JPH09207235A

JPH09207235A - 流体格納用の高ウィーピング強度ポリマー−ガラス繊維複合積層体

Info

Publication number: JPH09207235A
Application number: JP9032975A
Authority: JP
Inventors: Liza Marie Andree Monette; リザ・マリー・アンドリー・モネット; Allen S Chiu; アレン・エス・シュー; Russell Robert Mueller; ラッセル・ロバート・ミューラー; Michael P Anderson; マイケル・ポール・アンダーソン
Original assignee: Exxon Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 1997-08-12
Also published as: EP1015801A1; CA2194788A1; WO1999008033A1; NO970390D0; EP1015801A4

Abstract

(57)【要約】【課題】流体格納用の高ウィーピング強度ポリマー−
ガラス繊維複合積層体を提供すること。【解決手段】１５％より小さい破断点引張伸びを有す
る熱硬化性ポリマーを含有する管状ポリマーマトリック
ス及び該管状ポリマーマトリックス内に埋め込まれたガ
ラス繊維強化ストリップからなる、強化複合管状体。こ
の強化ストリップは該管状体の縦軸の周りに螺旋状に巻
き付けられていてもよく、またパイプ軸に対して約９０
゜の角度で巻き付けられていてよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポリマー−ガラス
繊維複合積層体から製造された圧力含有装置の強度及び
寿命（静圧下での）並びに疲労性能（繰り返し圧力下で
の）を増大させるために設計されたポリマー−ガラス繊
維複合積層体の強化組織の修正に関する。本発明は、油
及びガス生産／伝送応用のための有用性を有している。
圧力含有装置には、パイプ、下げ孔管状物、パイプライ
ン、圧力容器、地下貯蔵タンクが含まれる。他の応用に
は、複合ラップ及びクラックストッパ等がある。格納圧
力は現在商業的に利用できるレベルから５０００ｐｓｉ
ｇの長期間使用圧力まで増加することができる。圧力含
有装置の性能は、繊維軸に対して垂直の方向での個々の
積層体の劣った機械的性質によって制限される。強化材
として繊維長さに対して垂直の方向で１０〜１０００の
アスペクト比を有するガラス繊維（例えば、リボン又は
テープ状組織）を使用すると、複合積層体の垂直剛性及
び強度の増加になり格納能力に於ける増強を与えること
が見出されている。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】エポキ
シ−ガラス繊維複合体から製造された圧力含有装置（例
えば、パイプ、下げ孔管状物、地下貯蔵タンク、圧力容
器、パイプライン、ラップ及びクラックストッパ）は、
油及びガス生産でますます使用されている。例えば、全
分野での低圧配管はこれらの材料の利点を得るために高
度化されている。同等の金属構造物を越えた複合体の利
点には主としてそれらの優秀な耐腐食性が含まれ、寿命
費用の低下に至る。その他の魅力のある利点には、単位
重量当たりのそれらの高い強度及び剛性、材料設計に於
ける柔軟性及び改良された耐疲労性が含まれる。

【０００３】それにも拘わらず、現在供給されているポ
リマー複合体には、適度な応力レベルを生じる応用に於
いてもそれらの使用を妨げる重大な欠陥がある。複合体
材料は２００ｋｓｉ以下（製造されたままのガラス繊維
で）、６０ｋｓｉ以下（製造されたままでないガラス繊
維で）の軸強度（繊維方向で）を示すけれども、装置
は、それによりマトリックス微小亀裂及び層デラミネー
ションが、破裂圧力よりひと桁小さい短期間及び長期間
使用圧力で流体のための漏洩通路を与える、ウィーピン
グ（weeping）と呼ばれる流体格納完全性の損失を示
す。

【０００４】複合体パイプについて、パイプ壁厚さを厚
くすることによって微小亀裂を軽減させることができ
る。しかしながら、この解決方法は、複合体パイプのコ
ストを、炭素鋼のコストに比較して約３０％上昇させる
（例えば、２０００ｐｓｉ圧力、２−７／８″外径の下
げ孔管状物）。このより高いコストは、低圧応用（即
ち、流れライン）に於いて炭素鋼を複合体パイプで置き
換えるための障壁を構成する。複合体パイプは、壁厚さ
を一層増加させるコストが抑制的になるので、更に需要
のある、もっと高い圧力機能（パイプライン）にはこれ
までのところ導入されていなかった。

【０００５】同様に、下げ孔管状物として使用される複
合体は、もっと高価な耐腐食性合金（ＣＲＡ）に対して
有利には競合していない。複合体管状物に必要な壁厚さ
は、地層の石油を表面に接続する孔の直径が制限される
多くの応用での使用を妨げている。複合体地下貯蔵タン
クのようなその他の装置も、早すぎる微小亀裂を示し、
それ故それらの耐腐食性は同様の金属構造物を越えるど
のような追加の利点も提供しない。複合体ラップに生じ
るマトリックス微小亀裂は、結果として生じる亀裂を通
って水分が結局は拡散し、ガラスを直接攻撃し、それに
よって強化材を弱くするので、（建設／若返り応用のた
めの）寿命を著しく短縮させる。

【０００６】それで、油及びガスのような流体の生産及
び伝送で特に中圧乃至高圧配管のための増加した格納能
力を有する材料についての必要性が存在する。

【０００７】これらの複合体パイプ中のポリマーマトリ
ックスは典型的に、架橋（化学反応）によって固化する
熱硬化性系、例えば、エポキシである。熱可塑性系も受
容できる材料として予見することができる。この場合の
マトリックスは、溶融物からの結晶化のような物理的現
象によって固化する。架橋した熱硬化性プラスチック
は、４３０ｋｓｉ付近のヤング率及び１１〜１３ｋｓｉ
の引張強度を有する。長いガラス繊維（直径１５μｍ、
体積分率６０％）が、熱硬化性樹脂と硬化剤との混合物
中に埋め込まれている。この混合物は最初は未硬化であ
るので、その粘度は普通、混合物によるガラス繊維の適
当な濡れを保証する程度に十分に低い（数１００ｃ
ｐ）。管状物を作るために、得られる層は、パイプ軸に
対して０゜〜９０゜の角度でマンドレルの周りに巻き付
けられる。図１に示す例に於いて、巻き付け角度θは５
５゜であり、積層体は繊維長又は軸に沿った方向に見ら
れる。次いでマンドレルの端部に到達したとき巻き付け
角度θを１２５゜（又は−５５゜）に傾け、次に５５゜
に戻り、以下同様にする。この工程に於いて幾つかの巻
き付け角度、即ち、０、±４５゜及び±７０゜を使用す
ることができる。得られたパイプは、多方向フィラメン
ト巻き付けパイプと言われる。次いでこのパイプを熱処
理して、熱硬化性樹脂を架橋により硬化させることがで
きる。その結果は、典型的に１″〜３６″の範囲の内径
及び０．１″〜２．０″の壁厚さを有する、フィラメン
ト巻き付けパイプと呼ばれるパイプになる。普通のパイ
プ寸法は４″内径及び０．１６″壁厚さからなってい
る。

【０００８】図２に、破壊包絡線、即ち、異なった石油
化学使用条件下での、上記の項に記載したような繊維／
マトリックスパラメータ及び寸法を有する代表的な複合
体パイプについて測定したマトリックス微小亀裂、即ち
ウィーピングのための流体格納限界を示す：１．純粋軸
応力；２．軸応力に等しいフープ応力（下げ孔管状
物）；３．軸応力の２倍のフープ応力（表面パイプ）；
及び４．純粋フープ応力（埋設パイプ）。使用圧力は、
グラフ上のフープ強度の値を、比Ｒ／ｔ（内半径／壁厚
さ）及びマトリックスの粘弾性緩和（静圧力）又は２０
年間使用のマトリックス疲労性質（繰り返し圧力）のた
めの使用係数４によって割ることによって得ることがで
きる。例えば、下げ孔管状物として使用するこのような
パイプは５００ｐｓｉｇの使用圧力に耐えることがで
き、表面パイプとして使用するこのようなパイプは１５
００ｐｓｉｇの使用圧力に耐えることができ、そして埋
設パイプとして使用するこのようなパイプは１０００ｐ
ｓｉｇの使用圧力に耐えることができる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、（ａ）
２５％より小さい破断点引張伸びを有する、熱硬化性ポ
リマーを含有する管状ポリマーマトリックスと、（ｂ）
該管状ポリマーマトリックス内に埋め込まれたガラス繊
維強化ストリップとを含む強化複合管状体が提供され
る。本発明の好ましい実施態様においては、上記構成に
おいて、前記強化ストリップが前記管状体の縦軸の周り
に０゜〜９０゜で螺旋状に巻き付けられている。また、
本発明の好ましい実施態様においては、上記構成におい
て、前記強化ストリップがパイプ軸に対して約０゜の角
度で巻き付けられている。また、本発明の好ましい実施
態様においては、上記構成において、前記リボンが幅Ｌ
を有し、２個の軸方向で隣接するリボンの間の距離ｌが
０とＬ／２との間である。また、本発明の好ましい実施
態様においては、上記構成において、前記リボンが幅Ｌ
を有し、層が半径方向で隣接する層に対してずれている
長さＬＯがＬ／１０とＬ／２との間である。また、本発
明の好ましい実施態様においては、前記ガラス繊維強化
ストリップが、アスペクト比Ｓ及びＳ／ＳＣ）≧１とな
るような臨界アスペクト比ＳＣを有する。また、本発明
の好ましい実施態様においては、横ヤング率が混合値の
法則の５０％より大きい。また、本発明の好ましい実施
態様においては、上記構成において、界面剪断強度ｖ、
ｔｉが１５ＭＰａ以上である。また、本発明の好ましい
実施態様においては、上記構成において、エポキシ引張
強度τｍが界面剪断強度ｔ以上である。

【００１０】本発明は、流体格納用の高ウィーピング強
度ポリマー−ガラス繊維複合積層体である。この積層体
には、２５％より小さい破断点引張伸びを有する熱硬化
性ポリマーを含有する管状ポリマーマトリックス及び該
管状ポリマーマトリックス内に埋め込まれたガラス繊維
強化片からなる、強化複合管状本体が含まれる。この強
化片は該管状本体の縦軸の周りに螺旋状に巻き付けられ
ているか又はパイプ軸に対して−９０゜と９０゜との間
の角度で巻き付けられていてよい。

【００１１】好ましい態様に於いて、この管状本体の横
ヤング率は、混合値の法則の５０％より大きい。

【００１２】本発明の詳細な記述を下記の大要に従って
記載する。Ｉ．使用圧力と積層体垂直強度との間の関係 II．シミュレーションモデル III．本発明と先行技術との比較 IV．本発明の実施Ａ．発明の原理Ｂ．本発明の最適複合積層体横性質についての重要な複
合体パラメータＣ．本発明の最適横複合積層体性質に至る複合体パラメ
ータについての選択ガイドライン及び値の範囲１．整列リボン配置ａ．リボンの間の距離、ｌ＝Ｌ／２ｂ．リボンの間の距離、ｌ＞０ｃ．複合横積層体ウィーピング強度ｄ．選択規準／値の範囲２．ランダムリボン強化材配置ａ．ランダムリボン配置のための臨界アスペクト比ｂ．横積層体引張ウィーピング強度ｃ．選択規準／値の範囲Ｖ．実施例：本発明の予想性能Ａ．整列リボン配置Ｂ．ランダムリボン配置 VI．ガラスリボン製造

【００１３】Ｉ．パイプの軸ウィーピング破壊と積層体
垂直強度との間の関係典型的なエポキシベースのパイプの壁内のガス／流体圧
力によって誘発される応力を図３に示す。圧力下のパイ
プは、フープ応力、軸応力及び半径方向の応力を受け得
る。フープ応力と軸応力との両方は現実に引張であり、
他方、半径方向の応力は圧縮であって、他の二つに比較
して小さいので、普通無視することができる。これらの
三つの応力は、図３の左下の、積層体の小体積要素に作
用する様子が示されているが、ここでは、この場合繊維
はパイプ軸に対して５５゜角度で巻き付けられている。
本発明者等は、軸応力及びフープ応力にのみ焦点を合わ
せる。軸応力は、閉塞端部を有するパイプの場合に、

【数１】 σ₂＝ＰＲ²／（２Ｒｔ＋ｔ²）（１）によって与えられる。Ｐは流体圧力であり、Ｒはパイプ
内半径であり、ｔはパイプ壁厚さである。フープ応力は
１０００ｐｓｉｇより小さい使用圧力についてバーロウ
(Barlow)の式［２］：

【数２】 σ_θ＝ＰＲ／ｔ（２）によって与えられ、１０００ｐｓｉｇより大きい使用圧
力について厚壁近似［３］：

【数３】 σ_θ＝Ｐ(２Ｒ²＋２Ｒｔ＋ｔ²)／(２Ｒｔ＋ｔ²) （３）によって与えられる。これらの応力の両方は、（単一の
積層体について）方向の一つ（Ｌ）が繊維軸と一致する
参照フレームに関して、縦応力成分、垂直応力成分及び
剪断応力成分に分割することができる。

【００１４】

【数４】 σ_L＝σ_θsin²θ＋σ_Zcos²θ （４）

【数５】 σ_N＝σ_θcos²θ＋σ_Zsin²θ （５）

【数６】 τ＝（σ_θ−σ_Z）cosθsinθ （６）

【００１５】式中、図４の右下からわかるように、
（Ｎ）は（Ｌ）方向に対して垂直の方向であり、巻き付
け角度θ＝５５゜である。式（４）及び（５）により、
σ_Lは、図２の使用条件２、３及び４について、σ_Nに匹
敵する。繊維軸に沿った方向（Ｌ）での強度は、繊維強
度により制御され、約２００ｋｓｉである。しかしなが
ら、繊維軸に対して垂直の方向（Ｎ）での強度は、マト
リックス強度によって制御される。得られた積層体短期
間垂直強度は１０ｋｓｉより小さいことが後で示され
る。従って早すぎるパイプ破壊は、垂直方向での荷重か
ら生じるマトリックスの粘弾性緩和（静圧力）又は疲労
（繰り返し圧力）に起因する繊維間のマトリックスの微
小亀裂により開始される。剪断応力はここでは考慮され
ていないことに注意されたい。剪断応力は、繊維が０゜
又は９０゜とは異なった角度Θでパイプ本体の周りに螺
旋状に巻き付けられているという事実のために、垂直方
向での荷重から生じる。剪断応力は、巻き付け角度の適
当な選択、即ちΘ＝９０゜にすることによってゼロにな
るように設計することができる。図２の軸破壊応力は、
式（７）を使用し、σθを０に設定する単純な解析によ
って垂直積層体強度に関連付けることができる。

【数７】 σ_Z＝σ_N／sin²θ （７）垂直積層体強度σ_Nは、１１．２５ｋｓｉの経験的軸破
壊応力（図２の点１）を使用して、式（７）から推定す
ることができ、その値は繊維含有量６０％について７．
５ｋｓｉである。この値は、コンピュータモデル確認の
ために後で使用される。

【００１６】上記の解析は、単一の層に基づいており、
積層体剪断弾性率及び強度を無視している。角度−層積
層体（即ち、±５５゜での層）に基づき、そして積層体
剪断性質を考慮に入れた詳細な解析により、この単純な
解析と適合して、７ｋｓｉの横引張強度を生じることを
示すことができる。

【００１７】II．シミュレーションモデルここにモデル方法論を導入し、本発明がベースとする概
念を示すために使用する。リボン状強化材形態は、荷重
移動の量を増加し、それ故に繊維軸に対して垂直の方向
での層強度を増加させる。

【００１８】シミュレーションモデルの弾性性質は他の
場所（L.Monette, M.P.Anderson, H.D.Wagner and R.R.
Mueller, J. Appl. Phys. 76巻(1994年)1442頁）（L.Mo
nette and M.P.Anderson, Modelling Simul. Mater. En
g. 2巻(1994年)53頁）に記載されており、本明細書では
簡単に記載する。このシミュレーションモデルは、ばね
定数ｋ_αβ及び結合曲げ定数ｃ_αβγを有する寸法２０
０×２００の二次元格子での大雑把なスプリングモデル
である。４００００個の節点のそれぞれが、最も近い４
個の隣接部と（即ち、図４で結合αβ＝ｉｊ、ｉｌ、ｉ
ｎ及びｉｐによって結合している）そして次に最も近い
４個の隣接部と（即ち、図４で結合αβ＝ｉｋ、ｉｍ、
ｉｏ及びｉｑによって結合している）相互作用してい
る。ｒ_αβは節点αと節点βとの間の距離であり、最も
近い隣接部結合について平衡結合長さｒ_αβ゜＝ａ₀で
あり、次に最も近い隣接部結合についてｒ_αβ゜＝√２
ａ₀である。Θ_αβγは結合αβと結合αγとの間の角
度であり、平衡角度Θ_αβγ＝Θ_ijk＝Θ_ikl＝Θ_ilm＝
Θ_imn＝Θ_ino＝Θ_iop＝Θ_ipq＝Θ_iqj＝Θ₀＝π／４であ
る。定数ｋ_αβ及びｃ_αβγは、次のように定義され
る。節点α及び節点βが最も近い隣接繊維節点である場
合、ｋ_αβ＝２ｋ_fであり、α及びβが次に最も近い隣
接繊維節点である場合、ｋ_αβ＝ｋ_fであり、節点α及
び節点βが最も近い隣接マトリックス節点である場合、
ｋ_αβ＝２ｋ_mであり、α及びβが次に最も近い隣接マ
トリックス節点である場合、ｋ_αβ＝ｋ_mであり、節点
α及び節点βが最も近い隣接繊維及びマトリックス節点
である場合、ｋ_αβ＝２ｋ_iであり、そしてα及びβが
次に最も近い隣接繊維及びマトリックス節点である場
合、ｋ_αβ＝ｋ_iである。結合αβ及び結合αγが繊維
結合である場合、ｃ_αβγ＝ｃ_mである。界面弾性定数
は、ｋ_i＝ｋ_m及びｃ_i＝ｃ_mであるように選択される。節
点ｉと節点ｊとの間の結合の中に貯蔵されるエネルギー
Ｖ_ijは次式の通りである。

【００１９】

【数８】Ｖ_ij＝1/2k_ij(r_ij-r_ij°)² ＋1/2Σc_αβγ(cosΘ_αβγ−cosΘ₀)²(８) 式中、ｒ_ijは節点ｉと節点ｊとの間の距離であり、歪の
適用の際はｒ_ij≠ｒ_ij゜である。式（８）の右辺の第二
項の合計は角度αβγ＝ｉｊｋ、ｉｊｑ、ｊｉｌ及びｊ
ｉｐについてであり、歪の適用の際はΘ_αβγ≠Θ₀で
ある。マトリックス又は繊維（ｍ、ｐ）ヤング率及びポ
アソン比は下記の式によって与えられる。

【００２０】

【数９】Ｅ_m,_p＝8k_m,_p［k_m,_p+(c_m,_p/a₀ ²)］/［3k_m,_p+(c_m,_p/a₀ ²)］（９）

【数１０】 v_m,_p＝［k_m,_p-(c_m,_p/a₀ ²)］/［3k_m,_p+(c_m,_p/a₀ ²)］ (１０)

【００２１】定数ｋ_m＝２８５ｋｓｉ、ｃ_m＝２８ｋｓｉ
ａ₀ ²、ｋ_p＝６４２８ｋｓｉ、ｃ_p＝１０７１ｋｓｉ、
ａ₀ ²は、マトリックスが４２８ｋｓｉのヤング率及びポ
アソン比０．３を有し（繊維強化パイプで使用される硬
化した熱硬化性樹脂の典型）、繊維が１０２８５ｋｓｉ
のヤング率及びポアソン比０．２を有する（ガラス繊維
の典型）ように選択される。

【００２２】周期的境界条件が適用された引張歪又は応
力の方向で使用される一方自由境界条件が他の方向に適
用される。システムの機械的平衡が共役傾き方法によっ
て確保される。このシミュレーションモデルには、凝集
エネルギーパラメータＵ_ijを介する破壊規準［７］が含
まれる。節点ｉと節点ｊとの間の結合は、繊維結合につ
いて指定凝集エネルギーＵ_f、界面結合についてＵ_i及び
マトリックス結合についてＵ_mよりも、蓄積されたエネ
ルギーＶ_ijの方が大きく、且つ、Ｕ_i＝Ｕ_mである場合、
破壊される。パラメータＵ_m＝０．１４ｋｓｉ及びＵ_f＝
１．７１ｋｓｉは、極限マトリックス引張強度が１３ｋ
ｓｉであり、ガラス繊維極限引張強度が３００ｋｓｉで
ある（これらは、それぞれ熱硬化性樹脂及びガラス繊維
についての典型的な値である）ように選択された。

【００２３】このモデルは次いで、繊維軸に対して垂直
の方向で積層体の剛性及び強度をシミュレートするため
に使用される。図６は、繊維軸に対して垂直の方向での
引張応力場プロットであり、その方向で１．４ｋｓｉの
適用された応力から得られる。積層体断面の寸法は、１
５０μ×１５０μである。黒は０と１ｋｓｉとの間の局
部応力を示し、青は１ｋｓｉと３ｋｓｉとの間の局部応
力を示し、シアンは３ｋｓｉと５ｋｓｉとの間の局部応
力を示し、緑は５ｋｓｉと７ｋｓｉとの間の局部応力を
示し、赤は７ｋｓｉと９ｋｓｉとの間の局部応力を示
し、オレンジは９ｋｓｉと１１ｋｓｉとの間の局部応力
を示し、黄は１１ｋｓｉと１３ｋｓｉとの間の局部応力
を示し、白は１３ｋｓｉより大きい局部応力を示す。青
／シアン円形粒子は繊維の断面を表し、例示目的のため
に体積分率は１５％である。図６は明らかに、マトリッ
クスから繊維への荷重移動が、繊維軸に対して垂直の方
向で劣っていることを示している。実際に、所定の適用
応力について、この方向で強化材の方に移動される平均
応力（即ち、２ｋｓｉ）は、マトリックスによって運ば
れるもの（即ち、１．３ｋｓｉ）に非常に近い。

【００２４】マトリックスは常に引張破壊規準を最初に
越えるということから、繊維軸に対して垂直の方向での
強化材の劣った荷重は、この方向での積層体強度が、マ
トリックス支配であることを示している。繊維は、その
方向では、マトリックスの荷重よりも著しく大きい荷重
を運ばない二次元粒子とみなすことができる。更に、お
互いに十分に近いとき、これらは応力上昇物として作用
し、マトリックス材料内で応力増幅を引き起こす（二つ
の繊維断面の間の白色領域が、マトリックスが局部的に
１３ｋｓｉのその引張破壊応力を越えていることを示し
ている、図６の右上角を参照されたい）。それで、破壊
の発生は、純粋のマトリックス材料の値（即ち、１３ｋ
ｓｉ）よりも遥かに小さい外部適用応力の値（即ち、
１．４ｋｓｉ）で期待される。垂直積層体強度は普通純
粋のマトリックス材料の強度よりも小さく、従って純粋
のマトリックス材料についての１１〜１３ｋｓｉに対し
て、６０％強化材体積分率について前記Ｉで７．５Ｋｓ
ｉという経験値が推定された。

【００２５】図５は、パイプ製造のために使用される積
層体の典型である５８％の繊維体積分率を有する積層体
についてのモデルから得られた応力／歪曲線である。垂
直積層体強度は８ｋｓｉであり、これは７．５ｋｓｉの
経験値の７％範囲内の値である。それで、このモデル
は、実際の積層体のものとよく一致している積層体垂直
強度を生じると結論付けられる。

【００２６】III．本発明と先行技術との比較ストリップ（又はリボン）強化複合体は、増強された機
械的性質を提供するために当該技術分野で公知である
（米国特許第３，７９０，４３８号参照）が、２５％よ
り大きい引張伸びを有するポリマーに限定されている。
この歪限定に付けられる理由は、マトリックス材料が、
製造工程の間に生じる熱応力のための応力集中の影響を
減少させるために十分な伸びを有していなくてはならな
いと言うことである。

【００２７】マトリックス（典型的に熱硬化性）が２５
％より小さい引張伸びを有する金属ストリップ強化管状
物が、最近提案された。米国特許第４，６５７，０４９
号参照。本発明は、ポリマーによって運ばれた全荷重が
強化ストリップに分配されるように、金属強化ストリッ
プが完全に埋め込まれている熱硬化性ポリマーからなる
管状本体を提供するものとして記載される。従って、本
発明の利点は、（ｉ）高い機械的強度、即ち破裂強度及
び高い剛性を有する管状本体を提供する、（ii）耐腐食
性を提供する、(iii）低コストで大規模で製造すること
ができる等のことであり、それ故に広範囲の種々の気
体、液体、スラリー、固体粒子及びその他の材料の誘導
に適合していることが主張されている。

【００２８】米国特許第３，７９０，４３８号も米国特
許第４，６５７，０４９号も、下記の理由のために、こ
れらの材料中の（微小亀裂又は漏洩から生じる流体格納
の損失に対する）抵抗性の改良についてのどのような教
示も提供していない。

【００２９】（ｉ）米国特許第３，７９０，４３８号
は、その発明（ストリップ強化複合体）の有効性の範囲
を、２５％以上の引張伸びを有するポリマーマトリック
スに限定している。ＦＲＰパイプに典型的に使用される
ポリマー材料は熱硬化性であり、これは１５％より小さ
い引張伸びを有している。それで、米国特許第３，７９
０，４３８号は、マトリックスが２５％より小さい引張
伸びを有している場合、どのようにして複合体の機械的
性質を改良するかについて教示していない。

【００３０】（ii）米国特許第４，６５７，０４９号
は、金属ストリップ強化複合体が破裂強度及び剛性のよ
うな機械的性質に於ける改良を示すことを主張してい
る。しかしながら、パイプ漏洩の問題そのものについ
て、破裂強度は無関係である。ウィーピング又は格納の
損失が生じた場合に、パイプは決して破裂しない。高圧
流体の伝送を可能にする増加した破裂強度及び剛性とい
う米国特許第４，６５７，０４９号の主張は多分妥当で
あろう。所定の直径の強化複合体管状本体が（破裂する
ことなく）耐えることができる内圧は、強化ストリップ
の機械的強度に明らかに依存し、従って金属ストリップ
を用いるかどうかに明らかに依存している。しかしなが
ら、警告は、伝送が必ずしも格納完全性を暗示しないこ
とである。油分野に於いては、現在利用できる繊維強化
パイプが破裂を起こすために必要な内圧よりも十分に低
い圧力で、パイプ漏洩が起こっている。実際、米国特許
第４，６５７，０４９号の文言には、マトリックス微小
亀裂、ウィーピング又は格納完全性の記述は存在してい
ない。その結果、改良された破裂強度又は改良された剛
性がパイプ耐ウィーピング性も増大させると期待すべき
であることを明らかに示した教示は米国特許第４，６５
７，０４９号では与えられていない。

【００３１】下記のものは、セクションIIに記載したモ
デルによって生じたシミュレーションデータである。こ
の目的は、上記の主張（ii）、即ち強化材強度及び剛性
を増大させることはパイプ破裂強度及び剛性を大きく増
大させるが、耐ウィーピング性を市販のガラス繊維／エ
ポキシパイプのものよりも著しくは改良しないことを示
すことである。図６（ａ）に示すように、片の軸をパイ
プ軸に対して垂直にして、エポキシで被覆した金属片を
巻き付けることによってパイプを作るものとする。管状
壁断面（片軸はこの紙面から外に向かっている）の図６
（ｂ）に示すように、一つの層内の片（幅Ｌ、厚さｔ）
の各巻き又は回旋は、隣接する層内の片の二つの巻き又
は回旋と重なっており、またこれらの隣接する巻きに対
して長さＬ_Oほどずれている。

【００３２】オフセット長さＬ_Oは最小でＬ_C／２に等し
く、Ｌ_CはＬ_C＝ｔσ_r／（２τ_i）（但し、σ_rは強化材
の引張強度であり、τ_iは強化材とポリマーマトリック
スとの間の界面の剪断強度であり、そしてｔは片の厚さ
である）によって与えられる。下記の表は、米国特許第
４，６５７，０４９号の表の最初の２行に基づいてい
る。本発明者等は、引張ウィーピング強度σ_w（ここ
で、米国特許第４，６５７，０４９号発明の金属ストリ
ップ強化パイプは流体格納の損失を示す）、引張強度σ
_d（ここで、マトリックス微小亀裂が最初に起こり、結
局は流体格納の損失に至る）及びＥ_t、これは強化材軸
に対して垂直の方向に於ける積層体ヤング率である、を
追加した。σ_w、σ_d及びＥｔは、米国特許第４，６５
７，０４９号から得た下記のパラメータで、本発明者等
のシミュレーションモデルから計算した。

【００３３】強化材（米国特許第４，６５７，０４９号
の金属１）引張強度：σ_r＝９０ｋｇ／ｍｍ²＝１２６ｋｓｉヤング率：Ｅ_r〜２０×１０³ｋｇ／ｍｍ²＝２８５７１
ｋｓｉ強化ストリップの体積分率：ｖ_f＝５０％リボン厚さ：ｔ＝０．１ｍｍマトリックス（米国特許第４，６５７，０４９号のエポ
キシＡ）引張強度：σ_m〜２ｋｇ／ｍｍ²＝２．８ｋｓｉ（パイプ
フープ強度：σ_h＝ｖ_fσ_r＋（１−ｖ_f）σ_m＝４６ｋｇ
／ｍｍ²から推定）ヤング率：Ｅ_m〜０．２５×１０³ｋｇ／ｍｍ²＝３５７
ｋｓｉ（パイプフープ弾性率：Ｅ_h＝ｖ_fＥ_r＋（１−
ｖ_f）Ｅ_m〜１０×１０³ｋｇ／ｍｍ²から推定）界面剪断強度：τ_j＝１．５ｋｇ／ｍｍ²＝２．１ｋｓｉ臨界リボン幅：Ｌ_c＝ｔσ_r／（２τ_j）＝３ｍｍ

【００３４】表１は、米国特許第４，６５７，０４９号
で予想されたパイプ引張強度：σ_t＝ｆｖ_fσ_r＋（１−
ｆｖ_f）σ_m（及びｆ＝１−Ｌ_O／Ｌ）を、コンピュータ
モデルによって決定したウィーピング強度σ_w及び損傷
に対する耐性σ_dに対して比較する。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１のデータから下記の４個の結論を引き
出すことができる。米国特許第４，６５７，０４９号の
金属ストリップ強化管状物の耐引張ウィーピング性σ_w
は、セクションＩＩに記載したシミュレーションモデル
によって測定したとき、予想したパイプ引張強度σ_tよ
りも３〜４倍小さい。それで、格納の損失が生じる前の
パイプ使用可能強度であるパイプ引張ウィーピング強度
σ_wは、パイプ引張強度σ_tに独立の性質である。

【００３７】米国特許第４，６５７，０４９号の金属ス
トリップ強化管状物の軸ウィーピング強度σ_z＝σ_wは、
市販の±５５゜フィラメント巻き付けガラス繊維／エポ
キシパイプ（内径３．８９″及び壁厚さ０．１６″）の
σ_z＝１１．２ｋｓｉ［３］よりも著しく増加せず、市
販の多方向フィラメント巻き付けガラス繊維／エポキシ
パイプ（内径１．９４″及び壁厚さ０．２３″）のσ_z
＝２１．４ｋｓｉ［３］よりも低い。

【００３８】耐液ウィーピング性を、市販の複合体管状
物品により現在与えられているものよりも上にσ_w＝σ_t
の理論限界まで増加させるために、強化材及びマトリッ
クスの特性を如何にして選択するかについて、米国特許
第４，６５７，０４９号に教示はない。

【００３９】米国特許第４，６５７，０４９号の金属ス
トリップ強化管状物についてシミュレーションモデルに
より決定したときマトリックス微小亀裂が最初に現れる
引張応力レベルσ_dは、市販の±５５゜フィラメント巻
き付けガラス繊維／エポキシパイプの引張ウィーピング
強度より０．５〜０．８低い。これは、米国特許第４，
６５７，０４９号の金属ストリップ強化管状物が、最新
技術の複合体パイプ／管状物が耐腐食性を与える使用圧
力でその耐腐食性を失うであろうことを暗示している。
これらの低い引張強度で遭遇する初期マトリックス微小
亀裂は、石油化学応用で存在する腐食性流体のための進
入路を与えて金属強化材を攻撃し、漸進的に分解する。

【００４０】IV．本発明の実施Ａ．発明の原理本発明者等はセクションＩに、（剪断応力の不存在下
で）現在の複合体パイプの耐ウィーピング性が積層体横
強度によって限定されることを示した。本発明がベース
とする原理は、積層体横強度、それ故に複合体のウィー
ピングに対する耐性を増加させるために、繊維軸に対し
て垂直の方向での荷重移動を増加させなくてはならない
ことである。荷重移動を増加させるためのアプローチ
は、横方向での表面積を増加させるように強化材組織を
修正することである。この増加した表面積によって、剪
断牽引力が上昇すると期待され、積層体横方向での強化
材荷重が増大すると期待される。ここで強化材は、１７
０の垂直アスペクト比（リボン幅／厚さの比）を有する
ようなリボン状繊維である。１５μのリボン厚さを仮定
して、リボン幅は２．５ｍｍである。応力場解析は、マ
トリックスから強化材への垂直方向の荷重移動が、大き
く改良されたことを示している。例えば、１．４ｋｓｉ
の適用応力では、リボン幅に沿った方向で強化材に移動
された平均応力は６．６ｋｓｉであり、この値は円筒形
繊維強化材について同じ体積分率の強化材（しかし、異
なった組織）に移動されたものより３倍の値である（セ
クションII参照）。マトリックスによって運ばれた平均
応力はその結果、円筒形繊維強化においてマトリックス
によって運ばれたものに対してほぼ３分の１の０．５ｋ
ｓｉの値まで低下する（セクションII参照）。繊維軸に
対して垂直の方向に於いて、リボン状繊維は、円筒形繊
維の円形断面よりも大きい表面積を有する二次元整列さ
れた短繊維とみなすことができる。ここでマトリックス
から強化材への荷重移動は、剪断遅れ機構により（H.L.
Cox, Br. J. Appl. Phys. 3巻(1952年)72頁）、即ち、
強化材／マトリックス界面でのリボン幅に沿った剪断牽
引力により生じる。それで、繊維軸に対して垂直の方向
での積層体ヤング率及び強度の両方は、マトリックスの
値よりも上に顕著に増加すると期待される。

【００４１】Ｂ．本発明の最適複合積層体横性質につい
ての重要な複合体パラメータ（リボン状強化材形状の場
合に）積層体横強度に影響を与え得る複合体パラメータ
は、Ｅｒ（強化材ヤング率）、Ｅ_m（マトリックスヤン
グ率）、比ｓ／ｓ_C（但し、ｓはリボン横アスペクト比
であり、ｓ_Cはリボン横臨界アスペクト比である）、τ_i
（界面剪断強度）、σ_m（マトリックス引張強度）及び
ｖ_f（強化材体積分率）である。積層体横強度は下記式
によって与えられる。

【００４２】

【数１１】 σ_t＝Ｅ_t・ε^* _t（１３）

【００４３】但し、

【数１２】Ｅ_t＝Θ（Ｅ_r,Ｅ_m,s/s_c,v_f）（１４）は積層体横ヤング率である。Θは以下に記載される関数
であり、そして

【数１３】 ε^* _t＝Ξ(Ｅ_r,Ｅ_m,s/s_c,τ_i,σ_m,v_f ^min） (１５）は積層体横破壊歪である。Ξは未決定の関数である。ｖ
_f ^minはセクションＣ、パラグラフ１に記載する。

【００４４】積層体横弾性率は平均強化材横引張歪に関
連づけることができることも示すことができる（L.Mone
tte, M.P.Anderson and G.S.Grest, J.Appl.Phys.75巻
(1994年)1155頁）。

【数１４】Ｅ_t＝v_f(Ｅ_r-Ｅ_m)(ε_r)_t/(ε_a)_t+Ｅ_m（１６）剪断遅れ解析［８］を使用して、平均リボン横引張歪
（ε_r）_tがリボン寸法に関連づけられることを示すこと
ができる［７］。

【００４５】

【数１７】 (ε_r)_t／(ε_a)_t＝（１−ｓ_c／２s_c）（１７ａ）（（ε_a)_tは適用された横引張歪である）。式（１７
ａ）は、ｓ＝ｓ_Cであるとき、

【数８】 (ε_r)_T／(ε_a)_T＝1/2 （１７ｂ）で、それで

【数１８】Ｅ_t＝v_f(Ｅ_r-Ｅ_m)(1-s_C/2s)+Ｅ_m（１８）を得ることを暗示している。

【００４６】図７は、固定比Ｅ_r／Ｅ_m＝２４（即ち、ガ
ラスリボン／エポキシ系）についてのｓ／ｓ_Cの関数と
してのＥ_tのプロットを示す。Ｅ_tは、リボン横アスペク
ト比ｓが→∞であるとき、漸近的に混合値の法則Ｅ_rm＝
ｖ_f（Ｅ_r−Ｅ_m）＋Ｅ_mになる傾向がある。

【００４７】米国特許第４，６５７，０４９号で臨界金
属リボン横アスペクト比ｓ_Cについて与えられた表現、
即ち

【数１９】ｓ_C＝σ_r／（２τ_i）（１９）は、同じ複合体性能が例えば２分の１に界面剪断強度を
低下させることによって、そして同時に２倍の値に臨界
リボン横アスペクト比を増加させることによって得られ
ることを示唆している。このことは、ほぼ２分の１とな
る複合体横破壊歪の減少（２分の１に界面剪断強度が下
がることにより）が、リボン横アスペクト比ｓを増加さ
せることにより得られる複合体横弾性率の２倍増により
補償できるように、横複合体弾性率変化がリボン横アス
ペクト比ｓとほぼ直線的である場合（図７参照）、ｓ_C
より小さいか又はｓ_Cのオーダーのリボンアスペクト比
について真実である。それで、式（１３）で与えられる
横複合体強度は変化しないままである。しかしながら、
限界ｓ＞＞ｓ_C（これは複合体設計に於いて意味のある
限界である）に於いて、このことはもはや真実ではな
い。リボン横アスペクト比への横複合体弾性率依存性
は、図７に見られるように、この限界内で殆ど平らであ
る。それで、横弾性率に於ける増加は、もはや横複合体
破壊歪の低下を補償しない。ここで式（１３）に於ける
横複合体強度は小さいと期待される。このことは、表１
に於ける本発明者等のコンピュータモデルにより測定し
たとき、米国特許第４，６５７，０４９号発明の低い耐
ウィーピング性についての理由の一つである。米国特許
第４，６５７，０４９号により提案されているような強
化材引張強度σ_rは、リボン強化材横アスペクト比の設
計に対して関係のあるパラメータではない。

【００４８】本発明のための三つの最も重要な複合体パ
ラメータは、１）ｓ_C、横リボン臨界アスペクト比

【数２０】ｓ/s_C＝Φ(Ｅ_r,Ｅ_m,v_f) （２０）である。式中、Φはリボン配置に依存する関数であり、
セクション４．３に更に説明する。ｓはリボン横アスペ
クト比であり、ｓ_Cが既知であるとき、式（１８）の横
積層体弾性率を最適化できる、即ち理想限界に近づくよ
うに増加させることができるように選択すべきである。
パラメータＥ_r、Ｅ_m、ｖ_f及びｓ／ｓ_Cが設定されると、
横破壊歪を最大にするための重要な複合体パラメータ、
即ち２）界面剪断強度τ_i及び３）マトリックス引張強
度σ_mは、式（１５）から得られる。両方についての値
の範囲は、またセクション４．３に示す。

【００４９】Ｃ．本発明の最適横複合積層体の特性を左
右する複合体パラメータの選択ガイドライン及び値の範
囲１．整列リボン配置この配置は、その厚さが０．１ｍｍオーダーであり、幅
が数ｃｍに達し得るリボンについてよりよく適合してい
る。これらのリボンはマンドレルの上に直接巻き付ける
（好ましくは、剪断応力が除かれるようにパイプ軸に対
して９０゜の角度で）ことができ、パイプ加工費用を増
加させない。

【００５０】最初に、荷重移動の効率、界面剪断強度及
びマトリックス強度が増加したとき、複合体パイプの引
張ウィーピング強度が改良されることを示そう。下記の
性質を有するリボン状ガラス強化材／エポキシ系を考え
よう。強化材：引張強度：σ_r＝１００ｋｓｉ（損傷されたガラス繊維
と同じ強度を仮定）ヤング率：Ｅ_r＝１０２８６強化材破壊歪ε_r ^*＝３．０％強化片の体積分率：ｖ_f＝５０％リボン厚さ：ｔ＝０．１ｍｍマトリックスは、下記の性質を有する、石油化学応用の
ためのフィラメント巻き付けパイプのために典型的に使
用される、エポキシである。引張強度：σ_m＝１３ｋｓｉヤング率：Ｅ_m＝４２８ｋｓｉ界面剪断強度：τ_j＝６．４ｋｓｉ。ガラス／エポキシ
系についての界面剪断強度は、単一繊維での破砕実験か
ら推定した。この場合、τ_i＝σ_r（ｓ_f）／（２ｓ_f）
（但し、σ_r（ｓ_f）＝５００ｋｓｉ（理想的繊維強
度）、繊維破砕アスペクト比ｓ_f＝４０）である。

【００５１】表２に、強化材積層を同一に維持した（図
７（ａ）及び（ｂ）参照）米国特許第４，６５７，０４
９号パイプの引張ウィーピング強度（表１から得た）と
比較した、ガラスリボン積層体で製造したパイプの引張
ウィーピング強度σ_wを示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】表２から下記の３個の結論を引き出すこと
ができる。ｉ共にシミュレーションモデルにより決定したとき、
本発明の引張ウィーピング強度は、米国特許第４，６５
７，０４９号発明の引張ウィーピング強度よりも２．３
倍大きい。式（１８）及び表２からのＥ_tについての結
果を使用すると、金属リボンについてｓ_C〜１６０及び
ガラスリボンについてｓ_C〜４０である。それで荷重移
動効率は金属リボンよりもガラスリボンについて大き
い。ここで選択されたリボンアスペクト比（即ち、１６
０及び４００）は、金属リボン強化材についての臨界ア
スペクト比よりもわずか１〜２倍大きいが、リボンをガ
ラスから作ったとき同じリボンアスペクト比は、臨界ア
スペクト比よりも４〜１０倍大きい。増加した界面剪断
強度とマトリックス強度と共に、より大きい荷重移動効
率によって、米国特許第４，６５７，０４９号発明と比
較してより本発明の大きい引張ウィーピング強度が説明
される。

【００５４】ii ガラスリボン強化材についての表３の
結果は、アスペクト比１６０を有するリボンとアスペク
ト比４００を有するリボンとの間に引張ウィーピング強
度の差異を示さないので、臨界アスペクト比の４〜５倍
のリボンアスペクト比が最適であると思われる。

【００５５】iii 金属リボンパイプが従来技術の複合
体パイプよりも大きい剛性を有するという米国特許第
４，６５７，０４９号の主張は正しい。

【００５６】次の形式の整列配置を検討する。ｌを２個
の軸方向に隣接する幅Ｌのリボンを分離する距離とし
（この距離は米国特許第４，６５７，０４９号では特定
されていない）、Ｌ_Oは、ある層が半径方向で隣接する
層に対してずれている長さである。ｌ及びＬ_Oは共に下
記の関係に従うことができる。

【００５７】

【数２１】１）0.5≦1−L₀/L≦0.9 l≦0.1L （２１ａ）

【数２２】２）Ｌ＝l+2L₀l≧0.1L （２１ｂ）Ｌはリボン幅である。

【００５８】図８ａ及び８ｂは、ｌ＝Ｌ／２及びＬ_O＝
Ｌ／４を有するリボン配置を有するリボン複合体パイプ
及び壁断面を示し、一方、図９（ａ）及び（ｂ）は、ｌ
≦０．１Ｌ（即ち、できるだけ小さい）及びＬ_O〜Ｌ／
２を有するリボン配置を有するリボン複合体パイプ及び
壁断面を示す。配置（２１ａ）（図７（ａ）及び（ｂ）
参照）又は配置（２１ｂ）（図８（ｂ））で達成できる
最低体積分率ｖ_f ^minは、

【００５９】

【数２３】ｖ_f ^min＝（１−L₀/L）ｖ_f（２２）であり、Ｌ_O＝Ｌ／２であるとｖ_f ^min＝ｖ_f／２であるこ
とに注意されたい。ｖ_f ^minをを最大にするために−Ｌ_O
／Ｌは＞０．５、理想的には０．７５付近でなくてはな
らず、ｖ_f ^min＝（３／４）ｖ_fである。米国特許第４，
６５７，０４９号で提案されているようなｌ〜０及び
０．９≦１−Ｌ_O／Ｌ≦１．０を有するリボン配置は、
高いリボン横臨界アスペクト比になるので、即ち特に弾
性率比Ｅ_r／Ｅ_m＞５０について荷重移動を最適化しない
ので退けられる。例えば、表１の横弾性率データ
（Ｅ_t）は式（１８）と共に、ｆ＝０．７５についてｓ_C
＝１６０及びｆ＝０．９についてｓ_C＝２２５を与え
る。リボン横アスペクト比について設計規準ｓ〜２ｓ_C
を想定すると、このことは、オーバーラップＬ／Ｌ_O＞
０．９について強化を確実にするためのリボン幅は、
０．１ｍｍの厚さを想定して、４５ｃｍより大きいこと
を意味する。

【００６０】下記のことにより、式（２１ａ及び２１
ｂ）により記載される強化材積層について、強化材／マ
トリックス弾性率比Ｅ_r／Ｅ_mおよび強化材体積分率ｖ_f
へのリボン臨界アスペクト比の依存性を定量化する。極
端な場合、即ちｌ＝Ｌ／２及びｌ〜０を明確に検討す
る。

【００６１】ａ．リボンの間の距離、ｌ＞０．１Ｌ（即
ち、ｌ＝Ｌ／２）表３、４及び５は、表２と同じマトリックス／界面パラ
メータを使用する。

【００６２】

【表３】

【００６３】このデータは、式（１８）の修正によって
最も良く当てはまる、即ち、ｓ_C＝４０及びμ＝０．７
２７で

【数２３】Ｅ_t＝ｖ_f(Ｅ_r−Ｅ_m）［1-(s_C/2s)^μ］+Ｅ_m（２３）である。

【００６４】

【表４】

【００６５】式（２３）を使用して表４のデータを当て
はめることによって、ｓ_C＝８５及びμ＝０．７３９を
得る。

【００６６】

【表５】

【００６７】式（２３）を使用して表５のデータを当て
はめることによって、ｓ_C＝１０５及びμ＝０．７２８
を得る。この結果から平均値μ＝０．７３を決定する。
それで、リボン臨界横アスペクト比の依存性は、次のよ
うに書くことができる。

【００６８】

【数２４】ｓ_C〜[(E_r/E_m)/(E_r/E_m)_ref]^ν（ｓ_C)_ref(ｖ_f) （２４）（Ｅ_r／Ｅ_m）_ref＝２４（ガラス／エポキシは参照系で
ある）、（ｓ_C）_ref（ｖ_f＝３３％）＝４０及びν＝
０．６９。次いで、ｖ_fとの（ｓ_C）_refの依存性を評価
し、その結果を表６に示す。

【００６９】

【表６】

【００７０】表６に示す結果により、強化材の体積分率
はリボン臨界横アスペクト比の値に影響するとは思われ
ないので、（ｓ_C）_ref（ｖ_f）＝（ｓ_C）_ref＝４０であ
る。ｂ．リボンの間の距離、ｌ≦０．１Ｌ（即ち、ｌ＝０．
０２Ｌ）

【００７１】表７、８及び９は、表２についてと同じマ
トリックス／界面パラメータを使用する。

【００７２】

【表７】

【００７３】このデータを、ｓ_C＝５０及びμ＝０．９
３７で式（２３）を使用して当てはめる。

【００７４】

【表８】

【００７５】式（２３）を使用して表８のデータを当て
はめることによって、ｓ_C＝９５及びμ＝０．９１３を
得る。

【００７６】

【表９】

【００７７】式（２３）を使用して表９のデータを当て
はめることによって、ｓ_C＝１２５及びμ＝０．８８０
を得る。この結果から平均値μ＝０．９１を決定する。
それで、リボン臨界横アスペクト比の依存性は、次のよ
うに書くことができる。

【００７８】

【数２５】ｓ_C〜[(E_r/E_m)/(E_r/E_m)_ref]^ν(ｓ_C)_ref(ｖ_f) （２５）（Ｅ_r／Ｅ_m）_ref＝２４（ガラス／エポキシは参照系で
ある）、（ｓ_C）_ref（ｖ_f＝５０％）＝５０及びν＝
０．６２。次いで、ｖ_fとの（ｓ_C）_refの依存性を評価
し、その結果を表１０に示す。

【００７９】

【表１０】

【００８０】表１０に示す結果により、強化材の体積分
率はリボン臨界横アスペクト比の値に影響するとは思わ
れないので、（ｓ_C）_ref（ｖ_f）＝（ｓ_C）_ref＝５０で
ある。

【００８１】ｃ．複合横積層体ウィーピング強度リボン横アスペクト比を選択して、混合予言の法則に対
する横ヤング率（ｖ_fＥ_f＋（１−ｖ_f）Ｅ_m）比が１に近
づくと、複合体横積層体ウィーピング強度を増加させる
ための唯一の方法は、界面剪断強度を増加させるか又は
ガラス／エポキシ系のような高い界面剪断強度を有する
系を選択することである。表１１は、リボン積層（例え
ば、ｌ＝Ｌ／２、Ｌ_O＝Ｌ／４）及び体積分率ｖ_f＝０．
６７（ｖ_f ^min＝０．３３）（図８（ａ）及び８（ｂ）参
照）について、表２のために使用した同じ強化材／マト
リックス／界面パラメータで、複合体横ヤング率Ｅ_t、
適用された歪ε_aに対して正規化された強化材に移動さ
れた平均横引張歪＜ε_r＞ｔ、積層体横引張ウィーピン
グ強度σ_w及び横引張破壊歪ε_t ^*を示す。

【００８２】

【表１１】

【００８３】アスペク比ｓ≧２ｓ_Cを有するガラスリボ
ンは、本発明に、従来技術の複合体パイプよりも優れた
軸ウィーピング強度を与える。例えば、上記の表に於い
て、アスペクト比９０のガラスリボンは、軸ウィーピン
グ強度σ_z＝５０．４ＭＰａを有するパイプになるであ
ろう。本発明の軸ウィーピング強度は、現在入手できる
±５５゜フィラメント巻き付けパイプよりも４．５倍強
く、現在入手できる多方向フィラメント巻き付けパイプ
よりも２．４倍強い。

【００８４】ｄ．選択規準／値の範囲与えられた強化材対マトリックスヤング率比Ｅ_f／Ｅ_mに
対して、臨界リボン横アスペクト比は、０．１Ｌ＜ｌ＜
Ｌ／２を有する積層については式（２４）を、ｌ＜０．
１Ｌを有する積層については式（２５）を使って決定で
きる。式（２３）を対照すると、強化材に移動され、適
用した歪に対して正規化した平均引張歪、即ち、
（ε_r）_t／（ε_a）_t＝［１−（ｓ_C／２ｓ）^μ］が、
０．１Ｌ＜ｌ＜Ｌ／２を有する積層についてはμ＝０．
７３及び式（２４）から求めたｓ_C、並びにｌ＜０．１
Ｌを有する積層についてはμ＝０．９１及び式（２５）
から求めたｓＣと共に得られる。ｌ〜Ｌ／２を有する積
層においては、ｌ＜Ｌ／２である他のいかなる積層より
も僅かに大きい横積層体ウィーピング強度が期待できる
ことに注目されたい。これは、固定された体積分率で、
リボン末端が隣接層のリボンの歪場により近く、それに
よってリボン先端での応力集中を最小にするためであ
る。

【００８５】強化材体積分率は０．４≦ｖ_f≦０．８の
範囲内、好ましくは０．５≦ｖ_f≦０．７の範囲内にす
べきである。

【００８６】強化材の方に移動される平均引張歪は、適
用された歪の少なくとも８０％にすべきであり、よって
これは０．０２Ｌ＜ｌ＜Ｌ／２の積層についてリボン横
アスペクト比ｓ＞４．５ｓ_C、他方ｌ＜０．０２Ｌの積
層についてｓ＞３ｓ_Cであることを必要とする。

【００８７】弾性率比Ｅ_r／Ｅ_mはどのような値もとれる
が、増加した積層体横強度を確実にするために、その値
が高くなるほど、より高い界面剪断強度が必要になる。
本発明者等は、２０という下限に近いＥ_r／Ｅ_mで最適な
荷重移動効率となるが、２０＜Ｅ_r／Ｅ_m＜１００の範囲
が妥当であると思う。

【００８８】界面剪断強度は、理想的にはτｉ＝４５Ｍ
Ｐａ以上の値を有するべきである。これよりも低い界面
剪断強度は、従来技術の複合体パイプと比較して本発明
の横積層体引張強度増加を低下させる。本発明者等は、
特に、高い弾性率比Ｅ_r／Ｅ_mを有する強化材について約
２０ＭＰａより低い界面剪断強度を推奨することはしな
い。Ｅ_r／Ｅ_m＞５０について、本発明者等はほぼ４５Ｍ
Ｐａ以上の界面剪断強度を推奨する。

【００８９】マトリックス引張強度は、界面剪断強度の
値よりも低くすべきではない。即ち、σ_m≧τ_iである。

【００９０】２．ランダムリボン強化材配置図１０は、本発明である、パイプ軸に対して０〜９０゜
の角度で巻き付けた積層体巻き付けパイプを示す。積層
体の次の層は、必ずしも巻き付け角度の正確に反対の角
度である必要はないけれども、先行する層の繊維軸に対
して大きさ（符号）が反対である角度で巻き付けられて
いる。図１０（ａ）に於いて、巻き付け角度は一例とし
て±９０゜である。積層剪断応力はゼロになることに注
目されたい。図１０ｂは、リボン状強化材のランダム配
置で製造された積層体の断面図である。この配置は、非
常に薄い、即ちｔ＜０．０５ｍｍであるリボン状強化材
について適している。積層体厚さＴは０．１ｍｍより小
さくてはならず、それで本発明の製造コストは増加しな
い。

【００９１】ａ．ランダムリボン配置のための臨界アス
ペクト比ガラス強化材は、表２のために使用したものと同じ引張
強度及びヤング率を有し、マトリックス／界面性質は表
２のために使用したものと同じである。強化ストリップの体積分率：ｖ_f＝５０％リボン厚さ：ｔ＝０．０１５ｍｍ

【００９２】

【表１３】

【００９３】表１３のデータを、ｓ_C＝９０及びμ＝１
で式（２３）を使用して当てはめる。

【００９４】ｓ_C及び強化材対マトリックス弾性率比Ｅ_r
／Ｅ_m及び強化材の体積分率ｖ_fの間の関数関係を確立す
るために、本発明者等は、幾つかの弾性率比及び固定体
積分率（表１４）並びに幾つかの体積分率及び固定弾性
率比（表１５）について、リボン臨界アスペクト比を決
定した。

【００９５】

【表１４】

【００９６】表１４の結果は、下記の関数関係により当
てはめることができる。

【００９７】

【数２６】ｓ_C〜[(E_r/E_m)/(E_r/E_m)_ref]^ν（ｓ_C)_ref(ｖ_f) （２６）（Ｅ_r／Ｅ_m）_ref＝２４（ガラス／エポキシは参照系で
ある）、及び（ｓ_C）_ref（ｖ_f＝５０％）＝９０。表１
５は、参照系についての臨界リボン横アスペクト比が強
化材の体積分率と共にどのように変化するかを定量する
ための参考になる。

【００９８】

【表１５】

【００９９】表１５の結果は、下記の関数関係により当
てはめることができる。

【０１００】

【数２７】（ｓ_C)_ref(ｖ_f)＝150(−2ｖ_f ²＋1.2ｖ_f＋0.5 （２７）

【０１０１】ｂ．横積層体引張ウィーピング強度表１６は、ランダムに配置したガラスリボン（図１０
（ａ）及び（ｂ）参照）及び体積分率ｖ_f＝０．５０に
ついて、複合体横ヤング率Ｅ_t、適用された歪ε_aに対し
て正規化された強化材に移動された平均横引張歪＜ε_r
＞_t、積層体横引張ウィーピング強度σ_w及び横引張破壊
歪ε_t ^*を示す。強化材／マトリックス／界面パラメータ
は、表２のために使用したものと同じである。

【０１０２】

【表１６】

【０１０３】臨界アスペクト比の４倍以上のアスペク比
を有するガラスリボンは、本発明に、従来技術の複合体
パイプよりも優れた軸ウィーピング強度を与えるであろ
う。例えば、表１６に於いて、９０゜で巻き付けられた
（図１０（ａ）及び（ｂ））アスペクト比３４０のガラ
スリボンを用いると、軸ウィーピング強度σ_z＝３４ｋ
ｓｉを有するパイプになるであろう。本発明の軸ウィー
ピング強度は、現在入手できる±５５゜フィラメント巻
き付けパイプよりも３倍強く、現在入手できる多方向フ
ィラメント巻き付けパイプよりも１．６倍強い。同じア
スペクト比のガラスリボンで±５５゜でパイプを巻き付
けると、得られる軸ウィーピング強度σ_z＝３４／ｓｉ
ｎ２５５゜＝５１ｋｓｉである。本発明の軸ウィーピン
グ強度は、現在入手できる±５５゜フィラメント巻き付
けパイプよりも４．６倍強く、現在入手できる多方向フ
ィラメント巻き付けパイプよりも２．４倍強い。

【０１０４】ｃ．選択規準／値の範囲臨界リボン横アスペクト比は、式（２６）及び（２７）
によって決定することができる。リボンアスペクト比は
臨界アスペクト比よりも少なくとも４〜５倍大きくすべ
きである。

【０１０５】弾性率比Ｅ_r／Ｅ_mはどのような値もとれる
が、増加した積層体横強度を確実にするために、その値
が高くなるほど、より高い界面剪断強度が必要になる。
本発明者等は、下限に近いＥ_r／Ｅ_mで最適の荷重移動効
率になるが２０＜Ｅ_r／Ｅ_m＜１００の範囲が妥当である
と思う。

【０１０６】強化材体積分率は０．４≦ｖ_f≦０．８の
範囲内、好ましくは０．５≦ｖ_f≦０．７の範囲内にす
べきである。

【０１０７】界面剪断強度は、理想的にはτ_i＝４５Ｍ
Ｐａ以上の値を有するべきである。これよりも低い界面
剪断強度は、従来技術の複合体パイプと比較した本発明
の横積層体引張強度増加を低下させる。本発明者等は、
特に、高い弾性率比Ｅ_r／Ｅ_mを有する強化材について約
２０ＭＰａより低い界面剪断強度を推奨することはしな
い。Ｅ_r／Ｅ_m＞５０について、本発明者等はほぼ４５Ｍ
Ｐａ以上の界面剪断強度を推奨する。

【０１０８】マトリックス引張強度は、界面剪断強度に
ついての値よりも低くすべきではない。即ち、σ_m≧τ_i
である。

【０１０９】Ｖ．実施例：本発明の予想性能Ａ．整列リボン配置（ｌ〜０及びＬ_O＝Ｌ／５）現在の従来技術と比較した、アスペクト比ｓ＝１７０及
び体積分率ｖ_f＝５０％を有するリボン状ガラス繊維で
製造したパイプについて、新しい短期間破壊包絡線を図
１１に示す。この場合に、ガラスリボンは引張強度σ_f ^*
＝２００ｋｓｉを有し、他方、マトリックス及び界面性
質は表２についてと同じものである。ここで使用した破
壊規準は、均一で等方性の物体に最初は適用され、次い
でＨｉｌｌによって異方性物体に拡張され且つ修正さ
れ、Ｔｓａｉ［１］によって複合材料に適用された、ｖ
ｏｎＭｉｓｅｓ破壊規準に基づいている。

【０１１０】

【数２８】 (σ_L/σ_L ^*)＋(σ_N/σ_N ^*)²＋(τ/τ^*)²＝1 （２８）

【０１１１】この場合に、σ_L ^*＝１００ｋｓｉ、σ_N ^*〜
０．８ｖ_f ^minσ_f ^*＝６４ｋｓｉ、及びｖ_f ^min＝ｖ_f（１
−Ｌ_o／Ｌ）＝０．４である。このリボンはまた９０゜
で（即ち、図１０に示すように、パイプ外周の周りに）
巻き付けられており、それで剪断応力τ＝０である。短
期間パイプ軸ウィーピング強度（図１１の点１）は６倍
に増加する。下げ孔管状物応用における短期間ウィーピ
ング強度（点２）並びに埋設パイプ応用における短期間
ウィーピング強度（点４）は２倍に増加する。表面パイ
プ応用についての短期間ウィーピング強度（点３）のみ
が同一のままである。

【０１１２】更に重要なことに、本発明の長期間性能は
現在の複合体パイプよりも遥かに良くなると期待され
る。この例に於いて、フープ弾性率及び軸弾性率は、そ
れぞれＥ_H＝１９ＧＰａ及びＥ_A＝１４ＧＰａからＥ_H＝
３７．６ＧＰａ及びＥ_A＝３１ＧＰａまで増加した。元
の０．２５の使用係数、即ち、σ_H（ｔ＝２０年）＝
０．２５σ_H（ｔ＜１時間）は、大雑把にＥ_A（リボンパ
イプ）／Ｅ_A（現在のパイプ）〜Ｅ_H（リボンパイプ）／
Ｅ_H（現在のパイプ）〜２ほど増加すると期待される。
図１２に於いて、現在のパイプの長期間ウィーピング強
度を、本発明の期待長期間ウィーピング強度と比較す
る。従来技術の複合体パイプに対する本発明の長期間性
能に於ける改良は、軸ウィーピング強度（図１２の点
１）に於いて１２倍であり、下げ孔管状物応用及び埋設
パイプ応用の両方（図１２の点２及び４）について４倍
であり、表面パイプ応用（点３）について２倍である。

【０１１３】Ｂ．ランダムリボン配置現在の最新技術と比較した、アスペクト比ｓ＝３４０及
び５０％の体積分率を有するリボン状ガラス繊維で製造
したパイプについて、新しい短期間破壊包絡線を図１３
に示す。繊維、界面及びマトリックスは、セクションＡ
についてのものと同じ機械的性質を有する。この場合
に、σ_L ^*＝１００ｋｓｉ、σ_N ^*〜３４ｋｓｉである（表
１６参照）。破壊規準はセクションＡについてのものと
同じである。短期間パイプ軸ウィーピング強度（図１３
の点１）は３倍に増加する。下げ孔管状物応用について
の短期間ウィーピング強度（点２）並びに埋設パイプ応
用についての短期間ウィーピング強度（点４）はそれぞ
れ０．３３倍及び２倍に増加する。表面パイプ応用につ
いての短期間ウィーピング強度（点３）は２０％低下す
る。

【０１１４】図１４に於いて、現在のパイプの長期間ウ
ィーピング強度を、本発明の期待長期間ウィーピング強
度と比較する。新しい使用係数は、セクションＡに於け
るようにして計算し、０．５である。従来技術の複合体
パイプに対する本発明の長期間性能に於ける改良は、軸
ウィーピング強度に於いて６倍であり、下げ孔管状物応
用（図１４の点２）について２．５倍であり、埋設パイ
プ応用（点４）について４倍であり、表面パイプ応用
（点３）について１．５倍である。

【０１１５】VI．ガラスリボン製造本特許に記載したガラスリボンは、幾つかの方法によっ
て製造することができる。商業的に使用されている一つ
のアプローチは、所望の断面形状を有する大サイズの予
備成形品をその軟化点まで加熱し、次いで引くという再
延伸法の利用である。米国特許第３，４２５，４５４号
（１９６９年２月４日）を参照されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】５５゜の角度での巻き付け物を有する強化チュ
ーブの例を示す。繊維体積分率は６０％である。

【図２】マトリックス微小亀裂及びウィーピングのため
の格納限界を有する破壊包絡線を示す。

【図３】典型的なエポキシ系のパイプの壁内のガス又は
液体圧力によって誘発された応力を示す。巻き付け角度
は５５゜である。

【図４】本発明で使用する大雑把なスプリングモデルに
於ける関係を示す。中心集合点（ｉ）及び８個の機械的
に相互作用している隣接部（ｊ）、（ｋ）、（ｌ）、
（ｍ）、（ｎ）、（ｏ）、（ｐ）及び（ｑ）。ｋ_ijは最
も近い隣接部２個間のスプリング定数であり、ｋ_ikは次
に最も近い隣接部２個間のスプリング定数である。ｃ
_ijkは、ここでは結合ｉｊとｉｋとの間で示される結合
曲げ定数である。２個の結合の間の全ての平衡角度、即
ち、Θ_ijk＝Θ_ikl＝Θ_ilm＝Θ_imn＝Θ_ino＝Θ_iop＝Θ
_ipq＝Θ_iqj＝Θ₀＝π／４である。

【図５】５８％の体積分率を有する円筒形繊維を有する
典型的な積層体に適用した、シミュレーションモデルに
よる応力−歪プロットを示す。歪εは、シミュレーショ
ンモデルに従って、繊維軸に対して垂直の方向に適用さ
れる。

【図６】金属リボン／エポキシパイプの概略及びパイプ
壁断面を示す。

【図７】固定比Ｅ_r／Ｅ_m＝２４についてのＳ／Ｓ_Cの関
数としてのＥ_tを示す。アスペクト比ｓ／ｓ_C＜１は荷重
移動性が、劣っているために望ましくない。アスペクト
比ｓ／ｓ_C＞５は、荷重移動が理想に近いけれども、加
工の容易性が低下する可能性がある。

【図８】ｌ＝Ｌ／２及びＬ_O＝Ｌ／４を有するリボン配
置についてのリボン複合体パイプ及び壁断面を示す。

【図９】ｌ＜０.０２Ｌ及びＬ_O＝Ｌ／２を有するリボン
配置についてのリボン複合体パイプ及び壁断面を示す。

【図１０】強化材のランダム配置についてのリボン複合
体パイプ及び壁断面を示す。

【図１１】現在の±５５゜ガラス繊維／エポキシパイプ
の破壊包絡線（黒四角、実線）と比較した、本発明であ
るガラスリボン／エポキシパイプの短期間破壊包絡線
（黒丸、破線）を示す。これらのリボンはアスペクト比
Ｌ／ｔ＝９０（Ｌ及びｔはそれぞれ、リボンの幅及び厚
さである）を有し、これらは９０゜で（パイプ外周の周
りに）巻き付けられている。リボン配置は、重なりパラ
メータＬ_O＝Ｌ／５であり、隣接するリボンの縁の間の
距離ｌ＜Ｌ／１０で、整列されている。

【図１２】現在の±５５゜ガラス繊維／エポキシパイプ
の破壊包絡線（黒四角、実線）と比較した、本発明であ
るガラスリボン／エポキシパイプの長期間破壊包絡線
（黒丸、破線）を示す。リボンはアスペクト比Ｌ／ｔ＝
９０（Ｌ及びｔはそれぞれ、リボンの幅及び厚さであ
る）を有し、これらは９０゜で（パイプ外周の周りに）
巻き付けられている。リボン配置は、重なりパラメータ
Ｌ_O＝Ｌ／５であり、隣接するリボンの縁の間の距離ｌ
＜Ｌ／１０で、整列されている。

【図１３】現在の±５５゜ガラス繊維／エポキシパイプ
の破壊包絡線（黒四角、実線）と比較した、本発明であ
るガラスリボン／エポキシパイプの短期間破壊包絡線
（黒丸、破線）を示す。リボンはアスペクト比Ｌ／ｔ＝
９０（Ｌ及びｔはそれぞれ、リボンの幅及び厚さであ
る）を有し、これらは９０゜で（パイプ外周の周りに）
巻き付けられている。リボン配置はランダムである。

【図１４】現在の±５５゜ガラス繊維／エポキシパイプ
の破壊包絡線（黒四角、実線）と比較した、本発明であ
るガラスリボン／エポキシパイプの長期間破壊包絡線
（黒丸、破線）を示す。リボンはアスペクト比Ｌ／ｔ＝
９０（Ｌ及びｔはそれぞれ、リボンの幅及び厚さであ
る）を有し、これらは９０゜で（パイプ外周の周りに）
巻き付けられている。リボン配置はランダムである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２９Ｌ 23:00 (72)発明者アレン・エス・シューアメリカ合衆国ニュージャージー州07932、フロラム・パーク、ラスティック・コート８ (72)発明者ラッセル・ロバート・ミューラーアメリカ合衆国ニュージャージー州07882、ワシントン、ワシントン・ガーデンズ507 (72)発明者マイケル・ポール・アンダーソンアメリカ合衆国ニュージャージー州08809、クリントン、ウェストウェイ10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）２５％より小さい破断点引張伸び
を有する、熱硬化性ポリマーを含有する管状ポリマーマ
トリックスと、（ｂ）該管状ポリマーマトリックス内に埋め込まれたガ
ラス繊維強化ストリップとを含む強化複合管状体。