水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命の検証（ダイジェスト版）
１．水道配水用ポリエチレン管の寿命要因
水道管路の寿命を水道管路が有するべき性能・機能を十分に満足できない限界状態に至る時期と定義し、道路下に埋設された水道配水用ポリエチレン管路が寿命に至る要因を以下に抽出した。
ポリエチレン管のような樹脂管は、金属管のような腐食がない一方、長い時間一定の力を加え続けると次第に変形が進行するクリープという挙動がみられる。そこで、１つめの寿命要因として、埋設管路に作用する内圧・外圧を挙げた。
２つめの寿命要因としては、これまでに水道管路に甚大な被害を発生させている地震を挙げ、特にレベル２地震動に対して 100 年寿命を検証した。ここでの検証では、地震に対して水道配水用ポリエチレン管路が耐えられるか（耐震性）ということだけでなく、地震によるダメージが管の耐久性に与える影響についても評価した。
３つめの寿命要因としては、水道水中の残留塩素を挙げた。1970 年代後半、一部の都市で黒色の単層低密度ポリエチレン管を布設して数年以上経過すると、配管の内面に水泡が発生し、稀な例として水接面管壁が薄片状に剥離して漏水が発生した。原因の一つとして、管材料に配合されたカーボンブラックが触媒として作用し、ポリエチレンと残留塩素の反応が促進されたことが明らかになった。水道配水用ポリエチレン管・継手は、接水面にカーボンブラックを含有しないものであり、日本水道協会規格 JWWA K144 及び JWWA K145 の性能規定項目「耐塩素水性」に関わる「規定条件での水泡発生がないこと」を満足しているが、今回は耐塩素水性を 100 年という長期期間に対して検証した。

２．100 年寿命の検証における想定条件
水道配水用ポリエチレン管路の 100 年寿命を検証するにあたり、想定条件は以下の通りである。
寿命要因
内圧・外圧

想定条件
・設計水圧：1.0MPa（静水圧 0.75MPa＋水撃圧 0.25MPa）
・使用温度範囲：0℃～40℃

・埋設深さ：土被り 60cm 以上

・輪荷重：25t トラック車両が繰返し通過・許容傷深さ：管厚の 10%以下

・許容曲げ半径：管外径の 75 倍以上

地震・地震動レベル２の地震を少なくとも１回経験

残留塩素・残留塩素濃度 1ppm（水圧負荷状態）

３．各寿命要因に対する 100 年寿命の検証
３－１．内圧・外圧に対する検証１）照査手順
水道配水用ポリエチレン管路に作用する内圧・外圧を図１に示す。水道配水用ポリエチ
レン管路が内圧・外圧により寿命に至る場合、一般に荷重の特性により寿命に至る形態（以下、限界状態とする）が異なる。そこで表１に示すように、荷重の特性により 3 つの限界状態に分類した。
表１．荷重の特性による限界状態の分類
２５Ｔトラック

60cm

水圧
水撃圧

0.75±0.25MPa

輪圧

土圧

管地震（レベル２地震動）

荷重の特性

荷重

限界状態

短期的な荷重・地震荷重 等

終局限界状態（延性破壊）

・水圧（内圧）
長期継続的に・土圧（外圧）
生じる一定荷重・輪圧（外圧）

クリープ状態（クリープ破壊）

長期継続的に ・水撃圧（内圧）生じる繰返荷重 ・輪圧（外圧）

疲労限界状態（疲労破壊）

継手

図 1．水道配水用ＰＥ管路に作用する内圧・外圧

水道配水用ポリエチレン管路が内圧・外圧に対して 100 年以上の寿命を有することを証明するには、各限界状態において、管路に作用する荷重により発生する有効応力が 100 年の寿命を担保する許容応力（以下、100 年許容応力とする）を上回らないことを示せばよい。
なお、100 年許容応力は、限界状態毎に設定される値である。
有効応力の算出にあたっては、従来十分考慮されていなかった継手部や異形部の形状による応力集中、傷の影響、使用される素材や成形時のばらつきをすべて考慮した。内圧及び外圧により管路に作用する管周方向と管軸方向の応力は、従来から提案されている応力計算式で算出できる。有効応力は応力計算式で算出した値に、応力集中を数値化した形状係数とばらつきを数値化した素材係数を乗じて求めた。水道配水用ポリエチレン管路の 100年寿命を照査する手順を図２に示す。
①終局限界状態②クリープ状態③疲労限界状態

限界状態ごとに100 年許容応力を実験により決定

応力計算式により発生応力を算出

形状係数、素材係数を実験により決定

有効応力を算出
算出応力×形状係数×素材係数

外圧と内圧を別個に 100 年寿命の照査をおこなう
許容応力 ＞ 有効応力

図２．水道配水用ＰＥ管路の 100 年寿命照査手順

２）各限界状態での 100 年許容応力の設定及び形状係数の設定
クリープ状態の 100 年許容応力の設定は、管に発生する周方向応力と破壊時間の相関を測定する熱間内圧クリープ試験（図３参照）を実施し、国際標準規格 ISO9080 及びISO12162 に基づいて行った。
クリープは温度が高いほど促進され、ISO9080 によると 80℃、1 年間の熱間内圧クリープ試験で破壊の変曲点がなければ 20℃のクリープ線図を 100 年後まで外挿できる（図４参照）。なお、試験は世界の有力な PE100 認定機関であるスウェー
デンの EXOVA 社に依頼した。
内圧水圧：Ｐ１水圧：Ｐ３水圧：Ｐ４水圧：Ｐ５６水
準以上実測

恒温水槽（低温T1，高温T2）
試料（ＰＥ水圧：Ｐ６logσLPL（周応力）

水圧：Ｐ２

時間 ｔ

外挿20℃80℃

破壊ｌog t（破壊時間）

図３．熱間内圧クリープ試験の概要

1年

100年

図４．クリープ線図（ISO 9080 に基づく）

次に疲労限界状態については、繰返荷重として水撃圧と輪圧を評価した。水撃圧に相当する応力を一定応力として負荷した場合と繰返応力として負荷した場合の破壊特性を比較した結果、疲労破壊が促進されないことを確認した。また輪圧については、100 年に相当する載荷回数では破壊に至らないことを繰返し偏平実験で確認した。これらの結果より、クリープ状態が管路の寿命に最も影響することを明らかにした。
継手部の応力集中による形状係数は、電気融着継手で接合した管で図３のような熱間内圧クリープ試験を実施し、その結果から算出した。
３）照査結果以上の手順により、代表例として呼び径 100 の管路に対して 100 年以上の耐久性を有するかどうかの照査結果を表２にまとめた。すべての有効応力が 100 年許容応力以下であることを確認し、水道配水用ポリエチレン管路は内圧・外圧に対して 100 年以上の耐久性を有していることを検証した。
表２．内圧・外圧に対する 100 年寿命の照査結果
項目100 年許容応力

有効応力
・形状係数=1.20
・素材係数=1.05

管周方向
管軸方向

内圧
外圧
内圧
外圧

単位

終局限界状態

クリープ状態

疲労限界状態

MPa

1888MPa

9.417：安全6.278：安全6.278：安全MPa4.438：安全1.525：安全1.525：安全MPa4.708：安全3.139：安全3.139：安全MPa

3.073：安全1.444：安全1.444：安全

３－２．地震（レベル２地震動）に対する検証
水道配水用ポリエチレン管路を布設して 100 年の間にレベル２地震動が少なくとも 1 回は経験するものと仮定し、管路のレベル２地震動に対する耐震性能を計算により、さらにはその地震によるダメージが管の耐久性に与える影響を実験により評価した。
まず、表３に水道施設耐震工法指針・解説に基づいて行ったレベル２地震動に対する耐震計算の結果を示す。設計内圧、自動車荷重等の常時作用する管軸方向歪みと地震動による管軸方向歪みの合計は最大 1.7％程度であり、許容歪み 3％（繰返し伸縮試験等の結果、定めたもの）以下であることから安全であると言える。
表３．レベル２地震動に対する耐震計算結果
呼び径
管発
生
歪み（％）

5075

100150200

設計内圧(1.0MPa)

0.216

0.219

0.218

0.219

0.220

自動車荷重(T－25)

0.263

0.221

0.187

0.156

0.133

温度変化(Δt=15℃)

0.180

0.180

0.180

0.180

0.180

不同沈下 *a0.014

0.014

0.013

0.0120.012

レベル２地震動(η=2.0 *b)

1.008

1.008

1.008

1.008

1.008

合

1.682

1.641

1.607

1.575

1.552

計

ポリエチレン管の許容歪み（％）

3.0

*a

軟弱地盤区間 15m 盛土高さ 1m*b

地盤の不均度係数(河川流域等極めて不均一な地盤)

次に、地震によるダメージが管の耐久性に与える影響を評価するために、図５に示すよ
うに、管に軸方向の歪みを与えた状態で内圧クリープ試験を実施した。管に与えた歪みは４水準で、いずれもレベル２地震動で発生しうる歪みより大きい。得られた結果を図６に示したが、歪みを与えた管の破壊点はいずれも歪みを与えていない管のクリープ線図の97.5%信頼限界を上回る結果となり、地震によるダメージで管の耐久性が低下することはないことが確認できた。

20
周方向応力(MPa)

歪みなし（97.5%信頼下限)
歪み2.5%
歪み5.0%
歪み7.5%
歪み10.0%供試体

供試体(at1010102101001,00010310410,000

破壊時間（ｈｒ）
テンションバー

固定治具

図５．試験概要図

図６．試験結果

105100,000

1061,000,000

３－３．残留塩素に対する検証
水道管路の寿命は水道管路が有するべき性能・機能を十分に満足できない限界状態に至る時期と定義したが、残留塩素による寿命は判断が難しいので、水泡が発生する時点を寿命とした。なお想定条件として、塩素濃度は水質管理目標の上限値である 1ppm、使用温度は 20℃とした。
残留塩素に対する 100 年寿命が 100 年以上有するかどうかの検証は実験により行い、JWWA
K 144 に準拠し、温度を上げるとともに塩素濃度を 500～3000ppm に濃縮して試験を促進し、塩素水に浸漬した試験片の水泡発生時間を測定した。実験で得られた結果を温度によって化学反応の速度を予測する式（アレニウスの式）に照合して一般式を求め、さらに重回帰分析により水泡発生寿命式を導いた。その計算の結果、図７に示すとおり 97.5%信頼限界での耐塩素水寿命は 529 年となった。
続いて、一般に応力が負荷されると反応は促進されることから、試験片を図８に示す治具により強制的に偏平させて応力を負荷した状態で、塩素水濃度 2000ppm、60℃の条件で反応を促進させて水泡発生時間を評価した。このとき、初期偏平時の曲げ歪みは材料の降伏歪みを超え、試験片は弾塑性状態になっていた。この場合も無負荷の場合と同様に実験結果と水泡寿命発生式により、極端に大きな応力が負荷した状態でも耐塩素水寿命は 282年と推定でき、100 年を十分上回った。

63D=

70℃
60℃

継続中

1,000

θ
t=約5.8塩素濃度(ppm)

40℃

R10,000

20℃
100

約40mmx40mm
70℃
97.5%信頼下限

60℃

40℃

約40mmx40mm

20℃

図８．応力負荷のための治具

10100年

529年

1,000,000

10,000,0001100

1,000

10,000100,000

水泡発生時間(hr)図７．水泡発生時間（無負荷状態）の結果と予測

さらに 100 年以上の長期間にわたり塩素水の影響をうけた水道配水用ポリエチレン管路が、水質に影響を及ぼさないことを確認するため、塩素水濃度 2000ppm、60℃の条件で 168時間浸漬したサンプルを用い、JWWA K 144 の浸出試験を実施した。塩素水濃度 2000ppm、60℃での 168 時間は、加速比の関係より 1ppm、20℃では 247 年に相当する。浸出試験の結果、水質基準に影響を与える変化は認められず、水質衛生性についても 100 年以上の安全性を検証できた。

４．結論
本研究では、水道配水用ポリエチレン管路に対して下記３つの寿命要因に対して 100年寿命の検証を試みた。
１）管路に作用する内圧・外圧
２）レベル２地震動
３）水道水中の残留塩素
その結果、
１）形状因子や外面傷による応力集中、また素材や成形のばらつきを考慮した上で、３つの限界状態（終局限界状態、クリープ状態、疲労限界状態）について照査した結果、最も影響の大きな荷重は内外圧にかかるクリープ状態であるが、この応力値も100 年後の許容応力以下であり安全である。
２）内圧、自動車荷重等により常時発生する歪とレベル２地震動による管軸方向歪の合計が許容歪以下であり、安全である。また地震によるダメージにより管の耐久性が低下することはない。
３）塩素濃度１ppm、温度 20℃の条件下では、応力無負荷状態で 500 年以上、また水圧等、応力負荷状態で 200 年以上の耐塩素水性能を有している。
等が、確認できた。
以上、水道配水用ポリエチレン管路が 100 年以上の寿命を十分有していることを検証した。