JP5773913B2 - 鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法及び座屈耐性評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性を評価する方法及び装置に関するものである。

鋼製パイプラインは、ガスや石油などの流体輸送導管、上下水道管、通信配線保護管など、各種用途で敷設されている。地中に埋設された鋼製パイプラインは、平常時に、土圧，地下水圧，パイプラインの自重，地上からの車両輪荷重など、管軸に対して垂直な方向の荷重を受けており、これらの荷重に対する耐曲げ強度などの設計が一般になされている。

一方、地中に埋設された鋼製パイプラインは、直線状に長く配置されているので、地震などの地盤変位が生じると管軸方向に大きな荷重を受ける。鋼製パイプラインが管軸方向に大きな圧縮力を受けると、弾性限度を超えた塑性変形領域にて提灯座屈と呼ばれる軸対称型の局部座屈が発現することが知られている。この局部座屈は一度発現すると座屈部の変形が急速に進行し、鋼製パイプラインの構造物としての耐力が著しく低下する。このため鋼製パイプラインにおいては、このような局部座屈の発現が地震に対する耐震性評価を行う上での基準の一つになっている。

下記特許文献１には、軸方向の引張試験により得られる公称応力−公称ひずみ曲線において、加工硬化開始点の歪量が１．５％以下で、且つ加工硬化係数が０．１５以上であることで、大径薄肉であっても局部座屈を起こし難い鋼管が得られることが示されている。

下記特許文献２には、管径Ｄ、管厚ｔおよび要求局部座屈歪ε_reqが与えられた鋼管の局部座屈特性評価方法であって、応力歪特性上に降伏棚を有する材料の応力歪特性を取得し、取得された応力歪特性における応力歪曲線の降伏歪ε_y、歪硬化係数m、歪硬化開始歪ε_Hが、縦軸をε_y/m、横軸をε_Hとした座標面において、一定の領域内にあるかどうかを判断し、これによって鋼管の局部座屈性能を評価することが示されている。

特開平９−１９６２４４号公報 特開２００７−１６３３９２号公報

一般に、鋼製パイプラインは一定の間隔で現地施工した溶接継手部を有しており、溶接継手部は、溶接形状や溶接金属自体の強度特性，溶接時の熱影響による管母材の強度変化など、材料的にも幾何学的にも不均質ものである。管の座屈特性は、一般に形状不整や強度不均質に大きく影響されることから、溶接継手部の存在に起因して鋼製パイプラインの座屈特性が管母材部の座屈特性に比べて変化することは予測可能であるが、従来技術によると、パイプラインの溶接継手部における強度不均質に対する評価がなされておらず、溶接継手部を含む鋼製パイプラインの座屈耐性を適正に評価できない問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮局部座屈耐性を適正に評価可能にすること、鋼製パイプラインの溶接継手部で局部座屈が生じることを回避するための指標を得ることができること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法であって、溶接金属の降伏応力をσ₁、鋼製パイプラインの管母材の降伏応力をσ₂、溶接継手部における余盛り厚さをｔ_w、鋼製パイプラインの厚さをｔとし、前記溶接金属の降伏応力σ ₁ と前記余盛り厚さｔ _w の一方又は両方を変化要素としたときに、Ｍ＝σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ）で定義される座屈耐性パラメータＭの値を、鋼製パイプラインの口径毎に求められる設定値と比較することによって溶接継手部の軸圧縮局部座屈の耐性を評価することを特徴とする鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。

溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置であって、鋼製パイプラインの口径毎に、溶接金属の降伏応力σ₁、鋼製パイプラインの管母材の降伏応力σ₂、溶接継手部における余盛り厚さｔ_w、鋼製パイプラインの厚さｔを入力する入力手段と、前記入力手段によって入力される前記σ₁，σ₂，ｔ_w，ｔに基づいて、鋼製パイプラインの座屈耐性を評価する評価手段を備え、前記評価手段は、鋼製パイプラインに対する軸圧縮解析の結果得られた座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yとの比ε_cr／ε_yと、Ｍ＝σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ）で定義される座屈耐性パラメータＭの値との関係を示す関係式を鋼製パイプラインの口径毎に備え、前記座屈耐性パラメータＭの値を変化させて、前記ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域と前記ε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における前記座屈耐性パラメータＭの値を設定値とし、前記入力手段によって入力された前記σ₁，σ₂，ｔ_w，ｔによって求められる前記座屈耐性パラメータＭの値と前記設定値とを比較することで、鋼製パイプラインの座屈耐性を評価することを特徴とする鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置。

本発明に係る鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法又は装置によると、前述した座屈耐性パラメータＭを定義して、このＭが設定値を超えるように、溶接金属の降伏応力σ₁と溶接継手部における余盛り厚さｔ_wを設定することで、軸圧縮局部座屈が溶接継手部に発現しない座屈モードを実現することができる。これによって、溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮局部座屈の耐性を適正に評価することができ、前述した座屈耐性パラメータＭによって、鋼製パイプラインの溶接継手部で局部座屈が生じることを回避するための指標を得ることができる。

溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮解析の解析モデルを示した説明図である。 溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮解析の結果を示した説明図である。 溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮解析の結果を示した説明図である。 溶接継手部を有する鋼製パイプラインの軸圧縮解析の結果を示した説明図である。 鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法を実行するための装置を示した説明図である。

本発明は、溶接継手部を有する鋼製パイプラインに対して、有限要素法（ＦＥＭ）による軸圧縮解析を行った結果を整理することで、溶接継手部を有する鋼製パイプラインに対する局部座屈耐性を簡易に評価可能にしたものである。ここでは、ＦＥＭ軸圧縮解析によって、軸圧縮局部座屈が溶接継手部で発現する座屈モード（座屈モードＡ）と、軸圧縮局部座屈が管母材部で発現する座屈モード（座屈モードＢ）の条件を見出し、座屈モードＡが生じない条件を設定することで、溶接継手部を有する鋼製パイプラインの局部座屈耐性評価を行うものである。

本発明においては、局部座屈耐性に拘わる溶接継手部の要件として、溶接継手部における「溶接金属の降伏応力σ₁」と溶接継手部の「余盛り厚さｔ_w」に着目し、これらを含む座屈耐性パラータＭを下記式（１）によって定義した。

Ｍ＝σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ） …… （１）
ここで、σ₁：溶接金属の降伏応力、σ₂：鋼製パイプラインの管母材の降伏応力、ｔ_w：溶接継手部における余盛り厚さ、ｔ：鋼製パイプラインの厚さをそれぞれ示す。この座屈耐性パラメータＭは、鋼製パイプラインの口径を一定にした場合の座屈耐性を評価するものである。

そして、鋼製パイプラインの口径，鋼製パイプラインの管母材の降伏応力σ₂，鋼製パイプラインの厚さｔを一定にして、溶接金属の降伏応力σ₁と溶接継手部の余盛り厚さｔ_wを変化要素とした複数の条件でＦＥＭ軸圧縮解析を行った場合に、前述した座屈耐性パラメータＭを用いることで、この座屈耐性パラメータＭの値が設定値より大きくなると座屈モードＢでの局部座屈が発現し、座屈耐性パラメータＭが設定値より小さいと座屈モードＡでの局部座屈が発現する解析結果が得られた。この解析結果は、管の直径をＤ、管厚ｔとした場合に、Ｄ／ｔがおおよそ１０以下、１００以上となると異なる座屈現象が生じることになるが、１０＜Ｄ／ｔ＜１００の範囲で同等の結果が得られた。

ＦＥＭ軸圧縮解析の一例を以下に示す。溶接金属の降伏応力σ₁及び溶接継手部の余盛り厚さｔ_wを変化させた口径３００Ａ鋼管に対して、表１に示す条件でＦＥＭ軸圧縮解析を実施した。

ＦＥＭ軸圧縮解析の解析モデルを図１に示す。この解析モデルは、パイプラインの対称性を考慮して軸対称モデルとしている。解析ステップとしては、（i）ＦＥＭ軸圧縮解析に座屈を発現させるために解析モデル全体に初期不整を導入、（ii）鋼製パイプライン内面に設定圧（０．３ＭＰａ）の圧力（管内圧）を付与、(iii)鋼製パイプラインの端面に軸圧縮変位を付与、の３ステップとした（図１（ａ）参照）。

解析モデルにおける溶接継手部の周辺領域は、図１（ｂ）に示すように、Ａ〜Ｆの６つの領域に分割した。領域Ａはパイプラインの管母材であり、領域Ｂ〜Ｄは溶接による熱影響部であり、領域Ｅ，Ｆは溶接金属部である。各領域の材料特性は、ヤング率Ｅ、加工硬化係数ｎ、降伏応力によって設定する。各領域の降伏応力は、領域Ａを特定の値に設定（表１の例では４００ＭＰａ）し、領域Ｄを領域Ａの設定値の０．８倍（０．８〜０．９倍の範囲で設定可能）とし（表１の例では３２０ＭＰａ）、領域Ｂ，Ｃについては、領域Ａから領域Ｄに至る距離に応じた比例配分に設定した。

表１に示した解析条件は、余盛り厚さｔ_wと溶接金属の降伏応力（領域Ｅ（Ｆ）の降伏応力）を変えて、その他の条件（直径Ｄ（３１８．４ｍｍ）、厚さｔ（６．４ｍｍ）、ヤング率Ｅ（２０６）ＧＰａ）、加工硬化係数ｎ（０．０７））は一定にしている。条件１〜６は、余盛り厚さｔ_wを２．０ｍｍとして、溶接金属の降伏応力（領域Ｅ（Ｆ）の降伏応力）を３２０ＭＰａから５２０ＭＰａまで４０ＭＰａピッチで６種類に変えている。条件７〜１２は、余盛り厚さｔ_wを２．５ｍｍとして、溶接金属の降伏応力（領域Ｅ（Ｆ）の降伏応力）を３２０ＭＰａから５２０ＭＰａまで４０ＭＰａピッチで６種類に変えている。条件１３〜１８は、余盛り厚さｔ_wを３．０ｍｍとして、溶接金属の降伏応力（領域Ｅ（Ｆ）の降伏応力）を３２０ＭＰａから５２０ＭＰａまで４０ＭＰａピッチで６種類に変えている。条件１９〜２４は、余盛り厚さｔ_wを３．５ｍｍとして、溶接金属の降伏応力（領域Ｅ（Ｆ）の降伏応力）を３２０ＭＰａから５２０ＭＰａまで４０ＭＰａピッチで６種類に変えている。

ＦＥＭ軸圧縮解析の結果を図２〜図４に示す。図２は、溶接金属の降伏応力を変化させた条件１〜６の結果を横軸：ひずみ（％），縦軸：圧縮荷重（ｋＮ）の線図で示している。条件１〜３が溶接継手部で局部座屈が発現する座屈モードＡになり、条件４〜６が溶接接続部以外（管母材部）で局部座屈が発現する座屈モードＢになった。ＦＥＭ軸圧縮解析の結果から、座屈モードＡの場合には、溶接金属の降伏応力σ₁が増加するに伴い座屈開始ひずみε_crが増加することが判った（図２において、ε_cr（１）は条件１，ε_cr（２）は条件２，ε_cr（３）は条件３の座屈開始ひずみをそれぞれ示す）。座屈モードＢの場合には、溶接金属の降伏応力σ₁が増加しても座屈開始ひずみε_crはほぼ一定になることが判った（図２において、ε_cr（４），（５），（６）は条件４，５，６の座屈開始ひずみをそれぞれ示す）。

図３は、溶接金属の降伏応力を４００ＭＰａで一定として、余盛り厚さｔ_wを変化させた条件３，９，１５，２１の結果を横軸：ひずみ（％），縦軸：圧縮荷重（ｋＮ）の線図で示している。このＦＥＭ軸圧縮解析の結果から、余盛り厚さｔ_wの増加に伴い座屈開始ひずみε_crが増加することが判った（図３において、ε_cr（３）は条件３，ε_cr（４）は条件４，ε_cr（１５），（１６）は条件５１，１６の座屈開始ひずみをそれぞれ示す）。また、余盛り厚さｔ_wが３．０ｍｍより小さい条件では、座屈モードは溶接継手部で局部座屈が発現する座屈モードＡになり、余盛り厚さｔ_wが３．０以上の条件では、座屈モードは管母材部で局部座屈が発現する座屈モードＢになって、座屈開始ひずみε_crは一定値を示すことが判った。

このような軸圧縮解析の結果から、溶接継手部で局部座屈が発現する条件では、座屈開始ひずみε_crは溶接金属の降伏応力σ₁と余盛りを含んだ溶接継手部の板厚に対して正の相関関係を有することが判った。この結果に基づいて、前述した座屈耐性パラメータＭを式（１）によって定義した。

図４は、前述した全ての条件１〜２４に対して、式（１）によって算出した座屈耐性パラメータＭを横軸にし、ＦＥＭ軸圧縮解析によって求められる座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yの比（ε_cr／ε_y）を縦軸にしたグラフを適用し、各条件の解析結果をこのグラフにプロットしたものである。図において、溶接継手部で局部座屈を発現した座屈モードＡの条件は×印で示し、管母材で局部座屈が発現した座屈モードＢの条件は○印で示している。

図から明らかなように、溶接継手部で局部座屈が発現する座屈モードＡの場合は、管母材部で局部座屈が発現する座屈モードＢの場合に比べて座屈耐力が全ての条件で低下する結果になっている。この結果から、溶接継手部を有する鋼管パイプラインにおいては、座屈モードＢになる条件に設定することで、軸圧縮局部座屈に対する耐性を強化できることが判った。

図４に示す結果をみると、横軸の座屈耐性パラメータＭのある値Ｍａを境に、その値Ｍａより座屈耐性パラメータＭが大きい場合は、ε_cr／ε_yが一定の座屈モードＢになり、ある値Ｍａより座屈耐性パラメータＭが小さい場合には、ε_cr／ε_yが座屈耐性パラメータＭの増加に伴って直線的に増加する座屈モードＡになる。これにより、ＦＥＭ軸圧縮解析の結果得られた座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yとの比ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域とε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における座屈耐性パラメータＭの値Ｍａを設定値（図示の例では約１．４）とすると、評価対象における鋼製パイプラインの座屈耐性パラメータＭを設定値Ｍａより大きくすることで、軸圧縮局部座屈の耐性を高めることができる。

更に、図から明らかなように、溶接継手部で局部座屈が発現する座屈モードＡの場合には、座屈耐性パラメータＭとε_cr／ε_yとの間に線形の関係が見られる。図示の×印の解析結果に対して最小二乗法により直線近似を行うと、相関係数Ｒ²＝０．９６の回帰式（回帰直線ｍ）を得ることができる。この回帰式は、下記式（２）によって表すことができる。この式（２）を用いると、σ₁／σ₂とｔ_wを変数として、座屈開始ひずみε_crを推定することが可能になる。

ε_cr／ε_y＝α・Ｍ+β
＝α・σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ）＋β …（２）
ただし、α，βは回帰係数

このようなＦＥＭ軸圧縮解析の結果から、以下に示すような溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法を得ることができる。

一つには、溶接金属の降伏応力をσ₁、鋼製パイプラインの母材の降伏応力をσ₂、溶接継手部における余盛り厚さをｔ_w、鋼製パイプラインの厚さをｔとしたときに、式（１）によって定義される座屈耐性パラメータＭの値が、鋼製パイプラインの口径毎に求められる設定値より大きいことによって、溶接継手部の軸圧縮局部座屈の耐性を評価する。ここでの設定値は、図４に示すグラフ表示を行い、座屈耐性パラメータＭの値を変化させて、ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域とε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における座屈耐性パラメータＭの値Ｍａによって設定する。

これによると、評価対象の鋼製パイプラインから求められる座屈耐性パラメータＭが前述した設定値Ｍａより大きい場合に、この鋼製パイプラインは局部座屈耐性が高い溶接継手部を備えているとの評価が可能になる。この際に用いられる設定値Ｍａは、評価対象の鋼製パイプラインの諸元に従い、溶接金属の降伏応力σ₁と溶接継手部の余盛り厚さｔを変化させた各条件でＦＥＭ軸圧縮解析を行い、この解析結果を図４に示すようにグラフ表示することで求めることができる。

この際の評価において、例えば、座屈耐性パラメータＭの値が前述した設定値Ｍａより大きくなるように、溶接継手部の余盛り厚さｔ_wを設定するか、或いは、座屈耐性パラメータＭの値が前述した設定値Ｍａより大きくなるように、溶接金属の選択によってσ₁を設定することができる。これによって、溶接継手部で軸圧縮局部座屈が発現しない（座屈モードＡにならない）溶接継手部を得ることができる。

また、座屈耐性パラメータＭが前述した設定値Ｍａより小さい場合には、図４に示すように、ε_cr／ε_yと座屈耐性パラメータＭの値との関係を直線近似することで、任意の座屈耐性パラメータＭの値に対して座屈開始ひずみε_crの値を推定することができる。これによると、許容される座屈開始ひずみε_cr以下になるように、座屈耐性パラメータＭの値に含まれる溶接金属の降伏応力σ₁と余盛り厚さｔ_wを設定することができる。

図５は、前述した鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法を実行するための装置を示した説明図である。この装置（溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置）は、入力手段１と評価手段２を備えている。入力手段１は、鋼製パイプラインの口径毎に、溶接金属の降伏応力σ₁、鋼製パイプラインの管母材の降伏応力σ₂、溶接継手部における余盛り厚さｔ_w、鋼製パイプラインの厚さｔを入力する。

評価手段２は、予め様々な条件でＦＥＭ軸圧縮解析を行った解析結果がデータベースとして納められており、ε_cr／ε_yと座屈耐性パラメータＭの値との関係を示す関係式（図４に示す回帰直線ｍにおける回帰係数α，β）を鋼製パイプラインの口径毎に備えている。また、座屈耐性パラメータＭの値を変化させて、ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域とε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における座屈耐性パラメータＭの値を設定値Ｍａとして備えている。そして、入力手段１によって入力されたσ₁，σ₂，ｔ_w，ｔによって求められる座屈耐性パラメータＭの値と前述した設定値Ｍａとを比較することで、鋼製パイプラインの座屈耐性を評価する。

更に、評価手段２は、座屈耐性パラメータＭが設定値Ｍａ以下の場合には、評価対象の鋼製パイプラインに対応した回帰式（回帰直線ｍにおける回帰係数α，β）によって、任意の座屈耐性パラメータＭの値に対して、座屈開始ひずみε_crを推定して出力する。

１：入力手段
２：評価手段

Claims (7)

1. 溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法であって、
   溶接金属の降伏応力をσ₁、鋼製パイプラインの管母材の降伏応力をσ₂、溶接継手部における余盛り厚さをｔ_w、鋼製パイプラインの厚さをｔとし、前記溶接金属の降伏応力σ ₁ と前記余盛り厚さｔ _w の一方又は両方を変化要素としたときに、
   Ｍ＝σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ）で定義される座屈耐性パラメータＭの値を、鋼製パイプラインの口径毎に求められる設定値と比較することによって溶接継手部の軸圧縮局部座屈の耐性を評価することを特徴とする鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。
2. 前記余盛り厚さｔ _w を変化要素として、
   前記座屈耐性パラメータＭの値が設定値より大きくなるように、前記余盛り厚さｔ_wを設定することを特徴とする請求項１に記載された鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。
3. 前記溶接金属の降伏応力σ ₁ を変化要素として、
   前記座屈耐性パラメータＭの値が設定値より大きくなるように、溶接金属を選択して前記溶接金属の降伏応力σ₁を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載された鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。
4. 前記設定値は、前記座屈耐性パラメータＭの値を変化させて、鋼製パイプラインに対する軸圧縮解析の結果得られた座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yとの比ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域と前記ε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における前記座屈耐性パラメータＭの値によって設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。
5. 鋼製パイプラインに対する軸圧縮解析の結果得られた座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yとの比ε_cr／ε_yと、前記座屈耐性パラメータＭの値との関係を直線近似することで、前記座屈耐性パラメータＭの任意の値に対して座屈開始ひずみε_crの値を推定することを特徴とする請求項１に記載された鋼製パイプラインの座屈耐性評価方法。
6. 溶接継手部を有する鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置であって、
   鋼製パイプラインの口径毎に、溶接金属の降伏応力σ₁、鋼製パイプラインの管母材の降伏応力σ₂、溶接継手部における余盛り厚さｔ_w、鋼製パイプラインの厚さｔを入力する入力手段と、
   前記入力手段によって入力される前記σ₁，σ₂，ｔ_w，ｔに基づいて、鋼製パイプラインの座屈耐性を評価する評価手段を備え、
   前記評価手段は、
   鋼製パイプラインに対する軸圧縮解析の結果得られた座屈開始ひずみε_crと降伏ひずみε_yとの比ε_cr／ε_yと、Ｍ＝σ₁／σ₂（１＋ｔ_w／ｔ）で定義される座屈耐性パラメータＭの値との関係を示す関係式を鋼製パイプラインの口径毎に備え、
   前記座屈耐性パラメータＭの値を変化させて、前記ε_cr／ε_yが直線的に増加する領域と前記ε_cr／ε_yが一定になる領域の境界における前記座屈耐性パラメータＭの値を設定値とし、
   前記入力手段によって入力された前記σ₁，σ₂，ｔ_w，ｔによって求められる前記座屈耐性パラメータＭの値と前記設定値とを比較することで、鋼製パイプラインの座屈耐性を評価することを特徴とする鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置。
7. 前記評価手段は、
   前記座屈耐性パラメータＭが前記設定値以下の場合に、
   前記ε_cr／ε_yと前記座屈耐性パラメータＭの値との関係を直線近似する回帰式を備え、当該回帰式によって任意の前記座屈耐性パラメータＭの値に対して座屈開始ひずみε_crを推定することを特徴とする請求項６に記載された鋼製パイプラインの座屈耐性評価装置。

Images