加え、エルボの各部位の管外面
に発生する応力を調査した。

第５図（ｂ）にエルボ断面内に発生する応力を示したが
、内周工部（φ＝−９０度）、中立Ｎ部（φ＝：０度及
び１８０度）及び外周０部（φ＝＋９０度）でそれぞれ
士のピーク応力を呈し、これらの４個所の部位が危険断
面であることが示された。さらにこの原因を調査した結
果、曲げモーメント付加によりエルボの断面形状が偏平
化するため、上記４個所の部位にピーク応力が発生する
事であった。

以上のことから従来の曲げ管に内圧および曲げモーメン
トなどの外力が、それぞれ単独または複合して加わった
場合には、エルボのほうが直管よりも、その強度特性が
劣っているとともに、エルボの断面内では内周１部（φ
＝−９０度）、中立Ｎ部（φ＝Ｏ度及び１８０度）、及
び外周０部（φ＝＋９０度）の応力が大きく、なかでも
内周１部（φ＝−９０度）が危険部位であること判り改
善を要することが明らかになった。

本発明は上記の現状を鑑みてなされたものであり、内圧
および曲げモーメントの外力がそれぞれ単独または複合
して加えても、発生応力の小さい高強度なエルボレス鋼
管を提供することを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明の要旨は内圧及び曲げモーメントの外力が、それ
ぞれ単独または複合して加わる曲げ管において、曲管部
外径Ｄ、曲管部曲率半径Ｒ１直管部外径Ｄθ、直管部肉
厚ｔθ、曲管部中央断面角度φにたいし、曲管部肉厚ｔ
が、下記（１）および（２）式によって規定される範囲
にあることを特徴とする高強度の断面形状を有する曲げ
管にある。

３ｔｏ≧ｔ（２） （作　　用） 先ず本発明者らはこのエルボより構成される曲げ配管よ
りも優れた強度特性をもつ、第１図に示すような不等肉
厚の曲管部をもったエルボレス管に着目し、検討を行フ
た。

即ち従来のエルボを用いた配管系の弱点である。

（ａ）内圧が加わった場合に、内周１部（φ＝−９０度
）に最大応力が発生 （ｂ）曲げモーメントが加わった場合に、曲管部の偏平
化によるピーク応力が発生することを防止または軽減す
る目的として、エルボレス管の曲管部の内周１部（φ＝
−９０度）の肉厚をエルボの肉厚より厚くする事を基本
設計としたエルボレス管を試作した。

このエルボレス管がエルボより構成される曲げ配管に比
べて強度特性が優れているかどうかを試験した。

まず、エルボレス管にエルボと同様な方法で配管内面に
圧力を加えてゆき、内圧Ｐが１００気圧に達した時、エ
ルボレス管の曲管部の管外面に発生する応力を調査する
とともに、更にこの配管が破壊するまで内圧Ｐを昇圧し
、その特性を調査した。

第４図に内圧Ｐが１００気圧に達した時に発生する応力
を示したが、従来エルボで問題となっていた曲管部の内
周１部（φ＝−９０度）の発生応力が大幅に軽減すると
ともに、応力の均一化が図られた。

更に第３図（ｂ）の配管に破壊状況を示したが、エルボ
レス管の曲管部では破壊は起らず、同図の破壊部６で示
すように直管部のみで破壊が起った。

このことからエルボレス管では曲管部のほうが直管部よ
りも内圧強度特性が優れているとともに、エルボレス管
がエルボよりも著しく優れている事が明らかになった。

一方このエルボレス管のように、不均一な肉厚を有する
曲げ配管に発生する応力の推定式は今まで確立したもの
がなかったが、今回下記（３）式を、エルボレス管に適
用したところ第４図の実験値と良い一致を示し、その値
は有限要素法による理論的応力解析結果とも一致した。

さらに直管部の発生応力は（４）式で表されることが同
様に確認された。

曲管部の周方向応力 直管部周方向応力 ０＝■ｎａ社 ２ｔｏ（４） 次に、エルボと同様な方法でエルボレス管に曲げモーメ
ントを加えた場合の曲管部の各部位に発生する応力を調
整した。

第５図（ｂ）にその結果をエルボとの比較で示したが、
従来のエルボの内周１部（φ＝−９０度）、中立Ｎ部（
φ＝０度及び１８０度）及び外周０部（φ；＋９０度）
で発生していた断面形状の偏平化に伴う各部の円周方向
ピーク応力は大幅に減少することが示された。

これは当初予想したように、第１図（ｂ）に示したエル
ボレス管内周１部（φ＝−９０度）の肉厚の存在がエル
ボレス管の曲げ部断面の偏平化を防止し、応力の大幅低
減となったと考えられる。

以上の事から管の曲げ部の内周１部（φ＝−９０度）の
肉厚を厚肉化する事によって配管系の強度特性を大幅に
改善する事が出来る事は判明したが、各部の肉厚がどの
程度最低必要であるかについて考察した。

まず強［の優れたエルボレス管の応力条件として 「曲管部は直管部よりも内圧強度特性が優れた曲管部形
状・寸法を持ろ」としく５）式を設定した。

直管部の発生応力≧曲管部の発生応力　（５）（５）式
の左辺に式（４）、右辺に式（３）式を代入すると（１
）式が得られ、最低必要肉厚が決定された。

（１）式は内圧強度のみを考慮したものであるが、内周
１部（φ＝−９０度）が厚肉となっているので前述の理
由から、エルボよりも曲げモーメントを加えた場合にも
応力が軽減され、安全性は高い。

次に肉厚上限について考察した。内厚は厚い方が応力は
緩和され安全であるが、肉厚が増加して行くと、通常は
外径は一定の規格値であるので、管内径が小さくなり、
管内の流体が移動する際に管内流速が増大して管路抵抗
が増え不具合であり、さらに経済的にも好ましくないこ
とから（２）式の肉厚上限を設けた。

３ｔθ≧ｔ（２） （１）、（２）式で決定されるエルボレス管の曲管部の
計算例を内周２部（φ＝−９０度）と外周０部（φ＝９
０度）の肉厚範囲について、曲管部の曲率半径比Ｒ／Ｄ
との関係で第６図に示した。

配管の曲げ曲率半径比Ｒ／Ｄが小さい程、内周１部（φ
＝−９０度）の厚肉化が必要であるとともに、外周０部
（φ＝９０度）ではある程度の薄肉化が可能である事が
示され、新しいエルボレス管の範囲が明確になった。な
お計算式中の曲管部外径りは通常配管ではＤθに等しい
のでＤ＝Ｄθを用いた。曲率半径比Ｒ／Ｄは化学プラン
ト用配管、ボイラー用配管及び原子力配管などでは最大
１０程度で、最小は０．５超が通例である。

（実施例） 表１および表２に示すように（１）、（２）式で規定さ
れた各種サイズのエルボレス管を実際に製造し内圧によ
る破壊試験と曲げモーメントによる発生応力の特性調査
を実施した。表１は実施例としての内圧を加えた場合の
破壊状況、表２は実施例としての曲げモーメントＩ　　
ＴｏｎＭを加えた場合のエルボに比較した発生応力状況
である。

１）　内圧による破壊試験 前述（第３図（ｂ））と同様の水圧で配管内面に圧力を
加えてゆき、配管の破壊試験を実施し、その結果を表１
に示した。

すべたのエルボレス管は直線部でバースト破壊し、曲管
部の安全性が確認され、エルボ。

レス管が従来のエルボよりも内圧強度特性の優れた断面
形状を有していることが明らかになった。

２）　曲げモーメントにより発生応力の特性調査前述（
第５図（ａ））と同様の方法で試験を行い、断内面でピ
ーク応力の発生する部位に代表例として、中立Ｎ部の発
生応力を表２に示した。

すべてのエルボレス管の発生応力はエルボのそれよりも
大幅に低減しており、エルボレス管の内周１部の厚肉部
の存在が有効であることを証明した。

以上１）　、２）の実施例からすべての今回発明したエ
ルボレス管は、従来のエルボよりも強度特性が優れてお
り、また曲管部は直管部よりも内圧強度特性が優れてい
る事が明らかになフた。

（発明の効果） 従来のエルボから構成される曲げ配管にくらべて、本発
明のエルボレス管により曲げ配管は内圧及び曲げモーメ
ントに対して優れた強度特性を持っていることから、今
後エルボレス管が化学プラント用配管、ボイラー用配管
及び原子力配管のように、機器の運転にともなって内圧
及び曲げモーメントなどの外力が、それぞれ単独または
複合して加わる配管に適用され、これらの設備の安全性
を高め、産業に貢献するところ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明実施例エルボレス管
を用いた配管概略図と、その曲管部Ｙ−Ｙ断面形状図、
第２図（ａ）　、　（ｂ）は従来の溶接式管継ぎ手（通
称名：エルボ）を用いた配管概略図とそのエルボ部のｘ
−Ｘ断面形状図、第３図（ａ）はエルボを用いた配管に
内圧を加えた場合の破壊状況の斜視図、第３図（ｂ）は
エルボレス管に内圧を加えた場合の破壊状況の斜視図、
第４図は内圧１００気圧付加時のエルボレス管の曲管部
およびエルボの管周方向発生応力状況を示すグツ、第５
図（ａ）は配管に曲げモーメントを加る方法の概略図、
第５図（ｂ）はエルボレスおよびエルボを用いた配管に
曲げモーメンＩ　　ＴｏｎＭを加えた場合の曲管部の管
周方向全応力状況を示すグラフ、第６図はエルボレス管
の曲管即断面形状の計算例を示すグラフで、第６図（ａ
）は内周１部（φ＝−９０度）の肉厚（ｔ／ｌθ　１）
、第６図（ｂ）は外周０部（φ＝＋９０度）の肉厚（ｔ
／１ｏ−１）を示すグラフである。 １・・・エルボレス管　　　２・・・エルボ３・・・直
管　　　　　　　４・・・溶接部５・・・エルボの破壊
位置 ６・・・エルボレスの破壊位置 ７・・・内圧付加用水人口 ８・・・曲げモーメント付加用力点 新　　部　　興　　治　　〔７１ 、“、：１ １−二−ｌ 第４図 庄ｍ＠：！Ｐ　のＦｆＡ　７５　＠４１１ＬＱ　　　　
　　　　　　　◇ 沫 ♀ 雀」崎ミ 手続補正書 昭和１ｐｔ年３月３　日 昭和ｂ２年特許願第１４り、１　置 注　所（居所）ｊニー艶′・・°；・・「１”、：’ｌ
　・、、：’−，１’　Ｌ　’４１．ｉ　Ｇ　ｉ者３．
じ・氏名（名称）　（ＧＧ５）　Ｕｉ　Ｉｆ　　ｉ、：
′、ｌ　Ｉ：、（′１、−“に０社４、　代　　理　　
人　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａ
恒Ｌ）イン化　所　　東京都千代田区丸の内２丁目６番
２号丸の内へ重洲ビル３３０８、補正の内容　　別紙の
とおり 補　　　　正　　　　書 本願明細書および図面中下記事項を補正いたします。 記 １、第２頁５〜６行目に 「Ｊ工ＳＢ　２３０４．２３０５　Ｊとあるをｒ　Ｊ工
ＳＢ　２３１１．２３１２　Ｊと訂正する。 ２第２頁７行目に 「鉄鋼便覧工ＶＰ１７９Ｊとあるを 「鉄鋼便欄ｖｒｐ、ｔ７ｒａ」と訂正する。 ３、第２頁１６行目Ｋ 「しようとしている」とあるを 「しようとする」と訂正する。 ４、第８頁下から８行目に 「調整した。」とあるを 「調査した。」と訂正する。 ５、第９頁１〜２行目に 「肉厚の」とあるを 「肉厚部の」と訂正する。 ６、第１１頁４行目に ｒＤ＝Ｄθを用いた。」とある次Ｋ 「、直管部肉厚ｔｏは実寸法を示す。」を挿入する。 ７、第１１頁１５行目に 「エルボに比較」とあるな 「エルボと比較」と訂正する。 ８、第１４頁３行目に 「部位に代」とあるを 「部位の代」と訂正する。 ９、図面中「第６図（ａ）、（ｂ）」を別紙の如く訂正
する。 ＋Ｊ）Ｏ 派 ニ 屯＠妃

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内圧及び曲げモーメントの外力が、それぞれ単独または
   複合して加わる曲げ管において、曲管部外径Ｄ、曲管部
   曲率半径Ｒ、直管部外径Ｄ＿θ、直管部肉厚ｔ＿θ、曲
   管部中央断面角度φにたいし、曲管部肉厚ｔが、下記（
   １）および（２）式によって規定される範囲にあること
   を特徴とする高強度の断面形状を有する曲げ管。 （Ｄ＿θ−ｔ＿θ）／（２ｔ＿θ）≧｛（Ｄ−ｔ）〔４
   Ｒ＋（Ｄ−ｔ）Ｓｉｎφ〕｝／｛４×ｔ〔２Ｒ＋（Ｄ−
   ｔ）ｓｉｎφ〕｝（１）３ｔ＿θ≧ｔ（２）