構造信頼性

構造健全性評価ハンドブックの使い方

構造健全性評価のシステム化構造健全性評価のシステム化

東京大学大学院工学系研究科

機械工学専攻

酒井信介

レポート課題（最終）レポート課題（最終）(1)日本の産業を活性化させるために、今後、リスクベース工学をどのように適用すればよいか、考えを述べよ。

(2)講義の感想

特に、5/10構造健全性評価（木原氏）と6/21非破壊検査（中代氏）の説明に関する感想をなるべく含めてください

提出要領：Ａ４で２～４枚程度、所属専攻、学生証番号、氏名を記載のこと

締切：8月1日

提出場所:機械系事務室のボックス

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P.362

本システムの位置付け本システムの位置付け

供用中検査

き裂形状のモデル化

評価不要 許容基準

運転継続許可

き裂進展評価

破壊評価

補修／ 取替え

運転継続許可

許容基準

構造健全性評価システム

Y Y

N N

P.362

本システムの解析手順本システムの解析手順

欠陥形状の入力

荷重条件の入力

材料データの入力

き裂進展解析

塑性崩壊パラメータＬｒの計算

線形弾性破壊パラメータＫｒの計算

構造健全性評価線図

P.363

本システムの基本的な仕様本システムの基本的な仕様

健全性評価手法 英国 R6法Ｏｐｔｉｏｎ １

安全裕度評価

応力拡大係数評価、脆性破壊評価

J積分値評価、 Jに基づく破壊評価

限界荷重（Ｌ値）評価、崩壊評価

疲労き裂進展評価

基本評価項目

応力手腐食割れ評価

P.363

中心部クラス継承構造中心部クラス継承構造

構造健全性評価とのインターフェース

データ

手続き

エルボ 平板 円筒 円孔 球殻 ノズル

き裂形状

構造形状

基底クラス

構 造 健 全

性評価ＧＵＩ

荷重形式

システムの概観図システムの概観図構 造

欠陥形状

荷重形式

安全裕度

P.366

P.366

材料定数の入力ダイアログ材料定数の入力ダイアログ

RajuRaju--NewmanNewmanの解適用例の解適用例

炭素鋼平板荷重100kN

単位 ： mm

平板中央部断面

12

610

50

表面き裂

最深点

表面点

t

2b

σm

表面き裂

環境 ： 室温大気中

一般的な処理手順一般的な処理手順

①

②

③

④

⑤⑥ ⑦

注意事項注意事項

• ハンドブック掲載の各種解との対応は、[表示]→[参考文献]によりチェックして下さい

• ハンドブック掲載の解が全ては網羅されていません

P.369

P.375 疲労き裂進展挙動の評価疲労き裂進展挙動の評価炭素鋼平板

単位 ： mm

平板中央部断面

12

610

50

表面き裂

最深点

表面点

t

2b

σm

表面き裂

環境 ： 室温大気中

疲労き裂進展解析の課題疲労き裂進展解析の課題応力拡大係数:Raju-Newmanの解1000サイクル負荷後のき裂形状を求める

項 目

解析対象

構想形状 板 幅 25 mm

高 さ 100 mm

板 厚 10 mm

き裂形状 き裂長さ 12 mm

き裂深さ 6 mm

疲労き裂進展特性

荷 重 最大応力、σmax 200 MPa

最小応力、σmin 20 MPa

内 容

平板内の半楕円表面き裂

炭素鋼、大気中(ASME Sec. XI)

100,000N10,000N

疲労き裂進展条件の入力疲労き裂進展条件の入力

荷重の入力後に材料定数を選択のこと

進展後のき裂長

解答解答p.375,377p.375,377

最深点における最大応力拡大係数、KA,max = 19.64 MPa

最深点における最小応力拡大係数、KA,min = 1.96 MPa

表面点における最大応力拡大係数、KB,max = 24.08 MPa

表面点における最小応力拡大係数、KB,min = 2.41 MPa

き裂深さ、 a ＝ 6.03 mm

き裂長さ、 2c = 12.12 mm

P.378

疲労き裂進展前後の破壊評価疲労き裂進展前後の破壊評価

平板中央部断面

単位 ： mm

30

2040

100

表面き裂

最深点

表面点

環境 ： 室温大気中t

100

表面き裂

200

200

200

構造健全性評価システムを用構造健全性評価システムを用いた例題の評価条件いた例題の評価条件

設問2.5

設問2.6

項 目

解析対象

構想形状 板 幅 100 mm

高 さ 200 mm

板 厚 40 mm

き裂形状 き裂長さ 30 mm

き裂深さ 20 mm

荷 重 引張荷重 2000 kN

曲げ荷重 0

材料定数 引張強さ、σu 490 MPa

降伏応力、σy 270 MPa

流動応力、σf 380 MPa

ヤング率、E 192 GPa

ポアソン比、ν 0.3破壊靭性、JIC 0.1 MN/m

疲労き裂進展条件 進展評価表面点、最深点の応力拡大係数評価

荷重振幅 800 kN荷重分類 片振り

疲労き裂進展曲線室温大気中炭素鋼データ

荷重繰返し数 3.5×105 回

内 容

平板内の半楕円表面き裂

R6R6法による解析結果法による解析結果

疲労き裂進展後疲労き裂進展後

疲労き裂進展後の破壊評価疲労き裂進展後の破壊評価

例題例題11：極限荷重による破壊評：極限荷重による破壊評価及び価及びJJ積分による破壊評価積分による破壊評価

設問4.1

極限荷重による塑性崩壊条件を用いて、曲げ荷重を受ける周方向貫通き裂入り配管の破壊荷重を求めよ。塑性崩壊曲げモーメントは、3章Lの式を用いる。ただし、同式において、t/Rm≦ 0.1の条件は、ここでは無視するものとする。また、配管の平径半径（Rm）は53 mm、管の厚さ（t ）は9 mm、(外径57.5,内径48.5)き裂角度（2θ）は60°とし、配管の材料定数は以下に示すものとする。

縦弾性係数 E = 192.08 Gpa、ポアソン比 ν = 0.3降伏応力 σY = 313.6 Mpa、引張応力 σu = 490 Mpaまた、材料の破壊応力（流動応力σf ）は、降伏応力と引張応力の平均値で表す。

P.400 P.396P.390

周方向貫通き裂周方向貫通き裂(L(L--22--k)k)

限界荷重の計算限界荷重の計算

限界荷重の計算結果

例題例題(a)(a)：極限荷重による破壊：極限荷重による破壊評価及び評価及びJJ積分による破壊評価積分による破壊評価

設問4.2

設問4.1と同様の配管形状、き裂形状、材料定数を用い、配管の破壊荷重（最大曲げモーメント)をJ積分法（全面塑性解）を用いて求めよ。ただし、簡単のため、J積分は弾性成分（Jel）を無視し、塑性成分（Jpl）のみを用いる。材料の応力（σ）-歪（ε）関係としては、以下のRamberg -Osgood式を用いる。ε/εo = (σ/σo ) +α(σ/σo )

n

σ0 =σY = 313.6 Mpaεo =σo / E 、α= 5.5 、 n = 7

P.403 P.397P.390

材料定数材料定数

材料のJ積分抵抗曲線としては、以下の式を用いる。ただし、JRの単位はMN/m,

△aの単位はmmとする。

JR =C△a m

C= 1.176

m= 0.44

J積分は、3章Jに示す式（Kumarらの解）を用いることとし、J≒Jpl =ασoεoπRm(1－θ/π)

2 H1 (M / M0 )n+1

ここで、 M0 ：配管の塑性崩壊曲げモーメント=（4σo Rm

2 t）｛cos(θ/2)－(1/2)sinθ｝H1 ：定数 （以下の値に対して内挿可能）3章Jの解から、 Rm/t = 5 , n = 7に対して、H1 = 0.638 (θ／π= 0.150)H1 = 0.664 (θ／π= 0.175)H1 = 0.691 (θ／π= 0.200)H1 = 0.744 (θ／π= 0.250)これらの関係式を用いて、(a)各種の想定き裂長さ（a =28～36 mm）について、以下の表を完成させよ。(b)最大曲げモーメントの値から破壊荷重とその時のき裂進展量（△a）を求めよ。

JJ積分値の計算積分値の計算

スライダバーによりMの極値を探す

例題例題(b)(b)：２パラメータ法によ：２パラメータ法による破壊評価る破壊評価

設問4.3与えられた破壊評価曲線（図4.4-1）を用い、曲げ荷重を受ける周方向貫通き裂入り配管2ケースについて、破壊の有無を2パラメータ法で判定せよ。

ケース－1 配管半径 Rm = 60 mm配管厚さ t = 10 mm、き裂角度 2θ = 60°曲げ荷重 M = 1.96×104 N・m材料定数 E = 192.08 Gaa、ν = 0.3

σY = 313.6 M、a、σu = 490 MpaJIC = 0.784 MN/m

P.392 P.404

R6R6法による計算法による計算

・ケース－2配管半径 Rm = 200 mm、配管厚さt = 16 mmき裂角度 2θ= 60°、曲げ荷重 M = 7.84×105 N・m

材料定数はケース－1と同様。破壊評価曲線は、R6法オプション1の次式を用いる。Kr= (1－0.14Lr

2) [0.3+0.7exp(－0.65Lr6)]

Kr パラメータ、Lr パラメータの計算式は、3章K、Lに示されている式を用いる。

破壊判定の再計算破壊判定の再計算

4.54.5ガス圧縮機に付設された緩ガス圧縮機に付設された緩

衝器の破壊評価衝器の破壊評価P.408

P.418

4.54.5ガス圧縮機に付設された緩ガス圧縮機に付設された緩

衝器の破壊評価衝器の破壊評価

1. 円筒胴ボンド（内面側）の位置

2. 円筒胴ボンド（外面側）の位置

3. 円筒胴母材の位置

4. 長手継手溶接金属の位置

ここでは、１に対する評価のみ記述するが、他の3箇所に対しても全く同様に適用することができる。

外半径：291mm

内半径：275mm

p:8.0MPa

σu = 63.3kgf/mm2、σY = 52.4kgf/mm2

Cv:4.84kgf・m

a=11mm

材料定数の設定材料定数の設定

判定結果判定結果