JP4883438B2 - プラスチック管の継手構造 - Google Patents

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Description

本発明はプラスチック管の継手構造に関し、さらに詳しくは、高圧流体の輸送用に使用しても優れた耐久性を示すプラスチック管の継手構造に関する。
プラスチック管は、鉄管に比べて軽量であるため施工性に優れ、また可撓性であるため耐震性に優れ、耐腐食性にも優れているなど多くの利点を有することから、鉄管に代わって、ガスや液体などの流体輸送管として広く使用されるようになっている。しかし、プラスチック管は、プラスチックだけの構成であると、鉄管並みの抗張力や耐圧性が得られないので、図６に例示するように、プラスチック管本体２の外周にアラミド繊維やガラス繊維などの補強繊維を繊維補強層３として螺旋状に巻き付け、さらに繊維補強層３の外側にプラスチックの被覆層４を保護用に設けたものが一般に使用されている。
このようなプラスチック管を遠距離の流体輸送管に使用する場合には、プラスチック管が有限の長さであるため、その管端同士を継手により連結する必要がある。このプラスチック管の継手としては、電気融着継手（エレクトロフュージョン継手）が広く使用されている。
図７は、従来の電気融着継手による継手構造の一例を示す（特許文献１等参照）。
電気融着継手により２本のプラスチック管１，１を連結するときは、まず図６に示すように、プラスチック管１の管端から被覆層４と繊維補強層３とを所定長さづつ切除し、内側の管本体２を露出させるようにする。次いで、露出した管本体２，２の端部同士を突き合わせ、その両管端間に跨がるようにプラスチック製の継手管５を被せる。継手管５には電熱線６が埋設されていて、この電熱線６に通電を行って発熱させることによりプラスチックの一部を溶融し、継手管５の内壁と管本体２の外壁の間を融着させて、２本のプラスチック管１，１を連結状態にする。この場合、継手管５の外周に補強層７を設けると、接続強度を一層強化することができる。
上記継手構造は、現在一般的に使用されている１．０ＭＰａ仕様の流体輸送用に使用するかぎりは、特に耐久性上に問題はない。しかし、これよりも圧力が高い１．５〜２．０ＭＰａの高圧流体輸送用に使用すると、以下に説明するような継手構造の破壊が発生するという問題がある。
すなわち、プラスチック管１，１の間を電気融着継手で連結するには、その管端から被覆層４と繊維補強層３を切除し、管本体２を露出させるようにする必要がある。もし、繊維補強層３の切除長さが不十分で、その端部が継手管５の内側まで延長していると、継手管５と管本体２との密着が不完全になるため、良好な接続強度を得ることができなくなるためである。そのため連結後に、継手管５の端部と繊維補強層３の切断端部との間には、管本体２が露出した隙間ｇが形成されるようになることは避けられない。
しかし、このように露出隙間ｇを有する継手構造を持つプラスチック管１によって、１．５〜２．０ＭＰａもの高圧流体を輸送すると、管本体２が露出した隙間ｇの箇所に応力が集中し、この領域において管本体２が軸方向に伸長すると共に、断面が膨張変形し、やがてこの箇所に破壊が発生してしまうようになる。
特開２００２−２９５７７９号公報
本発明の目的は、高圧流体輸送用に使用しても優れた耐久性を示すプラスチック管の継手構造を提供することにある。
上記目的を達成する本発明のプラスチック管の継手構造は、管本体の外周に繊維補強層を巻回した２本のプラスチック管の管端からそれぞれ前記繊維補強層を切除して露出させた管本体同士を衝き合わせ、該管本体同士の衝き合わせ部の外周にプラスチック製の継手管を被覆すると共に、該継手管と前記管本体とを電気融着させたプラスチック管の継手構造において、前記継手管の両端部外側の繊維補強層上にそれぞれロックリングを嵌合し、該ロックリングを前記継手管側へ付勢すると共に、前記ロックリングの幅の５０％以上で前記繊維補強層を挟圧し、かつ前記繊維補強層の切断端部を、保護層を介して前記ロックリングにより挟圧するようにしたことを特徴とするものである。
本発明によれば、電気融着した継手管の両外側にそれぞれロックリングを配置し、このロックリングを継手管側に付勢すると共に、繊維補強層の端部を挟圧するようにしたので、管本体の露出部を完全に被覆した状態にすることができ、これにより、この領域における管本体の軸方向の伸びを抑制すると共に、内圧による断面変形を抑制することができるので、高圧流体輸送用に使用した場合であっても、管本体の露出部に応力が集中して発生するプラスチック管の破壊を防止することができる。
図１は、本発明によるプラスチック管の継手構造を例示したものである。
連結を行うプラスチック管１，１は、それぞれプラスチック製の管本体２の外周にマルチフィラメント束の補強繊維を螺旋状に巻回して繊維補強層３を形成し、その外側にプラスチック製の被覆層４を設けるように構成されている。プラスチック管１の素材となるプラスチックは、熱可塑性樹脂であれば特に限定されるものでなく、ポリエチレン、ポリアミド、ポリエステルなどいずれも使用することができる。好ましくは、管本体２には高密度ポリエチレンを使用し、被覆層４には低密度ポリエチレンを使用するとよい。
繊維補強層３の層数は１層だけに限定されず、２層以上を配置するようにしてもよい。２層以上の場合の補強繊維の巻回方向としては、各層とも同一方向にしてもよく、また層間で互いに交差させるようにしてもよい。繊維補強層は、マルチフィラメント束からなる補強繊維を複数本引き揃えたテープ状シートを螺旋状に巻き付けたものが好ましい。補強繊維の巻付け方向としての螺旋角は、軸方向に対して４５°以上、９０°未満とし、好ましくは５０°以上、８０°以下にするとよい。補強繊維は高強度、高弾性率のものであればよく、特に限定されない。好ましくは、アラミド繊維、ポリーｐ−フェニレンベンズビスオキサゾール繊維を使用するとよく、特にアラミド繊維がよい。
本発明の継手構造は、上記構成からなる２本のプラスチック管１，１を、それぞれ管端から繊維補強層３と被覆層４とを段差状に切除し、内側の管本体２を露出させる。次いで露出させた管本体２，２の端部同士を互いに突き合わせ、その突き合わせ部の外側にプラスチック製の継手管５を外挿した状態にする。継手管５の内周側には電熱線６が埋設され、この電熱線６に通電することにより周囲のプラスチックが溶融し、継手管５の内壁と両管本体２，２の外壁との間が融着状態になっている。
継手管５に使用するプラスチックは、特に限定されるものではないが、好ましくは管本体２と同様のものを使用するとよい。例えば、ポリエチレン、ポリアミド、ポリエステルなどが使用されるが、特にポリエチレンが好ましく、なかでも高密度ポリエチレンが好ましい。さらに、継手管５の外周に補強層７が設けられる。補強層７は、繊維補強層３と同じものが好ましいが、金属或いはセラミック製の補強管を使用するようにしてもよい。
本発明の継手構造は、さらに継手管５の両外側の繊維補強層３，３の上に、それぞれロックリング８，８を嵌合させている。ロックリング８は、図４に示すように、周方向の１箇所に切欠き部９を有し、外周から半径方向内側に向けて外力が加わると径が縮小するようになっている。また、ロックリング８の外周にはテーパ面８ａが形成され、そのテーパ面８ａは外径が継手管５から離れるに従って次第に小さくなるように形成されている。ロックリング８の内周には多数の突起８ｂが周方向に平行に並ぶように形成されている。
このように設けられたロックリング８の外周側に環状フランジ１０が嵌合している。環状フランジ１０は、図５に示すように、側面に複数のボルト孔１０ｂを周方向に等間隔に設け、かつ内周にテーパ面１０ａを形成している。内周のテーパ面１０ａとしては、ロックリング８のテーパ面８ａと同じテーパ角に形成され、その内径が継手管５から離れるに従って次第に小さくなるように形成されている。
継手管５両外側のロックリング８，８にそれぞれ嵌合した環状フランジ１０，１０の間には、複数のボルト孔１０ｂを介して複数のボルト１１が貫通するように掛け渡され、そのボルト１１の両端部にナット１２，１２が螺合されている。これらナット１２，１２は、それぞれ継手管５側に螺進するように締め付けられ、この締め付けにより、環状フランジ１０，１０が、図２に矢印で示すように、ロックリング８，８に対して、継手管５側に付勢する分力と半径方向内側に向かう分力とを発生させる。このようにロックリング８に発生した二つの分力により、ロックリング８は切欠き部９を介して径を縮小し、繊維補強層３の切断端部を挟圧すると共に、繊維補強層３の切断端部に継手管５側に向けた引張り力を与える。このような効果は、ロックリング８の内周に突起８ｂを設けることにより一層増大することができる。
ロックリング８により挟圧する繊維補強層３の幅としては、図２のようにロックリング８の幅の５０％以上にする。この場合のロックリング８は、繊維補強層３を挟圧すると同時に、露出隙間ｇの領域の管本体２の表面に突起８ｂを食い込ませるようにすることができる。勿論、図３のように、ロックリング８の略全幅で繊維補強層３を挟圧するようにしてもよい。このようにロックリング８で繊維補強層３の端部を挟圧すると共に、繊維補強層３の端部外周にフィラメント状の補強繊維や、或いは樹脂フィルムを巻き付けた保護層３ａを設けるようにする（図２及び３を参照）。この保護層３ａの配置により繊維補強層３のロックリング８の挟圧による損傷を軽減することができる。
上述した継手構造、すなわち、プラスチック管１の端部から繊維補強層３を切除し、切除された管本体２同士を突き合わせ、その外周に継手管５を被せるようにした継手構造では、背景技術の項で述べたように、継手管５の両外側端面と繊維補強層３の切断端部との間に管本体２の伸縮に基づいて隙間ｇが発生する。そのため、特に１．５〜２．０ＭＰａのような高圧流体を輸送する場合には、上記隙間ｇの箇所に破壊が起こりやすくなる。
しかし、本発明の継手構造では、ロックリング８により繊維補強層３の端部を挟圧しているため、繊維補強層３がズレを発生せず、加えて、そのロックリング８の外周にテーパ面８ａ，１０ａを介して嵌合した環状フランジ１０，１０の間にボルト１１とナット１２を掛け渡し、締め付けるようにしたので、内圧により管本体２，２間に発生する軸方向荷重や熱膨張等により発生する軸方向荷重を継手管５には負担させることなく、ボルト１１に負担させるようにするため継手管５の破壊を防止し、耐久性が向上することができる。
本発明において、ロックリングの材質は大きな剛性と硬度を有する材料で構成することが好ましい。その材料としては、砲金、ステンレススチール、アルミニウム合金などの金属を使用することができる。
ロックリングの幅（軸方向の幅）としては、露出隙間ｇの２倍以上にすることが好ましい。具体的には、プラスチック管の口径にもよるが、１０〜６０ｍｍの範囲が好ましい。このロックリングが繊維補強層を挟圧する幅としては、ロックリングの幅の５０％以上で把持する。
ロックリングのテーパ面（及び環状フランジのテーパ面）が軸方向に対してなすテーパ角としては、特に限定するものではないが、好ましくは１０°〜２０°の範囲にするのがよい。テーパ角が２０°よりも大きいと繊維補強層に対する挟圧力が不足し、また１０°よりも小さいと継手管側への付勢力が不足する。
また、ロックリングの内周面には、図示の例のように突起を設けるのがよい。突起を設けることにより、繊維補強層に対する挟圧の拘束力を増大することができる。突起の形状としては、図示の例のように、周方向に平行に並ぶ突条が最も好ましいが、多数の点状に形成した独立突起であってもよい。突起の高さは、０．５〜１．５ｍｍの範囲が好ましい。低すぎては効果は少ないが、高すぎると面圧が低下するため好ましくない。
継手管両側の環状フランジの間に掛け渡すボルトの本数は、周方向に等間隔に３本以上を設けるとよい。より好ましくは、４〜１２本の範囲にするのがよい。
管本体を高密度ポリエチレンで形成し、その外周にアラミド繊維を軸方向に対し８５°の角度で巻き付けた繊維補強層を３プライ配置し、さらに外周に低密度ポリエチレンの被覆層を形成した構成からなる、口径２５０ｍｍ、長さ２０００ｍｍのプラスチック管を使用し、このプラスチック管２本の管端同士を連結するに当たり、下記の実施例と比較例との２種類の異なる継手構造で連結した。
（実施例）
図１の継手構造からなる。ロックリングの軸方向幅は４０ｍｍ、環状フランジの軸方向幅は４０ｍｍで、共にステンレススチール製とした。また、連結ボルトは、ネジ径が２０ｍｍのもの６本を等間隔に配置した。電気融着継手の継手管は高密度ポリエチレンからなり、その外周にアラミド繊維を巻き付けた補強層を配置した。
（比較例）
上記実施例の継手構造において、ロックリング及び環状フランジの締付け機構を設けなかったこと以外は、実施例と同一構成にした継手構造にした。
上記２種類の継手構造で連結したプラスチック管について、それぞれ４０℃の環境下に内圧２．５ＭＰａの高圧水を３０日間連続輸送を行った場合と、内圧３．０ＭＰａの高圧水を３０日間連続輸送を行った場合との耐久性を試験した。
その結果、比較例の継手構造で連結したプラスチック管では、前者の内圧２．５ＭＰａの高圧水を連続輸送した試験では、通水開始から２０日目に継手構造の繊維補強層切断端部に対応する隙間部に破壊が発生し、また後者の内圧３．０ＭＰａの高圧水を連続輸送した試験では、通水開始から１４日目に同じく継手構造の繊維補強層切断端部に対応する隙間部に破壊が発生した。しかし、実施例の継手構造で連結したプラスチック管では、いずれの試験の場合も、３０日間の試験が終了するまで破壊が発生しなかった。
本発明によるプラスチック管の継手構造の一例を示す半断面図である。 図１における要部の拡大図である。 他の例からなる図１における要部の拡大図である。 図１の継手構造に使用されるロックリングであり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。 図１の継手構造に使用される環状フランジであり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＹ−Ｙ矢視断面図である。 プラスチック管の一例を示し、（Ａ）は一部を断面にして示す側面図、（Ｂ）は横断面図である。 従来のプラスチック管の継手構造を示す半断面図である。
符号の説明
１ プラスチック管
２（プラスチック管の）管本体
３ 繊維補強層
４ 被覆層
５ 継手管
６ 電熱線
７ 補強層
８ ロックリング
８ａ テーパ面
８ｂ 突起
９ 切欠き部
１０ 環状フランジ
１０ａ テーパ面
１０ｂ ボルト孔
１１ ボルト
１２ ナット
ｇ 隙間

Claims (5)

  1. 管本体の外周に繊維補強層を巻回した２本のプラスチック管の管端からそれぞれ前記繊維補強層を切除して露出させた管本体同士を衝き合わせ、該管本体同士の衝き合わせ部の外周にプラスチック製の継手管を被覆すると共に、該継手管と前記管本体とを電気融着させたプラスチック管の継手構造において、前記継手管の両端部外側の繊維補強層上にそれぞれロックリングを嵌合し、該ロックリングを前記継手管側へ付勢すると共に、前記ロックリングの幅の５０％以上で前記繊維補強層を挟圧し、かつ前記繊維補強層の切断端部を保護層を介して前記ロックリングにより挟圧するようにしたプラスチック管の継手構造。
  2. 前記継手管の外周に補強層を設けた請求項１に記載のプラスチック管の継手構造。
  3. 前記継手管の両側に配置したロックリングの外周を、それぞれ前記継手管から離れる方向に向けて外径が小さくなるテーパ面に形成すると共に、該ロックリングの外周に環状フランジが内周のテーパ面を当接させるように嵌合し、かつ前記継手管両側の環状フランジ間にボルトを掛け渡して互いに引き合う外力を負荷した請求項１又は２に記載のプラスチック管の継手構造。
  4. 前記ロックリングの内周に多数の突起を設けた請求項１，２又は３に記載のプラスチック管の継手構造。
  5. 前記管本体及び継手管がポリエチレン樹脂からなり、前記繊維補強層がアラミド繊維からなる請求項１〜４のいずれかに記載のプラスチック管の継手構造。
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