JPH0576385B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 開示技術は、化学産業、原子力産業等に用いら
れる配管であつて耐蝕性や耐摩耗性を有する二重
管の製造技術の分野に属する。

〈要旨の概要〉 而して、この出願の発明は化学産業や原子力産
業や農産業等に用いられる耐蝕性流体や固形物混
合スラリー等の流体輸送に用いられる配管等に供
せられる二重管の製造方法であつて、ステンレス
鋼製等の内管に相対重層した炭素鋼製等の外管を
その熱収縮により該内管に緊着させて締結するよ
うにする二重管の製造方法に関する発明であり、
特に、予め水冷や空冷等によつて冷却状態にした
内管に外管を径方向に所定の間隔を介して相対重
層し、次いで、該外管に対し軸方向に引張り力を
印加し、その状態で外管の軸方向に対して局部的
な加熱作用を周方向に与えて当該加熱部分の外管
を降伏させて塑性変形させ冷却後、内管に外接す
るようにし、かかる周方向の加熱を外管の軸方向
に所定間隔を介して、或は、軸方向に連続して付
与するようにし、設計によつてはかかる処理を繰
り返すことにより長さ方向に設定間隔、或は、全
長に亘り緊着締結するようにした二重管の製造方
法に係る発明である。

〈従来の技術〉 周知の如く、配管は農業、工業はもとより、第
三次産業から情報産業に至るまで広く用いられて
おり、その用途は単に液体や気体の輸送のみなら
ず、情報伝達から構造物の構築部材にまで及ぶよ
うになつてきており、したがつて、あらゆる産業
にとつて配管は不可欠なものとなつている。

而して、近時の各種産業分野に於ける技術の向
上は境界領域を越えて相互の交流を生み出すよう
になつてきており、配管にあつても原油や工場廃
液等の腐蝕性流体やスラリー等の摩耗性流体の輸
送にも耐えるような機能が求められてきており、
これに対処するに、例えば、内管をステンレス鋼
製にし、外管を炭素鋼製にしたり、又、内管をセ
ラミツクス製にし、外管を樹脂製にする等の素材
の特殊性を生かすような新しい機能を有する二重
管が採用されるようになつてきている。

かかる極めて重要な機能を有する二重管の製造
法については、大別して内外管を冶金的に結合し
たクラツド法と非冶金的な緊着締結を行う重層法
とがあり、前者においては外管と内管とを熱間に
て引き抜きを行うプロセスで両者を冶金的に接合
する態様等があり、後者においては水圧拡管法や
ロール拡管法等の拡径法と焼嵌め法、及び、線状
加熱法等の縮径法がある。

そして、該後者の重層法には出願人の多くの先
願発明によつて開発された所謂熱拡管法もある。

〈発明が解決しようとする課題〉 而して、前者のクラツド法は装置が大がかり
で、結果的に、製造コストが高くなるという不利
点があるうえに、外管と内管が一体化されるため
に両者の素材に施す特有な熱処理を個別に管理す
ることが出来ないという欠点がある。

又、後者の水圧拡管法は内管と外管と相対重層
（外管内に内管を挿入、或いは、内管外に外管を
外挿のいづれか、或いは、双方）したまま該内管
に水圧を印加して外管に対し内管を膨径して密着
させ、続いて両者を一体的に増径させ、内管に対
する内圧を除去した時点で外管と内管の降伏強度
の差に応じた締結力を得るようにするものであ
り、外管の降伏強度が内管のそれより優れていな
ければ行えず、外管より内管の強度が大きかつた
り、その差がない条件では締結がなし得ないとい
う不都合さがある。

そして、ロール拡管法では熱間法と冷間法の二
種があるが、大量生産には向くものの、外管と内
管との間隙は製造上の精度の限界から全周に亘つ
て一様な間隙分布とはなり得ない場合が多く、当
該ロール拡管法ではかかる間隙のバラツキが在る
にもかかわらず、決まつた形状のロールを使用せ
ねばならず、したがつて、間隙の大きな部分につ
いては最終的に完全に密着させることが不可能で
あり、その結果設定通りの嵌合力が得られない場
合があるというマイナス点がある。

又、焼嵌め法は理論的には設計通りの正確な嵌
合が得られはするものの、100分の数ミリという
極めてシビアな加工精度が外管と内管の両者の接
合面に要求され、したがつて、需要の多い例え
ば、耐蝕二重管としての薄肉長尺管に対しては適
用不可能であるという不自由さがある。

又、線状加熱法は、例えば、ガス炎で加熱し水
冷するといつた手軽で低コストに製造し得る縮径
法ではあるものの、１回の線状加熱による縮径範
囲はガス炎近傍に限られており、全周に亘り縮径
させるには、複数回の線状加熱を反復する必要が
あり、又、１回の線状加熱による縮径量が直径の
0.4％程度と少く、当該内外管を重層する際の内
外管の間隙量を直径の３％程度とすると、複数回
の線状加熱を反復する必要があり、したがつて、
多くの工程を要し、時間が長くかかり、管素材の
変質や損耗等が生じる虞があるという不具合があ
る。

そして、出願人により開発された技術的に比較
的新しい所謂熱拡管法は加熱により膨径させた外
管内に予め冷却することにより加熱膨径していな
い内管を相対重層した後、内管を塑性的に拡管し
て外管に内接させ、両管が密着した状態で該内管
に対する拡管力を除去するようにし、加熱膨張し
た外管を内管に密着状態から熱収縮させることに
より、両管を嵌合することが出来、薄肉の長尺管
に対しても二重管を形成し得る点で論理的に確実
に設定通りの嵌合度が得られることが出来る利点
はあるものの、実製造においては、外管加熱の際
の温度管理と内管加圧の液圧管理等が極めてデリ
ケートで複雑な制御管理を必要とし、したがつ
て、蓄積された実験のデータや複雑な理論計算の
必要があり、しかも、管の肉厚、径、長さ、温
度、冷却速度、拡管液量等の総合データの事前の
相関調整や制御の管理が難しいという難点があ
る。

〈発明の目的〉 この出願の発明の目的は上述従来技術に基づく
二重管製造の問題点を解決すべき技術的課題と
し、理論的に極めて合理的であり、しかも、実操
作に際しては複雑な工程や管理を必要とせず、し
かも、経済的に見合つて新素材に対しても確実に
対応出来、軸方向では部分的にも、又、全長的に
も確実な内外管の緊着締結状態を現出することが
出来るようにし各種産業における配管技術利用分
野に益する優れた二重管の製造方法を提供せんと
するものである。

〈課題を解決するための手段・作用〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とす
るこの出願の発明の構成は前述課題を解決するた
めに以下の技術的手段を講じたものである。

即ち、金属製等の内管を予め水、空気等の流体
を介して所定の低温状態に冷却しておき、該内管
に間隙を介して外管を相対的に重層する。

この際、該外管の常温での降伏強度に対し加熱
することにより降伏強度が低下した時の温度を設
定しておく。

そこで、例えば、当該昇温状態での降伏強度に
相当する引張り力を外管に印加する。

その状態で外管の軸方向所定部位にて周方向に
一様に加熱作用を与えることにより、該外管の昇
温した局部的な周方向部分は当該引張り応力を介
して長さ方向の伸長変形を生ずると共に、ポアソ
ン比変形の原則に従つて径方向の縮径変形が生じ
る。

そのため、当該加熱部分に於いては外管の縮径
挙動は内管に外接するまで該外管は縮径し、両者
が接触する以降は、長さ方向の伸長変形に対する
抵抗が増加し、印加された引張り応力では軸方向
の伸長変形が停止する。

このように、内外管が接触した状態で加熱部を
冷却すると、外管は熱収縮し、内外管が嵌合する
ことにより緊着締結状態が現出される。

而して、かかる軸方向に引張りながら周方向の
加熱を介しての外管の内管に対する緊着締結現象
を軸方向に所定の間隔で付与し、又は、連続的に
加熱を軸方向に一方端から他端へ、或は、所定の
部位から両端側へと連続的に付与することにより
所望に応じ確実、且つ、部分的に、又は、全長的
に外管の内管に対する緊着締結が形成された二重
管が得られる。

かかる緊着締結現象は外管と内管の一方、或
は、双方について金属製素材の管のみならず、新
素材のセラミツクス等の管や樹脂製の管に対して
も行うことが出来る。

〈発明の原理的背景〉 而して、この出願の発明は次の４つの技術的な
理論上の原理に基づいているものである。

その第一原理は金属管の降伏強度が加熱によつ
て低下することであり、例えば、近時油井管用材
料として多く用いられている炭素鋼Ｌ−80（0.4C
0.35Si 1.90Mn 0.25Ni 0.35Cu）（API
（（AMERICAN PETROLEUM
INSTITUTE））STANDARDSによる）につい
て第２図（実測値）に示す様に、横軸に温度Ｔ
（℃）を、縦軸に0.2％降伏強度（Kg／mm²）をとる
と、常温（０℃近傍とする。）における降伏強度
が65Kg／mm²であるのに対し、温度500℃において
は30Kg／mm²に低下することが分る。

この降伏低下の現象は当該第２図のＱの特性曲
線に示されている。

そして、当該第２図のデータは1972年財団法人
日本鉄鋼協会発行の「日本鉄鋼協会編金属高温強
度データ集第１編」に示されている高張力鋼の耐
力−温度曲線の内容からも知られ得るものであ
る。

次に、第二原理は金属管に軸方向の引張り力を
印加すると、管は軸方向に伸長し、塑性変形を許
容した場合には径方向に縮径して塑性変形が発生
してポアソン比変形が生ずるという理論的背景に
基づくものである。

当該原理は第３図によつて示され、外管１に引
張り力Ｆを印加した場合、その軸方向長さはΔL
だけ伸びてＬ＋ΔLとなり、これに対し径ＤはΔD
だけ縮小してＤ−ΔDの外管１′に変形する。

この場合、ポアソン比により引張り力Ｆによる
外管１の歪は弾性限界内の場合は1/3程度、又、
歪が塑性領域に於いて生ずる場合には1/2程度で
あると知られている。

そして、第三原理は上述第二原理による外管１
の軸方向の伸び変形に対応する径方向の縮み変形
が該外管１の内管への外接により阻止されると、
伸びの変形抵抗が増大するということであり、第
４図に示す様に、外管１はその軸方向の引張り力
Ｆの印加により本来的には軸方向に上述同様に、
ΔLだけ伸長し、一方、径方向にはΔDだけ縮径し
た外管１′の外管に変形するはずである。

しかしながら、Ｄ−ΔDよりは大きな径の内管
２が予め外管１に相対重層されている場合には、
該外管１の縮径プロセスにおいてその径が最終縮
径状態の径Ｄ−ΔDに至る前に外管１は内管２に
外接し、その縮径は阻止され、したがつて、軸方
向伸長の変形抵抗が増大し、Ｆの引張り力では
ΔLの伸長が阻止されてΔL′の伸長に止どまり、
そのため、該外管１は軸方向Ｌ＋ΔL′の長さ、Ｄ
−ΔD′の径の縮小状態に止どまることになる。

次に、最後の第四原理については加熱により降
伏強度の低下した外管がその変形により当該外管
よりも低温状態にある内管に外接した状態で強制
冷却に加えて外管を冷却するため、即ち、冷えた
該内管に該外管が外接することにより外管が冷さ
れ（外管の外面側の冷却が不要というメリツトが
ある）るため局部的に該外管の内管に対する外接
円周部分が熱収縮するという原理であり、第５図
に示す様に、常温における長さＬ、径Ｄの外管１
を図示しないT′の温度の冷水により予め冷却し
ておいたΔD（前記ΔDと同じ量）だけ径の小さな
内管２に対し相対重層し、軸方向にＦの引張り力
を印加すると、該外管１の所定部位の外周面に所
定の加熱装置４による加熱作用を軸方向ｌの長さ
に付与した場合に、外管１の軸方向長さｌの分は
その周方向の加熱によりＴの温度に昇温されてそ
の局部加熱により前述第一原理に従つて降伏強度
が低下し、長さｌの当該局部加熱部分は塑性変形
してｌ＋Δlに伸長変形をすると同時に上述第二
原理に従いその径ＤはＤ−ΔDへと縮径して内管
２に外接する。

当該内管２に対する外接の時点において、上述
第三原理に従い外管１の縮径プロセスは阻止さ
れ、同時に軸方向の変形抵抗が増大するために、
軸方向の伸長も停止し、併せて外管１に対しては
直接冷却（外管を外面から水冷接触により熱が奪
われる２つの手法をまとめて“直接冷却”と呼
ぶ）が作用して当該局部部分に於ける外管１は熱
収縮を始め、内管２に対し緊着締結がなされてい
く。

〈実施例〉 次に、上述原理に基づくこの出願の発明の実施
例を第１図、及び、第６図以下の図面に従つて説
明すれば以下の通りである。尚、第３〜５図と同
一態様部分は同一符号を用いて説明するものとす
る。

第６図に示す実施例は実験に基づくデータに従
つて行われる基本的態様であり、炭素鋼製の外管
（例えば、Ｌ−80）１はその長さＬ、径Ｄであり、
当該径ＤよりもΔD（前述ΔDと量的には同じ）だ
け小径の径Ｄ−ΔDのステンレス鋼製の内管２に
相対重層されており、この際の数字的なデータと
しては、例えば、内管２の径を100mmとし、外管
１と内管２の径差となる間隙量ΔDは外管１の径
Ｄの３〜４％とし、相対重層時の外管１の温度は
常温の室温にされているものとする。

そして、内管２は水冷により予め10〜20℃の低
温T′にされている。

そして、当該第６図に示す様に、所定の加熱装
置４により管端部５の軸方向長さｌの部分に加熱
を作用し続けるとした場合の外管１の昇温温度Ｔ
は500℃にするようにされ、又、当該加熱状態で
は該外管１の加熱による輻射作用によつて内管２
は約100℃の温度になる（それでも加熱される外
管１よりは低温状態である。）ことがデータによ
り予め分つている。

この時、前述原理に従う外管１の降伏強度は65
Kg／mm²から30Kg／mm²に低下する。

当該基本的態様の実施例において外管１の軸方
向の適宜手段による引張り力Ｆは低下した降伏強
度の30Kg／mm²が相当する。

このような設定において、外管１の軸方向に引
張り力Ｆを印加し、管端部５の軸方向長さｌ部分
に局部的な周方向の加熱装置４による加熱を付与
することにより該外管１は該軸方向長さｌ部分の
周方向部位に於いては加熱による昇温温度Ｔの
500℃によつてその降伏強度は65Kg／mm²から30
Kg／mm²に低下し、したがつて、当該軸方向ｌの長
さの管端部５の外管１は塑性変形し、その軸方向
長さはｌからｌ＋Δlに伸長し、又、径方向に塑
性変形して縮径する。

そして、該外管１が縮径して、例えば、500℃
に昇温したことによる輻射熱を介して、例えば、
100℃になつている内管２に外接すると、外管１
のその縮径は阻止され、該100℃の内管２から400
℃の温度差を介しての熱伝導と加熱部周辺の冷却
作用を受け、したがつて、500℃以上に加熱昇温
を続けようとしてもそれは能わず、緊着による締
結が生ずる。

この場合、外管１の線膨脹係数αを1.3×
10^-5／℃とすると、当該外管１の熱収縮による緊
着締結を介しての嵌合代δは、外管１の上記500
℃と内管２の温度100℃の温度差400℃をΔTとす
ると、 δ＝Ｄ／２×ΔT×1.3×10^-5／℃ ＝0.26mm （Ｄ＝100、ΔT＝400） となる。

但し、当該実施例においては内管２と外管１の
温度差ΔTは ΔT＝500℃−100℃＝400℃ であり、容易に計算が可能である。

この場合、外管１の肉厚をｔとし、内管２の肉
厚をt′とし、外管１のヤング率をＥ、内管２のヤ
ング率をE′とすると、嵌合応力Ｐは Ｐ＝（tt′EE′）／（tE＋t′E′）×δ／r² ｒは嵌合面半径≒内管外半径 で表され、計算が可能である。

このようにして当該第６図に示す実施例におい
ては、外管１は内管２の管端部５にて確実に緊着
締結された状態の二重管とすることが可能であ
る。

而して、第７図に示す実施例は上述基本的実施
例の管端部５に於ける外管１の内管２に対する熱
収縮を介しての緊着締結に加えて、該管端部５か
ら所定距離離隔した部位５′に於いて有段的に同
様に周方向の緊着締結を行うようにした態様であ
り、所定長の管長に２段以上の複数段の軸方向所
定間隔ごとに緊着締結を行うようにしたものであ
る。

次に、第１，８，９図に示す実施例は上述第６
図に示した基本的実施例の管端部５に於ける加熱
装置４による局部的な周方向の加熱を所定速度で
相対的に一端側から他端側へ連続的に移動して全
領域に於いて内管２に対する外管１の熱収縮によ
り所定の緊着締結を得ることが出来るようにし
て、第９図に示す二重管３を得ることが出来るよ
うにした態様である。

尚、この出願の発明の実施態様は上述各実施例
に限るものでないことは勿論であり、例えば、点
状加熱装置がスパイラル状に移動する態様や、ス
パイラル状に形成した高周波加熱コイル等を採用
する等の態様が採用可能である。

そして、対象とする二重管は流体輸送やスラリ
ー輸送用の二重管ばかりでなく、情報伝達用の二
重管や構造部材としての二重管にも適用出来るこ
とは勿論のことである。

〈発明の効果〉 以上、この出願の発明によれば、基本的に予め
実験、そして理論的な解析により予め確認されて
設定された引張り力を外管の軸方向に印加し、併
せて、内管に相対重層した外管の軸方向に局部的
な周方向への加熱作用を行うだけで熱収縮を介し
て外管を部分的、或は、全面的に内管に対して緊
着、締結を行い、所定の目的に沿う二重管を得る
ことが出来るという優れた効果が奏される。

したがつて、従来技術に基づくような加熱の調
整や二重管と内管の間の間隙の調整や各工程の管
理や制御調節等の煩瑣な作業が不要となり、極め
て合理的、且つ、簡易な設備、手段により所望の
二重管を得ることが出来るという効果が奏され
る。

したがつて、装置も簡単になり、動力費等も安
くすることが出来、工程管理もし易いという利点
もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は１実施例の製造プロセスの断面図、第
２図は素材管の第一原理のグラフ図、第３図は第
二原理の断面図、第４図は第三原理の断面図、第
５図は第四原理の断面図、第６図は基本的実施例
の断面図、第７図は他の実施例の断面図、第８図
は第１図の製造プロセスの終段の断面図、第９図
は第１，８図に示す処理により得られる二重管の
部分切截斜視図である。 １……外管、２……内管、３……二重管、４…
…加熱装置、Ｆ……引張り力、Ｄ……外管径、Ｌ
……外管長、Ｔ……温度。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内管２に相対重層した外管１を熱収縮により
   該内管２に緊着して締結するようにする二重管３
   の製造方法において、冷却状態の内管２に外管１
   を相対重層して該外管１に対し軸方向引張り力Ｆ
   を印加し状態を現出し、その状態で該外管１の軸
   方向に対する局部的な周方向加熱を与えて当該加
   熱部分を塑性変形させ内管２に外接させ緊着させ
   て締結するようにし、而して該周方向加熱を外管
   １の軸方向にて複数個所で行うようにすることを
   特徴とする二重管３の製造方法。 ２ 内管２に相対重層した外管１を熱収縮により
   該内管２に緊着して締結するようにする二重管３
   の製造方法において、冷却状態の内管２に外管１
   を相対重層して該外管１に対し軸方向引張り力Ｆ
   を印加した状態を現出し、その状態で該外管１の
   軸方向に対する局部的な周方向加熱を与えて当該
   加熱部分を塑性変形させ内管２に外接し緊着させ
   て締結するようにし、而して該周方向加熱を外管
   １の軸方向に連続して行うようにしたことを特徴
   とする二重管３の製造方法。