JP3735113B2 - パイプおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、石油産業、ガス事業、水道事業および化学工業において使用するためのパイプの複合構造に関するものである。
複数の金属ストリップをらせん状に巻き、それらの金属ストリップをプラスチック材料マトリックス中に埋め込むことによってパイプを製造することが知られている。
米国特許第４６５７０４９号に、ポリマ接合材によって被覆され埋め込まれている少なくとも１つの金属強化ストリップを心棒にらせん状に巻きつけることによる、そのようなパイプの製造が記載されている。したがって、ポリマ材料中に完全に埋め込まれている金属ストリップの連続する複数のらせんコンボリューションでパイプが製造される。この構造においては、ポリマ材料は限られた耐食性を提供するだけであるから、パイプの多くの用途には適当ではない。
米国特許第４３５１３６４号に、類似のパイプ製造方法が記載されているが、パイプは樹脂含浸ガラス繊維層の内部ライニングと外部ライニングも有する。ガラス繊維層は織布と細かく刻んだ繊維をより合わせたマットを含む。内部ライニングの目的は耐食性および低い流れ抵抗性を持たせることであり、外部ライニングの目的は環境条件に対する抵抗性を持たせることである。パイプの内部と外部におけるガラス繊維で強化したライニングは腐食、摩耗およびその他の環境条件に対する抵抗性を強めるが、パイプの強度を大きく向上させることはなく、またガラス繊維マットおよび布に不可避に存在する微細な孔のために最適な耐食性を提供するものでもない。
本発明の目的は、耐蝕性および耐摩耗性を持たせるばかりでなく、強度およびスチフネスを高める構造のパイプを得ることである。本発明の別の目的は、高圧の用途に使用された場合に、最終的な破裂圧に近い高い圧力において漏れ障害モードを生ずるパイプ構造を得ることである。
本発明の第１の態様によれば、繊維で強化したプラスチック材料の内部ライニングおよび繊維で強化したプラスチック材料の外部ライニングを有し、内部ライニングと外部ライニングの間に螺旋状に巻いたストリップ鋼のコアが設けられ、そのストリップ鋼はプラスチック・マトリックス中に埋め込まれ、内部ライニングと外部ライニングはフィラメント巻線であるパイプが得られる。
フィラメント巻線は単一フィラメント繊維にでき、または多フィラメント束（ｔｏｗｓ）から巻くことができる。
フィラメント巻線をパイプ軸線に関して＋５５°および−５５°の角度で配置でき、この場合の誤差限界が＋５°または−５°である。円筒形パイプが最大圧力および最大荷重に耐えなければならないような場合のような、円周方向荷重と軸線方向荷重を最適に平衡させることが望ましい場合に、＋５５°および−５５°の巻線角度を選択する。パイプの動作要求に適するように正確な角度を選択する。
フィラメントの層の１つおきの層またはフィラメントの層の群を、パイプ軸線に関して、および相互に、種々の正の角度および種々の負の角度で配置できる。
フィラメントを巻いた繊維強化内部ライニングおよび外部ライニングを使用することによって、耐蝕性、耐摩耗性および環境に対する抵抗性が向上するばかりでなく、完成したパイプの強度およびスチフネスが一層向上することが判明している。強度およびスチフネスの向上の程度は計算によって決定できるが、基本的なライニングおよびストリップの材料の特性と、ライニングと鋼の全体の厚さとの比と、パイプ軸線に対するライニング巻きのらせん角度とに依存する。フィラメントを巻いたライニングによって強度が一層向上するから、鋼層の数を減少して所与の強度のパイプを製造でき、それによって一層軽い構造のパイプを一層経済的に製造できることが判明している。更に、フィラメント巻線を使用することによって、従来の構造より一体性が高く、間隙率が低い樹脂マトリックスを製造できる。ガラス繊維で強化したプラスチック（ＧＲＰ）を使用する従来のパイプ構造は、織布および切り刻んだストランドの種類の繊維強化に完全に含浸させることが困難であるから、微細なひび割れおよび孔のために高圧の用途には不適当である。本発明のパイプは、フィラメントで巻かれたライニングの含浸レベルが大幅に向上しているために、それらの問題が解決される。本発明のパイプのライニングの有孔率が低いために、埋め込まれているストリップ鋼が腐食される可能性が大幅に低下するという利益が得られる。
フィラメントを巻いたライニングを使用することによって、本発明のパイプを高圧の用途に使用することもできる。従来の構造における有孔率では、比較的低い圧力が加えられても局部的な歪みが生じて、最終的には漏れを生じたり、破壊することになる。
運転圧においては、比較的高いモジュラス・ストリップ層が存在するために、フィラメントを巻いたライニングは低い歪みレベルにしかさらされない。ライニングの歪み可能性が、鋼層の最終的な歪みに非常に近い歪みまで鋼層に荷重が加えられた後でのみ、ライニングが所定の圧力で破損するようにライニングの歪み可能性を定めることによって、パイプの圧力封じ込め可能性を最大にできる。ライニングの歪み可能性を決定する有効な手段は、フィラメントの巻付け角度を適切に選択することである。本発明の大きな利点は、最終的な圧力破裂が起きる前に所定の圧力において漏れ障害モードを与えるように、パイプ構造の歪み可能性を制御できることである。
これに関連して、パイプの最終的な圧力封じ込め容量に対する内部と外部のフィラメントで巻かれたライニングの寄与が、それ以上ではストリップ鋼が降伏するような圧力において大きくなることが判明している。したがって、ストリップ鋼が、最終的には破損するようなことはないにしても、降伏するような状態となる円周方向の歪みレベルにおいて、内部圧力の下におけるライナーの漏れが生ずるようにパイプ構造を設計することが有利である。
これが第１図に示されている。第１図は、（ａ）内部と外部のフィラメントで巻いた繊維強化プラスチック・ライニングを施したらせん状に巻かれた鋼コアを備えた、本発明のパイプ構造と、（ｂ）ライニング無しコアと、（ｃ）コア無しライニングと、に対する、代表的な内部圧対円周方向歪み特性を比較するグラフを示す。
第１図からわかるように、約１％、すなわち鋼コアの降伏点（歪み０．５％）を超えるが、最終的な鋼破損歪みより小さい歪み（３％）でライニング歪み破損が生ずるようにすることによって、パイプの最終的なバースト破損圧に近いが、それより常に低い、常圧より高い圧力においてバースト破損モード以前に漏れが起こるようになる。
プラスチック・ライニング材料が使用できないような流体に対する用途では、本発明のパイプに、アルミニウム、熱硬化性プラスチック材料またはシリコンゴムのような不浸透性ライニングを設けることができる。そのライニングの上に内部フィラメント巻きライニングが形成される。不浸透性ライニングすなわち膜を付加することによって、膜の障害特性に対する歪みがパイプ構造の障害特性に慎重に一致させられなければ、漏れ障害モードが変化してしまうことがある。
フィラメント巻線の材料は、ほとんどの用途に対して、ガラス繊維とすることができる。しかし、アラミド繊維、たとえば、Ｋｅｖｌａｒ（商標）、または炭素繊維のようなその他の連続繊維材料をガラス繊維と組み合わせて使用でき、またはガラス繊維の代わりに使用できる。使用する繊維の種類は、パイプを使用する用途に依存する。ある用途においては、２種類以上の繊維を単一のパイプに使用できる。
パイプの特定の用途に応じて内部ライニングおよび外部ライニングの厚さを変えることができる。しかし、ガラスフィラメントの場合には、内部ライニングの最低厚さは一般に２ｍｍであり、外部ライニングの最低厚さは一般に１ｍｍである。
ストリップ鋼コアはらせん状に巻いたストリップの複数の層で形成される。そのストリップ層はそれの縁部に沿って接触する。あるいは、鋼コアを１つまたは複数のストリップ鋼から巻くことができ、引き続く各ターンが前のターンに軸線方向および半径方向に重なり合う。
理想的には、パイプ壁の所与の任意の断面において縁部に沿って接触するストリップの場合には、任意の層における巻いたストリップの隣接する縁部の間の間隙が、他の任意の層の軸線方向間隙と半径方向に一致しないように、らせん状に配置されているストリップ鋼の巻きパターンが配置される。したがって、パイプの内部から外部まで、２つ以上の軸線方向らせん間隙を通る、パイプの軸線に関して直角な線経路は存在しない。このようにして、実効鋼厚さがストリップ鋼の２枚以上の厚さだけ減少するような位置はパイプには存在しない。多数のストリップ鋼層の場合には、軸線方向の強度が最適に低下するだけで、実際に２つまたはそれ以上の層の軸線方向間隙の一致が存在するように、巻きパターンを繰り返すことができる。
小さいらせん間隙の場合には、鋼の厚さを部分的に薄くすると軸線方向長さが影響を受けるだけであるから、３つまたはそれ以上の鋼層を有するパイプでは、圧力容器の全体の強度はほとんど影響を受けない。軸線方向間隙を、製造限界内で、最小にすることによって、内部圧縮の下において円周方向強度は影響されず、上記のように、軸線方向強度が各一致軸線方向間隙に対して１つのストリップ鋼の厚さまで薄くされるだけである。したがって、８つの鋼層を持つパイプの鋼コアの円周方向強度が８つの層の円周方向強度に等しく、軸線方向強度が７つの層の軸線方向強度に等しい。閉じられて内部が加圧されている容器の荷重を加えられる状態に適用されると、円周方向の荷重が軸線方向の荷重の２倍であり、軸線方向における厚さの実効的な減少がパイプの最終的な圧力強度を全く減少しないことがわかる。スチフネスに関しては、ストリップ鋼の隣接する縁部の間の軸線方向間隙の影響は円周方向および軸線方向の両方で同じである。したがって、ストリップ鋼層を等方性物質であると全く正確に考えることができる。その物質においては、実効弾性率が、樹脂間隙の幅とストリップ鋼の幅との比にほぼ等しい量だけ単に低下させられる。もちろん、本発明に従って製造されたパイプでは、フィラメントを巻いた内部ライニングと外部ライニングから、パイプの軸線方向強度と円周方向強度に対する大きな追加の寄与が存在する。
任意の直径のパイプを製造できるが、直径は通常は約１５０ｍｍから約１０００ｍｍの範囲である。ストリップの最大厚さおよび最大幅は巻線に対する機械的な要求、すなわち、ストリップ・スチフネスおよびらせん巻き角度に対して求められるパイプ直径、によって決定される。ストリップ幅は、パイプの内部から外部までの軸線方向ストリップ縁部間隙の最小一致が存在するように、および軸線方向の層間荷重が障害を引き起こさないように、重なり合いパターンを維持する必要性によって部分的に支配されもする。実際には、直径が１５０ｍｍから１０００ｍｍであるパイプでは、ストリップ鋼の幅を５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲にでき、厚さを０．１２ｍｍから１ｍｍの範囲にできる。
連続するらせんターンの隣接するストリップ縁部の間の軸線方向間隙は５ｍｍを超えないことが好ましく、一般に１ｍｍ〜３ｍｍの範囲にできる。
巻く前に鋼を用意して、樹脂で接合するための適当な表面を提供する。適当な準備技術としてはグリット・ブラスト、または種々の既知の化学的清浄方法、もしくは両方を含む。
樹脂はエポキシ樹脂、またはこのパイプの意図する用途に適当な任意の種類のものとすることができる。
樹脂は充填材を含むこともできる。
本発明の第２の態様によれば、心棒にパイプ軸線に対して所定の角度で繊維材料をフィラメント巻きすることによって内部ライニングを形成する工程と、繊維層に対して樹脂マトリックスを施す工程と、前記繊維材料層の上にストリップ鋼をらせん状に巻く工程と、前記ストリップ鋼に樹脂マトリックスを施す工程と、パイプの外部にパイプ軸線に対して所定の角度で繊維材料をフィラメント巻きすることによって外部ライニングを形成する工程と、前記外部ライニングに対して樹脂マトリックスを施す工程と、前記樹脂マトリックスを少なくとも部分的に硬化させ、前記パイプを前記心棒から抜き出す工程とを備える、パイプを製造する方法が得られる。
ストリップ鋼コアはらせん状に巻いたストリップ鋼の層を少なくとも３つ備えることが好ましい。
適当な駆動手段によって回転される心棒またはパイプの外側に巻く前に、ガラスまたはその他のフィラメントを樹脂浴に通すことによって内部ライニングと外部ライニングを形成できる。
この方法は、最初の非フィラメント巻き、繊維層を心棒に施し、樹脂マトリックスを設ける工程も含むことができる。
本発明がより完全に理解できるように、次に添付の図面の第２図と第３図を参照して、例示的にのみ実施例について説明する。
第１図は内部と外部のフィラメントで巻いた繊維強化プラスチック・ライニングを施したらせん状にまかれた鋼コアを備えた本発明のパイプ構造と、ライニング無しコアと、コア無しライニングと、に対する代表的な内部圧対円周方向歪み特性を比較するグラフを示す。
第２図は本発明のパイプの概略縦断面図を示す。
第３図は第２図に示すパイプの製造の概略表現を示す。
第２図および第３図を参照する。図において同じ構成要素は同じ参照符号で表している。全体として１０で表されているある長さのパイプを、複数の層を加熱されている回転心棒１２に巻くことによって製造する。この心棒に既知の剥離剤（図示せず）を被覆する。
「Ｃ」ガラスまたはポリエステルベールを心棒に巻き付け、チバ・ガイギー（Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ）社によって供給されるＭＹ７５０のような適当なエポキシ樹脂を適当な硬化剤システムとともに含浸することによって、樹脂に富んだ内面１４を設ける。ベール材料の連続するらせんターンを軸線方向に重ね合わせる。ベール材料の幅が約１５０ｍｍである。
それから、パイプの軸線に対して５５°の角度で配置されている「Ｅ」ガラス繊維フィラメント１８のクレール１７から、フィラメント巻線をらせん状に付着することによって、ある厚さのＧＲＰ内部ライニング１６を組み立てる。巻線が行われている間に巻線に樹脂マトリックスが効果的に付着されるように、フィラメント１８を樹脂浴（図示せず）に通す。いくつかのフィラメント粗系を、最小厚さが約２ｍｍとなるように置く。
それから、コイル２２から準備されたストリップ鋼２０を、内部ライニング１６のまだ硬化していない湿った樹脂にらせん状に巻く。連続するらせんターンが５ｍｍの最大軸線方向間隙２４をおいて互いに隣接して配置される。仕上げたパイプにおいて各鋼層に樹脂系が付着されて、次の層に接合されるように、パイプに巻きつけられているストリップ鋼に適切な充填剤を含んでいるエポキシ樹脂２６を、既知の手段によって同時に付着する。鋼層の数と全体の厚さはパイプの所要の圧力、スチフネス定格および直径と、鋼およびライニングの組合わされた機械的特性とによって決定される。ストリップ鋼のらせん巻線を相互に軸線方向にずらせて、破線２８によって示されているように、２つ以上の軸線方向間隙２６を通る、パイプの内部から外部までの直角な線経路が存在しないようにする。
「Ｅ」ガラス繊維フィラメントの５５°らせん巻線のいくつかの粗糸によって、外部ライニング３０をクレール３４からフィラメント３２に加える。内部ライニングと同様に、巻く直前にフィラメント３２を樹脂浴（図示せず）に通す。外部ライニング３０の厚さは最低で１ｍｍである。
更に回転させている間に、そのようにして製造したパイプに熱を加えて最短時間で温度を上昇させる。そうすると樹脂が十分に硬化し、またはゲル化する。ゲル化した、または硬化したパイプ組立体を巻き機械（図示せず）から取りだし、周囲温度まで冷却する。それから心棒をパイプから取り出す。それから、必要があれば、立てた状態においてパイプを後硬化させる。周囲温度まで冷却した後で、全肉厚にわたって、すなわち、ＧＲＰと鋼を、研削することによって各端部から鋼の最低２ピッチ長さを除去することによってパイプを最終長さに切断する。
以上説明した方法は巻く作業中に心棒１２を加熱することを含むが、ある種類の樹脂、とくに硬化時間が短い樹脂では、その加熱は不要なことがある。

Claims (28)

1. 繊維で強化したプラスチック材料の内部ライニングおよび繊維で強化したプラスチック材料の外部ライニングを有し、内部ライニングと外部ライニングの間にらせん状に巻いたストリップ鋼のコアが設けられ、そのストリップ鋼はプラスチック・マトリックス中に埋め込まれ、内部ライニング及び外部ライニングはそれぞれプラスチック・マトリックス中に連続的な繊維フィラメントの複数の巻線の層を有し、前記各層は、周囲方向のみに走行するフィラメントを有し、各層中の全てのフィラメントは、相互に実質的に平行であり、同一の周囲方向に走行しているパイプ。
2. フィラメント巻線が単一フィラメント繊維である、請求の範囲第１項に記載のパイプ。
3. フィラメント巻線が多フィラメント束である、請求の範囲第１項に記載のパイプ。
4. フィラメント巻線の１つおきの層がパイプ軸線に関して種々の正の角度および種々の負の角度で配置される、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のパイプ。
5. フィラメント巻線の１つおきの層が相互に種々の正の角度および種々の負の角度で配置される、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のパイプ。
6. フィラメント巻線がパイプ軸線に関して＋５５°および−５５°の角度で配置される、請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のパイプ。
7. フィラメント巻線の角度が＋５°または−５°の誤差限界を有する、請求の範囲第６項に記載のパイプ。
8. フィラメントを巻いた内部ライニングの内側に不浸透性ライニングを更に含む、請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項に記載のパイプ。
9. アルミニュウム、熱硬化性プラスチック物質およびシリコンゴムを含む群から不浸透性ライニングを選択する、請求の範囲第８項に記載のパイプ。
10. フィラメントを巻いたライニング材料がガラス繊維と、アラミド繊維と、炭素繊維とを含む群から少なくとも選択されたものである、請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載のパイプ。
11. 内部フィラメント巻きライニングの厚さが最低２ｍｍである、請求の範囲第１項から第１０項のいずれか一項に記載のパイプ。
12. 外部フィラメント巻きライニングの厚さが最低１ｍｍである、請求の範囲第１項から第１１項のいずれか一項に記載のパイプ。
13. らせん状に巻かれたストリップ鋼のコアが縁部に沿って接触するらせん状に巻かれたストリップの複数の層を備える、請求の範囲第１項から第１２項のいずれか一項に記載のパイプ。
14. らせん状に巻かれたストリップ鋼のコアが軸線方向および半径方向に重なり合う少なくとも１つのストリップを含む、請求の範囲第１項から第１２項のいずれか一項に記載のパイプ。
15. ストリップ鋼の巻きパターンが、任意の層における巻かれたストリップの隣接する縁部の間の軸線方向間隙が、他の任意の層の軸線方向間隙とは、半径方向で一致しないようにされている、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか一項に記載のパイプ。
16. ストリップ鋼の巻線パターンを半径方向に繰り返す、請求の範囲第１項から第１３項のいずれか一項に記載のパイプ。
17. 連続するターンの隣接する縁部の間の間隙が最大５ｍｍである、請求の範囲第１項から第１３項、第１５項および第１６項のいずれか一項に記載のパイプ。
18. 連続するターンの隣接する縁部の間の間隙が１ｍｍから３ｍｍの範囲である、請求の範囲第１項から第１３項および第１５項から第１７項のいずれか一項に記載のパイプ。
19. プラスチック材料マトリックスはエポキシ樹脂である、請求の範囲第１項から第１８項のいずれか一項に記載のパイプ。
20. プラスチック材料樹脂が充填剤も含む、請求の範囲第１項から第１９項のいずれか一項に記載のパイプ。
21. コアのストリップ鋼の幅が５０ｍｍから２５０ｍｍの範囲にある、請求の範囲第１項から第２０項のいずれか一項に記載のパイプ。
22. コアのストリップ鋼の厚さが０．１２ｍｍから１ｍｍの範囲にある、請求の範囲第１項から第２１項のいずれか一項に記載のパイプ。
23. それの直径が約１５０ｍｍから約１０００ｍｍの範囲にある、請求の範囲第１項から第２２項のいずれか一項に記載のパイプ。
24. パイプ内部での圧力上昇に応ずるライニングの歪み可能性が、鋼コアの最終的な歪みの前にライニングが漏れ障害モードを与えるように、鋼コアの歪み可能性より小さい、請求の範囲第１項から第２３項のいずれか一項に記載のパイプ。
25. ライニングの歪み可能性が、鋼コアにその降伏歪みを超える荷重がかかった後に、漏れ障害モードとなるように選択される、請求の範囲第２４項に記載のパイプ。
26. 心棒にパイプ軸線に対して所定の角度で繊維材料をフィラメント巻きすることによって内部ライニングを形成する工程と、繊維層に対して樹脂マトリックスを施す工程と、前記繊維材料層の上にストリップ鋼をらせん状に巻く工程と、前記ストリップ鋼に樹脂マトリックスを施す工程と、パイプの外部にパイプ軸線に対して所定の角度で繊維材料をフィラメント巻きすることによって外部ライニングを形成する工程と、前記外部ライニングに対して樹脂マトリックスを施す工程と、前記樹脂マトリックスを少なくとも部分的に硬化させ、前記パイプを前記心棒から抜き出す工程とを備えるパイプを製造する方法。
27. 前記鋼コアは少なくとも３つの層を備える、請求の範囲第２６項に記載の方法。
28. 巻く前に前記繊維材料を樹脂浴に通すことによって前記内部ライニングと前記外部ライニングを形成する、請求の範囲第２６項または第２７項に記載の方法。

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