JP2013517957A - パイプの製造に用いられる中空プロファイル - Google Patents

Abstract

螺旋状二重壁熱可塑性パイプを製造するために用いられる中空プロファイル（１）であって、実質的に矩形の断面を有し、２つの側壁（５）と外壁（３）と内壁（４）が前記プロファイル内で空洞（２）を制限する。この中空プロファイルでは、パイプの内壁（４）を形成するための壁が、パイプの外壁（３）を形成するための中空プロファイルの壁（３）よりも厚くなっている。中空プロファイルの肉厚壁（４）に隣接する縁部の丸み内径（７）が、空洞（６）の他の２つの縁部の丸み径（６）よりも大幅に大きくなっており、肉厚壁（４）の内面が、プロファイルの空洞において、パイプの内側を形成するプロファイルの側で、少なくとも実質的にプロファイルの全長にわたってプロファイルの長手方向に延びるリブ（８）を備えている。

Description

本発明は、熱可塑性樹脂製プロファイル及びその製造方法に関する。特に、本発明は、実質的に矩形断面を有するとともに、螺旋状の二重壁熱可塑性樹脂パイプの製造に用いられる中空熱可塑性樹脂製プロファイルに関する。このようなプロファイル、及び中空プロファイルからなる螺旋状二重壁熱可塑性パイプの製造方法も記載している。

Ｗｅｈｏｌｉｔｅとして市販されている二重壁熱可塑性パイプの製造においては、パイプの内径に応じて、中空プロファイルがドラムなどに螺旋状に巻回され、中空プロファイルの隣接するループどうしが溶接されて、パイプの筒状壁を形成する。

このように製造されたパイプは、同量の材料を用いて製造された中実パイプに較べて、軽量で、良好な環状剛性を示し、二重壁構造によって、パイプに良好な絶縁特性が付与される。

従来の螺旋パイプの製造に用いられる中空プロファイルは、実質的に矩形の断面を有している。典型的には、その矩形の縁部はすべて同じ大きさの丸み径で丸みを有しており、中空プロファイルの各壁の厚さもほぼ同じである。溶接後に均一の厚さを有するパイプ壁にするために、接合されるプロファイルの壁は直線状で、同じ高さを有していなければならないため、必然的に矩形の断面となる。プロファイルの孔は、材料の使用を最小限にするために、外形断面の形状に沿わすことになる。

上述したこれらのパイプの壁構造は、そもそも、流体の無圧輸送を意図したものであり、土圧、地下水、輸送負荷などの外部圧に抵抗するように最適化されているが、パイプの内圧が増加する適用例に用いるようには意図されていない。内圧が増加すると、パイプの壁に損傷を与えるかもしれない。

国際公開公報ＷＯ２００４／０７６９０３号は、特に低圧または中圧下で流体を案内するために開発された上記の基本構造の実施例を開示している。ここで提案されている解決法は、中空プロファイルの肉厚壁に隣接する縁部の丸み内径が、空洞の他の２つの縁部の丸み径より大幅に大きい中空プロファイル構造である。さらに、中空プロファイルの壁の厚さは、この壁の中央部で最小となっており、この壁に隣接する２つの中空プロファイル側方縁部に向かって徐々に増加している。

公知のプロファイルでは、内圧に耐えるためにパイプの強度を向上させているが、ストレスピークは、パイプの製造及び長期使用に鑑みて最適ではない箇所に設定されている。つまり、ストレスピークは、内壁の中央で、プロファイルのループ間の溶接継ぎ目に設定されている。それ自体は問題ではないが、溶接継ぎ目は、常に、材料に切れ目を作るため、発生する切欠係数によって、特に定期的に変化する負荷下における構造の損傷や不良の危険性が生じる。典型的に変化する負荷は、異なる種類の振動に関連する。パイプにとって、変化する負荷は、比較的長期間にわたって、あるいは、例えばポンピングによって生じる急な変化のいずれかにおける圧力変化によって引き起こされる可能性がある。溶接継ぎ目はまた、材料において亀裂が進行する開始点、つまり基点となる小さな亀裂や不純物を含んでいる場合がある。これらの理由から、構造設計上の主要原則は、ストレス箇所やストレスピークを、構造の切れ目から遠ざけるような構成となる形状や寸法にすることである。これは、例えば、使用する材料、構造の全体的な利用可能性、最終製品の重量などを同時に考慮しなければならないため、困難であるとされることもある。しかし、パイプの製造に弾性材料を用いると、材料の弾性がクラックの基点周囲のストレスをいくらか吸収するため、構造的な不良を招く可能性のある亀裂が拡大しにくくなる。いずれの場合も、どのような材料を用いるかに関わらず、最大ストレスが、材料ができるだけ一貫して均一となる領域に設定されるように構成する方がよい。

国際公開第２００４／０７６９０３号パンプレット

本発明の目的は、非加圧流体及び加圧流体を、約２バール〜３バールまでの圧力で輸送するのに適した螺旋状パイプ壁を構成するために用いることのできる代替プロファイル構造を提供することにある。

本発明は、ほぼ矩形の断面を有し、パイプの内側を形成するプロファイルの側の空洞に、少なくとも実質的にプロファイルの全長に沿って延びるプロファイルの長手方向に突出部を形成する中空プロファイルを提供するという概念に基づいている。従って、断面では、プロファイルは、矩形断面の下方内側にリブを備え、このリブは、実質的に矩形の中央に向かって延びている。リブの横幅は、プロファイルの全幅の５０％未満である。

記載された種類のプロファイルは、ダイとマンドレルを備えた押出しダイヘッドを介してプロファイルを押出すことによって製造される。前記ダイ及びマンドレルは環状断面を有し、ダイの内側形状がプロファイルの外側断面を形成し、マンドレルの外側断面がプロファイルの内側断面、つまり空洞の断面形状を形成する。マンドレルは、プロファイルの空洞の突起部のサイズに対応したサイズの溝を有している。

上述の理由により、プロファイルの外側断面は、内側断面と同様に矩形を有している。

リブを備えていない中空プロファイルの３つの壁の厚さは同じであることが好ましい。

内径１２００ｍｍのパイプを製造するための中空プロファイルの肉厚の壁の最小壁厚対他の壁の壁厚の比率は、１２０：７７であることが好ましく、肉厚の壁に隣接する縁部の丸み内径は２４ｍｍであることが好ましい。

本発明によって得られる利点は大きい。プロファイルの空洞のリブによって、他の従来のプロファイルに比較して、ストレスを完全に異なる方向に分散させることができる。管構造で行われたシミュレーションでは、最大ストレスピークがリブの根元に隣接して置かれるため、溶接継ぎ目におけるストレスレベルが低下する。これにより、静荷重下における構造の強度、変荷重下における信頼性と強度の両方が高まる。そして、最大ストレスは、連続押出しによって製造される材料部分に置かれることになる。連続押出しでは、製造パラメータ及び条件が一定で、できるだけ最適に近い状態に維持されることにより、製造される材料は均一の構造を有し、亀裂の基点となる危険性のある材料欠陥を最小限に維持することができる。また、最大ストレス領域は、プロファイルの空洞に置かれる。これにより、さらに安全性が高まり、まれに内壁が破裂した場合でも、外壁は損傷を受けることなく、充分耐えることができるので、パイプで輸送される材料が漏出することも避けられる。

パイプの内面はなめらかに溶接されるので、溶接継ぎ目の切欠係数が減少するため、耐圧性が向上する。この場合、ジョイントや金具は滑らかな表面に容易に適応させることができるため、容易に製造することができる。

本発明は、ＷＯ２００４／０７６９０３号に記載された丸み内径で実施されることが好ましい。

負荷時のストレスレベルを含む、本発明の一実施例によるパイプ断面の部分概略図である。 図１のパイプの部分の別の断面図である。 第１溶接方法が用いられた場合のパイプ部分の一実施例を示す。 別の溶接方法が用いられた場合のパイプ部分の一実施例を示す。

以下、添付の図面を参照して、本発明を説明する。
中空プロファイルの材料として、ポリオレフィン、好ましくはＨＤ−ポリエチレンまたはポリプロピレンなどの押出し成形可能な熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂を、充填剤及び／または補強剤で改変することにより、環状剛性特性が高まるとともに、耐圧特性が高まる。規格によっては、加圧システムにおいてＰＥグレードで等級分けされた圧力を用いることを要件とするものもある。現在、ヨーロッパ及びアジアでは、ＰＥ８０またはＰＥ１００の材料が認められており、北米では例えばＰＥ３４０８が認められている。

ここで例として挙げるパイプは、多くの顧客の要求に沿った典型的例である。寸法目標は、大きさが内径１２００ｍｍまで、最高圧が２バール、パイプ壁構造の最大ストレスレベルが５ＭＰａである。

図１は、本発明の一実施例によるプロファイルから製造されたパイプの一部の断面図である。隣接するプロファイル１の間の継ぎ目は明確に図示されていないが、プロファイル１の２つの空洞２の間の壁の中央に位置している。プロファイルの断面は矩形であり、２つの長い壁、つまり外壁３と内壁４、及び２つの側壁５が接合されてパイプを形成している。図から理解できる通り、プロファイルのすべての壁３、５は、ほぼ同じ厚さであり、その中空の空洞２の縁部はすべて丸みを備えている。例えば、内径１２００ｍｍの螺旋傾斜パイプの製造には、断面の外側幅が９３．８ｍｍ、外側高さが７５ｍｍであるこのタイプの中空プロファイル１を使用することができる。

本発明による中空プロファイル１によって、内圧にかなりの抵抗をもつ螺旋状パイプを製造することができる。螺旋状パイプの内壁を形成する本発明による中空プロファイルパイプの壁４は、中空プロファイルの他の壁３、５に較べて基本的に厚さが大きく、内壁４に隣接する中空空間４の縁部の丸み径７は、他の２つの縁部６の丸み径より大幅に大きくなっている。好適な実施例によると、壁４の厚さはその全幅にわたって一定とはなっていない。内壁４はその中央にリブ８を備えている。リブ８は、空洞２の内部に向かって延びており、その幅が、プロファイルの側壁５の内側間の間隔の半分より小さく、内壁４の最小厚さより小さくなるような大きさを有している。つまり、管の内側に向かうよう設けられた壁の表面間の間隔は、内壁４の最小径の２倍よりも小さい。リブ８の形状は、切欠係数が最小になるように、滑らかな傾斜として内壁４に接合する滑らかな丸みの断面をもつようなものとなっている。厚さは、隆起及び側壁５の中央で最小となっており、側壁５に隣接する中空プロファイルの２つの縁部に向かって徐々に増加することにより、中空プロファイル１の空洞が、この肉厚壁２においてほぼ波形の断面を有するようになっている。内径が１２００ｍｍの螺旋状パイプを製造するためには、肉厚壁４の最小厚さは１２ｍｍ、中空プロファイル１の他の壁３、５の厚さは７．７ｍｍとなる。内壁４に隣接する中空空間２の縁部における丸み径７は、最小で２４ｍｍである。

ＷＯ２００４／０７６９０３の中空プロファイルとの比較のために、本発明のパイプ断面を、ＦＥＭ計算及び圧力テストを用いて分析した。図１及び２の線は、これにより得られたストレスレベルを示している。内圧下の最大ストレスは、内壁４のリブ８の傍にある。この領域は、参照番号９で示している（図２）。溶接継ぎ目領域１０のストレスは５ＭＰａに減少しており、これは、本発明の当初の目標値である。最大ストレスレベルはまた、継ぎ目領域から移動してきている。パイプ断面の外面を調べると、継ぎ目領域のストレスレベル（１１、１２）はより低くなっており、溶接された分割壁５、５の内側のストレス１３は、より広い領域にわたって広がっており、点状ストレスは減少している。この結果から明らかなように、パイプの耐圧特性に関して、かなりの改善が、本発明による中空プロファイルよって達成される。

図３及び４は、本発明によるプロファイルで製造された２つの異なる種類のパイプ断面を示している。ちなみに、パイプは、断面ではなく、通常１本のパイプとして製造されるものであり、これらの断面は、説明の目的のためだけに示すものである。図３では、継ぎ目１４は、これらの種類のパイプを製造するために用いられる通常の方式で形成される。この例では、継ぎ目１４の両側に、２つの平行な溝１５が形成されている。これらの溝は、加圧された壁においてストレスピークを形成するため、壁において、最も脆弱な点となっている。しかし、パイプが適切に寸法取りされていれば、溝によるリスクはない。さらに好適な実施例を図４に示す。

図３にも示す特徴のひとつは、プロファイルは、製造されるパイプの内側及び外側表面で部分的にのみ溶接されるということである。ストレスは構造の表面または表面近くに置かれるため、全深さにわたって継ぎ目を溶接する必要はないのである。図４の溶接継ぎ目は、溶接領域１６全体にわたって平坦で、滑らかで均一な表面を形成している。これが可能であるのは、リブによってストレス分布が異なるためである。溶接が滑らかに行われると、確実に、ストレスピークを、圧力が最大になるプロファイルの外壁ではなく、リブ８の傍のプロファイルの内壁に置くことができる。滑らかな表面によって、パイプでの固定や接合が容易になるのである。

Claims (6)

1. 螺旋状二重壁熱可塑性パイプを製造するために用いられる中空プロファイル（１）であって、実質的に矩形の断面を有し、２つの側壁（５）と外壁（３）と内壁（４）が前記プロファイル内で空洞（２）を制限するとともに、前記パイプの内壁（４）を形成するための壁が、前記パイプの外壁（３）を形成するための中空プロファイルの壁（３）よりも厚くなっているものにおいて、
   前記中空プロファイルの肉厚壁（４）に隣接する縁部の丸み内径（７）が、前記空洞（６）の他の２つの縁部の丸み径（６）よりも大幅に大きくなっており、
   肉厚壁（４）の内面が、前記プロファイルの空洞において、前記パイプの内側を形成する前記プロファイルの側で、少なくとも実質的に前記プロファイルの全長にわたって前記プロファイルの長手方向に延びるリブ（８）を備えていることを特徴とする中空プロファイル。
2. パイプの内壁を形成する前記中空プロファイルの壁（４）の厚さが、この壁の中央部の前記リブ（８）で最大となり、前記壁（２）に隣接して位置する前記中空プロファイル（１）の２つの側方縁部に向かって徐々に増加し、前記壁の最薄部分が、前記リブ（８）と前記縁部との間にあることを特徴とする請求項１に記載の中空プロファイル（１）。
3. 前記リブが、前記肉厚壁（４）の最小厚さの２倍よりも小さい高さを有していることを特徴とする請求項２に記載の中空プロファイル（１）。
4. 前記リブ（８）の幅が、前記プロファイルの側壁（５）の内側間の間隔の半分より小さく、前記内壁（４）の最小厚さより小さいことを特徴とする請求項３に記載の中空プロファイル（１）。
5. 前記中空プロファイル（１）が、ポリオレフィン、好ましくはＰＥ-ＨＤまたはポリプロピレンなどの押出し成形可能な熱可塑性樹脂製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空プロファイル（１）。
6. 前記熱可塑性樹脂が、耐圧性及び環状剛性特性をさらに向上させるために、充填剤及び／または補強剤で改変することを特徴とする請求項５に記載の中空プロファイル（１）。

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