JP6891770B2 - パイプラインへのケーブルの接続方法及びパイプラインへのケーブル接続用のケース - Google Patents

Description

本発明は、ガス、石油、水道などの流体を輸送するパイプラインへケーブルを接続する方法に関する。

地中や海水中に設置されるパイプラインが腐食するのを防止するために、電気防食が行われている。電気防食は、カソード防食法とも呼ばれており、パイプラインに防食電流を供給してパイプラインの腐食を防止する。電気防食にあたって、防食電流の通電や計測等のためにパイプラインにケーブル（すなわち電線）を電気的に接続する必要がある。

従来のパイプラインへのケーブルの接続方法の一つとして、テルミット溶接が知られている。テルミット溶接は、鉄道のレールにボンド線と称されるケーブルを接続するのによく用いられている（特許文献１参照）。テルミット溶接においては、パイプライン上にモールドをセットし、モールドにケーブルを差し込む。そして、モールドにアルミニウムと酸化銅（又はアルミニウムと酸化鉄）の混合粉を充填し、点火してこれらを燃焼させ、その化学反応によって生じた熱でケーブルの銅線とパイプラインの鋼材を溶融させ、これらを互いに溶着させる。

しかしながら、テルミット溶接にあっては、溶着部で生成するＦｅ−Ｃｕ合金に冷却割れが発生する可能性がある。冷却割れが発生すると、パイプラインの内部流体が漏洩するおそれがある。このため、テルミット溶接は、鉄道のレールへのケーブルの接続には用いられているが、パイプラインへのケーブルの接続には用いられなくなっている。

パイプラインへのケーブルの接続には、テルミット溶接の替わりに、端子鋼板溶接が用いられている。端子鋼板溶接は、予めターミナル板と呼ばれる鋼製の平板にテルミット溶接によってケーブルを溶着し、ターミナル板を隅肉溶接によってパイプラインに溶接するものである。パイプラインと鋼製の平板とを溶接するので、パイプラインにＦｅ−Ｃｕ合金の冷却割れが発生するのを防止できる。

特開２００１−９５７８号公報

しかしながら、端子鋼板溶接にあっては、隅肉溶接の熱量が高いので、パイプラインの鋼材が急熱及び急冷される。このため、あたかも鋼材を焼き入れしたかのように鋼材の硬度が局所的に上昇するという課題がある。このような鋼材の硬度上昇は、鋼材の割れを生じさせるおそれがある。鋼材の硬度上昇を抑えるためには、注意深い溶接施工が必要になる。

そこで、本発明は、パイプラインの鋼材の硬度上昇を防止できるパイプラインへのケーブル接続方法及びパイプラインへのケーブル接続用のケースを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、パイプライン上にケースを設置し、前記ケースにケーブルを差し込み、前記ケースにろう材を入れ、誘導加熱装置を用いて前記ケースを加熱して前記ろう材を溶融させ、溶融させた前記ろう材を冷却して固まらせるパイプラインへのケーブルの接続方法である。

本発明の他の態様は、パイプライン上に設置され、ケーブルを差し込むための開口を有すると共に、ろう材を入れるための開口を有し、誘導加熱装置によって加熱されて内部に入れられたろう材を溶融させるパイプラインへのケーブル接続用のケースである。

本発明によれば、誘導加熱装置を用いてケースを加熱してケースに入れたろう材を溶融させる。ろう材の融点は、パイプラインの鋼材の融点よりも充分に低いので、パイプラインの鋼材に過度の熱が入り、鋼材が溶融するのを防止できる。したがって、パイプラインの鋼材の硬度が上昇するのを防止できる。

本発明の一実施形態のパイプラインへのケーブルの接続方法の工程図である。 パイプラインの斜視図である。 ケースを示す図である（図３（ａ）は上面側斜視図、図３（ｂ）は平面図）。 パイプラインの鋼面上にケースを設置した状態を示す斜視図である。 ケースの回りに誘導コイルを設置した状態を示す斜視図である。 誘導加熱装置の模式図である。 ターミナルの斜視図である。 ろう材の温度とパイプラインの鋼材の温度とを比較したグラフである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態のパイプラインへのケーブルの接続方法を詳細に説明する。ただし、本発明のパイプラインへのケーブルの接続方法は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本発明の一実施形態のパイプラインへのケーブルの接続方法の工程図を示す。本実施形態のパイプラインへのケーブルの接続方法は、塗覆装剥離、鋼面の研摩（Ｓ１）、フラックス塗布（Ｓ２）、ケースの設置、ケーブルの差込み（Ｓ３）、ろう材の挿入、誘導加熱装置セット（Ｓ４）、ろう材の溶融（Ｓ５）、ろう材の冷却固化、ケース除去（Ｓ６）の工程を備える。以下にこれらの工程を順番に説明する。
（塗覆装剥離、鋼面の研摩）

パイプライン１の鋼管には、ポリエチレン等の塗覆装が被覆されている。図２に示すように、鋼管の表面（すなわち鋼面１ａ）を露出させるために、ケーブルを取り付ける部分の塗覆装を切り取り、鋼面１ａから剥離する。切り取る部分の大きさは、特に限定されるものではなく、例えば直径８０〜１００ｍｍの円形、一辺が８０〜１００ｍｍの四角形等である。パイプライン１は、新設で内部に流体が流れていないのものであっても、既に運用されていて内部に流体が流れているものでもよい。
（フラックス塗布）

露出した鋼面１ａをサンダー等の研摩装置で研摩し、面粗しする。面粗し後、ブラシ等で鋼面１ａを清掃し、石油系溶剤やアルコール等で脱脂し、鋼面１ａの汚れを拭き取る。そして、鋼面１ａ及びケーブルの銅線に、塩化亜鉛、塩酸、塩化アンモニウムを含有するフラックスを塗布する。フラックスを塗布することで、溶融したろう材の濡れ性を向上させることがきる。

なお、ろう材の濡れ性を向上させるために、ワセリンやパラフィンが添加されているペーストもあるが、これらは不純物として界面に残るので、固まったろう材と鋼材との密着性を確保することが困難である。
（ケースの設置、ケーブルの差込み）

図３に示すケース２を用意する。ケース２は、鋼、鉄等の磁性体製である。ケース２の板厚は０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、望ましくは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。ケース２の板厚をこのように設定することで、ケース２の速やかな温度上昇と、固まったろう材からのケース２の除去の容易さとを両立できる。ケース２の板厚が０．１ｍｍ未満であると、誘導加熱による加熱効率が低下するし、充分な強度がないので、熱によりケース２が変形したり損傷する。ケース２の板厚が１ｍｍを超えると、固まったろう材からのケース２の除去（例えばマイナスドライバを固まったろう材とケース２との界面に差し込んで隙間を作る作業や、ペンチでケース２を取り除く作業）が困難になる。ケース２は、無塗装、無メッキの鋼板製である。ケース２を無塗装、無メッキにすることで、ケース２が高温になってもケース２が燃焼するのを防止できる。

図３（ａ）に示すように、ケース２は、ケース本体２ａと、ケーブル差込部２ｂと、を備える。ケース本体２ａは、上部及び下部が開口する箱状である。ケース本体２ａの高さＨは、後述する誘導コイルの高さ以上に設定される。ケーブルの差込み方向（１）と直交する方向のケースの幅Ｗ、ケーブルの差込み方向（１）の奥行きＤは、ターミナル３（図７参照）の大きさに合わせて設定される。なお、ケース本体２ａの形状は箱状に限られることはなく、例えば円筒状にすることもできる。

ケーブル差込部２ｂは、ケース本体２ａの側壁２ａ１から突出する。ケーブル差込部２ｂは、ケース本体２ａよりも小さい箱状である。ケーブル差込部２ｂは、その下部、ケース本体２ａ側の側壁、及びケース本体２ａから離れた側壁が開口する。図３（ｂ）に示すように、平面視において、ケーブル差込部２ｂの幅Ｗ１はケース本体２ａの幅Ｗよりも小さい。ケーブル差込部２ｂの下部には、鋼面１ａ上に設置されたケース２を安定させるために、一対の板状の張出し部２ｃが設けられる。なお、ケーブル差込部２ｂの形状は箱状に限られることはなく、例えば半円筒状にすることもできる。

次に、ケース２の内面に剥離剤を塗布する。剥離剤は、例えばシリコンオイルである。剥離剤を塗布するのは、ケース２と固まったろう材との剥離性を高めるためである。

次に、図４に示すように、鋼面１ａ上にケース２を設置し、ケーブル４の被覆を剥いだ銅線４ａがケース本体２ａ内に入るように、ケーブル差込部２ｂにケーブル４を差し込む。ここで、ケーブル差込部２ｂにケーブル４を差し込んだ後、鋼面１ａ上にケース２を設置することもできる。

次に、図５に示すように、ケース本体２ａと鋼面１ａとの接触部分とケーブル差込部２ｂを石粉粘土５で覆い、ケース２を鋼面１ａに固定する。図５では、石粉粘土５にドットを附している。
（ろう材の挿入、誘導加熱装置セット）

図５に示すように、ケース本体２ａの上部の開口にろう材７を入れる。図５には、３〜４枚の板状のろう材７を入れた例を示す。ろう材７は、例えば共晶半田、鉛フリー半田等の半田である。ろう材７の融点は、特に限定されるものではなく、例えば１８０℃以上２２０℃以下である。ろう材７の形状は、板状でも、円柱状でも、直方体状でもよい。

次に、ケース２を囲むように鋼面１ａ上に誘導コイル１１を設置する。図６に示すように、誘導加熱装置１０は、誘導コイル１１、マッチングボックス１２、高周波電源１３、タイマー１４を備える。高周波電源１３は、高周波電力を作り出す。マッチングボックス１２は、誘導コイル１１と最適整合をとり、誘導コイル１１に効率よく高周波電力を供給する。タイマー１４は、誘導コイル１１に間欠的に高周波電力を供給する。
（ろう材の溶融）

誘導コイル１１に高周波電力を供給すると、誘導コイル１１に交番磁界が発生する。この交番磁界は、電磁誘導によってケース２の表面付近に渦電流を発生させる。ケース２は、誘導コイル１１とは非接触で、誘導損失と渦電流損失によって加熱される。

ケース２の温度が上がり、赤熱してくると、誘導コイル１１の電流が増加し、高周波電源１３がオーバーロードになり、安全装置が働いて誘導コイル１１の通電が遮断される。オーバーロードは、誘導コイル１１に５秒間以上通電すると、頻繁に生じるようになる。また、通電が１秒未満だと、繰り返し通電のためにスイッチ操作を頻繁に行う必要があり、ケース２の冷却が起こる。このため、タイマー１４によって誘導コイル１１に１秒以上５秒以下の間だけ通電し、その後０．１秒間だけ供給を停止し、再び１秒以上５秒以下の間高周波電力を供給する。タイマー１４は、繰り返し通電（供給と停止から構成される１サイクル）を５回以上４０回以下繰り返す。４回以下であると、ケース２の温度が充分に上がらず、ろう材７を融かすことができない。また、４０回を超えると、必要以上にパイプライン１の鋼材に入熱が起こり、急熱及び急冷によるパイプライン１の鋼材の硬度上昇の危険性が生ずる。

ケース２は、例えば２００℃以上４００℃以下に加熱される。ろう材７の融点は、例えば１８０℃以上２２０℃以下であるので、ケース２内のろう材７がケース２に接触する等して溶融する。ろう材７は非磁性体であり、ろう材７が誘導加熱装置１０によって溶融するほど加熱されることはない。ろう材７は、ケース２に接触等して溶融する。

ろう材７の溶融を促進させるために、ケース本体２ａに鉄、鋼製等の磁性体の棒材（図示せず）を入れ、この棒材をろう材７に接触させ、ろう材７の溶融を促進させることもできる。磁性体の棒材は、誘導加熱装置１０によって加熱される。
（ろう材の冷却固化、ケース除去）

ろう材７が完全に溶融したら、高周波電源１３をオフにし、誘導コイル１１の通電を停止する。これにより、溶融したろう材７が自然冷却によって固まる。ろう材７が固まったら、ターミナル３（固まったろう材７をターミナル３と呼ぶ）からケース２を除去する。

図７は、ケース２を除去した後のターミナル３を示す。ターミナル３は、ケース本体２ａによって形成される箱状の本体部３ａと、ケーブル差込部２ｂによって形成され、本体部３ａよりも小さい箱状のネック部３ｂと、を備える。本体部３ａとネック部３ｂとは一体であり、両者がケーブル４の銅線４ａを支える。このように銅線４ａを支えることで、ケーブル４が揺れても銅線４ａが損傷するのを防止することができる。

ケース２の除去後、ケーブル４を結束バンド等によりパイプライン１に固定する。そして、防食充填剤や防食テープ、熱収縮チューブ等を用いてターミナル３、ケーブル４の塗覆装を行う。
（本実施形態の効果）

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
誘導加熱装置１０を用いてケース２を加熱し、ケース２に入れたろう材７を溶融させる。ろう材７の融点は、例えば１８０℃以上２２０℃以下であり、パイプライン１の鋼材の融点である約１５００℃よりも充分に低い。したがって、パイプライン１の鋼材に過度の熱が入り、鋼材が溶融するのを防止できる。

ケース２を誘導加熱装置１０によって加熱するので、ケース２を加熱するにあたって、燃焼物や火炎が発生しない。したがって、燃焼物や火炎の制限のあるパイプライン、例えば天然ガス輸送パイプラインなどの引火性の高い流体を輸送するパイプラインにも本実施形態を使用することができる。

直径約６００ｍｍの天然ガス輸送配管のパイプラインに電気防食計測用のＣＶ８ｍｍ^２のケーブルを接続した。パイプラインの塗覆装を剥離し、鋼面を研摩、清掃、脱脂した。鋼面に塩化亜鉛、塩酸、塩化アンモニウムを含有するフラックスを塗った。

板厚０．３ｍｍの無塗装、無メッキの鋼板でケース（幅１５ｍｍ×奥行２０ｍｍ×高さ３０ｍｍ）を製作した。ケース内面に剥離剤としてシリコンオイルを薄く塗布した。

パイプライン上にケースを置き、溶融したろう材の漏えい防止とケースの固定のために、ケースの周囲の下側を石粉粘土で固めた。

ケーブルをケースに差し込んだ後、ろう材をケースに入れ、ケースを囲むように誘導コイルを設置した。出力１０００Ｗの誘導加熱装置によってケースを加熱した。加熱にあたって、タイマー機能を使用し、２秒間の通電をろう材が充分に溶融するまで１５回繰り返した。

図８は、ろう材の温度とパイプラインの鋼材（鋼材の内面）の温度とを比較したグラフである。繰り返し通電によりろう材の温度は約２４０℃まで上昇した。しかし、パイプラインの鋼材は約１２０℃までしか上昇しなかった。

ろう材は良好に完全溶融し、溶融ろう材はケース内の底部に溜まり、ケーブルの銅線と鋼面になじんでいた。冷却後、マイナスドライバやペンチを使用することにより、ケースを容易に固まったろう材から分離できた。

ろう材は良好にケーブルの銅線と鋼面に溶融、密着し、ケーブルの銅線と鋼面とを電気的に接続できた。ケーブルを引っ張っても、ハンマーでターミナルを軽く叩いても、ケーブル、ターミナルは外れず、密着強度は良好であった。

鋼管に過度の入熱もなく、鋼管が硬化を招くほどに著しく熱くなることもなかった。導電性をテスターで確認した結果、極めて良好な導電性があることを確認した。電気防食用のケーブル接続として充分な性能であった。

１…パイプライン
１ａ…パイプラインの鋼面
２…ケース
２ａ…ケース本体
２ｂ…ケーブル差込部
２ｃ…張出し部
３…ターミナル
４…ケーブル
４ａ…銅線
５…石粉粘土
７…ろう材
１０…誘導加熱装置
１１…誘導コイル
１２…マッチングボックス
１３…高周波電源
１４…タイマー

Claims (6)

1. パイプライン上にケースを設置し、前記ケースにケーブルを差し込み、前記ケースにろう材を入れ、
   誘導加熱装置を用いて前記ケースを加熱して前記ろう材を溶融させ、
   溶融させた前記ろう材を冷却して固まらせるパイプラインへのケーブルの接続方法。
2. 前記ろう材を溶融させるのにおいて、
   前記ケースの上部の開口から磁性体の棒材を入れ、前記棒材を前記誘導加熱装置によって加熱することを特徴とする請求項１に記載のパイプラインへのケーブルの接続方法。
3. 塩化亜鉛、塩酸及び塩化アンモニウムを含有するフラックスを前記パイプラインの表面に予め塗布しておき、溶融させた前記ろう材の濡れ性を向上させることを特徴とする請求項１又は２に記載のパイプラインへのケーブルの接続方法。
4. 前記誘導加熱装置は、前記ケースを囲む誘導コイルに間欠的に高周波電力を供給することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のパイプラインへのケーブルの接続方法。
5. パイプライン上に設置され、
   ケーブルを差し込むための開口を有すると共に、ろう材を入れるための開口を有し、
   誘導加熱装置によって加熱されて内部に入れられたろう材を溶融させるパイプラインへのケーブル接続用のケース。
6. 前記ケースの板厚が０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のパイプラインへのケーブル接続用のケース。

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