JP2021139483A - 流体輸送管 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構造で軽量な流体輸送管を提供する。【解決手段】 流体輸送管１は、主に可撓管３、樹脂層５、内圧補強層９、軸力補強層１１、保護層１３等から構成される。可撓管３の外周部には、樹脂層５が設けられる。樹脂層５は、可撓管３内を流れる流体を遮蔽する。ここで、可撓管３と樹脂層５とを合わせて内管７とする。内管７の外周部には、内圧補強層９が設けられる。内圧補強層９は、主に可撓管３内を流れる流体の内圧等に対する補強層である。内圧補強層９は、繊維補強テープが巻きつけられて形成される。重なり合う繊維補強テープの一方の面には、長手方向に周期的な凹凸形状が形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば海中において液化した二酸化炭素等の流体を輸送可能な流体輸送管に関するものである。

従来、海中において浮体構造物と海底との間で油やガス等の流体を輸送する際には、可撓性を有する流体輸送管が用いられる。流体輸送管には、可撓性に加え、内部の流体の内圧に耐えうる耐内圧特性等の種々の特性が要求されている。

図７は、一例としてこのような流体輸送管の使用例を示す概略図である。図７に示す海底資源生産システム１００は、主に、浮体設備１０１と、これと接続される流体輸送管１０５等から構成される。浮体設備１０１は、係留索１１１によって海底１０９に係留されており、図示を省略する海底設備に流体輸送管１０５が接続される。

このように使用される流体輸送管としては、例えば、プラスチック管の外側に鋼製の凹型補強材を用い、開口部側を互いにかみ合うようにして２層に短ピッチで螺旋巻きし、内圧補強層を形成し、その外周に軸力補強層を及び防食層を形成した可撓性流体輸送管がある（特許文献１）。

特開平７−１５６２８５号公報

図８は、従来の流体輸送管１０５の一般的な構造を示す図である。一般的な流体輸送管１０５は、主に可撓管１１７、樹脂層１２１、内圧補強層１２５、軸力補強層１２７、保護層１２９等から構成される。

可撓管１１７は、例えばインターロック管等の可撓性を有する管体であり、管体に気密性や水密性を有していないため周囲には、流体の気密性や水密性を確保するための樹脂層１２１が設けられる。なお、可撓管１１７と樹脂層１２１との間には、必要に応じて座床層１１９ａが設けられる。

樹脂層１２１の外周部には、内圧補強層１２５が設けられる。内圧補強層１２５は、可撓管１１７内を流れる流体の内圧等に対する補強層である。内圧補強層１２５は、例えば断面Ｃ形状または断面Ｚ形状等の金属製のテープ等を互いに向かい合うように、かつ、互いに軸方向に重なり合うように短ピッチで巻きつけられて形成される。

内圧補強層１２５の外周には、座床層１１９ｂを介して軸力補強層１２７が設けられる。軸力補強層１２７は、主に可撓管１１７が軸方向へ変形することを抑えるための補強層である。軸力補強層１２７は、例えば平型断面形状の補強条をロングピッチで、座床層１１９ｃを介して２層交互巻きして形成される。

軸力補強層１２７の外周部には、座床層１１９ｄを介して保護層１２９が設けられる。保護層１２９は、例えば海水等が補強層へ浸入することを防止するための層である。

このような従来の流体輸送管は、可撓性を確保しつつ、極めて高い耐内圧特性を得ることができる。しかしながら、このような構成は、流体輸送管の重量が大きくなる。特に、水深が深くなる場合、浮体設備１０１の近傍では、浮体設備１０１から吊り下げられる部分の流体輸送管１０５の長さが増加することによって張力が大きくなるため、より強度の高い軸力補強層１２７が必要となり、ますます流体輸送管１０５の重量増が懸念される。このため、より軽量な流体輸送管が要求される。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で軽量な流体輸送管を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するため、本発明は、可撓性を有する内管と、前記内管の外周部に設けられ、繊維補強テープが巻きつけられて形成された内圧補強層と、前記内圧補強層の外周部に設けられた軸力補強層と、前記軸力補強層の外周部に設けられた保護層と、を具備し、前記内圧補強層は、複数の前記繊維補強テープが積層されて構成されることを特徴とする流体輸送管である。

重なり合う前記繊維補強テープの少なくとも一方の対向面において、長手方向に凹凸形状が形成されてもよい。

前記凹凸形状が形成された面の長手方向の表面粗さＲａは、２μｍ以上であることが望ましい。

重なり合う前記繊維補強テープの対向面の一方の面にのみ前記凹凸形状が形成され、他方の面には前記凹凸形状が形成されなくてもよい。

前記繊維補強テープは、一方の面にのみ前記凹凸形状が形成され、他方の面には前記凹凸形状が形成されず、前記凹凸形状が、流体輸送管の径方向に対して同一方向を向くように、同じ形態の前記繊維補強テープが積層されてもよい。

積層される前記繊維補強テープは、互いに逆方向に螺旋巻きされてもよい。

本発明によれば、内圧補強層を繊維補強テープで構成するため、構造が簡易であり軽量である。このため、取り扱い性や製造性が良好である。また、このように内圧補強層が軽量であるため、軸力補強層に要求される軸力が低減し、さらに軽量化することができる。

また、重なり合う繊維補強テープの少なくとも一方の対向面において、長手方向に凹凸形状を形成することで、繊維補強テープ同士の接触面を減らし、摺動性を向上させることができる。これにより、樹脂の摩耗を低減することができ、凸部よりも内部に配置された補強繊維が外部に露出し、損傷することを抑制することができる。

この際、凹凸形状が形成された面の長手方向の表面粗さＲａを２μｍ以上とすることで、上記の効果をより確実に得ることができる。

また、重なり合う繊維補強テープの対向面の一方の面にのみ凹凸形状を形成し、他方の面には凹凸形状を形成しないことで、凹凸形状が噛み合って摺動性が悪化することを抑制することができる。

この場合、一方の面にのみ凹凸形状が形成され、他方の面には凹凸形状が形成されない繊維補強テープを積層することで、同一の繊維補強テープを積層して使用することができる。

また、積層される繊維補強テープを互いに逆方向に螺旋巻きすることで、流体輸送管に捩れが生じにくく、確実に耐内圧特性を確保することができる。

本発明によれば、簡易な構造で軽量な流体輸送管を提供することができる。

流体輸送管１を示す断面斜視図。 流体輸送管１を示す軸方向断面図。 繊維補強テープ１７の巻き付け状態を示す図。 （ａ）は繊維補強テープ１７の積層状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図。 （ａ）は凹凸が形成された面の繊維補強テープの粗さ測定結果を示す図、（ｂ）は凹凸が形成されていない面の繊維補強テープの粗さ測定結果を示す図。 （ａ）は繊維補強テープ１３１の積層状態を示す図、（ｂ）は繊維補強テープ１３１の摩耗した状態を示す図。 海底資源生産システム１００を示す図。 従来の流体輸送管１０５を示す断面斜視図。

以下、本発明の実施の形態にかかる流体輸送管について説明する。図１は流体輸送管１の斜視断面図であり、図２は流体輸送管１の周方向断面図である。流体輸送管１は、例えば、前述したように、液化した二酸化炭素の輸送等のために海中で用いられる。流体輸送管１は、主に可撓管３、樹脂層５、内圧補強層９、軸力補強層１１、保護層１３等から構成される。

可撓管３は、流体輸送管１の最内層に位置し、例えばインターロック管などの外圧に対する座屈強度に優れ、耐食性も良好なステンレス製である。この場合、可撓管３はテープを断面Ｓ字形状に成形させてＳ字部分で互いに噛み合わせて連結されて構成され、可撓性を有する。なお、インターロック管に代えて、同様の可撓性を有し、座屈強度等に優れる管体であれば、ベローズ管などの他の態様の管体を使用することも可能である。

可撓管３の外周部には、樹脂層５が設けられる。樹脂層５は、可撓管３内を流れる流体を遮蔽する。樹脂層５は、例えばポリエチレン等の樹脂製である。なお、可撓管３と樹脂層５との間に座床層１５ａを設けてもよい。座床層１５ａは、必要に応じて設けられ、可撓管３の外周の凹凸形状を略平らにならすための層であり、可撓管３の可撓性に追従して変形可能である。例えば、座床層１５ａは不織布等のように、ある程度の厚みを有し、可撓管３の外周の凹凸のクッションとしての役割を有する。

なお、可撓管３の外周部に、樹脂層５が設けられるとは、必ずしも可撓管３と樹脂層５とが接触していることを要せず、例えば、座床層１５ａのような他層が間に挟まれて設けられたとしても、樹脂層５は、可撓管３の「外周部に」設けられていると称する。また、以下の説明において、「外周部」なる用語を用いる場合も同様とする。なお、図２においては、座床層についての図示を省略する。

ここで、可撓管３と樹脂層５とを合わせて内管７とする。なお、可撓管３のみで内部の流体の気密性・水密性を確保することができれば、樹脂層５は不要である。このように、内管７は、可撓性を有し、内部に流体が流れ、外部への流出を遮蔽することができれば、その態様は特に制限されない。

内管７の外周部には、内圧補強層９が設けられる。内圧補強層９は、主に可撓管３内を流れる流体の内圧等に対する補強層である。内圧補強層９は、繊維補強テープが巻きつけられて形成される。

図３は、繊維補強テープ１７が内管７の外周に巻き付けられた状態を示す図である。内圧補強層９は、複数の前記繊維補強テープ１７が積層されて構成される。なお、繊維補強テープ１７は幅方向の端部同士が突き合わせるか、ラップさせるようにショートピッチで巻きつけられる。また、積層される繊維補強テープ１７は、互いに逆方向に螺旋巻きされる。

なお、繊維補強テープ１７は、ポリエチレンやポリプロピレンなどの母材樹脂に対して炭素繊維やアラミド繊維などが一体化したテープである。なお、繊維補強テープ１７の詳細は後述する。

内圧補強層９の外周部には、軸力補強層１１が設けられる。軸力補強層１１は、主に流体輸送管１が軸方向へ変形する（伸びる）ことを抑えるための補強層である。軸力補強層１１は、平型断面形状の補強条をロングピッチで（補強条の幅に対して巻きつけピッチが十分に長くなるように）２層交互巻きして形成される。補強条は内圧補強層９の外周において、周方向に複数配置され、ロングピッチで巻きつけられる。軸力補強層１１は、内管７の可撓性に追従して変形可能である。

なお、必要に応じて、内圧補強層９と軸力補強層１１の間にポリエチレン製等の樹脂テープである座床層１５ｂを設けてもよく、また、逆向きに螺旋状に巻きつけられる２層の補強条の間に、座床層１５ｃを設けてもよい。座床層１５ｂ、１５ｃは、補強部材同士が流体輸送管１の変形に追従する際に擦れて、摩耗することを防止するためである。

軸力補強層１１の外周部には、保護層１３が設けられる。保護層１３は、例えば海水等が軸力補強層１１等へ浸入することを防止するための層である。保護層１３は、例えばポリエチレン製やポリアミド系合成樹脂製等が使用できる。なお、軸力補強層１１の外周には、必要に応じて座床層１５ｄが設けられる。座床層１５ｄは、軸力補強層１１の外周の凹凸形状を略平らにならすための層である。以上のように、流体輸送管１を構成する各層は、それぞれ流体輸送管１の曲げ変形等に追従し、可撓性を有する。

次に、繊維補強テープ１７の詳細について説明する。図４（ａ）は、繊維補強テープ１７を２層に積層した状態を示す概念図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ部における拡大図である。前述したように、繊維補強テープ１７は、樹脂１９の内部に補強繊維２１が設けられる。繊維補強テープ１７を構成する樹脂１９としては、ポロプロピレン、ポリエチレン、ナイロン等の樹脂を用いることができる。また、補強繊維２１としては、炭素繊維を用いるのが好ましい。繊維補強テープ１７における補強繊維２１の配合量は、体積含有率で４０％以上６０％以下が好ましい。

重なり合う繊維補強テープ１７の一方の面には、長手方向及び幅方向に周期的、又はランダムに凹凸形状が形成される。すなわち、繊維補強テープ１７の一方の面には、複数の凸部が形成される。ここで、繊維補強テープ１７の凸部は樹脂１９によって構成される。すなわち、繊維補強テープ１７の凸部の内部には、補強繊維２１は配置されず、補強繊維２１は、凸部以外の部位に配置される。

なお、図５（ａ）は、繊維補強テープ１７の、凹凸面の長手方向の表面粗さを示す図であり、図５（ｂ）は、凹凸面を有さない繊維補強テープ１７の表面の長手方向の表面粗さを示す図である。このように、凹凸形状が形成された面の長手方向の表面粗さＲａは、２μｍ以上、好ましくは３μｍ以上であることが望ましい。なお、凹凸形状が形成されない面の表面粗さＲａは２μｍ未満、好ましくは１．５μｍ以下であることが望ましく、この場合、凹凸面の表面粗さＲａよりも１μｍ以上小さいことが望ましい。

ここで、繊維補強テープ１７を積層させて内圧補強層９を構成した場合には、流体輸送管１の繰り返しの曲げ変形や内圧変化の際に、補強繊維２１同士の接触面が滑り、互いに擦れあう場合がある。

図６（ａ）は、凹凸形状を有さない繊維補強テープ１３１同士を積層させた状態を示す拡大図である。繊維補強テープ１３１は、母材の樹脂１３３の内部に補強繊維１３５が設けられて一体化したものである。繊維補強テープ１３１の対向面には凹凸形状は形成されずに平坦である。

このようにして繊維補強テープ１３１を積層して巻き付けた流体輸送管に繰り返しの曲げ変形や内圧変化が生じると、繊維補強テープ１３１同士が摺動し（図中矢印Ｃ）、互いの接触面が擦れあう。通常、繊維補強テープ１３１は、表面には樹脂１３３が露出し、内部の補強繊維１３５は外面には露出していない場合が多い。このため、繊維補強テープ１３１同士の摺動により樹脂１３３が摩耗する恐れがある。

図６（ｂ）は、樹脂１３３の摩耗が進行した状態を示す図である。樹脂１３３が摩耗すると、内部の補強繊維１３５が露出し、補強繊維１３５同士が擦れあう恐れがある（図中Ｄ部）。このように補強繊維１３５同士が擦れあうと、補強繊維１３５の損傷（又は破断）の要因となる。このため、繊維補強テープ１３１の抗張力が低下し、耐内圧特性が低下する要因となる。

これに対し、図４（ｂ）に示すように、繊維補強テープ１７の対向面に凹凸形状を形成することで、互いの接触面積が低減し、摺動性を高めることができる。また、前述したように、凸部には補強繊維２１が配置されないため、凸部が摩耗しても、内部の補強繊維２１が露出するまでには時間を要する。また、仮に凸部先端の摩耗により摩耗屑が生じても、摩耗屑は凹部空間に逃げることができるため、摩耗屑を挟み込んだ状態で摺動することが抑制され、摩耗の進行を抑制することができる。

ここで、図示した例では、重なり合う繊維補強テープ１７の対向面の一方の面にのみ凹凸形状が形成され、他方の面には凹凸形状が形成されない。このような同じ形態の複数の繊維補強テープ１７を用い、繊維補強テープ１７の凹凸面が、流体輸送管１の径方向に対して同一方向（図では下方）を向くように積層させることで、凹凸面と非凹凸面とが互いに接触するように積層することができる。

なお、繊維補強テープ１７は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず。補強繊維２１と樹脂１９とを一体化して押出成形する。その後、樹脂１９が完全に硬化する前に、繊維補強テープ１７をローラ等で一方の方向に所定の曲げ半径で曲げ変形させることで、曲げ内面側にしわが形成される。その後、樹脂１９が硬化すると、このしわを凹凸形状として形成することができる。

この際、曲げ加工する際の樹脂１９の軟化状態やローラ径を変更することで、凹凸高さ（表面粗さ）を調整することができる。また、補強繊維２１の径やピッチ、樹脂１９の厚み等を調整することでも、凹凸形状を調整することもできる。

この他、ローラ等の表面に凹凸形状を形成しておき、当該ローラに繊維補強テープ１７を押し付けることで凹凸形状を形成してもよい。すなわち、繊維補強テープ１７への凹凸形成方法は特に制限されない。

なお、積層する一方の繊維補強テープ１７にのみ凹凸形状を形成し、他方の繊維補強テープ１７には凹凸形状が形成されず、両面が平坦であってもよい。また、凹凸形状を有する繊維補強テープ１７は、両面に凹凸が形成されてもよい。この場合、凹凸面同士が対向してもよい。すなわち、重なり合う繊維補強テープ１７の少なくとも一方の対向面において、長手方向に凹凸形状が形成されればよい。

但し、同一形態の繊維補強テープ１７を用いることで、複数種類の繊維補強テープ１７を準備する必要がないため、より望ましい。また、凹凸面と平坦面とを接触させることで、両者の摺動性が高まるため、より望ましい。

以上、本実施の形態によれば、流体輸送管１の内圧補強層９が、複数枚の繊維補強テープ１７を巻きつけることにより形成されるため、軽量であり、また、製造も容易である。また、流体輸送管１が軽量となるため、必要な軸力が低減し、軸力補強層１１もより簡易なものとすることもできる。このように、従来のような鋼製の凹型部材等を用いた内圧補強層と比較して簡易な構造としても、例えば、常温でも５ＭＰａ程度の圧力で液化する液化二酸化炭素などの輸送に用いられる場合等、必要な耐内圧特性を確保できれば十分適用可能である。

また、積層される繊維補強テープ１７の対向面に凹凸形状が形成されるため、両者の摺動性を高め、樹脂１９の摩耗による補強繊維２１の損傷を抑制することができる。

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、流体輸送管１は、液化した二酸化炭素の輸送の他、海中でのＬＮＧや石油等の輸送にも利用可能である。

１………流体輸送管
３………可撓管
５………樹脂層
７………内管
９………内圧補強層
１１………軸力補強層
１３………保護層
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ………座床層
１７………繊維補強テープ
１９………樹脂
２１………補強繊維
１００………海底資源生産システム
１０１………浮体設備
１０５………流体輸送管
１０９………海底
１１１………係留索
１１７………可撓管
１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄ………座床層
１２１………樹脂層
１２５………内圧補強層
１２７………軸力補強層
１２９………保護層
１３１………繊維補強テープ
１３３………樹脂
１３５………補強繊維

Claims (6)

1. 可撓性を有する内管と、
   前記内管の外周部に設けられ、繊維補強テープが巻きつけられて形成された内圧補強層と、
   前記内圧補強層の外周部に設けられた軸力補強層と、
   前記軸力補強層の外周部に設けられた保護層と、
   を具備し、
   前記内圧補強層は、複数の前記繊維補強テープが積層されて構成されることを特徴とする流体輸送管。
2. 重なり合う前記繊維補強テープの少なくとも一方の対向面において、長手方向に凹凸形状が形成されることを特徴とする請求項１記載の流体輸送管。
3. 前記凹凸形状が形成された面の長手方向の表面粗さＲａは、２μｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の流体輸送管。
4. 重なり合う前記繊維補強テープの対向面の一方の面にのみ前記凹凸形状が形成され、他方の面には前記凹凸形状が形成されないことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の流体輸送管。
5. 前記繊維補強テープは、一方の面にのみ前記凹凸形状が形成され、他方の面には前記凹凸形状が形成されず、前記凹凸形状が、流体輸送管の径方向に対して同一方向を向くように、同じ形態の前記繊維補強テープが積層されることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の流体輸送管。
6. 積層される前記繊維補強テープは、互いに逆方向に螺旋巻きされることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の流体輸送管。
   

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