深い深度でのトリプル採取の際に起こる内管の変形について

2023年7月1日

どうもボリーです。

以前深掘りをしている時に相現場になった別会社の班であるトラブルが起きました。

謎の変形

そのトラブルとはタイトルにあるように深い深度でトリプルサンプラーでの採取時に送水して掘り出そうとした瞬間に

ポンプ圧がみるみる上昇して、違和感を感じてサンプラーを地上に上げてみると、内管のアクリルが変形していたというものでした。

別班のオペさんの話を聞くと

スライムの掃除をした状態で採取深度の上の辺りから送水しながらサンプラーを孔底まで降ろすとポンプ圧が上がってしまう。

そうなると、どうにもならず上げるしかなくて上げると変形しているということだった。

しばらく一緒に現場で考えたけど何故か分からず不思議だったのでふかぼり！で相談してみると同じような状態になることがあるという意見を聞くことができた。

何故かは不明だけど起こるトラブル

世の中には真実はよく分かっていないなんてことはたくさんあるが、話を聞くとこのトラブルもそのうちのひとつのようだった。

ふかぼり！で話を聞いていると同じようなトラブルの経験者が数名いることが分かった。

トラブルが起こった際に共通している点は深度が深いときに起こっているということでした。（データが少ないが40m辺りから？）

しかしそれ以外の原因についてははっきりと分かりませんでした。

各オペレーターのお話を聞いていて中でも原因として有力に感じたのは

深い深度による水圧とアクリル内管の強度が関係して起こる変形ではないかというものでした。

深い深度による水圧の関係とアクリル内管の強度について

深い深度の水圧がどれくらいかかるのか？

アクリル内管はどれくらいの圧力で変形するのか？

について知るためにchat GPTを使用してみた。

水圧については得た答えは次の通り

ボーリング孔内の圧力の違いを計算するには、水の密度と地点間の高さ差を考慮する必要があります。一般的な水の密度は約1000 kg/m^3とされています。

まず、1m地点の圧力を計算します。水圧は、水の密度と重力加速度を掛けた値となります。したがって、1m地点における圧力は次のように計算できます：

圧力1m = 水の密度 × 重力加速度 × 高さ差
= 1000 kg/m^3 × 9.8 m/s^2 × 1 m
= 9,800 Pa (パスカル)

次に、50m地点の圧力を計算します。同様に、50m地点における圧力は次のように計算できます：

圧力50m = 水の密度 × 重力加速度 × 高さ差
= 1000 kg/m^3 × 9.8 m/s^2 × 50 m
= 490,000 Pa (パスカル)

したがって、1m地点と50m地点の間には約480,200 Pa (パスカル)の圧力差があります。

なお、上記の計算は水が静止している場合を想定しています。もしボーリング孔内に水が流れている場合や、他の要因（温度変化など）が影響している場合には、より複雑な計算が必要になる可能性があります。
chat GPT

注意、現場では泥水を使用しているし、条件は現場と全く違います。なんとなく考察しているだけですので、ご注意くださいね。

それから次にアクリル内管の変形を始める圧力について聞いてみた答え

内径がΦ65mm、外径がΦ67mmの場合、厚さは2mmとなります。

内径rを計算します：

内径r = 外径 - 2 * 厚さ
= Φ67mm - 2 * 2mm
= Φ67mm - 4mm
= Φ63mm

断面積Aを計算します：

断面積A = π * (外径^2 - 内径^2) / 4
= π * (Φ67mm^2 - Φ63mm^2) / 4
≈ 822.82 mm^2

変形を始めるための圧力Pを計算します：

圧力P = 引張強度σ / A
= 60MPa / 822.82 mm^2
≈ 72.87 MPa

したがって、内径がΦ65mmで外径がΦ67mm、厚さが2mmのアクリル管が変形を始めるために必要な圧力は、約72.87 MPaとなります。
chat GPT

アクリル管の強度が高いと言ってもこれは圧力がかかりすぎているので、今回知りたい答えと違います。

続けてアクリル管の一点が変形することについて聞いてみました。

アクリル管の変形に関しては、内部および外部の圧力の関係を考慮する必要があります。

一般的に、アクリル管の変形には内部圧力と外部圧力が関与します。内部圧力が外部圧力よりも大きくなると、アクリル管は変形を始めることがあります。しかし、具体的な変形点の計算にはより詳細な情報が必要です。

変形を始める具体的な圧力や位置を正確に算出するためには、アクリルの物性値（たとえば引張強度やヤング率）や管の形状、材質の挙動に関する詳細なデータが必要です。また、材料の非線形応力応答や局所的な応力集中も考慮する必要があります。

アクリル管の変形に関する具体的な解析や設計には、専門的な知識と適切なエンジニアリング手法が必要です。専門家や材料データを参照することで、より正確な計算や解析を行うことができます。
chat GPT

アクリル内管の1点が変形を始める圧力を簡単にでも知ろうと、chat GPTに聞いてみましたがもっと的確な質問内容で正確な数字を代入しないと欲しい答えは見えてきてませんね…。

しかし、黄色くマーカーをした部分の内部圧力が外部圧力よりも大きくなると、アクリル管は変形を始めることがあります。についてはとても興味深い情報を知ることが出来ました。

そういえば、ふかぼり！チャットの話の中でお風呂の桶を水を溜めた浴槽の中に逆さに入れた時に起こるような圧力が原因で今回の問題が起こるのではないかという話をされていましたが、そのままのイメージがトラブルの原因の正体なのかもしれない。