JPS621812B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガラス繊維強化プラスチツク管の製
法に関する。

ガラス繊維強化プラスチツクにおいて有力な応
力σ⊥（横方向応力）を同時に生じさせないで繊
維に平行な高い応力σ₁₁を得ることができる圧力
管用繊維配列のあり得ないことは公知の事実であ
る。このために繊維に対し平行な場合の材料強さ
は約850N／mm²になるが、横方向引張強さに対し
ては高々70N／mm²になる。従つて、σ₁₁による破
断（繊維破断）にはなお至らない負荷によつて、
σ⊥応力による亀裂が生ずる結果になる。この障
害に対しては、主として管内に内部応力またはプ
レストレスを故意にに生じさせることにより対抗
する。たとえばDE−OS第1729051号明細書（す
なわち米国特許第2984870号及び同第2999272号の
各明細書）と仏国特許第1312754号明細書（すな
わち米国特許第3202560号又はDE−AS第1504756
号の各明細書）とによれば予め応力を加えた
GFK管（ガラス繊維強化プラスチツク管）が従
来から知られている。DE−OS第1729051号明細
書によれば先ず樹脂を含浸させたガラス繊維強化
マツトを巻いて管形（Rohrformling）を形成
し、このマツト内のガラス繊維がこの管形の軸に
対して±45゜の配列になつて延びるようにする。
この管形はその各端部を拘束しその硬化中に軸線
方向の引張力を加える。これと同時にこの管形の
内部に圧力液体又は圧力気体の圧力を加える。こ
の管状体にその硬化中に引張力又は圧力を加える
ことによつてこの管は内部応力が加えられた状態
に保たれる。仏国特許第1312754号明細書によれ
ばGFK管は、樹脂含浸したガラス繊維ひもを多
層の０゜及び90゜の繊維配列にして巻付けること
によつて作られる。この繊維ひもは、この場合巻
付け中に又硬化中に応力を受けた状態に保持さ
れ、仕上がりの硬化した管が同様に内部応力を持
つ状態にする。

前記の文献の章句から知られているGFK管
は、実際上実施できない。その主な理由は、とく
に非常に高い装置の費用を必要とするこの管の複
雑な製法にある。又別の理由は、予め応力を加え
た求めようとするGFK管工作材料に対しては、
プラスチツクの粘弾性の状態のために、生じた元
応力状態がすぐに弛緩し、従つてあまり長くは保
持されないおそれがあると言う偏見が普及してい
るからである。先ず本発明に対する準備作業の範
囲内で、このようなGFK管工作材料の弛緩時間
は、すべての偏見に反して、従来よりかなり長い
ことが十分に分つた。このことは、先ず得ようと
する作用状態σ⊥＝０になると、この状態はクリ
ープ又は弛緩によつてもはや変形させられなく
て、次いで横方向引張応力が消失してそれぞれク
リープ及び弛緩がなくなることで明らかである。
この理由は、繊維に平行になお残つている応力が
弛緩しないからである。実際上このことは、管の
製造の際にこの管に与えられた予めの応力の残部
が、製造と使用開始との間に十分に残つたままで
あつて、予期しないほど長い弛緩時間にもかかわ
らず何等の障害も生じないようにする配慮がされ
ることを意味する。“保持”は、製造中に加えら
れるプレストレスを弛緩により減少すると想定さ
れるのに等しい量、またはそれより多い量だけ増
加させることにより行なわれる。

本発明の目的は、一方においては比較的安い操
作費用で済み合理的であり、他方においては品質
的にすぐれた予め応力を与えたGFK管の得られ
る、初応力付与GFK管の新規な製法を提供しよ
うとするにある。

本発明は、ほぼ周方向に配向されたガラス繊維
からなる第一の樹脂含浸管層を巻き、この第一の
管層を硬化させ、硬化した第一の管層に外力によ
り軸方向の押圧力を加え、応力の加えられた第一
の管層にほぼ軸方向に配向されたガラス繊維から
なる第二の樹脂含浸管層を形成し、第二の管層を
硬化させ、第２の管層の硬化後に前記の外力を釈
放することから成る、ガラス繊維強化プラスチツ
ク管の製法にある。

とくにこの場合第１の管層に、第２の管層の形
成及び硬化の間に、内部から圧力媒質を作用させ
る。軸線方向の負荷と圧力媒質の圧力とを、管の
定格負荷によりガラス繊維に対し垂直の向きに生
ずる横方向引張応力を、少くとも部分的に補償す
る元応力が管に生ずると共に管の定格負荷により
両管層にガラス繊維に対し平行に向いた縦方向引
張応力が少くとも互いにほぼ等しくなるように定
める。

以下本発明によるガラス繊維強化プラスチツク
管の製法の実施例を添付図面について詳細に説明
する。

第１の管層として先ず周辺方向に向いたガラス
繊維で管層を作る。この管層は第１図に図式的に
示すように、樹脂を含浸させたガラス繊維ひも１
を普通の方法で中空の心棒２に巻きつけることよ
り得られる。心棒２は、回転駆動され、その内部
に、管状に巻きつけたガラス繊維ひもを硬化させ
るために赤外線加熱棒３を備えている。心棒２
は、その端部にきちんとした管端部が得られるよ
うに、２個のフランジ４，４を備えている。ガラ
ス繊維ひも１は、貯蔵ボビン６から樹脂含浸浴７
を経て環８に集まる多数条の繊維５から成つてい
る。環８はよく知られているように両フランジ
４，４間で往復運動し、ガラス繊維の配向が管軸
線に対し絶えず対称になる多層の巻付け体が得ら
れる。

このようにして形成したいくつかの副層からな
る第１の管層Ａが硬化した後に、管層Ａは、周辺
に支持リブ１１を形成され同様に図示してない方
法で回転駆動される別の巻付け必棒１２に取付け
られ、２個のフランジ１３，１４間に固定され
る。フランジ１３は、軸線方向に固定され、圧力
媒質用の入口穴又は連結穴１５を備えている。入
口穴１５は、心棒外壁面と管層Ａの内壁との間の
中間室１６に開口している。支持リブ１１は連通
穴を備えているから、圧力媒質は中間室１６の全
体に充満できる。

フランジ１４は流体圧シリンダ１７により軸線
方向に調整自在である。第２の管層を作る前に、
第１の管層Ａは、流体圧シリンダ１７及びフラン
ジ１４によつて、軸線方向に押圧力を加えられ、
これと同時に中間室１６内に存在する圧力媒質の
低圧が加えられることによつて周辺方向に幾分拡
張する。このように伸長状態に保持された第１の
管層に、公知の技術により、手で、または公知の
装置により樹脂含浸ガラス繊維を実質的に軸方向
に配向させて巻きつける。装置としては、例えば
第１の管層の形成に使用した第１図に示す装置を
使用することができ、該装置において、心棒２の
回転速度及び環８の往復速度を調整することによ
り、樹脂を含浸させたガラス繊維ひも１をほぼ軸
方向に巻きつけることができる。この際、ガラス
繊維を多層に巻きつけ、第２の管層が、ガラス繊
維が軸に対して対称的に配向されたいくつかの副
層からなるようにするのが好ましい。また、第２
の管層は、繊維がほぼ軸方向に配向された繊維強
化樹脂の副層と、ほぼ軸方向に配向されてはいる
が、上記の副層の繊維とは軸に対して対称的に配
向された繊維を有する繊維強化樹脂の副層とから
なる樹脂含浸繊維ウエツブを第１の管層に巻きつ
けることにより形成することもできる。上記のほ
か、樹脂含浸繊維の巻きつけ方法及び装置、並び
に樹脂含浸繊維よりなるウエツブの巻きつけ方法
として、従来より種々のものが開示されており、
本発明においてはそのいずれを使用してもよい。
このようにして巻きつけられた樹脂含浸ガラス繊
維の層を、第２図に示す赤外線放射器１８により
硬化させることにより第２の管層を形成する。実
施例で得られた第２の管層は、隣接した層のガラ
ス繊維が管軸線に対して対称的に向けられている
副層からなつている。このように形成した多層の
軸線方向のガラス繊維巻付け体は、第２のプラス
チツク管層Ｂを形成する。

第２の管層Ｂを十分に硬化させるときには、軸
線方向の負荷と管内の内部圧力とを除く。この軸
線方向の負荷又は内部圧力によつてこの内側管層
に最初に与えられた伸張状態は、管内に元応力状
態で或程度保持されたままになる。

管の形成のために3000ないし4000N／mm²のＥ係
数を持つたわみ性のない積層樹脂を使う。ガラス
の容積率はとくに約60％になる。この場合約
73000N／mm²のＥ係数を持つＥガラスを使うのが
目的に適つている。

本発明によるGFK管に含まれる元応力状態を
適正に定めることにより、管の使用負荷によつて
生ずる横方向引張応力は実際上完全に補償され
る。この結果、多軸の張力状態が肝要ではなく
て、単軸の張力状態だけが肝要であるように管の
寸法を定めることができる。実際上この場合与え
られた定格負荷に必要な管壁の厚さが著しく低減
することになり、これに関連する利点が得られ
る。たとえば64バールの使用定格圧力に対して設
計される内径600mmの天然ガス管に対し、普通の
管で必要な50mm（DIN19694）に対しわずかに約
15mmの壁の全厚さでよい。前記した管を作るため
のデータは次の通りである。

内側管層の壁の厚さ 13mm 外側管層の壁の厚さ ２mm 樹 脂 たわみ性のない、Ｅ係数3500N／mm² ガラス繊維 Ｅガラス、Ｅ係数73000N／mm² ガラス容積率 60％ 第２の管層を作る間の軸線方向の負荷 40N／mm² 圧力媒質の静水圧 〜80バール 管軸線に対する巻付け配向 ±85゜及び±５゜ このように寸法を定められた管においては、横
方向引張応力は定格負荷（64バール）の場合実際
上完全に補償される。

実際上この管内に残る元応力は、横方向引張応
力の補償自体に必要なよりも幾分大きく選ぶのが
有利である。このようにして管の定格負荷を凌駕
する過負荷によつても損傷を伴わないで耐えら
れ、又他方において、そのために管の製造をその
配管との間に比較的長い貯蔵期間が生じ得る場合
にも元応力自体のわずかな弛緩の制限された減少
を、考慮し又は補償できる。

製造中の管寸法及び適合させられる元応力の正
確な決定又はこれに必要な軸線方向の負荷及び媒
質圧力とにより、特定の場合には、次の式によつ
て軸線方向の膨張が生じないパイプライン管路が
得られる。

与えられた使用圧力及び定格直径、管の弾性的
動作（Ｅ係数、横方向収縮数）を定める選定した
管構造（樹脂、ガラス、ガラス比率、巻付け角度
等）と、３つの基本的要求すなわち、 (a) 作業時に管層Ａに現われる軸線方向に向いた
横方向引張応力 (b) 補償される又は超過補償もされる管層Ｂの周
辺方向の横方向引張応力 (c) 互に等しくできるだけ大きい両管層Ａ，Ｂ内
のガラス繊維に平行な向きの応力 から、始めて、連続説の公知の原理〔ベルリン工
科大学機械工学科のアー・プツク（A.Puck）、に
よる学術論文1966年７月６日付けのD83〕によ
り、壁の全厚さｔに対する管層Ａの壁の厚さt₁の
比率t′₁に対し次の式が得られる。

この場合、Ｚ＝Ｅ_y1−（2f＋ν_yx2）・Ｅ_y2 Ｎ＝（１＋ｆ・ν_yx1）Ｅ_y1−（ｆ＋ν_yx2）・Ｅ_y2 ｔ＝Ｐ_Ｂ・ｒ_ｉ１／ｔ′_１・σ_{ｙ１ｚｕｌ}（） これ等の式及び後続の各式で文字及び数字は次
の意味である。

添字１及び２ 管層Ａ又は管層Ｂに対して引用 添字ｘ及びｙ 軸線方向又は周辺方向 添字ν・Ｅ及びＢ 管製造の際に外部の負荷の要
求される間の状態と、この外部の負荷の除去後
の状態と、使用負荷により生ずる応力 Ｐ_B 管の寸法を定めるための定格使用圧力 ｒ_i1 管層Ａの内径 σ、y1zul これ等の管層の許容周辺方向応力
（〜140N／mm²） ｆ 横方向引張応力の補償に必要な値を、適合さ
せられる元応力を越えるための係数 １ｆ
1.5 Ｅ_y1、Ｅ_y2 ｙ方向におけるＥ係数 ν_yx1、ν_yx1、ν_xy1、ν_xy2 横方向収縮数、第１
の添字は収縮の方向を示し、第２の添字は生じ
ている応力の方向を示す σ 応力 △σ 状態νから状態Ｅへの移行の際の応力の変
化 ε_xE、ε_yE これに属する膨張 式及びにより両方の管層Ａ，Ｂの壁の厚さ
を定められる。所望の元応力を生ずるのに必要な
外部負荷（軸線方向の付勢力Ｆ_x1v、圧力媒質の
静水圧Ｐ_v）の計算は次の式、からできる。

Ｆ_x1v＝２π・（ｒ_i1＋ｔ_１／２）・t₁・σ_x1v （） Ｐ_v＝ｔ_１・σ_ｙ１ｖ／ｒ_ｉ１ （） これ等の式において σ_x1v＝σ_x1E−△σ_x1 σ_y1v＝σ_x1E−△σ_y1 △σ_x1＝Ｅ_ｘ１／１−ν_ｘｙ１・ν_ｙｘ１・ε_xE ＋ν_ｙｘ１・Ｅ_ｙ１／１−ν_ｘｙ１・ν_ｙｘ１・ε_yE △σ_y1＝ν_ｙｘ１・Ｅ_ｙ１／１−ν_ｘｙ１・ν_ｙｘ１・
ε_xE ＋Ｅ_ｙ１／１−ν_ｘｙ１・ν_ｙｘ１・ε_yE σ_xE＝１／Ｅ_ｘ２・σ_x2E−ν_ｘｙ２／Ｅ_ｙ２・σ_y2E σ_yE＝−ν_ｘｙ２／Ｅ_ｙ２・σ_x2E＋１／Ｅ_ｙ２・σ_y2E σ_x1E＝−ｆ・ν_yx1・Ｅ_y1 ・ｔ′_１・σ_{ｙ１ｚｕｌ}／Ｅ_ｙ１・ｔ′_１＋Ｅ_ｙ２（
１−ｔ′_１） σ_y2E＝−ｆ・Ｅ_y2・ｔ′_１・σ_{ｙ１ｚｕｌ}／Ｅ_ｙ１・
ｔ′_１＋Ｅ_ｙ２（１−ｔ′_１） σ_x2E＝−ｔ′_１／１−ｔ′_１・σ_x1E σ_y1E＝−１−ｔ′_１／ｔ′_１σ_y2E 管路の場合とは異つて、軸線方向の膨張が妨げ
られない管の他の設置の際には、管層の厚さ及び
付勢負荷を、多層接合の弾性理論により計算しな
ければならない。これ等の理論には、両管層の平
衡条件、幾何学的条件及び弾性法則がある。これ
等の詳細は本発明者の前記の論文中に述べてあ
る。

両管層Ａ，Ｂ内のガラス繊維の配向のために、
管軸線に対し挾む角度はそれぞれ80゜ないし88゜
及び２゜ないし10゜、とくに約85゜及び５゜が有
効なことが分つた。これ等の巻き付け角度は、例
示しただけである。又特定の場合には巻付け角度
は、理想的な場合すなわち０゜及び90゜からなり
はずれてもよいのは明らかである。縦方向に向い
た繊維を主として持つ層と、周辺方向に向いた繊
維を主として持つ層とが存在することが重要なだ
けである。

ひび割れを防ぐには、各管層を多層に巻付け
て、互に隣接した層内のガラス繊維の向きを管軸
線に対し対称に、たとえば＋５゜及び−５゜並び
に＋85゜及び−85゜にするのがとくに有利である
（ひび割れ防止効果）。単一の層の厚みは約0.5な
いし1.0mmでよい。

要求が厳密でない場合は、理想的な場合に合致
する前記３つ以上の全部の要求を満足しようとす
るのではなくて、要求(a)及び(b)に又はせめて(a)だ
けを満足することが可能であるのは明らかであ
る。管層Ａに現われる横方向引張応力の補償だけ
ですでに極めて有利である。

なお、周方向の繊維を有する第一の管層の外側
に軸方向に配向された第二の管層を形成させるこ
とは製造技術上の理由から有利であるが、絶対に
必要な要件ではない。例えば第一の管層の内側に
第二の管層を形成してもよいし、また、二つの軸
方向の繊維の層を、一方を第一層の内側に、他方
を外側に形成してもよい。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明製法の２つの重要な
異る工程を示す略図である。 Ａ，Ｂ……管層、１……繊維ひも、５……繊
維、１３，１４……フランジ、１７……シリン
ダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ほぼ周方向に配向されたガラス繊維からなる
   第一の樹脂含浸管層を巻き、この第一の管層を硬
   化させ、硬化した第一の管層に外力により軸方向
   の押圧力を加え、応力の加えられた第一の管層に
   ほぼ軸方向に配向されたガラス繊維からにる第二
   の樹脂含浸管層を形成し、第二の管層を硬化さ
   せ、第二の管層の硬化後に前記の外力を取り除く
   ことからなるガラス繊維強化プラスチツク管の製
   法。 ２ 第二の管層の載置及び硬化の間に、第一の管
   層に内部から圧力媒質を作用させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のガラス繊維強化
   プラスチツク管の製法。 ３ 管の定格負荷により生ずるガラス繊維に対し
   て垂直の向きの横方向引張応力を少くとも部分的
   に補償するような内部圧力またはプレストレスが
   管に生じるように、軸線方向の負荷及び圧力媒質
   の圧力を定めることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のガラス繊維強化プラスチツク管の製
   法。 ４ 内部応力またはプレストレスを、管の定格負
   荷により、両管層に生ずるガラス繊維に対し平行
   に向いた縦方向引張応力が、少なくとも近似的に
   等しくなるように定めることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のガラス繊維強化プラスチツ
   ク管の製法。 ５ 第一の管層及び第二の管層の各々を、少なく
   とも２層の、繊維がそれぞれ管軸線に対して対称
   的に配向された副層により形成することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のガラス繊維強化
   プラスチツク管の製法。 ６ 第一の管層を二つの隣接した層として巻き、
   その一方が管の軸に対して約＋85゜であり、他方
   が管の軸に対して約−85゜であり、第二の管層を
   二つの隣接した層として巻き、その一方が管の軸
   に対して約＋５゜であり、他方が管の軸に対して
   −５゜であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のガラス繊維強化プラスチツク管の製
   法。 ７ 約3000ないし4000／mm²の弾性係数を持つたわ
   み性のない積層樹脂を使うことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のガラス繊維強化プラスチ
   ツク管の製法。