技術資料 No.17–03

水道用ポリエチレン二層管の長期 (100 年 ) 寿命の考察（内圧クリープ試験による100年耐久性の評価）

平成 30 年 5 月

日本ポリエチレンパイプシステム協会

１．はじめに
本報告書は、「給水用ポリエチレン管の耐久性」に関する京都工芸繊維大学西村研究室と日本ポリエチレンパイプシステム協会との共同研究に於ける報告の「第 3 部：水道用ポリエチレン二層管の長期（100 年）寿命の考察（内圧クリープ試験による 100 年耐久性の評価）」である。
本報に於ける報告内容は、ポリエチレン管の長期寿命は、従来 50 年としてきたが、近時欧米に於いては数十年～ 100 年間は必要と考えられている 1）。2012 年発行の ISO 9080 2）は、100 年時の強度の推定を可能としたので本 ISO を適用し給水用ポリエチレン二層管の長期寿命（100 年）を考察したものである。
注）本稿に記載の水道用ポリエチレン二層管は JIS K 6762 に規定されている１種管である。

２．水道用ポリエチレン二層管の長期（100 年）寿命評価
２．１

水道用ポリエチレン二層管のクリープ強度２．２

水道用ポリエチレン二層管の長期（100 年）クリープ強度の推定

ポリエチレンは、その特性である粘弾性により継続的に一定の外力を負荷すると変形が進行する事が知られておりこの現象はクリープと呼ばれている。水道用ポリエチレン二層管には常に水道水を供給する為に内圧が加えられておりこの内圧により、管壁に円周応力が発生する。従って、水道用ポリエチレン二層管の長期（100 年）寿命は、実使用温度（一般的には 20℃）下において 100 年時で管が破損する円周応力を求める事で得られる。

クリープ変形は、高温ほど生じ易く、またその変形の度合いも大きい。本現象に基づき実使用温度より高い温度で内圧クリープ試験を実施する事で、実施用温度に於ける測定データを長時間側へ延長する事が可能となる。長期（100 年）クリープ強度を推定する為、長時間側への外挿方法が ISO 9080:2012 2） として規定されている（「試験方法については、
第 1 部；給水ポリエチレン管の耐久性及び長期強度評価法 4.1 熱間内圧試験法」日本ポリエチレンパイプシステム協会【技術資料 No.17-01】を参照）。
以下に得られたデータを ISO 9080:2012 に基づき解析した結果を示す。
１）変曲点発現の有無確認
2 水準以上の温度で 9,000 時間以上の試験を実施し、高温側のクリープ線図に変曲点（クリープ線図の傾きが変化する点）の有無を確認する。
変曲点が現れた場合は、その時間（変曲点が現れた時間）までのデータしか外挿に適用できない。
（当協会々員提出の各水道用ポリエチレン二層管に関して）
Gastec 社（ 現 Kiwa Gastec Certification） に お い て、2 水 準 の 温 度（20、80 ℃） 下 で12,013 時間の熱間内圧クリープ試験を実施した。結果として、何れの水道用ポリエチレン二層管も変曲点は示さなかった。従って、12,013 時間までのデータが外挿に適用できる事が確認された。図－１に内圧クリープ試験の一例を示す。

–1–

10周応力（MPa）

A 社材 PE 二層管（20℃）

A 社材 PE 二層管（80℃）

11101001000

10000

100 年

破壊時間（h）

図－１

内圧クリープ試験結果（一例）

２）外挿時間範囲の確認（１）式にて△ T（実験温度差）を計算し、得られた△ T と表－１より外挿時間係数 ke を求める。
△ T ＝ Tt – T
ここで-----------------（１）Tt：外挿時間係数 ke を適用する温度（℃）Tt ≦ Tt,max
Tt,max：最高試験温度（℃）
T：外挿温度（℃）Ts ≦ T
Ts：実使用温度（℃）
表－１△ T (℃ )△Ｔと ke の関係
ke△ T（℃）

ke

10 以上

15 未満

2.5

30 以上

35 未満1815 以上

20 未満

435 以上40 未満3020 以上

25 未満

640 以上50 未満5025 以上

30 未満1250 以上

100

次に（２）式より外挿時間 te を計算する。
te ＝ ke × t,max
ここで-----------------（２）t,max：破壊までの５点の長時間の対数を平均した最長試験時間（当協会々員提出の各水道用ポリエチレン二層管の外挿時間に関して）△ T は（80℃ － 20℃）60℃であり、また変曲点も認められなかったので、外挿時間係数
100 を適用し、（2）式より表－２に示す外挿可能時間が得られた。

–2–

表－２

水道用ポリエチレン二層管の外挿可能時間

水道用ポリエチレン二層管

外挿可能時間（年）

A135

B124

C123

D135

これから当協会々員提出の何れの水道用ポリエチレン二層管とも実使用温度（20℃）下で100 年時のクリープ強度の外挿が可能である事がわかった。

３．水道ポリエチレン二層管の長期（100 年）クリープ強度の評価
１）Gastec 社にて得られたデータを用い、ISO 9080:2012 に従って（3）式より 20℃、50 年時及び 100 年時のクリープ強度を求めた。
log t = C1 + C2 / T + C3 log σ / T-----------------（３）ここでt ：試験時間（hr）
C1、C2、C3：試験より得られる係数σ：円周応力（MPa）
T：温度（K）

２）ISO 12162:2009 3）に従って分類した各水道用ポリエチレン二層管のクリープ強度を表－３に示す。
表－３

水道用ポリエチレン二層管のクリープ強度

（MPa）

20℃

給水用PE 二層管

σ LPL 50years

σ LPL 100years

A5.95.8B

5.85.7C

5.65.5D5.95.8CRS 100years

5

注1

σ LPL 20℃ ,50 years、σ LPL 20℃ ,100 years は、実験データのバラツキを考慮し97.5% の下方信頼限界値で示した 20℃、50 年、100 年時の実験より求めたクリープ強度。
（LPL：lower confidence limit of the predicted hydrostatic strength）

注2

CRS 20℃ ,100 years は、ISO 12162:2009 3）の Annex A 表 -A.1 に規定された 20℃、100 年時のクリープ強度。
（CRS θ ,t ：categorized and required strength at temperature θ and time t）–3–

４．まとめ表 － ３ か ら 明 ら か な 様 に、20 ℃、100 年 時 ク リ ー プ 強 度（5.5 ～ 5.8MPa） は、ISO12162:2009 に規定のクリープ強度 5MPa を上回っている。また水道用ポリエチレン二層管の実使用上の最大許容圧力は 1MPa（使用圧 0.75MPa、水撃圧 0.25MPa）として、1 種管のうち発生する円周応力が最大となる呼び径 50 の円周応力は 3.5MPa であり、充分な長期クリープ強度を有しているといえる。

５．参考文献１）西村寛之；成形加工

第 20 巻第 11 号

2008２）ISO 9080:2012 Plastic piping and ducting systems – Determination of the longterm hydrostatic strength of thermoplastics materials in pipe form by extrapolation３）ISO 12162:2009 Thermoplastics materials for pipes and fittings for pressure applicationsClassification, designation and design coefficient–4–

水道用ポリエチレン二層管の長期（100 年）寿命 技術資料
平成 30 年 9 月 3 日

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