JPH0242292A - 弾性係数の異なる複合材料層を含む管体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は高圧力に耐える新型複合チューブに関するも
ので、発明に係るチューブは従来技術によるチューブに
比較して、使用圧力が等しければ厚さおよび重量が少な
く、また等厚ならば許容圧力が高い。

発明は更に経済的に最適化したチューブを目標とする。

複合材料とはマトリックス内に包まれたＥまたはＲ型グ
ラスファイバ、カーボンファイバ、ケブラ２９またはダ
ブラ４９型アラミドファイバ（デュポン・ド・ヌムール
の商品）、また例えばエポキシ樹脂など熱可塑性または
熱硬化性素材など、平行ファイバで構成される材料をい
う。

このマトリックスはファイバに密着する。

発明は特に水または炭化水素など加圧流体の輸送またス
トック用チューブの製造に利用する。

更に発明に係るチューブは海底石油の調査または開発作
業において、例えば海底とポーリングまたは掘削用プラ
ットフォーム、または中間ブイなどとを連結する立ち管
の安全ラインとして利用に好適する。

この立ち管は普通英語でＲ１５ｅｒと呼ばれるものをい
う。

本文で複合単層とはマトリックス内で相互に包まれた平
行ファイバの並置および場合により重合せをいう。チュ
ーブの場合、ファイバはチューブ軸に対し同一角度で巻
かれる。

複合層とは１本の軸に対し２つの対称的方向に従って単
層なり、ファイバの並置および場合により重合せであり
、ファイバはマトリックス内に包まれる。チューブの場
合、ファイバはチューブ軸に対し２つの相対する角度で
巻かれる。

均衡複合層とは２方向に等配分したファイバを含む層を
いう。

マトリックスはファイバに付着する、チューブを多数の
複合層で構成する場合、マ）　ＩＪソックスそれに付着
するファイバを通る連続体を形成し、チューブに剛性を
与える。ここでは逆の仕様を除いて、層は複合層を意味
する。

発明は特にほぼ円周状に巻いた耐圧内層の弾性係数より
高い周辺弾性係数をもつ複合材料を最初のチューブ上に
ほぼ円周状に巻きつけることからなる。

チューブ上に巻く複合材料の周辺弾性係数とはその層に
接する方向沿いの弾性係数（またはヤング係数）をいい
、この接線はチューブＭＪこ対し垂直面上に位はする。

複合チューブは一般にファイバ層の重合せを含む。各層
につき述べたように、これらのファイバはチューブ軸に
対し等角度でまたは対称的に配され、マトリックス内に
包み込まれる。マトリックスは各種層のファイバに密着
する。

特に発明は専らではないが、単にしがも完全に引張り耐
性をもつ暦が明らかにしがも完全に耐圧性の層と別にな
ったチューブに利用する。

各種層のファイバを包むマトリックスはしかしこれらフ
ァイバを通って連続体を形成する。引張り耐性層はチュ
ーブ軸に対し１または多数の小角度で巻かれたファイバ
を含む。同様に耐圧層はチューブ軸に対しより大きな角
度で巻かれたファイバを含む。

周辺弾性係数が内層の周辺弾性係数より高い円周外層を
含むチューブの代わりに、周辺弾性係数が内層の周辺弾
性係数より高い周辺外層を含むタンクなどのように複合
材料製の耐圧性被覆を製造しても、この発明の枠を逸脱
するものではない。

この発明は内圧耐性があり、しかもチューブ軸に対し絶
対値７０°に少な４とも等しい角度で巻１／また少な４
とも２つの圧力補強ファイノ＜層または耐圧層−両層は
いずれも圧力下で径方向膨張を示し、一方に層は外側に
ある他方層の内側にある−を含む複合材料製のチューブ
を提案するものである。このチューブは外層の周辺弾性
係数が内層の周辺弾性係数より高いことを特徴とする。

上記耐圧性外層の下に位置する内側の耐圧性複合層は、
どれも上記外層より高い周円弾性係数をもち得ない。

上記の内・層および外層間に挿入される耐圧中間層をチ
ューブが含む場合、この中間層の周円弾性係数は上記内
・外層の周円弾性係数間にあるかまたは等しくできる。

圧力補強層の角度は少なくとも８０°に等しい、または
むしろ少なくとも８５″に等しくできる。

これら層の角度は特に９０°付近である。

耐圧内層はその縦方向ヤング係数が８０，０００ＭＰａ
に近いグラスファイバなどの強化ファイバを含むことが
でき、耐圧外層は縦方向ヤング係数が約１４０．０００
ＭＰａのケブラ４９ファイバなどの強化ファイバでもよ
く、また耐圧内層と耐圧外層の肉厚比は０．２０〜０．
５０または０．６０にできる。

耐圧内層はケブラ４９ファイバなどその縦方向ヤング係
数が約１４０．０００ＭＰａの強化ファイバを、また耐
圧外層はカーボンファイバなどその縦方向ヤング係数が
約２００．０００〜３００．０００ＭＰａの強化ファイ
バを含むことができ、また耐圧内層の耐圧外層に対する
肉厚比は０，１５〜０．３０としてもよい。

チューブは少なくとも１つの耐引張り強化層を含んでも
よい。

耐圧外層のファイバはチューブの内圧がない場合、予め
引張り応力をかけることができる。

チューブは引張り耐性をもち上記チューブの肉厚内に配
した少なくとも２つの強化ファイバ層を含んでもよい。

破裂圧力が約１００ＭＰａまたは以上で流体の輸送また
はストックに使用するチューブの製造にこの発明に係る
チューブを利用できる。

発明は以下の製造例における説明でよく理解でき、また
その利点も明らかとなるが、発明を応用した複合材料製
チューブの一例を付録図に示す。

参照番号１はチューブの外部被覆を示し、ＢＵＮＡ、　
ＲＩＬＳＡＮ　（それぞれＨＯＥＣＨ５ＴおよびＡＴＯ
Ｃ）ＩＥＭ社の製品名）などのエラストラ、熱可塑性ま
たは熱硬化性材料による密閉被覆である。

この被覆はアルミ、チタンまたはスチールを用いてもよ
い。これら材料の弾性係数は一般に耐圧内層の弾性係数
より高いので、これはこのタイプの被覆が弾性変形に耐
えることを意味する。

内部被覆１上には多数の複合層２．３．４．５．６．７
．８を巻きつげる。内［２は特にチューブ軸に対し絶対
値が約９０°の角度で巻（ファイバにより製し、内層２
がチューブ内圧に対応する応力をもつようにする。

チューブ軸に沿い引張り応力を生じろ層３はチューブ軸
に対し０〜３５″　　例えば２０°などの小さい角度で
巻かれたファイバを含む、層４は第２の耐圧内層であり
、ｌｌ１２のようにそれと同じ複合材料で製し、ファイ
バは内層２と同様にチューブ軸に対し同じ角度で巻きつ
ける。従って１１４は層２と同じ円周弾性係数を呈する
。ｆｆ１４が層２より高い円周弾性係数をもつが、これ
より外側にあって内圧に耐える層の弾性係数より小さい
またはそれと等しくても本発明の枠を逸脱しない。

層５は層３と同様にチューブにかかる引張り応力に耐え
る層である。

耐圧性中間層６はチューブ軸に対し約９０°の角度で巻
いた強化ファイバを含み、層２および４につき使用した
ものとは異なる複合材料で製造できる。この複合材料の
違いは例えばマトリックスおよびファイバの割合の変化
、またはファイバの性質の変化、またはマトリックスの
性質の変化により得られる。この発明に従って重要な点
は、それより内側にある耐圧層およびそれより外側にあ
る耐圧層の弾性係数にせいぜい等しい耐圧層の周円弾性
係数である。

層７は層３および５と同様にチューブにかかる引張り応
力に対応する。

外層８はチューブ軸に対し絶対値約９０″の角度で巻く
耐性ファイバで製し、チューブ内圧で生じる応力に対応
する。この外層８はその内側にある耐圧層より周円弾性
係数が高い複合材料で製する。

中間層６はＩ′１１８に等しい、または層４に等しいま
たは層４および８の中間にある弾性係数をとり得る。

発明は以下の例で一層理解し易い： この例は使用圧力５０〜１．００ＭＰａ、安全率２とし
たタイプの製造例で、最大理論破裂圧は２００ＭＰａの
オーダとなる。このチューブ壁は以下により構成される
ニ ーチューブ軸に対し小さい角度で巻き引張り応力を生じ
る樹脂ファイバ複合材から成る５つの層；これらの層は
チューブ壁内に比較的均等に配置する； −チューブ軸に対し約９０°の巻付は角度をなす樹脂グ
ラスファイバ複合材から成る１つの層で、チューブの内
部から配される； −チューブ軸に対し約９０＠の巻付は角度をもつ樹脂・
ケブラファイバの複合材から成る１つの層で、グラスフ
ァイバに対し外側に配される。

例としてこのようなチューブは内径５．３ｃｍ、外径７
．３０１１（肉厚／外径比＝３８；この現象は比率のみ
に依存し、絶対値にではない）となる。耐圧縦複合層は
累積厚０３６６（至）をなし、規則的に配置される。

円周方向の複合層、すなわち耐圧層の累積厚は１．３４
桁となる。

下表は内圧２１０ＭＰａとしてそれぞれの肉厚に応じて
一方は内部の樹脂ガラスの、また他方はケブラ樹脂の複
合層に累積する円周および径方向の最大応力を示すもの
で、耐圧層にのみ関係する。

上表はＭＰＡで表したグラス複合層およびケブラ複合層
の径方向および円周方向応力をまとめたもので、次の現
象が明らかに読みとれる：より高い円周弾性係数をもつ
ケブラ外層によるグラス届の補強は、材料厚が等しい場
合、グラス内でもケブラ内でも同様に最大応力の逓減を
もたらし、相関的にチューブの許容応力および破裂・使
用圧力の逓増をもたらす。

他方、耐圧ケブラ層に生じる円周応力は径方向応力の低
減を考慮すれば一層大きくできる。

同様に例えば許容最大応力がケブラ材でもグラス材でも
同じとすれば、また誘発する円周方向の最大応力のみが
破壊基準とすれば、グラス複合材およびケブラ複合材内
で対応する応力が等しい場合の最適割合は６０％となる
。その際の性能利得はチューブの肉厚を変えなければ１
０％のオーダである。

耐性基準として組合せ基準をとれば、最適割合は更に小
さく、おそらり３０〜５０％のオーダとなり、得られる
性能利得は１５〜２０％に達する。

実際上、極めて高い圧力の場合、壁材料は薄板の円周方
向引張りおよび静水圧縮に耐えねばならず：これは２，
１００バール（２１バールの複合材上の横径方向圧縮応
力）に達し、ファイバ方向の引張り特性が著しく低下す
ることを示す。最大横圧縮を生じこの引張りをより剛性
があり横圧縮の負担が少ない材料の外部ファイバに向け
る内部ファイバは、補強により引張りが著しく軽減され
る。

発明の枠を逸脱することなく耐圧性または引張り耐性の
層数を増減し、これら層の配分を変更することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、複合材料製チューブの一部破砕断面図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部圧力に耐え、またチューブ軸に対し少なくとも
   絶対値が７０°に等しい角度で巻かれた少なくとも２つ
   の圧力強化ファイバ層または耐圧層を有し、両層がいず
   れも圧力下で径方向に膨張し、両層の一方は他方の内側
   にある複合材のチューブで、外層の円周弾性係数が内層
   の円周方向弾性係数より大きいことを特徴とするチュー
   ブ。 ２、上記内・外層間に挿入した強化圧力中間層を有し、
   中間層の円周弾性係数が内・外層材料の円周弾性係数の
   間にあることを特徴とするクレーム１に記載のチューブ
   。 ３、上記外層の下にあるいかなる層も上記外層よりその
   弾性係数が上回らないことを特徴とする特許請求の範囲
   １および２に記載のチューブ。 ４、上記角度が少なくとも８０°、特に９０°に近いこ
   とを特徴とする特許請求の範囲１〜３のいずれかに記載
   のチューブ。 ５、上記の耐圧内層は縦方向ヤング係数が ８０，０００ＭＰａに近いグラスファイバなどの強化フ
   ァイバを含み、また上記の耐圧外層は縦方向ヤング係数
   が約１４０，０００ＭＰａのケブラ４９などの強化ファ
   イバを含み、更に内層の肉厚に対する外層の肉厚の比が
   ０．２０〜０．６０、特に０．２０〜０．５０であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲１〜４のいずれかに記載
   のチューブ。 ６、上記の耐圧内層は縦方向ヤング係数が約１４０，０
   ００ＭＰａのケブラ４９のような強化ファイバを含み、
   上記の外層は縦方向ヤング係数がほぼ２００，０００〜
   ３００，０００ＭＰａをなすカーボンファイバなどの強
   化ファイバを含み、更に耐圧内層の肉厚に対する耐圧外
   層の肉厚の比が０．１５〜０．３０であることを特徴と
   する特許請求の範囲１〜４のいずれかに記載のチューブ
   。 ７、少なくとも１つの引張り耐性強化ファイバ層を含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲１〜５のいずれかに記
   載のチューブ。 ８、耐圧外層のファイバがチューブの内圧がない場合に
   予め引張り応力を加えられることを特徴とする特許請求
   の範囲１〜７のいずれかに記載のチューブ。 ９、引張り耐性を備え上記チューブの肉厚内に配分した
   少なくとも２つの強化ファイバ層を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲１〜８のいずれかに記載のチューブ。 １０、破裂圧力が約１００ＭＰａまたはそれ以上あり、
   流体の輸送またはストックに使用するチューブの製造に
   特許請求の範囲１〜１０のいずれかに記載するチューブ
   を利用すること。