水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の検証－最終報告－○栗山山本鎗水広田

卓 （山形大学大学院）
水川祐司（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）栗尾隆良（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）中田久男（配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会）

賢司 (配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会)
浩行 (配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会)
賢太郎（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
配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会では，水道配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ管路の 100 年寿命確立に必要な「基本的な考え方」および「評価スキーム」を昨年度提案した 1）．表-1 に示したこれらの検証項目の内，「4.残留塩素耐久性」について昨年度を報告した 2)．その後，継続長期検証項目となっていた「1.
内圧耐久性」，「2.外圧耐久性」および「3.地震耐久性」に関しての検証が終了し，「水道配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ管路の 100 年寿命の検証技術報告書」としてまとめられた 3)．ここでは，本検証で旧来の評価検証方法とは異なる新たな照査方法（図-1）による①外圧が作用した場合の PE 管の許容応力，②管の傷および継手形状因子による応力集中（形状係数）の結果を述べ，検証まとめ（抜粋）を報告する．
表-1 検証項目と設計条件（太字は今回報告の関係部分）
２．輪荷重による疲労限界状態
検証項目
設計条件の許容応力
1.内圧耐久性①設計水圧:1.0MPa（静水圧 0.75＋水撃圧 0.25）
管から切出した供試体に載荷②使用範囲:0℃～40℃
板で繰返し偏平応力を与え，破③継手部の応力集中を考慮④傷（管厚の 10%以下）による応力集中を考慮
壊の有無の確認と管の撓み率を⑤ 素材のばらつきを考慮測定した（繰返し偏平試験）．
2.外圧耐久性①土被り 60cm 以上，25t 車両が繰返し通過
負荷応力 8 MPa，10 MPa およ（１．の③～⑤を考慮）
び 12 MPa では載荷回数 60 万回
3.地震耐久性①地震動レベル 2 の地震を少なくとも 1 回経験で管体は破壊しなかった．図-2 4.残留塩素耐久性 ①塩素濃度 1ppm（水圧負荷状態）に示したように，管の撓み率は載荷回数に対して対数曲線で精度良く近似式でされた．これら 〔限界状態の分類〕
応力計算式により実験で 形状係数 ，発生応力を算出
素材係数を決定の撓み率曲線と管路埋設条件か ①終局限界②クリープ
ら得られる管撓み率 5%を管体 ③疲労限界
破損基準として限界状態応力を
図-3 に示したように算出した． 限界状態毎に実験で有効応力を算出
有効応力=算出応力 x 形状係数 x 素材係数
これより許容応力を 8MPa に 許容応力を決定定めると，100 年間の使用(6158万回繰返し)4) すなわち輪荷重内圧と外圧を個別に 100 年寿命を照査
寿命に対して，十分安全な「外有効応力＜許容応力圧耐久性」が確保されていることが検証された．
図-1 内圧・外圧に対する照査手順（太字は今回報告の関係部分）
３．形状係数の検討
3-1.管の傷による形状係数
水道配水用 PE 管は管肉厚の 10％深さの傷まで許容している．本検証では，それを管最小肉厚の20%の深さとして，管の傷による「内圧耐久性」を検証した．すなわち， ISO13479 の低速亀裂進展試験方法に準じ，管最小肉厚の 20%のノッチを入れた供試体の熱間内圧クリープ(80℃)を実施し，ノッチ無し管のそれとの性能を比較した．結果は図-4 に示したように，ノッチ有無によらず両者の熱間内圧性能差は無く，外挿寿命評価に影響する Knee-point（クリープ曲線の傾きの変曲点が表れる点）の出現も認められなかった．これより，傷による形状係数を 1.1 と定めた．
3-2.継手による形状係数
管と形状が異なる継手の応力集中から定められる形状係数を継手の代表品種となる EF ソケット継手を用いた管・継手内圧クリープ試験から検証した．図-4 に示した結果より，a) クリープ破壊
強度は JWWA 規格延長線上より高く，かつ管の 97.5%信頼下限より高い．b) 80℃，1 年間で水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の検証－最終報告－
Knee-point がなかったため，換算される 20℃で 100 年使用において Knee-point がないと見なせる．
c) 管のクリープ破壊強度（長期静水圧強度の平均値）は 5.07MPa であり，JWWA 規格延長線上の１年(8,760hr)後のクリープ破壊強度 4.56MPa に対して，強度比は 1.11（=5.07/4.56）となっていた．
これらの結果より，継手による形状係数として安全性確保のため 1.2 と定めた．
４．検証のまとめ（抜粋）
表-2 のとおり，水道配水用 PE 管路が 100 年以上の寿命を十分有していることを検証した．

図-2

繰返し偏平試験の結果

図-3

みなし破壊に至るまでの載荷回数

図-4

低速亀裂進展試験結果

図-5

継手内圧クリープ試験結果(80℃)

表-2内圧

外圧
耐震性

実施項目検証結果

実施項目（評価試験）と結果

検証結果

1)許容応力：内圧クリープ試験からクリープ状態の 100 年の許容応力を8 MPa とした．また，全周ノッチ式引張疲労試験（FNTF）の破壊が全周ノッチ式引張クリープ試験（FNCT）の寿命線を下回らないことを確認し，疲労状態の許容応力をクリープと同じ 8MPa とした．
2)形状係数：2-a)と 2-b)の大きい値を採用した(=1.2)．
2-a)低速亀裂試験で管の傷による応力集中の影響を評価
2-b)継手の内圧クリープ試験で継手形状による応力集中の影響を評価
3)素材係数：クリープ試験から，バラツキの安全を考慮し定めた（=1.05）．
4)許容応力（疲労状態）：繰返し偏平試験から，100 年の繰返し撓みに対する許容応力を 8MPa とした．

内圧に対する有効応力=5MPa x1.2ｘ1.05=6.3<8MPa

5)PE 管の地震被害の調査結果，特殊事象を除き被害はほとんどなかった．

レベル２地震動を経験しても問題なく，被災後の管の耐久性も低下しない．

6)耐震計算: 水道施設耐震工法指針・解説による計算で，レベル２地震動発生時の管歪が許容歪(3%)以下であることを確認した．
7) 予歪を与えた熱間内圧クリープ試験を実施し，予歪を与えないものより耐久性が低下しないことを確認した．

耐塩素水性

8)無負荷状態の耐塩素水性試験から 20℃，塩素濃度 1ppm における水泡発生時間は無負荷状態で 529 年以上であることを確認した．
9) 弾塑性負荷状態の耐塩素水性試験から応力負荷状態で，水泡発生時間は279 年以上であることを確認した
10) 耐塩素水性試験後の溶出試験から，水質基準に影響を与える管材料変化ないことを確認した．

外圧に対する有効応力=1.21MPax1.2x1.05=1.525<8MPa
よって 100 年以上の耐久性を有する

水圧負荷状態，塩素 1ppm
で 100 年以上の耐久性があり，かつ 100 年使用後も水質に影響を与えない．

参考文献
1)第 62 回全国水道研究発表会講演集「水道配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ管路の 100 年寿命の確立」
2)第 63 回全国水道研究発表会講演集「水道配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ管路の 100 年寿命の確立」
3)水道配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ管路の 100 年寿命の検証技術報告書(H25.3 配水用ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝﾊﾟｲﾌﾟｼｽﾃﾑ協会)
4)道路占用埋設物件の浅層化技術検討報告書（H10.3 (財）道路保全技術ｾﾝﾀｰ)