疲労ｿﾘｭｰｼｮﾝの 7MW 洋上風車 V 字ｾﾐｻﾌﾞ浮体への適用*
Application of fatigue solutions to a V-shaped semi-submersible floating structure
for a 7MW offshore wind turbine萱森 陽一**

井上 健裕***

大川 鉄平***

西村 誠二***

Yoichi KAYAMORITakehiro INOUE

Teppei OKAWA

Seiji NISHIMURA

坪内 宏樹****

横山 博昭****

中山 伸****

石原 孟*****

Hiroki TSUBOUCHI

Hiroaki YOKOYAMA

Shin NAKAYAMA

Takeshi ISHIHARA

１．はじめに浮体式洋上風車においては，風力発電に固有の風荷重やローターの振動等による変動外力に加え，浮体構造が波浪や潮流等により受ける変動外力が重畳するため，応力集中の高い溶接部に対して疲労設計が求められる 1) ．一方で，風車の大型化に対応するべく使用鋼材をハイテン化しても，溶接部では鋼材強度の上昇に見合った疲労強度の向上は期待できないため，ハイテン化のメリットを最大限に引き出すことは困難である．
そこで福島復興･浮体式洋上ウィンドファーム実証研
究事業 2) では，ハイテン化と共に溶接部の疲労強度向上を狙った疲労対策技術（以下，疲労ソリューションと称す）を浮体式洋上風車に適用するための実証研究を進めている．
前報 3) では，洋上風車用ハイテン鋼を用いて浮体構造の一部を模擬した大型構造モデル疲労試験体を製作し，疲労ソリューションとして超音波衝撃処理(米国
U.I.T.,L.L.C.社が有する Ultrasonic Impact Treatment 技術を略し，以下，UIT と称す)4) 5)を適用することで，その疲労特性向上効果を検討した．その結果，UIT が風車浮体模擬構造の疲労特性を向上させ，特に低応力範囲かつ長疲労寿命領域で顕著な効果を発揮することを明らかにした．
本研究では前報 3)の結果を踏まえ，疲労ソリューシ
ョンの適用先を試験体から実際の大型洋上風車の浮体構造に移すこととした．洋上風車用ハイテン鋼で製作した 7MW 洋上風車 V 字セミサブ浮体 6)に対して UITを適用し，疲労特性に影響するビード止端処理部の形状と残留応力を実測した．得られた測定結果から，本疲労ソリューションの洋上風車浮体への適用性及び疲労特性向上への有効性を考察した．

２．試験方法
２．１ 対象部位及び供試鋼
疲労ソリューション適用の実証試験は，福島復興･浮体式洋上ウィンドファーム実証研究事業 2)を通じて建造中の 7MW 洋上風車 V 字セミサブ浮体 6)を対象とした．福島県いわき市小名浜港での風車搭載･組立に備え，三菱重工業(株)長崎造船所香焼工場で浮体建造中の2014 年 2 月に本試験を実施した．
本試験で適用する疲労ソリューションは，疲労特性に優れる洋上風車用ハイテン鋼と UIT の 2 つである．
V 字セミサブ浮体の高応力想定部の構造用鋼板には洋上風車用ハイテン鋼が使用され，溶接ビード止端部の発生応力が相対的に高くなると思われる部位には UITを施した．UIT の適用部位は，①連結管と角柱状センターコラムの十字溶接部で，管内面スチフナの裏面にあたる管外面側（図 1 中 No.1～4）と，②V 字状ロワーハル分岐付け根のブラケット端角回し溶接部（図 1 中No.5～7）である．
表 1 に UIT 適用部位の鋼板の化学成分と機械的性質を示す．鋼板はいずれも熱加工制御（Thermo-MechanicalControl Process を略し，TMCP）により製造された洋上風車用ハイテン鋼であり，NK 規則で降伏応力 355MPa*平成 26 年 11 月 28 日第 36 回風力エネルギー利用シンポジウムにて講演** 会員 新日鐵住金㈱ 鉄鋼研究所 〒660-0891 兵庫県尼崎市扶桑町 1-8*** 非会員 新日鐵住金(株)**** 非会員 三菱重工業(株)

図 1 7MW 洋上風車 V 字セミサブ浮体におけるUIT 適用部位（図中 No.1～7）***** 会員 東京大学 大学院工学研究科 社会基盤学専攻－309－表 1 UIT 適用部位の鋼板の化学成分と機械的性質
鋼板記号

板厚

化学成分(％)

機械的性質(mm)CSi

KE36800.090.28

KE3650

0.12～

0.20～

1.21～

0.011～

0.13

0.21

1.230.013

KE36-FCA

50

0.04

0.44

1.42

KE47700.090.40

1.54

Mn
1.52～
1.53(36kgf/mm2)級のKE36 と，降伏応力460MPa (47kgf/mm2)級の KE47 の 2 鋼種である．KE36 は連結管，センターコラムトップ及びブラケットと接するロワーハルに，KE47 はブラケットにそれぞれ用いた．ブラケットと接するロワーハル材のKE36には，耐疲労鋼（Fatigue CrackArrester を略し，FCA 鋼 7））を適用した．なお前報 3)では，洋上風車用ハイテン鋼の切断加工部（プラズマ切断面）の疲労特性が劣化しないことも示したが，本報で検討対象とする浮体構造の疲労対象部位はいずれも溶接ビード止端部であり，切断面は疲労評価の対象外である．溶接はフラックス入りワイヤーを用いたガスシールドアーク溶接（フラックスコアードアーク溶接）で，シールドガスは CO2、ワイヤーは溶接金属のオーバーマッチか保たれる高張力鋼用とした．
２．２ ＵＩＴUIT 適用対象となる前述及び図 1 の溶接ビード止端部には，事前にグラインダー研削が施されていたため，この研削溝に沿って UIT を施した．作業の様子を図 2に示す．
UIT には米国 Applied Ultrasonics 社製 ESONIX®
27 UIS を用いた．共振周波数は 27kHz で，打撃ピンの直径を 3mm，先端曲率半径を 3mm とし，打撃跡が連続するように UIT のハンドツールを移動させることで，滑らかな処理溝（浅い凹み）を形成した．なお，UITの工法は国土交通省が整理する新技術情報提供システム（New Technology Information System を略し，NETIS）に登録されており 8)，主な作業要領はそれに従うものとした．
２．３ 形状・残留応力の測定
UIT の 前 後 に お け る ビ ー ド 止 端 処 理 部 の 形状 を 把 握 す る た め に ， No.1， 2 及 び 7 の 3 部
位 を 歯 科 用 印 象 材 (Coltene/Whaledent 社 製
Coltoflax®)で 型 取 り ， さ ら に 型 取 り 試 料 の 断面 形 状 を 高 精 度 2 次 元 レ ー ザ 変 位 計 (キ ー エン ス 社 製 LJ-G030)で 計 測 し た ．

PSYS (MPa)TS (MPa)

EL (%)

0.010

0.003

397～413517～53929～350.004

390～411524～543

24～290.009

0.002

412564300.008

0.002

48058630(a) 連結管と角柱状ｾﾝﾀｰ (b) ﾌﾞﾗｹｯﾄ端角回し溶接部
ｺﾗﾑの十字溶接部(図 1 中の No.7)(図 1 中の No.1)
図 2 UIT 作業の様子(a) 連結管と角柱状ｾﾝﾀｰ (b) ﾌﾞﾗｹｯﾄ端角回し溶接部
ｺﾗﾑの十字溶接部(図 1 中の No.7)(図 1 中の No.2)
図 3 残留応力測定の様子
同じく No.1，2 及び 7 の 3 部位に対して，UIT の前後における残留応力の変化を測定した．測定法は X 線回折法とし，可搬式 X 線残留応力測定装置であるパルステック工業製 µ-X360 を用いた．測定の様子を図 3に示す．コリメーターは 1mm とし，止端処理線から垂直方向に離れた複数の測定点で，止端処理線と垂直方向に鋼板表面の残留応力分布を得た．

－310－

３．結果
図 4 に No.1，2 及び 7 の断面形状の測定結果を示す．
なお，本測定値は UIT 前のグラインダー処理部と UIT後の同部位を同一断面で測定したものであり，水平方向に x 座標，垂直方向に y 座標をとっているが，見やすいように一方を水平方向に 10～20mm 程度ずらして表示している．同図中で矢印部分がグラインダー処理部もしくは UIT 部であり，いずれの UIT 部もグライン
ダー研削で得た浅い研削溝から過度に深く凹むこと無く，曲率半径 3mm の滑らかな打撃ピン先端形状を転写するものとなった．

図 5 に No.1，2 及び 7 の残留応力測定結果を示す．
グラインダー処理ではビード止端部のみならずその周囲も浅く削られており，研削部は溶接による引張残留応力と研削加工による小さな圧縮残留応力が重畳する形となった．研削深さの大きいビード止端部付近で圧縮残留応力が大きくなる傾向があり，その程度は No.1及び 2 よりも No.7 で大きかった．UIT では圧縮残留応力の程度がさらに大きくなり，また圧縮残留応力が及ぶ範囲も広くなった．

図 4 溶接部断面形状の測定結果
図 5 残留応力の測定結果

－311－

４．考察
建造中の 7MW 洋上風車 V 字セミサブ浮体への UIT
作業は，NETIS 登録された通常の UIT 作業の範疇で行われ，その結果，図 4 及び 5 に示した通り，滑らかな打撃処理形状と大きな圧縮残留応力の導入を得た．すなわち，対象が風車浮体であっても，従来の UIT 工法を適用することが出来ると考えられる．
UIT による疲労強度の変化は，ピン打撃部の形状変化に伴う応力集中の変化と圧縮残留応力付与に伴う局謝辞
本研究は経済産業省委託業務「福島復興・浮体式洋上ウィンドファーム実証研究事業」で行われたことをここに記し，関係者の皆様に感意を表します．
参考文献
1) 日本海事協会：浮体式洋上風力発電設備に関するガイドライン<初版>，2012

2) 石原孟：福島沖浮体式洋上ウィンドファーム実証研究の現状と将来展望，日本風力エネルギー学会

部平均応力の変化を修正グッドマン線図に反映することにより，ある程度説明できることが野瀬 9) によって示されている．本試験で UIT を適用する部位には事前

誌，Vol.36，No.4，pp.553-556，20133) 萱森陽一，井上健裕，大川鉄平，西村誠二，石原孟：
浮体式洋上ウィンドファーム実証研究事業におけるにグラインダー処理が施されており，溶接ビード止端部

疲労特性向上研究，第 35 回風力エネルギー利用シンには浅く滑らかな研削溝が存在した．その溝に沿ってUIT を適用したところ，研削溝の深さを著しく増加させることなく，滑らかな打撃ピン先端形状を転写する打ポジウム，pp.490-493，2013
4) E. S. Statnikov: Comparison of post weld
deformation methods for increase in fatigue

撃溝となった．この溝の深さは鋼板の厚さに比べるとstrength of welded joints, IIW Doc., XII-1668-97,著しく小さく，また溝の曲率半径は打撃ピン先端と同様に約 3mm と大きいため，UIT による処理部の応力集中係数の増加は極めて小さいものと推察される．つま19975) P. J. Haagensen, E. S. Statnikov and L.
Lopez-Martinez: Introductory fatigue tests on

り，疲労強度に及ぼす処理部形状の影響は，グライン

welded joints in high strength steel and aluminium

ダー研削部と UIT 部で大きく変わらないものと考えら

improved by various methods including ultrasonic

れる．一方，グラインダー研削により導入される圧縮

impact treatment (UIT), IIW Doc., XIII 1748-98,

残留応力は，No.1･2 と No.7 を比較してわかる通り，部位によって異なるものであった．これはグラインダーによる研削条件の差異が影響したためと思われる．し1998
6) 太田真，小松正夫，池末俊一，石井秀和：7MW 洋上
風車のための V 字型セミサブ浮体の開発，第 35 回

かしながら，UIT で導入した圧縮残留応力は，No.1･2及び 7 のいずれにおいても，グラインダー研削部よりも大きく広範囲となった．この著しい圧縮残留応力は，風力エネルギー利用シンポジウム，pp.209-212，2013
7) 誉田登，有持和茂，稲見彰則，大西一志，勝元弘：溶接鋼構造物の疲労強度向上を可能にした耐疲労

疲労き裂発生部における局部変動応力の平均応力を下鋼の開発，日本鉄鋼協会会報（ふぇらむ），Vol.16，げ，疲労強度向上に大きく寄与するものと考えられる．
すなわち，UIT は洋上風車浮体の疲労強度向上に有効であることを示唆している．

No.6，pp.364- 368，20118) 国土交通省：超音波ピーニング処理(UIT)工法，新技 術 情 報 提 供 シ ス テ ム (NETIS) ， 登 録
No.KTK-070004-A，2007

５．おわりに本研究では，7MW 洋上風車 V 字セミサブ浮体へ洋9) 野瀬哲郎：疲労強度向上向け超音波ピーニング法，

上風車用ハイテン鋼と UIT を適用し，疲労特性に影響するビード止端処理部の形状と残留応力を実測した．風
車浮体の溶接部において，UIT は滑らかで浅い処理形状と大きく広い圧縮残留応力を与えており，疲労強度向上に有効であることが示唆された．

－312－

溶接学会誌，第 77 巻，第 3 号，pp.210-213，2008