技術解説

機械構造部材の故障原因究明
中代雅士 *1

Nakashiro Masashiて、人間の社会生活や人名に受ける被害。

1. はじめに・ 人災：人間の不注意などが原因となって起こ

機械装置はしばしば故障・不具合が発生し、場る災害。

合によっては機器の故障が重大災害に発展するこ・ 天災：暴風・地震・落雷・洪水など、自然界とがある。機械の故障原因は種々の要因が考えらの変化によって起こる災害。

れるが、その状態を表現するのには故障発生要因

これら言葉の説明から、機械設備の問題に限定に基づいて、機械の故障 ･ 不具合、または事故・して発生する事象をあえて分類すれば次のように損傷等と種々の言葉が使用されている。一般によなる。

く使われる言葉は、災害、事故、損傷、故障、不① 故障は問題が発生して機械の機能が損なわれ具合など発生した事象の大きさによっても区別さること。

れるようである。これらの言葉について辞書の説② 不具合は、設計・製造過程に起因する問題で、明を以下に紹介する。

製造者側の問題である。欠陥もこの不具合の・ 故障：物事の正常な働きが損なわれること、一部である。

さしさわり、さしつかえ。事故、破損。

③ 事故は、人為的な問題であり、操作ミス、交・ 不具合：製品などの具合が良くないこと、ま通事故など使用者側が原因の場合である。

たその箇所。製造者の側から、「欠陥」の語④ 災害は、①～③の要因で発生した問題で被害を避けて言う。

が発生する。その中に、人的なものと自然現・ 欠陥：欠けて足りないもの、不足、不備、欠象によるものがあり、人災、天災と分類される。

点となるもの。用例：「欠陥車」

機械設備に生ずる事象はこのように分類できる

・ 損傷：損ない、きずを付けること。損なわれ、が、実際の故障問題の取り扱いに於いてはあまり厳きず付けられること。用例：「機体に損傷を密に区別されておらず、曖昧な関係で使用されてい受ける」

る。機械装置が壊れることのみに限定すれば、故障、・ 事故：思いがけず起こった悪い出来事、支障。

不具合（欠陥含む）、事故、損傷である。製造者に「交通事故」等のように、機械の操作ミスにとって重要なことは、不具合対応であるが、装置のよって発生する場合、偶発事故もこの中に含ライフアセスメントの見地からは、経年劣化、操作まれる。

ミス、自然災害などを含めた広い範囲での事象を問・ 災害：異常な自然現象や、人為的原因によっ*1：研究開発センター長

工学博士

技術士（金属部門・総合技術監理部門）—

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題にするのには、故障の言語が適切と考える。

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機械に故障が発生した場合には、故障原因を明して要求される。これらの発生した故障の対策をらかにして、早急なる復旧と再発防止対策を取る

立てるには、故障発生の原因を的確に把握する必ことは最重要課題である。この対応を間違えば故要があり、この原因究明を間違えば、当然対策も障が再発し、製品の信頼性の失墜、安心・安全上間違ったものになり、故障は再発する。従って、の問題が大きくなり、経営的にも大きな問題とな対策を立てるには、発生した故障の原因を正確にり、会社の業績が悪化する事例が何件も発生して究明することが最重要である。

いる。これら故障の原因究明には、決まりきった2.1 操作ミスによる故障手法が確立されているわけでなく、その事象ごと自動車、船、航空機など人の操縦による輸送機の対応が重要である。さらに故障を解析する上で械の一般的な故障（事故）は、ヒューマンエラーは、調査担当者の経験と知識がものをいう。と呼ばれる運転者の運転操縦の誤操作が主要因と本解説ではこの機械装置に故障が発生した時のなって生じている。操作ミスによる故障事例は圧原因究明について解説する。機械構造部材に故障倒的に多く、製造側からは、使用者側の責任としが発生した場合の、原因究明プロセス、注意点、て扱い、新たな対策を取ることはしない。これら対策など、具体的事例を紹介しながら故障調査方の故障調査は、警察が担当し、特に、死亡事故、法について解説する。

破損事故などの人的被害が発生したときには、故障調査の主眼は過失による刑事責任の有無が主体

2. 故障原因の分類である。警察による故障調査は事故発生の原因究

機械装置に故障が発生する要因を分類した結果明に主眼があるのではないので、技術的な真の故を表 1 に示す。この中で、自動車事故などの汎用障原因は明らかにならないと理解しておくべきで品での一般的な故障（事故）は圧倒的に①の操作ある。

ミスである。操作ミスを少なくするためには、安一見ヒューマンエラーによる故障と考えられる易に操作ミスが起きないようにすることも対策と中にも、機械装置自体の欠陥による不具合が原因

表1

故障発生要因の分類—

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で発生した故障も含まれている場合があり、操作の操縦ミス、管制官の指示ミスなどの人的要因がミスであるのか、機械部品そのものの欠陥、ま主体であるにもかかわらず、事故が発生すれば各たは製造ミスであるのかを正確に判定すべきであ

機関の事故調査委員会による調査が実施され、徹る。過去に、この判断を間違えた例として、某自底した原因究明が行われる。機体そのものの不具動車会社の自動車ハブの問題がある。ハブ固定ボ合が疑われることになれば、同型機種は原因が明ルトの一連の破損事故では、同社は使用者側に整らかになるまで即運行停止になる。

備不良があると主張し、トラック積載荷重オーバ

2.2 不具合による機械故障を原因として製造者責任としての対策（リコール）

機械に不具合があれば、当然故障する。表 2 にをしなかった。さらに自社による調査結果で、設不具合要因の分類を示し、図 1 に機械装置の時間計的に強度不足であったことが明らかになってか経過と故障頻度の関係（バスタブ曲線）を示す。

らも、事実をさらに隠蔽してリコール対策を全く

図 1 で初期故障は設計・製造ミスなどによる製取らなかったために、対策が放置され、類似故障造者側の不具合が原因の故障である。自動車、電が頻発した。最終的に大型トラックの車輪脱落事

気製品のような量産品の場合には、市場に出す前故により人身事故が発生する最悪の状態となり、に耐久試験を徹底的に実施し、耐久試験で発生し被害者側からメーカの製造責任を問う訴訟が起こた故障は原因を明らかにして対策を立てる。一般された。裁判所による厳密な事故調査の結果、こに量産品は製造過程では欠陥部品が入り込まないれらの事実が明らかにされ、メーカ側の全面敗訴ような製造プロセスを確立する。製造時に欠陥がとなった。さらに、リコール（回収・無償修理）入り込まないように完全に管理できない場合にのを避けようと国に虚偽報告したとして、道路運送

み、個別検査によって部品の品質を担保する。従っ車両法違反に問われた経営幹部らは有罪判決を受て、量産品では図 1 の初期故障の事象はほとんどけた。

無い。一方、大型設備などの一品製品では実機でこのように、故障原因を操作ミスとするのは、の耐久試験は不可能であり、設計段階で詳細な検最も安易な考えであり、なぜ操作ミスが発生した

討、製造過程では欠陥が見過ごされないような検か、対策を取る必要がないのか、厳密に検討すべ査による管理が主体になる。それでも予測できなきである。さらに踏み込んで、人間行動学的に誤い故障や、運用中の故障発生に対しては、的確な操作する問題に対する対策・検討をすべきである。

る故障原因究明を行い、対策を立てて改善してい例えば、本件の例で過載荷重が問題とするのならく方法がとられる。このような装置には、図 1 でば、荷重検出器を付けて、限度以上の荷物を積めの初期故障対策は重要事項となる。

ばエンジンがかからないようにするか、ハブがさらに、装置の不具合による故障は、表 2 に示破損する前に軸受けのベアリングが破損するなどすようにメンテナンス時の不適切な対応によっての、フェールセーフ的な設計思想を導入すべきでも発生する。これは、2.1 項のヒューマンエラーあった。このように、自動車事故の場合は発生件の要因も含まれるが、操作ミスとは区分けして装数が多く、原因も操作ミスが圧倒的に多く、本格置の不具合として判断する。図 1 のバスタブ曲線

的な故障原因究明の調査は実施されない場合がほで定常状態（偶発故障期）の故障にも含まれる。

とんどである。

注意しなければならないのは、装置自体の不具合

一方、航空機事故の場合も、大半はパイロット—

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11であるのか、メンテナンス、補修時の不具合によ11—

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表2

不具合要因の分類

想定寿命よりも短時間で故障した場合には、何らかの不具合が存在すると考え、対策を検討しなければならない。
製造者責任としては、故障が発生すればその故障原因を明らかにすること、対策を立てる、改良することが要求される。故障原因がわからないまま機械を運用すれば故障は頻発する。特に量産品であれば、早急なる対策が必要であり、即製造ラインを止める、市場に出回っている製品を回収、
図1修理する必要がある（リコール）。量産品でも生設備の損傷バスタブ曲線

産実績のある製品であれば、設計による不具合よるものなのか、明らかにしなければならない。故りも、製造過程での不具合要因を疑うべきであり、障原因によって対応策は全く異なるものになる。

製造プロセスでの問題であれば、問題が発生する

さらに、経年劣化が進めば、図 1 の末期状態可能性のある時期だけがリコール対象となる。ま（摩耗故障期）で故障頻度が増加する。この時点た、類似不具合の発生が予想される場合には、水になれば、装置の更新が検討される時期であるが、平展開として他プラントの状況調査、対応策を立

表 2 の経年劣化による不具合の対応は難しい。装てる必要がある。生産設備の不具合による事故は、置の寿命は部品によって大きく異なり、系統的なプラント設備が大型になり、甚大事故になる可能寿命管理が重要である。2.4 項の経年劣化・寿命性があり、緊急対応が要求される。

で詳細に述べるが、機械装置の寿命管理には、個々製造時の不具合を削減するためには品質管理がの部品別に寿命管理・運用しなければならない。

重要であり、品質の確保は製造プロセスで管理す—

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表3るのが主流であるが、高い信頼性が要求されるも環境原因による故障と評価手法の、プロセス管理できないものは検査による品質保証が要求される。検査精度のレベル、許容欠陥サイズなどは機械装置によって個別に管理されており、要求される信頼性レベルはまちまちであり、部品価格も信頼性が要求されるほど上昇する。
2.3 環境変化
表 1 で③項の環境原因による故障頻度は製造ミスによる故障頻度よりも高く、正常に使用していて故障した場合は、このカテゴリーで整理される場合がほとんどである。図 1 の偶発故障期に故障が発生したときにまず疑うのはこの環境の変化である。使用環境の変化には、自然環境、気候の変動など装置の周囲が変化する場合と、装置の運転・使用状況が変わる場合がある。この使用条件変更
では、製造時の設計条件に合わなくなる場合もあり、安全係数が影響を受ける場合がある。運転条
件の変更には、起動停止回数、稼働率、高出力化（温度、圧力上昇等）、加熱燃料変更、内部流体変更などがあり、これらの条件変更が故障原因とな環境変化による典型的な故障事例を図 2 に紹介る場合が多い。使用環境変化では、塩害、応力腐する。本配管はステンレス鋼で何年も問題なく運食割れなど腐食が問題となる場合が多い。いずれ用してきたが、短期間で腐食が原因と考えられるにしても、故障原因がよくわからない場合は、環漏洩が発生した。漏洩箇所は、溶接部近傍であり、境の影響も検討すべきで、現場の状況調査が重要

当初溶接部の問題ではと検討したが、腐食表面のとなる。表 3 に環境原因によって問題が発生する

走査電子顕微鏡（SEM）観察、断面ミクロ観察結要因とそれを調査するための項目を示す。

果から、図 2 に示すように腐食状況はバクテリア

図 2 ステンレス鋼管の微生物腐食（SUS304 配管）—

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2.4 経年劣化・寿命

腐食の典型であるスケルトン模様（長時間腐食環境による金属凝固組織模様が出ている）が観察さ

一般に機械には寿命があることは漠然と認識でれた。現地調査で配管に泥が付着しており、このきるが、具体的個別案件になれば寿命とする基準

泥に腐食の原因となったバクテリアが含まれていが不明確である。表 4 は代表的な設備・材料の寿た。対策としては泥がつかないように定期的に洗命を概算で示している。一般には鉄骨構造物は、浄するか、カバーを付けることにした。

石や木造の建築物と比較して寿命が短い。ピラミッ

また、使用条件変更例として火力発電設備で従ドは建設後数千年たっているし、法隆寺は 1200 年

来のベースロード運転（発電出力一定運転）から、経過している。一方、エッフェル塔は 1889 年に完

電力需要によって出力を変動させる負荷変動運転成したが、100 年経過しない内に構造部材は新しいモードに変更した場合がある。負荷一定運転では材料と交換されている。また、寿命は使い方、メ使用中のクリープ損傷だけを考慮していたが、負荷ンテナンスによって変化する。故障の原因究明で、変動運転による疲労損傷形態も考慮しなければな

図 1 のバスタブ曲線で定常状態での故障か、寿命らず、疲労対策やクリープ疲労の寿命評価技術開末期による故障か判断しなければならない。寿命発が要求された。さらに、生産性向上のために設末期による故障であれば、修理による対策を立て

計許容範囲内でも高めの温度・圧力条件下で運用るのではなく、機械装置の更新を検討する方が経すれば、寿命消費が進み、短寿命となり、高精度済的であるし、安全である。従って、経年装置のな寿命管理評価が要求される。改造工事での対策故障調査では、寿命評価が重要になる。経年で問には、当初の設計条件と異なる高強度材料が採用

題になるのは表 2 の寿命項目であり、寿命は表 4される。の概算時間で評価される。一般に橋梁やタンクなどの設置型の構造物は年数で評価され、回転機械、高温機器などは使用時間で管理されている。製品の耐用年数を明確に表示しているものは少なく、製造者側（メーカ）は最低無償保証期間として 1 年程度に設定しており、1 年間は無償修理期間となる。
表4

各種機器の寿命—

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表5

しかし、メーカは設計条件に社内規準として耐久経年劣化による損傷事例の分類と評価技術時間を設定している。この耐久時間に対して使用時間が寿命消費量となる。メーカはこの設計耐久時間を一般には公表しておらず、保証期間として電化製品等の一般的な機械は 1 年、自動車の場合には年数と走行距離、住宅のような耐久消費財であれば 5 年と無償修理期間を提示しているだけである。耐久製品はメーカとユーザ間で決めているものもあれば、価格との相関関係で評価する場合もある。例えば、100 円ショップで販売している懐中電灯と航空機用の非常時懐中電灯では、価格は全く異なり、信頼性、寿命も大きく異なる。
2.5 経年劣化・寿命評価
表 5 に代表的な経年劣化・寿命が原因とされる項目と原因、検査・計測手法を示す。経年劣化による故障は図 1 のバスタブ曲線で末期症状であり、評価と対策が重要であり、対応を間違えると故障が頻発するばかりでなく、装置全体に及ぶ重大事故発生につながる可能性がある。部材の交換時期を的確に判定することは安全・コスト面から重要な課題である。構造部材の寿命管理は材質劣化（脆化）、腐食、摩耗、疲労、クリープの寿命消費要素を分析し、寿命消費速度と安全係数を考慮した出するには、衝撃試験、硬さ試験などの材料健全性評価で寿命を決めるべきである。表 5 の各試験、検査が必要である。

項目別に紹介する。

③ 浸炭、窒化は特殊ガス環境中で、経年ととも① 腐食・摩耗は経年による劣化よりも環境の影に部材表面が硬化する。

響が大きい。外観目視や肉厚計測で比較的簡④ 疲労は損傷過程がき裂発生と伝播の二つに分単に評価できる。経年で問題になるのは全面類されて評価される。一般的な高サイクル疲

腐食、摩耗による減肉で長時間依存型の損傷労では、寿命によるき裂発生までの時間が長形態である。一方、応力腐食割れ（SCC）はく、伝播時間は短時間なのでき裂の発見に主時間よりも環境・材料・応力の要因に支配さ眼が置かれる。一方、起動停止時の熱応力がれ、経年による劣化よりも環境変化の影響が問題となるような低サイクル疲労では、き裂大きい。SCC は目視検査では発見が難しく、の発生よりも伝播時間が長く、き裂成長速度PT、UT による詳細な検査が要求される。

による寿命評価で管理されている。いずれに② 脆化・材質劣化は部材の材料内部の劣化であしても、疲労損傷は部分的であり、き裂の削り、外観目視による評価は難しい。劣化を検除、溶接による補修、き裂先端にストップホー—

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ルをあけてき裂伝播を止める方法などの対策が適用されている。
⑤クリープは材質劣化と同様に外観目視では発見が難しく、専門家による詳細な検査が要求される。高温機器の余寿命評価といえば、このクリープ寿命評価とほぼ同義語として使用されているぐらい、クリープの損傷量評価は重要である。クリープ損傷は、疲労とは大きく異なり損傷範囲が広く、部材全体に広がってい図3る場合があり、部分補修よりも全面更新をする

高 Cr 鋼溶接継手部の内圧クリープ試験後のミクロ組織場合が多い。クリープ損傷形態としては、組織変化、変形、ボイド・微小き裂の発生成長

3. 故障原因究明法の 3 形態に分類される。組織変化では、100 倍以上のミクロ観察が重要であり、一般的にはス

故障原因究明には決まった手法がとられるのではンプ（SUMP：Suzuki’s Universal Micro-Printingなく、故障した規模によって個別対応をしている。

Method）と呼ばれるレプリカによる型取り後、自転車のタイヤ空気抜け故障とスペースシャトル顕微鏡観察が行われる。また、組織変化に対チャレンジャー号、コロンビア号の事故、日航ジャ応して強度も変化するので、硬さ計測によるンボ機の墜落のような大きな事故調査の場合とでは評価を採用することがある。変形では、オー調査対象規模が違うが、原因究明の基本的な手順

バヒートによる膨出した場合を除き、通常の使は同じであり、調査対象の分品数が異なるだけであ用条件下では、変形量は 1％以下のひずみを計る。いずれも、故障、不具合が発生した真の原因を測することが要求される。ノギスなどの計測方明らかにして今後の対策を立てなければならない。

法では、被計測部が高温酸化により腐食して故障原因を明らかにするには、考えられる要因をいる場合が多く、計測は難しい。変形に対応列挙し、現物の損傷状況と対照させて評価し、該当した結晶粒変形の方位依存性を評価する手法

しない要因を取り除き、原因を絞り込んでいく。現が開発されている。ボイド、微小き裂の発生物の状況だけでは原因が絞りきれない場合に、損傷では、組織変化と同じ手法が採用される。ボ品の精密検査が要求される。当社はこの精密検査

イドは数 mm 以下、微小き裂の場合でも 0.1mmに豊富な経験があり、損傷部材の破面観察などの材以下のき裂を発見しなければならない。また、料調査、使用されている材料の化学分析・環境計測、火力発電用ボイラで問題になっているクロムモ

部材の使用状況再現における変形・応力計測などのリブデン鋼の溶接継手部で熱影響部（HAZ 部）技術を提供できる。これらの分析手法の中で、最も－母材の境界に発生するき裂（タイプⅣクラッ

有力な情報が得られるのは、やはり損傷部材の調査

ク）は、図 3 に示すように部材内部からボイド、である。構造材料には金属以外にセラミックス、有微小き裂が発生するので、表面のレプリカ観機材料（プラスチック）、木材、コンクリートなど

察以外に内部の微小欠陥を評価する特殊超音の標準的なものから、最近は種々の材料を原料とし波法（IIC では I-CLAT 法）が要求される。

た高性能な新素材の開発と実用化が進んでいる。特—IIC_REVIEW_48.indb1616—

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に注目されているのは炭素繊維強化プラスチック材に示すように慎重に開放し、全破面を観察、起点料（CFRP）が民間航空機体に採用されるなど、新を調査した。この例のように、破面をできるだけ素材の利用が広がっていることであり、損傷材料のきずを付けない、変形させないようにして開放す

調査方法は材料別に異なる手法が採用されている。

ることが要求される。この開放は高度な技術が必本解説では技術的にほぼ確立している金属材料に要で、開放は専門家に依頼すべきである。

ついて損傷部材の調査方法について紹介する。
3.1 破面観察（フラクトグラフィー）による損傷  原因究明セラミックス・ガラス材のような脆性破壊のみの壊れ方とは異なり、金属材料は破壊状況によって特有の破壊形態を示すので、破壊形態、破面観察により破壊原因がかなり特定できる。表 6 は破面の形態分類と代表的な損傷要因の関係を示したものである。損傷部材の使用状況と破面観察からマクロな破壊原因はかなり絞れる。例えば、オーバロードによる破壊であれば、塑性変形し、破面

図4

渦巻きポンプの損傷と調査手順は延性破面を示している。繰返し荷重が負荷され、外観上で軸の段差部、キー溝などの応力集中部からき裂が進展、破面にはビーチマーク（貝殻模様）が観察されれば疲労損傷である。これら破面観察には通常走査電子顕微鏡（SEM）が用いられ、数十倍の低倍率から数千倍の高倍率で観察される。
破面の保持は重要であり、故障品の破面はできるだけ現状を保存する必要がある。破面を取り出すためにガスカット切断などは言語道断である。
図 4 は大型渦巻きポンプの損傷事例であるが、図表6

破面観察による破壊機構の分類—

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3.2 ミクロ観察（金属組織観察）による損傷原因

イプ 4 と呼ばれる典型的な損傷事例である。実機究明

損傷材で、このような損傷形態が確認されれば、損傷形態の種類によっては、破面を観察するよクリープ損傷と判断できる。本事例で注意すべき

りも損傷部位近傍の破損部断面ミクロ観察によることは、部材内部にクリープボイドが多数発生し方が、損傷形態が明らかになる場合がある。図 5ており、外表面の調査では事前に発見できず、内はステンレス鋼の溶接ビード肉盛りした下面に応部に発生したボイドの発生評価が重要になる。

力腐食割れ（SCC）が発生した状況を示している。

3.3 き裂発生起点の観察

このき裂伝播状況から、き裂が多数分岐しており、損傷形態で疲労き裂、脆性破壊の場合は、これ明らかに疲労破壊ではなく、溶接時の熱応力によら損傷の形態自体が問題ではなく、起点を正確にる残留応力が応力源となった SCC による損傷と判把握することが重要である。例えば、図 6 はスプ断した。図 3 は 9Cr 鋼管溶接継手部の内圧クリーリングバネの破面観察例である。バネ表面の加工プ試験後のミクロ観察である。溶接熱影響部にボきず（図中 A 部）から疲労き裂が発生伝播し（図イドの発生と連結による微小き裂が観察され、タ中 B 部）、有効断面積減少により最終的に延性破壊（図中 C 部）した破面である。当然、損傷原因は起点の加工きずであり、疲労損傷、延性破壊は2 次、3 次要因による損傷である。破面観察では、き裂発生部位（起点）の状況把握が最重要である。
起点となるのは、加工ミスによる加工きず、応力集中係数を下げるための R 加工コーナ部の R 寸法不足、素材製造過程での鋳造欠陥、金属介在物、鍛造・圧延過程でのかみ込みきず、ロールきずな

図5図618

素浸食による割れ、摩耗による減肉、打ちきずな

疲労損傷したバネの観察位置と破面写真—

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どの欠陥、使用中における腐食ピット、SCC、水溶接時の残留応力が原因で発生した応力腐食割れ（SCC 割れ）18—

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図 7 火力発電用ボイラ主蒸気管のクリープ損傷事例

どさまざまである。また、主き裂以外にサブクラッ

4. 終わりにクの発生状態を調査することも重要である。主き裂の破面形態は観察時点で打ちきず、こすれなど機械の故障原因究明について紹介した。故障原の損傷を受けている場合が多いのに対し、サブク因は多岐にわたり、多くの原因究明経験を蓄積す

ラックは初期き裂の発生状況が残っており、損傷ることが肝要である。理詰めで追究しても、想定の発生原因を把握しやすい場合がある。図 7 は火以外の要因が含まれている場合もあり、直観によ

力発電設備用 SUS316 鋼の主蒸気管クリープ損傷る調査を先行するのではなく、常に幅広い可能性事例である。破面観察では粒界破壊であるが、断を考慮した検討を行い、可能性がないものから順面ミクロ観察で、粒界にボイド、微小き裂、多数次消去法によって真の原因を明らかにしていかなのサブクラックが発生しているのが観察され、典ければならない。本解説では、故障原因究明につ型的なクリープ損傷であること、損傷は管外表面いてのみであったが、原因が明らかになれば、的部から内部に進展していることが明らかになった。

確な対策を立てる必要がある。対策については別の機会に紹介したい。

研究開発センター長
工学博士
技術士（金属部門・総合技術監理部門）

中代 雅士
TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—

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