JPH0276989A - 内部圧力があっても殆ど長さの変化しない複合材料管 - 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】 本発明は、内圧の影響で長さが略変化しない新規な複合
管構造に関する。

複合材料とここで呼ぶのは、ガラス繊維、カーボンファ
イバー、アラミド繊維等の・互いに並行な繊維がたとえ
ばエポキシ樹脂等のような熱可塑性又は熱硬化性のマト
リックス中に人ワている材料のことである。

本発明は、とりわけ、水や炭化水素等の加圧流体を移送
したり貯蔵したりするための管の製°造に適用できる。

本発明にかかる管は、海底と掘削又は作業プラットフォ
ームや水中ブイ等の海面支持体とを結ぶ主要又は補助上
り用及び下り用柱等、沖合石油探索・掘削作業に用いる
ものである。こうした柱管は、通常、立ち管又はチュー
ビングと呼ばれる。

管線が長く延びている単数又は複数の固定プラットフォ
ームの現場用立ち管は、通常、池床中の圧力にはさらさ
れずに、現場用パイプ（配管ともいう）を保護する。立
ち管は、採油管が漏れたり破損したりした際の内圧には
耐えるように設計されている。

上記のような立ち管は、延在する長さが著しいので、立
ち管内の圧力から生じる底面の効果により誘発される牽
引力や重量又は温度の変化により、相当に長平方向に変
動してしまう。この変動に対処するため、通常、立ち管
は牽引下に相当なブレ番ストレスをかけておくが、作業
条件により一定又は最低値に等しい牽引力をかけるよう
な複合引張システムを傭って引張ってお（。

本発明の管は内圧がない場合はいがなる牽引力にも耐え
るかなり大きな柔軟性をもつので、長手方向の変動に依
存して牽引力下に、立ち管を保持するシステム又はその
一部を必要としないで構成できる為とりわけこの種の立
ち管に適している。

管の上端における先端牽引力は、内圧がない場合は、管
の重量を持上げるに要する力に１よりも大きい関数（た
とえばＩ、７）を乗じたものに対応するので、氷中腺に
たいする海流の影響等の外力と関係なく、立ち管のプロ
フィールを一定の許容域内に保つことができる。

従来技術の管が予期しない圧力を受けた場合は、圧力は
前頭にのいて相当な力を伝達しその結果、管が細長く伸
びてしまう。この長手方向の変動は引張システムで吸収
して、立ち管が下方側でつぶれるのを防ぐ必要があった
。

本発明による管は内圧を受けた場合にも長手方向の変化
を生じないか生じたとしても極めてわずかであるので、
引張システムが不要になる利点がある。

本発明による管は、海中ブイまで続（現場用管又は立ち
管としても、使用することができる。

この場合、管は恒久的な引張システムをつけずに上ｆｆ
１ｆｆと下端で固定することができる。従来技術の管が
使用されていた圧力ならびに温度の条件下においては座
屈が生じがちであり、座屈にたいしては管は周囲のシス
テム（とりわけ座屈ガイド）を圧したり下端で大きな曲
げ一圧縮応力を生じたりして反応する。本発明の管を使
った場合は、ガイドシステムは不要又は縮小することが
でき、前もって必要なブレφテンシ四ニングを筒単にす
ることができ、下端での曲げ一圧縮応力を減小すること
ができる。

本発明にかかる管は、陸上又は海上において、上述の立
ち管の中で、又は直接油井の中で、現場採油管又は水や
ガスの注入用管として使用することができる。従来技術
の管が使用されていた圧力及び／又は温度の条件の下で
は座屈が上記同様に生じがちであって、これにたいして
管は油井又は立ち管のケーシングに圧力をかけたり下端
で大きな曲げ一圧縮応力を生じたりする。

本発明は、初期の引張り変形を減小又は抑止する、ある
いは継手に替えてハウジングを使用するか又は下端の曲
げ応力を減ずことにより、下端の継手の滑動を抑止する
。

本発明にかかる管は、掘削索を保護する沖合掘削柱の周
辺線に使用することもできる。周辺線は安全線（閉止又
は停止線）であったり泥水注入線（ブースター）であっ
たりする。従来管は、端部で滑動した。内圧がかかると
座屈に等しい横方向の不安定要素が発生し、管がガイド
システムから突然脱けたりしがちであった。本発明の管
を端部で埋没させて使用すると、誘発された牽引力は端
部栓で吸収されて、中間ガイドシステムを使わずにすま
すことができる。

本発明は、地表から掘削する井戸の採油管又はチュービ
ングを形成するために使用することができる。

さらに、本発明による管は、地表又は海中の井戸の中で
、又は海中立ち管の中で、採油用チュービングとして使
うこともできる。

本発明は、また、航行による損害のリスクを回避するた
めに、海溝の底に配置する、埋設用の水中回収ダクトに
も使用できる。

従来のダクトは一度埋設すると、圧力を受けるたびに細
長く変形し海溝から浮きあがってきがちであり、折角埋
設した効果を十分にあげられないきらいがあった。

本発明の管は、こうしたリスクをかなり減少することが
できる。

上記の使用例は、例示的であって限定的ではない。

複合管は、一般に、管の軸にたいして等しいか又は対称
的な角度で配置された繊維が互いに上載されて成る複数
の層がマトリックス中に埋めこまれて構成される。マト
リックスと繊維は、付着している。

上記の層のうちいずれかが管の内部の圧力すなわち内圧
に対する抵抗が大きく、他のいずれかが牽引力に対する
耐性が大きいように構成することもできる。耐圧性の層
は管の軸にたいして高い角度で巻かれている繊維の複数
のグルーブから成り、一方牽引力の耐性が大きい層は管
軸にたいして小さな角度で巻かれたｔａ　１ｆｌｉから
成る。

従来技術の複合管は、牽引力にも内圧にも耐えるように
１１■成されているが内圧の影響下で長手方向の変形が
ほぼゼロではない。

実際に、カーボンファイバー、アラミドファイバー、ガ
ラスｔＩＪＩ維等で作られ、内圧に耐える従来管であっ
ても、内圧の影響を受けると各材料の作業圧力限界のそ
れぞれ約０．４％、０．６％、０．８％で長平方向に変
形する。

本発明の複合管は、これにたいして、ずっと低い程度、
ゼロ又はマイナスの長手方向変形しか生じない。本発明
の複合材料管は、複合材料管の応用範囲を拡張するもの
であり、上述の欠陥を減少することができる。

特に別記しないかぎり、以下の説明において、繊維グル
ープとはマトリックス中に埋設された同一組成の互いに
並行な繊維の集合を意味し、層とは巻き軸にたいして絶
対値でほぼある定数の角度で巻きつけられ、該角度で一
方向に巻かれた繊維と同じ角度で反対の方向に巻かれた
繊維とが等しい分量で構成する一つ又は一つ以上の繊維
のグループを意味する。

それ故、同一層においては、巻き軸にたいしである角度
データ（θ）で巻かれた繊維と該軸にたいしてマイナス
テータ（−〇）で巻かれた繊維の数とは等しい。

単数又は複数の腹痛は、繊維に付着してほぼ連続したメ
ディウムを形成するマトリックスによって結合されてい
る。

内圧の影響下においても長手方向の変形をほとんどしな
い本発明にかかる複合材料管は、強化ｍ維の互層の安定
した層から成り、各層の繊維（１）は管の軸にたいして
θ度（絶対値）の巻き角度で一方向（Ｉｏｌ）に巻きつ
けられているものとこれと同じ数で反対の方向に同じ角
度に巻きつけられている（−１００ものとがある。

各層の繊維は、繊維に付着するマトリックス中に埋設さ
れており、同じ層のｔａ　ｉｒｇとこれを結合するマト
リックスの体積はＸとする。同一の層の並行の繊維と付
着しているマトリックスは繊維の自然の方向における弾
性重重をもつので、本発明の互層の繊維は全体として次
の式で表すことができる。

０．３５≦Ａ≦０．６０の場合Ａは次の式で表すことが
できる。

一つのグループの繊維を置く際の角度の誤差の影響を少
な（するため、換言すれば、この製造パラメータについ
て許容度を増すために次の式で表せるような構造が好ま
しい。

０．４０≦Ａ≦０．６０ さらに、次の式で表せる構造の方がよい。

０．４３≦Ａ≦０．５２ 強化繊維は、ガラス、アラミド、カーボンその他の材料
を単独で使用しても組合せて使用して製造してもよい。

強化繊維のグループは同一の繊維のグループを一対とし
て組合せであり、一方のグループは管軸にたいして（＋
）θ度の角度をなし他方のグループは（−）θ度の角度
をなしている。

本発明の管によれば、少なくとも一つの層の強化繊維が
、ガラス、カーボン、アラミドがら成る繊維であってよ
い。

本発明の管は少なくとも二つの層から成り、その内一層
は管の軸にたいして小さな角度で巻きつけられた繊維か
ら成り他方は管の軸に対して大きな角度で巻きつけられ
た繊維から成る。

角度の小さい巻きがたの層の繊維の自然な方向における
弾性率は、巻き角度の大きい層の繊維の自然な方向にお
ける弾性率よりも大きくてもよい。

本発明は少なくとも二つの層から成り、一つの層は５５
°と９０″　との間の角度で巻かれたｔａ　Ｋ（ｉから
成り、他方の層は絶対値がｌＯ″′と４５′　との間の
角度で巻かれた繊維から成る。管が二つの層だけで構成
されている場合は、一方の層の全体にたいする体積比は
、３５％と６５％の間である。

本発明による管は、管の軸にたいして巻き角度が略７０
°に等しい層から成り、繊維の自然な方向の全体の弾性
率は５０．０００〜５６．０００ＭＰａの範囲に近い。

また、管は管軸にたいして巻き角度が略２６°に等しい
層からも成り、繊維の自然な方向２６″における全体の
弾性率は１４０　、０００ＭＰａに近い。７０″の層と
２６″の層の割合は、体積比で約５５％対４５％である
。

本発明による複合層は、管軸にたいする巻き角度が略７
０″であり繊維の全体としての弾性率が自然な方向で５
０．０００〜５６　、０００ＭＰａに近い範囲にある層
と、管軸にたいする巻き角度が略３０″であり繊維の全
体としての弾性率がこの層の角度３０６　において約１
００　、０００ＭＰａである層とから成り、７０°の層
と３０°の層の割合は体積比で、略５０％対５０％であ
る。

本発明の管は、管軸にたいして絶対値が３８″に略等し
い角度で巻かれた強化繊維の層少なくとも一つと、管軸
にたいして絶対値が６２°に略等しい角度で巻かれた強
化繊維の層少なくとも一つとから成り、上記の３８″の
層と６２″の層の割合は体積比は略４５％対５５％であ
る。

上記のとおり、本発明による管は、掘削又は採油プラッ
トフォーム用の立ち管の建造に使用することができる。

また、地上又は海上の井戸の中の採油管または海中立ち
管の中の採油管として使用することができる。

（好ましい実施例） 本発明による管は、内側シース１と、強化繊維のグルー
プをそれぞれ含む一連の複合層２．３．４．５．６．７
．８がその上に順番に積載されている。グループは圧力
抵抗が大きいグループ２．４．６．８と牽引力抵抗が大
きいグループ３．５．７とを交替に配置してもよい。

それ故、複合層の二つのシリーズをもつ管であってよい
。第一の複合層シリーズ３．５．７は管軸にたいして（
＋）　／　（−）　２６°の角度で対称に巻かれている
カーボンファイバーから成り、複合材は繊維軸沿いの弾
性率すなわちヤング率Ｅ１が１４０，０００ＭＰａであ
る。

第二の複合層シリーズ２．４．６．８は管軸にたいして
（＋）　／　Ｃ−＞　７０°の角度で対称に巻かれてい
るガラスｔａ　ＭＤから成り、複合材は繊維軸沿いの弾
性率Ｅ２が５６，０００ＭＰａである。管の内径は、２
３ｃｍである。

各シリーズの層の厚味は、第一シリーズが０．７５ｃｍ
、　第ニジリーズが０．９１ｃ＋ｎである。

複合層の各シリーズの樹脂の体積比は、第一シリーズ４
０％にたいして第ニジリーズ３３％である。第一シリー
ズ層は３層から成り、４層から成る第ニジリーズの層の
中に交替に挿入されている。

複合ガラス材とカーボン複合物との体積比は５５％対４
５％である。

この管は、３５０バールの圧力を受けると３．１叶４長
手方向に伸びる。

上記の例中のガラス繊維を弾性の低いアラミドファイバ
ー（ケブラー２９）で代替すると、長手方向の変形がき
わめて小さい管が得られる。

複合材の割合、巻き角度は上記の例と同じである。

また、軸にたいして７０°の角度で巻いたガラス複合材
と弾性の高いアラミド複合相（ケブラー４９）で管軸に
たいして３０−０の角度で巻いたものとを使うと、長手
方向の変形がきわめて低い管を得ることができる。この
場合の複合ガラス材と複合ケブラー材との割合は５０％
対５０％である。

また、上記例のガラス繊維を弾性の低いアラミド繊維（
たとえばケブラー２９）で置き替えても、長手方向の変
形の小さい管を得ることができる。この場合、複合材の
割合と巻きつけ角度は変わらない。

複合ケブラー４９の長手方向のヤング率は約１００．０
００ＭＰａであり、ケブラー２９のヤング率は約５０、
０００間Ｐａである。ケブラー（ＫＥＶＬＡＲ）　４９
と２９はデュポン社の登録商標である。

上の実施例の数字を下の表にまとめる。

ガラス　　　　　　　　　７０’　　　　５５％カーボ
ン　　　　　　　　　２６”　　　　　４５％ガラス　
　　　　　　　　７０°　　　５０％アラミド（高弾性
率）３０°　　　　５０％ケブラー４９ アラミド（低弾性率）　　　　７０”　　　　５５％ケ
ブラー２９ カーボン　　　　　　　　　２Ｂ’　　　　４５％アラ
ミド（低弾性＞Ｉ！り　　　　７０６５０％ケブラー２
９ アラミド（高弾性率）３０°　　　５０％ケブラー４９ ２皿類の複合材料を使うかわりに１１１−の複合材料を
使っても、長平方向の変形の小さい管を製造することが
できる。この場合、たとえば、繊維の巻き角度は管軸に
たいして（＋）　／　（−）３８°と（＋）　／　（−
）　６２’　とする。３８°で巻くｔａ　Ｎ１と６２″
′で巻く繊維のマトリックスにたいする体積比は、４５
％と５５％である。繊維の種類により管の性質が変わる
ことはない。

一般に二つの層を使用し層が異なる種類の繊維から成る
時は、角度５５°と９０″の間で配置した繊維の層と、
角度１０°と４５°　との間で配＋？？　シたａｌｌの
別の層から構成するのが好ましい。

異なる繊維を二種使う場合は、繊維の自然の方向におけ
るヤング率の一番高い層を低い角度で、ヤング率が一番
低いＩ（ｊを高い角度で巻いた方がよい。

さらに、同一層は一つ又は二つ以上の繊維グループで構
成しグループが隣接するようにするのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は、本発明の適用可能な複合管の一実施例を
示す。 特許出願人　アンスティテユ　フランセデュ　ベトロー
ル 手続補正書（自刃 １．事件の表示　　平成１年特許願第４８３９７号２、
発明の名称 内圧の影響を受けても長子方向にほとんど変形しない複
合材料管 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　フランス国　リイル　マルメゾン９２５０２
アブニニー　ド　ボア　プレ第４番 名　称　　アンスティテユ　フランセ デュ　ベトロール 代表者　　ビニール　オーベル 国　籍　　フランス国 ４、代理人 住　所　　１０７東京都港区北青山１丁目２番３号自発 ６、補正により増加する請求項の数　　　　０７、補正
の対象 ８、補正の内容 別紙のとおり ９、添付書類の目録

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）強化繊維の安定した層￥ｎ￥ヶから成り、内圧の
   影響を受けても長手方向にほとんど変形しない複合材管
   において、各層（￥ｉ￥）の繊維が管の軸にたいして絶
   対値データ（θ）と称する同一の巻き角度で一方向に巻
   きつけられた（｜θ｜）繊維とこれと同量で反対の方向
   に巻きつけられた（−｜θ｜）繊維とから成り、各層の
   繊維がこの繊維に付着しているマトリックス中に埋設さ
   れており、同一層の繊維と付着マトリックスの体積を￥
   Ｙ￥とし、同一層の並行な繊維と付着マトリックスの繊
   維の自然な方向における弾性率をＥとすると、該￥ｎ￥
   層の繊維が全体として次の式で表すことのできる関係を
   もつことを特徴とする複合材管 ０．３５≦Ａ≦０．６０ Ａは、次の式で表すものとする。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ここで￥ｉ￥は、異なる繊維層の合計指数。 （２）次の関係をもつことを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項に記載の管。 ０．４０≦Ａ≦０．６０ （３）次の関係をもつことを特徴とする、特許請求の範
   囲第２項に記載の管。 ０．４３≦Ａ≦０．５２ （４）少なくとも一つの強化繊維層がガラスかカーボン
   かアラミドから成る、特許請求の範囲第１内至３項のい
   ずれかに記載の管。 （５）少なくとも二つの層から成り、内一層は管軸にた
   いして低い角度で巻かれた繊維から成り他層は軸にたい
   して高い角度で巻かれた繊維から成り、繊維の自然の方
   向における全体の弾性率が、高い巻き角度の繊維よりも
   低い巻き角度の繊維の方が大きいようにしたことを特徴
   とする、特許請求の範囲第１内至４項のいずれかに記載
   の管。 （６）該層の一つが５５°内至９０°の角度で巻かれた
   繊維であり他の層が絶対値１０°内至４５°の角度で巻
   かれた繊維から成ることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１内至第５項のいずれかに記載の管。 （７）二つの層だけから成り、一方の層の体積比が二つ
   の層全体の体積に対し３５内至６５％の割合であること
   を特徴とする、特許請求の範囲第６項に記載の管。 （８）管の軸にたいして略７０°の巻き角度で巻かれ繊
   維の自然な方向における全体の弾性率が ５０，０００〜５６，０００ＭＰａの範囲に近い層と管
   軸にたいして略２６°の巻き角度で巻かれ２６°の角度
   をもつ略層の自然な方向において弾性率が約 １４０，０００ＭＰａに近い層とから成り、この７０°
   の層と２６°の層との割合がほぼ５５％対４５％の体積
   比であることを特徴とする、特許請求の範囲第１内至第
   ７項のいずれかに記載の複合管。 （９）管の軸にたいして略７０°の巻き角度をもち繊維
   の自然の方向における弾性率が約５０，０００〜５６，
   ０００ＭＰａの範囲にある単一の層と管軸にたいして略
   ３０°の巻き角度をもち繊維の自然な方向３０°におけ
   る弾性率が約１００，０００ＭＰａである層と、この７
   ０°の層と３０°の層が体積比で５０％対５０％の割合
   であることを特徴とする、特許請求の範囲第１内至第７
   項のいずれかに記載の複合管。 （１０）管軸にたいして絶対値が３８°である角度で巻
   かれている強化繊維の層が少なくとも一層と、絶対値が
   ６２°である角度で巻かれている強化繊維の層が少なく
   とも一層とから成り、この３８°の層と６２°の層の体
   積比がほぼ４５％対５５％であることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１内至第４項のいずれかに記載の管。 （１１）掘削又は採油プラットフォームの立ち管の建設
   に用いる、特許請求の範囲第１内至第１０のいずれかの
   項に記載の管の使用。 （１２）地上又は海上のチュービングの中又は海中立ち
   管の中に使う、特許請求の範囲第１内至第１０項に記載
   の管の使用。