(57)【要約】【課題】引張荷重等により生じるパイプ先端の変形や破損を抑制する。【解決手段】パイプ１は、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプ本体２と、樹脂にて形成された略筒状の部材であり、パイプ本体２の端部２１が挿入されて当該端部２１に固定された連結部３とを備える。連結部３は、パイプ本体２の端面２１１を覆う環状のカバー部３２と、外側面に形成されたテーパおねじ部３３とを有する。パイプ本体２が他のパイプ本体と連結される際に、テーパおねじ部３３が略筒状のカップリング５のテーパめねじ部７３と螺合される。パイプ１では、テーパおねじ部３３の先端側端部３３１よりも先に、筒状の先端突出部１１が形成され、先端突出部１１はパイプ本体２の部位を含む。先端側端部３３１近傍におけるパイプ１の全周の部位が先端突出部１１により補強され、パイプ１先端の変形や破損が抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パイプであって、
中心軸を中心とする筒状であり、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプ本体と、
前記中心軸を中心とする略筒状、かつ、樹脂にて形成された部材であり、前記パイプ本体の端部が挿入されて前記端部に固定された連結部と、
を備え、
前記連結部が、
前記パイプ本体の端面を覆う環状のカバー部と、
前記パイプ本体の前記端面よりも他方の端面側において、外側面に形成されたテーパおねじ部と、
を有し、
前記パイプ本体が他のパイプ本体と連結される際に、前記テーパおねじ部が略筒状のカップリングの内側面に設けられたテーパめねじ部と螺合されることを特徴とするパイプ。
【請求項２】
請求項１に記載のパイプであって、
前記中心軸の方向において、前記パイプ本体の前記端面と前記テーパおねじ部の先端側端部との間の距離が、前記テーパおねじ部におけるねじ山のピッチの１．５倍以上であることを特徴とするパイプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパイプであって、
前記パイプ本体の前記端部の外側面が、前記端面に向かうに従って直径が漸次減少する本体傾斜面を有し、
前記連結部の内側面が、前記カバー部に向かうに従って直径が漸次減少するとともに、前記本体傾斜面に接着される対向傾斜面を有することを特徴とするパイプ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のパイプであって、
油井における原油の汲み上げに用いられることを特徴とするパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パイプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パイプを他のパイプと連結する際に、パイプの外側面に形成されたテーパおねじ部と、略筒状のカップリングの内側面に設けられたテーパめねじ部とを螺合させる継手構造が用いられている（例えば、特許文献１参照）。また、繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）にて形成されたパイプも従来より用いられている。このようなパイプでは、外側面にテーパおねじ部を有する略筒状の連結部に、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプ本体の端部が挿入されて、連結部が当該端部に固定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公昭３７−９６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のように、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプを油井における原油の汲み上げ等に用いる場合には、多数のパイプがカップリングを介して鉛直方向に連結されるため、各パイプには非常に大きな引張荷重が作用する。このとき、パイプの一端に設けられたテーパおねじ部のねじ山が、カップリングのテーパめねじ部のねじ山により押され、パイプの中心軸側に向かう力がパイプの先端に作用する。その結果、パイプの先端の全周が中心軸側に曲げられてパイプにおける周方向の圧縮応力が増大し、パイプ先端において変形（周方向の座屈）や破損が発生することがある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、引張荷重等により生じるパイプ先端の変形や破損を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、パイプであって、中心軸を中心とする筒状であり、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプ本体と、前記中心軸を中心とする略筒状、かつ、樹脂にて形成された部材であり、前記パイプ本体の端部が挿入されて前記端部に固定された連結部とを備え、前記連結部が、前記パイプ本体の端面を覆う環状のカバー部と、前記パイプ本体の前記端面よりも他方の端面側において、外側面に形成されたテーパおねじ部とを有し、前記パイプ本体が他のパイプ本体と連結される際に、前記テーパおねじ部が略筒状のカップリングの内側面に設けられたテーパめねじ部と螺合される。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパイプであって、前記中心軸の方向において、前記パイプ本体の前記端面と前記テーパおねじ部の先端側端部との間の距離が、前記テーパおねじ部におけるねじ山のピッチの１．５倍以上である。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のパイプであって、前記パイプ本体の前記端部の外側面が、前記端面に向かうに従って直径が漸次減少する本体傾斜面を有し、前記連結部の内側面が、前記カバー部に向かうに従って直径が漸次減少するとともに、前記本体傾斜面に接着される対向傾斜面を有する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のパイプであって、油井における原油の汲み上げに用いられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、引張荷重等により生じるパイプ先端の変形や破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】パイプおよびカップリングを示す図である。
【図２】パイプおよびカップリングの断面図である。
【図３】パイプおよびカップリングを示す斜視図である。
【図４】比較例のパイプおよびカップリングの断面図である。
【図５】比較例のパイプの先端に生じる変形を説明するための図である。
【図６】パイプ先端に作用する周方向応力と延伸長さとの関係を示す図である。
【図７．Ａ】パイプを示す斜視図である。
【図７．Ｂ】比較例のパイプを示す斜視図である。
【図８】ひずみ量と締め込みトルクとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明の一の実施の形態に係るパイプ１を示す図であり、図１では、カップリング５により連結された２つのパイプ１を示している。パイプ１およびカップリング５は、中心軸Ｊ１を中心とする筒状である。パイプ１は、例えば油井における原油の汲み上げに用いられ、この場合、多数のパイプ１がカップリング５を介して鉛直方向に連結される。パイプ１は、二酸化炭素の地下貯蔵、造水、温泉、地熱発電プラント等にて用いられてもよい。
【００１３】
図２は、パイプ１およびカップリング５の断面図であり、パイプ１およびカップリング５の中心軸Ｊ１を含む断面の一部（図１中の上側に対応する部分）を示している。パイプ１は、繊維強化プラスチックにて形成されたパイプ本体２と、パイプ本体２の両端部にそれぞれ設けられる２つの連結部３（図２では、一方の連結部３のみを示している。）とを備える。２つの連結部３は同形状であるため、以下の説明では、パイプ本体２の一方の端部２１に設けられる連結部３のみに着目する。
【００１４】
連結部３は、樹脂にて形成された部材であり、中心軸Ｊ１（図１参照）を中心とする略筒状である。パイプ本体２は、中心軸Ｊ１を中心とする筒状であり、パイプ本体２の端部２１が連結部３に挿入されて、連結部３が当該端部２１に固定される。パイプ本体２の繊維強化プラスチックにおける強化繊維およびマトリックス樹脂は、周知の様々な材料を用いることが可能である。また、連結部３を形成する樹脂も周知の様々な材料を用いることが可能である。
【００１５】
連結部３は、略筒状の連結部本体３１と、連結部本体３１の先端にてパイプ本体２の端面２１１を覆う環状のカバー部３２と、連結部本体３１の外側面に形成されたテーパおねじ部３３とを有する。連結部本体３１の内側面は、カバー部３２（すなわち、パイプ本体２の端面２１１側）に向かうに従って、直径が漸次減少する傾斜面３１２を有する。パイプ本体２の端部２１の外側面も、端面２１１に向かうに従って直径が漸次減少する傾斜面２１２（以下、「本体傾斜面２１２」という。）を有し、連結部本体３１の当該傾斜面３１２は、パイプ本体２の本体傾斜面２１２に対向して本体傾斜面２１２に接着される（例えば、パイプ本体２におけるマトリックス樹脂や、連結部３を形成する樹脂にて接着される。）。以下、連結部本体３１の傾斜面３１２を「対向傾斜面３１２」という。
【００１６】
連結部本体３１の外側面も、カバー部３２に向かうに従って、直径が漸次減少する傾斜面（円錐面）であり、当該傾斜面に沿ってねじ山が形成されることによりテーパおねじ部３３が構成される。連結部３では、中心軸Ｊ１の方向（図２の横方向）において、連結部本体３１の先端のカバー部３２から、連結部本体３１の他端に向かって離れた位置にテーパおねじ部３３が設けられる。換言すると、連結部３では、パイプ本体２の端面２１１よりも他方の端面側においてテーパおねじ部３３が設けられる。図２では、テーパおねじ部３３の先端側端部３３１（すなわち、カバー部３２側の端部）と、パイプ本体２の端面２１１との間の長さ（以下、「延伸長さ」という。）を符号Ｌを付す矢印にて示している。以下、パイプ１において、テーパおねじ部３３よりも先の部位１１（すなわち、パイプ本体２の先端およびカバー部３２を含む部位）を「先端突出部１１」と呼ぶ。
【００１７】
パイプ本体２における本体傾斜面２１２は、例えばパイプ本体２となる予定の筒状の部材において端部の外側面を研削することにより形成される。パイプ本体２の端面２１１および本体傾斜面２１２では、パイプ本体２を構成する繊維強化プラスチックにおける強化繊維が露出するが、既述のように、パイプ１では、連結部３のカバー部３２および対向傾斜面３１２により端面２１１および本体傾斜面２１２がそれぞれ覆われるため、パイプ１内を流れる流体による強化繊維の劣化や、強化繊維とマトリックス樹脂との剥離等が防止される。なお、パイプ本体２における内側面側の部位では、一定の厚さにてマトリックス樹脂が存在して耐食層が形成される。
【００１８】
カップリング５は、繊維強化プラスチックにて形成されたカップリング本体６と、樹脂にて形成された部材であり、中心軸Ｊ１を中心とする略筒状の連結部７とを備える。連結部７は、中心軸Ｊ１を中心とする略筒状のカップリング本体６の内側面に設けられる。連結部７は略筒状の連結部本体７１を有し、中心軸Ｊ１の方向（図２の横方向）における連結部本体７１の各端部の内側面にはテーパめねじ部７３が形成される。カップリング本体６の繊維強化プラスチックにおける強化繊維およびマトリックス樹脂は、周知の様々な材料を用いることが可能である。また、連結部７を形成する樹脂も周知の様々な材料を用いることが可能である。
【００１９】
パイプ１を他のパイプ１と連結する、すなわち、パイプ本体２を他のパイプ本体２と連結する際には、パイプ本体２の一の端部２１におけるテーパおねじ部３３が、カップリング５の内側面に設けられた一方のテーパめねじ部７３と螺合され、他のパイプ本体２の一の端部２１におけるテーパおねじ部３３が、カップリング５の他方のテーパめねじ部７３に螺合される。このとき、図３に示すように、パイプ１におけるテーパおねじ部３３よりも先端側の部位である先端突出部１１が、テーパめねじ部７３内に挿入された後に、テーパおねじ部３３がテーパめねじ部７３に対して締め込まれる。換言すると、先端突出部１１により、パイプ１の中心軸とカップリング５の中心軸とをおよそ一致させるガイド機能が実現され、テーパおねじ部３３の締め込み作業を容易に行うことが可能となる。また、先端突出部１１の存在により、テーパおねじ部３３がカップリング５に勢いよく衝突してテーパおねじ部３３が破損することが防止される。なお、テーパおねじ部３３のテーパめねじ部７３に対する締め込みは相対的なものであり、パイプ１およびカップリング５のいずれを回転させてもよい。
【００２０】
図４は、比較例のパイプ９およびカップリング５の断面図であり、パイプ９およびカップリング５の中心軸を含む断面を示している。比較例のパイプ９では、中心軸に垂直な方向（図４の縦方向）において、テーパおねじ部９２の先端側端部９２１がパイプ本体９１と重ならない位置に配置される。換言すると、先端側端部９２１がカバー部９３と重なる位置に配置される。他の構成は、図２のパイプ１と同様である。
【００２１】
ここで、多数の比較例のパイプ９がカップリング５を介して鉛直方向に連結された場合には、各パイプ９には非常に大きな引張荷重が作用する。このとき、比較例のパイプ９の一端に設けられたテーパおねじ部９２のねじ山が、カップリング５のテーパめねじ部７３のねじ山により押され、パイプ９の端部における全周の部位において中心軸側（図４中に示すパイプ９の部位では下側）に向かう力が作用する。その結果、図５に示すように、テーパおねじ部９２の先端側端部９２１近傍におけるパイプ９の全周の部位が中心軸側に曲がり、当該部位における周方向の圧縮応力が増大する。この場合、パイプ９先端の変形（周方向の座屈）や破損が発生し、パイプ９の内部を流れる流体がパイプ９先端近傍から漏れ出す虞がある（すなわち、シール性が低下する。）。
【００２２】
これに対し、図２のパイプ１では、テーパおねじ部３３が、パイプ本体２の端面２１１よりも他方の端面側に設けられ、テーパおねじ部３３の先端側端部３３１よりも先に、比較的長い先端突出部１１が形成される。これにより、先端側端部３３１近傍におけるパイプ１の全周の部位が筒状の先端突出部１１により補強され、パイプ１において引張荷重が作用した際に、当該部位の中心軸Ｊ１側への曲がり（当該部位のひずみ）が抑制されて、先端側端部３３１近傍の部位における周方向の圧縮応力が、比較例のパイプ９に比べて低減する。その結果、パイプ１先端の変形（周方向の座屈）や破損を抑制することができ、パイプ１先端近傍からの流体の漏れの発生を防止することができる。なお、比較例のパイプ９では、先端側端部９２１近傍に生じる曲げ荷重の全てが先端側端部９２１近傍の部位にて受けられるが、パイプ１では、当該曲げ荷重が、先端突出部１１の各部位にて分担されていると捉えることができる。
【００２３】
ところで、比較例のパイプ９において、パイプ本体９１の端面を覆うカバー部９３の厚さ（中心軸方向の長さであり、図４中の横方向の長さである。）を大きくすることにより、テーパおねじ部９２の先端側端部９２１よりも先端側に筒状の先端突出部を形成することが考えられる。しかしながら、この場合、当該先端突出部が樹脂のみにて形成されるため、先端突出部自体の強度をあまり高くすることができない。これに対し、図２のパイプ１では、先端突出部１１が、繊維強化プラスチックにて形成されるパイプ本体２の部位を含む。これにより、先端突出部１１の強度を高くすることができ、パイプ１先端の変形や破損をより確実に抑制することが可能となる。
【００２４】
ここで、テーパおねじ部３３の先端側端部３３１とパイプ本体２の端面２１１との間の延伸長さＬ（図２参照）と、パイプ１およびカップリング５に所定の引張荷重を負荷した際にパイプ１の先端に生じる応力との関係について述べる。図６は、パイプ先端に生じる周方向応力と延伸長さＬとの関係を示す図である。図６の縦軸は、複数通りの延伸長さＬのそれぞれにおける周方向応力σＬと延伸長さＬが０である場合の周方向応力σ０との応力比率（σＬ／σ０）を示し、横軸は、延伸長さＬをテーパおねじ部３３におけるねじ山のピッチにて割った値を示す。なお、パイプ１の内径は６０ｍｍ、外径（端部２１を除く。）は７７ｍｍである。
【００２５】
図６から、延伸長さＬがテーパおねじ部３３におけるねじ山のピッチの１．５倍以上である場合には、応力比率（σＬ／σ０）が０．６近傍にて一定となることが判る。したがって、パイプ１先端の変形や破損をより確実に抑制するには、中心軸Ｊ１の方向において、テーパおねじ部３３の先端側端部３３１とパイプ本体２の端面２１１との間の距離（すなわち、延伸長さＬ）がテーパおねじ部３３におけるねじ山のピッチの１．５倍以上であることが好ましい。
【００２６】
例えば、米国石油協会（American Petroleum Institute）では、単位長さ当たりのねじ山の個数は規格にて決まっており、パイプの外径が２インチ（５０．８ミリメートル（ｍｍ））よりも小さい場合は、パイプの中心軸方向の長さ１インチ当たりのねじ山の個数は１０であり、パイプの外径が２インチ以上である場合は、中心軸方向の長さ１インチ当たりのねじ山の個数は８である。上記パイプ１は米国石油協会の規格に従ったものであり、外径が７７ｍｍであるため、中心軸方向の長さ１インチ当たりのねじ山の個数は８である。したがって、パイプの外径が２インチ以上である場合は、ねじ山のピッチは上記パイプ１と同じであり、同様に、延伸長さＬをねじ山のピッチの１．５倍以上とすることが好ましいといえる。実際には、中心軸を中心とする各角度位置でのパイプ本体２および連結部３の断面形状（すなわち、図２のように中心軸を境界とする片側の断面形状）は、パイプの外径がいずれのサイズであってもおよそ同じであるため、パイプのサイズを問わず、延伸長さＬがねじ山のピッチの１．５倍以上であることが好ましいといえる。なお、パイプ１の取り扱いの容易性の観点では、延伸長さＬがテーパおねじ部３３におけるねじ山のピッチの１０倍以下であることが好ましい。
【００２７】
次に、実際の使用環境を考慮して、２つのパイプをカップリングを介して連結した状態で（図１参照）、カップリングおよびパイプにシート状のヒータを巻いて内側面が１００℃となるように加熱しつつ、これらの連結部材に対して１７３キロニュートン（ｋＮ）の引張荷重を負荷し、その後、パイプ先端における変形等の有無を確認した。比較例のパイプ９を用いる場合には、パイプ先端において中心軸方向に伸びる割れ（いわゆる、縦割れ）が発生したが、先端突出部１１を有するパイプ１を用いる場合には、パイプ先端に変形や破損は発生しなかった。
【００２８】
また、高温の流体がパイプの内部を流れ、カップリングが外気により冷却される場合、テーパおねじ部の熱膨張がカップリングのテーパめねじ部により制限されるため、パイプ先端（テーパおねじ部の先端側端部近傍）に周方向の圧縮応力（熱応力）が生じる。このような場合でも、先端突出部１１を有するパイプ１では、パイプ先端の変形や破損が抑制される。
【００２９】
図４の比較例のパイプ９では、テーパおねじ部９２をカップリング５のテーパめねじ部７３に強く締め込んだ場合も、パイプ９先端において変形や破損が発生することがある。そこで、パイプ１および比較例のパイプ９のそれぞれのカップリング５への締め込みトルクと、パイプ１，９先端に生じるひずみ量との関係について述べる。ここでは、図７．Ａおよび図７．Ｂに示すように、パイプ１および比較例のパイプ９のそれぞれの先端近傍における内側面において、パイプの中心軸を中心とする９０度間隔の４個の位置（図７．Ａおよび図７．Ｂにおいて符号Ｇを付す矢印にて示す位置であり、正確には、先端から５ｍｍの位置）にひずみゲージを取り付けた。そして、カップリング５をパイプレンチにて固定しつつ、パイプ１および比較例のパイプ９をトルクレンチにて回転させて複数通りの締め込みトルクにて締め込みを行った際の４個のひずみゲージにおけるひずみ量を測定した。なお、上記と同様に、パイプ１および比較例のパイプ９の内径は６０ｍｍ、外径（端部を除く。）は７７ｍｍである。
【００３０】
図８は、４個のひずみゲージにおけるひずみ量の平均値と、トルクレンチによる締め込みトルクとの関係を示す図である。図８では、パイプ１におけるひずみ量を符号Ａ１を付す線にて示し、比較例のパイプ９におけるひずみ量を符号Ａ２を付す線にて示している。図８より、パイプ１および比較例のパイプ９に同じ値の締め込みトルクを作用させた際に、パイプ１では比較例のパイプ９よりもひずみ量が小さくなる（すなわち、応力が小さくなる）ことが判る。したがって、パイプ１では、カップリング５との締め込みにより生じるパイプ先端の変形や破損を、比較例のパイプ９よりも抑制することができるといえる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００３２】
連結部３の内側面は、一定の直径であってもよく、この場合、一定の外径であるパイプ本体２の端部２１が連結部３に挿入されて連結部３が当該端部２１に固定される。一方、図２のように、パイプ本体２の端部２１に設けられる本体傾斜面２１２と、連結部３の内側面に設けられる対向傾斜面３１２とが接着されるパイプ１では、連結部３を薄くしつつテーパおねじ部３３を設けることが容易に可能となる。
【００３３】
パイプ１は、油井における原油の汲み上げと同様に、高温高圧の環境下にて用いられ、かつ、高い耐腐食性が求められる用途に特に適しているが、もちろん、上記環境下以外にて用いられてもよい。
【００３４】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００３５】
１    パイプ
２    パイプ本体
３    連結部
５    カップリング
２１    端部
３２    カバー部
３３    テーパおねじ部
７３    テーパめねじ部
２１１    端面
２１２    本体傾斜面
３１２    対向傾斜面
３３１    先端側端部
Ｊ１    中心軸
Ｌ    延伸長さ
【図１】
2013204743.tif 000003
【図２】
2013204743.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
2013204743.tif 000008
【図３】
2013204743.tif 000009
【図７．Ａ】
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【図７．Ｂ】
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