(57)【要約】      （修正有）【課題】FRP管の接着継手に関し、適用最小径が25mmから最大が3m径で、耐圧力が最大100MPaの高圧継手を提供する。【解決手段】接合面は１/１６テーパをつけて、漏水液が接する全ての面に樹脂のみによる耐食層を積層、さらに、管本体の最内面の積層は周方向長繊維を積層、少なくとも約10％以上の樹脂単体伸びを持つ樹脂を使用して管を使用、必要な場合はせん断補強ピンを使用することで問題を解決した。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧FRP管用の接着による継ぎ手であって、ソケット部と差込管部の接合面が、互いに非接触で平行または接触状態であって、差込口から勾配1/8以上を持ち、1/32以下のテーパで接合面を形成して、管内面液体と接触する面には、樹脂のみとなる耐食層を0.1mm以上2mm以下設け、接合面を構成する樹脂は管耐食層使用樹脂の破断伸びと同等または大きい樹脂で構成したことを特徴とするFRP管継手。
【請求項２】
高圧FRP管用の接着による継ぎ手であって、ソケット部と差込管部の接合面が、互いに非接触で平行または接触状態であって、差込口から勾配1/8以上を持ち、１/32以下のテーパで接合面を形成して、ソケット部または差込管部のどちらか一方に、差込口近くと最終部にゴムリングシールまたはシールが可能なU型パッキンなどを収納する2つの凹型の部を有して、シール部材を用いて、間合部に接着樹脂を塗り、差込時に接着部の空気を排出し、接着樹脂による圧力を発生させて硬化させることを目的とする管接合構造。
【請求項３】
高圧FRP管用の接着による継ぎ手であって、ソケット部と差込管部の接合面が、互いに非接触で平行または接触状態であって、差込口から勾配1/8以上を持ち、１/32以下のテーパで接合面を形成して、ソケット部または差込管部のどちらか一方に、差込口近くと最終部にゴムリングシールまたはシールが可能なU型パッキンなどを収納する2つの凹型の部を有して、シール部材を用いて、差込後に接着部の空気を排出するためと、接着樹脂をソケット外面中央部に注入するために小穴を1つまたは複数個開けて、穴より空気の排出と樹脂の注入を行い、樹脂を硬化させる大型管用の継ぎ手構造。
【請求項４】
高圧FRP管用の接着による継ぎ手であって、ソケット部と差込管部の接合面が、互いに非接触で平行または接触状態であって、差込口から勾配1/8以上を持ち、１/32以下のテーパで接合面を形成して、ソケット部または差込管部のどちらか一方に、差込口近くと最終部にゴムリングシールまたはシールが可能なU型パッキンなどを収納する2つの凹型の部を有して、シール部材を用いて、差込後に管の内部または外部から、穴を開けて樹脂を圧入後、管穴とピンの間にシール効果のある精密なテーパまたはストレートのスラストピンを打ち込み、これを繰り返して必要数量を打設、さらに必要によっては、管の間合接着部の空気を排出するためと、接着樹脂を追加注入させるため、穴を開けて穴より空気の排出と樹脂の注入を行い、樹脂を硬化させる超大型管用継ぎ手構造。
【請求項５】
高圧FRP管用の接着による上記１〜４に示す継ぎ手部構造を有して、他方に一体成形してなるフランジと接合することにより、管の高圧フランジとすることを特徴とする高圧管フランジの構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
深い井戸や長距離配管に必要な高圧管用途のガラス繊維強化プラスチック（FRP）材料からなる、管の接続継ぎ手に関する構造。
【背景技術】
【０００２】
従来の油田用高圧管は、約2−3/8インチなど小径管が25MPaで１ｍ径の大きな管が5MPa程度の耐圧であった。しかし要求仕様は、浅い油層の石油枯渇対策から高温水を油層に注水加熱する、高温の深層地下から採油するなどで、従来想定していた適用仕様が一段と高圧・高温の傾向となった。最近は、油層の加熱（140℃が加熱例）がより生産収率向上につながる報告が影響して、油層加熱のために150℃以上200℃に至る耐熱性管の需要が生まれた。さらに新規需要は、5000ｍ級の深層からのガス生産など従来に想定しなかった高温・高圧管の需要も生まれた。しかし、従来の耐蝕金属管（15％クロム鋼のステンレス管など）を使用しても、電気腐蝕には耐えられず、硫化水素・炭酸ガスなど耐酸性の耐蝕FRP管の開発が待ち望まれた。本発明はこの高圧耐蝕FRP管で最も重要である継ぎ手に関しての発明であり、小径管では100MPa、3.5m大径で40MPaまで耐える継ぎ手を発明した。
【０００３】
管継ぎ手の構造を説明するには、図1に示す 管継ぎ手は軸対象であるため、２次元モデルABCD断面図で表現でき、接着長さをLとする。（１）は管で（２）は継手管である。  図 2は、断面ABCDの接着長さLを長くしても必ずしも管継ぎ手強度向上にはならないとの解説図である。図2は対数表示で縦軸が接着面の平均せん断応力、横軸が接着長さを示す。シングルラップジョイントを例にした同一条件の試験体を用いた、管体軸引っ張り（ASTM D2105)の推定試験結果、切り出し試験片試験（クーポン試験：ASTM  D2506）結果、水圧試験（ASTM  D1792）結果の特性を示した。それぞれの接着長さと平均せん断応力値が異なる結果となる。これは荷重を加えると接着両端部に応力集中して集中部からの破壊の進展で接合部が破断するためである。よって、有効接着長さを超えた接着は強度向上にはならないことを示している。すなわち、シングルラップと呼ばれる図の継ぎ手は母材である管と同じ強度で接合することが困難であることを示す。
【０００４】
FRP材料の欠点は、基本的には異種材料からなることから、ミクロな異種間の界面に発生するノッチ（欠陥）によるクラック（剥離）が存在する。樹脂材は等方性材料で塑性変形しないためガラス板と同じくノッチ傷から亀裂破壊が成長する性質がある。図3は、ノッチがある場合にはノッチ（傷口）に応力集中して約7〜10倍弱くなるのが一般である試験結果を示す。FRPは、樹脂中に多数のガラス繊維が内在する。すなわち、欠陥傷（ノッチ）が多数含まれる。さらに、強化層はガラス含有率が約Vol.50％であり、樹脂中には変形しないガラス繊維が半分存在する。この状態での複合材としての挙動は、ガラス繊維との界面のせん断破壊から始まることは周知であり、この界面破壊時に破壊音が伴うため、サウンドクラックと呼んでいる。このクラックは界面破壊に過ぎず、体積変化を伴わない。しかし、変形が生じる。ガラス繊維との界面で応力集中する微小な箇所で破壊が発生して、そしてその破壊はガラス繊維に及ばず、繊維表面の剥離で応力開放、構造材であるガラス繊維は小変形で安定する。耐食層の場合は樹脂量がVol.80〜99％で、樹脂の変形が強化層に比べれば容易である。この樹脂には少量のガラス繊維含有ノッチが存在する。すなわち、その挙動は樹脂の変形でノッチに応力集中が働き、樹脂過多積層からノッチのクラックが伝播して成長する。図3は、1つのノッチが存在する場合のモデルで、この場合の破壊は、ガラス板に傷を入れて、ガラスを切る（割る）挙動と同じく、ノッチで発生するクラックは成長する。基本的にはガラス繊維が多い強化層と少ない耐食層は発生するノッチクラックの成長が異なるが、発生のメカニズムは同じであることは周知である。
さらに、一方向強化繊維と樹脂との界面で生じる界面クラックについて解析と試験した結果は繊維方向に比べて非繊維方向（直角方向）が初期クラックの発生（許容伸び）が小さいことが判明、繊維方向と許容クラック伸度の関係は、繊維方向＞傾斜方向＞直角方向の順でその差は約30％にもなる。以上の複合材の基本的な挙動から軸対象の管の設計は、強化層と耐食層の2層構造により、強化層で発生する成長しない多発クラックから漏水を防止するために、より大きな変形に強く微小クラックの発生しにくい内面耐食層を採用。管の継ぎ手には同様に管内面の液と接触する面には全て耐食層を設けることが必要。
【０００５】
図4は、2種の高圧FRP管継ぎ手に生じるせん断応力を示す。図の上部に示す継手構造から、左がシングルラップの継手の接合部のせん断応力、接合面長さを管厚Tの20倍まで延長した場合の継手の引張強度を示した。右はスカーフラップ形式の構造を持つ継手の同様な特性を示した。何れも最大せん断応力は同じであるが、応力分布は異なる。これらの管の用途は、ダウンホールチュービング、ケーシング、ラインパイプの3種類である。2つの異なった継ぎ手の構造は、共通して管厚の約10倍までの接合部長さ以上は、強度向上に無関係であることを示す。図の中段にそれぞれ示すLの長さとせん断応力分布の変化から明らかなように、シングルラップの特性は分布面積がスカーフラップの合計面積を下回る。さらに何れも最大面積管厚の約10倍が限界である。シングルラップジョイントで接着端部にはせん断応力が集中するため、軸方向の引張り力は接着長さが管厚さの10倍が有効強度となり、スカーフラップのそれに比べて40％程度と強度が低い。スカーフラップも同様に、両端にせん断応力ピークが出るが、極端に集中しないため、母材強度に近い接着強度が得られる。有効な接着長さは、同様に管厚さの約8倍であることを示す試験結果。スカーフラップが理想的な構造と判明するが、通常、接着端面は理想の薄肉には出来ないことと、接着面には、永久接合と繰り返し開放を必要とするねじ込み接合があるため、必要接着面積の長さは接着面テーパで1/16が理論的に最適と見なせるために、1/16を共通の接合面テーパとする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】下左近峻志、西野義則、他著  「遠心成形法によるGPI規格FRP高圧管」第５回日本複合材料会議（JCCM‐5）２０１４年３月６日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図6はFRP管に内在する（１）（２）強化繊維とその界面から発生する樹脂のノッチクラックを介した内面からの染み出し漏水を防止するための管端面構造を示す。内面に加わる圧力Pは（３）（４）のガラス繊維を含有しない耐食層をすべての管内面に防水層として形成することが必要であることを示す。特に、管の端部からのガラス繊維界面を介した漏水防止は絶対条件である。管の破壊は内部からの漏水でもって破壊と定義されることから、この耐食層の積層は極めて重要である。
【０００８】
さらに、耐食層のノッチクラックがガラス繊維の破断伸びまで許容すると、FRP管に特有の漏水破壊がなくなる。すなわち、強化繊維の破壊前に漏水が起こらない。これは有効な強化繊維の使用効率の向上を意味し、結果として漏水しない管となり、高圧管が誕生する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これには、ガラス繊維の破断伸びが約2.5％であることから、約2.5％までノッチクラックが発生しない耐食樹脂を開発することである。一般的には耐食性や耐熱性、短時間硬化の必要性から、適用する樹脂は、不飽和ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂などがある。しかし、これらの一般的な樹脂はいずれも許容伸びが3〜6％程度である。ノッチクラックが発生しない許容伸びの高い樹脂の開発とクラックが発生しにくい複合積層条件の解明を行った。
【００１０】
ガラス繊維を補強材とする場合のノッチクラックが発生しない、必要樹脂の伸び試験を行った結果、一般的には18％の樹脂単体の許容伸びを持つ樹脂であれば、ガラス繊維の破断前にせん断ノッチクラックが働かないことを突き止めた。
【００１１】
さらに、管最内面の積層強化繊維は周方向に配列することで、ノッチクラックの成長を約40％減少させる効果があることを突き止めた。この発明は従来の耐食層の基本（PS-15-69アメリカのFRP耐食層設計基準）の考え方が誤っていることを証明した。従来の考えでは最内面は5％以内のガラス繊維含有の樹脂層0.5mm以下に、多方性切断ガラス繊維25％以下を内装する層（ランダムガラス繊維）を2mm以下積層して、その後に強化層を形成することが求められていたが、試験結果から一方向配向積層が最もノッチクラックの発生と成長防止がはかられることが判明、従来積層では18％樹脂伸びが必要であったものが、約12％程度まで許容伸び低下でも、ノッチクラック防止の漏水防止がはかられることが判明した。
【発明の効果】
【００１２】
その結果は、図7中、（１）管の強化層、（２）継手管の強化層、（３）管の内面耐食層、（４）継手管の内面耐食層、（５）管外面の接合面の耐食層、にそれぞれ示す。接合部の境界線は1/16テーパを有し、接合面には（１０）の接着剤が塗布された構造により、漏水を伴わない100MPa高圧管の接合接着継手が得られる。一方、接着継手のせん断力は、ねじ付締め付け継手と比較してネジ面を介した締め込み力によって作用する接着面での加圧による摩擦力がない。したがって、ねじ継手に比べて約30％程度強度は低下する。すなわち、図７に示すテーパ接着継手は約150mm以下の小径管に適する
【００１３】
テーパ接着継手の特徴は、ねじ継手に比べて強度は劣るが、作業性が極めて良い。ねじ込が不要であるばかりか、衝撃押し込みすればその時点で管の連結ができる。
【００１４】
一方、テーパ継手の欠点は、接合面の精度が必要なことである。この接合面を得るための機械加工などが、品質不良を招く恐れがある。さらに、強度不足を解決する大口径管の接着継手に関しては、接合面への樹脂の均一注入や巨大管などの機械加工が困難な継手に関しての対策が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１はFRP管の継ぎ手部。管の接続部を示し、軸対象構造からABCD断面で継ぎ手構造が表現できる。
【図２】図２は各種技術標準による試験法における平均せん断応力と有効接着長さの関係。（実施例１）
【図３】図３は欠陥（ノッチ）のある弾性破壊材料の強度劣化特性。FRP材料の基本破壊メカニズムは、ノッチからの亀裂の伝播である。ノッチがあれば、許容伸び、強度が著しく劣化する。
【図４】図４は接合部の構造によるせん断応力の集中と分散特性。左はシングルラップ継ぎ手で右がスカーフ継ぎ手である。（実施例２）
【図５】図５は接着継ぎ手の有効接着長さとテーパ1/16。（実施例３）
【図６】図６は耐食層が防水機能。（実施例４）
【図７】図７は小型管の接着継ぎ手。（１）管の（３）内面同様に（１０）接着面にも（５）耐食層を積層した管と、（２）継手の内面にも同様の（４）耐食層を積層してなる1/16テーパの接着継手を示す。
【図８】図８は図7と基本構造が同じであるが、接着面両端に（９）グローブを（８）短繊維からなるFRP層に設けて、接合部に接着樹脂を塗布して、管をメカニズムにより引き込み、接合面の気泡を無くし、高圧樹脂層を形成して樹脂を硬化させることで大型管の接着継手をなす。
【図９】図９は図８と同じ積層構造の継手を用いて、更なる大型の管を接続させる事を示す。（実施例５）
【図１０】図１０は図９の施工後の強度不足を補強するために、接合部に垂直に加工穴を必要多数設けて、（１４）FRP製のせん断ピンを打ち込み、せん断強度を向上させる大型高圧管の接合継手を示す。
【図１１】図１１は別に成形してなるフランジ部材を管端部に図7、8、9、10の方法により取り付けることにより、大型高圧FRPフランジの製作を可能とするフランジ構造。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図8は、機械加工が困難な大きな管の接合法について示した。前記同様に（１）管の内面には（３）耐食層を持ち、端部と接合面にも（５）耐食層を持つ。（２）継手管の（８）加工可能な多方向性の切断ガラス繊維など含有する積層内面に（９）グローブを前後2か所持った1/16テーパの（４）耐食層を設ける。耐食層の厚みは約1mm程度である。（１０）の接合区間には、表面サンディングとプライマー処理した接着剤の封入を（９）のゴムリングシールによる接合区間にワイヤーロープなど機械的な引き込みにより接合樹脂が高圧を保持しながら均一な接着を行う。
【００１７】
図９はさらに大きな管の場合、図8と同じ構造であるが新たに（１２）真空ポンプによる接合部の脱気と（１３）圧力注入樹脂タンクからの（１０）接合部への加圧注入を（１１）弁の切り替えで実行することで、接合部の脱泡を可能とし、目的の継手一体化と防水を行う。対象となるのは径が約0.5m以上で3m以下の管である。この特徴は、継手の機械加工が不要で、精度も比較的緩くても、品質確保ができる点にある。
【００１８】
図10は、図9の継手においてまず、（１９）のエポキシやウレタン、またはポリエステルなど接着樹脂と（２０）の硬化剤を（２１）押し込みブレードにより矢印方向に押し込むことで、（１９）（２０）の2液が（１６）の（１８）2液ブレンドスクリュによりブレンドしながら（１０）の接着層に樹脂注入することで硬化する。接着層の接着強度の不足となる時は、樹脂の硬化後に接合面に垂直に穴開け加工して、FRP製の（１４）せん断ピンを（１５）ハンマーで多数打設することにより、高圧管としての高強度の継手を構築する。この（１４）せん断ピンを多数用いる補強により、従来では困難であった約3m径もの高圧大型管の継手が得られる。
【００１９】
図11は、高圧FRP管のフランジ構造である。フランジと管との接続は2種類ある。管の外側からの接合と管の内側からの接合である。何れのフランジも連続繊維の積層による作られたフランジであり、必要十分な強度があるフランジを用いる。フランジの接続ネジ穴は（２８）で接続面のゴムリングの溝が（２５）である。ここで、（２８）のボルトの過剰締め付けによるフランジの破壊防止のために（２７）の当たり部を設ける。接続部（２３）と管とは上記（７）（８）（９）（１０）に示す構造で接続する。フランジには（２６）の補強板なども設けることができる。
【実施例１】
【００２０】
図２の実施例は、同じ試験物であっても国際標準のASTM試験方法の異なった試験法の選択による試験結果が異なる値を示す。これは平均せん断応力評価の強度評価は接着長さを長くしても継ぎ手強度が向上しないことから過ちである。すなわち、接着強度には有効接着長さが存在する。
【実施例２】
【００２１】
図４の実施例は、スカーフ継ぎ手が応力集中と分散で母材強度に最も近い強度が得られる。何れも有効接着長さは肉厚の8倍である。
【実施例３】
【００２２】
図５の実施例は、接着部の応力集中が緩和できるスカーフタイプで、力学的最適接着長さが管厚の8倍であるが、実際上加工可能なテーパ先端の管肉厚は管厚の約30％が限界であることなどから、接着長さは管厚の8〜16倍が適正。
【実施例４】
【００２３】
図６の実施例では、強化層は樹脂表面ではないため、ガラス繊維界面で漏水する。管の内面液体接触面には耐食層が必要。
【実施例５】
【００２４】
図９の実施例では、図８の施工後、硬化前に（１２）真空ポンプで接合部を脱気、2液ブレンドノズルを用いて高圧注入して、樹脂を硬化させる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
NBL標準の管継ぎ手はテーパ1/16であり、図5は、その基本構造を示す。管接合部の長さは、管厚の8倍とする。管のガラス繊維との2次接着面のせん断強度は、接着樹脂内に存在するガラス繊維が樹脂に対して不純物の存在と見なせる。すなわち、単一材料に対する不純物の欠陥劣化が作用する。この欠陥劣化はノッチと呼び、ノッチに応力集中が作用して母材強度劣化を生じる。ノッチから亀裂が成長しない許容強度は一般的には樹脂母材強度の約10％で強度を負担するのが繊維であるため、樹脂の持つ防水性などの破壊は許容伸びで表示される。よって、最大軸方向強度は有効接着面積（管厚の8倍＊径）に許容せん断応力を掛けた値となる。結果として、1/16のテーパがなす面積と許容樹脂強度のせん断応力の積は、管母材とほぼ等しくなるため、1/16テーパはFRP管の継ぎ手の基本条件となる。
【符号の説明】
【００２６】
MPa  メガパスカル（物理単位）。
ASTM D2105    管体の軸方向強度を試験するアメリカ技術標準試験規格。
ASTM D2506    試験片を切り出した試験片の破壊試験を行うアメリカ技術標準試験規格。
ASTM D1792    管を閉塞して密閉管として内圧荷重を加えて破壊試験を行うアメリカ技術標準試験規格。
PS-15-69    アメリカ標準規格耐食FRPの積層基準。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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