上鋳鉄管の製造法および材質強度改善の歩み

1
3
5
上鋳鉄管の製造法および材質強度改
善の歩み
ぬ強度を有し、しかも伸びを持つという真に
夢のような材料であった。しかしながらその
わが国に鋳鉄管の規格が制定されたのは大
製造はきわめてむつかしく、これを実製品に
正1
4年である。引張強さ 1
2
.5k
gf
/
mm2 という、
応用することは至難のことであった。その後、
いわゆる普通鋳鉄管であった。その後、キュ
9年世
関係者の長年の難難辛苦を経て、昭和2
ポラ溶解において鋼屑を利用する技術が開発
界にさきがけて日本で大口径の立吹ダクタイ
され、鋳鉄の炭素含有量を減少することが可
ル管の製造に成功した口ついて ¥ 昭和 32年に
能となり、鋳鉄管の強度は向上し、昭和 8年
はサンドレジン遠心力鋳造法が完成し、夕、、ク
には水道用高級鋳鉄管の規格が制定され、引
タイル管の大量鋳造方式が確立した口昭和 34
gf
/
mm 以上となった。
張強さは 25k
2
9
4
8年に鋳鉄にわける今世紀最
ところが、 1
年には、最初のダクタイル管の規格が鋳鉄管
6kgf
/
mm2
協会において制定され、引張強さ 3
大の発明といわれる球状黒鉛鋳鉄(通称、ダ
以上、伸び 3 %以上と規定された。また異形
クタイル鋳鉄と呼ばれる)がアメリカで発明さ
管などの置注鋳造品に対しでも、 Y ブロック
れた。これは、鋳鉄でありながら鋼と変わら
試料にて 4
0k
gf
/
mm2以上、伸び 10%以上と定め
1
3
6
ダクタイル鉄管
られた。
その後も製造技術は進歩し、中でも黒鉛を
昭和 5
8
.1
0 第3
5号
貿易に関する一般協定)のスタンダードコー
ドを承認したことにより、
J
I
Sと ISOとの整
球状化させるために鋳造溶湯の中へ純マグネ
合をはかる必要が生じてきた口そのため、昭
シウムを導入する、当時では画期的な圧力添
和 57年 10月に
加法が開発されるに及び、夕、、クタイル鋳鉄の
団体規格を統合し、呼称、も国際的な「ダクタ
品質上の基本問題である黒鉛の球状化処理が
D
u
c
t
i
l
eI
r
o
np
i
p
e
s
)となり、引
イル鋳鉄管 J(
きわめて容易確実に、しかも経済的に実施で
/
mm2以上、伸び 10%以上と向上し
張強さ 42kgf
きるようになり、夕、、クタイル管の信頼性は格
適用呼び径も 75~2600mm まで拡大された。
段に高まったのである。そして昭和 36年には
J
I
Sの大幅改正が行われ、各種
またこれまで 6mが限度であった管長につ
ISO並みの 7m、 8mおよび 9mの長
日本水道協会規格ができ、遠心力夕、、クタイル
いても
管の引張強さは 38kgf
/
mm2以上とされた。
尺管の製造が可能となった。
その後も製造技術の改良進歩が絶えず行わ
このようにダクタイル管の材質強度の向上
、 80t/時とい
れ、たとえば溶解速度が40t/時
には不断の努力がなされてきたが、今後も一
う超大型キュポラを 450~5000C という熱風で
層の改良が期待される口
操業する技術が開発され、高温の優れた性質
の溶鉄が容易に得られるようになるとともに、
2園地下埋設管挙動解明への努力
黒鉛の球状化を阻害する硫黄を除去する方法
ところで、ダクタイル管の多くは地下に埋
も実用化され、品質と経済性はさらに向上し
設されるわけであるが、一般に地下埋設管の
たのである。また品質管理にわいても、カン
挙動は従来からあまり系統的には解明されて
トパック分析器という迅速分光分析法が導入
おらず、経験的なものが多かった。そこでダ
され、鋳造前に取鍋ごとに化学組成をしるこ
クタイル管の開発を契機として幾多の研究が
とができることになり、成分調整が確実に行
重ねられたものであった。地下に埋設される
われるようになった。昭和 47年には、異形管
管の安全性を検討する場合、管に作用する荷
の Y ブロック試片の伸びが 15%以上とアップ
重条件、すなわち土庄の大きさおよび土圧分
され、さらに昭和 49年には遠心力ダクタイル
布を解明することが重要なポイントとなる。
管について管体からの試片による引張強さ 40
そのため表 - 1に示すような各種の埋設実験
/
mm2以上、伸び 5 %以上とグレードアップ
kgf
が継続的に行われてきた。また、実際の埋設
され、同時に水圧テストも呼び径 75~ 300mm
工事過程でも実測が行われ、その安全性はい
に対しては 50~60kg f/crrf 、日乎び径 350~600mm
ろいろの角度から検討されている。現在その
に対しては 40~50kg f/crrf 、呼び径 700~1000mm
結果のうち、以下のものが活用されている。
に対しては 35~ 40kgf
/crrf 、呼び径 1100~ 1500mm
に対しては 30kgf
/c
r
r
fと大幅に引き上げられ、
J
I
S
)水道用球状黒鉛鋳鉄管と
日本工業規格 (
して規格化されることになった。現在では、
1. 埋設管に作用する土圧
(1)埋戻土による土庄
埋戻土による土庄の計算式としては、ヤン
セン公式が実際とよく合致する。なお、土被
呼び径 2600mm管という超大口径管が製造され
りの浅い場合は垂直公式でも大差なく、計算
ているが、大口径になればなるほど呼び径に
も簡単なことから使用することができる。
対する寸法精度の割合が従来の方式に比較し
て高いものが要求され、ここにも格段の製造
技術の向上がなされた。
昭和 50年代に入ると国際化の気運が一段と
高まり、国際規格に合致した製品が要求され
るようになり、わが国が GATT(関手足および
ヤンセン公式
持 (1-e-2K.tan
併 ~)B
Wr:垂直土庄
γ:土の単位体積質量
K:ランキン係妻女
〔
一(
l
s
i
n再)/(1+sin併)
J
137
ダクタイル管 30
年の歩み
再:土の内部摩擦角
たものとほぼ同様になる。また、波形につい
H:土被り深さ
では車輪直下、すなわち最大値は1.5の衝撃係
B:溝幅
数を乗じたものに近いが、平均値はむしろ衝
e 自然対数の底
撃係数を乗じないものに近い。
垂直公式
ブーシネスク式
Wf=YH
Wf :垂直土圧
3
P
Y
:土の単位体積質量
H3
_
5
7
J Hgr
p
:地下の任意の点にわける垂直圧力
H:向上点の表面下の深さ
H:土被り深さ
Hs:Pの作用点から向上点までの傾斜
(
2
) トラック荷重による土圧
各土被りにおける車輪直下の土庄はブーシ
した距離
ネスク式より得た値に 1 .5の衝撃係数を乗ピ
P:集中荷量
図 -1
土被り 6mの実験における実測土圧と計
算土庄(呼び径 700mm夕、クタイル管)
l
.2
1
.0
0
.
8
宮
、¥
』
土被りが 2mに達した時、
0
.
6
轟が崩
矢板を抜いた所、 j
幅が1.2mから 2.8m 出
れて溝i
に拡がった。
+
1 0.4
土圧計
0
.
2
0
0ダクタイル管
持7
。
3
4
m
)
土被り (
図 - 2 各土被りにおける車輪直下の土庄
(呼び径 1350mm)
0
.
4
0
図 - 3 管頂線上の土庄分布(呼び径 1350mm)
0
.
3
5
0
.
3
0
骨圃輔恒実測値
一一一計算値
)
(衝撃係数l.5
一-一計算値
)
(衝撃係数1.0
回目白幽実測値
一一一計算値
)
(衝撃係数l.5
--一計算値
)
(衝撃係数1.0
宮
:
;
:
;
.0
.
2
5
b
J
l
~
出 0
.
2
0
E
刊
0
.
1
5
0
.
1
0
0
.
0
5
0
0
.
5
l
.0
.
0
l
.5 2
m
)
土被り (
2
.
5
3
.
0
0
.
5
0
0
.
5
.
0
l
.0 l
.5 2
m
)
車輪直下からの距離 (
138
表 -1
N
o
.
管
穂
管厚
(
m
m
)
管世 1
3
5
0
1
2
.
0
2 ダクタイル管1>1350
2
0
.
0
3
"
'
1
7
.
5
4
"
2
0
.
0
1 鋼
5
。
6
今
7
1
8
9
，
。
か
1
0 ダクタイル管1>700
1
1
。
1
2
"
1
7
.
5
土質
っき
固め
地行
シルト
無
"
"
"
"
'
2
0
.
0
鳥居
1
7
.
5
シ
イ
2
0
.
0
コ
ト
布
ンクリー
1
7
.
5
シ
ィ
1
0
.
0
地行
，
1
"
"
'
"
'
1
，
。
1
4
q
1
1
5
1
1
2
.
0
。
1
6
今
1
0
.
0
"
，
。
1
8 ダクタイル管1>1
0
0
0
1
9
々
2
0
か
2
1 ダクタイル管1>700
2
2
。
5
0
0
2
3 ダクタイル管件 1
，
今
，
1
2
6 ダクタイル管併 2200
1
，
1
1
え
〉
1
，
。
1
"
1
.7
0
.
5
か
S.35
，
，
，
1
.0
"
シ
イ
ク
。
"
'
シ
イ
ク
無
，
1
1
有
1
無
1
，
1
q
"
，
1
ク
砂
1
.3
1
.7
シ
イ
2
.
0
，
"
々
1
.5
1
.0
1
.5
2
.
0
，
，
"
'
。
"
'
ク
"
'
水圧 10kgf
/c
n
f負荷
"
'
20TON トラック通過
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
"
1
"
1
"
1
3
.
0
，
1
1
9
.
0
。
"
'
q
'1
1
2
.
0 溝固底めをるっき
2
8
.
0 構固底めをるっき
シ
イ
6
.
0
1
2
.
0
コ
ト
床
ンクリー
マサ
"
'
。
砂及び山土
"
'
無
。
"
。
有無
砂及びシルト
無
砂
1
，
砂
"
"
1
有
。
2
2
.
0
q
1
，
無
"
'
シ
イ
"
，
，
，
，
右
3
2
.
5
シ
イ
三
〉
地行
2
7
.
0
"
2
2
.
0
q
2
3
.
0
"
水圧 2
0
k
g
f
/
c
n
f負荷
6
.
5
水圧 25kgf
/c
n
f負荷
1
4.0
3
.
6
2
1
0
.
8
T
T
O
NN
O ト鉄ラ塊ッ落ク下
通過
シ
イ
3
.
0
3
.
2
1
1
，
3.0
土圧被り中 1.5mは
負
ク
盛
通
荷土
過
水
13k
卜
gf
/c
r
1
20TON ラッ
S.40
広
〉
"
，
1
4.4mX1
.6mX4.5mの
実験装置で試験油圧ジヤ
S.43
ッキにて載荷
無
有
無
シ
イ
1
.5
，
1
"
'
3
.
5
S.38
S.39
水圧 28kgf
/c
n
f負荷
1
1
1
2
.
6
，
，
シ
イ
q
4
.
5
シ
'
今
，
9
.
0
1
5
.
0
2
.
8
，
1
1
1
，
，
"
6
.
0
"
q
，
2
.
8
※5
2
05
で
4m
試×験
5m2
×
1
.
1
6
.
T
8
m
O
ピ
N
重ッ錘ト内
戴荷
山土及び粘土
S.36
今
，
1
"
'
土被り中盛土 2m
1
1
。
4
.
0
"
'
か
9.0
，
，
で
4m
試×験 5
7
m
.
2
×
T
1
O
.
N
8
m
重ピ錘ッ戴ト荷
内
。
1
2
.
0
2
.
2
※1.2
シ
イ
q
今
"
4
2 ダクタイル管1>2200
，
"
'
砂
3
3 ダクタイル管1>700
4
1 ダクタイル管1>2600
1
，
1
今
3
2 ダクタイル管1>300
"
。
，
q
。
4
0
1
，
有
3
1 ダクタイル管1>2000
ク
1
，
今
地行
3
9
"
1
砂
今
2
6
.
5
2
0
.
0
"
'
"
'
"
'
1
.5
。
"
"
"
"
砂
1
0
.
0
3
5
0
3
7 ダクタイル管1>1
"
'
"
'
"
"
ゐ
3
0 ダクタイル管持 600
3
8
"
'
有
"
'
S.34
，
管を底謹にく定盤
q
"
'
砂
20TONトラック通過
実施
年度
1
地行
3
6
"
'
f
也
。
溝固底めをるっき
3
5
2
2
.
8
の
"
1
6
.
8
3
4
2
.
1
"
そ
"
シJ
レ
ト
2
2
.
5
，
土被り
(
m
)
"
"
砂及びシル卜
2
7 ダクタイル管1>1650
1
"
'
"
'
か
2
8 ダクタイル管併 1200
2
9
"
溝幅
(
m
)
今
5
.
0
2
4 ダクタイル管併 1350 1
2
5
"
'
シ
イ
今
1
3
.
5
実施した埋設実験の種類
基礎
1
3
1
7
昭和 5
8
. 10 第 35号
ダクタイル鉄管
4.0
4.0
"
え
〉
。
少
イ
q
1
有
5
.
5
，
5
.
0
土被り中盛土 2m
S.44
水圧 10kgf
/c
n
f負荷
水
ラ
圧
ッ
ク
1
0
遜
kg
過f/
c
土
d負
被荷り中
2
0
感
T土
ON3ト
m S.57
ダクタイル管 30年の歩み
2. 埋設管の土圧分布
139
しかし、管底が極度に固い場合であっても、
埋戻土をサラサラした砂に置き換えれば荷重
(
1
) 土圧分布
夕、、クタイル管の埋設実験によれば、埋戻土
条件はかなり改善される。また、埋戻土を砂
台よびトラック荷重により管に作用する土圧
に置き換え、さらにこれをっき箇めることは
分布は図 - 4のごとくである。埋戻土による
きわめて効果的である。管底の支持角は一般
土圧分布において管底の支持角 2θ は埋設条
には、表 - 2のごとく考えることができる口
件によって異なるものである。
表一 2 各埋設条件に対する支持角
(
2
) 管底の支持角
っき
固め
埋設条件
管底の支持角は、管底の条件、埋戻土の種
類、っき固めの有無などによって異なる。管
一般的な地盤の場合
無
底の条件については、コンクリート底のごと
溝
置
底
く
場
が
強
合固な場合で溝底に砂を
"
'
く固い場合には支持角はもっとも小さく、砂、
粘土と軟かくなるにしたがって支持角は増大
している口
溝底換が強え聞場な場合合で埋戻土を砂
で置
る
//
溝底が強固な場合
ク
管底の
支持角
0
60
表 -3 埋設実験結果の例
供
試
管
1
2
3
4
5
o
1350
o
1350
持1650
再1650
世1200
15mm
12mm
22.5mm
22.5mm
16.8mm
G
G
12mm
12mm
2.8m
2.8m
3m
4.35m
20cmの厚さに砂を
栗石、砂などをつ
20cmの厚さに砂を
20cmの厚さに砂を
の
敷いたが雨のため
き固め固くした。
敷いた。
敷いた。
状
態
軟弱となった。
呼び径
管
厚
モルタルラ
トイニング厚
掘削幅
。
4mX5mX1.8m深
さのコンクリート
j
底
幕
埋
管底に剛性体(鉄
した。
土被り
4.5m
6.5m
(2mは盛土)
3.2m
3.2m
管項 50cmまで砂，
山土十以土
管頂上 15cmまで砂
管頂上1.5mまで
他は掘削土砂
砂、他は掘削土砂
オ
今こ
ζ
ミ
埋戻土
件
製ピット内。
板)を敷き強聞に
設
埋戻土
他は山土+灰土
なし
なし
の
っき固め
実
思
食
手
吉
果
なし
なし
土被り 15cmで、水締
土被り1.5mで、水
め
締め
管頂上 1 mまで砂
で埋めたあと、逗
錘を裁荷。
なし
図 - 5、 j
葬底が軟
図- 6、溝底が回
らかしミとしミうこと
い場合であっても
は普通にあり得る
土被りの増加に伴
たところ、支持角
90。程度であった
ことと思われるが、
い支持角も増大し、
干
皇
は 180 から 120。
が、水締めを行っ
かわらず、支持角
この場合はむしろ
土被り 2mでは支
度に減少したが、
たあと 120。程度に
は 40 ~60 。となっ
管底に砂がよく回
持角は 60。弱とな
これは矢板除去に
なった。
た
。
80。程
り支持角は 1
り、土被り 6.5m 伴う側土庄、土の
度になった。
では約 90 となっ
0
た
。
[
'
;
<
J
7、土被り 2.1 f
]
<
]-7、土被り1.5 図 - 8、管底に向。
m までは支持角は i
生体を置くという
m の時矢板を抜い
0
摩擦力の低下など
に起[却するものと
思われる。
苛酷な条件にもか
0
0
40
1
4
0
昭和 5
8
.1
0 第3
5号
ダクタイル鉄管
図 - 4 埋設夕、クタイル管の土圧分布
埋戻土による土圧分布
トラック荷重による土圧分布
図 - 7 実験 No.3、No.4:呼び径 1650mm夕、クタイ
Wt
ル管における土被り深さと発生応力の関
係
、
什
﹀
waM
値値
i
J測4・
測 w LfM
値比実尚実﹁喝↓んW
算験の験の+時ー古開凶 1
一@×一
2
つ白
(日)心揮吋
計実で実で﹁F
3
図 - 5 実験 No.1 :呼び径 1350mmダクタイル管埋
設実験における土被り深さと発生応力の
関係
。
応
、
4
η︿リ円
r
u
(
g
) 心穏川村
一計算値
@実測値
図 - 8 実験 No.5:呼び径 1200mmダクタイル管埋
設実験における土被り深さと発生応力の
o
関係
1
0
応
図 - 6 実験 No.2:呼び径 1350mmダクタイル管埋
設実験における土被り深さと発生応力の
一一計算値
@
実測{直
A伎町ぺ
「斗-.W
ーキt.
<
¥
t
T
-W
U
(
E
) 心穏刊
関係
ワ
ム
2frl
f
IW/sinJ
I
4‘
nd
ワμ
2
0
応
川一関川一切
。
同市
(
日 ) P 様判
一計算値
申実測値
。
1
0
応
ダクタイル管 30年の歩み
3. 内、外圧同時負荷時の挙動
1
4
1
図 - 9 土被り、内圧、応力の関係実測値、呼び
管は埋戻土により、垂直方向に縮み、水平
径 1350mm、管厚 15mm
方向に膨らんでいるため内圧が作用するとフ
2
0
ープストレス以外に管を真円に復そうとする
力が働き、応力変化を生ずる。すなわち、埋
設管に水圧が作用すると管を真円に復そうと
する力が働き、垂直たわみは減少する。これ
1
0
に伴い、管に生じていた応力も減少するが、
フープストレスが加算されるため、埋戻土に
習
'
bD
よって生じていた応力より減少することはな
~
い。内、外圧同時負荷時の実験例を図 - 9、
R
也
10に示す。
開
士
H
4
.管種選定
ダクタイル管の管厚計算式は、前述の埋設
実験結果をもとにして静水圧、水撃任、埋戻
土による土庄、
トラック荷重による土圧を全
-10
部同時に考慮し、安全率も加味して誘導され
。
ている。計算式を以下に示す。
1
0
(
1
.25Ps+Pd
)+J
(
1
.25Ps+Pd)2+8.4(Kfwf+Ktwt)~D
28
水
1
5
2
0
2
5
庄 (
k
gf
/c
ぱ
)
図 -10 土被り、内圧、応力の関係実測値、呼び
T=(t+2)X1
.1
t+2孟 10mmの場合
T =(
t+2)十 1
t+2く 10mmの場合
径 2600mm、管厚 32.5mm
1
0
T:公称管厚
2.5}管
}
内
t 計算管厚
P
S :
}
面
静水圧
Pd:水撃庄
町:埋戻土による土圧
Wt
トラック荷重による土庄
D.呼び径
Kf:管底の支持角によって定まる係数
置一管管
立
{
60。
0.132
(
百U¥
百三門で恒川閉山時
S:管材の引張強さ、 4，200kgf
/cr
l
'
0.233
H…土被り
Kt : 管項 0.076
管底 0.011
管項、管底の両者について計算し大きい方
を採用する。
なお、式中静水圧に対し安全率
2.5
水撃圧に対し安全率
2.0
埋戻土による土圧に対し安全率
2.0
。
2.5
5
7
.
5
/cr
r
1
)
水庄 (kgf
m
1
4
2
昭和 5
8
.1
0 第3
5号
ダクタイル鉄管
トラック荷重による土圧に対し安全率
2.0 を含んでいる。
管に作用する内圧のうち、静水圧は容易に
設定されるが、ウォータハンマについてはこ
以上述べたことは多くの埋設実験式、ある
れまで十分な解明がなされないままに管路の
いは実管路での測定結果から導いたまとめの
設計が行われる例が多かった。近年、管内の
一部であるが、こうした不断の努力によって
使用圧力は次第に高圧化の傾向を示し、管の
埋設管の地中での挙動がかなり明確にされて
安全性を保言正するためにもウォータハンマの
きたといえよう。
挙動確認が重要な問題となっており、基礎的
3
. ウォータハンマの研究
な研究に取組んできた。
図 -13 チェッキ弁を閉鎖した場合の圧力上昇
(はずみ車なし、計算値と実験値の比較)
図 -11 管路縦断面図
6
.
0
電源遮断しでから 9
.
9秒
後に閉鎖した場合
チ
へ 1キ弁」
/
つ
会
ポンプ
吸水面
からの
高さ
追加
距離
空気弁
-~300 ダクタイム主
電源遮断しでから 9
.
3秒
後に閉鎖した場合
￨ポンプ出口圧力￨
は吸水面からの
圧力に換算した
3
.
8
2
I
(
m
)1
0
5
.
0
計算値
x 実験値
0
H=20.3m→ h=l
Q=7.57m'/min I
電源遮断してから 7
.
5秒
→ q=l
I
I
lf3.0 後に閉鎖した場合
I
lt>
6
2L
3.7~ー閉鎖遅れ
2L
3
.
1
4
τ一閉鎖遅れ
2L
図 -12 弁全開の場合の過渡現象(計算値と実験
値の比較)
弁全聞の場合
の過渡現象
2
.
0-";iー閉鎖遅れ
2L
1
.4
3コ
γ閉鎖遅れ
‘喝込..._j
-1.0
1
0
唱Eよ
ハU
き
i
l
'
力圧。と
庄のたた
口らしきけ
出か算とつ
プ面換のを
ン水にし車
j11車ず
介句法
山田ハ
ポ眼力なみ
値植みは
験算ず⋮
実計は線
線線線点
太細実一
q(
流量)
-1.0
1
.0q(流量)
-0.2
ダクタイル管 3
0年の歩み
これまでにもウォータハンマの理論は発表
されているが、管路における実際的現象の裏
付けは少なかった。そこで実験用ダクタイル
管路を布設してポンプ系、自然流下系のウォ
ータハンマについて基礎的実験を試み、現在
その結果が実際の管路設計に役立っている口
実験管路、装置の概略を図ー1
1に、その結果
の一部を図 -12に示す D
ポンプ系ウォータハンマの計算方法として、
微分方程式による法、逐次加算法、図式計算
法が主に用いられているが、ここでは図式計
算法を試みた。弁全開時の過渡現象(図ー 1
2
)、
チェッキ弁閉鎖時の圧力上昇(図 -13)などの
図からは、いずれの場合も実測値に合致する
計算式を見出すことができた。この結果はコ
ンピュータ化され、活用されている。
布設管路のウォータハンマについては、図
式計算法による計算で十分予知でき、最高圧
力、水柱分離の発生の有無などもほぼ正確に
推察できる。
また、自然流下系についても弁を緩閉鎖、
緩開放、急閉鎖した場合の圧力、流量の過渡
現象とほぼ合致する理論式が確認されている。
1
4
3

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