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0914-6253/13/¥500/論文/JCOPY

特集1

水エネルギーの利用と現状技術「HYDROSTATIC PIPETESTER」高水圧技術をコアとした応用例

はじめに水は、液圧駆動の作動流体として18世紀末から使用されていたが、機器の性能向上を計る上で20世紀初頭に油に代わった。しかし、油のもつ強い燃焼性、漏洩時の環境保護より再び水圧技術が注目されている。水は、環境に優しく、安価で廃棄が容易な流体であり、火災などの危険性が無いことである。自然環境との完全な融和という観点からは、水以上に優れた流体は存在しない。当社は、「HYPREX」の下で「FORM」「TEST」「JET」「easy」全ての商品群が高水圧技術をConceptにした製品である。
「FORM」は、塑性加工により製品を製作する装置で主加工法は、金型内にセットした金属管に高水圧を発生させて金型にならって塑性を行い複雑形状の製品を得る成形方法でハイドロフ
ォームと言う。管の液圧成形は自動車の閉断面構造部材の成形にも適用し得る技術として世界的に注目され、“チューブハイドロフォーム”と呼ばれるようになった。究極のエコカーを目指して技術革新を行っている、その一つが自動車の軽量化による燃費改善で有る。チューブハイドロフォームは、車体の衝突安全性向上と軽量化の両立を可能とした技術であり、この技術は、パイプ曲げ技術、プレス技術、高圧発生技術の３要素が備わっていないと出来ない加工法であるが、弊社はこの３要素を全て自社で設計・㈱山本水圧工業所

福村

卓巳・田中製作が行える。
「TEST」は、高水圧技術による水圧試験で、様々な製品のニーズ応える水圧試験装置で有る。その一つとして、燃料電池自動車（FCV）の燃料となる水素1kgで約100km走行可能よりガソリンなどの内燃機関動力車並みに航続距離を500km程度まで延伸するために5kgの水素を搭載する必要が有り、常温体積に換算すると56m 3となる。搭載可能とする為には水素を70MPa以上の高圧充填する高圧水素容器が必要となり、より高圧化・高容量化が要求され同時に、高圧ガス容器としての認証が必須事項となっている。弊社は、「燃料電池自動車用高圧水素容器安全評価試験装置」の一つとして「水加圧試験装置」でサイクル疲労試験、加圧破裂試験などを特有の水圧技術で評価試験装置の製作を行っている。
また、シェールガス革命によりエネルギー事情が大きく変わろうとしている。シェールガス
は地下数百～数千メートルの頁岩層（シェール層）と呼ばれる硬い層に含まれているガスで、非常に浸透率が低い。このガスを効率良く採取するために、１坑井当たり3,000～10,000トン、水圧140MPaもの水を送り込む水圧破砕によって坑井に人工的に大きな割れ目をつくる。更に頁岩層に接している坑井の表面積を最大にするために水平坑井掘削技術という技法で3,000mもの長さの横穴を掘らねばならない。この様な

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過酷な条件で掘削するためには、高強度のパイプが求められ、日本でなければ出来ないとさえ言われている。このパイプの強度を確認する方法の一つが、水圧試験でありパイプに規定の内圧を加えて、漏れ、破壊の有無を全数検査している。当社が80年の間蓄えてきた高圧技術が様々な業種に生かされているが、本稿では「TEST」の一例の「鋼管水圧試験機」につき紹介する。

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水圧試験機概要

本装置はシームレス又はERW長尺パイプの漏れ、耐圧試験を目的としたもので1954年八幡製鉄所に１号機を納入してから16ヶ国280台の実績があり、以下の特徴を有す。
① 182MPaの高圧でテストが可能② 独自のExtra gaps packingにより無接触でパイプ出し入れが出来る③ シ ール時の接触面積が大きく、はみだし現象が少なく長寿命④ 先 端ねじ保護用プロテクター付パイプのテストが可能⑤ 乱尺パイプの連続テストが可能⑥ 昇 降クランンピングキャレッジにより段取換えが不要
本体概要システムは第１図に示す通りである。
試験パイプはヘッドストックとテールストックにセットされたツール間で挟まれ、試験パイプに水を満たすため低圧送水が行われる。サイクルタイムによっては送水時間を短くするため、送水タンクにエアー圧を送り込む。パイプ内の残留エアーはサイクルタイムに大きな影響を与えるため、送水と同時にエアーの排出を行う。パイプが満水になれば送水チェッキ弁が閉じられ、増圧機より高圧水を送り込むが、省エネとサイクルタイム短縮のため、圧力レンジに応じて増圧機を選択している。昇圧と同時に試

第2図

第1図

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概略システム図

第3図

装置本体全景大径管水圧試験の状況

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験圧力センサーで直接パイプ内部の圧力を検出し、フィードバックを掛けながら試験圧力まで昇圧、指定時間保持された上で漏れ、耐圧の確認を行って終了となる。実機ではパイプ先端シールが外径シールの場合は、パイプ肉厚断面積に試験圧力が加わり大きな座屈荷重となるので、クランプ装置を具備しパイプの長さに応じて、数箇所でクランプを行っている。又、必要以上の外的圧縮荷重を加えないようバランスシリンダーを具備している。第２図は装置本体全景の一例、第３図は大径管の水圧試験状況である。

3仕様の組み方などにより選択され第４図に示す通りであり、その特徴を第２表にまとめる。
第2表
図各フレームの特徴
利点

欠点

1① Pipeの搬送がスムース② Tool Changeが容易① 偏荷重が加わる② Main Frameが重くなる。

2① Main Frameセンターに ① 試験Pipeの搬送で落荷重が加わるとし込みがある② Main Frameの重量が少 ② サイクルタイムが長ないくなる

3① Main Frameに比べ基礎 ① Tension Barの接続と工事費用節約
撓み対策

4① Main Frameに比べ基礎 ① Tension Beamの現地工事費用節約
溶接と撓み対策② 大径管用に適している ② Toolingの交換が不便

機種はパイプ径で仕分けされ概略第１表のような仕様となるが、石油輸送用パイプなどは2mを超えるものがある。小径ではブレーキチ
ューブ、原子力用細管、飛行機など高精度加圧水圧試験を必要とし、試験圧が220MPaを越えるものなどがある。
水圧試験機においてはパイプ断面積に試験圧力が加わるため、大きな反力が発生する。特に第５図に示す④カップリング付、⑤⑥先端アプ
セットパイプは更に大きな反力が作用し、フレーム形状はこの反力を受けとめながら、ライン
第1表

パイプ径による概略分類（参考）
小径管水圧試験機

パイプ径60.3～177.8mm

パイプ長さ5.5～14m

試験圧力71.5MPa

生産数

156p/h
中径管水圧試験機

パイプ径

168.3～426mm

パイプ長さ4.5～14.7m

試験圧力168MPa

生産数

109p/h
大径管水圧試験機

パイプ径508～2032mm

パイプ長さ9～18m

最高試験圧力47MPa

生産数46p/h

第4図

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フレーム形状による分類

試験パイプ

試験パイプの先端形状は第５図に示すように用途によりいろいろあるので、形状毎に特徴を下記にまとめる。
① プ レーンエンド：一般的にはこの形状がほとんどであり取扱が容易。
② 開 先加工：石油ラインパイプ等は現地で溶接されるため、予め開先加工がされており、先端部までの水圧試験が求められ

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第5図

試験パイプ形状る。又、先端の断面積が小さいため、潰れて加工硬化を起こさないよう反力を精密にコントロールする必要がある。
③ プ ロテクター付：石油、ガス等掘削のパ
イプは先端に特殊なねじが加工されているが、搬送中にねじにダメージを与えないよう、プロテクターが取り付けられている。このプロテクターを付けたままでの水圧試験が求められ、５項に示す当社のシール技術が生かされている。
④ カップリング付：石油、ガス等掘削には短いパイプを長い場合では10kmもカップリングでジョイントされる。現地での作業簡略化のためカップリングを付けた状態での水圧試験が求められるが、カップリング断面積にも試験圧力が加わるため、カップリング押さえ装置を付加している。
⑤ ア プセットボックスねじ：先端部をアプセットし内径側にねじが切削されている。カップリング方式よりねじ切削箇所が少なく、漏れる確率も減少するが、径が大きくなった分大きな反力が発生するため、アプセット押さえで反力を防ぐこともある。
⑥ ア プセットピンねじ：⑤とセットで使用されるが、シール部がアプセット部にはないため、アプセットを超えた飛越シールを行う。これも５項に示す当社の技術を持ってしないと出来ない。

5第6図

E.G.シール外観

試験パイプのシール

パイプのシール方法には下記三種類あり

① 端 面シール：バルブ水圧試験機等のようにフランジを有している場合に用いられるが、パイプ肉厚断面積は一般的に口径に対して小さく、シール寿命も短いので一部の採用に留まっている。
② 内 径シール：座屈荷重が発生しない利点があるが、内径の大きさに制限があるため、大径管に用いられる。
③ 外 径シール：座屈荷重が発生するが、取扱が容易なこと、径に制限がないため主流となっている。
この項では外径シールを取り上げて説明す

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第7図

Seal Extra Gaps飛越シール使用例

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（5）る。試験パイプは黒皮のままで尚且つ、許容外径公差の下で水圧試験を行うため、リップタイプ（パイプに常に接触する）のシールでは搬

第8図

E.G.シール使用例（エアーレリーズバルブ）
第9図－①

E.G.シールの応用例

入、搬出時肌荒れした表面を移動するため、極めて寿命が短くなる。然し、当社が開発したE.G.シーリングユニットは無接触の移動が出来、使用液体の中のわずかなゴミでもシール効果は変わることなく耐えるため、飛躍的に寿命を延ばせる。
E.G.シール（第６、７図参照）の使用方法
は、先ずシールの外径側に圧力を入れ、外径を縮めてパイプに接触させた後、試験圧を入れる。シールは圧縮によって保持されるため、肌荒れ、多少の付着物が有っても、シール材で抑え込まれるため確実にシールされる。第８図は片側カップリング付試験パイプの場合の一般的な使用例であるが、試験パイプとE.G.シール間のギャップは片側で15mmと非常に大きい。この事を利用すれば第７図に示すように、飛越シールが可能となる。又、E.G.シールの他の応用として第９図示す。応用例①のようにバルブス
ピンドルを抜き差しシールすることで異物噛み込みの少ない、エアー抜きバルブ、送水バルブに応用している。②のように内径用E.G.シールをカップリングねじからの漏れを検査するのに応用した例、隙間が大きく楽にシールポンチを挿入することができる。③は、ギャップの断面積が大きいことを利用して、このギャップに流体を通しシールを開閉することで、ON-OFFバルブとして使用できる。

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第9図－②

E.G.シールの応用例

第9図－③

E.G.シールの応用例

バランスシリンダー

試験パイプ径が大きくなると肉厚断面積に比べて、内径断面積が圧倒的に大きく、反力ばかりが大きくなる。このことは肉厚断面積に加える荷重制御の精度を悪くし、座屈、端面の潰れなどにつながる。そこで第10図に示す概念図のように外径Dより少し大きい（D+α）径のラムシリンダーを設け、ラムに導水口を開けてバランスシリンダーとする。試験圧力は導水口を介してラム端面に加わり、パイプ端面に加わる力量はD径分相殺されα分のみが端面に加わる。
このα分の力量は油圧でコントロールされる

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第10図

バランスシリンダー概念

が、力量が小さく経済的であり、フルスケール精度が大幅に改善される。
また、油井管等の試験圧力を高めることによってシールパッキン部分における滑りが増加し、シールパッキンの寿命が低下するという問題点が有るがバランス制御によりテストパイプ内の水圧を検出して相応の作動油をメインシリンダー内に送り込むフィードバック制御にて、パッキン部分の移動量（ずれ）が激減し、シールパッキンの寿命が大幅に改善され。パッキンのコストが削減されると同時にパッキン交換に伴う設備停止、取替え工数などが削減されて生産性が大きく向上する優れた効果を発揮する。

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第11図

装置イメージ

第12図

試験イメージ

その他の水圧試験機

石油井戸、ガス井戸掘削、搬送などにはパイプにとっては過酷な条件での使用が課せられる。これらの条件のもと強度が耐えるのか、条件に合ったいろいろな試験が行われている（第11、12図）。この分野でのパイプにおける当社の主な実績試験機を下記に示す。
① 300MPaバーストテスト装置：内圧によって破裂確認② 300MPaコラプステスト装置：外圧によって圧潰確認③ 内圧負荷してのベンデングテスト装置④ 内圧負荷しての圧縮、引張テスト装置⑤ 外圧負荷しての圧縮、引張テスト装置⑥ 高 低温サイクル下で内圧を負荷するサーマルショックテスト装置⑦ サ ーマルクエンチショックテスト装置：
加熱されたパイプに水を掛ける熱衝撃テスト⑧ 高低温サイクル下での300MPaガスリークテスト装置⑨ 高温外圧下でのコラプステスト装置⑩ ねじの強度確認と破断テスト装置⑪ ねじリークテスト装置⑫ ねじりテスト装置⑬ ね じの締め付けトルクと回転数テスト装
置：パワートング⑭ 純モーメント下での疲労テスト装置

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おわりに燃料電池自動車の燃料となる高圧水素容器の安全性評価試験及びシェールガス革命が起こり、掘削パイプに使用されるシームレスパイプの強度、品質の重要性が高まり、API規格（American Petroleum Institute）の改正も行われた。強度、品質を守る最後の砦が、直接圧力を加え性能を確認するのが水圧試験である。
引続き、“環境に優しい水を活かした技術”
で高圧水技術をConceptとし、「高圧技術とシーリング技術」の高精度化を高めて各産業の省力化、ハイグレード化、安全性の向上により寄与できれば幸いで有る。

著者紹介
田中守

㈱山本水圧工業所 営業・技術統括 本部長〒561-0835 大阪府豊中市庄本町2-8-8
TEL：06-6334-4652
E-mail：tanaka-m@hyprex.co.jp

福村卓巳㈱山本水圧工業所 顧問〒561-0835 大阪府豊中市庄本町2-8-8
TEL：06-6334-4652

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