JP2021042810A

JP2021042810A - 曲管

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Publication number: JP2021042810A
Application number: JP2019165102A
Authority: JP
Inventors: 昌也硲; Masaya Hazama; 宮崎　徹; Toru Miyazaki; 徹宮崎; 聡間宮; Satoshi Mamiya; 竹田　誠; Makoto Takeda; 誠竹田; 武宣濱口; Takenobu Hamaguchi; 寛幸関根; Hiroyuki Sekine
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: JP7449056B2

Abstract

【課題】複数の短管の接合によって製造され、少なくとも隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位で高い強度を有する曲管を提供する。【解決手段】一端面のみが管軸方向に対して傾斜した短管１ａ、１ｃと、両端面が管軸方向に対して傾斜した短管１ｂを突き合わせて曲管状とし、その２つの接合部を含む管中央部の管外面全体に、繊維と樹脂とで形成される積層部２を短管１ａ、１ｂ、１ｃの厚みの０．３〜３倍の厚みで設けることにより、管中央部の全体で高い強度が得られるものとしたのである。【選択図】図１

Description

本発明は、水輸送管等に用いられる曲管に関する。

樹脂製管（ＦＲＰで形成されたＦＲＰ管、ＦＲＰ層とその間に挟まれるモルタル層で形成されたＦＲＰＭ管等）や鋼管は、軽量かつ安価であり、水輸送管の分野でも広く用いられている。このような管を水輸送管として配管する際、管路の方向が変化する位置には、通常、少なくとも一端面が管軸方向に対して傾斜した複数の短管を、曲管状となるように端面どうしを突き合わせた状態で接合した曲管が使用される。

上記のような曲管の製造方法は、通常、予め直管を管軸方向に対して所定の角度で切断して短管を複数製作しておき、これらの短管を突き合わせた状態にして接合を行う。このとき、樹脂製管の場合は、それぞれの突き合わせ部の管外面に樹脂含浸ガラス繊維等、繊維と樹脂とで形成される積層部を形成することによって接合している（例えば、特許文献１参照。）。一方、鋼管の場合は、突き合わせ部で溶接接合している。

特許第４５３６５７１号公報

ところで、上記特許文献１のような方法で製造される曲管では、例えば図５に示すように、短管５１ａ、５１ｂ、５１ｃを接合する積層部５２は、それぞれの接合部の周辺に形成されており、隣り合う接合部どうしの間に積層部５２が形成されていない部分がある。したがって、このような曲管は、積層部が形成されている接合部周辺部分がその他の部分よりも強度が高いものとなっている。

しかしながら、特に、樹脂製曲管の場合は、用途によって、隣り合う接合部どうしの間の部分にも高い強度が必要とされる場合がある。一方、鋼製曲管の場合は、全面に耐食性を要求されることが多い。

そこで、本発明は、複数の短管の接合によって製造され、少なくとも隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位で高い強度を有し、かつ耐食性のある曲管を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、少なくとも一端面が管軸方向に対して傾斜した複数の短管を、曲管状となるように端面どうしを突き合わせた状態で接合した曲管において、繊維と樹脂とで形成される積層部が、少なくとも前記短管の隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位の管外面全体に設けられており、前記積層部の厚みが前記短管の厚みの０．３〜３倍とされている構成を採用した。ここで、曲管とは樹脂製曲管や鋼製曲管を含み、短管とは樹脂製短管や鋼製短管を含むものとする（以下同じ）。

すなわち、曲管全体の表面のうち、少なくとも隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位の管外面全体に、繊維と樹脂とで形成されて補強材となる積層部を短管の厚みの０．３〜３倍の厚みで設けることにより、その所定部位の全体で高い強度が得られ、鋼製曲管の場合には耐食性も向上するようにしたのである。そして、この場合、前記積層部の厚みを前記短管の厚みの０．３〜１倍とすれば、必要な強度と耐食性を確保しつつ、製造コストを抑えることができる。

ここで、前記積層部が、少なくとも前記所定部位の管外面全体および管内面全体に設けられており、前記積層部全体の厚みが前記短管の厚みの０．３〜３倍とされているものとすれば、積層部を管外面のみに設けたものと比べて、同等の強度を確保したまま、水密性の向上を図れるうえ、管内の水流に対する抵抗が小さくなって効率的に水を輸送できるようになる。この場合には、輸送水量を確保するため、前記積層部の管内面側の厚みは、管外面側の厚みよりも小さく形成することが望ましい。そして、この場合も、前記積層部全体の厚みを前記短管の厚みの０．３〜１倍とすることにより、必要な強度と耐食性を確保しつつ、製造コストを抑えることができる。

また、前記短管の厚みと前記積層部の厚みとを合計した管厚は、前記所定部位の円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかが、同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上となるように設定されていることが望ましい。言い換えれば、前記所定部位については、円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかは同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上の性能が得られるように、短管の厚みと積層部の厚みのバランスを設計することが望ましい。

そして、前記積層部は、マットまたはスダレ材に樹脂含浸させた布状繊維層を最内層とし、その最内層の上にクロス状に織られた織布体に樹脂含浸させた織物繊維層と前記布状繊維層とを交互に積層したものとすることができる。ここで、スダレ材とは、複数の強化繊維束を一方向に対して平行かつ略等間隔に並べ、連結糸により各束を結束させつつ当該一方向に対して垂直方向に連結させてなる繊維シートのことをいう。また、織物繊維層は、編物に樹脂含浸させたものを含むものとする（以下同じ）。

本発明の曲管は、上述したように、少なくとも隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位の管外面全体に、繊維と樹脂とで形成される積層部を、基体となる短管の厚みの０．３〜３倍の厚みで設けることにより、その所定部位の全体で高い強度が得られ、鋼製曲管の場合には耐食性も向上するようにしたものであるから、接合部の周辺のみに積層部を有する従来のものよりも広い用途で使用することができる。

第１実施形態の曲管の正面図図１のII−II線に沿った断面図図２に対応した第２実施形態の曲管の断面図図３の積層部の構成を説明する模式的な拡大縦断面図従来の曲管の正面図

以下、図１乃至図４に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１および図２は第１実施形態の曲管（樹脂製曲管）を示す。この曲管は、農業用水を輸送する農水管として使用されるもので、端面どうしを突き合わせた状態で接合された３つの樹脂製の短管１ａ、１ｂ、１ｃと、これらの各短管１ａ、１ｂ、１ｃを接合するために設けられる積層部２とからなる。

前記各短管１ａ、１ｂ、１ｃは、いずれも樹脂製の直管を管軸方向に対して同じ角度で切断して製作したもので、厚みは同じである。その素材となる樹脂製の直管には、強化プラスチック複合管協会規格 FRPM K-112に記載のフィラメントワインディング成形法で形成されたＦＲＰＭ管が用いられている。また、各短管１ａ、１ｂ、１ｃのうち、両側の短管１ａ、１ｃは一端面のみが管軸方向に対して傾斜しており、中央の短管１ｂは両端面が管軸方向に対して傾斜している。そして、各短管１ａ、１ｂ、１ｃが曲管状となるように端面どうしを突き合わされた状態で接合され、両側の短管１ａ、１ｃの他端が接続管を介して農水管の直線部を構成する樹脂製直管に接続されるようになっている（図示省略）。

前記積層部２は、各短管１ａ、１ｂ、１ｃの２つの接合部を含む管軸方向の所定部位となる管中央部の管外面全体に設けられて、短管１ａ、１ｂ、１ｃどうしを接合している。この積層部２は、繊維の方向性がランダムな布状体であるガラスマットに樹脂含浸させた布状繊維層と、クロス状に織られた織布体であるガラスクロスに樹脂含浸させた織物繊維層とを積層したもので、ガラスマットおよびガラスクロスに含浸させる樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂が使用されている。

ここで、図１に示した例では積層部２が一体に設けられているが、積層部２は管中央部の全長にわたって連続するように設けられていればよく、複数の積層部が互いに隣接するものと一部で重なり合っている形態や、端面どうしを突き合わされている形態であってもよい。

積層部２の厚みＴ_２は、短管１ｂ（短管１ａ、１ｃ）の厚みＴ_１の０．３〜３倍とされている。そして、その条件の範囲で、管中央部の円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかが、同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上となるように、短管１ａ、１ｂ、１ｃの厚みＴ_１と積層部２の厚みＴ_２とを合計した管厚が設定されている。

この曲管は、上述のように、管中央部の管外面全体に、繊維と樹脂とで形成される積層部２を短管１ａ、１ｂ、１ｃの厚みＴ_１の０．３〜３倍の厚みＴ_２で設けたものであるから、管中央部の全体で高い強度が得られる。そして、短管１ａ、１ｂ、１ｃの厚みＴ_１と積層部２の厚みＴ_２のバランスを適切に設計することにより、円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかについて、管中央部を同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上の性能が得られるようにすることができる。したがって、短管どうしの接合部の周辺のみに積層部を有する従来のものに比べて、広い用途で使用できる。

図３および図４は第２実施形態を示す。この第２実施形態は、第１実施形態をベースとし、管中央部の管外面全体および管内面全体に積層部２、３を設けて、短管１ａ、１ｂ、１ｃどうしを接合したものである。

積層部２、３の厚みＴ_２、Ｔ_３は、管内面側の厚みＴ_３が管外面側の厚みＴ_２よりも小さく、かつ管外面側の厚みＴ_２と管内面側の厚みＴ_３の合計（積層部全体の厚みＴ_２＋Ｔ_３）が短管１ｂ（短管１ａ、１ｃ）の厚みＴ_１の０．３〜３倍とされている。これにより、輸送水量を確保しながら、第１実施形態と同等の強度を確保できるようになっている。そして、第１実施形態と同様、短管１ａ、１ｂ、１ｃの厚みＴ_１と積層部２、３の厚みＴ_２、Ｔ_３とを合計した管厚は、管中央部の円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかが、同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上となるように設定されている。

ここで、積層部２、３の具体的な構成は、図４に示すように、管外面側と管内面側のいずれでも、最内層として、繊維の方向性がランダムな布状体であるガラスマットに樹脂含浸させた布状繊維層Ｍを２層重ねて設け、その最内層の上にクロス状に織られた織布体であるガラスクロスに樹脂含浸させた織物繊維層Ｃと前記の布状繊維層Ｍとを交互に積層している。その織物繊維層Ｃと布状繊維層Ｍの重ね合わせ層は、管外面側で５層、管内面側で３層設けられている。

なお、上記の管外面側の積層部２の構成は、第１実施形態にも適用することができる。また、積層部２、３における布状繊維層Ｍと織物繊維層Ｃの配置は任意に変更することができるが、管外面側および管内面側の最内層には、この実施形態のように水密性の確保に適した布状繊維層Ｍを配することが望ましい。

この第２実施形態では、管中央部の管内面全体にも積層部３を設けたので、第１実施形態よりも良好な水密性が得られるうえ、管内の水流に対する抵抗が小さくなって効率的に水を輸送することができる。

なお、上述した各実施形態の積層部を構成するガラスマットは他のマット（例えば、コンティニュアスマット等）に代えることができ、ガラスクロスはロービングクロス等、クロス状に織られた他の織布体に代えることができる。また、マットの代わりにスダレ材を使用することもできる。

また、各実施形態では、３つの短管を接合した曲管に対して、各短管の２つの接合部を含む管中央部全体に積層部を設けたが、４つ以上の短管を接合した曲管については、隣り合う接合部どうしの間の部分が２つ以上となるので、そのうちで高い強度が必要とされる特定の部分のみに積層部を設けるようにすることもできる。

次に、本発明に係る曲管の強度を計算によって確認した例について説明する。その計算方法は、上述した第２実施形態をベースとする樹脂製曲管を対象として、水門鉄管技術基準（ＦＲＰ（Ｍ）水圧管編）に記載されているＦＲＰＭ水圧鉄管の計算方法を基に、下記の（１）式および（２）式によって、円周方向曲げ剛性および円周方向抵抗曲げモーメントを計算するものである。なお、この計算では、管内面の積層部および管外面の最内層となる２層の布状繊維層の影響は無視している。

ＥＩ：円周方向曲げ剛性
Ｅ_ｉ：各層の弾性係数
ｔ_ｉ：各層の厚み
ｄ：管内面から中立軸までの距離
η_ｉ：管内面から各層の中心までの距離

Ｍｒ：円周方向抵抗曲げモーメント
σ_ｉ：各層の引張強さまたは圧縮強さ

ここで、積層部（織物繊維層および布状繊維層）の物性値は表１に示すものを用いた。

そして、５種類の呼び径に対して、積層部全体の厚みが短管の厚みの０．３〜３倍となる範囲で、第２実施形態の管外面の積層部における織物繊維層と布状繊維層の重ね合わせ層の層数を３段階に変化させたものを実施例とし、対応する呼び径のダクタイル鋳鉄管を比較例として、各条件で円周方向曲げ剛性および円周方向抵抗曲げモーメントを算出した。比較例の計算では、ＪＤＰＡ規格 G 3004「Ｋ形ダクタイル鋳鉄管」で規定されている管厚を用い、曲げ強さおよび弾性係数については、ＪＤＰＡ技術資料 T32「農業用水用ダクタイル鉄管管路設計と施工」に記載されているものを用いた。実施例の重ね合わせ層の層数を表２に、実施例および比較例の計算結果を表３および表４に示す。

表３および表４の計算結果から、本発明の実施例の曲管は、ほとんどの条件で、円周方向曲げ剛性および円周方向抵抗曲げモーメントが同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上となることが確認された。

また、実施例の曲管の強度（円周方向曲げ剛性、円周方向抵抗曲げモーメント）は、各呼び径において重ね合わせ層の層数が多いほど高くなるが、呼び径５００ｍｍの場合を除いて、標準積層（積層部の厚みが短管の厚み以下となる条件）でも十分な強度が得られている。このことから、各実施形態では積層部の厚みを短管の厚みの０．３〜３倍としたが、各実施形態の積層部の厚みを短管の厚みの０．３〜１倍として、必要な強度を確保しつつ、製造コストを抑えることも可能であると言える。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、各実施形態は樹脂製曲管について説明したが、本発明によれば、鋼製短管を接合した鋼製曲管については、樹脂製曲管の場合と同様の作用効果を得られるうえ、従来よりも耐食性を向上させることもできる。

そして、本発明は、実施形態のような農水管に用いられる曲管に限らず、水輸送管等に用いられる曲管に広く適用することができる。

１ａ、１ｂ、１ｃ短管
２積層部（管外面側）
３積層部（管内面側）
Ｍ布状繊維層
Ｃ織物繊維層

Claims

少なくとも一端面が管軸方向に対して傾斜した複数の短管を、曲管状となるように端面どうしを突き合わせた状態で接合した曲管において、
繊維と樹脂とで形成される積層部が、少なくとも前記短管の隣り合う２つの接合部を含む管軸方向の所定部位の管外面全体に設けられており、前記積層部の厚みが前記短管の厚みの０．３〜３倍とされていることを特徴とする曲管。
前記積層部の厚みが前記短管の厚みの０．３〜１倍とされていることを特徴とする請求項１に記載の曲管。
前記積層部が、少なくとも前記所定部位の管外面全体および管内面全体に設けられており、前記積層部全体の厚みが前記短管の厚みの０．３〜３倍とされていることを特徴とする請求項１に記載の曲管。
前記積層部の管内面側の厚みが管外面側の厚みよりも小さく形成されていることを特徴とする請求項３に記載の曲管。
前記積層部全体の厚みが前記短管の厚みの０．３〜１倍とされていることを特徴とする請求項３または４に記載の曲管。
前記短管の厚みと前記積層部の厚みとを合計した管厚は、前記所定部位の円周方向曲げ剛性または円周方向抵抗曲げモーメントのいずれかが、同口径のダクタイル鋳鉄管と同等以上となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の曲管。
前記積層部は、マットまたはスダレ材に樹脂含浸させた布状繊維層を最内層とし、その最内層の上にクロス状に織られた織布体に樹脂含浸させた織物繊維層と前記布状繊維層とを交互に積層したものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の曲管。