2011, Vol.18, 125-136

小口径配管の振動応答および振動疲労に関する予測手法の検討
Investigation on a Predicting Method for Vibration Response
and Vibration Fatigue in Small-Bore Piping

辻 峰史（Takashi Tsuji）
前川 晃（Akira Maekawa）
高橋 常夫（Tsuneo Takahashi） 野田 満靖（Michiyasu Noda）

125

小口径配管の振動応答および振動疲労に関する予測手法の検討
Investigation on a Predicting Method for Vibration Response
and Vibration Fatigue in Small-Bore Piping＊1
峰史（Takashi Tsuji）

辻
高橋

＊1
常夫（Tsuneo Takahashi）

前川晃（Akira Maekawa）＊ 1

野田

満靖（Michiyasu Noda）＊ 2

要約 原子力発電所では，動的機器により生じる振動を原因とする小口径配管の疲労破壊が報告されている．疲労破壊防止のため，解析手法を用いて振動応答を予測する方法の確立が配管設計
およびプラント運営の上で重要である．本研究では，加振源として機械振動と圧力脈動の両方を考慮した配管振動応答解析方法について，汎用の解析ソフトを用いて検討した．まず，圧力脈動応答を解析により求めて実規模の配管系モックアップを用いた実験値と比較することで，解析モデルの妥当性を検証した．その結果，液柱共振の有無に関わらず，本研究で提案した解析モデル
を用いて圧力脈動を再現することができた．また，配管の減衰と U ボルトのモデル化を実験との比較により検討した．このモデル化により，配管振動応答を精度良く算出することができた．さらに，本研究の実験と解析の比較からは，配管振動における機械振動を加振源とする配管振動応
答成分は相対的に小さく，振動疲労予測に対する影響は小さいと考えられ，圧力脈動による配管振動を精度良く予測することが振動疲労予測では最重要であると考えられた．それは本研究で提案した方法により実施可能と考えられた．
キーワード	原子力発電所，疲労破壊，振動実験，加振源，機械振動，圧力脈動，数値解析，小口径配管，
液柱共振

Abstract		 In nuclear power plant, fatigue failure of small-bore piping due to vibrations
is frequently caused by dynamic machinery. To prevent the fatigue failure, it is importantfor piping design and plant operation to establish analysis methods for predicting vibration
response of piping. In this study, the analysis method for piping vibration response whose
vibration sources were mechanical vibration and pressure pulsation was investigated using
general analysis softwares. At first, pressure pulsation response was analyzed and the analysis
result was compared with the experimental result using real-scale mockup of the piping
system to validate the analysis model. As a result, regardless of the liquid column resonance,
the pressure pulsation could be reproduced using the proposed analytical model in this study.
The piping damping and modeling of U-bolt were investigated. Using the model, piping
vibration response could be calculated accurately. In addition, by comparison of the experimentand the analysis piping vibration response component excited due to the source of mechanicalvibrations was relatively small. The prediction of mechanical vibrations was evaluated to beless contributory for predicting vibration fatigue. It was concluded to be the most importantfor predicting fatigue failure to predict piping vibration excited by the pressure pulsation
accurately. The prediction was considered to be feasible by the method proposed in this study.
Keywords	nuclear power plant, fatigue failure, vibration test, vibration source, mechanical vibration,pressure pulsation, numerical simulation, small-bore piping, liquid column resonance

1．

はじめに

径配管においては，ポンプや圧縮機などの動的機器を加振源とする振動により疲労破壊するトラブルが原子力発電所に設置された口径が 3B 以下の小口＊1 （株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊2 元（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所

数多く報告（1）-（6）されている．従来から疲労破壊防現在 関西電力（株）

126

止のために，配管の振動応答予測や振動疲労予測，（7）（8）にあまりないように思われる．そこで本研究では，などが行われているが，未だに圧力脈動と機械振動を考慮した実機規模の配管系

決定的な手法は確立されておらず，課題とされていモックアップによる振動実験を行うとともに，配管る．動的機器が加振源となり小口径配管の応答に至振動応答解析方法について検討を行った．まず，実るまでの振動の伝播の過程を図 1 に示す．動的機器

機規模の配管系モックアップを用いた振動実験を行により生じる振動は，流体を媒体として伝播するもい，圧力脈動と機械振動が発生して配管が振動してのと構造（配管）を媒体として伝播するものに分けいる状態を再現した．この実験結果を用いて提案すられる．流体を媒体として伝播する振動は圧力脈動る解析モデルによる圧力脈動解析を行った．また，となり，配管を媒体として伝播する振動は機械振動

圧力脈動を加振源とする配管振動応答を解析より求となる．圧力脈動は，脈動周波数が配管系の液柱共め，その妥当性の検証を実験結果により行った．最振周波数と一致することにより脈動振幅が増幅され後に配管振動における機械振動を加振源とする配管

疲労余寿命予測（9）る ．また機械振動は，振動周波数が配管や弁など

振動応答成分の影響を考察した．

の構造物の固有振動数と一致すると，共振されて振動振幅が増大される．これらの増幅された圧力脈動
や機械振動が小口径配管に伝わると，小口径配管は大きく振動して疲労破壊が生じる．この振動トラブ
ルの未然防止策の一つとして，配管に生じる振動応
力を解析により求める方法の確立がプラント運転および配管設計の上で重要である．解析手法により配管の振動状態を精度よく推定することができれば振動測定が困難な狭隘箇所での振動応力評価が可能となる．さらに，ポンプや圧縮機などの運転状態の変更や流量調整弁の開度変更などがある場合やサポートの追設や弁の型式変更など設計変更がある場合には配管の振動状態が変化すると思われる．このよう

図1な場合にも解析手法を用いることにより，事前に振動的機器を加振源とする配管振動の伝播経路

動状態を把握し疲労評価を行うことが可能となる．
これまでに，解析手法を用いて圧力脈動による配
（10）
（
- 17）

管振動応答を予測する手法が研究されている．

2.

配管振動を引き起こす圧力脈動

配管ベンド部の流体の運動量変化から配管振ポンプや圧縮機では，インペラやプランジャが流動応答を求める方法が提案され，片持ちはり状の配体を圧縮し，ケーシング出口部から押し出すことに管を用いた実験結果と良い一致が示されている（10）．

より配管系へ送水（送気）を行う．インペラやプラ

（11）

（12）

を考

ンジャが流体を吐き出す瞬間には圧力の高い音響波

慮した配管 - 流体連成状態での脈動解析・配管振動が生じるが，それ以外の瞬間には圧力は低下する．

応答のモデル化方法も提案されている．さらに，実したがって，配管系には圧力の粗密波が伝播するこ

ま た， 配 管 自 体 の 横 振 動

や断面変形

（13）

．こ

とになる．これを圧力脈動という．圧力脈動はインのように，圧力脈動から配管振動応答を求める方法

ペラまたはプランジャが流体を吐き出すタイミングについてはある程度確立されている．しかし，実際にあわせて発生することから，ポンプの回転数を n，の配管振動は圧力脈動を加振源とするものと機械振インペラやプランジャの個数を Z とすると，圧力動を加振源とするものの両方の影響を受けるので，脈動の周波数は nZ で表される．

機規模の配管振動応答解析も行われている

両者を考慮した配管振動応答を評価することが重要（18）

通常，圧力脈動のみでは加振力が小さいため配管は報振動の原因となることは少ない．しかし，圧力脈動

告されているが，実機規模の配管長を持つ実験装置の周波数が液柱共振（気柱共鳴）の周波数と一致すを用いて圧力脈動と機械振動の両者を考慮して配管ると，圧力脈動振幅が増幅されて，疲労破壊を引き振動を系統的に調査した研究は実験および解析とも起こすのに十分大きな配管振動を引き起こす．

である．実機プラントの配管振動計測方法

127

液柱共振（気柱共鳴）周波数は，音速と配管長をる．これらの結果から，Nastran を用いて配管振動

（19）

．

応答を算出する．一方，流体を伝播する振動による式（1）は，液柱共振（気柱共鳴）の境界条件が閉－配管振動応答は赤色の矢印に従って行う．圧力脈動

閉または開－開で成立する式であり，式（2）は液柱による加振力を求めるため，まず汎用流体解析ソ

共振（気柱共鳴）の境界条件が閉－開または開－閉

フト Flowmaster を用いて配管内の圧力脈動を求めのときに成立する式である．境界条件が閉とは，配る．求めた脈動流れから配管に加わる荷重データを管系の端部が閉塞されている場合やポンプが設置さ算出し，その荷重データを入力条件として Nastranれている場合などである．境界条件が開とは，タンにより配管振動応答を算出する．このようにして求クが設置されている場合などである．

めた機械振動による配管振動応答と圧力脈動による用いて求められる式（1）または式（2）で表される

配管振動応答を加算して，配管に生じる全体の振動
   



（1）

応答を求める．



（2）

4.

実機規模の試験装置を用いた圧力脈動
実験と解析

4.1

実験装置および実験条件

ここで，f0 : 液柱共振振動数，c : 音速，L : 配管長，
n : 次数である．

3.

配管振動応答の解析方法

配管内圧力脈動の解析手法を検証するため，実機規模のモックアップを製作し，圧力脈動実験を行っ

本研究で検討した配管振動応答解析の具体的な流た．実験には，液柱共振を生じさせない条件のもの

れを図 2 に示す．構造を伝播する振動による配管振と，液柱共振を生じさせる条件のものの 2 種類行っ

動応答は青色の矢印に従って行う．機械振動によるた．それぞれ実験 1，実験 2 と呼ぶこととする．

加振力は，汎用構造解析ソフト Nastran を用いて

図 3 に液柱共振を生じさせない条件で行った実験

行う．対象とする配管系のモデル化を行い，時刻歴

1 にて用いた試験ループの概要図を，図 4 に概観写

応答解析を行う上で必要な固有値解析を行う．入力

真を示す．実験では，往復動ポンプ，タンク，配管

条件にはポンプ出口ノズルの振動計測結果を用いで構成される配管振動試験ループを使用した．流体には水を使用した．配管全長は約 10m，配管外径27.2mm，厚さ 2.9mm の SUS304 製であり，配管の曲部にはロングエルボを用いた．配管は，U バンド
による固定支持部と U ボルトによるピン支持部により固定した．U バンドおよび U ボルトによる配管固定状態を図 5 に示す．タンク入口部に圧力調整弁を設置し，弁の開度を変化させることにより配管
内圧力を調整した．ポンプは表 1 に示す仕様の往復動ポンプを使用した．図 3 の A1，A2 の 2 箇所に加速度計を設置し，ポンプ運転状態での配管応答加速度を測定した．P1，P2 の 2 箇所に圧力計を設置し，ポンプ運転状態での圧力変動を測定した．またタン
ク入口に圧力調整弁を設置した．実験条件は，表 2に示すとおり，ポンプ回転数を 450rpm とした一定運転とし，配管内圧力を 2MPa または 3MPa とした．
次に，液柱共振状態で行った実験 2 の配管試験
ループの概要図と概観写真を図 6 および図 7 にそれぞれ示す．実験装置全体の大きさは，概ね 4.0m ×

図2

配管振動応答の解析方法

4.5m × 1.2m である．ポンプには，往復動ポンプを128使用した．流体には水を使用した．ポンプの仕様

表1

ポンプ仕様

は表 1 と同じ仕様である．配管全長は約 40m であり，配管外径 27.2mm，厚さ 2.9mm の SUS304 製である．配管内圧力は 10 箇所で測定した（図 6 の P1
～ P10）．配管内の圧力を調整するため，タンク入口に圧力調整弁を設置した．圧力調整弁には逃がし
弁構造のものを使用した．

表2

実験条件（実験 1）

試験は表 3 に示す条件にて行った．ポンプ回転数
は，ポンプの脈動振動数と液柱共振振動数とが近接する回転数とした．配管内圧は，圧力調整弁の開度を調整することにより，ポンプ回転数毎に異なる圧
図3

実験装置概要図（実験 1）

力を設定した．
圧力脈動により生じる液柱共振の振動数は，ポン
プ出口およびタンク入口側の圧力調整弁の境界条件
により変化する．ポンプ出口は常に境界条件を閉とみなせるが，圧力調整弁は開度により境界条件は開または閉に変化する．境界条件が開の場合は，圧力調整弁の後方のタンクが圧力の節となる．本実験装置における液柱共振振動数は，境界条件が閉－閉の場合，式（1）により，16.9Hz，33.8Hz，50.7Hz であり，境界条件が閉－開の場合，式（2）により 8.4Hz，
25.3Hz，42.2Hz である．なお，本実験での音速は図6 に示す圧力計（P1 ～ P10）を用いて測定した圧力波形から 1200m/s と求めた．

図4

実験装置写真（実験 1）

4.2

数値解析条件

圧力脈動の解析は式（3）に示す管路における圧力と流量の理論式（20）を，特性曲線法を用いて計算した．特性曲線法は，解析する管路を分割し，分割した格子点における初期時刻の流速，圧力水頭を用いて，時刻⊿ t 秒後の各格子点における流速，圧力水頭を計算する手法である．計算には，一次元流体の運動量保存式と質量保存式を整理して得られる理論
図5

サポートによる固定状況（実験 1）（左図：U バンド 右図：U ボルト）式を用いる．⊿ t 秒後の流量，圧力水頭を求める計
算を繰り返し行うことにより，流量あるいは圧力

129

図6

図8

実験装置概要（実験 2）

圧力脈動解析モデル（実験 1）

損失から逆算して求めたものを使用した．
ポンプの吐出流量波形は，式（4）に示すように設定した．F1 は定常流を示しており，圧力脈動成分
を次数成分毎の大きさにあわせて足し合わせることにより波形を表した．a1 から a4 で示される圧力脈動成分の大きさの割合は，それぞれポンプ出口に近い P1 での圧力脈動測定値を周波数分析して算出した．平均流量が各実験値と一致するよう定常流 F1や脈動成分の割合 a9 を求めた．数値解析の入力条件として，実験 1 では表 2，実験 2 では表 3 に示す
ポンプ回転数と配管内圧を用いて計算を行った．実
図7

表3

実験装置写真（実験 2）

実験条件（実験 2）

験 1 では気泡の混入が予想されるため，ボイド率にて音速の値が補正される式（5）を用いて音速を求めた．実験 1 では 5% 程度のボイド率を仮定し，音速を 1100m/s とした．弁の開度は実験結果の弁での圧力損失から逆算して求めた．実験 2 では，実際に測定した結果から音速は 1200m/s であった．
 （3）
  

: 未定定数

水頭変化を求めることができる．計算には 1 次元

: 水頭（m）

ネットワーク熱流動解析ソフト Flowmaster（開発: 流量（m3/h）

元 : Flowmaster Ltd．
）を利用して数値解析を行っ: 配管内径（m）

た．図 8 に，実験 1 での解析モデルを示し，図 9 に，

: 流路断面積（m2）

実験 2 での解析モデルを示す．モデルには，配管形: 水平からの配管傾き（rad）

状やエルボ形状を実際の試験体の仕様にあわせて，: 圧損係数圧力損失を設定した．弁の圧力損失は，実験結果で: 重力加速度（m/s2）の圧力調整弁前後の圧力測定結果の差から平均値を: 時間（s）

求めて使用した．また，弁開度は実験結果での圧力

130

4.3

実験結果および解析結果の比較

実験 1 の条件にて行った圧力測定結果と数値解析結果を比較したものを図 10 ～図 13 に示す．図 10と図 11 は，配管内圧が 2MPa のときの結果であり，
図 10 は圧力計 P1 位置での，図 11 は圧力計 P2 位
置での結果である．また，図 12 と図 13 は，配管内圧が 3MPa のときの結果であり，図 12 は圧力計 P1
位置での，図 13 は圧力計 P2 位置での結果である．
いずれの結果も，実験結果と数値解析結果でほぼ同
図9

じ形状の圧力脈動波形であり，圧力の大きさが一致

圧力脈動解析モデル（実験 2）

していることが確認できる．これらの結果から，本研究で用いたモデル化方法は妥当であり，実験結
果を十分に再現できることが分かる．配管内圧が2MPa のときの波形の形状がわずかに異なっている（4）のは，音速の算出が実験と異なったためか，あるいはポンプ波形の脈動成分における 3 次以上の割合が大きかったためと考えられる．
以上の結果を，ポンプ出口からの距離に対して平均圧力と変動圧力についてプロットしたものを図: ポンプ吐出流量（m3/h）

14 と図 15 に示す．図 14 に示すとおり，平均圧力: 定常流（m3/h）は実験結果と数値解析でよく一致していることが分: 脈動成分における 1 次の割合

かる．数値解析での配管内流量の平均値は 8.90m3/: 脈動成分における 2 次の割合

h であり，実験結果の 8.84m3/h とほぼ一致した．

: 脈動成分における 3 次の割合

圧力脈動振幅は，図 15 に示すとおり数値解析結果: 脈動成分における 4 次の割合

がやや小さい値であるものの，概ね一致しているも: 1 次の脈動成分の位相（rad）のと考えられる．

: 2 次の脈動成分の位相（rad）

なお，式（1）および式（2）から，本実験装置での: 1 次の脈動成分の位相（rad）

液柱共振周波数は閉－閉の境界条件の場合 1 次が: 2 次の脈動成分の位相（rad）

55Hz で 2 次 が 110Hz で あ り， 閉 － 開 の 場 合 1 次: 全流量に占める脈動成分の割合

が 27.5Hz で 2 次が 82.5Hz である．ポンプ回転数が: 位相（rad）

450rpm であることから脈動周波数は 22.5Hz である．したがって，本実験条件では液柱共振状態では
: 音速（m/s）: ボイド率: 液体密度（kg/m3）: 気体密度（kg/m3）: 平均圧力（MPa）: 液体の体積弾性率（GPa）: 管のヤング率（GPa）: 管の肉厚（mm）: 管の平均直径（mm）

（5）

ない．
実験 2 での実験結果と数値解析結果を比較したものを図 16 ～図 21 に示す．図 16 ～図 18 はポンプ出口からの距離に対する平均圧力を比較した結果であり，図 16 は 150rpm の，図 17 は 342rpm の，図 18は 450rpm の結果である．いずれも実験結果と数値解析結果がよく一致していることが分かる．図 19～図 21 はポンプ出口からの距離に対する変動圧力を比較した結果であり，図 19 は 150rpm の，図 20は 342rpm の，図 21 は 450rpm の結果である．数値解析での圧力分布は実験結果と概ね一致している
ことが分かる．342rpm と 450rpm における 1MPa

131と 2MPa の実験と解析の結果に違いが生じている（2）より 1 次が 7.5Hz，2 次が 22.5Hz，3 次が 37.5Hz

ところがあるが，これは解析での音速の算出値に誤である．ポンプ回転数が 450rpm での脈動周波数は差があったためと考える．実験結果 450rpm の圧力

22.5Hz であり，液柱共振の 2 次とほぼ同じである

振幅結果である図 21 の 1MPa または 2MPa をみる

ことから，液柱共振状態であると考えられる．

と，ポンプ出口側では圧力振幅値は大きく，タンク以上の結果から，液柱共振状態の有無に関わらず，側で圧力振幅は小さい．したがって，液柱共振の境本研究で用いた解析モデルによる数値解析は圧力脈界条件が閉－開の条件であると考えられる．

動振幅を概ね再現できていることが分かる．

なお，境界条件が閉－開の液柱共振周波数は，式

図 10 圧力測定結果と数値解析の比較（実験 1，配管内圧 :2MPa，位置 :P1）

図 11 圧力測定結果と数値解析の比較（実験 1，配管内圧 :2MPa，位置 P2）

図 12 圧力測定結果と数値解析の比較（実験 1，配管内圧 :3MPa，位置 P1）

図 13 圧力測定結果と数値解析の比較（実験 1，配管内圧 :3MPa，位置 P2）

図 14

平均圧力の実験と数値解析の比較（実験 1）

図 15変動圧力の実験と数値解析の比較（実験 1）

132

図 16 平均圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :150rpm）

図 19 変動圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :150rpm）

図 17 平均圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :342rpm）

図 20 変動圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :342rpm）

図 18 平均圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :450rpm）

図 21 変動圧力の実験と数値解析の比較（実験 2，ポンプ回転数 :450rpm）

5.

配管振動応答解析

5.1

配管応答荷重の算出（8.90m3/h）を用いて計算を行った．図 22 に配管モデルを示す．点 1 と点 2 はそれぞれ配管の接合部を示す．この配管モデルの点 1 と点 2 の間の配管部に負荷される荷重を求める式を，式（6）に示す．式（6）圧力脈動解析結果から配管振動応答を算出するたの第 1 項は区間 1-2 の内圧差による力，第 2 項は区め，圧力脈動により配管に負荷される荷重の算出

間 1-2 の配管内圧力損失による力，第 3 項は各曲がを行った．算出は，実験 1 について行った．実験 1

り部における流体の運動量の方向変化による力，第の数値解析により得られた配管内圧力脈動や流速

4 項は自重による力を表す．これらの力を足し合わ133せることにより点 1 と点 2 の間の配管部全体に加わる荷重を求めることができる．
4.1 節での数値解析の圧力脈動結果と流量のうち，2MPa の結果を基に算出した配管に加わる荷重履歴の例を図 23 と図 24 に示す．図 23 は加速度計 A1に相当する位置での荷重履歴，図 24 は加速動計
A2 に相当する位置での荷重履歴の結果である．内圧変化による力と圧力損失による力は両者でほとん
ど違いがみられないが，運動量の方向変化による力は加速度 A2 に相当する位置の方が大きいことが分かる．運動量変化はエルボの曲がり角度や配管内流量の大きさによることから，エルボ部の形状の違い

図 23	荷重算出結果（実験 1，位置 :A1，配管内圧 :2MPa,
ポンプ回転数 :450rpm）

により生じたと考えられる．

図 22

荷重算出のための配管モデル
図 24	荷重算出結果（実験 1，位置 :A2，配管内圧 :2MPa,
ポンプ回転数 :450rpm）

（6）管への荷重時刻歴波形を用いて，配管振動の時刻歴応答解析を汎用構造解析ソフト Nastran にて行った．図 25 に示す実験装置のモデル化を行った．実験装置は配管外径 27.2mm，厚さ 2.9mm の SUS304
材であり，図 3 に示す各配管長に対応する配管質量を設定した．また，圧力調整弁の質量を 10kg，フ: 荷重（N）
2: 流路断面積（m ）ランジの質量を 4kg とした．図 25 に示す箇所に U: 流体圧力（MPa）

バンドおよび U ボルトのモデル化を行った．U バ

3

ンドは固定支持とした．U ボルトはピン支持とバネ: 流速（m /s）

支持の 2 種類のモデルを作成した．U ボルトのモデ: 粘度
3: 流体密度（kg/m ）: 曲がり角度（rad）

ル化としてバネ支持を考慮した理由は，U ボルトを設置したサポートが完全に剛であればピン支持であ: 配管自重（kg）

るが，サポートの剛性が十分でない場合にはバネ支: 配管のスロープ角度（rad）

持とみなせるためである．本実験装置での設計用配管減衰は JEAG4601（21）によると 0.5% となるが，適5.2

時刻歴振動応答解析方法

用条件である施工管理条件を満足していない可能性があることから，1% または 0.1% の 2 ケースを計

配管の時刻歴応答を求めるため，数値解析により算した．以上より，今回行った解析ケースは表 4 の求めた実験 1 の条件である 450rpm ，2MPa での配（a）～（d）の 4 種類である．内圧の差による力およ134

び圧力損失による力は各配管の中心部分の節点に配は，実験結果よりも低い値の傾向を示しており，あ管軸方向への荷重として入力した．運動量の方向変まり一致していない．以上の結果から，今回の実験化による荷重は，エルボ部近傍の節点に入力した．

装置では，U ボルトのモデル化としてバネ支持が適切であることが分かる．また，解析値（d）は配管減衰を 0.1% とモデル化したものであるが，同じく U
ボルトをバネ支持とモデル化し配管減衰を 1.0% とした解析（c）と比較すると，解析（d）の方がより実験結果と一致していることが分かる．したがって，
今回の実験装置では，配管振動の減衰を 0.1% とすることが適切であると分かった．今回の結果は，
JEAG4601 の配管用設計減衰定数 より小さくなった．これは JEAG4601 で定めた適用条件から，施工管理が逸脱した試験装置であったためだと考えられる．JEAG4601 の適用条件からはずれた配管系では，0.1% の配管減衰定数にするのが安全側の解析

図 25

振動応答解析モデル（実験 1）

条件になると考えられる．
今回のモデル化により，圧力脈動を加振源とする

表4

構造解析ケース（実験 1）

配管振動の周波数と加速度を良く再現することができた．機械振動成分を考慮した解析を行っていない
ため，実験値と解析値の他の周波数成分における差はポンプ機械振動による影響と考えられる．3 章で述べたとおり機械振動を反映すれば実験値と解析値はより一致すると考えられる．今回の実験結果から，
圧力脈動による周波数の加速度は他の周波数成分の加速度よりも卓越しており，振動疲労への影響が大きいことが分かる．一方，機械振動を加振源とする
配管振動はランダムに応答しており，応答成分は圧5.3

時刻歴振動応答解析結果

力脈動による振動成分よりも 2 桁以上も小さい．振動疲労に対する影響は相対的に小さいと考えられ

450rpm，2MPa の条件で行った実験と数値解析

た．今回の試験ループにおいては，圧力脈動の挙動の結果から得られた各部の加速度の実効値（RMS

を高精度に解析し，圧力脈動を加振源とした配管振値）を図 26 ～図 29 に示す．それぞれ実験による測動を精度よく評価できれば，配管の振動疲労の予測

定値と解析モデル（a）～（d）の結果を比較している．

が十分にできるものと考えられる．

図 26 は，加速度計 A1 の位置での X 方向の結果であり，図 27 は加速度計 A1 位置での Y 方向での結果であり，図 28 は加速度計 A2 の位置での Z 方向の結果であり，図 29 は加速度計 A2 の位置での Y
方向の結果である．
ポンプの回転数から，圧力脈動周波数の 1 次は22.5Hz であり，2 次は 45Hz である．まず，強制加振であるポンプ脈動の 22.5Hz と 45Hz の周波数に着目すると，U ボルトをバネ支持とモデル化した解析値（d）の加速度の大きさは実験結果と概ね一致していることが分かる．一方，U ボルトをピン支持とモデル化した解析値（a），解析値（b）の大きさ図 26	配管応答加速度の実験結果と数値解析結果の比較（実験 1，位置 A1，X 方向）

135

析結果を用いて配管荷重を算出し，有限要素法を用いた数値解析による配管振動応答の算出を行った．
その結果，以下のことが分かった．
・	液柱共振の有無に関わらず，本研究で用いた解析モデルを用いて圧力脈動を再現することができた．
・	配 管の減衰と U ボルトのモデル化について最適化を行い，配管振動応答を精度良く算出することができた．
図 27	配管応答加速度の実験結果と数値解析結果の比較（実験 1，位置 A1，Y 方向）・	配管振動疲労の予測には，今回の実験及び解析結
果からは機械振動を加振源とする配管振動応答の影響は小さく，圧力脈動を加振源とする配管振動
応答の影響が大きいことが示された．よって，圧力脈動による配管振動を精度よく予測することが振動の疲労予測で重要であると考えられた．

文献（１）
	Spencer H. Bush, Mark J. Do, Antoinette L.
Slavich, Alan D. Chokie,“Piping Failure in
図 28	配管応答加速度の実験結果と数値解析結果の比較（実験 1，位置 A2，Z 方向）

United States Nuclear Power Plants: 19611995, ”SKI Report 96 : 20, January 1996.
（２）	G osselin,

S.

R.

and

Fleming,

K.

N.,“Evaluation of Pipe Failure Potential via
Degradation Mechanism Assessment,”Proc.
ICON 5, 2641, pp. 1-9,（1997）.
（３）	Mitman, J.,“Revised Risk-Informed Inservice
Inspection Evaluation Procedure, ”EPRI
TR-112657 Rev. B-A Final Report（1999）.
（４）	Lydell, B.O.Y.,“A Database System Supporting
the Evaluation of Piping Reliability on theBasis of Operational Experience, ”SKI Report,
図 29	配管応答加速度の実験結果と数値解析結果の比較（実験 1，位置 A2，Y 方向）

RSA-R-2001-01. 12（2002）.
（５）	関西電力株式会社 ,“美浜発電所 2 号機の化学体
積制御系統の空気抜き配管溶接部からの漏えい

6.

結論に係る原因と対策について , ”2010 年関西電力プ
レスリリース, 関西電力ホームページ, （http://

本研究では，プラント運転中に配管に生じる振動
疲労を未然防止する目的で，機械振動と圧力脈動に

www. kepco. co. jp/pressre/2010/0402-2j.
html）．

よる配管振動応答を実験及び解析により評価した．

（６）	関西電力株式会社 , “高浜発電所 2 号機発電機

まず圧力脈動による配管振動応答について液柱共振

水素ガス冷却器冷却水系統のドレン配管付根状態のある場合とない場合での圧力脈動実験を行からの漏れについて , ”2010 年関西電力プレい，提案した解析モデルと特性曲線法を用いた数値

スリリース , 関西電力ホームページ ,（ http://解析による圧力脈動の再現性を検証した．さらに，www. kepco. co. jp/pressre/2010/0520-2j.

液柱共振状態でない実験条件での圧力脈動の数値解html）.

136（７）	Ahn, S. , 日高章隆 , 安藤柱 , “曲げ荷重を受号，pp. 3450-3455，（1995）．

ける配管での疲労き裂進展・貫通挙動 : 第 1 報 ,	Tanaka, T. , Suzuki, S, Nekomoto, Y, et al. ,（18）

配管の外側にき裂が存在する場合 ,”日本機械“The development of a diagnostic and monitoring

学 会 論 文 集（A 編 ）, 63 巻 , 606 号 , pp. 253-

system for vibrating pipe branches, ”Nuclear

260, （1997）

Engineering and Design, 147, pp. 455-461,

	岩田正純，野口新二，芝山宗昭，他，
（８）
“小口径

（1994）.

配管ソケット溶接継手の疲労特性（破壊力学（19）	金子成彦，中村友道，稲田文夫，他，“事例に的検討と寿命評価マップの作製），”日本機械学学ぶ流体関連振動，”日本機械学会，技報堂出会論文集（A 編），64 巻，618 号，pp. 264–270,

版，pp. 190-191，（2003）．

（1998）．

（20）
	小池秀耀，三橋利玄，浜野明千宏，“管路内の（９）	佐野勝志，“ターボ形ポンプ配管系の圧力脈動

流れのシミュレーションプログラム , ”富士に関する研究 : 第 3 報 , ポンプを含む複合管総合研究所，丸善株式会社，pp. 39-43，（1995）.

路の液柱共振，”日本機械学会論文集（B 編）,	日 本電気協会 原子力規格委員会，
（21）
“原子力発

51 巻 , 461 号 , pp. 115–124，（1985）．

電所耐震設計技術規定（10）	鷲 尾誠一，小西忠孝，薗田徹夫 ,，“油圧管路

日本電気協会，（2008）

における波動現象の研究”，日本機械学会論文
集，44 巻，386 号，pp. 3487–3495，（1978）．
	Hayama, S. , Matsumoto, M. , “A Study on（11）
the Vibrations of Pipelines caused by Internal
Flow Oscillations（1st Report, The Exciting
Force Due to Internal Flow Oscillations）, ”
JSME International Journal, 30, 260, pp. 491499, （1987）.
（12）	田中守，藤田勝久，“管内流体脈動による配管振動に関する研究 : 第 2 報，流体脈動と配管のシェル振動との連成応答解析 , ”日本機械学会 論 文 集（C 編 ），53 巻，491 号，pp. 13631367，（1986）．
（13）	田中守，藤田勝久，“管内流体脈動による配管振動に関する研究 : 第 1 報，流体強制力による配管の横振動，”日本機械学会論文集（C 編）,
53 巻，487 号，pp. 591-597，（1986）．
（14）	浦田喜彦，佐野敏成，“流体を含む三次元配管系の振動解析，”日本機械学会論文集（C 編）,
59 巻，568 号，pp. 3650-3657，（1993）．
	小林正博，葉山眞治，（15）“管内脈動流によって励起される配管系の振動に関する研究，”日本機械学会論文集（C 編），57 巻，537 号，pp. 14521460，（1991）．
	若林昭宏，新井茂，山田栄，（16）“往復圧縮機配管
系の振動解析技術の開発，”日本機械学会論文集（B 編），
63 巻，
605 号，
pp. 231-236，（1997）．
（17）	塩山勉，朝倉大輔，小林健，他，“弁絞りによる配管管壁と管内高次音響モードとの連成振動，”日本機械学会論文集（C 編），61 巻 , 589

JEAC 4601-2008”，