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日本機械学会誌

事

2014. 12Vol. 117 No. 1153

故機械屋が知らなきゃモグリの重大事故
Severe Accidents which Mechanical Engineers should Learn

執筆者プロフィール

中尾政之

Masayuki NAKAO■1981 年東京大学工学部産業機械工学科卒業，
1983 年東京大学大学工学系研究科産業機械工学専攻修士課程修了，1992 年東京大学助教授，2001 年より教授■主として行っている業務・研究・ナノ・マイクロ加工・加工の知能化
・科学器械の微細化・失敗学■所属学会および主な活動
日本機械学会■勤務先
正員，東京大学教授 大学院工学系研究科（〒113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1／
E-mail：nakao@hnl.t.u-tokyo.ac.jp）

1. 機械屋を賢くさせた
三大事故初めて作った機械は，最初，うまく動かないのが普通である．事故を分析して直すのも，機械屋の仕事のうちである．その分析は，将来，別の機械を設計するときにも役に立つ．筆者の師
匠の畑村洋太郎先生は「機械屋が知らなきゃモグリの重大事故」と呼んで，タコマ橋，リバティ船，コメット号の三つの事故を教えてくれた（図 1）．
それぞれ，機械力学や生産技術の講義中に，教授が必ず紹介している有名な事故である（していなければ教授がモグリ？）．
1.1 タコマ橋
タコマ橋は，アメリカのワシントン州タコマ市の海峡に架けられた吊り橋である．1940 年に完成してから 4 箇
月後，風速 19m/s と弱い横風で上下に自励振動し始め，次いで毎分 14 サ

低気圧の渦がイクルのねじれ振動で橋桁が共振し，流れ方向に動くと最後には落橋してしまった．つまり，H 形の橋桁がまず，横風が橋桁の周りに流れて揚力逆にねじれるを生み，橋桁は曲げモードで揺れた．
（a）タコマ橋の崩壊
さらに渦が舐めるように橋桁の上下面に交互に発生しては流れ，橋桁はねじれモードで共振した〔図 1（a）〕．ワ
延性 脆性
シントン大学の教授が揺れの一部始終を 16mm フ ィ ル ム 映 像（ 機 械 屋 必見！）で残してくれた．
脆性破壊
事故後に流体振動の学問は大いに発空隙 溶接金属展し，以後，機械屋は流体振動の周波数と構造体の固有振動数を一致させな
母材
いように機械を設計するようになっ溶接施工た．また，瀬戸大橋のような大形つりクラックが止まらず橋に対して，横風の橋桁内の通りをよ（b）リバティ号の沈沒くして，風速 80m/s の大型台風に耐角形の窓枠の角からえられるように設計した．
クラック発生
1.2 リバティ船
次のリバティ船は，1 万トンクラスの戦時標準船である．第二次世界大戦中，ドイツの U ボートに沈められる（c）コメット号の墜落貨物船を補充するために，アメリカが同形式で 2 700 隻も生産した．この船
図 1 機械屋を賢くさせた三つの重大事故（1）は製造方法が画期的であった．それまでは航空機のように，鉄板をリベットで接いでいたが，それを直接に溶接す空洞が起点になって衝撃には弱くなる方式に変えた．さらにブロックを工る．とくに低温では伸びて切れる延性場で別々に溶接し，最後にそれらの数破壊から，砕けて割れる脆性破壊に遷ブロックをドックで溶接して，工期を移するのだが，その当時の鉄板の脆性短縮した．要は，現在の生産方式とまっへの遷移温度は 20℃と高く，シベリたく同じなのである．
アのような極寒地ではリバティ船も当時は溶接が未熟だった〔図 1（b）〕． “ガラスの船”だった．その後，製鋼溶接部分に空洞が残ってクラックの起と溶接の技術が進歩し，残存酸素と不点を作り，さらに溶接部分に残留引張純物は減った．
応力が生じてクラックを伸展させた．
筆者の大学では，学生実験でシャルリベットと違って溶接は鉄板を連続的ピー試験を課しているが，低炭素鋼でにつなげるので，接続部でクラックはも遷移温度は－ 60℃程度と低くなり，止まらず，400 隻が重大な損害を被っ
うまく割れる試験片の入手が難しくなた．加えて，鉄板の製鋼も未熟だった． るくらい，もはやこのリスクは激減し溶接部起点のクラックはガラスが割れた．溶接も不純物混入を除くために溶るように約 1 000m/s と高速に伸展す
湯部を不活性ガスで覆い，引張残留応るので，10 隻が停泊中，アッという力を除去するために熱処理やブラスト間に輪切りに切断された．
加工で後処理した．あれやこれやで鉄低炭素鋼は，鋳鉄に酸素を吹き込ん板を溶接する方法は，今ではどの機械で炭素量を 3％から 0.2％に減らす．にも採用されるほど進歩したのである．
このとき，鋼の中に酸素が残っている
1.3 コメット号と，鋳造造塊時の引け巣は小さくなっ最後のコメット号は，イギリスのデて生産歩留は高くなるのだが，酸素のハビラント社のジェット旅客機であ─ 10 ─

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2014. 12Vol. 117 No. 1153

垂直尾翼が破壊・脱落した．
もともと 0.3 の気圧差で破壊するくらいに柔らかい781⑶ 点検口を伝って上方に空気が流出した補助動力装置が破壊・脱落した．
もともと 0.2〜 0.3 の気圧差で破壊するくらいに柔らかい⑵ 圧力開放ドアが開いたが，ゆっくり開いたので圧力は低下せず⑴ 油圧回路が 4 系統で，遮断弁とともに破壊する．油がもれて舵が制御できず（2）
図 2 御巣鷹山の日航ジャンボ機の墜落（設計上の問題点：フェイルセイフの不備）

逃がし安全弁
（SRV）

圧力容器

消火系

高圧空気
消防車

直流電流

ラプチャー
ディスク

タンクや海ベント弁

ウェットベント

逃がし安全弁とベント弁を開いて圧力容器内の蒸気を減圧し，消防車で注水

図3

福島第一原発の減災方法（3）る．1952 年に就航してから，1954 年までに 3 機墜落した．チャーチル首相
は「イングランド銀行が空になってもいいから原因解明せよ」と鼓舞したらしいが，その結果，金属疲労という現象が体系的に解明された．飛行機は0.19 気圧の高度 12 000m でも，乗客に 高 度 2 100m の 0.79 気 圧 を 感 じ させるように，フライトごとに客室を 0.6気圧分，加圧する．それを模擬して一機まるごとをプールに沈めて繰り返し内圧試験を行った．事故前の内圧試験
では 18 000 回の加圧に耐えることは実証済みだったのに，実際は 1 290 回目と 900 回目のフライトで墜落した．
しかし，事故後の内圧試験では，墜落を裏づけるかのように，1 830 回目の加圧で，四角い窓枠の角からクラックが伸展した〔図 1（c）〕．
実は，事故前の内圧試験は耐圧試験を兼ねており，0.56 気圧の 1 000 回の加圧ごとに 1.12 気圧の過圧を加えていた．この過圧によって，胴体全体が膨らむが，剛性の低い窓付近はさらに大きく塑性変形した．そして過圧の除荷後に全体が弾性変形して縮んだが，大きく塑性変形した部分は周りから締められるように拘束され，圧縮応力が生じる．この圧縮応力で，伸展しようと開いていたクラックは潰れて閉じてしまい，疲労破壊を免れた．つまり，試験方法が間違っていた．
その後，あれやこれやで金属の疲労破壊による事故は激減した．しかし，それでも設計時に振動具合や残留応力がわからないので，「機械の“失敗 3兄弟”は，疲労，腐食，摩耗である」と言われるように，今でも使用後に疲労破壊が生じることが多い．

2. 工学者が興味を持つ
重大事故

筆 者 ら は，JST で 失 敗 知 識 デ ー タベースを作ったが，2006 年にデータごとの検索回数を調べると，1 位は御巣鷹山の日航ジャンボ機の墜落，2 位
─ 11 ─

は タ イ タ ニ ッ ク 号 の 沈 没，3 位 はニューヨークのツインタワーの崩壊であった．タコマ橋，リバティ船，コメット号はいずれもトップ 20 にさえも入らなかった．機械屋は当然のように知っているからだろうか？
日航ジャンボ機の主原因は，ボーイング社の改修不良である．しかし，設計上の問題点はフェイルセイフ機構の不備である（図 2）．圧力隔壁が壊れただけで尾翼が作動できなくなる設計がおかしくこれでは減災できない．たとえば，（1）4 回路に多重化していた油圧配管が同じ経路を取っていたので，隔壁破壊ですべてがちぎれた．
（2）圧力開放ドアが安全弁のように開くはずだったのに，開放速度が遅いのでその前に尾翼が破壊された．
（3）尾翼の中の蓋無しの点検穴を付けたので点検穴を伝って尾翼の先まで破壊した．
事故後，ボーイング社はこれらすべてを改良した．
2011 年の福島第一原発事故は，日本の機械屋が今こそ学ぶべき重大事故である．福島第一原発事故は，大津波の襲来による外部電源の喪失が主原因である．しかし，設計基準を超えた（Beyond Design Bases）減災方法を考えていれば，広大な国土を立入禁止区域にはしなかった．つまり，アメリカの原子力規制委員会のテロ対策用の行政命令 B.5.b. を看過せずに，それに書いてあったように，自動車バッテリやエンジン付きコンプレッサを用意しておけばよかった．それさえあれば，圧力容器の安全弁や格納容器のベント弁を開けて圧力容器内を速やかに減圧でき，消防自動車による低圧注水を遅滞なく実行できたはずである（図 3）．
そして，2 号機からの放射能物質の飛散さえ防げれば，メルトダウンしても放射能は外部に飛散せず，スリーマイル島事故並みの状況で終わっていたはずである．
脱関心が最もいけない．留学生に説明できるくらいに，この事故を勉強すべきである．さもないと，それこそ日本の機械屋としてモグリである．

文献（ 1 ） 中 尾 政 之， 失 敗 百 選，（2005），67・72・131，森北出版．
（ 2 ）中尾政之，続・失敗百選，（2010），148，森北出版．
（ 3 ）中尾政之，「つい，うっかり」から「 ま さ か 」 の 失 敗 学 へ，（2013），
103，日科技連．