JP2003194261A - 補強管および耐圧容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 重量の増加を抑えて、管の耐圧を高めること
ができるようにする。 【解決手段】 補強管１は、管２の周囲に繊維糸４を巻
き付けて補強層３を形成し、管２内部の流体の圧力が増
大して、管２に降伏応力を越える応力が作用しても耐え
るように、補強する。管２は、軸２ａ方向の長さが充分
に大きく、平面ひずみ状態が成立しているとみなすこと
ができる。補強層３による補強も、軸２ａ方向を除外し
て、周方向のみでよく、炭素繊維などの繊維糸４を周方
向に巻き付けて、効率よく補強することができる。補強
管１を円形に複数回巻き付けることによって、効率よく
気体を貯蔵することができる耐圧容器１０を得ることも
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種流体、特に高
圧の流体の輸送や貯蔵に用いる補強管および耐圧容器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、各種流体の輸送には管が用い
られている。たとえば原油や天然ガスの輸送用には、長
大な距離にわたってパイプラインが敷設される。敷設さ
れたパイプラインは、過酷な気象条件などの環境下で使
用され、地盤沈下や管自体の腐食の影響を受けやすい。
パイプラインに対する適切な手入れを行わないでいる
と、パイプラインの一部が破損して、流体が漏れてしま
うようになる。

【０００３】今日、天然ガスなどの大量輸送は、低温の
液化状態であるＬＮＧをＬＮＧ輸送船と呼ばれる専用の
船舶で行われている。ＬＮＧ輸送船には、大容量の極低
温貯槽が備えられる。ＬＮＧ輸送船は大量の天然ガスを
長距離輸送することができるために、効率的である。し
かしながら天然ガスの産地では液化プラントが必要とな
り、天然ガスの消費地では極低温のＬＮＧを貯蔵し、気
化させて使用可能にする基地が必要となる。

【０００４】比較的少量の気体を貯蔵するためには、圧
力を高めることができる耐圧容器が利用される。近年、
自動車の燃料として、圧縮天然ガスＣＮＧが利用される
ようになってきている。圧縮天然ガスを燃料とする自動
車では、１回の燃料補給で走行可能な距離を大きくする
ために、高い圧力で貯蔵可能であることが望ましい。ま
た、重量や容積が大きくなると、自動車として輸送など
に利用可能な重量やスペースが減ってしまうので、耐圧
容器は軽量かつ小型であることが望まれる。特開平９−
２５７１９３号公報には、ガスバリア性を有する内殻
と、該内殻を覆うように構成され、補強繊維と樹脂とを
含む繊維強化プラスチックＦＲＰで形成される外殻とを
有し、水圧３０ＭＰａで試験しうる圧力容器が開示され
ている。自動車では、内燃機関から燃料電池へ切り換え
る技術開発も進められており、燃料電池に使用する水素
ガスの燃料を貯蔵する方法も大きな課題となっている。

【０００５】なお、天然ガスの海上輸送などを、ＬＮＧ
ではなくＣＮＧで行うことも考えられている。日本工業
出版株式会社発行、「配管技術」誌の２００１年１１月
号の第１３頁〜第２３頁には、「ＬＮＧに対抗できる経
済的なＣＮＧ海上輸送法」という解説記事が掲載されて
いる。この記事では、カナダのCran&StenningTechnolog
y社が開発しているCoselle と呼ばれるモジュールにＣ
ＮＧを貯蔵して輸送する方法が紹介されている。Cosell
e と呼ばれるモジュールは、たとえば外形が１７ｃｍ程
度、板圧が６ｍｍ程度、全長が１６ｋｍ程度の小口径パ
イプを、回転木馬などのような円形のカルーセル状に巻
いて形成される。

【０００６】さらに自動車では、搭乗者の安全を守る装
備の一つとして、エアバッグが備えられるようになって
きている。特開２００１−１６３１６６号公報には、エ
アバッグを膨らませるための気体を圧縮状態で貯蔵する
エアバッグインフレータ用高圧容器を、繊維強化プラス
チック層と、該繊維強化プラスチック層よりも内側に配
備される金属層とを有する多層体で形成することが提案
されている。繊維強化プラスチックＦＲＰは、炭素繊維
を用いて、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹
脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、
ポリイミド樹脂、不乱樹脂、マレイミド樹脂、アクリル
樹脂などのマトリックス樹脂を強化するようにしてい
る。このＦＲＰと高張力鋼による高圧容器とを組合せる
と、従来の鋼製高圧容器と同等の性能を、１／３程度の
重量で可能になることが記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】長大なパイプラインを
形成している金属管の周囲に、特開平９−２５７１９３
号公報や特開２００１−１６３１６６号公報で示されて
いるような圧力容器の補強用の繊維強化プラスチック層
を設けることができれば、耐久性を向上させることがで
きると期待される。しかしながら、既に敷設されている
パイプラインの全長に繊維強化プラスチック層を巻き付
ける工法は、非常に困難であり、実際上は不可能であ
る。またこの工法は、大略的に円筒状の圧力容器とみな
せる形状に対しての補強であるので、補強が必要な方向
には、円周方向のみではなく軸方向も含まれる。

【０００８】たとえば、特開平９−２５７１９３号公報
には、繊維の方向を内殻の軸方向に対して±５°〜±５
０°の角度と、±７５°〜±１０５°の角度とにするこ
とが記載されている。すなわち、角度範囲の中心では、
軸方向に対して９０°付近である円周方向とともに、２
８°付近である傾斜した方向にも繊維を向けるようにし
ている。特開２００１−１６３１６６号公報には、実施
例２および実施例３として、繊維の方向を軸方向に対し
て０°と９０°とにすることが記載されている。

【０００９】管の肉厚や径に対して軸方向の長さが大き
くなると、内部に圧力が作用しても、軸方向のひずみは
無視しうるようになり、軸に垂直な断面内でのみひずみ
を考えることができる平面ひずみ状態となる。平面ひず
み状態とみなせるような条件では、軸方向に繊維で強化
する必要はなく、また強化することも不可能である。特
開２００１−１６３１６６号公報の実施例１では、繊維
を円周方向に巻いて円筒状の補強層を形成しておいて、
円筒状の金属容器を圧入して高圧容器を得ることが記載
されている。このような工法は、平面ひずみ状態とみな
せる長い管に適用することはできない。

【００１０】ＣＮＧの輸送用に開発が進められているCo
selle モジュールも、金属管を曲げて形成するだけで
は、圧力に限界がある。より軽量で高圧力に耐えうるよ
うにするこことができれば、より経済的に有利なように
改善することができるはずである。

【００１１】本発明の目的は、重量の増加を抑えて耐圧
を高めることができる補強管および耐圧容器を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、断面形状が円
形で、肉厚および径に比較して軸方向の長さが大きく、
軸方向のひずみを無視することが可能で、軸に垂直な断
面内での平面ひずみ状態が成立する管と、該管の材料よ
りも抗張力が大きい材料の繊維糸が、該管の外周に巻き
付けられて形成される補強層とを含むことを特徴とする
補強管である。

【００１３】本発明に従えば、管の外周側には、管の材
料よりも抗張力が大きい材料の繊維糸が巻き付けられて
補強層が形成される。管内に管の流体の圧力がかかっ
て、管に作用する応力が管の材料の降伏応力を越える
と、管は平面ひずみ状態であるので、径が膨張して円周
方向に延びようとする。管の外周側には、管の材料より
も抗張力が大きい材料の繊維糸を巻き付けて補強層を形
成してあるので、管の膨張は抑えられ、管が単独では降
伏してしまう圧力よりも高い圧力に耐えることができ
る。管は平面ひずみ状態であるので、繊維糸による補強
は円周方向のみでよく、軽量でも有効な補強の効果を得
ることができる。

【００１４】また本発明で、前記管は鋼管であり、前記
繊維糸は炭素繊維糸であることを特徴とする。

【００１５】本発明に従えば、鋼管の周りに炭素繊維糸
を巻き付けて、鋼管単独よりも補強された管とすること
ができる。炭素繊維の密度は鋼管の約１／５であり、炭
素繊維の抗張力は鋼の降伏応力の約１０倍であるので、
約１／５０の重量増加で、管の強度を２倍にすることが
できる。

【００１６】さらに本発明は、円形に複数回巻き付けら
れる前述のいずれかに記載の補強管と、該補強管の軸方
向の両端を封止する封止部材とを含むことを特徴とする
耐圧容器である。

【００１７】本発明に従えば、繊維糸を巻き付けた補強
管を円形に複数回巻き付けて、平面ひずみ状態が得られ
るように長い管であっても、比較的小さな空間に収納す
ることができる。管の軸方向の両端は封止部材で封止し
ているので、管内は密閉された空間となり、容器として
使用することができる。円形に巻き付けられた補強管
は、１つのモジュールとして取り扱い、複数のモジュー
ル同士を積み重ねて海上輸送する際にも、補強層によっ
て強化してあるのでつぶれにくくなり、効率よく輸送す
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、（ａ）で、本発明の実施
の一形態である補強管１の基本的な構成を示す。本実施
形態の補強管１は、管２の外周面に補強層３として、繊
維糸４が巻き付けられている。管２は、断面形状が円形
で、肉厚および径に比較して軸２ａ方向の長さが大き
く、軸２ａ方向のひずみを無視することが可能で、軸２
ａに垂直な断面内でのみひずみが生じる平面ひずみ状態
が成立している。繊維糸４には、管２の材料の降伏応力
よりも抗張力が大きい材料が使用される。管２内に流体
の圧力がかかって、管２に作用する応力が管２の材料の
降伏応力を越えると、管２は平面ひずみ状態であるの
で、径が膨張して円周方向に延びようとする。管２の外
周側には、管２の材料よりも抗張力が大きい材料の繊維
糸４を巻き付けて補強層３を形成してあるので、管２の
膨張は抑えられ、管２が単独では降伏してしまう圧力よ
りも高い圧力に耐えることができる。管２は平面ひずみ
状態であるので、繊維糸４による補強は円周方向のみで
よく、軽量でも有効な補強の効果を得ることができる。

【００１９】さらに図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す補
強管１を、円形に複数回巻き付けて形成する耐圧容器１
０の外形を示す。補強管１の軸方向の両端は、栓となる
封止部材１１，１２によってそれぞれ封止されている。
平面ひずみ状態が得られるように長い管であっても、円
形に複数回巻き付けることによって、比較的小さな空間
に収納することができる。補強管１の軸方向の両端は封
止部材１１，１２で封止しているので、補強管１内は密
閉された空間となり、耐圧容器１０として使用すること
ができる。円形に巻き付けられた補強管１は、前述のCo
selle モジュールとして取り扱うことができる。本実施
形態の耐圧容器１０を用いれば、補強層３によって強化
してあるのでつぶれにくくなり、複数のモジュール同士
を積み重ねて海上輸送する際にも、効率よく輸送するこ
とができる。

【００２０】図２は、平面ひずみ状態が長い管２に生ず
る理由を示す。図２（ａ）に示すように、管２が長い直
管である場合を想定する。管２の軸に垂直な断面内にＸ
軸およびＹ軸を設定し、軸方向にＺ軸を設定する。図１
（ｂ）に示すように、補強管１が直管ではなく、円形に
巻き付けられるような場合でも、曲率半径が管径や管壁
厚に比較して充分に大きければ、直管と同様に考えるこ
とができる。図２（ｂ）に示すように、管２で長さδの
部分を考えると、軸方向に変形しようとしても、隣接す
る部分同士が相互に拘束し合って、変形することができ
なくなっている。このため変形は軸に垂直なＸ軸および
Ｙ軸を含む平面内でのみ生じる。すなわち、管２の軸方
向の長さが充分に大きければ、図２（ｃ）に示すよう
に、管２に作用する力によって生じる変形としてのひず
みは、Ｘ−Ｙ平面内にのみ発生し、ひずみを発生させる
応力もＸ−Ｙ平面内にのみ発生することになる。

【００２１】材料力学では、基本的な円筒容器で内圧ｐ
と釣り合う容器壁の接線応力σは、円筒の内径をＤ、容
器壁の厚さをｔとすれば、Ｄ＞＞ｔとなる薄肉の条件
で、次の（１）式で与えられることが知られている。

【００２２】

【数１】

【００２３】図３は、（ａ）で、管２の材料として一般
的な鉄鋼材料の応力−歪の関係を示す。鉄鋼材料を一方
向に引張ると、ある程度の伸びまでは弾性的に変形し、
歪εと応力σとがほぼ比例関係にあり、引張ることをや
めると元の長さに戻る。歪が大きくなって、応力がσＹ
に達すると、降伏が生じ、応力はほぼ一定でも塑性変形
で歪が増大するようになる。さらに引張ると、歪εの増
大とともに応力σも増大し、最大の応力σＢに達した
後、破断に至る。管２として使用可能な範囲は、降伏応
力σＹまでである。管２の材料の降伏応力をσＹとする
と、（１）式から、管２が耐えられる圧力ｐＹは、次の
（２）式で表される。

【００２４】

【数２】

【００２５】（２）式から、管２の内径Ｄが小さくなれ
ば、耐圧を上げられることが判る。前述のCoselle モジ
ュールでは、管を細くして耐圧を高め、管を巻いて全体
の容積が小さくなるようにしている。

【００２６】図３（ｂ）は、補強層３の応力σと歪εと
の関係を示す。補強層３を生成する繊維糸４の材料とし
ては、たとえば炭素繊維を利用することができる。補強
層３の抗張力σＦは、管２の降伏応力σＹよりも大きく
することができる。管２に繊維糸４を周方向に巻き付け
て補強するとき、管２の外周面と補強層３との間にわず
かな隙間が生じる。このため、内圧によって管２の壁面
が周方向に伸びる際に、管２の降伏応力σＹを越えて塑
性変形が生じてから補強層３による補強の効果が現れ
る。

【００２７】図３（ｃ）は、本実施形態の補強管１に作
用する内圧ｐと、管２の円周方向の歪εとの関係を示
す。破線は管２について示し、二点鎖線は補強層３につ
いて示す。補強管１では、実線で示すように、圧力がｐ
１に達し、管２が降伏して塑性変形で歪がε１からε２
に増大すると、補強層３が寄与して、圧力ｐ２まで耐え
ることが可能になる。いったん圧力がｐ１を越えて管２
が塑性変形すると、管２の外周面と補強層３との隙間が
小さくなり、圧力がｐ１より小さくなって、再び圧力が
ｐ１を越える際には、降伏状態で塑性変形する歪の量が
減少する。

【００２８】なお、補強層３での繊維糸４の巻き付け
で、内圧ｐが０のときに、管２内に周方向に収縮する負
の接線応力が作用するようにしておくこともできる。こ
のように予め逆方向の応力を作用させておくと、導入す
ることができる内圧に変化はないけれども、管２の変形
を小さくすることができる。

【００２９】図４は、（ａ）で、図１に示す補強管１の
補強層３を形成するために利用する糸２０の形状を示
す。糸２０は、たとえば直径が６μｍの炭素繊維糸を１
２０００本束ねて、リボン状に形成される。断面の幅ｗ
は、たとえば５ｍｍである。断面の厚さｄは、たとえば
０．１ｍｍである。このような糸２０は、全長５０００
ｍで２ｋｇ程度の重量となる。

【００３０】図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す糸２０を
管２の外周面に巻き付けている状態を示す。ただし説明
の便宜上、糸２０は間隔をあけて１層巻きで表示してい
るけれども、図１（ａ）に示す補強層３は、密にかつ多
層に巻き付けて形成する。管２や糸２０の表面を保護す
るために、糸２０の巻き付け後、エポキシ樹脂などの合
成樹脂を塗布して硬化させてもよい。管２の内径Ｄを１
０〜２０ｃｍ程度とすると鋼製の管２では降伏応力が最
大３００ＭＰａ（Ｎ／ｍｍ²）程度であり、炭素繊維糸
の引張強度は３０００ＭＰａ（Ｎ／ｍｍ² ）程度であ
る。炭素繊維糸の密度は１．８ｋｇ／ｍ³（ｇ／ｍｍ³）
であり、鋼の密度は７．９ｋｇ／ｍ³（ｇ／ｍｍ³）であ
る。すなわち、図１（ａ）で、炭素繊維糸４の密度は鋼
製の管２の約１／５であり、炭素繊維糸４の抗張力は鋼
の降伏応力の約１０倍であるので、約１／５０の重量増
加で、強化管１としての耐圧を２倍にすることができ
る。

【００３１】このときの総合的なコストは、鋼管のみの
場合の約２倍程度である。補強管１の内圧を２倍にすれ
ば、管２単独よりも２倍の量の気体を収容することがで
きる。同等の管２を２本用いれば、２倍の容積の気体を
同様に収容することができるけれども、２本の管２を保
持する空間も２倍必要となる。補強管１では、保持の空
間をほとんど増加させないで、収容する気体の量を増大
させることができる。

【００３２】以上の説明では、管２としては鋼管を使用
し、補強層３としては炭素繊維糸を使用しているけれど
も、これらの材料は適宜選択することができる。たとえ
ば、管２としては、ステンレス鋼やチタンなどの他の金
属材料や、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料などを
使用することもできる。また、既存の管２の外周に繊維
糸４を巻き付けて、耐圧の強化や劣化部分の強化を図る
こともできる。たとえば、長大なパイプラインでも、繊
維糸４を巻き付けて、寿命延長を図ることができる。繊
維糸としては、炭素繊維ばかりではなく、ガラス繊維、
アラミド繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊
維、金属繊維など、繊維強化プラスチックの強化用など
に開発されている繊維を同様に使用することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、管は平面
ひずみ状態であるので、径が膨張して円周方向に延びよ
うとしても、管の材料の降伏応力よりも抗張力が大きい
材料の繊維糸を外周側に巻き付けて補強層を形成してあ
るので、管の膨張は抑えられ、管が単独では降伏してし
まう圧力よりも高い圧力に耐えることができる。繊維糸
による補強は円周方向のみでよく、管に付加する重量は
軽量でも有効な補強の効果を得ることができる。

【００３４】また本発明によれば、鋼管と炭素繊維糸と
を組合せて、鋼管が耐える圧力を増大させることができ
る。既存の鋼管に対しても、炭素繊維糸を巻き付けて補
強層を形成することができ、パイプラインなどを有効に
補強することができる。

【００３５】さらに本発明によれば、繊維糸を巻き付け
た補強管を円形に複数回巻き付けてあるので、軸方向に
長く、平面ひずみ状態が得られる管であっても、比較的
小さな空間に収納することができる。管の軸方向の両端
を封止部材で封止して、容器として使用するので、空間
全体を囲む容器よりも多量の気体を圧縮して貯蔵するこ
とができる。繊維糸を巻くことによって管を補強するこ
とができるので、管の肉厚を減らし、材質や容量を変え
ることなくガスボンベなどの耐圧容器を軽量化すること
もできる。円形に巻き付けられた補強管をモジュールと
して取り扱い、積層して効率的な海上輸送を行うことも
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態としての補強管１および
耐圧容器１０の構成を示す断面図および斜視図である。

【図２】平面ひずみ状態が生じる理由を示す図である。

【図３】図１の補強管１で管２および補強層３の材料に
対する応力と歪との関係、および補強層３による耐圧向
上の効果を示すグラフである。

【図４】図１の補強管１で補強層３を形成するために使
用する糸２０の形状、および管２に糸２０を巻き付けて
いる状態を示す簡略化した斜視図である。

【符号の説明】

１ 補強管 ２ 管 ２ａ 軸 ３ 補強層 ４ 繊維糸 １０ 耐圧容器 １１，１２ 封止部材 ２０ 糸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3E072 AA10 BA04 3H111 AA01 BA03 BA28 CB03 CB14 CC13 CC18 DA07 DB08 DB11 DB12 4F100 AB03A AD11B AT00A BA02 DA11 DG01B DH00B DH02 GB16 JL03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面形状が円形で、肉厚および径に比較
   して軸方向の長さが大きく、軸方向のひずみを無視する
   ことが可能で、軸に垂直な断面内での平面ひずみ状態が
   成立する管と、 該管の材料の降伏応力よりも抗張力が大きい材料の繊維
   糸が、該管の外周に巻き付けられて形成される補強層と
   を含むことを特徴とする補強管。
2. 【請求項２】 前記管は鋼管であり、 前記繊維糸は炭素繊維糸であることを特徴とする請求項
   １記載の補強管。
3. 【請求項３】 円形に複数回巻き付けられる請求項１ま
   たは２に記載の補強管と、 該補強管の軸方向の両端を封止する封止部材とを含むこ
   とを特徴とする耐圧容器。