(57)【要約】パイプを補強するためのシステムおよび方法。ロボットは、概ね螺旋状パターンで樹脂および／または繊維をパイプの内部表面に塗布するためにパイプ内で回転するように適合される。パイプへの樹脂および／または繊維の塗布は、所望の塗布を実現するために能動的に調整され得る。ロボットがロボットの回転毎にパイプに沿って移動する速度は、調整可能であり得る。繊維がパイプの内部表面の方へ前進させられる速度は、概ね張力を受けない状態でのパイプの内部表面への繊維の塗布のために調整可能であり得る。【選択図】図１
2015514934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向軸と周囲を含む内部表面とを有するパイプ内での回転に適合したロボットであって、
軸を有するフレームであり、その軸周りに当該フレームが使用中に回転するように適合され、前記回転の軸は、当該ロボットが前記パイプ内に位置付けられるときに前記パイプの前記長手方向軸と概ね同じ方向に延びている、フレームと、
前記パイプの前記内部表面を異なる周囲位置に係合するために前記回転の軸に対して異なる半径方向位置で前記フレームに接続された複数の車輪と、
前記パイプの前記長手方向軸の周りに前記パイプ内で回転するように前記車輪を前記パイプおよび前記フレームの前記内部表面に沿って転がすために前記車輪の少なくとも１つを駆動するのに適合された駆動機構と、を備え、
前記車輪は、前記フレームが前記パイプ内で回転する際に、前記パイプの前記長手方向軸に沿って前記フレームを移動するために概ね螺旋状経路で前記パイプの前記内部表面に沿って転がすのに適合されている、ロボット。
【請求項２】
前記車輪の少なくとも１つは、前記フレームの前記回転の軸に対して半径方向に前記車輪の選択的な移動を許容するために前記フレームに移動可能に接続される、請求項１に記載のロボット。
【請求項３】
前記フレームに接続された材料塗布アセンブリを更に備え、前記繊維塗布アセンブリは、前記フレームが前記パイプ内で移動する際に、材料を概ね螺旋状パターンで前記パイプの前記内部表面に塗布するのに適合されている、請求項１に記載のロボット。
【請求項４】
前記材料塗布アセンブリは、前記フレームが前記パイプ内で回転する際に、前記材料のウェブを前記パイプの前記内部表面に対して加圧するための加圧部材を含む、請求項３に記載のロボット。
【請求項５】
前記材料塗布アセンブリは、前記加圧部材の方へ前記材料のウェブを前進させるのに適合された駆動機構を含む、請求項４に記載のロボット。
【請求項６】
前記パイプの前記内部表面への前記加圧部材による塗布のための材料の供給を保持するのに適合された材料保持器を更に備える、請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
制御システムを更に備え、前記制御システムは、前記駆動機構と動作可能に関連したコントローラを含み、また、速度を調整するための命令を含み、その速度で前記駆動機構は、前記パイプの前記内部表面に対して前記加圧部材によって加圧された前記材料が、概ね張力を受けない状態にあるように、前記加圧部材の方へ前記材料のウェブを前進させる、請求項５に記載のロボット。
【請求項８】
前記制御システムは、ウェブ張力センサを含み、前記ウェブ張力センサは、前記材料塗布アセンブリ上の前記材料のウェブの張力を検知するのに、および前記ウェブの前記張力を表現するウェブ張力信号を発生するのに適合されており、前記コントローラは、前記ウェブ張力センサに動作可能に接続され、前記速度を調整する命令を含み、その速度で前記駆動機構は、前記ウェブ張力センサから受信された前記ウェブ張力信号に応じて前記材料のウェブを前記加圧部材の方へ前進させる、請求項７に記載のロボット。
【請求項９】
速度を変更するために前記フレームに対して前記車輪の少なくとも１つの方向付けを調整するのに適合された調整機構を更に含み、その速度で、前記フレームは、前記フレームが前記パイプ内で回転する際に前記パイプの前記長手方向軸に沿って前進する、請求項３に記載のロボット。
【請求項１０】
前記調整機構に動作可能に接続されたコントローラを含むとともに、前記材料塗布アセンブリに繊維を概ね一貫した螺旋状パターンで前記パイプの前記内部表面に塗布させるように、前記車輪の前記方向付けを自動的に調整するための命令を含む制御システムを更に備え、そのパターンで、前記パイプ内での回転において塗布された材料は、以前の回転において塗布された材料から概ね一貫して間隔を置かれている、請求項９に記載のロボット。
【請求項１１】
前記制御システムは、前記材料塗布アセンブリによって前記パイプの前記内部表面に塗布された材料の位置を検知するのに、および前記位置を表現する材料位置信号を生成するのに適合された材料位置センサを含み、前記コントローラは、前記材料張力センサに動作可能に接続されるとともに、前記繊維位置センサから受信された前記材料位置信号に応じて前記車輪の前記方向付けを調整する命令を含む、請求項１０に記載のロボット。
【請求項１２】
前記制御システムは、前記パイプの前記長手方向軸の周りの前記フレームの連続回転において前記パイプの前記内部表面に塗布される材料の概ね一貫した重ね合わせを実現するために、前記車輪の前記方向付けを調整する命令を含む、請求項１０に記載のロボット。
【請求項１３】
前記フレームに接続された樹脂塗布器を更に備え、前記樹脂塗布器は、前記フレームが前記パイプ内で回転する際に、前記パイプの前記内部表面に樹脂を概ね螺旋状パターンで塗布するのに適合されている、請求項１に記載のロボット。
【請求項１４】
パイプを補強するために材料を前記パイプの内部表面に塗布する方法であって、
車輪が接続されるフレームを前記パイプ内で回転させ、前記パイプの長手方向軸に沿って移動させるように、前記パイプの前記内部表面に対して前記車輪を駆動することと、
前記フレームが前記パイプ内で回転する際に、概ね螺旋状パターンで前記パイプの前記内部表面に材料のウェブから材料を塗布することと、を含む、方法。
【請求項１５】
速度を自動的に調整することを更に含み、その速度で前記材料のウェブは、前記材料のウェブが、それが前記パイプの前記内部表面に塗布される際に概ね張力を受けないように、前記パイプの前記内部表面の方へ前進させられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記材料のウェブの張力をそれが前記パイプの前記内部表面に塗布される前に検知することと、速度を調整することと、を更に含み、その速度で前記材料のウェブは、前記検知された張力に応じて前記パイプの前記内部表面の方へ前進させられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
速度を自動的に調整することを更に含み、その速度で前記フレームは、概ね一貫した螺旋状パターンで前記パイプの前記内部表面に材料を塗布するために前記パイプ内での前記フレームの回転毎に前記パイプの前記長手方向軸に沿って移動し、そのパターンにおいて、前記パイプ内での回転において塗布された材料は、以前の回転において塗布された材料から概ね一貫して間隔を置かれている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
構造体を補強するために前記構造体に繊維を塗布する方法であって、
加圧部材の方へ繊維を駆動することと、
前記構造体上でその繊維を加圧することによって前記構造体に前記繊維を塗布するために前記構造体に対して前記加圧部材を移動することと、
速度を自動的に調整することであって、その速度で前記繊維は、前記構造体に対して前記加圧部材によって加圧される前記繊維が概ね張力を受けないように、前記加圧部材の方へ駆動される、当該調整することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、パイプの修復に関するものである。特に、本開示は、繊維束リボンの形態であり得る繊維束を使用してパイプを補強するためのシステムおよび方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
米国土木学会（ＡＳＣＥ）によれば、米国の国家の飲料水および廃水インフラストラクチャは、Ｄ−の等級を有する。結果として、２４万を超える水道本管の破裂が毎年発生し、その問題に適切に取り組むために推定２５５０億ドルが今後５年にわたって必要とされる。破損の費用は、パイプ自体の修理にだけ起因するのではなく、推定２５百万ガロンの水が破裂毎に無駄にされることからにも起因する。この努力は、早期に破損していると推定された３．５百万リニアフィートの大直径（６１ｃｍ（２４インチ）以上）鋼パイプおよびプレストレスト・コンクリート・シリンダー・パイプ（ＰＣＣＰ）に焦点を合わせている。これらの破損は、年数、建設物の品質、土壌影響、地震、導入誤差、および劣悪な全体的な設計を含む、さまざまな要因から生じる。
【０００３】
破損したパイプラインを修理するために広く使用される方法が少しあり、それらの多くは、破損した部分のまたは破損した部分の周りの掘削を何らかの形で伴う。最も普及している選択肢は、ポストテンション修理、スリップライニング、交換、および現場硬化ライナー導入（ＣＩＰ）を含む。ポストテンション修理は、鋼ケーブルが、補強のためにパイプの外側の上に巻き付けられ張力を受けるものである。このシステムの１つの大きな欠点は、それがパイプを封止しないことである。パイプはまた、ケーブル用に周囲の辺りに近づくために、露出され（掘削され）る必要がある。スリップライニングは、より小さいパイプ部分が破損した部分の内側に挿入され既存のパイプに接合される行為である。少なくとも１つの部分の掘削が、破損した分の内側にスリップラインを得るために必要とされる。別の問題は、流量制限が、ライナー直径の縮小に起因してパイプ内に引き起こされることである。不良パイプ部分の交換は、パイプの周りの掘削、除去、次いで、新たな部分の導入を伴う。上記アプローチのいずれも、必要とされる掘削に起因して、煩わしすぎるか、あるいは、建物の下の水用パイプの場合には不可能である。はるかに良いアプローチは、パイプの内側からその部分を修理することである。現場硬化ライナーは、破損したパイプを内側から封止するというよい仕事をする。しかしながら、それらは、十分な構造上の修理をもたらすことができない。内部のパイプ修理の良い形態は、その掘削の欠如、完全なパイプ封止、時間、および構造上の強化能力に起因して、繊維補強ポリマーまたは複合材（ＦＲＰ）の形態において実現する。
【０００４】
ＦＲＰは、その高強度と低重量に起因して、主として航空宇宙および他の高性能用途に使用される。それは、パイプライン修理への実行可能な解決策としては１９９７年まで広く受け入れられておらず、それをかなり新しい技術にさせる。ＦＲＰは、耐食性であり、完全な構造上の修理を可能にする高強度および係数を有し、設計と塗布の両方において完全な材料融通性を提供する。炭素繊維は、強度特性が塗布に適してあつらえることができるように、方向付けられることができる。修理はまた、より多くの炭素をパイプの壁に塗布することによって簡単により多くの負荷を取り扱うことに容易に適合され得る。炭素繊維の典型的な導入は、炭素繊維に樹脂を染み込ませ、次いで、パイプの内部壁の上にその含浸炭素繊維を塗布することを助けるために、ある種の含浸器を使用することを伴う。工程は湿式レイアップであるので、炭素繊維は、完全にパイプの内側に順応することができ、基板への完全な接合を確実にする。この工程に追加される利益は、ほとんどの場合、その部分を通した損失水頭が、ＦＲＰの滑らかな表面に起因して削減されることである。
【発明の概要】
【０００５】
第１の態様では、本発明は、長手方向軸と周囲を含む内部表面とを有するパイプ内での回転に適合されたロボットを含む。ロボットは、軸を有するフレームを含み、その軸周りにフレームは、使用中に回転するように適合される。回転の軸は、ロボットがパイプ内に位置付けられるとき、パイプの長手方向軸と概ね同じ方向に延びる。ロボットは、パイプの内部表面を異なる周囲の位置に係合するために回転の軸に対して異なる半径方向位置でフレームに接続された複数の車輪を含む。ロボットは、車輪をパイプの内部表面に沿って転がし、フレームをパイプの長手方向軸の周りにパイプ内で回転させるために車輪の少なくとも１つを駆動するのに適合された駆動機構を含む。車輪は、フレームがパイプ内で回転する際にフレームをパイプの長手方向軸に沿って移動させるために、概ね螺旋状経路でパイプの内部表面に沿って転がるように適合される。
【０００６】
別の態様では、本発明は、パイプを補強するためにパイプの内部表面に材料を塗布する方法を含む。方法は、車輪が接続されるフレームをパイプ内で回転させ、パイプの長手方向軸に沿って移動させるために、パイプの内部表面に対して車輪を駆動することを含む。フレームがパイプ内で回転する際、材料のウェブからの材料は、パイプの内部表面の方へ前進させられ、概ね螺旋状パターンでパイプの内部表面に塗布される。
【０００７】
更に別の態様では、本発明は、構造体を補強するために構造体に繊維を塗布する方法を含む。方法は、加圧部材の方へ繊維を駆動することと、繊維を構造体の上で加圧することによって構造体に繊維を塗布するために構造体に対して加圧部材を移動することと、速度を自動的に調整することと、を含み、加圧部材によって構造体に対して加圧される繊維が概ね張力を受けないように、その速度で繊維が加圧部材の方へ駆動される。
【０００８】
他の目的および特徴は、以下において部分的に明らかになり、部分的に指摘されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明のロボットの斜視図である。
【図２】図１のロボットの塗布器アセンブリの拡大図である。
【図３】ロボットによって導入され得る繊維束リボンの部分の斜視図である。
【図４】安定化されていない形態にあるリボンの繊維束の斜視図である。
【図５】約５０％の重ね合わせを有する繊維束リボンのレイアップの斜視図である。
【００１０】
対応する参照記号は、図面全体にわたって対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の補強システムは、パイプの内部表面上に繊維補強材（例えば、繊維束リボン）などの材料を塗布することによって、パイプを補強するのに適合される。以下に更に詳細に記述されるように、種々の種類の繊維補強材（広範囲には「材料」）が使用され得る。一般に、補強システムは、繊維補強材の供給、繊維補強材を樹脂で含浸させるための含浸器、およびパイプの内側表面上に繊維補強材を位置付けるための導入ロボットまたはロボット（例えば、図１を参照）を含み得る。一般的な方法では、パイプの内部表面は、パイプの表面に（複数）中間層もしくは（複数）コーティングをクリーニングおよび／または塗布することによって準備され得る。次いで、樹脂を染み込ませたか含浸させた繊維補強材が塗布される。樹脂の硬化後、繊維補強材は、パイプに強度の増加を与える。補強システムは、本発明の範囲から逸脱すること無く、パイプ以外の構造体（例えば、梁、柱、および他の構造体）を補強するために使用され得る。補強システムの例は、米国特許出願通し番号第１２／７０９，３８８号、公開第２０１０／０２１２８０３号に開示され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１２】
図１に示されるように、本発明の導入ロボットの実施形態は、参照番号１０によって一般に指定される。導入ロボット１０は、パイプを誘導するのに適合され、パイプの内部に繊維補強材を塗布するのに適合された塗布器アセンブリ１２を含む。以下に更に詳細に記載されるように、導入ロボット１０は、パイプの長手方向軸の同じ一般的方向に使用中に延びる回転の軸周りに回転するように構成される。ロボット１０の回転は、それをパイプの長手方向軸に沿って移動させる。従って、塗布器アセンブリ１２は、概ね螺旋状経路でパイプの内周の周りに選択的に移動され得る。塗布器アセンブリ１２は、パイプの内部周囲領域全体の周りに、重ね合わされ得る１つ以上の層で材料（例えば、繊維補強材）を塗布する。描写された実施形態では、繊維補強材は、塗布において重ね合わされ得る（例えば、図５を参照）繊維の束（図４を参照）を含むリボン（図３を参照）の形態で提供される。繊維のリボンおよび／または束（すなわち、トウまたは粗紡）は、材料のウェブと呼ばれ得る。明らかになるであろうように、（リボンなどの安定化された形態であろうと、またはゆるんだ束などの安定化されていない形態であろうと）材料のウェブの材料は、ロボット１０によって表面に塗布され得る。以下に更に詳細に記載されるように、種々の形態の繊維補強材が使用され得る。
【００１３】
一般に、導入ロボット１０は、３つのキャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを有するフレームまたはカート２０と、塗布器アセンブリ１２と、コントローラ３０と、を含む。コントローラ３０は、以下に更に詳細に記載されるように、導入ロボット１０の種々の部品にその動作を制御するために動作可能に接続され得る。３つのキャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの全ては、パイプの内部表面に係合する車輪を含む。２つのキャリッジ２０Ａ、２０Ｂは、自由に枢動可能なキャスター４０Ａ、４０Ｂの形態にある車輪を含む。第３のキャリッジ２０Ｃは、それぞれのモータ５０によって動かされる駆動車輪４０Ｃを含む。使用中、車輪４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃは、フレームがパイプ内で回転する際に、パイプの長手方向軸に沿ってフレームを移動させるために、概ね螺旋状経路でパイプの内部表面に沿って転がる。ロボット１０の回転の軸は、各キャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの車輪４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃから半径方向に内側にロボットの中心位置に概ね位置する。各キャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの多数の車輪および各キャリッジの車輪間の間隔は、ロボット１０を安定化させ、ロボットがパイプ内の継目または他の不連続点を効果的に横切ることを可能にする。例えば、継目は、通常、ＦＲＰが修理部分の端部でパイプに固定され得るように、削り取られる（掘削される）必要がある。車輪間の間隔は、補強されることになるパイプに出入りするときに継目にまたがるので、各キャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの間隔を置かれた車輪は、ロボットがこれらの継目を横断して進むことを許容する。
【００１４】
駆動車輪４０Ｃは、速度を調整するために、パイプの長手方向軸に対してまたは長手方向軸に垂直に延びる軸に対して、種々のピッチあるいは角度で選択的に位置付け可能であり、その速度で、導入ロボット１０は、それが回転する際にパイプに沿って前進する。これは、パイプ内に異なる螺旋状パターン（例えば、ロボットの連続的な回転において、繊維の重ね合わせ無し、最小限の重ね合わせ、または相当な重ね合わせ）で塗布器アセンブリ１２による繊維の塗布を可能にする。駆動車輪４０Ｃの方向付けは、以下に更に詳細に記載されるように、自動的に制御され得る。例示された実施形態では、駆動車輪４０Ｃの方向付けは、駆動車輪のベースにギア５４を係合するモータ５１および駆動チェーン５２を含む調整機構を作動させることによって変更され得、そのベース周りに駆動車輪は回転可能である。ロボット１０の駆動車輪４０Ｃまたは他の車輪４０Ａ、４０Ｂの方向付けを変更する他の駆動機構および他の手法が、本発明の範囲から逸脱すること無く、使用され得る。
【００１５】
マクロおよび／またはミクロな調整機能が、パイプの内部表面とのキャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの十分な係合を提供するためにロボット１０に組み込まれ得る。繊維補強材を必要とするパイプは、全ての形状およびサイズにおいて出現する。例えば、いくつかのパイプは、１２２ｃｍから１８３ｃｍまで（４８インチから７２インチまで）の公称直径に及ぶ。パイプは、公称サイズに違いがあるだけではなく、それらはまた、円形または長円形以外でもあり得る。フレーム２０またはキャリッジ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの１つ以上は、導入ロボット１０が、異なる公称直径パイプに適応するためのマクロな尺度上および／または一定パイプ内の不連続性に適応するためのミクロな尺度上でサイズを調整されることを許容するように調整可能であり得る。車輪４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを支持する構造は、それらが、フレーム２０から離れて延びるおよび／またはフレーム２０の方へ収縮することを可能にする機構を含み得る。マクロな調整のために、フレーム２０は、より大きなおよびより小さな公称パイプ直径のために調整される延長部分であって、そのフレームに組み込まれた延長部分を含み得る。ある例として、導入ロボット１０が、導入ロボットのフレーム２０に対して選択的に位置付け可能であるキャリッジ２０Ｂを支持するシャフト６０の形態でより大きな尺度の調整機能を含むように例示される。シャフト６０は、大幅なサイズ調整を導入ロボットに提供するように、その長さに沿って異なる位置でクランプ６２を介してフレーム２０に選択的に固定され得る。シャフト６０は、キャリッジ２０Ｂの車輪４０Ｂが、半径方向にフレーム２０から離れてまたはフレーム２０の方へ移動されることを許容する。ロボット１０はまた、ミクロな調整を提供するように適合されたデバイスを含み得る。これは、パイプの内部に対する駆動車輪４０Ｃの接触を確実にし、パイプ壁内の突出、くぼみ、および他の不連続性に適応する。例えば、ロボット１０は、パイプ内の不連続性を補償するために（例えば、約１５ｃｍ（６インチ）の範囲内で）手動でまたは自動的に調整され得る空気式ピストンを含み得る。
【００１６】
図２を参照すると、塗布器アセンブリ１２は、一般に、スプール取り付け部７０（広範囲には「繊維供給保持器」）、駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂ（広範囲には「駆動機構」）、および加圧車輪７４（広範囲には「加圧部材」）を含む。繊維Ｆのスプール７５は、スプール取り付け部７０上に示される。モータ７６は、駆動ローラ７２Ａを駆動する。リニアアクチュエータ７８は、駆動ローラ７２Ｂが駆動ローラ７２Ａに対して補強繊維を加圧するように、駆動ローラ７２Ｂを駆動ローラ７２Ａの方へおよび駆動ローラ７２Ａから離れて移動させる。リニアアクチュエータ８０は、塗布表面（すなわち、パイプの内部表面）の方へおよびその表面から離れて加圧車輪を移動させる。配列は、繊維補強材をパイプの内部表面の上で加圧し、また、（例えば、アクチュエータ８０を介して）パイプにおける偏心度に適合する加圧部材（例えば、加圧ローラ７４）の下に繊維Ｆが駆動機構（例えば、駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂ）から供給されるようになっている。配列は、有利に、スプール７５からパイプ壁への繊維Ｆのねじれを回避する。
【００１７】
ロボット１０は、ロボットの種々の機能を制御するための制御システムを含み得る。例えば、制御システムは、コントローラ１０と、種々のセンサ、例えば１つ以上の繊維張力もしくは緩みセンサ９０Ａ、９０Ｂおよび／または繊維位置センサ９２と、を含み得る。コントローラ１０は、これらのセンサ９０Ａ、９０Ｂ、９２に、また、ロボット１０の他の部品に（例えば、駆動車輪４０Ｃのモータ５０、５１、駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂ、および／またはリニアアクチュエータ７８、８０）に動作可能に接続される。コントローラ１０は、種々の手法でこれらの部品を操作するための命令を含み得る。
【００１８】
制御システムの第１の態様では、それは、内部パイプ表面の上に加圧された繊維の所望の張力を実現するために、加圧車輪７４の方への繊維Ｆの前進を調整し得る。一般に、繊維が、ほぼゼロの張力で（広範囲には「概ね張力を受けない状態で」）パイプ壁に塗布されることが望ましいであろう。張力が繊維Ｆ内にそれが塗布される際に存在する場合、それは、以前に置かれたまたは重ね合わされた繊維層をパイプの内部表面から引き離し得る。逆に、過剰な繊維Ｆが加圧車輪７４に運ばれる場合、折り目やしわが現れ得る。制御システムは、レーザーセンサ９０Ａの形態で張力センサを使用し得る。レーザーセンサ９０Ａは、駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂと加圧車輪７４との間に位置付けられ、レーザーからの繊維Ｆの距離を測定する。レーザー９０Ａからの繊維の所望の距離は、所望の繊維張力と関連付けられるように経験的に決定され得る。コントローラ１０は、レーザーセンサ９０Ａからコントローラに提供される信号によって示される検知された偏りに応じてその距離を実現するために駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂによる繊維Ｆの前進を増やすか減らすための命令を含み得る。あるいは、または加えて、制御システムは、圧力計９０Ｂの形態で張力センサを使用し得る。例示された実施形態では、圧力アーム９０Ｂ（例えば、「ダンスアーム」）は、圧力アームに繊維によって印加された圧力に基づいて繊維の張力を決定するために駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂと加圧車輪７４との間に位置付けられる。圧力アーム９０Ｂは、繊維によって圧力アームに印加された圧力に応答して移動の範囲に沿って移動する。コントローラ１０は、繊維によって印加された圧力に基づいて圧力アームから信号を受信する。コントローラ１０は、圧力アーム９０Ｂから受信された信号に応じて駆動ローラ７２Ａ、７２Ｂによって繊維の前進を増やすか減らすための命令を含み得る。従って、制御システムは、ロボット１０の周囲速度の変化に関わらず、最小限の張力のレイアップを実現するために加圧車輪７４に運ばれる繊維の量を調整し得る。
【００１９】
制御システムの別の態様では、それは、繊維Ｆがパイプの内部表面に塗布される螺旋状パターンを制御し得る。ロボット１０は、ほぼ単純なフープ（ｈｏｏｐ）巻き付け（例えば、１度より少ないオフセット）でまたは種々の度合いのオフセットでレイアップを行い得る。いくつかの要因が必要とされたフープ強度に寄与するので、ロボット１０は、塗布された繊維補強材の厚さ（すなわち、重ね合わせ）を変えるための制御システムを含み得る。修理に必要とされた厚さは、パイプの必要な負荷特性によってあらかじめ決定されることになる。車輪４０Ｃ上の更なるピッチは、ロボット１０を回転毎にパイプを更に下に進めさせ、繊維の重ね合わせを最終的により下げることになる。これは、全体的な修理をより薄く導くであろう。正反対のものは、ピッチが９０度の回転により近づくにつれ当てはまることになり、より厚い修理をもたらす。例えば、５０％の重ね合わせ、例えば図５に示されるものなどは、結果として全部で２つの層になり、またはパイプ壁に塗布された単一の繊維リボンの厚さを２倍にすることになる。６０％の重ね合わせは、結果として全部で３つの層になり、またはパイプ壁に塗布された単一の繊維リボンの厚さを３倍にすることになる。更に、７５％の重ね合わせは、結果として全部で４つの層になり、またはパイプ壁に塗布された単一の繊維リボンの厚さを４倍にすることになる。他の重ね合わせまたは重ね合わせの無いものが、本発明の範囲から逸脱すること無く、所望に応じて使用されてもよい。以下に記載されるように、種々のオフセットまたはピッチが使用され得、パイプに沿って異なる速度で繊維補強材を塗布するために自動的に制御され得る。
【００２０】
制御システムは、塗布器アセンブリ１２によって繊維の配置を監視するためにカメラまたはレーザーなどの繊維位置センサ９２を使用し得る。例えば、限定無しで、センサ９２は、ロボットの以前の回転において塗布された繊維に対して加圧車輪の後を即時に追う繊維の位置を検知し得る。コントローラ１０は、所望の概ね螺旋状パターン（例えば、一定量の重ね合わせ）が実現されることを確実にするために繊維位置を監視し得る。制御システムは、所望の重ね合わせまたは塗布ピッチに従って繊維補強材の一貫した塗布を提供するように駆動車輪４０Ｃのピッチを自動的に調整し得る。コントローラ１０は、繊維センサ９２からの信号に基づいて繊維の検知された位置に応じて駆動車輪４０Ｃの方向付けを調整し得る。
【００２１】
ロボットのアプローチはまた、材料が塗布されている際に内蔵型の品質保証を行う能力も有する。伝統的に、検査係は、巻き付けが完了した後に品質を確保する必要がある。生じる大きな欠陥は、パイプ壁からの繊維の剥離である。空隙が存在することが判断される場合、パイプが加圧されるときに破損が生じないことを確実にするために、そのスポットにエポキシが注入される必要がある。繊維位置センサ９２（または他の繊維位置センサ）は、剥離が起こったかどうかを検出するために使用され得、そうであれば、操作員は警告され得る。例えば、位置センサは、ロボットの以前の回転においてパイプの内部表面に塗布された繊維を監視するためにロボット上に位置付けられ得、それが剥離されたかどうかを決定する。
【００２２】
本発明に係る繊維補強材の塗布の自動化は、いくつかの利点をもたらす。手で塗布される、ＦＲＰの湿式レイアップは、水用パイプの強化および修理にうまく機能する。しかしながら、それは、非常に労働集約的であり、訓練されたクルーを必要とし、大直径パイプにおいてだけ機能する。ロボット１０で工程を自動化することによって、これらの懸念事の多くは減らされ得る。ロボット１０は、より長い作業時間に、また、より小さな直径のパイプにおいて、精密さが増大され、手作業の操作員よりも高速に働く能力を有する。センサ９０Ａ、９０Ｂ、９２などの内蔵センサは、工程制御のために、または後の塗布品質保証のために、制御システムにフィードバックを与えることができる。ロボット１０はまた、人間が簡単に手ではできない、安定化されていない繊維粗紡を寝かせる（ｌａｙ  ｄｏｗｎ）能力を有する。理論的には、ロボットで巻き付けられたパイプは、ロボットによる安定化されたまたは安定化されない形態で、束の配置の正確さの改善に起因して、同じ量の材料が塗布されるとき、手で巻き付けられたパイプよりも強いはずである。本明細書において呼ばれるようなロボットは、完全に自動化され得、部分的にだけ自動化され得、あるいは完全に人間の制御下にあり得る。
【００２３】
本明細書において使用される際、繊維またはＦＲＰは、安定化されようとあるいは安定化されなかろうと、炭素（例えば、炭素繊維補強ポリマー（ＣＦＲＰ））および／またはナイロン、ガラス、グラファイト、ポリアラミドなどの他の繊維、あるいは適切な材料特性を有する他の繊維を含む、種々の種類の繊維を含み得る。ＦＲＰは、耐食性であり、完全な構造上の修理を可能にする高強度および係数を有し、設計と塗布の両方において完全な材料融通性を提供する。繊維は、強度特性が塗布に適してあつらえることができるように、方向付けられ得る。修理はまた、より多くの繊維をパイプの壁に塗布することによって簡単により多くの負荷を取り扱うことに容易に適合され得る。
【００２４】
伝統的に、縫合または安定化された布が、内部のＦＲＰパイプ修理のために使用される。縫合布は、単一シートを共に形成するために縫合されたか織られた、５万までの個々の繊維からそれぞれ成る、（粗紡もしくはトウとも呼ばれる）多数の炭素繊維束から成る。束が織られる場合、それらは、２方向性またはクロスプライ布を形成する。しかしながら、ほとんどの場合、単方向性または縫合布が、一方向におけるその高強度（すなわち、一方向にだけ延びる繊維補強材）に起因して使用される。縫合布を使用することと関連付けられる難しさは、それ自体の縫い目である。縫い目は、炭素繊維における波のみならず縫い目があるところである空隙をもたらす。これは、炭素束それ自体に比べると特性における全体損失に寄与する。
【００２５】
本発明によれば、繊維補強材の安定化母材またはウェブ、例えば図３に例示されたリボン９８などが、使用され得、それは、共に安定化された繊維補強材の個々の束を含む。例えば、リボン９８は、約５ｃｍ（約２インチ）の幅Ｗを有し得る。リボンは、図４に示されるものなどの繊維１００のゆるんだ束を使用して形成される。繊維束１００は、長手方向の安定化糸１０２間にそれらを位置付けることと、横断安定化糸１０４間に（すなわち、連続した横断糸の上に、そして連続した横断糸の下に）それらを織ることとによって、安定化される。隣接する横断糸１０４間の間隔は、約０．６ｃｍから約３．８ｃｍまで（約０．２５インチから約１．５インチまで）の間にあり得る。例えば、横断糸１０４は、少なくとも約１．３ｃｍ（約０．５インチ）または少なくとも約１．６ｃｍ（約５／８インチ）だけ互いから間隔を置かれ得る。横断糸１０４は、繊維束を安定化するのに有益であるが、より多くの横断糸があるほど、それらがより不利益に繊維束の強度特性に影響を及ぼす点で、収穫低減がある。長手方向糸１０２は、それぞれの繊維束１００と概ね並列して、その繊維束１００間に延びる。横断糸１０４に塗布されるホットメルトは、それらを繊維束１００におよび長手方向糸１０２に固定する。２つの長手方向糸１０２は、リボン９８の各側端上に提供され、交互の方式で横断糸１０４間に織られる。縫合布と比較して、リボン９８は、縫い目の欠如に起因して、強度が増やされている。リボン９８は、費用効率のより高い全体的な修理を可能にする。束１００などの繊維束は、互いにおよびそれら自体にくっつけるように含浸されるとき、それらの親和性に起因して、手で真っすぐに置くことは困難である。それらを単方向リボン９８に組み込むことによる束１００の安定化は、繊維束の取り扱いと塗布を容易にする。しかしながら、本明細書に記述されるように、安定化されていない束１００のウェブなどの繊維補強材の他の形態が、本発明の範囲から逸脱すること無く、使用され得る。
【００２６】
含浸器（図示しない）は、ロボット１０上に設けられ得、繊維補強材に樹脂を投入するための機器の別個の部分として設けられ得る。樹脂は、繊維を共に接合し、複合材を封止し、繊維をパイプの壁に付着させ続ける。最適な繊維／樹脂の割合は、望ましくは、修理の全体強度の増加、繊維が壁にくっつく能力の改善、およびより少ない材料使用／費用を結果的にもたらす。ロボット１０を用いる使用のための含浸器は、樹脂計測のために制御可能なドクターブレードを有する染み込ませ用槽と、使用するロボットのための炭素繊維スプール７５またはカートリッジを作り出すための巻き込み部分と、を含み得る。含浸器とロボット１０の分離は、機器の２つの部分を互いに独立して動かすことを可能にする。しかしながら、含浸器は、ロボット１０と直列に設けられ得、および／またはロボット上に設けられ得る。スプール７５全体を通した一貫した巻き上げが望ましい。そうでない場合、樹脂含有量は、巻き上げ工程の間に内部層が外部層によってつぶされるにつれ、変化し得る。また、ＦＲＰが安定化されない場合、束は、それらが巻かれるにつれ、しわを作るような傾向があり得る。
【００２７】
ロボット１０は、繊維補強材Ｆの塗布のためにパイプを準備する際の使用のための追加デバイスを含み得る。パイプ表面は、ＦＲＰ導入の前に、適切な接合表面を準備するために高圧水を噴射され得る。しかしながら、繊維が塗布される前に、プライマー樹脂および増粘樹脂が、噴射されたパイプ壁に塗布され得る。プライマー樹脂は、増粘エポキシをコンクリート基板に接合する速硬性のエポキシである。増粘エポキシは、表面を再度滑らかにさせることに加えて、付着させるための粘着性表面を炭素繊維に与えることの両方のために使用される。表面は、水噴射動作によって表面に残された突出および除外が原因で、再度滑らかにさせられる必要があり得る。伝統的に、これらの工程のいずれも、手で行われ、プライマー樹脂は、表面の上に転がされ、増粘エポキシは、こてで塗布される。
【００２８】
図１に示されるように、ロボット１０は、プライマーおよび増粘エポキシの両方の塗布動作を自動化するための１つ以上の樹脂またはエポキシ塗布器１２０、１２２を含み得る。塗布器１２０は、プライマーを塗布するためのスプレーヘッド１２０Ａを有するスプレーデバイスであり、塗布器１２２は、増粘エポキシを塗布するための押し出し先端部１２２Ａを含む押し出しデバイスである。塗布器１２０、１２２は、プライマーおよびエポキシがリボン９８の前にパイプ壁に塗布されるように、加圧車輪７４の（進む方向に対して）前方へフレーム２０上に取り付けられる。塗布器１２０、１２２のいずれも、スプレーヘッド１２０Ａおよび押し出し先端部１２２Ａがパイプ壁から所望の間隔に維持されることを確実にするために、超音波センサなどの適切なセンサ１２０Ｃ、１２２Ｃからのフィードバックを利用するモーションスライド１２０Ｂ、１２２Ｂ上に取り付けられ得る。使い捨ての材料容器は、塗布器に樹脂を供給するためにロボット１０上に支持され得る。ロボット１０は、触媒作用を及ぼされる両方の樹脂を塗布している可能性があるので、全ての湿った部分は使い捨て可能であるべきである。これは、１時間より少ないプライマーの短いポットライフに起因してプライマーシステムに望ましい。上記制御システムは、繊維の塗布が自動化されるのと類似の手法で、内部パイプ表面を準備するために樹脂の塗布を自動化するために使用され得る。
【００２９】
発明を詳細に記載したけれども、修正や変形が、添付の特許請求の範囲に定義された発明の範囲から逸脱すること無く可能であることは明らかであろう。
【００３０】
発明の範囲から逸脱すること無く、種々の変更が上記構成や方法になされ得るので、上記に含まれるおよび添付の図面に示される全てのものは、例示的なものとして解釈されるものとし、限定する意味に解釈されるものではないことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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