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SR245「二重殻タンカーの船体構造寿命に関する研究」
要約
Ship Research Panel No. 245
A Study on the Fatigue Life of Double Hull Tanker Structure
Recently, every kind of the demand for the improved safety of the ships is getting hotter. The minimization of the fatigue damage to the hull structure is one of the most serious problems to be challenged. Persistent efforts of shipbuilders, classification societies and owners have been made towards the issue, however, the present technology has reached the satisfactory level neither from the reliable fatigue life prediction nor the small fatigue crack detection points of view. In this context, Ship Research Panel No.245 (SR245) has been organized in the Shipbuilding Research Association of Japan (JSRA) and extensive studies have been carried out for 4 years supported by the Nippon Foundation.
The intended goal of the SR245 is the practical improvement in the methodology for the lifecycle management of structural safety through the development of state-of-the-art technology related to entire fatigue life assessment. The wide range of studies have been carried out focusing on the double hull VLCCs, those have been in service for around 10 years at most today.
Key findings of the SR245 are listed as follows.
・A double hull VLCC was monitored for about 2.5 years and the sea conditions and hull responses specific to the service route were clarified. It was also confirmed that the detailed statistical estimation was in good agreement with the monitored data.
・The generalized concept of short term and long term encountering storm models were developed, those are effective at the stage of both initial design and maintenance programming for all kinds of ships.
・The simplified simulation approach for the estimation of hull responses in rough sea was investigated in addition to the detailed simulation approach.
・A practical estimation method for the fatigue crack propagation was developed.
・Finally, an advanced fatigue life monitoring/management methodology packaged with rational inspection/maintenance/navigation assisting scheme was proposed.
The above is the results of the long-term efforts and support towards basic maritime research field. The contribution by the parties concerned is greatly acknowledged.
1. 研究の背景
近年、「船舶の安全性」への要求気運が高まっているが、船体構造の疲労（亀裂）損傷撲滅は重要課題のひとつである。船級協会や船主／造船所による模索・対応が継続されているが、従来型のアプローチに基づいた疲労損傷の予見は精度面の限界に直面しており且つ、局部的で微細な損傷なので検知にも困難があるのが、現状技術レベルの実態である。一方、航空機・車両や原子力産業などでは、「亀裂の成長（伝播）」を、「危険疲労亀裂寸法（補修要否判定基準）」の観点からオンラインモニタリングと定期検査とによって管理する、「先進的な構造疲労（寿命）制御・安全性管理」アプローチが実用化されている状況にある。
2. 研究の目的
1990年代に建造が開始された、載貨重量20〜30万トン級の二重殻超大型タンカー（ダブルハルVLCC）の就航・経年実績が確認されるのはこれからとなる。衝突・座礁事故などの極限時の安全性向上のみならず、経年構造部材の疲労損傷から漏油を引き起こす様な事故の防止も重要である。そこで本研究では、ダブルハルVLCCを具体的な対象として、「疲労寿命」管理に関連する各種技術の高度化をはかり、「ライフサイクルに亘る構造安全性の合理的な向上に寄与する」事を目的とした。
3. 研究の内容と主要な成果
（1）実船モニタリングの実施及び遭遇海象の高精度推定法の確立
・ダブルハルVLCCを対象として、約2.5年間就航中モニタリングを継続した。
・日本国内〜ペルシャ湾間往復航路に於ける船位、動揺や発生応力など約80点のデータを自動計測し、衛星通信経由で陸上に取り込んだ。
・計測データと遭遇海象追算結果との比較から、遭遇海象を精度良く推定する手法を確立した。
・詳細解析による（短期的な）船体応答の統計的予測結果が、実現象と大凡良好に一致する事も確認した。
（2）想定すべき遭遇海象の設定法の確立
・一般商船の疲労強度に関しては従来、経験的な比率での全世界航路就航を仮定して設計されている（従来からの船体構造強度設計条件は、特定の航路によらないと見なせる）。
・個々の船舶が遭遇する荷重と受ける（疲労）ダメージは本来航路次第の面がある。従って、特定航路に特化した構造設計最適化が行える余地がある。
・特定の構造の疲労寿命には、遭遇波高のみならず出会波向と周期の偏りの影響も大きい。
・また、疲労亀裂伝播の観点からは遭遇履歴（順序）の影響も大きい。
・そこで設計・保守計画立案時に想定すべき海象として、航路に特徴的な波高、波向、出会周期（個々の嵐モデル）の設定と併せて遭遇順序をも含む、「ライフサイクルに亘る遭遇嵐モデル」を開発した。
（3）船体構造応答解析法の検討
・波浪中の船体構造応答を正確に把握する為には、波浪による圧力、縦曲げモーメントや貨物の慣性力など、すべての荷重の重畳を考慮しつつ、遭遇波の一周期に亘る応力の履歴を計算する必要性がある。
・船舶は様々な波高、波長を有する波に様々な出会角で遭遇するので、種々の遭遇波浪条件に対して、船体構造の応力履歴を計算する必要性がある。
・上述の膨大な計算を逐一実施するのが「詳細解析法」である。本研究では、実船モニタリングの対象としたダブルハルVLCCの構造応答を詳細解析し、モニタリング結果と概ね一致すること（即ち詳細解析法の信頼性）を再確認した。
・一方SR245では、より簡便に船体構造の応力履歴を求める手段として、「相似応答関数法」、「最大・最小法による応力振幅計算法」、「代表位相による応力重畳法」及び「設計波法」などの「簡略解析」の方法論を検討した。
（4）SR245で採用した亀裂伝播のアプローチ
・一律の製造時微細きず（初期亀裂）を設定した上で、満載・バラスト積付の結果交互に生じる中期的な引張／圧縮（平均応力）状態、短期的には漸増／漸減しながら遭遇順序がランダムな嵐荷重パターンなどを一括して扱える、簡便な疲労亀裂伝播解析法を開発した。
・較正は、大型構造模型試験体を用いた、疲労亀裂伝播実験結果との比較及び、小型実験との照合で織り込んだ。簡便ながら実用レベルの精度を有する。
・従来型の累積疲労被害度のアプローチに比較して、構造毎の疲労寿命の明確化と余寿命の定量的評価が可能となった。
（5）SR245が提案する船体寿命モニタリングコンセプト
・必要最小限の計測ポイントからなる実船モニタリングシステムの仕様設定と、各部の作用応力履歴を実用的な精度で把握する方法論とをセットで開発した。
・光ファイバーや犠牲試験片等、新形式センサーについても、実用的運用の観点から検討を行った。
・船上でオンライン解析したデータを衛星通信で陸上のメンテナンス／運航管理拠点に伝送するスキームを試行し、実用性を確認した。
（6）SR245が提案する（先進的）船体寿命モニタリング運用時のイメージアップ
・個船毎の設計／建造から廃船に至るまでのライフサイクルに亘る構造疲労寿命管理を行う、先進的で合理的な全体コンセプトを確立した。
・設計時の強度設計（応力応答性能）情報、建造時の工作精度記録、就航中の遭遇海象（荷重）履歴情報・疲労亀裂伝播予測値）検査時データによる較正等に基づく、一貫した余寿命予測／追跡／監視（モニタリング）の実施に必須な、具体的方法論を確立した。
・重点的／集中的な構造安全性管理を行う為の、疲労亀裂伝播計算／個船毎の保守・点検マニュアル／運航支援（構造疲労寿命制御）情報データベースなどの各種構成技術のプロトタイプを開発し、先進的な管理実行時のイメージアップを図った。
・運用時に得られる個船の個々の構造の正確で定量的な診断情報等、従来とは異なる高度な保守・管理がもたらすメリット／効果につき、具体的に明示した。
4. まとめと成果の活用法
本研究では、ライフサイクルに亘る船舶の合理的な安全性向上に寄与する技術開発課題として、「船体構造の先進的疲労寿命監視・管理」に取り組み、全体コンセプトの確立及びその実現に必要な設計時予測からモニタリング／保守点検／運航支援までに係わる各種技術の具体的開発を試みた。
その成果として、特定の航路に就航する個々の船舶が遭遇する海象の相違を定量的に予測・追跡する事を可能とし、また疲労亀裂の成長（伝播）履歴を逐次シミュレートし、実際の疲労亀裂損傷寸法との直接の比較を可能とする技術基盤を整備した。
これらの技術進歩はそれぞれ単独でも船体構造の設計品質／安全性向上に寄与するが、特に就航中モニタリング技術と組合せた場合には、有用性が高まる。
個船毎の特定構造寿命管理の為には、個々の航路別海象特性（嵐モデル）の把握・設定、応力集中部の絶対値／分布形状の高信頼度推定及び容易な亀裂損傷検査・検知法の実用化等、具体化に伴う検討作業が必要であるが、船体構造の安全性管理高度化の為の一貫した方法論・方針を提示できた。これらは、長期間に亘る海象データの収集、疲労強度解析に関する一連の研究実施等、関係者の基礎的で継続的な努力と支援の結実である。
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