(57)【要約】本発明による金属管は、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列された複数の凸部を内周面に備える。レイノルズ数が変化することによりストリーク構造やヘアピン渦のスケールが変化しても、そのストリークやヘアピン渦がいずれかの凸部に合致する。したがって、広いレイノルズ数範囲で流体摩擦を低減できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列された複数の凸部を内周面に備えることを特徴とする金属管。
【請求項２】
請求項１に記載の金属管であって、
前記複数の凸部を含む内周面の横断方向の算術平均粗さが１〜１００μｍであることを特徴とする金属管。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の金属管であって、
前記横断方向における複数の凸部の高さ及び間隔が不規則であることを特徴とする金属管。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の金属管であって、
前記凸部の前記軸方向の長さが、前記金属管の内径の０．０３倍以上であることを特徴とする金属管。
【請求項５】
素管の一端をダイスに挿入する工程と、
複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列される複数の凸部を表面に備えた円筒部を有するプラグを前記素管内に挿入する工程と、
前記ダイスと前記プラグとを固定したまま前記素管を引き抜く工程とを備えることを特徴とする金属管の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の金属管の製造方法であって、
前記円筒部の表面における横断方向の算術平均粗さが１〜１００μｍであることを特徴とする金属管の製造方法。
【請求項７】
金属板の主面を長手方向に研削して、複数の異なる高さを有し長手方向に伸びる複数の凸部を前記主面に形成する工程と、
前記金属板の主面が内周面となるように、前記金属板の長手方向の両端面同士を溶接する工程とを備えることを特徴とする金属管の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の溶接管の製造方法であって、
前記複数の凸部を主面に形成する工程では、前記主面の横断方向の算術平均粗さを１〜１００μｍにすることを特徴とする金属管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水、石油、空気、天然ガス等の流体を輸送するための金属管及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、油井、ガス井、又は地熱井に用いられる金属管及び金属管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラインパイプや油井管に代表される金属管に石油やガス等の流体を流すとき、流体摩擦によるエネルギ損失が発生する。ラインパイプの流体摩擦を低減できれば輸送動力を低減でき、かつ、輸送効率を向上できる。特に、油井、ガス井又は地熱井に用いられる金属管の流体摩擦を低減できれば油やガスや蒸気等の流体の生産性を向上でき、さらに従来よりも小径の金属管を利用することで掘削コストを低減できる。【０００３】
管の流体摩擦の低減策として、複数の凹凸を内周面に有する管が提案されている。特開平１１−１９０４７１号公報（以下、特許文献１という）は、複数の窪みや突起を内周面に形成した管や、複数の溝を内周面に形成した管を開示している。特許文献１では、これらの内周面の形状が、管の内心部を流れる高速な流体と管壁面近傍を流れる低速な流体との境界に多数の渦を発生させ、流体摩擦を低減するとしている。しかし、渦の発生はエネルギ損失を大きくし、逆に流体摩擦を増大させると考えられる。【０００４】
特開２０００−９７２１１号公報（以下、特許文献２という）は、管軸方向に伸びた複数のリブレットを有するシートを内周面に接着した金属管を開示している。ここで、複数のリブレットとは、同じ高さ及び同じ形状を有し、等間隔に配列された複数の凸部のことをいう。特許文献２では、式（１）で示されるリブレットの無次元高さｈ＋を１〜２０としている。
【数１】
2006088138.tif 000002
【０００５】
ここで、ｈはリブレットの高さ（ｍ）、Ｕｒは摩擦速度（ｍ／ｓ）、νは流体の動粘性係数（ｍ２／ｓ）である。【０００６】
さらに、特許文献２では、リブレットの横断面形状が三角形である場合、リブレットの頂点間の距離ｓが以下の式（２）を満たすとしている。【０００７】
ｈ／ｓ＝０．７５〜１．２５  （２）【０００８】
しかしながら、上述のリブレットは、所定のレイノルズ数範囲の流れに対しては流体摩擦を低減できるものの、所定のレイノルズ数範囲を逸脱するレイノルズ数の流れに対しては流体摩擦を低減できないばかりか逆に流体摩擦を増加する。以下、詳細を説明する。【０００９】
一般に、摩擦速度Ｕｒは以下の式（３）で示される。
【数２】
2006088138.tif 000003
【００１０】
ここで、ρは流体の密度（ｋｇ／ｍ３）である。また、τｗは壁面剪断応力（Ｎ／ｍ２）であり、以下の式（４）で示される。
【数３】
2006088138.tif 000004
【００１１】
ここで、Ｄは管内径（ｍ）、△Ｐ／Ｌは単位管長当たりの圧力損失（Ｐａ／ｍ）、λは管摩擦係数（無次元）、Ｕｍは管内平均流速（ｍ／ｓ）である。【００１２】
式（１）、（３）及び（４）より、リブレットの高さｈは以下の式（５）で示される。
【数４】
2006088138.tif 000005
【００１３】
ここで、Ｒｅはレイノルズ数（無次元）であり、以下の式（６）で示される。【００１４】
Ｒｅ＝ＵｍＤ／ν  （６）【００１５】
一方、距離ｓは式（２）及び（５）より、以下の式（７）で示される。
【数５】
2006088138.tif 000006
【００１６】
式（５）及び式（７）より、特許文献２のリブレットの高さｈ及び距離ｓはレイノルズ数Ｒｅと、管摩擦係数λと、管径Ｄとに依存する。一般に管摩擦係数λはレイノルズ数Ｒｅの関数であるため、リブレットの高さｈ及び距離ｓはレイノルズ数Ｒｅ及び管径Ｄに依存する。【００１７】
したがって、特許文献２のリブレットは、設計時に想定されたレイノルズ数（想定レイノルズ数と称する）範囲においては流体摩擦を低減できるものの、想定レイノルズ数範囲を逸脱すると流体摩擦を低減できないばかりか逆に流体摩擦を増加する。油井やガス井や蒸気井においては、井戸の噴出特性や噴出流体の成分は経年変化するため、時間の経過に伴って井戸内の流動レイノルズ数Ｒｅは変化する。したがって、当初の井戸の噴出特性及び噴出流体成分を基にしたレイノルズ数範囲で設計したリブレットを有する金属管では、時間の経過とともにレイノルズ数が想定レイノルズ数範囲からずれれば、リブレットの効果が得られない可能性がある。【００１８】
要するに、特許文献２の管は、想定レイノルズ数範囲の流れに対してのみ流体摩擦を低減し、想定レイノルズ数範囲を逸脱すると流体摩擦を低減できないばかりか逆に流体摩擦を増加する。【００１９】
また、特許文献２の管では、リブレットが管とは別のシート上に形成され、そのシートが管の内周面に接着される。このようなシートを管の内周面に精度よく接着するのは困難であるため、特許文献２の管を容易に製造することは難しい。また、シートは柔軟性を有する有機素材又は金属箔であるため、リブレットの耐久性に問題がある。【００２０】
また、非特許文献として、以下の２つの文献がある。【００２１】
［非特許文献１］Sirovich, L. And Karlsson, S.: Turbulent drag reduction by passive mechanisums, Nature, Vol. 388(1997), 753.【００２２】
［非特許文献２］Walsh, M. J. And Weinstein, L. M.: Drag and Heat Transfer with Small Longitudinal Fins, AIAA Paper, 78-1161(1978).
【発明の開示】
【００２３】
本発明の目的は、広いレイノルズ数範囲で流体摩擦を低減できる金属管を提供することである。
【００２４】
本発明者らは、リブレットによる流体摩擦低減機構を調査検討した結果、以下のことを知見した。
【００２５】
流体の乱流摩擦は、固体壁近傍における渦構造に起因する。すなわち、管内を流体が流れるとき、管の内周面近傍では、管軸方向に伸びた高速ストリークと低速ストリークとが周方向に交互に配列されるストリーク構造が形成される。ストリーク構造内の低速ストリークの一部にヘアピン渦が発生し、ヘアピン渦の頭は下流に行くにしたがい持ち上がり、管内周面から離れる。これに伴い低速ストリームも管内周面から剥離し、激しく乱れ、ヘアピン渦とともに崩壊するため、ストリーク構造は周方向及び半径方向に蛇行する。この渦構造の崩壊及びストリークの蛇行によりエネルギ損失が発生するため、流体の乱流摩擦が生じる。
【００２６】
管内周面にリブレットのような複数の凸部が形成されている場合、凸部の形状寸法がストリーク構造及びヘアピン渦のスケールに合致すると、凸部によりヘアピン渦の発生及び崩壊やストリークの蛇行が抑制される。そのため、エネルギ損失が抑制され、流体の乱流摩擦が低減する。
【００２７】
一般に、隣接する低速ストリーク間の距離（以下、ストリーク間距離と称する）Ｗ＋（摩擦速度と動粘性係数とにより無次元）及びヘアピン渦の直径ｄ＋（摩擦速度と動粘性係数とにより無次元）はレイノルズ数に応じて異なる。具体的には、レイノルズ数が大きいほどストリーク間距離Ｗ＋は狭く、ヘアピン渦の直径ｄ＋は小さくなる。
【００２８】
上述のとおり、高さ及び間隔が一定である複数のリブレットは、それに合致したヘアピン渦の発生及び崩壊やストリークの蛇行しか抑制できない。したがって、このようなリブレットは、所定のレイノルズ数範囲を逸脱した流れに対しては、ストリーク構造やヘアピン渦のスケールがリブレット寸法に合致しないため流体摩擦を低減できないばかりでなく流体摩擦を増加する。
【００２９】
そこで本発明者らは、複数の異なる高さを有する複数の凸部を周方向に配列させることで、広いレイノルズ数範囲において流体摩擦を低減できるのではないかと考えた。流体の流れる方向に伸びた複数の異なる高さを有する複数の凸部を有する面では、流れが変化してレイノルズ数が変わることによりストリーク構造やヘアピン渦のスケールが変化しても、そのストリークやヘアピン渦がいずれかの凸部に合致できる。したがって、複数の異なる高さを有する複数の凸部は、広いレイノルズ数範囲で流体摩擦を低減できる。
【００３０】
上記検討に基づき後述の試験（実施例１〜実施例３）を行った結果、本発明者は、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列された複数の凸部を内周面に備えた金属管は、広いレイノルズ数範囲で流体摩擦を低減できることを知見した。
【００３１】
以上の知見に基づいて、本発明者らは以下の発明を完成させた。
【００３２】
本発明による金属管は、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列された複数の凸部を内周面に備える。
【００３３】
本発明による金属管の内周面に配列された複数の凸部は、複数の異なる高さを有する。このため、レイノルズ数が変化することによりストリーク構造やヘアピン渦のスケールが変化しても、そのストリークやヘアピン渦がいずれかの凸部に合致する。したがって、複数の異なる高さを有する複数の凸部は、複数の異なるレイノルズ数に対して流体摩擦を低減できる。
【００３４】
複数の凸部を含む内周面の横断方向の算術平均粗さが１〜１００μｍであることが好ましい。ここで、算術平均粗さ（Ｒａ）はＪＩＳ  Ｂ０６０１に基づいて求められる。平均粗さを１〜１００μｍにすれば、広いレイノルズ数範囲で流体摩擦を有効に低減でき、特に、１０４以上のレイノルズ数範囲で特に有効である。また、横断面における複数の凸部の高さ及び間隔が不規則であることが好ましい。さらに、凸部の軸方向の長さが、金属管の内径の０．０３倍以上であることが好ましい。この場合、凸部の長さが流体摩擦の原因となるヘアピン渦の発生から崩壊までに必要な距離以上になるため、ヘアピン渦の発生及び崩壊を抑制し、流体摩擦を低減できる。
【００３５】
本発明による金属管の製造方法は、素管の一端をダイスに挿入する工程と、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列される複数の凸部を表面に備えた円筒部を有するプラグを素管内に挿入する工程と、ダイスとプラグとを固定したまま素管を引き抜く工程とを備える。
【００３６】
本発明による金属管の製造方法では、表面に複数の凸部を備えたプラグで引き抜くことにより、複数の異なる高さを有する複数の凸部を金属管の内周面に容易に形成できる。そのため、複数の異なる高さを有する複数の凸部を内周面に備えた金属管を容易に製造できる。また、シート等の金属管と別の素材に凸部を形成するのではなく、金属管自体に凸部を形成する。そのため、凸部の耐久性を高く維持できる。
【００３７】
円筒部の表面の横断方向の算術平均粗さは１〜１００μｍであることが好ましい。この場合、製造された金属管の内周面の横断方向の算術平均粗さを１〜１００μｍにできる。これにより、製造された金属管は広いレイノルズ数範囲で、特に１０４以上のレイノルズ数で流体摩擦を有効に低減できる。
【００３８】
また、本発明による金属管の製造方法は、金属板の主面を長手方向に研削して、複数の異なる高さを有し長手方向に伸びる複数の凸部を主面に形成する工程と、金属板の主面が内周面となるように、金属板の長手方向の両端面同士を溶接する工程とを備える。
【００３９】
本発明による金属管の製造方法では、金属板の主面を研削すれば複数の異なる高さを有する複数の凸部を金属板の主面に容易に形成できる。そのため、複数の異なる高さを有する複数の凸部を内周面に備えた金属管を容易に製造できる。また、凸部は、溶接管と別の素材（たとえばシート等）に形成されるのではなく、溶接管自体に形成される。そのため、凸部の耐久性を高く維持できる。この場合においても、複数の凸部を主面に形成する工程は、主面の横断方向の算術平均粗さを１〜１００μｍにすることが好ましい。この場合、製造された溶接管の内周面における横断方向の算術平均粗さを１〜１００μｍにできる。そのため、製造された溶接管は広いレイノルズ数範囲で、特に１０４以上のレイノルズ数範囲で流体摩擦を有効に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態による金属管の斜視図である。
【図２】図１に示した金属管の内周面の一部を示す斜視図である。
【図３】図１に示した金属管の内周面における横断方向の寸法形状を示す図である。
【図４】図３に示した形状と異なる寸法形状を示す図である。
【図５】冷間引抜による金属管の製造方法の第１工程を示す図である。
【図６】冷間引抜による金属管の製造方法の第２工程を示す図である。
【図７】冷間引抜に用いるプラグの斜視図である。
【図８】冷間引抜による金属管の製造方法の第３工程を示す図である。
【図９】冷間引抜による金属管の製造方法の第４工程を示す図である。
【図１０】溶接管の製造方法の第１工程を示す図である。
【図１１】溶接管の製造方法の第２工程を示す図である。
【図１２】実施例１及び２で用いる試験装置の構成を示す図である。
【図１３】図１２の試験装置中の試験ダクトの横断面図である。
【図１４】本発明材の管摩擦係数とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図１５】本発明材の摩擦低減率とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図１６】リブレットを備えた金属板の管摩擦係数とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図１７】本発明材の管摩擦低減率と算術平均粗さとの関係を示す図である。
【図１８】本発明材及び比較材における井戸口圧力と生産量との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。【００４２】
１．金属管の形状【００４３】
図１は本発明の実施の形態による金属管である。金属管１は複数の凸部５０を内周面に備える。図２に金属管１の内周面の一部を拡大して示す。図２における複数の凸部５０は、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸びるとともに周方向に配列される。なお、複数の凸部間における周方向の間隔は同一である必要はない。すなわち、複数の凸部５０は複数の異なる周方向間隔を有する。【００４４】
図３は金属管１の内周面の横断方向における複数の凸部５０の断面形状を表面粗さ測定機で測定した一例である。図３中の縦軸は凸部の高さを、横軸は横断方向の距離を示す。図３から分かるように、複数の凸部５０の高さ及び隣接する凸部間の距離（間隔）は不規則であり、凸部５０の形状も不規則である。【００４５】
このように、金属管の内周面に複数の異なる高さを有する凸部を形成すれば、ストリーク構造やヘアピン渦のスケールが、レイノルズ数の変化に応じて変化しても、いずれかの凸部に合致する。これにより、ストリーク構造の蛇行やヘアピン渦の発生及び崩壊が抑制され、流体摩擦を低減できる。したがって、広いレイノルズ数範囲において流体摩擦を低減できる。【００４６】
複数の凸部を含む内周面の横断方向の算術平均粗さ（Ｒａ）は、１〜１００μｍであるのが好ましい。算術平均粗さをこの範囲にすれば、内周面の複数の凸部が有する複数の異なる高さが、１０４以上のレイノルズ数Ｒｅの流れで発生するストリーク構造やヘアピン渦のスケールに合致する。そのため、１０４以上のレイノルズ数Ｒｅの流れにおいて、流体摩擦を有効に低減できる。特に、レイノルズ数Ｒｅ＝１０４〜１０７の範囲でより有効であり、レイノルズ数Ｒｅ＝１０４〜１０６の範囲でより一層有効である。【００４７】
算術平均粗さが１〜１００μｍであれば、凸部の形状はとくに制限されない。たとえば、金属管１の内周面の横断方向における複数の凸部が図４に示すような形状であってもよい。さらに、通常よく使用される１０５〜１０６オーダのレイノルズ数範囲において流体摩擦を有効に低減するには算術平均粗さが、６〜７０μｍであることが好ましい。【００４８】
各凸部５０の軸方向の長さ（以下、凸部長さと称する）は金属管１の内径の０．０３倍以上が好ましい。以下、凸部長さについて詳細を説明する。【００４９】
上述の通り、ストリーク構造の蛇行やヘアピン渦の発生から崩壊までは、所定距離（以下、サイクル距離と称する）で繰り返される。したがって、凸部長さがサイクル距離以上であれば、１つのストリーク構造の蛇行やヘアピン渦の一生（発生から崩壊まで）が抑制されるため、エネルギ損失を抑制でき、流体摩擦を低減できる。【００５０】
一般に、無次元化されたサイクル距離Ｘ＋は１０００と言われている。  凸部長さＸは以下の式（８）で示される。
【数６】
2006088138.tif 000007
【００５１】
ここで、Ｄは金属管１の内径（ｍ）である。管摩擦係数λは、簡単のため式（９）に示すブラジウスの式で定義する。
【数７】
2006088138.tif 000008
【００５２】
式（８）及び（９）より、Ｘ／Ｄは以下の式（１０）となる。
【数８】
2006088138.tif 000009
【００５３】
ストリーク構造の蛇行やヘアピン渦の発生から崩壊は繰り返されるが、その蛇行位置位置、発生及び崩壊位置は特定できない。今、この繰り返しが連続して発生すると仮定する。この連続した複数のサイクルのうち９０％以上を抑制するためには、凸部長さをサイクル長さＸの１０倍以上にするのが好ましい。【００５４】
したがって、好ましい凸部長さＸ１０は式（１１）で示される。
【数９】
2006088138.tif 000010
【００５５】
金属管を油井管やラインパイプとして使用する場合、通常使用される流れのレイノルズ数Ｒｅは１０４〜１０７程度であるので、各レイノルズ数における好ましい凸部長さＸ１０は、式（１１）より以下の表１に示すとおりになる。
【表１】
2006088138.tif 000011
【００５６】
以上より、凸部長さＸ１０は、金属管の内径Ｄの０．０３倍以上が好ましい。この場合、特に１０７以上のレイノルズ数Ｒｅに対して有効である。さらに好ましくは、凸部長さＸ１０は内径Ｄの０．３倍以上が好ましい。この場合、１０６以上のレイノルズ数Ｒｅに対して特に有効である。さらに好ましくは、凸部長さＸ１０は内径Ｄの２倍以上がよく、１０５以上のレイノルズ数Ｒｅに対して特に有効である。最も好ましい凸部長さＸ１０は、内径Ｄの１６倍以上であり、この場合、１０４以上の広いレイノルズ数Ｒｅに対して特に有効である。【００５７】
なお、金属管１に形成された凸部長さが上記凸部長さＸ１０より短くても、流体摩擦の低減効果をある程度得ることができる。【００５８】
図１〜図４では、高さの異なる複数の凸部５０を不規則に配列したが、高さの異なる複数の凸部を規則的に配列してもよい。また、各凸部５０が互いに異なる高さを有さず、いくつかの凸部５０が同じ高さを有していてもよい。要するに、複数の異なる高さを有する複数の凸部を内周面に備えた金属管であれば、本発明の効果を得ることができる。また、各凸部の高さが軸方向に向かって変化してもよい。【００５９】
凸部５０は軸方向に伸びているが、軸方向に平行に伸びていなくてもよい。凸部５０が軸方向に対して螺旋状に伸びていてもよい。軸方向に対する凸部５０の長さ方向の傾きが３０°以内であれば、本発明の効果を有効に得ることができる。【００６０】
また、金属管１の内周面全体に異なる高さの複数の凸部５０が形成されていなくてもよい。たとえば、後述するように金属管１を溶接により製造した場合、内周面のうち継目部に相当する部分には凸部５０が形成されないが、このような金属管１（溶接管）でも本発明の効果を得ることができる。要するに、金属管１の内周面の一部に異なる高さの複数の凸部５０を形成すれば、本発明の効果をある程度得ることができる。【００６１】
金属管１の化学組成は特に制限されない。炭素鋼であっても、低合金鋼であってもよい。腐食性や壊食性を有する流体を金属管１内に流す場合、金属管１の素材は、高耐食性、高壊食性を有する高合金鋼や熱処理鋼が好ましい。腐食等により凸部５０が消失するのを防止できるからである。【００６２】
２．製造方法【００６３】
上述した金属管１の製造方法として、複数の凸部を有するプラグを用いて素管に冷間引抜を実施する方法と、金属板の主面を研削して複数の凸部を形成した後、金属板を溶接管にする方法とがある。以下、詳細を説明する。【００６４】
［冷間引抜方法］【００６５】
初めに、冷間引抜する素管（金属管）を準備する。素管はたとえば熱間加工により製造される。穿孔及び圧延することにより素管を製造してもよいし、熱間鍛造により製造してもよい。素管は継目無管であっても溶接管であってもよい。【００６６】
準備した素管に冷間引抜を実施する。初めに、酸洗いにより素管の外周面及び内周面に付着したスケールを除去する。スケールを除去した後、図５に示すように、素管２の先端部２１を口絞り加工する。続いて、図６に示すように、素管２の先端部２１をドローベンチ（図示せず）に固定されたダイス３に挿入する。挿入後、ダイス３の出側から抜け出た先端部２１をドローベンチのチャック３０で掴み、固定する。【００６７】
続いて、棹６の先端にプラグ１０を固定し、素管２内にプラグ１０を引抜方向に向かって挿入する。【００６８】
プラグ１０の円筒部１１は、図７に示すように、複数の異なる高さを有し、軸方向に伸び、周方向に配列された複数の凸部５１を表面に備える。円筒部１１の横断方向の表面形状は図３や図４と同様であり、複数の凸部５１の高さ及び間隔（隣接する凸部５１間の距離）は不規則である。凸部５１を含む円筒部表面の横断方向の算術平均粗さは１〜１００μｍであることが好ましい。【００６９】
続いて、チャック３０で固定された素管２をダイス３に通しながら引っ張る。具体的には、図８及び図９に示すように、ダイス３及びプラグ１０を固定しながら、素管２を引き抜く。引抜中、素管２の内周面は円筒部１１の表面と接触するため、円筒部１１の表面の凸部５１が転写され、複数の異なる高さの複数の凸部５０が素管２の内周面に軸方向に沿って形成される。以上の工程により金属管１が製造される。【００７０】
表面に複数の凸部５１を備えたプラグ１０で素管２を引き抜くことにより、金属管１を容易に製造できるため、製造工程が煩雑にならない。また、シート等の金属管１と別の素材で凸部５０を形成するのではなく、金属管１自体に凸部５０を形成するため、凸部５０の耐久性を高くできる。【００７１】
なお、本実施の形態ではプラグ１０を円筒型としたが、テーパ型であってもよい。【００７２】
［研削方法］【００７３】
初めに、熱間又は冷間等により加工した金属板を準備する。図１０に示すように、準備した金属板４の主面４２をベルトサンダ等で長手方向に研削し、長手方向に伸びた複数の異なる高さを有する複数の凸部５０を主面４２に形成する。このとき、ベルトサンダの砥粒の番手は、金属板及び砥粒の材質等により異なるが、２０００番〜８番のものを使用すれば、主面の横断方向の算術平均粗さを１〜１００μｍにすることができる。また、砥粒の番手を１００番〜１０番にすれば、算術平均粗さを６〜７０μｍにできる。砥粒の材質はアルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガーネット等である。【００７４】
続いて、金属板４の主面４２を内周面とする金属管１を製造する。具体的には、金属板４をプレス成形等の曲げ加工により筒状（オープンパイプ）にする。このとき、金属板の主面がオープンパイプの内周面となるように、かつ、金属板４の長手方向が管軸方向となるように曲げ加工する。続いて、図１１に示すように、オープンパイプの継ぎ目部、つまり、金属板４の長手方向の両端面４１を溶接し、金属管１を製造する。【００７５】
図１１では、給電子６０と溶接ロール７０とを用いて電縫溶接法により両端面４１を溶接しているが。他の方法により溶接してもよい。たとえば、誘導コイルを用いて溶接してもよいし、レーザ溶接により溶接してもよい。【００７６】
以上より、金属板４の主面４２を研削すれば複数の異なる高さを有する複数の凸部５０を金属板の主面に容易に形成できるため、金属管１を容易に製造でき、製造工程が煩雑にならない。また、シート等の金属管１と別の素材で凸部５０を形成するのではなく、溶接管１自体に凸部５０を形成するため、凸部５０の耐久性を高くできる。【００７７】
なお、本実施の形態では、ベルトサンダにより金属板４の主面４２を研削したが、他の研削装置により研削してもよい。たとえば、グラインダやサンダで研削してもよいし、バイトによる切削でもよい。ロール圧延により凸部を転写してもよい。
【実施例１】
【００７８】
同じ高さ及び間隔を有する複数の同形状の凸部成形面（すなわち複数のリブレット）と、複数の異なる高さを有する複数の凸部成形面とで、流体摩擦の低減効果を調査した。【００７９】
表２に示す表面粗さを有する各金属板をそれぞれ２枚づつ準備した。
【表２】
2006088138.tif 000012
【００８０】
試験番号１は、本発明による異なる高さを有し長手方向に伸びた複数の凸部を主面に備えた金属板であり、その主面の横断方向の形状は図３に示すとおりであった。算術平均粗さは５．８μｍであった。試験番号２も本発明による異なる高さを有し、長手方向に伸びた複数の凸部を主面に備えた金属板であり、その主面の横断方向の形状は図４に示すとおりであった。算術平均粗さは１４．９μｍであった。算術平均粗さ（Ｒａ）はＪＩＳ  Ｂ０６０１に基づいて算出した。【００８１】
試験番号３〜５は比較材であり、いずれも長手方向に伸びた複数の三角リブレットを表面に備えた金属板であり、凸部の高さ及び間隔はそれぞれ表２に示す通りであった。【００８２】
試験番号６及び７も比較材であり、通常の油井管やラインパイプの内面と同等な等方性粗さを主面に有する金属板とした。試験番号６は、主面の長手方向及び幅方向の算術平均粗さが試験番号１と同等の５．８μｍであり、試験番号７は、主面の長手方向及び幅方向の算術平均粗さが試験番号２と同等の１４．９μｍであった。【００８３】
各金属板は、長さを４０００ｍｍ、幅を１００ｍｍ、厚さを１ｍｍとした。試験番号１及び２の凸部は金属板の主面を長手方向に沿ってベルトサンダで研削することにより形成した。試験番号３〜５のリブレットはそのリブレットと同じ形状の凹部を表面に有する圧延用ロールで金属板を圧延することにより形成した。試験番号５及び６は、熱間圧延したままの金属板の主面の酸化スケールをアルミナショットにより脱スケールして形成した。【００８４】
各試験番号の金属板における流体摩擦の低減効果を図１２に示す試験装置１００を用いて調査した。【００８５】
試験装置１００は長さ４０００ｍｍの試験ダクト２００と、吸引装置２０１と、流量測定ダクト２０３とを備えている。試験ダクト２００は、流量測定ダクト２０３にバルブＶ２を介して接続され、流量測定ダクト２０３は吸引装置２０１にオリフィス流量計ＯＲ１を介して接続された。【００８６】
吸引装置２０１は並列に接続された２台の吸引ブロア（図示せず）を備え、各吸引ブロアの公称吸引圧力は−５４ｋＰａであり、吸引量は１５ｍ３／ｍｉｎであり、容量は１７ｋＷであった。【００８７】
試験ダクト２００の横断面図を図１３に示す。試験ダクト２００は、アルミニウム地板２１２とアルミニウム天板２１１を側壁部材２１３及び２１４を介して複数のボルト２１５で固定し、横断面が矩形の通路２１０を内部に形成した。なお、アルミニウム地板２１２及びアルミニウム天板２１１と側壁部材２１３及び２１４との間をＯリングによりシールすることにより、周辺空気の通路２１０への漏入を防止した。通路２１０の天井及び床には、表２の各試験番号の２枚の金属板２２０がそれぞれ貼付された。具体的には、２枚の金属板２２０はその主面が対向するように、かつ、主面に形成された凸部（又はリブレット）が流体の流れる方向に沿うように貼付された。【００８８】
大気吸引口１０５から流入する流体（空気）の乱れを減衰させ、定常状態の流れで試験するため、試験ダクト２００のうち大気吸引口１０５からバルブＶ１に向かって２２５０ｍｍの区間を助走区間とした。【００８９】
助走区間の終端部からバルブＶ１に向かって５００ｍｍ間隔で１ｍｍ径の圧力測定用のタップ孔ｔ１〜ｔ４を形成した。タップ孔ｔ１及びｔ３に差圧計ＤＰ１を、タップ孔ｔ２及びｔ４に差圧計ＤＰ２を設置して圧力損失を測定した。したがって、各差圧計ＤＰ１及びＤＰ２の圧力損失測定区間は１０００ｍｍであった。また、タップｔ１には圧力計Ｐ１を、タップｔ２には圧力計Ｐ２を設置し、通路２１０内の圧力を測定した。流量は流量測定ダクト２０３の端部に設置されたオリフィス流量計ＯＲ１で測定した。【００９０】
試験装置１００はさらに、圧力計Ｐ０、湿度計Ｈ０、温度計Ｔ０及びＴ１を備えた。これらの計測機器により試験時の流体（空気）の圧力、湿度及び温度を測定し、流体の物性値（密度及び粘度）を補正した。【００９１】
なお、表２に示す各金属板の評価試験に先立ち、試験装置１００による評価の妥当性を検証するために、流体力学的に平滑とみなせる冷間圧延ステンレス鋼板を試験ダクト２００の矩形通路２１０の天井及び床に貼付して予備実験を行った。その結果、平滑なステンレス鋼板の管摩擦係数λとレイノルズ数Ｒｅとの関係が、流体力学的に滑らかなムーディー線図に一致したため、流体摩擦係数低減効果の評価装置として妥当であると判断した。【００９２】
上述した試験装置１００の試験ダクト２００に各試験番号の金属板を貼付し、吸引流量（吸引流速Ｖｍ）を変化させて、試験ダクト２００の圧力損失を測定し、式（１２）及び（１３）により管摩擦係数λ及びレイノルズ数Ｒｅを求めた。
【数１０】
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【００９３】
ここで、Ｐ１（Ｐａ）は圧力計Ｐ１又はＰ２で測定された圧力（上流圧力）である。△Ｐ（Ｐａ）は差圧計ＤＰ１又はＤＰ２で測定された圧力損失である。Ｌ（ｍ）は圧力損失測定区間である。Ｖm（ｍ／ｓ）は平均流速である。Ｖm１（ｍ／ｓ）はＰ１（Ｐａ）を測定する位置における平均流速である。ρ（ｋｇ／ｍ３）は密度であり、μ（Ｐａ・ｓ）は粘度である。【００９４】
また、Ｄh（ｍ）は水力平均径であり、以下の式（１４）で求めた。【００９５】
Ｄｈ＝２Ｗ×Ｈ／(Ｗ＋Ｈ)  （１４）【００９６】
ここで、Ｗ（ｍ）は矩形ダクト２１０の幅であり、Ｈ（ｍ）は矩形ダクト２１０の高さである。【００９７】
試験結果を図１４〜図１６に示す。【００９８】
図１４において、「○」印のプロットは試験番号１の管摩擦係数λ１を示し、「△」印のプロットは試験番号２の管摩擦係数λ２を示す。管摩擦係数λ１及びλ２は、１０４以上の広いレイノルズ数Ｒｅ範囲で、流体力学的に滑らかな壁面の管摩擦係数λｈｓと同じ、又はそれ以下になった。また、試験番号６の管摩擦係数λ６は、いずれのレイノルズ数Ｒｅにおいても試験番号１の管摩擦係数λ１よりも高かった。また、試験番号７の管摩擦係数λ７も、いずれのレイノルズ数Ｒｅにおいても試験番号２の管摩擦係数λ２よりも高かった。【００９９】
図１５に試験番号１及び２の摩擦低減率Ｒｆとレイノルズ数Ｒｅとの関係を示す。ここで、摩擦低減率Ｒｆは、本発明材（試験番号１及び２）が、同じ算術平均粗さを有し、かつ、等方性の表面粗さを有する比較材に比べて、どの程度流体摩擦を低減できたかを示す指標である。摩擦低減率Ｒｆ（％）は以下の式（１５）で求めた。【０１００】
Ｒｆ＝（λｉ−λｐ）／λｐ×１００  （１５）【０１０１】
ここで、λｉは本発明材の管摩擦係数であり、λｐは本発明材と同じ算術平均粗さ（ただし、等方性の粗さ）を有する比較材の管摩擦係数である。試験番号１の摩擦低減率Ｒｆ１は、λｉを試験番号１の管摩擦係数λ１とし、λｐを試験番号６の管摩擦係数λ６として求めた。試験番号２の摩擦低減率Ｒｆ２は、λｉを試験番号２の管摩擦係数λ２とし、λｐを試験番号７の管摩擦係数λ７として求めた。【０１０２】
図１５より、１０４以上のレイノルズ数Ｒｅにおいて、摩擦低減率Ｒｆ１及びＲｆ２は０％よりも小さくなった。つまり、試験番号１及び２の金属板は、同じ算術平均粗さを有し、かつ、等方性の表面粗さを有する金属板よりも流体摩擦を低減できた。【０１０３】
一方、図１６より、試験番号３〜５の金属板の管摩擦係数λ３〜λ５は、所定のレイノルズ数Ｒｅ範囲では流体力学的に滑らかな壁面の管摩擦係数λｈｓよりも低くなったものの、所定のレイノルズ範囲と異なるレイノルズ数Ｒｅ範囲では管摩擦係数λｈｓよりも高くなった。具体的には、試験番号３の管摩擦係数λ３は、１．２×１０４以下及び１．２×１０５以上のレイノルズ数Ｒｅ範囲で管摩擦係数λｈｓよりも高くなった。試験番号４の管摩擦係数λ４は、６×１０４よりも小さいレイノルズ数Ｒｅ範囲及び５×１０５よりも大きいレイノルズ数Ｒｅ範囲で管摩擦係数λｈｓよりも高くなった。試験番号５の管摩擦係数λ５は、１．６×１０５以下及び９×１０５以上のレイノルズ数Ｒｅ範囲で管摩擦係数λｈｓよりも高くなった。【０１０４】
以上より、本発明材である試験番号１及び２の金属板は、リブレットを有する試験番号３〜５の金属板よりも広いレイノルズ数Ｒｅ範囲で流体摩擦を低減できた。また、同じ算術平均粗さを有し、かつ、等方性の表面粗さを有する金属板（試験番号６及び７）よりも流体摩擦を低減できた。
【実施例２】
【０１０５】
複数の異なる高さを有し、長手方向に伸びた複数の凸部を主面に備えた金属板において、表面の横断方向の算術平均粗さと流体摩擦の低減効果との関係を調査した。【０１０６】
実施例１と同じ寸法の金属板の主面を長手方向に沿ってベルトサンダで研削し、複数の異なる高さを有し、長手方向に伸びた複数の凸部を主面に備えた複数の金属板を作製した。このとき、ベルトサンダの砥粒の番手を変えることにより主面の横断方向における算術平均粗さが異なる複数の金属板を作製した。作製した複数の金属板の算術平均粗さの範囲は０．８〜１２０μｍであった。算術平均粗さ（Ｒａ）はＪＩＳ  Ｂ０６０１に基づいて算出した。なお、実施例１と同様に、同じ算術平均粗さの金属板をそれぞれ２枚づつ準備した。以下、これらの金属板を本発明材と称する。【０１０７】
また、金属板の主面を等方的に研削し、等方性の粗さを表面に有し、その算術平均粗さを本発明材と同じにした金属板もそれぞれ２枚づつ準備した。以下、これらの金属板を比較材と称する。【０１０８】
要するに、同じ算術平均粗さを有する本発明材と比較材とを準備した。【０１０９】
作製した本発明材及び比較材に対して実施例１と同様の試験を実施し、管摩擦係数λを求めた。さらに、同じ平均粗さの比較材の管摩擦係数λｐと本発明材の管摩擦係数λｉより、摩擦低減率Ｒｆ（％）を式（１５）により求めた。【０１１０】
調査結果を図１７に示す。図１７の横軸は本発明材の算術平均粗さであり、縦軸は摩擦低減率Ｒｆである。図中、「○」印を結ぶ曲線Ｃ１０はレイノルズ数Ｒｅ＝２×１０４の場合の摩擦低減率Ｒｆであり、「△」印を結ぶ曲線Ｃ２０はレイノルズ数Ｒｅ＝１×１０５の場合の摩擦低減率Ｒｆであり、「□」印を結ぶ曲線Ｃ３０はレイノルズ数Ｒｅ＝６×１０５の場合の摩擦低減率Ｒｆである。【０１１１】
図１７より、本発明材の算術平均粗さが１〜１００μｍであれば、摩擦低減率Ｒｆが０％よりも小さくなり、流体摩擦を低減できた。さらに、本発明材の平均粗さが６〜７０μｍであれば、通常よく使用される１０５〜１０６オーダのレイノルズ数範囲において流体摩擦低減率Ｒｆが−１０％以下となった。【０１１２】
なお、レイノルズ数範囲Ｒｅが１０５オーダの場合（曲線Ｃ３０）、摩擦低減率Ｒｆの曲線は、平均粗さＲａが約１０μｍを頂点とした下に凸の曲線となり、本発明材の平均粗さＲａを２．５〜７０μｍにすれば摩擦低減率Ｒｆを−１０％以下にでき、平均粗さＲａを４〜４０μｍにすれば摩擦低減率Ｒｆを−２０％以下にでき、平均粗さＲａを６〜１８μｍにすれば摩擦低減率Ｒｆを−３０％以下にできることがわかった。【０１１３】
また、レイノルズ数Ｒｅが１０４オーダの場合（曲線Ｃ１０）、摩擦低減率Ｒｆの曲線は、平均粗さＲａが２０〜４０μｍを頂点とする下に凸の曲線となり、本発明材の平均粗さＲａを１７〜８０μｍにすれば摩擦低減率Ｒｆを−１０％以下にすることができた。
【実施例３】
【０１１４】
従来の１３Ｃｒ鋼管と、本発明による複数の異なる高さを有し、軸方向に伸びた複数の凸部を内周面に備えた金属管とをそれぞれ天然ガス井に適用した場合の流体（天然ガス）の生産量及び井戸口圧力をシミュレーションにより求めた。【０１１５】
［シミュレーション前提条件］【０１１６】
ガス井は表３に示す条件とした。また、ガスは表４に示す成分とした。
【表３】
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【表４】
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【０１１７】
ガス井に使用する金属管は、表５に示す２種類とした。
【表５】
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【０１１８】
シミュレーション番号１は、本発明の複数の異なる高さを有し、軸方向に伸びた複数の凸部を周方向に配列させた内周面を備えた金属管であり、内周面の横断方向の平均粗さは５μｍとした。シミュレーション番号２は、比較材であり、通常ガス井管として用いられる１３Ｃｒ鋼管であって、製管後、熱処理を施したものに相当する金属管とした。具体的には、等方性の表面粗さの内周面を備え、その平均粗さが５μｍの金属管とした。なお、シミュレーション番号１及び２の金属管のサイズはともに７インチ、すなわち、外径寸法＝１７７．８ｍｍ、肉厚＝１０．３６ｍｍとした。【０１１９】
［シミュレーション方法］【０１２０】
ガス井内の流体の流れは圧縮性一次元等温流れと仮定し、以下の連続の式（１６）、運動量式（１７）及び状態方程式（１８）を解くことによりガス生産量に対する井戸口圧力を求めた。なお、状態方程式（１６）は、実在気体に対して分子間力を補正したSoave-Redlich-Kwongの式を用いた。なお、Soave-Redlich-Kwongの式の詳細は、「Soave, G.: Chem. Eng. Sci., 27 (1972), 1197」に開示されている。
【数１１】
2006088138.tif 000017
【０１２１】
ここで、Ｄは金属管の内径（ｍ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）、Ｐは圧力（Ｐａ）、Ｒはガス定数（Ｐａ・ｍ３／ｋｇ／Ｋ）、Ｔは温度（Ｋ）、ｔは時間（ｓ）、ｕgは流速（ｍ／ｓ）、ｚは軸方向距離（ｍ）、ρgは密度（ｋｇ／ｍ３）を示す。【０１２２】
また、Ｖg（ｍ３／ｋｇ）は比容積であり、以下の式（１９）で示される。【０１２３】
Ｖｇ＝１／ρｇ  （１９）
τwは壁面摩擦応力（Ｎ／ｍ２）であり、以下の式（２０）で示される。
【数１２】
2006088138.tif 000018
【０１２４】
λは管摩擦係数である。シミュレーション番号２の管摩擦係数に対しては、以下の式（２１）を用いた。一方、シミュレーション番号１に対しては、実施例１と同様の試験により求めた管摩擦係数λとレイノルズ数Ｒｅとの実験式を用いた。
【数１３】
2006088138.tif 000019
【０１２５】
εeは等価相対粗さであり、以下の式（２２）で示される。
【数１４】
2006088138.tif 000020
【０１２６】
ここで、ｋeは流体力学的な粗さ（ｍ）である。ｋｅは算術平均粗さの関数であり、実験的に決定できる。【０１２７】
Ｒｅはレイノルズ数であり、以下の式（２３）で示される。
【数１５】
2006088138.tif 000021
【０１２８】
ここで、μgは粘度（Ｐａ・ｓ）である。【０１２９】
α（Ｔ）は温度の関数であり、以下の式（２４）で示される。
【数１６】
2006088138.tif 000022
【０１３０】
ここで、ωは偏心因子である。【０１３１】
ｂは定数であり、以下の式（２５）で示される。
【数１７】
2006088138.tif 000023
【０１３２】
ここで、Ｐcは臨界圧力（Ｐａ）である。また、Ｔrは対臨界温度であり、以下の式（２６）で示される。
【数１８】
2006088138.tif 000024
【０１３３】
ここで、Ｔcは臨界温度（Ｋ）である。【０１３４】
なお、圧力Ｐ、流速Ｕｇ、密度ρｇはそれぞれ軸方向距離ｚの関数である。また、表４に示すガス成分に基づいて、流体の物性値をシミュレーションにより求めた。【０１３５】
シミュレーション結果を図１８に示す。図１８より、ガスの生産量及び井戸口圧力はシミュレーション番号１（Ｃｉｐ）の方がシミュレーション番号２（Ｃｐｐ）よりも高かった。したがって、本発明の金属管（シミュレーション番号１）の方が、従来の金属管（シミュレーション番号２）よりも生産量を向上できるとともに井戸口圧力も高くできることがわかった。【０１３６】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。
【産業上の利用の可能性】
【０１３７】
本発明による金属管は、水、石油、空気、天然ガス等の流体を輸送するための管として広く利用可能である。特に、油井や天然ガス井及び地熱井等に利用される金属管に有用である。
【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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【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】
2006088138.tif 000035
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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