(57)【要約】【課題】深い表面亀裂にも適用することができ、施工後の熱処理などの後処理が不要な亀裂の補修方法を提供する。【解決手段】補修すべき亀裂１を挟んでその両側に、亀裂と略平行で且つ亀裂よりも浅いノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂをそれぞれ形成する。亀裂の両側に形成したノッチが亀裂の応力拡大係数を低下させるので、亀裂の進展速度を遅くすることができ、また、構造物の破壊の可能性を低下させることができる。【選択図】図２
2011161544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に形成された亀裂を補修する方法であって、
前記亀裂を挟んでその両側に、前記亀裂と略平行で且つ前記亀裂よりも浅いノッチをそれぞれ形成することを特徴とする亀裂の補修方法。
【請求項２】
前記亀裂の両側に、複数のノッチをそれぞれ形成する請求項１に記載の亀裂の補修方法。
【請求項３】
前記複数のノッチの深さは、前記亀裂から遠くなるにしたがって浅くなる請求項２に記載の亀裂の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種構造物の供用中の検査において、疲労等に起因して発生した亀裂を検出したときの補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶や橋梁などは主として鋼板の溶接構造で構成され、波浪や積み荷の上げ下ろし、風荷重や車両の通行などにより、その構造の一部に疲労亀裂が発生する場合がある。供用中の検査において図５Ａに示すように鋼板９０を貫通する疲労亀裂９１が検出された場合、一時的又は恒久的な補修方法として、図５Ｂに示すように亀裂９１の両端に鋼板９０を貫通するストップホール９２が加工されることがある。
【０００３】
また、蒸気タービン車室や石油プラント圧力貯槽などのように内部に圧力流体を包含する厚肉構造物では、熱疲労や圧力変動などによりその内面に図６Ａに示すように表面亀裂９３が発生する場合がある。このような表面亀裂９３が検出された場合には、一時的又は恒久的な補修方法として、図６Ｂに示すように亀裂９３を含む部分を削り取り、凹部９４が形成されることがある。更に、図６Ｃに示すように、凹部９４を溶接により埋める補修溶接９５が行われることがある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Hiroyuki Kagawa、“Fatigue crack propagation behavior in four-points bending specimens with multiple parallel edge notches at regular intervals”、Engineering Fracture Mechanics、vol.75(2008)、pp.4954-4609
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の補修方法はそれぞれ以下の課題を有している。
【０００６】
図５Ｂに示したストップホール９２を形成する方法は、鋼板９０を貫通する亀裂９１に対しては有効であるが、図６Ａに示すような裏面にまで達していない表面亀裂９３に対しては有効な補修方法とはいえない。
【０００７】
一方、図６Ｂに示した表面亀裂９３を削り取る方法は、構造物の板厚が部分的に薄くなるので、例えば圧力容器では設計基準を満足しなくなったり、あるいは設計基準を満足しても、削り取って形成された凹部９４の底部に応力が集中し且つこの底部に流体が接触するために熱疲労等により直ちに再び亀裂が発生したりするので、有効な補修方法とはいえない。一般に、表面亀裂９３を削り取る方法は、表面亀裂９３が表面のごく表層に形成された浅い亀裂である場合に限定的に適用される。
【０００８】
また、図６Ｃに示す補修溶接９５を行うと溶接応力が残留する。しかしながら、圧力容器のような大型の構造物では、溶接応力を除去するための熱処理を行うことが難しい。溶接応力が残留したままでは、溶接部分から直ちに亀裂が発生してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決し、深い表面亀裂にも適用することができ、施工後の熱処理などの後処理が不要な亀裂の補修方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の亀裂の補修方法は、構造物に形成された亀裂を補修する方法であって、前記亀裂を挟んでその両側に、前記亀裂と略平行で且つ前記亀裂よりも浅いノッチをそれぞれ形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、亀裂の両側に形成したノッチが亀裂の応力拡大係数を低下させる。従って、亀裂の進展速度を遅くすることができ、また、構造物の破壊の可能性を低下させることができる。また、本発明の補修方法は、亀裂の深さに関係なく適用することができ、施工後の熱処理も不要である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、構造物に形成された表面亀裂を示した斜視図である。
【図２】図２Ａは本発明の亀裂の補修方法の一実施形態を示した斜視図である。図２Ｂは図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、本発明の効果を確認するための数値計算結果を示した図である。
【図４】図４は、本発明の亀裂の補修方法の別の実施形態において形成されたノッチを示した断面図である。
【図５】図５Ａは鋼板を貫通する亀裂を示した図である。図５Ｂは図５Ａに示した亀裂の両端に形成したストップホールを示した図である。
【図６】図６Ａは構造物の表面に形成された表面亀裂を示した図である。図６Ｂは図６Ａに示した表面亀裂を削り取ることで形成された凹部を示した図である。図６Ｃは図６Ｂに示した凹部を埋める補修溶接を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明において、亀裂の両側に複数のノッチをそれぞれ形成することが好ましい。形成するノッチの数が多いほど、亀裂の応力拡大係数を更に低下させることができる。従って、より大きな補修効果を得ることができる。
【００１４】
上記において、複数のノッチの深さは、亀裂から遠くなるにしたがって浅くなることが好ましい。これにより、亀裂の応力拡大係数を更に低下させることができる。また、各ノッチの応力拡大係数も低下させることができる。
【００１５】
以下、本発明を好適な実施形態を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明を説明するために必要な要素のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の要素を備え得る。また、以下の各図の寸法は、実際の要素の寸法および寸法比率等を忠実に表したものではない。
【００１６】
亀裂の進展速度や亀裂からの破壊の起こりやすさは、破壊力学において亀裂の先端付近の応力状態を示す応力拡大係数を用いて評価されることは周知である。本発明者は、平行に並んだ複数の表面亀裂が形成されているときの応力拡大係数を定量的に求める手法を開発し、非特許文献１に開示した。本発明は、この手法を応用したものである。
【００１７】
図１は、構造物１０に形成された、補修すべき亀裂１を示した斜視図である。亀裂１は、構造物１０の表面に露出し、その裏面にまでは達していない、いわゆる表面亀裂である。
【００１８】
図２Ａは亀裂１の本発明の補修方法の一実施形態を示した斜視図である。図２Ｂは図２Ａの２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示されているように、本実施形態では、補修すべき亀裂１を挟むように、亀裂１の両側にそれぞれ２本、合計４本のノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを亀裂１と略平行に形成する。また、図２Ｂに示すように、ノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの深さは補修すべき亀裂１より浅い。更に、亀裂１から遠くなるにしたがってノッチの深さは浅くすることが好ましい。即ち、本実施形態では、ノッチ２ａ，２ｂよりノッチ３ａ，３ｂの方が浅いことが好ましい。
【００１９】
一般に、亀裂１が形成された構造物１０に引っ張り力Ｆが作用すると、亀裂１が形成された部分では構造物１０の板厚が薄いので、亀裂１の先端（最深部）に最大の引っ張り応力が作用する。これに対して、図２Ａ及び図２Ｂに示されているように、亀裂１の両側にノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを形成すると、亀裂１の先端に作用する最大の引っ張り応力が小さくなる。その結果、亀裂１の進展速度を遅くすることができ、また、構造物１０の破壊の可能性を低下させることができる。
【００２０】
本発明の効果を確認するための数値計算例を示す。図２Ｂに示すように、板厚Ｗの構造物１０に深さａの亀裂１が形成された場合を考える。亀裂１から距離Ｈだけ離れた位置に深さ（２／３）×ａのノッチ２ａ，２ｂを形成し、更に、ノッチ２ａ，２ｂから距離Ｈだけ亀裂１から遠ざかる方向に離れた位置に深さ（１／３）×ａのノッチ３ａ，３ｂを形成する。
【００２１】
亀裂１についての応力拡大係数Ｋは、一般に、
Ｋ＝Ｃσ（πａ）1/2      ・・・（１）
で表される。ここで、σは応力、Ｃは補正係数である。
【００２２】
ノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを形成しない場合、補正係数Ｃは、
Ｃ＝ｆ（ξ）      ・・・（２）
である。ここで、ξは相対亀裂深さであり、ξ＝ａ／Ｗで定義される。
【００２３】
一方、深さが異なるノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを形成した場合、補正係数Ｃは、
Ｃ＝ｆ（ξ）・ｇ（ξ，η）・ｈ（ξ，η，ζ）      ・・・（３）
である（非特許文献１参照）。ここで、ηは相対ノッチ間隔であり、η＝Ｈ／Ｗで定義される。また、ζは、ζ＝ｌｎ（ａ／ａ’）で定義される。ここで、ａ’は亀裂１の両隣にあるノッチ２ａ，２ｂの平均深さである。
【００２４】
図３に、図２Ｂに示した条件で、相対亀裂深さ（ａ／Ｗ）を０．０５，０．１，０．２の３通りに変えて、亀裂１についての無次元化応力拡大係数（即ち、上記補正係数Ｃ）を計算により求めた結果を示す。「施工前」はノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを形成する前を、また、「施工後」はノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂを形成した後をそれぞれ意味する。いずれの相対亀裂深さにおいても、無次元化応力拡大係数は、「施工後」は「施工前」の約半分に低下している。このように、補修すべき亀裂の両側にノッチをそれぞれ形成することにより、当該ノッチが引っ張り力Ｆに対するシールド効果を発揮して亀裂の応力拡大係数を小さくするのである。
【００２５】
なお、詳細な説明を省略するが、上記においてノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂについての無次元化応力拡大係数が、「施工後」の亀裂１についての無次元化応力拡大係数よりも小さくなることを確認している。
【００２６】
図２Ｂでは、ノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの深さは、亀裂１の先端を通る直線８ａ，８ｂに沿って漸減したが、例えば図４に示すように亀裂１の先端を頂点とする放物線９に沿って漸減しても良い。更に、図示を省略するが、例えば亀裂１の先端を通る円弧に沿って漸減してもよく、その他の規則にしたがって漸減してもよい。もちろん、何らかの規則にしたがっていなくてもよい。本発明者の検討によれば、図２Ｂと図４とを比較すると、放物線９に沿ってノッチ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの深さを漸減させた図４の方が、亀裂１についての無次元化応力拡大係数を小さくすることができることを確認した。なお、本発明において、亀裂１の深さは、その深さが一定でない場合にはその最大深さによって定義される。また、ノッチの深さは、亀裂１の最大深さ位置に対向する位置での深さを意味する。
【００２７】
上記の実施形態では、亀裂１に対して一方の側に２つのノッチを形成する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、亀裂１に対して一方の側に形成されるノッチの数は１つでもよく、あるいは３つ以上でもよい。亀裂１とこれに隣り合うノッチとの間隔及び隣り合うノッチ間隔（または相対ノッチ間隔η）は小さいほど、より大きな補修効果が得られる。また、これらの間隔が同じ場合で比較すると、ノッチの数が多いほど、より大きな補修効果が得られる。なお、これらの間隔は、上記の実施形態のように同一である必要はなく、異なっていても良い。
【００２８】
本発明では、ノッチは亀裂１に対して両側にそれぞれ１つ以上形成される。この限りにおいて、ノッチの数や位置、深さなどは任意に設定することができるが、亀裂１に対してノッチは対称的に形成されることが好ましい。
【００２９】
ノッチの延設方向の長さＬ（図２Ａ参照）は、亀裂１の長さとほぼ同じであることが好ましい。また、長さ方向においてノッチの最深部の位置は、亀裂１の最深部の位置と対向していることが好ましい。
【００３０】
本発明が適用される構造物の材料は特に限定されない。例えば、鉄（鋼、鋳物など）、アルミニウム、各種合金などの金属はもちろん、これら以外の材料であってもよい。また、構造物の用途も特に限定はなく、各種圧力容器、タービン、船舶、各種建築構造物など、亀裂が発生しうるあらゆる構造物が含まれる。
【００３１】
ノッチの形成方法は特に限定されず、亀裂１が形成された構造物の材料などに応じて適宜選択することができる。例えば、円板状グラインダを用いることができる。ノッチの幅（隙間）がなるべく狭くなるような形成方法を選択することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の利用分野は特に制限はなく、各種構造物に発生した亀裂（特に表面亀裂）に広範囲に適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１  亀裂
２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ  ノッチ
１０  構造物
【図１】
2011161544.tif 000003
【図２】
2011161544.tif 000004
【図３】
2011161544.tif 000005
【図４】
2011161544.tif 000006
【図５】
2011161544.tif 000007
【図６】
2011161544.tif 000008