水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の確立
○栗尾山本
鎗水
齋藤

浩行（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
祐司（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
隆良（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
聡 （配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）

栗山 卓 （山形大学大学院）
水川 賢司（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
中田賢太郎（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）
広田 久男（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）

１．はじめに
水道事業において、老朽管更新及び耐震化は重要な課題である。しかし、財政的に厳しい水道事業体も多く、現状の管路更新率は全国平均で１％弱である。そこで、管路機能を低下させないために、耐久性 100 年以上の管路が要望されている。一方、低コストで管路の耐震化を進めるために、水道配水用ポリエチレン管（以下、ＷＰＥ管）の採用が増えている。ＷＰＥ管は 50 年クリープ強度を用いて設計されているが、100 年以上の耐久性を担保する設計基準までは確立できていなかった。
そこで当協会では、ＷＰＥ管路の 100 年寿命を確立させるために、従来の評価方法による耐久性の検証とともに、新たな設計基準の構築を進めた。本発表ではその概要について報告する。

２．水道配水用ポリエチレン管及び継手の設計仕様（JWWA K 144，JWWA K 145）
①使用材料
：PE100（20℃における 50 年クリープ強度が 10MPa 以上のＰＥ樹脂、青色）②管厚の設計 ：すべての呼び径で SDR＝11（SDR＝管外径／管厚）③最高許容圧力：20℃において 1.0MPa（最大使用圧力 0.75MPa＋水撃圧 0.25MPa）④使用温度範囲：0℃～40℃

３．100 年寿命を立証するための考え方
100 年寿命は、各荷重源による発生応力を解析し、その応力値に総合安全係数Ｃを乗じた値が材料の 100 年後の許容応力σc を超えないことで照査する。総合安全係数Ｃは、発生応力への関与の可能性がある因子毎に影響度を係数として設定し、それらを全て乗じた値と定義する。また、管路の性能及び機能に変化が現れる限界状態を荷重の種類により 3 つに分類し、限界状態毎に許容応力を決定する。安全性の照査は内圧と外圧とを別個に行う（水道施設設計指針参照）。
表 1．100 年寿命の検証基準
限界状態の分類①終局限界状態②クリープ状態③疲労限界状態

発生応力の分類
内圧
管周方向
外圧
内圧
管軸方向
外圧

安全性の照査基準
σ c＞σ in-c×Ｃ
σ c＞（σfn-c＋σtn-c）×Ｃ
σ c＞σ in-l×Ｃ
σ c＞（σfn-l＋σtn-l）×Ｃ

σin-c：内水圧により管に発生する管周応力σin-l：内水圧により管に発生する管軸応力
σfn-c：土圧により管に発生する管周応力
σfn-l：土圧により管に発生する管軸応力σtn-c：輪圧により管に発生する管周応力σtn-l：輪圧により管に発生する管軸応力4-1．終局限界状態における許容応力
短期の延性破壊を考慮し、材料の引張試験による引張降伏強さ（JWWA K 144 で PE100 の引張降伏強さは20MPa 以上と規定）の 90％の 18MPa とした。

logσLPL（周応力）４．各限界状態における 100 年後の許容応力σc の定量化

実測

外挿

T1
ΔT
T2

ΔT≧50 のとき
ke＝100knee point がない場合

4-2．クリープ状態における許容応力（CRS20℃，100year）
knee point がある場合
knee point
樹脂管のクリープ現象は、高温になるほど進行が早い。
そこで、クリープ線図（図 1）から長期特性を評価する。
tmax
tmax×ke
ISO 9080 では、
温度ΔＴ毎に外挿時間係数 ke が設定され、Logt（破壊時間）
高温で破壊形態が延性破壊から脆性破壊へ変わる knee
図 1．ISO 9080 に基づく外挿方法
point がないことが確認できれば、低温の線図を外挿できる。我々は、80℃の 1 年間のクリープ試験を行い ISO 12162（表 2）に基づき 8.0MPa と決定した。
表 2．ISO 12162 に基づく許容応力値
Range of lower confidence limits σLPL（MPa）
Categorized required strength CRSθ,t（MPa）

6.3≦σLPL＜86.38≦σ LPL＜10810≦σLPL＜11.2104-3．疲労限界状態における許容応力
管路に作用する動的応力（繰返し応力）には、①水撃圧による応力と②輪圧による応力が挙げられるが、応力値がより高い前者を優先して評価した。
疲労性能(FNTFT)は、図 2 に示すようにクリープ性能(FNCT)を下回らないことが確認できたので、疲労限界状態の許容応力はクリープ状態と同じ 8.0MPa に決定した。

σmax：負荷応力（MPa）

水道配水用ポリエチレン管路の１００年寿命の確立

100◆：FNTFT（σmin/σmax=0.5）□：FNCT10logσ=0.251logT＋1.539
11５．総合安全係数Ｃについての検討

100
101000
T:破壊時間（hr）

10000

発生応力（MPa）

図 2．FNCT と FNTFT との比較
発生応力への関与の可能性がある因子として、応力集中の影響（継手、傷）と素材等によるバラツキの影響を評価した。
105-1．応力集中の影響：形状係数Ｃf①電気融着継手の形状因子による応力集中の影響評価■■■○
継手を接続した管を用いて 80℃のクリープ試験を 1 年間実△施し、管の結果と比較して形状係数の決定を試みた。（図 3）：管，：管＋継手現時点(10 ヶ月経過)では形状係数は 1.2 前後になる見込み。
■＝σとすると○＝σ/1.1，△＝σ/1.2②傷による応力集中の影響評価
1
管に許容している傷の深さ(管厚の 10%)以上のノッチを付け、
10000
1000
100
破壊時間(hr) （8760ｈr=1 年）
応力の拡大がないことを確認して形状係数 1.1 を決定した。
最終的には①と②のうち、値の大きい方を形状係数とする。 図 3．管と継手のｸﾘｰﾌﾟ線図（80℃）
5-2．素材等によるバラツキの影響：素材係数Ｃm
クリープ状態の許容応力は従来 97.5%下方信頼性限界σLPL を用いている。今回はより安全性を考慮して 99.8%下方信頼性限界σLPL/Ｃm を用い、会員各社のデータを総合して 1.05 とした。

６．内圧及び外圧による発生応力に対する耐久性 100 年以上の照査結果（推定値含む）
水圧による応力σin は Naday 式で、土圧による応力σfn は、マーストン式及び曲げ歪み式で（土被り 0.6m）、輪圧による応力σtn は T-25 トラックを考慮してブーシネスク式でそれぞれ解析した。
表 3．内圧及び外圧による発生応力に対する耐久性 100 年の照査結果
限界状態 →
100 年後の許容応力σc（推定値含む）→
管周方向

管軸方向

内圧
外圧
内圧外圧σ in-c×Ｃf×Ｃm（＝σ1 とする）
σ c／σ 1（＞１ならば安全）（σfn-c＋σtn-c）×Ｃf×Ｃ m （＝σ2 とする）
σ c／σ 2（＞１ならば安全）
σ in-l×Ｃf×Ｃm（＝σ3 とする）
σ c／σ 3（＞１ならば安全）（σfn-l＋σtn-l）×Ｃf×Ｃ m （＝σ4 とする）
σ c／σ 4（＞１ならば安全）

MPa
－
MPa
－
MPa
－
MPa
－

終局限界
18.0 MPa

クリープ
8.0 MPa

疲労限界
8.0 MPa

9.417
1.911(○)
4.438
4.056(○)
4.708
3.823(○)
3.073
5.857(○)

6.278
1.274(○)
1.525
5.246(○)
3.139
2.549(○)
1.444
5.539(○)

6.278
1.274(○)
1.525
5.246(○)
3.139
2.549(○)
1.444
5.539(○)

７．内圧及び外圧以外に耐久性への影響が考えられる要因に対する評価結果
7-1．残留塩素が材料の耐久性に与える影響
塩素濃度 1ppm の塩素水に対して、20℃において内圧が無負荷の状態では少なくとも 100 年以上は水泡が発生しないことが検証できた。現在は負荷状態での耐塩素水性を検証中である。
7-2．地震後のダメージが管の耐久性に与える影響
管軸方向に歪（最大 10％）を与えた管と歪を与えていない管との長期性能を内圧クリープ試験により比較した結果、地震後のダメージが管の耐久性に与える影響は認められなかった。

８．まとめ
本研究により、ＷＰＥ管路の 100 年寿命を論理的に立証する方法を提案した。また、現在までの検証結果から、ＷＰＥ管路が 100 年寿命のポテンシャルを十分有していることが確認できた。今後は検証中の事項を完了させるとともに、新たな設計基準の提案を通じて 100 年寿命の確立を目指す。