Fig. 4. Configuration of fatigue test specimen. Table I. Mechanical property of test materials. Table II. Full scale fatigue test conditions and test

論 文

コ イ ル ドチ ュ ー ビ ン グ の 疲 労 寿 命 予 測 †

加

藤

孝

憲*山

本

三

幸*

澤

口

功**米

澤

哲

夫***

Fatigue

Life Prediction

of Coiled Tubing

by

Takanori KATO*,

Miyuki YAMAMOTO*,

Isao SAWAGUCHI**

and Tetsuo YONEZAWA***

Coiled tubings, which are used in drilling and washing up oil wells, receive various bending and straightening plastic deformations with operating internal pressure. Therefore the low cycle fatigue of coiled tubings is an impor-tant issue.

In this report, as objective to clarify fatigue properties of coiled tubings and to develop a fatigue life prediction method of coiled tubings, we carried out full scale fatigue tests, fatigue tests with small size specimen, and FEM analysis simulated the full scale fatigue tests. As a result, it was clarified that fatigue lives of high strength coiled tub-ings (T95) were longer than those of low strength coiled tubtub-ings (L80) with high internal pressure, and predicted fatigue lives were satisfied general allowable difference, factor of two.

Key words: Low cycle fatigue, Fatigue life prediction, FEM analysis, Coiled tubing, Material strength

1 緒 言 コ イル ドチ ュ ー ビ ン グ(以 下CT)は,主 に石 油 井 戸 の掘 削,洗 浄 な どの作 業 に利 用 され る細 径 の鋼 管 で あ り, Fig.1の よ うに リール に コ イル 状 に巻 い て 使 用 され る.1) こ うす る こ と に よ り,保 管 場 所 や作 業 場 所 を多 く必 要 と しない,運 搬 が容 易 で あ るな どの利 点 が あ る.CTを 実 際 に井 戸 で使 用 す る ときに は,Fig.1に 示 す よ うに,リ ール か ら引 出 して井 戸 へ挿 入 し,掘 削 な どの作 業 を行 っ た後, 井 戸 か ら引 出 して再 び リール に巻 取 る,と い う一 連 の 作 業 が繰 返 され る.さ らに掘 削 な どの 作 業 中 は,CTに は 繰 返 しの 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 と と もに一 定 の 内圧 が負 荷 され る.し た が っ て,CTは 使 用 中 に塑 性 変 形 を伴 っ た

Fig. 1. Schematic illustration of coiled tubing.

繰 返 しの 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 を受 け る こ とに な り,低 サ イ クル 疲 労 が 問 題 と な る.こ の た め,CTを 安 全 かつ 効 率 よ く使 用 す るため に は,そ の疲 労 寿 命 特 性 を明確 に し, 疲 労 寿 命 予 測 技 術 を開 発 す る ことが重 要 で ある. そ こで本 報 で は,CTの 伝 サ イ ク ル疲 労寿 命 特 性 の 明 確 化,疲 労 寿 命 予 測 法 の開 発 を 目的 と して,実 体 疲 労 試 験 を実 施 す る とと もに,小 型TPに よ る疲 労 試 験 とFEM 解 析 結 果 か ら,実 体 疲 労 試 験 で のCTの 疲 労 寿 命 を予 測 した. 2 実 体 疲 労 試 験 CT実 体 の 疲 労寿 命 を評 価 す るこ とを 目的 に,実 体 疲 労 試 験 を実 施 した.Fig.2に,試 験 機 の模 式 図 とCTの 断 面 図 をそ れ ぞれ 示 す.本 試 験 で は掘 削,洗 浄 作 業 中に お け るCTの 負 荷 を再 現 す る ため,一 定 の 内 圧 を負荷 しな が らガ イ ドに沿 って 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 を繰 返 し与 えた.

Fig. 2. Schematic illustration of full scale fatigue test and cross-section of CT.

† 原 稿 受 理 平 成15年2月7日Received Feb. 7, 2003

*正 会 員 住 友 金 属 工 業(株)総合 技 術 研 究 所 〒660-0891尼 崎 市 扶 桑 町, Corporate R & D. Lab., Sumitomo Metal Industries Ltd., Fuso-cho, Amagasaki, 660-0891

**住 友 金 属 テ ク ノ ロジ ー(株)OCTG技 術 セ ン ター 〒660-0843尼 崎 市 東海 岸 町, OCTG Tech. Center, Sumitomo Metal Tech. Inc., Higashikaigan-cho, Amagasaki, 660-0843

本 試 験 で は,API(American Petroleum Institute)規 格 の2種 類 のCT材,L80とT95を 対 象 と し た.L80は 0.25%Cの 炭 素 鋼,T95は0.25%CのCr-Mo鋼 で あ り,い ず れ も 焼 入 れ 焼 も ど し の 熱 処 理 を 施 して 焼 も ど し マ ル テ ン サ イ ト組 織 と し て い る.Table Iに,そ の 主 な 機 械 的 特 性 を示 す.Table Iよ り,L80に 比 べT95の 方 が 高 強 度 な 材 料 で あ る こ と,伸 び ・絞 り は 両 者 ほ ぼ 同 等 で あ る こ と が 分 か る.Table IIに,試 験 条 件 と 試 験 で 得 ら れ た CTの 疲 労 寿 命 を ま と め て 示 す.本 試 験 で は,ガ イ ド半 径(曲 げ 半 径)と 内 圧 を 変 化 させ た2条 件 の 試 験 に つ い て,そ れ ぞ れ3∼10本 を 供 試 し た.表 中 の 寿 命 は 試 験 で の 最 小 値 と最 大 値 を示 して い る.な お 試 験 で の 寿 命 は, 内 圧 に 漏 れ が 発 生 し た と き,す な わ ち き 裂 が 肉 厚4.83 mmを 貫 通 し た と き の 繰 返 し数 で 定 義 し た.Fig.3に 試 験 で 発 生 し た き裂 の 外 観 写 真 を 示 す.Fig.3よ り,き 裂 はCT軸 方 向 と垂 直 な 方 向 に 発 生 し て お り,曲 げ,曲 げ 戻 しの 繰 返 し変 形 に よ り き 裂 が 発 生 して い る こ と が 分 か る.Table IIよ り,L80とT95の 疲 労 寿 命 を比 較 す る と, 内 圧 が 低 いCase 1で はL80とT95の 寿 命 は ほ ぼ 同 等 で あ る が,内 圧 が 高 いCase 2で は強 度 の 高 いT95の 方 が 長 寿 命 と な る こ と が 分 か る. 3 小 型 試 験 片 に よ る 疲 労 試 験 前 章 で は,実 体 疲 労 試 験 に よ りCT実 体 の 疲 労 寿 命 を 評 価 し た が,本 章 で はCTに 用 い た 材 料 の 疲 労 特 性 を 評 価 す る こ と を 目 的 に,小 型 試 験 片 を 用 い た ひ ず み 制 御 疲 労 試 験,き 裂 進 展 試 験 を そ れ ぞ れ 実 施 した. 3・1 ひ ず み 制 御 疲 労 試 験 Fig.4に,試 験 に 用 い た 平 行 部 直 径3mmの 丸 棒 試 験 片 の 形 状 を 示 す.こ の 試 験 片 は 実 体 のCTよ り切 出 し て

Table I. Mechanical property of test materials.

Table II. Full scale fatigue test conditions and test results.

Fig. 3. Observed cracks in full scale fatigue tests.

Fig. 4. Configuration of fatigue test specimen.

作 製 した る 試 験 は ひ ず み 制 御 完 全 両 振 りで 実 施 し,ひ ず み 振 幅 は0:2∼1.0%と した.Fig.5に 試 験 で 得 られ た 破 断 寿 命 の1/2で の 塑 性 ひ ず み 範 囲 Δεpと破 断 寿 命 の 関 係 を 示 す.Fig.5よ り,同 じ 塑 性 ひ ず み 範 囲 Δεpで は, L80,T95と も ほ ぼ 同 じ寿 命 で あ る こ と が 分 か る.得 ら れ た εはN線 よ り,CT材 の 疲 労 特 性 をManson-Coffin則 を 適 用 して,式(1)(2)の よ う に表 し た. L80:NP=1.863Δ εP-1.263 (1) T95:NP=0.690Δ εP-1.409(2) ここでNp:破 断繰 返 し数,Δ εp:塑 性 ひず み範 囲 で あ る. 3・2 き裂 進 展 試 験 前 節 の ひ ず み制 御 疲 労 試 験 で 得 られ た疲 労 寿 命 は,直 径3mmの 丸棒 試 験 片 の 寿 命 で あ り,こ の 中 に は 半 径 分 1.5mm程 度 の き裂 進 展 寿 命 が含 まれ て い る.一 方,CT の疲 労 寿 命 は 前 述 の よ う に,CTの 肉厚4.83mmの き裂 進 展 寿 命 を含 ん で い る ため,前 節 の結 果 を用 い てCTの 疲 労 寿 命 を評 価 す る ため に は,こ の寸 法差 を考 慮 して式 (1),(2)を 補正 す る必 要 が あ る.そ こで,CT材 の き裂 進 展 特 性 を評 価 す る た とを 目的 に,Fig.6に 示 す 中央 貫 通 き裂 の平 板 試 験 片 を用 い て き裂 進 展 試 験 を実 施 した.な お,こ の 試験 片 は素 材 を鍛 伸 し,実 体 と同 じ熱 処 理 を施

Fig. 5. s-N curves of L80 and T95.

した後,機 械 加 工 して作 製 した.試 験 は疲 労 試 験 と同様, ひ ず み 制 御 完 全 両 振 りで 実 施 し,ひ ず み 振 幅 は0.2∼ 1.0%と した.Fig.7に,試 験 で得 られ た き裂 進 展 速 度 と 相 当塑 性 ひ ずみ 範 囲 の 関 係 を示 す.Fig.7よ り,き 裂 進 展特 性 に おい て もL80とT95は ほ ぼ 同等 で あ る こ とが分 か る.こ の結 果 よ り,L80とT95の き裂 進 展 特性 を表 す 式 と して,以 下 の式 を得 た. L80:da/dn=4.156Δ εp1.263a (3) T95:da/dn=9.913Δ εp1.409a (4) こ こで,a:き 裂 長 さ,n:繰 返 し数,Δ εp:塑 性 ひ ず み 範 囲 で あ る.こ の 結 果 か ら時 政 ら2)のモ デル を適 用 して, 4.83mmの き裂 進 展 寿 命 を含 ん だ疲 労 寿 命 式 を,そ れ ぞ れ 以 下 の よ う に求 め た.こ れ らの式 は,CT実 体 の疲 労 寿 命 と塑 性 ひ ず み範 囲の 関 係 を表 す式 とな る. L80:Np=2.404Δ εp-1.263 (5) T95:Np=0.916Δ εP-1.409 (6) 4 実 体 疲 労 試 験 を対 象 と したFEM解 析 前 章 の小 型 試験 片 を用 い た疲 労 試験 結 果 を用 い て,CT 実 体 の 疲 労 寿 命 を予 測 す るた め に は,CT実 体 に発 生 す るひ ず み を求 め る必 要 が あ る.そ こで 本 章 で は,実 体 疲 労 試験 に お け るCTの 発 生 ひ ず み を評 価 す る こ と を 目的 と して,FEM解 析 を実 施 した.な おFEM解 析 は,汎 用 解 析 ソフ トABAQUS Ver. 5.8を 用 いて 実施 した. 4・1 解 析 モ デル と解 析 条 件 Fig.8に,実 体 疲 労 試験 を対 象 と したFEM解 析 モ デ ル を示 す.解 析 で は,CTを3次 元 ソ リ ッ ド要 素,ガ イ ドを剛 表 面 で それ ぞれ モ デル 化 した.CTは 対 称 性 を考 慮 して全 体 の1/2を モ デル 化 した.こ の と きの節 点数 は

Fig. 7. Relationship between crack propagation rate and plastic strain range (L80 and T95).

Fig. 8. Full scale fatigue test model of FEM analysis.

11457,要 素 数 は7200で あ る.解 析 で はCTの 片 端 を完 全 固定 と し,も う片 端 を強 制 変 位 させ て,剛 表 面 でモ デ ル 化 した ガ イ ドに沿 う よ うにCTに 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 を与 えた.こ の 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 は合 計3cycle与 えて い る.ま たCTの 内 面 に は実 体 疲 労 試 験 と同 じよ うに一 定 の 内 圧 を分 布 荷 重 に よ り与 えた.解 析 での荷 重 条 件 を Table IIIに示 す.解 析 で は,実 体 疲 労 試験 と同 じ荷 重 条 件 のCase1,2に 加 え,ガ イ ド半 径 が72inch一 定 で 内 圧 の み を変 化 させ たCase3,4の 計4条 件 を実 施 した.解 析 で のCT材 の応 力-ひ ず み 関係 は,Fig.9に 示 す よ う に,ひ ず み 制 御 疲 労 試 験 で得 られ た破 断 寿 命1/2に お け る繰 返 し応 力-ひ ず み 関 係 を,式(7)の 非 線 形 移 動 硬 化 則 を 適 用 して式(8),(9)の よ うに求 め た. σ=σY+C/γ{1-exp(-γ εP)} (7) L80:σ=431.20+188.39{1-exp(-228.89εP)} (8) T95:σ=472.81+252.15{1-exp(-145.30εP)} (9) こ こで,σY:降 伏 応 力(MPa),C:移 _{動 硬 化 係 数 ,γ:} 減 衰 率,εp:塑 性 ひず み で あ る. Fig.9よ り,繰 返 し応 力-ひ ず み関 係 におい て もL80に 比 べT95の 方 が 高 強度 で あ る こ と,両 材 料 と もTable I に示 した0.2%耐 力 に比 べ る と繰 返 し応 力-ひ ず み関 係 で の σYは低 い こ とか ら,繰 返 し軟 化 す る材 料 で あ る こ とが 分 か る.な お,こ の よ うな応 力-ひ ず み 関係 を用 い る こ と に よ り,本 解 析 で は実 体 疲 労 試 験 にお け る破 断 寿 命 の 1/2で の 材 料 挙 動 を想 定 してい るこ とに な る. 4・2 実体 疲 労 試験 に お けるCTの 発 生 ひ ずみ Fig:10に,解 析 結 果 を整 理 す る うえで用 い るCT各 部 の 名 称 を示 す.Fig.11に,Case2の1cycle目 最 大 曲 げ 時 に お け る相 当塑 性 ひず み の軸 方 向 分布 の例 を示 す.な お,図 はT95の 場 合 で あ り,ス トレー ト側 内表 面 のひ ず

Table III. Loading conditions of FEM analysis.

Fig. 10. Signature adopt to following results.

Fig. 11. Distribution of equivalent plastic strain.

み 分 布 で あ る.図 よ り,固 定 端 と 自由 端 の 近 傍 を除 く と ひ ず み は軸 方 向 に ほぼ 一様 に分 布 して い る こ とが分 か る. Fig.12に,Fig.11で ○ 印 を示 した部 分 につ い て,相 当 応 力-相 当塑 性 ひず み 関 係 を示 す.な お,図 で は相 当応 力 と相 当塑 性 ひ ず み に ±の符 号 を付 けて い る が,軸 方 向 に引 張 りの 場 合 を+,圧 縮 の場 合 を-と して い る.こ の 符 号 付 け は,実 体 疲 労 試 験 に おい て き裂 が軸 方 向 と垂 直 に発 生 した こ とと対 応 させ るた め で あ る.Fig.12よ り, 繰 返 しの 曲 げ,曲 げ戻 し変 形 に伴 っ て,ひ ず み の 変 動 (相 当塑 性 ひ ずみ範 囲 Δεpeq)とラチ ェ ッ トひ ず み δmeanが そ れ ぞれ 発 生 して い る こ とが分 か る.両 者 と も疲 労 損 傷 の原 因 とな るひず み パ ラ メ ー タで あ り,こ れ らと材 料 の 疲 労 特 性 か らCT実 体 の疲 労 寿命 が決 定 され る と考 え ら れ る.

Fig. 12. Stress-strain hysteresis loop obtained by FEM.

5 実 体 疲 労 試 験 にお け るCTの 疲 労 寿 命 特 性 評 価 5・1 疲 労 寿 命 予測 法 FEM解 析 結 果 よ り,CT実 体 には相 当塑 性 ひ ず み範 囲 Δεpeqとラチ ェ ッ トひず み δmeanが発 生 し,こ れ らが 疲 労 寿 命 を決 定 す るパ ラメ ー タで あ る と考 え られ る.し たが って,こ れ らの パ ラメ ー タ と第3章 で実 施 した小 型 試 験 片 の疲 労 試 験 結 果 を用 い て,CT実 体 の疲 労 寿 命 を予 測 す る こ とが 可 能 とな る.Fig.13に,疲 労 寿 命 予 測 法 の 流 れ を示 す.図 に示 す よ うに,本 寿 命 予 測 法 で は,小 型 試 験 片 の 疲 労 試 験 で 得 られ たCT材 の 疲 労 寿 命 特 性 に, FEM解 析 で得 られ たCT実 体 の ひず みパ ラメ ー タ を代 入 す る こ とで,CT実 体 の 疲 労 寿 命 を予 測 す る こ と が可 能 とな る.以 下 に は,そ の 具 体 的 な方 法 を述 べ る. 本 予 測 法 にお け る基 本 とな るの は以 下 の 式3),4)であ る.

1/Nf=1/Np+1/Nr

(10)

こ こで,Nf:CTの 疲 労 寿 命,Np:塑 性 ひ ず み範 囲 に よ る寿 命,Nr:ラ チ ェ ッ トひ ず み に よ る寿 命 で あ る.式 中 の1/Nfは1cycle負 荷,す な わ ち1回 の 曲 げ,曲 げ戻 し 変形 に よ りCTが 受 け る トー タル の疲 労 損 傷 値 を意 味 し て い る.CTが 受 け る疲 労 損 傷 は,前 述 した よ うに,塑 性 ひ ず み 範 囲 と ラチ ェ ッ トひ ず み に よ っ て 決 定 され, 1/Nfは 塑 性 ひ ず み 範 囲 に よ る損 傷 値1/Npと ラチ ェ ッ ト ひ ずみ によ る損傷 値1/Nrと の和 に相 当す る と考 え る こと が で き る.し たが って,FEM解 析 で得 られ た ひず みパ ラ メー タか ら,そ れ ぞれ の疲 労 寿命Np,Nrを 求 め るこ とで, 式(10)よ りCT実 体 の 疲 労 寿 命 を予 測 す る こ とが可 能 と な る.そ れ ぞ れの 疲 労 寿 命 につ い て,ま ず塑 性 ひず み 範 囲 に よ る寿 命Npは,第3章 に示 した 小 型 試 験 片 の 疲 労 試 験 に よ り得 られ た式(5),(6)に,FEM解 析 で得 られ た 相 当 塑 性 ひず み範 囲 Δεpeqを代 入 す る ことで得 られ る.次 に ラチ ェ ッ トひ ず み に よ る寿 命Nrは 以 下 の 式(11)に, FEM解 析 で得 られ た平 均 ラチ ェ ッ トひ ず み δmeanを代 入 す る ことで得 られ る.ラ チ ェ ッ トひ ず み によ る寿 命Nrは, 1cycleの 負 荷 で発 生 す る ラチ ェ ッ トひ ず み を δmeanとす ると,こ れ が繰 返 し負 荷 に よって除 々 に蓄 積 されて い き, 最 終 的 に材 料 の 破 断 延 性Dpに 達 した とき に寿 命 とな る

とい う考 え方 を仮 定 して い る.な お,式(11)中 の 絞 りRA に は,Table Iに 示 し た 値(L80:0.660,T95:0.715) を 用 い た. Nr=DP/δmean(DP=-ln(1-RA)) (11) こ こで,DP:引 張 り破 断 延 性,δmean:平 均 ラチ ェ ッ ト ひず み,RA:絞 りで あ る. 5・2 疲 労 寿 命 予 測 結 果 本 節 で は上 記 の方 法 を用 い て実 体 疲 労 試 験 で のCTの 疲 労 寿 命 を予 測 す る.な わ,寿 命 予 測 を行 うと き に は, き裂 発生 の危険 部 を対 象 に実 施 す る必要 があ るが,Fig.11 に示 した よ うに,FEM解 析 で はひ ずみ 分 布 はCT軸 方 向 に比 較 的 一 様 で あ る こ と,Fig.10に 示 した4箇 所(ス トレー ト側 内 外 表 面,ア ー ク側 内外 表 面)の うち,ど の 位 置 か ら もき裂 発 生 の可 能 性 が あ る こ とか ら,危 険 部 を 予 め 特 定 す る こ とは困 難 で あ る.し た が っ て,今 回 の寿 命 予 測 で は,Fig.10に 示 した4箇 所 につ い て,軸 方 向 の 全 節 点 を対 象 に予 測 寿 命 を求 めて,得 られ た予 測 結 果 の 中か ら最 も低 い値 が得 られ た位 置 を き裂 発 生 の危 険 部 と し,そ の位 置 での 予 測 結 果 を その 条 件 にお け る予 測 寿 命 と して採 用 す る こ とと した.Fig.14に,そ の 一 例 を示 す.図 よ りT95のCase2の 場 合 は,ス トレー ト側 内表 面 の拘 束 端 か ら185mmで 予 測 寿 命 が最 も低 く,こ の 近 傍 が危 険 部 と考 え られ る.以 上 の よ うに して 求 め た荷 重 条 件Casei,2に お け るCT実 体 の予 測 寿 命 と実 体 疲 労 試 験 結 果 を比 較 した もの をFig.15に 示 す.Fig.15よ り, 予 測 結 果 と試 験 結 果 を比 較 す る と,荷 重 条 件 や 材 料 強 度 に依 らず,予 測 寿 命 は試 験 結 果 とよ く一 致 して お り,最

Fig. 14. Distribution of predicted fatigue life.

Fig. 15. Comparison of test and predicted results.

大 誤 差16%と 精 度 良 く予測 で きて い る ことが分 か る.ま た,予 測 され る き裂 発 生 の危 険 部 は実 体 疲 労 試 験 で き裂 が発 生 した位 置 とほ ぼ対 応 す る こ と を確 認 して お り,今 回 の 予 測 結 果 は妥 当 な もの で あ る とい え る.以 上 の こ と か ら,本 報 で適 用 した 寿 命 予 測 法 は,CT実 体 の 疲 労 寿 命 を予 測 す るの に有 効 な方 法 で あ るこ とが確 認 で きた. 5・3 CTの 低 サ イ クル 疲 労 寿 命 に及 ぼ す材 料 強 度 の 影 響 第2章 の実 体 疲 労 試 験 で み られ た よ うに,内 圧 が高 い 場 合 には強 度 の高 いT95の 方 が長 寿命 となっ た.そ こで, 本 節 で はCTの 低 サ イクル 疲 労 寿 命 に及 ぼす 材 料 強 度 の 影 響 を検 討 す るた め,本 報 で 開 発 した寿 命 予測 法 を適 用 し,L80とT95の 疲 労 寿 命 を比 較 した. Fig.16に ガ イ ド 半径 が72inch一 定 で内 圧 のみ を変 化 させ たCase2∼4に つ いて,L80とT95の 予 測 寿 命 を比 較 して示 す.Fig.16 よ り,L80,T95と も内 圧 が高 くな るに したが い,短 寿命 とな るこ と,内 圧 が1500psiと 低 い ときはL80とT95の 寿 命 は ほ ぼ 同 等 で あ るが,内 圧 が高 く な るに し た が い T95の 方 が長 寿 命 とな る こ とが 分 か る.ま たFig.17に 内 圧 が1500psi一 定 で ガ イ ド半 径 の み を 変 化 させ た Case1,3に つ い て,L80とT95の 予 測 寿 命 を比 較 して 示 す.図 よ り,L80,T95と もガ イ ド半 径 が小 さいほ ど短 寿 命 とな るこ と,ガ イ ド半 径 に依 らずL80とT95の 寿 命 は ほ ぼ 同等 で あ る こ とが分 か る.こ の た め,L80とT95 の寿 命 に差 が生 じるの は 内圧 が3000psi以 上 と比 較 的 高

Fig. 16. Comparison of CT fatigue lives of L80 and T95 (Arc radius 72inch).

Fig. 17. Comparison of CT fatigue lives of L80 and T95 (Internal pressure 1500psi).

い 場 合 で あ り,こ の と き高 強 度 なT95の 方 が 長 寿 命 と な る.一 方,内 圧 が3000psiよ り低 い よ う な 場 合 は,L80 とT95は ほ ぼ 同 じ寿 命 と な り,こ の 傾 向 は ガ イ ド半 径 が 変 化 し て も 同 じ で あ る. こ の よ う に,特 に 高 内 圧 下 に お い て 材 料 強 度 に よ る寿 命 差 が 生 じ る の は,同 じ荷 重 条 件 に お け るCTの ひ ず み パ ラ メ ー タ(相 当 塑 性 ひ ず み 範 囲 Δεpeqと ラ チ ェ ッ トひ ず み δmean)に 差 が 生 じて い る た め と考 え られ る.そ こ で, ガ イ ド半 径 が72inch一 定 で 内 圧 を 変 化 さ せ たCase2∼ 4の 荷 重 条 件 を対 象 に,FEM解 析 で 得 られ たL80とT95 の ひ ず み パ ラ メ ー タ を比 較 す る こ と と し た.Fig,18に, 寿 命 予 測 位 置 に お け るL80とT95の 相 当 塑 性 ひ ず み 範 囲 Δεpeqと 内 圧 の 関 係 を,Fig.19に,同 じ位 置 に お け る L80とT95の ラ チ ェ ッ トひ ず み δmeanと 内 圧 の 関 係 を そ れ ぞ れ 示 す.Fig.18よ り,相 当 塑 性 ひ ず み 範 囲 Δεpeqは 内 圧 が1500,3000psiの 場 合 に はL80とT95で 特 に 差 は み られ な い が,内 圧 が6000psiの 場 合 に はL80に 比 べ T95の 方 が Δεpeqは大 き く な り,寿 命 の 大 小 関 係 と 対 応 して い な い こ と が 分 か る.一 方,Fig.19よ り ラチェ ッ ト ひ ず み δmeanはL80,T95と も 内 圧 が 増 加 す る と と も に 大 き く な り,内 圧 が 低 い 場 合 はL80とT95の δmeanは ほ ぼ 同 等 で あ る が,内 圧 が 高 い 場 合 はT95の 方 が小 さ く な り, L80とT95の 寿 命 の 大 小 関 係 と対 応 し て い る こ と が 分 か る.次 に 塑 性 ひ ず み 範 囲 と ラ チ ェ ッ トひ ず み に よ る そ れ ぞ れ の 損 傷 値 を 比 較 して み る と,内 圧 が 高 い 場 合,例 え

Fig. 18. Relationship between equivalent plastic strain range of L80 and T95 and internal pressure.

Fig. 19. Relationship between mean ratchet strain of L80 and T95 and internal pressure.

ば6000psiに お け るT95の1cycleあ た りの 疲 労 損 傷 値 1/Nfは5.13×10-3で あ るが,こ の 中で塑 性 ひず み範 囲 に よ る損 傷 値1/Npは3.86×10-4,ラ チ ェ ッ トひ ず み に よ る損 傷 値1/Nrは4.76×10-3と,ラ チ ェ ッ トひ ず み に よ る損 傷 の方 が圧 倒 的 に大 きい. これ らの こ とか ら,高 強 度 なCTの 方 が 長 寿 命 と な る の は,CTが 高 強度 な ほ ど δmeanが小 さ くな るた めで あ り, この傾 向 が 内 圧 の高 い場 合 に顕 著 に あ らわ れ るた め と推 測 され る.た だ し,今 回比 較 したL80とT95は 材 料 の 延 性,低 サ イ クル疲 労 特 性 が ほ ぼ 同等 で あ った た め に,高 強 度 なT95の 方 が長 寿 命 とな った が,仮 に高 強度 に して も延 性 が著 しく低 下 して しま えば,材 料 の低 サ イ クル 疲 労 特 性 が悪 くな り,結 果 と して 長 寿 命 化 で きない 可 能 性 が あ る.し た が って,実 際 に材 料 設 計 をす る と き に は, 強 度 と延 性 のバ ラ ンス を考 慮 す る必 要 が あ る. 本 章 で検 討 した よ うに,小 型 試 験 片 の疲 労 試 験 結 果 と FEM解 析 結 果 を用 いた疲 労 寿 命 予 測 法 に よ り,CT実 体 の 低 サ イ クル疲 労 寿 命 を精 度 良 く予 測 で き る こ とが明 ら か とな っ た.ま た本 寿 命 予 測 法 を適 用 す る と,CTを 長 寿 命 化 す る ため の材 料 特 性 の検 討,あ るい は,使 用 条 件 が決 ま って い るCTに 対 す る最 適 な材 料 特 性 の 検 討 を, 実 体 のCTを 用 いず に実 施 す る ことが可 能 とな る. 6 結 言 コ イル ドチ ュ ー ビ ング(CT)の 低 サ イクル 疲 労 寿 命 特 性 を明 らか に し,そ の寿 命 予 測 法 を開 発 す る こ とを 目的 と して,実 体 疲 労 試 験,小 型 試験 片 を用 い た疲 労 試 験, 実 体 疲 労 試 験 を対 象 と したFEM解 析 をそれ ぞれ 実 施 し た.そ して,こ れ らの結 果 か ら実 体 疲 労 試 験 で の疲 労 寿 命 の予 測,お よびCTの 疲 労 寿 命 に及 ぼす 材 料 強 度 の影 響 評 価 をそれ ぞれ 実施 した.以 下 に主 な結 果 を示 す. (1) 小 型 試 験 片 の疲 労 試 験 結 果 とFEM解 析 結 果 か ら 予 測 したCTの 疲 労 寿 命 は,荷 重 条 件,材 料 強 度 に依 ら ず 試 験 結 果 とよ く一 致 して お り,精 度 良 く予 測 で きる こ とを確 認 した. (2) 実 体 疲 労試 験 結 果 よ り,内 圧 が高 い場 合 には低 強 度 なL80に 比 べ高 強 度 なT95の 方 が長 寿 命 とな る こ とが 明 らか とな った.こ の理 由 につ い て(1)の 寿 命 予 測 法 を 適 用 して評 価 した結 果,T95の 方 が ラチ ェ ッ トひず み が 小 さ くな るた め と推 測 され た.こ の よ うに,本 寿 命 予 測 法 を適 用 す る こ とで,材 料 設 計 の指 針 を得 る こ とが可 能 とな る. 参 考 文 献

1) T. Urayama, T. Yonezawa, M. Hamada, M. Sugino, H. Takabe, and A. Ikeda, Proc. the 2000 IADC/SPE drilling conferrence,

59164 (2000).

2) 時 政 勝 行,田 中 健 一,新 田 勲,材 料,35,1030(1986) _.

3) S. S. Manson, G. R Halford and M. H. Hirschberg, "Design of Elevated Temperature Environment", p. 12 (1971) ASME. 4) S. S. Manson and G. R. Halford, 1976 ASME-MPC Symposium

on Creep-fatigue Interaction, 283 (1976).