JP3369554B2 - 側壁に隣接した軸線方向の繊維を有する複合管状部材 - Google Patents

側壁に隣接した軸線方向の繊維を有する複合管状部材

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JP3369554B2 JP50721291A JP50721291A JP3369554B2 JP 3369554 B2 JP3369554 B2 JP 3369554B2 JP 50721291 A JP50721291 A JP 50721291A JP 50721291 A JP50721291 A JP 50721291A JP 3369554 B2 JP3369554 B2 JP 3369554B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 コイル巻きされた鋼製の管材料には油井作業に多くの
用途がある。例えば、それは、検層用工具や穴あけ用工
具といったような坑井道具類を用いてワイヤラインケー
ブルダウンホールをあけるのに使用される。そのような
管材料はまた、坑井の改修において、種々の化学薬品を
送り出し、また他の機能を果すのにも使用される。
鋼製のコイル巻きした管材料は、該製品に用いられた
鋼が高い延性（すなわち破壊なしに塑性変形する能力）
を示すため、スプールに巻くことができる。スプールに
巻く作業は、一般に、管を複合負荷効果をもたらす高い
内部圧力の作用下におきながら行われる。あいにくなこ
とに、反復してスプール巻きを行いそして使用すること
は疲労破壊の原因となり、鋼製のコイル巻きした管材料
は突然破壊して役に立たなくなることがある。探査作業
における作業の危険及び手待ち時間の高い人的及び経済
的費用は、該製品を坑井へ比較的少ない回数挿入してか
ら廃棄することを余儀なくさせる。鋼製管材料の断面は
繰り返して使用する間に拡大し、壁の厚みを減少させ、
そしてその結果として圧力許容値を低下させ且つ曲げひ
ずみを大きくする。
スプール巻きすることができて鋼製材料の欠点に悩ま
されない非鋼製のコイル管材料を提供することが望まし
いことである。
従来の技術 Nystromの米国特許第3554284号明細書は、繊維の二つ
の内層が±18゜で巻きつけられそして二つの外層が±35
゜で巻きつけられる検層用ケーブルの利用を教示する。
Rothermelらの米国特許第4255820号明細書は、人工補
綴物のために軸線方向の剛性を与える密に織られた円筒
状のコアーを用いて形成された人工補綴じん帯を開示す
る。
Policelliの米国特許第4530379号明細書は、金属製の
コネクタへの遷移のある複合繊維管材料を教示する。こ
れらの繊維はグラファイト、炭素、アラミド又はガラス
でよい。これらの繊維は、一つの態様では、長手方向の
軸線に対して±15゜の向きに交互に配置される。第４図
の態様においては、「層におけるフィラメントの軸線角
のより広い選択」が許容されている、更に、「この態様
は内圧負荷のほかに曲げ負荷がある流体輸送管で、また
曲げ及び軸線方向の剛性必要条件のある構造部材で使用
することができる」。Policelliは、繊維の角度は軸線
から測って５゜〜75゜の範囲内で選ぶことができること
を示唆する。
Mortonの米国特許第4556340号明細書は、たわみ管で
外側から取付けたストリップを用いることを開示する。
このストリップは、軸線方向の引張剛性が高くて軸線方
向の圧縮剛性が低い任意の材料のものでよい。このスト
リップは「ブラスト（brased）曲げ」（又は曲げのより
好ましい軸）を提供する。
Salamaの米国特許第4728224号明細書は、炭素繊維及
びアラミド繊維の散在層による複合係留ランドンを開示
し、これらの繊維は軸線方向又は小角度のらせん状ラッ
プである。90゜のラップ繊維の層を外側ジャケットとし
て備えることができる。
本発明 本発明によれば、坑井の検層や油井での改修作業で使
用するための複合管材料が提供される。好ましくはスプ
ール巻き可能であるこの管材料は、外側の円筒状部材と
二つのより小さな内側の部材とを有する複合管状材料を
含んでなり、外側の円筒状部材は内圧に耐え且つ曲げ剛
性を低くするように配向された繊維を含有してなり、ま
た内側の部材は外側の複合円筒状部材の直径方向に相対
する内壁に隣接したそれらの支持部（base）に配置され
た、該複合管状部材の中立軸の近くに位置する一般に正
弦波形状のものであり、これらの内側の部材は、高い軸
線方向剛性、大きな引張強さ及び低い曲げ剛性を与える
ように配向された繊維を含有し、且つ剪断応力に耐える
ように配向された繊維を含有する。
図面の簡単な説明 第１図は相対して配置された内側部材を有する複合管
状部材の模式断面図である。
第２図はひずみの比の低下を高強度グラファイト繊維
でできた積層体についてのクロスプライ角の増加の関数
として示すグラフである。
第３図は異なる成角（angularity）の繊維の内部配列
を示す複合管状部材の模式断面図である。
第4,5,6図は繊維の択一的な内部配列を示す複合管状
部材の内側部材の模式断面図である。
発明の詳しい説明 複合繊維（グラファイト、ケブラー（Kevlar、商
標）、ガラス繊維、ホウ素等）は高強度、高剛性、軽量
等を含めた多くの長所を有するが、とは言え、複合繊維
の応力ひずみ応答は破壊に対して線形関係にあり、それ
ゆえに不延性である。従って、複合コイル管材料は別の
やり方で、すなわち弾性応答に近い必要条件を満たす設
計を行うことによって、ひずみの制限を処理しなくては
ならない。そのような複合設計は、曲げ応力と内圧に対
する耐性が高くなければならない。それはまた、軸線方
向剛性が高く、引張強さが大きく、且つ剪断応力に耐え
なくてはならない。これらの性質の全てが本発明の複合
管状部材で組み合わされて、合理的寸法のスプールに合
致する半径に曲げることができるコイル巻きされた管材
料を提供する。
本発明は、図面を参照して最もよく説明される。第１
図は、複合円筒状部材２と二つの複合内側部材４とから
構成される複合管状部材の断面図を示す。複合円筒状部
材２は、クロスプライされて当該管状部材の軸に対して
±55゜に配向された繊維を含有する。この±符号は、指
示された角度で相対する繊維の配向を意味する。繊維の
この配向は、外側の円筒状部材２が曲げにさらされそし
て内圧負荷の作用下にある際にこの部材にとって高い構
造的効率を得るのに最適である。外側の円筒状部材２は
通常、およそ90゜に配向した、すなわち当該複合管状部
材の軸に対しておおよそ垂直である繊維を約５〜約10パ
ーセント含有する。この90゜の繊維を含むことは、複合
管状部材のポアソン比を0.5に向けて低下させ、そして
そのような部材における剪断応力に耐える能力を増加さ
せる。
向かい合う内側の複合部材４は、高い軸線方向剛性、
大きな引張強さ及び低い曲げ剛性のための必要条件を満
たすよう当該管状部材の軸に対して０゜に配向される繊
維を含有する。軸線方向の負荷と熱膨張は部材４に割れ
を生じさせることがあり、従ってこれらの部材には、ク
ロスプライされて当該管状部材の軸に対して±45゜に配
向された繊維をいくらか備えることが望ましい。この、
剪断負荷に耐える45゜配向した材料は、一方向織物もし
くは織物か又は編組み材料の形で備えることができ、通
常は内側のコアー部材４に約５〜約25パーセントの量で
存在する。
内側のコアー部材４は、管状部材２の内側で、第１図
に示されるように一般に正弦曲線様に形作られる突起を
形成する。管状部材２を曲げる際の０゜に配向した材料
におけるひずみを低減するため、この材料を当該管状部
材断面の小さい方の慣性モーメントの軸に近づけること
が望ましい。これは、当該０゜材料が正弦曲線形状の支
持部からの高さ（amplitude）が示された正弦波形状の
支持部の約0.5〜３倍である正弦波形状で管状部材の正
反対の側に集中されるように内側のコアー部材４を配置
することによってなされる。０゜配向材料の外側の複合
円筒状部材２への取付け部での当該０゜配向材料の良好
な剪断強さと横張力は、０゜配向材料を±45゜クロスプ
ライ材料で包み込みそしてその±45゜材料を外側の複合
円筒状部材へくっつけることにより得ることができる。
外側の円筒状部材と内側のコアー部材とに含まれる繊
維は、ビニルエステル、エポキシといったようなプラス
チック結合剤、又は熱可塑性もしくは熱硬化性の樹脂で
一緒に保持される。
経済的な構造損傷公差と製造上の検討は、複合管状部
材の二つの構成部材のために異なる材料の繊維と異なる
樹脂を用いることを有利にしよう。例えば、内側のコア
ー部材の高剛性及び高強度の要件は０゜のグラファイト
繊維を使用することにより最もよく満たされよう。他方
で、ガラス繊維の経費がより安くそして破損に至るひず
みがより大きいことは、ガラス繊維を外側の円筒状部材
にとってより抜きの材料にしよう。同様に使用すること
ができる他の繊維は、セラミック繊維、ポリマー繊維、
例えば、Du Pont Companyの製品であるケブラー（Kev
lar、商標）ポリマーからの繊維やThe Goodyear Corp
orationの製品であるエクステン（Exten）ポリマーから
の繊維である。数ある中でも、上述のプラスチック結合
剤は、これらの材料から複合管状部材の構成部材を調製
するのに使用することができる。
複合管状部材における種々の構成部材の寸法は、この
複合部材の寸法に依存する。複合管状部材がコイル巻き
された管材料として使われる場合には、その直径は通常
約２インチ（50.8mm）以下であろう。コイル巻きされた
管材料の外側の複合円筒状部材の厚さは約0.15インチ
（3.8mm）と約0.40インチ（10.2mm）の間であろう。そ
のようなコイル巻きされた管材料の内側のコアー材料の
支持部からの高さは約0.25インチ（6.4mm）と約15.0イ
ンチ（381mm）の間、そして支持部は約0.5インチ（12.7
mm）と約5.0インチ（127mm）の間であろう。
再び第１図を参照すれば、複合管状部材の内側を耐摩
耗性且つ耐化学薬品性の材料８でライニングして圧力式
チャンバーを提供することが望ましいことがある。この
目的のために、テフロン（Teflon、商標）、ケブラー
（Kevlar、商標）、ナイロン、ATO Chem社により市販
されているリルサン（Rilsan、商標）、Du Pont社の販
売するハイトレル（Hytrel、商標）、又はケブラー（Ke
vlar、商標）フリットを使用してもよい。
使用時には、複合管状部材は座屈することができ、そ
して座屈の点においてケーシング又は開放穴の壁に法線
力を課すことができる。この力は、管状部材が穴を下方
へ進む時に摩擦を生じさせる。複合管状部材の外側は、
そのような摩耗や摩擦に耐えるため耐摩耗性保護被覆６
で覆ってもよい。ここでも、この保護被覆を形成するた
めにケブラー（Kevlar、商標）、テフロン（Teflon、商
標）、ナイロン、リルサン（Rilsan、商標）、ハイトレ
ル（Hytrel、商標）、又はケブラー（Kevlar、商標）フ
リットといったような材料を使用することができる。
複合管状部材の外側の円筒状部材におけるクロスプラ
イされた繊維の曲げによる軸線方向のひずみは、同様に
配置された０゜配向繊維よりも有意に小さい。クロスプ
ライされた積層体についての課された軸線方向ひずみに
対する繊維のひずみの比の典型的な低下をクロスプライ
角度の関数として示したものを、高強度グラファイト繊
維の代表的な特性を使って第２図のグラフに提示する。
およそ±25゜より大きい角度について言えば、繊維のひ
ずみは積層体に負荷された軸線方向ひずみの半分より小
さく、更に大きなクロスプライ角度については急速に小
さくなる、ということが注目される。外側の円筒状部材
で繊維をここに記載されたように配向することは、複合
管状部材が課された負荷の残留ひずみに耐える能力を最
大限に活用し、そして曲げによる繊維のひずみを最小限
にする。繊維の曲げひずみを最小限にすることは、複合
管状部材の外側の円筒状部材部分の直径がそうでない場
合に特定のスプール寸法について可能であるよりも大き
くなることを可能にする。逆に言えば、そのように製造
された所定の直径の複合管状部材はより小さな直径のス
プールへ巻くことができる。複合管状部材の円筒形状は
また、そのような部材を管状部材を竪穴へ押し入れるの
に標準的に用いられるベルト駆動機構で坑井へ導入する
のによく適している。本発明の複合管状部材の形状は、
大小の慣性モーメントを生じさせ、好ましい曲げ方向を
引き出す。実際において、これは複合管状部材に、小さ
い方の慣性モーメントに関して曲げることによりスプー
ルへ巻きつかせる。竪穴すなわち座屈パターンは、小さ
い方の慣性モーメントに関連した一つの周期を有する混
成様式と、大きい方の慣性モーメントに関連した、より
長くより小さい曲率様式とになる。この形状の利点は、
関連する曲げひずみを有意に増加させず又はスプール巻
きのために許容される最小の曲率半径を犠牲にせずに、
高剛性且つ高強度の材料を内側の複合コアーに配置する
ことができるということである。
第３〜６図において、管材料本体内の破線は管材料の
層における繊維の配向を指示している。詳しく言えば、
点線は管材料の軸に対しておおよそ０゜に配向した繊維
を示す。交互の点と棒線で形成された線は管材料の軸に
対しおよそ±40゜〜±60゜配向された繊維を示す。二つ
の短い棒線で分離された長い棒線から構成された線は、
管材料の軸に対しおよそ±40゜〜±70゜配向された繊維
を示す。最後に、全くの棒線は管材料の軸に対しおそ90
゜配向された繊維を示す。第３図は、第１図に示された
もののような複合管状部材について繊維の内部配列を例
示する。第３図を参照すれば、複合管状部材における種
々の繊維の成角は上記の説明に示されている単一の線に
より表されている。各線は多数の繊維層又は多数の繊維
プライを表している。第３図において、16は複合管状部
材のための外側の摩耗被覆を示し、18は内側の耐摩耗性
且つ耐化学薬品性ライナーを示す。この図に示したよう
に、内側の複合コアーは０゜配向材料と±45゜のクロス
プライされた材料から構成される。クロスプライされた
繊維は通常は、図示されたようにコアー部材から伸びて
それらを複合管状部材の外側の円筒状部材と結合するこ
とができる一方向織物又は織布に含まれている。構造上
の連続性と封止のために、±45゜ウェブ材料の少なくと
も一部を外側の円筒状部材の内側部分の周囲に存続させ
る。０゜配向の繊維も布又は織物の形でよいが、この材
料は通常は粗糸として、すなわち繊維の束として存在す
る。先に指摘したように、外側の複合円筒状部材は主と
して±55゜のクロスプライ繊維を少量の±90゜配向繊維
と共に含有する。先に指摘したように、複合管状部材に
おける繊維は、図面には示されていない適当なプラスチ
ック結合剤で一緒に保持され又は積層される。
第4,5,6図は、内側の複合コアーにおける繊維の種々
の内部配列を示す。第４図では、０゜配向繊維と±45゜
配向繊維が両方とも大体において長円形の形状に示され
ている。第５図では、０゜配向繊維が20で指示されたコ
アーの内部に集中されている。第６図では、０゜配向繊
維と±45゜配向繊維の両方が複合管状部材の小さい方の
慣性モーメントの軸線に平行な線状の組織に配列されて
いる。第4,5,6図に示した配列のおのおのにおいて、コ
アー部材の正弦波の部分も支持部の部分も、剪断応力と
積層剥離とに耐えるため、コアー部材の周囲全体にそし
て外側の円筒状複合部材の内面へ連続する±45゜配向繊
維により取囲まれる。
内側の複合コアー部材で一部分利用される±45゜繊維
は好ましい配向のものであるが、とは言え±40゜〜±60
゜配向した繊維をコアー部材において使用することは本
発明の範囲内である。更に、同じ設計要件のために外側
の円筒状複合部材で使用するのに±55゜配向繊維が好ま
しいと言うものの、±40゜〜±70゜配向した繊維を本発
明の範囲から逸脱することなしに使用することができ
る。図面に示された繊維の順序あるいは±55゜、０゜、
90゜及び±45゜の繊維配向の積重ねの順序は、代表的な
ものであるに過ぎず、特定の設計要件を満たすように変
えて差支えない。
坑井の検層又は坑井の改修に使用するほかに、本発明
の複合管状部材は海中水圧ラインで、又は管材料の長尺
材がスプールに巻かれて恒久的な生産のために竪穴を進
む生産管材料として使用してもよい。生産管材料は、直
径がコイル巻きされる管材料について必要とされるより
も標準的に大きくて、実用的な直径のスプールへ曲げる
のには大き過ぎるものになることがある。管材料の直径
がスプール巻きするのには大き過ぎるものになる場合に
は、複合管状部材を現場で、陸上で、又は沖合で製造す
ることがもっぱら実行可能である。より大きなスプール
寸法は、複合管状部材をドック現場の近くで製造するこ
とができる沖合の場合に実用的である。
コイル巻きされた複合管状部材を使用することについ
て別の利益に注目することもできる。コイル巻きされた
複合管材料にあっては、変形は弾性的であり、そしてこ
の蓄えられたエネルギーを積極的に利用して管材料を差
し込まれた位置又は高摩擦の束縛から解放するのを助け
ることができる。管材料における圧力を脈打たせて、予
見される機能を与えることができる。この技術は鋼製の
コイル巻きされた管材料にとってもコイル巻きされた複
合管材料にとっても価値があるかもしれないけれど、本
発明の管状部材の剛性がより低いのに比べて鋼の剛性が
高いことは、圧力が脈打つ鋼製管材料に関係した局所的
変位の大きさを複合管材料を使って負わされる変位に比
べて制限する。管材料の竪穴での封止を活性化すること
は、複合管材料をその内側及び外側で課される、より低
い圧力で、脈打たせることを可能にする。圧力の脈動
は、コイル巻きされた複合管材料が差し込まれた竪穴を
解放するのを助けることもできる。
複合構造物を作製する際には、引抜成形、フィラメン
ト巻き及び金型成形といったようないくつかのよく知ら
れている技術を利用することができる。引抜成形では、
樹脂を含浸する装置を通してフィラメント又は繊維を引
抜き、次いでダイを通して引抜いて、所望の形状にする
か、あるいはまた、樹脂をダイの中へ注入してもよい。
ダイと共に、熱による成形及び硬化用の手段が設けられ
る。最後に、連続して製造される所望の製品をリール又
はスプールへ巻き取ることができる。例として、米国特
許第4416329号明細書では引抜成形を利用して、熱可塑
性樹脂で含浸されたグラファイト繊維の束を含むリボン
構造物を調製する。このリボンの両面はガラス織物のよ
うな織物材料のプライで被覆される。リボンのかどのト
ウはケブラー（Kevlar、商標）又はガラスで作られる。
米国特許第4452314号明細書は、引抜成形を利用して、
熱硬化製樹脂中に配列されたガラスフィラメント又は他
の強化用材料から構成される弓形断面の形材を作製す
る。この弓形断面の形材は組み合わされてサッカーロッ
ドを形成する。
本発明の複合管状部材は、通常の引抜成形もしくは引
張り巻きつけ装置を使用するか、あるいは引抜成形を編
組もしくはフィラメントの巻きつけと組み合わせて、製
造することができる。一つの方法では、０゜配向材料を
予め引抜成形し、引抜成形型の同様の形に作られたくぼ
みへ案内し、続いてクロスプライ材料と一緒にして引抜
成形する。引抜成形は、連続の又は不連続の複合管状部
材を作るのに使用することができる。引張り巻きつけ法
では、０゜配向材料を予め作製された棒として処理工程
へ供給するか、あるいはプレプレグテープ又は湿式レイ
アウトとして集成体へ供給する。次いで、クロスプライ
材料を管へ巻きつけて、この集成体を一体硬化させるた
めダイを通して引張る。引抜成形法は、繊維を織り又は
編組して調製される材料を利用することができる。織ら
れ又は編組された材料は供給原料として調製することが
でき、又は引抜成形作業の一部としてオンラインで作製
することができる。
複合管状部材を引抜成形によって調製する場合には、
外側の複合円筒状部材へいくらかの、最高で約10パーセ
ントまでの０゜配向繊維を加えて、製造プロセスを助け
ることが望ましいかもしれない。
本発明を例示するためにいくつかの態様と詳細を示し
たけれども、本発明の精神又は範囲から逸脱することな
しに種々の変更や改変を行うことができることは当業者
にとって明らかであろう。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−40329（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−118823（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−35575（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭52−60916（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−163680（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16L 9/14 F16L 9/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】スプールで保管して使用時にスプール巻き
    をとき及びスプール巻きするための複合管状部材であっ
    て、内圧に耐え且つ曲げ剛性を低くするように配向され
    た繊維を含有している外側の管状部材と、当該複合部材
    の外側の部材の向き合った壁内に配置された内側部材と
    を含み、この内側部材は、当該複合管状部材の長手方向
    の軸に対して実質的に０゜に配向された繊維を含有して
    おり且つ当該複合管状部材の長手方向の軸に対して±40
    〜±70゜に配向されたより少量の繊維を含んでおり、当
    該内側部材は、当該内側部材の直径方向の小さい方の曲
    げの慣性モーメントとこの小さい方の慣性モーメントに
    対し一般に直角な大きい方の曲げの慣性モーメントとを
    定め、またこの内側部材が、当該複合管状部材が小さい
    方の軸についての曲げ剛性と比べて有意に大きな大きい
    方の軸についての曲げ剛性を持ち、それにより当該複合
    管状部材に対しスプール巻き及びスプール巻きをとくと
    きに好ましい曲げの方向をもたらすように、高い軸線方
    向剛性と強さとを上記外側管状部材に与えるよう配向さ
    れた繊維を含む、複合管状部材。
  2. 【請求項２】前記外側の管状部材が、クロスプライされ
    且つ当該複合管状部材の長手方向の軸に対して±40〜±
    70゜に配向された複数の連続繊維を含有している、請求
    項１記載の複合管状部材。
  3. 【請求項３】前記内側部材が前記外側の管状部材の向き
    合った側壁に一般に正弦波形状に形成されている、請求
    項１記載の複合管状部材。
  4. 【請求項４】前記正弦波形状の内側部材の高さ（amplit
    ude）がそのような部材の支持部の0.5〜3.0倍である、
    請求項３記載の複合管状部材。
  5. 【請求項５】前記内側部材が、前記外側の管状部材の直
    径方向に向き合った内壁における支持部に配置された一
    般に正弦波形状の二つの等しい大きさの複合部材から構
    成されている、請求項１記載の複合管状部材。
  6. 【請求項６】前記内側部材が、当該複合管状部材の軸に
    対して実質的に０゜に配向された繊維を含有し、且つ当
    該複合管状部材の軸に対して±40〜±60゜に配向された
    より少量の繊維を含有している、請求項１又は５記載の
    複合管状部材。
  7. 【請求項７】下記の（Ａ）及び（Ｂ）を含む、軸に沿っ
    て延びる複合管状部材。 （Ａ）クロスプライされた繊維の複数の層であってこれ
    らの繊維の層と当該繊維とを一緒に保持するための結合
    剤中に含まれているクロスプライ繊維の複数の層を含む
    管状の複合層であって、当該管状部材の軸に対しておよ
    そ90゜に配向された繊維を含む第一の層と、この第一の
    層から半径方向に内側に配置されていて、当該管状部材
    の軸に対して±40〜±70゜に配向された繊維を含む第二
    の層とを含む管状の複合層 （Ｂ）当該複合管状部材の内面をライニングしてそれに
    より圧力チャンバーを形成する実質形に不透質の材料
  8. 【請求項８】前記複合層を被覆する耐摩耗性の外側被覆
    を更に含む、請求項７記載の複合管状部材。
  9. 【請求項９】前記結合剤がビニルエステル及びエポキシ
    からなる群より選ばれた材料製である、請求項７記載の
    複合管状部材。
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