論 文 Assessment Standard for Externally Corroded Pressure Equipment(Ibaraki FFS rule) 茨 大学 学 鴻巣 眞二(Shinji Konosu) General components such as pressure vessels,piping,storage tanks and so on for chemical and petroleum-related-plants and town gas facilities are designed in accor- dance with the construction codes based on the assumption that there are no flaws in such components. There are, however, numerous instances in which in-service flaws (local thin areas) due to external corrosion, etc., are found in equipment designed according to these con- struction codes.It is strongly desirable that repairing or replacement work should be restricted to equipment with malignant flaws judged by a reasonable and quantitative assessment, because repairing tends to result in ruining the integrity of the equipment concerned.The construction codes fall short of our expectations in judging whether in -service flaws are acceptable or not.Therefore,the establishment of a FFS rule capa- ble of judging these flaws has been awaited for a long time.It is necessary to establish suitable, reasonable standards in fields ranging from construction to maintenance. The FFS rule would be an excellent complement to the construction codes.The assessment standard (Ibaraki FFS rule) for externally corroded pressure equipment is based on the newly developed p-M method, which can readily assess equipment with external flaws subjected to combined internal pressure and external bending moment. Key words : Fitness for Service (FFS), Collapse Limit, Local Thin Area, p-M Method, Pressure,External Bending,Buckling Stress 1.はじめに 学 , ガス 一 圧 , , に対して , に が いこ が って が されて いる。しかし, に が される が多く, そ がきわめて っている。 をむ みに するこ ,かえって安 を う が多いため, が えて み 替え を うこ が ましい。 が における 圧ガス に対する 安 1) について , が を める を変 した。これによれ , 圧 に対する 格 -茨 FFS 格- 19.4.27 294 32 圧 第45巻第5
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論 文
Assessment Standard for Externally CorrodedPressure Equipment(Ibaraki FFS rule)
茨城大学工学部鴻巣 眞二(Shinji Konosu)
General components such as pressure vessels,piping,storage tanks and so on forchemical and petroleum−related−plants and town gas facilities are designed in accor-dance with the construction codes based on the assumption that there are no flaws insuch components.
There are,however,numerous instances in which in−service flaws(local thin areas)due to external corrosion,etc.,are found in equipment designed according to these con-struction codes.It is strongly desirable that repairing or replacement work should berestricted to equipment with malignant flaws judged by a reasonable and quantitativeassessment,because repairing tends to result in ruining the integrity of the equipmentconcerned.The construction codes fall short of our expectations in judging whether in−service flaws are acceptable or not.Therefore,the establishment of a FFS rule capa-ble of judging these flaws has been awaited for a long time.It is necessary to establishsuitable,reasonable standards in fields ranging from construction to maintenance.TheFFS rule would be an excellent complement to the construction codes.The assessmentstandard(Ibaraki FFS rule)for externally corroded pressure equipment is based on thenewly developed p−M method,which can readily assess equipment with external flawssubjected to combined internal pressure and external bending moment.
Key words : Fitness for Service(FFS),Collapse Limit,Local Thin Area,p−M Method,Pressure,External Bending,Buckling Stress
1.はじめに
化学工業,石油産業や都市ガスなどの一般産業
用圧力容器,配管,貯槽に対しては,設計時に欠
陥がないことが建前となって強度設計がなされて
いる。しかし,供用期間中に外面腐食などの減肉
欠陥が供用期間中の検査で検出される場合が多く,
その評価がきわめて重要となっている。無害な減
肉欠陥をむやみに補修することは,かえって安全
性を損なう場合が多いため,合理的で定量的な評
価が行えて有害な減肉欠陥のみ補修や取替え等を
行うことが望ましい。
我が国における高圧ガス設備に対する保安検査
の方法 1)については,国が省令別表で検査方法
を定める従来の制度を変更した。これによれば,
圧力機器の外面腐食に対する評価規格-茨城 FFS規格-
原稿受付日 19.4.27
294
32 圧力技術 第45巻第5号
学協会等民間機関から提案される各種民間規格を
検討・評価した上で,検査方法として活用するこ
とができるようにして,これまでの設備の使用環
境によらず全ての設備に一律に保安検査方法を適
用することを改め,技術等の進歩・対象設備の状
況等に応じた実効性のある望ましい保安検査の方
法を採用できるようにしたものである。
欠陥を有する容器を補修や取替えをせずに継続
使用が可能かどうかの判断基準としては,高圧ガ
ス保安法コンビ則第5条第1項第19号で以下の
ように与えている。
「常用の圧力又は常用の温度において発生する
最大の応力に対し,当該設備の形状,寸法,常用
の圧力若しくは常用の温度における材料の許容応
力,溶接継手の効率等に応じ,十分な強度を有す
る」
具体的な仕様や満たすべき特定の数値を細かく
規定するのではなく,安全といった要求される機
能や具備すべき性能に対して規定をし,要求され
る性能を満たしていれば継続使用を認めるもので
ある(性能規定化)。しかし,供用期間中に生じ
た欠陥が許容されるかどうかを判断する方法・手
順については設計・製作規格では示されていない
ため,供用期間中に検出された欠陥に対して,今
後の使用に耐えるかを判断して合理的な維持管理
の遂行に役立つ維持規格(FFS規格:供用適性
評価規格)の必要性が特に認識されてきている。
設計・製作から維持管理までに対して合理的な基
準の整備が必要であり,この意味で,維持規格は
従来の設計・製作規格とは相互に補完し合う規格
として位置づけられる。国外ではアメリカ,ヨー
ロッパを中心に維持規格の整備がなされてきてお
り,日本においても国際競争力を保つために維持
規格の整備が重要となっている。
国外では,1960年代後半からパイプラインを
主な対象として局部減肉評価方法の検討が行われ,
その成果が ASME B31.G2)に取り入れられ,そ
の後,RSTENG3),modified B31G3),DNV4),BS
79105),API5796),FITNET7)などに引き継がれ
ているが未だ十分に確立しているわけではない。
これらの理論的な裏付けは,円筒が内圧を受ける
ときの円筒軸方向の貫通割れ欠陥に対するバルジ
ング効果 8)の評価式に基づいている。
外面腐食欠陥に対する評価規格(以下,茨城
FFS規格と称する)は,検査実施者である茨城
県が,現行法の範囲内で「十分な強度を有し安全
である」か否かを主体的に判断するための技術基
準を与えるものである。その理論的な骨子は,内
圧を受ける欠陥を有する容器が地震等の外部曲げ
モーメントを同時に受けたときに十分な強度を有
し安全であるかを簡便に評価できる p-M 法9)�12)と呼ばれる新たに開発された手法に基づいて
いる。
2.圧力機器の外面腐食に対する評価方法
概要茨城 FFS規格“圧力機器の外面腐食に対する
評価規格”で対象としているのは,一般産業用設
備の圧力機器(圧力容器,配管,貯槽など)であ
る。この規格は Table2.1で示すように,本体(6
章からなる),附属書(6編)と解説で構成され
ている。検査結果に基づいてモデル化された欠陥
Table2.1 Composition of Ibaraki FFS rule
295圧 力 技 術
JHPI Vol.45 No.52007 33
寸法と,設計内圧 p と地震等によって想定され
る曲げ外部モーメント M を p-M 線図上にプ
ロットして判定される。そこで供用不適とされた
欠陥に対しては,再定格あるいは欠陥補修または
取替えが要求される。
2.1 適用対象設備
この規格は,以下に示す規格により設計・製作
された塔槽類・配管に適用する。
設計製作規格
JIS B8243(旧)圧力容器の構造
JIS B8249 多管円筒形熱交換器
JIS B8250(旧)圧力容器の構造(特定規格)
JIS B8265 圧力容器の構造― 一般事項
JIS B8270 圧力容器(基盤規格)
JIS B8501 鋼製石油貯槽の構造
JPI−7S−77 石油工業用プラントの配管規格
その他同等と判断される規格,基準など
2.2 適用期間
この規格の適用期間は,運転開始後における設
備の供用期間中とする。
2.3 評価対象欠陥
この規格の評価対象欠陥は,塔,配管,貯槽な
どに対して運転後に外面腐食を原因として生じて
製作時の最小肉厚を下回る減肉欠陥とする。なお,
保安検査基準(コンビナート等保安規則関係)で
は,外面腐食が生じる温度領域として-4℃~
150℃程度 10)と規定していることからこの温度
範囲で運転されている設備を対象としているが,
脆性破壊やクリープ損傷を生じない温度域であれ
ば同じ取り扱いが可能である。また,内面腐食欠
陥に対しても,内面欠陥に対する欠陥パラメータ
を用いれば,ここでの外面腐食欠陥と同じ取り扱
いで評価が可能である 11)。
2.4 記 号
この規格で用いる主な記号の意味は以下による。
a:腐食減肉欠陥深さ
Abo=
2
2cos�b �ysin�cL:腐食減肉欠陥の軸方向長さの半分
c�:腐食減肉欠陥の周方向長さの半分E:設計温度での縦弾性係数(MPa)
M:地震等によって生じる曲げモーメント
MS=Mt a( )
Mt a( )�y 1�Mt a( )� �Mt a( )= 1�0�317�a
2&
P:設計圧力(MPa)
Ro=Do/2:円筒の外半径(mm)
Ri=Di /2:円筒の内半径(mm)
t:肉厚(mm)
tlg=t �a:リガメント肉厚(残余肉厚)(mm)
t�= 1�cos�sin���� �y !・t
:座屈評価での局部減肉における相当肉厚
(mm)
y=a
t�=aeff
t=
�ac L
t �c L �4t( )�a=1�428cL
Ri a
2�:周方向外面欠陥の角度(ラジアン)=��c�2Ro�uts�T
min :設計温度における規定最小引張強さ
MPa( )�ysmin:常温における規定最小降伏強さ MPa( )
�= t
Ro(��0.1)
�b=y�2
圧力機器の外面腐食に対する評価規格-茨城 FFS規格-296
34 圧力技術 第45巻第5号
�b �b ����2� ��b= �-�
2�b ����2� �
2.5 評価手順
段階評価手順は Fig.2.1に示されるが,その
評価方法を以下に示す。
a)欠陥の検出
腐食欠陥の検出は,対象部位に応じて目視検査
(VT)等の適切な方法にて実施する。評価対象
とする欠陥近傍に割れ状欠陥やブローホール等の
欠陥が存在しないことを超音波探傷試験(UT)
等により確認する。対象とする腐食欠陥は,局所
の凹凸での肉厚方向の先端曲率半径�(mm)が
以下の式を満たす場合とする。ただし,この条件
を満たさない欠陥に対しては以下の式を満たすよ
うにスムーズアップを実施して,その欠陥を評価
対象欠陥とする。��max a�10mm� �この規定は,評価対象としている欠陥の先端で過
大な局部応力が生じないようにするために設定さ
れている。
b)装置の形状,設計条件および履歴の把握
評価に必要な主なデータとして以下のものが挙
げられる(附属書1)。
1)製造時の設計データ
2)運転経歴および保全履歴
3)予想される将来の条件(運転条件等)
4)減肉欠陥の位置,形状および寸法
5)減肉欠陥箇所での応力状態
6)減肉欠陥を内在する部材の材質
7)その他,各評価方法の中で必要とされる特
定のデータ
c)材質劣化する使用環境かの判断
構成材料が,供用期間中に材質劣化(靭性低下
や強度変化)や応力腐食割れを生じていると判断
される場合は適用を除外する(附属書2)。
d)欠陥位置,形状・寸法の把握とモデル化,近
接欠陥の扱い
腐食欠陥の形状・寸法を把握する前に,非破壊
検査の実施者注1)は,評価すべき箇所で肉厚内部に
欠陥(割れ状欠陥あるいは溶け込み不良などの欠
陥)が存在していないことを超音波探傷試験等に
よって確認する注2)必要がある。腐食欠陥はその位
置(塔頂+配管頭部からの距離,欠陥方向)と形
状(軸方向および周方向の欠陥寸法)を定量的に
決定しなければならない。ただし,測定には,非
破壊検査の実施者注1)がデプスゲージあるいは超音
波肉厚測定器と Rゲージを用いて以下の測定条
件で行なわなければならない。
1)欠陥深さの測定はデプスゲージ(JIS B
7518)あるいは超音波肉厚測定器を用いて実
施する。欠陥の曲率半径は Rゲージを用い
て実施する。なお,測定者の寸法測定誤差を
示した技術的な裏付けデータを示すこと
2)超音波肉厚測定においては,スキン温度の
適正な補正を実施すること。ただし,その温
度補正の妥当性を示した技術的な裏付けデー
タを示すこと
注1)�日本非破壊検査協会やアメリカ非破壊協会(ASNT)などの第3者機関
が認定する資格(超音波探傷試験(UT),
浸透探傷試験(PT),磁粉探傷試験
(MT),放射線透過試験(RT))を有
している検査員
注2)「特定設備検査規則の機能性基準の
運用について 経済産業省原子力安全
・保安院通達(平成13.12.27 原院
第5号)」の第63条で定める合格基準
を満たす場合をいう。すなわち,JIS
Z3060(2002)の附属書7(規定)試
験結果の分類方法で定める分類1類お
よび2類以下の場合
腐食減肉欠陥において最大減肉位置を決定して,
そこを原点として周方向を X軸,軸方向を Y軸
とする基準線を Fig.2.2に示すように定める。
さらに,周方向および軸方向のそれぞれに対して
次式から求まるグリッド間隔以下の間隔を用いて
�����
297圧 力 技 術
JHPI Vol.45 No.52007 35
その基準線に対して平行に引いたグリッド線の交
点によって肉厚測定位置を決定する。
g�=min 2c��5�2t� �
:周方向グリッド間隔
gL=min 2c L �5�2t� �
:軸方向グリッド間隔
欠陥が複数個あって互いに接近している場合,接
近している欠陥は,Fig.2.3に示す合体条件に
従い評価する。合体条件を満足する場合には,合
体後の形状(軸方向及び周方向の欠陥深さ分布)
を求める。合体条件を満足しない場合には,それ
Fig.2.1 Flowchart of external corroded flaw in Ibaraki FFS rule
圧力機器の外面腐食に対する評価規格-茨城 FFS規格-298
36 圧力技術 第45巻第5号
Fig.2.2 Method for determining the thickness profile of LTA
Fig.2.3 Condition in which several LTAs in proximity to each other can be considered as a single LTA
299圧 力 技 術
JHPI Vol.45 No.52007 37
ぞれ単独の欠陥として評価する。
e)応力集中箇所から離れているかの判断
評価すべき欠陥が構造不連続部などの応力集中
箇所から2.5 Ri �t以上離れている場合に適用さ
れる。この条件が満たされない場合には適用外で
ある。
f)地震等による曲げモーメントの算定 13)
地震等による外部曲げモーメント M を附属書
4に従って算出する。ただし,この方法は,安全
側にかつ簡易的に地震モーメントを評価する方法
であるため,外部曲げモーメント M が大きく
なって危険側と評価されてしまう場合には耐震告
示の手法 14)にしたがって算定すること。
1)地表面における地震動
地表面における第1設計地震動の水平震度
KH は,高圧ガス設備等耐震設計指針 14)に基づ
き次のように算定される。
KH=0.15�k 1 2 3
ここで,�k:地震動のレベルに基づく係数で,レ
ベル1地震動で1.0,レベル2地震動
で2.0 1:耐震設計構造物の重要度に基づく係数
(1.0~0.5)
(例 重要度Ⅱ: 1=0.65) 2:地域に基づく係数(1.0~0.4)
(例 茨城県の地域係数 A地区: 2
=0.8) 3:表層地盤増幅係数であり,地盤種別に
より異なる(2.0~1.4)
(例 第2種地盤: 3=2.0)
2)1次固有周期 T1
次式により塔槽類の1次固有周期を求める。
T1=2� H�� �2WT
EIHg
'2� H
1�875
� �28W T
E�D m3
tm Hg
'ここで,
I=�64
Do4 1� 1��( )
4$ %�
8Dm
3tm
�=1.875(1次)Do=Di+2tm:塔槽類平均外径(m)
Dm=Di+tm:塔槽類平均直径(m)
tm:塔槽類平均肉厚(m)
�=2t m
Do:外径厚さ比
3)曲げモーメント算定
1次固有周期が0.9秒未満のときには静的震
度法を,0.9秒以上のときには修正震度法の考
え方を使った簡易評価法により,次式により塔
頂から評価位置 x�における地震による曲げモーメント M を求める。全重量に占めるス
カート重量の割合は小さいと考えられるので,
安全サイドの評価を行うためにスカート部を除
いた塔槽長さ h に留意して次式により曲げ
モーメントを求める。
M= �K H
2h・WT・x 2+
1
5Mmax
Mmax= �K H
2・WT h
4 : T1 �0�9(sec ) = 5 : T1 �0�9(sec )
ただし, �K H<0.2のときは �K H=0.2
とする 14)
4:静的震度法適用時の水平方向の応答倍
率であり,地表面からの高さ Hに応
じた値をとる(2.0~3.14) 5:修正震度法適用時の水平方向の応答倍
率であり,地域区分・地盤種別と固有
周期に応じた値をとる
WT:塔槽類の自重と内容物重量の和による
全重量(N)
h :塔槽類長さ(m)
���
圧力機器の外面腐食に対する評価規格-茨城 FFS規格-300
38 圧力技術 第45巻第5号
L :スカート長さ(m)
H =h+L:塔槽類全長(m)
g)p �M 線図による安全性評価 9)�12)
欠陥位置でのリガメント肉厚(残余肉厚)tlg
と肉厚 t との比を示すリガメント肉厚比が tlg/t
>0.3,tlg�1mm であることが要求される。さら
に,欠陥位置で塑性崩壊する限界圧力 P L および
地震等の外部曲げモーメントによる塑性崩壊限界
曲げモーメント M L を算出する。P L および M L
を�くときに使用する流動応力�f は,対象機器
が設計される際に用いた設計製作規格(または法
規)の規定最小強度に基づいて決定される。
Fig.2.4 Plastic collapse criterion based on p−M diagram12)
2)Manual for determining the remaining strength ofcorroded pipelines.In : A Supplement to ASME B31 code for pressure piping,ASME B31G−1991(Revision of ANSI/ASME B31G−1984),New York,USA : The American Society of Mechanical Engi-neers;(1991).
3)Kiefner JF,Vieth PH.,“A modified criterion forevaluating the strength of corroded pipe”,Final Re-port for Project PR 3-805 to the Pipeline Super-visory Committee of the American Gas Association,Battelle(OH),(1989).
4)Recommended Practice DNV−RP−F101,“CorrodedPipelines”,Det Norske Veritas,(2004).
5)BS 7910,Guide on methods for assessing the ac-ceptability of flaws in fusion welded structures,
(1990).6)API,“Recommended Practice for Fitness−for−
7)FITNET,“Fitness for service procedure”,(2005).8)E.S.Folias,“The Stresses in a Cylindrical Shell
Containing an Axial Crack”,ARL64-174,Aero-space Reserch Laboratories,Octorber,(1964).
9)S.Konosu and N.Mukaimachi,“Plastic CollapseAssessment Procedure for Vessel with Local ThinArea Simultaneously Subjected to Internal Pres-sure and External Bending Moment”,Proceedingsof ASME PVP2006-93496,(2006);ASME J.Pres-sure Vessel Technol.,Feb.(2008),to be published.
10)保安検査基準(コンビナート等保安規則関係),KHKS0850-3-2005,高圧ガス保安協会
11)S.Konosu and K.Oyamada,“Development ofSimplified Plastic Collapse Assessment Procedurefor Vessel with Internal Surface Flaw”,Proceedingsof PVP2007-26437,(2007)
12)S.Konosu et al.,“Plastic Collapse Load for Ves-sel with External Flaw Simultaneously Subjectedto Internal Pressure and External Bending Mo-ment -Experimental and FEA Results-”,Pro-ceedings of ASME PVP2007-26410,(2007);ASMEJ.Pressure Vessel Technol.,to be published.