Vibration tests for failure mode analysis of piping system toward Natech risk assessment

NATECHリスク評価に向けた配管システムの破壊モード解析のための振動試験

滝藤 聖崇 ; 古屋 治*; 中村 いずみ*; 奥田 幸彦  

Takito, Kiyotaka; Furuya, Osamu*; Nakamura, Izumi*; Okuda, Yukihiko

自然災害に起因する産業事故はNatechと呼ばれ、近年では東北地方太平洋沖地震に伴う福島第一原子力発電所事故、タンク火災等を受け、Natechリスク評価とそれに基づく適切な産業施設における対策といった取り組みが注目されている。そのため、Natechリスク評価に資する、産業施設のシステム機能に影響を及ぼす構造的損傷に関するデータを拡充する必要がある。そこでわれわれは、わが国における代表的な自然災害として地震に着目し、地震時における配管の損傷モードを調査し、損傷モードと配管のシステム機能維持の関係について研究を進めている。これまでに配管の損傷モードに着目し、エルボやティの載荷試験に加え、エルボ要素に着目した振動試験を実施し、小口径エルボ要素において死荷重と入力加速度レベルの組み合わせが、損傷モード(崩壊および低サイクル疲労)を支配する可能性を示している。本研究ではより現実的な条件下で、配管の損傷モードを観察するために、既往の耐震試験を参考に複数のエルボを含む3次元配管供試体を製作し、振動試験を実施した。本稿では、本研究の概要と振動試験の結果、特に試験で観測された複数の損傷モードについて報告する。

Natech stands for Natural Hazard Triggered Technological Accidents. The assessment of Natech and the implementation of appropriate measures have been highlighted by the accidents at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (NPP), and the gas tank fire caused by the earthquake in Japan. However, the data related to the structural failure with the system function is not sufficient to carry out the assessment of Natech in industrial plants, not only at NPPs. Therefore, the authors have investigated piping failure modes under seismic input to refer to the relationship between piping failure modes and assurance of piping function. Moreover, the authors have already performed the elbow and tee loading tests, the shaking table tests on a simple piping system to observe the referred failure modes of small-bore carbon steel piping. As a result, the authors have shown two of the referred modes are an elbow collapse and the axial crack growth of an elbow. In addition, it observed bifurcating into collapse mode and low cycle fatigue mode due to the relation between the dead load and input acceleration level. Consequently, to observe the failure modes under more realistic configurations, the authors fabricated a three-dimensional pipe specimen with multiple elbows and performed vibration tests using the vibration table in this study. The test specimen was designed to observe an elbow collapse or the axial crack growth on an elbow and under shaking table test. From the above, this paper reports the overview of this study and the results of the vibration tests. Especially, it shows the observed two different failure modes, axial plus circumferential crack and not just an elbow collapse but the overall fall including deformation of multiple elements under the shaking table tests.