JP2005127496A - 高圧管の製造および管の積層構造 - Google Patents

Abstract

【課題】従来できなかった鋼管並みの高圧で耐食性のある管を生産提供する管の構造・生産方法・装置を提供する。
【解決手段】高圧管のネジ底からネジ山に至る部材を管材の１０−３０％の剛性で許容伸びが２０−３０％の材料（ガラス含有ゼロ）を用いると共に、管本体の応力集中箇所（内面のガラスと樹脂の積層界面部）には十分な伸度（２０−３０％）の樹脂を積層した。
【選択図】図５

Description

本発明は、石油生産用の地中に押入するガラスファイバー強化プラスチック高圧管（以下、高圧管と呼ぶ）の積層構造と生産方法および装置に関する。ＦＲＰの高圧管は、耐食性が優れていることから、石油井戸の産出油が腐食性の高い油田の場合と海水など打ち込み産油する場合の腐食水など産出する場合に使用される。要求性能や寸法基準など米国のＡＰＩ基準、チュブラーと呼ばれる管に関する。

高圧管は、米国規格ＡＰＩに金属材料、強化プラスチック（以下、ＦＲＰと呼ぶ）材料の標準寸法、継ぎ手構造、必要耐圧、試験法、など基準が示されている。従来この管の成形方法は、型の外側から成形するフィラメントワインデング（ＦＷと呼ぶ）で、本発名の型内部から成形する遠心成形法はない。その理由は、この管は７０−９０ｍｍと小口径で１０ｍ以上の長尺であることから、管内からの材料積層は困難であることから実施例が見当たらない。一方、ＦＷ法では、鋼管並みの高圧管は生産できない。本発明はこれら、従来できなかった鋼管並みの高圧で耐食性のある管を生産提供する管の構造・生産方法・装置に関する。

本発明は、石油・ガス井戸用の耐食高圧管の製造法および構成材料に関わる。

発明が解決しようとする課題

図１は、発明の目的である石油井戸用の高圧管規格の構成内容である。高圧管は、地中１５００ｍから５０００ｍに達する地底に石油・ガスなどを回収するために、用いる管である。この管は元来鋼管で作られていた経緯から、寸法などプラスチックにはそぐわない基準である。しかし、鋼管の腐食が激しいことから、耐食性・電気防食性が必要となり、耐圧約１０００ｋｇ／ｃｍ２もの高圧に耐えるＦＲＰ管の要求が生まれた。
しかし、このような高圧管は製作困難で可能な圧力の５００ｋｇ程度までを実用化している。本発明は、従来できなかった鋼管と同じ性能の約１０００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で耐食性のある高圧管を提供する。

問題を解決するための手段

従来の高圧管の技術的な問題点は、継ぎ手の防水耐圧が低いこと、直管の耐圧が低いなどである。この原因は、ネジ部の樹脂と管内面の防水層（耐食層とも呼ぶ）に亀裂が発生するためであり、この亀裂の原因は応力集中が起因している。応力集中を緩和することが問題解決につながる。

発明の効果

これら応力集中を緩和する手段をとれば、耐圧力は２−３倍向上することが予想される。その結果、目的の高圧管が安定して得られる。

発明実施の最良の形態は、防水機能の向上である。すなわち、継ぎ手部の漏水と管体の発汗防止を管が破裂するまで保持することである。これにより管の破壊内圧強度と漏水強度が一致する。これが理想の最良の形態。本発明はより破壊内圧強度に漏水内圧を近づけるか、この点にある。

図２は、継ぎ手ネジ構造を示す。まず、ネジ部の応力集中を緩和するために、詳細応力解析を行った。その結果、均一なピッチのネジを作り解析すると、ネジの両端でせん断力が最大となり、中心部がほとんど応力が作用しないことが判明した。すなわち、ネジの長さが生かされず、両端から破壊が進展する。この対策には、ネジ底からネジ山に至る部材を管材の１０−３０％の剛性で許容伸びが２０−３０％の材料（ガラス含有ゼロ）を用いた。その結果、２００ｋｇ／ｃｍ２で水漏れした物が６００ｋｇまで３倍上昇した。

さらに、ネジピッチを入り口から０．１−０．２％ピッチを縮小したネジを設けると、さらに耐圧が増し、管体の破壊近くの１０００ｋｇまで耐えることが判明した。
この時のネジのシール材料は、シリコンこーキング材料を用いた。

発明が解決しようとする課題その２

図３は、管体の遠心成形方法を示す。継ぎ手のネジ部は、成形された管を２次加工して製作する。遠心成形の基本的特徴は、外形基準の管が成形できる。そして、遠心力により、比重の小さい樹脂が内面に集まる。さらに、内部に気泡などが残留しない。
一方、管の内圧荷重化の詳細解析を行った。最初に発生する亀裂はガラスと樹脂の界面であり、亀裂が伝播する。この応力はノッチ効果と呼ばれる応力集中が界面に作用するためであり、樹脂は単体破壊に比べて約１／１０以下で亀裂が伝播、いわゆる水密性能がなくなる破壊となることが判明。

課題を解決するための手段その２

この対策として、応力集中箇所（内面のガラスと樹脂の積層界面部）に十分な伸度（２０−３０％）の樹脂を積層した。その結果、管体材料の破壊歪に近い０．６％まで水密性能が保たれた。すなわち、２０−３０％の高伸度樹脂を少なくても内面樹脂層に用いると、管体母材の破壊まで防水することができる。

目的の応力集中箇所に高伸度樹脂を積層する方法として、遠心成形では樹脂を硬化した後、ゲル化（少し硬化した時）状態で２回目の樹脂投入を実施、この手段を使えば、多重積層が可能であることが確認された。

発明が解決しようとする課題その３

管体の成形方法は、図３に示すように、遠心成形するには、連続繊維を型内に展開する方法を開発せねばならない。そして、図４に示す外表面の研削の後のネジを型内に無欠陥で精密に封入せねばならない。これらの方法は前例がなく、新発明の方法によって解決した。

課題を解決するための手段その３

図６は、遠心型内に導入する材料、ガラスクロスの長尺プリワインドを可能にする装置である。回転を断続回転・停止または５−１００ｒｐｍの低速回転中に管の軸方向に骨材構造材を内装したフレキシブルなバッグを用いて、バッグの減圧でｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒの端部を保持しプリワインド、型内に導入、ｆｉｂｅｒの巻き方向とは反対に時に回転などしてｆｉｂｅｒを巻きはがし、図７は、バック内を加圧してｆｉｂｅｒを展開し、完了後に再度減圧して引き抜く。図８は、引き抜きの時に必要によっては型を低速で回転し、先端より必要な樹脂を型内に供給する方法である。図９は高速回転でガラス繊維にプレストレスを作用させ、樹脂の硬化を行う。この時の回転数は、重力加速度の１００−４００倍程度が適正であった。

図６に示す材料投入装置の構成は、軸方向に成形型より長い剛体の２分割注入器、２液硬化樹脂、混合用圧縮空気、樹脂ブレンド管内部洗浄用の溶剤などを内装したゴ厶製のバッグからなる。なお、材料投入装置はバックの減圧・加圧により、図７に示すガラスの端部保持、図８に示す加圧による内部からのバギング作用でガラス材料の展開、整形を行う。なお、フレキシブルなバッグ内に兆番でつながれた２分体の骨は、投入機のフレームの働きをもする。

図５は、高圧管にネジを圧入して作る装置を示した。ネジ型を外面にシール部を有して配置し、必要によっては、内面に保持型を設け、硬化剤を混入した２液硬化樹脂を必要によっては圧入前に真空引きし、少なくても１０ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧力で樹脂をネジ部に注入、硬化せしめて管の継ぎ手を成形する。この装置の特徴は、樹脂注入圧力が１００−２００ｋｇ／ｃｍ２では、気泡が樹脂に溶け込み、発生しない。また、精密成形が可能であった。注入樹脂のゲル時間は１０−２０分が適当であり、その場合は、脱型が４０−６０分となる。

同様に継ぎ手管が製作できる。継ぎ手管の内面を研削、ネジ型を内面にシール部を有して配置し、外面に保持型を設け、硬化剤を混入した樹脂を必要によっては真空引き後、少なくても１０ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧力でネジ部に注入、樹脂を硬化せしめて継ぎ手管を成形する。品質安定には、１００−２００ｋｇ／ｃｍ２の注入圧力が適当。

発明の効果

図１０は、本発明によって遠心成形法で作られた高圧管の内圧性能と従来ＦＷ成形法で作られた高圧管の内圧性能の比較をしめした。表から、発明法は、約３倍の内圧特性を得られることが理解できる。これは、従来法が強化繊維が破断していない状態で水密性を保つ樹脂が破壊され、水漏れが発生するのに対して、発明法は水密樹脂が破壊せずに、強化繊維を有効に利用できる防水性を保つ。すなわち、同じ条件の形状で内圧強度が３倍となる成果を得た。この高圧管は鋼管の強度に匹敵する性能をもつ。
表 １は、実施例に使用された材料リストと成形条件の共通事項、特徴をまとめた。使用ガラスファイバーは、細くて大きな束の軸対周方向の比が１対２となる構成を採用、樹脂は内面樹脂リッチとして、２０−３０％の伸びを有する耐熱劣化の少ないビニルエステルポリエステルが採用される。
これらの条件で遠心成形すれば、耐圧１０００ｋｇ／ｃｍ２の高圧管（石油井戸用）が得られる。

石油生産に用いられる地中に差し込む管、継ぎ手管の構造説明図（ＡＰＩ規格のＦＲＰ石油井戸用の高圧管構造の説明図） 高圧管の継ぎ手部の構造を示すネジ継ぎ手構造説明図。 管の成形説明図。（遠心成形説明図） 管継ぎ手構造ネジのための端部加工説明図（継ぎ手管も同じ方法採用） ネジ部の成形方法の説明図（継ぎ手管も同じ方法採用） 遠心成形方法の材料投入に関しての説明図 ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒの型内面に展開する方法の説明図 樹脂の投入説明図 ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒの遠心力によるプレストレス（残留応力）、樹脂の硬化の説明図 発明品と従来品の性能比較説明図

符号の説明

ｒｐｍ；毎分の回転数
ｋｇ／ｃｍ２；１平方センチメートル当たりのｋｇで圧力単位

Claims (5)

1. 直交異方性の強化材と伸度が１０％以上の樹脂とを用いた強化層を有し、管内面に防水のための樹脂層を有し、管外表面にネジ継ぎ手を伸度が１０％以上の樹脂で構成したことを特徴とした高圧管。
2. 遠心成形方法において、回転を断続回転・停止または５−１００ｒｐｍの低速回転中に管の軸方向に骨材構造材を内装したフレキシブルなバッグを用いて、バッグの減圧でガラス繊維の端部を保持しプリワインド、型内に導入、ｆｉｂｅｒの巻き方向とは反対に時に回転などしてｆｉｂｅｒを巻きはがし、バック内を加圧してｆｉｂｅｒを展開し、完了後に再度減圧して引き抜く。引き抜きの時に必要によっては型を低速で回転し、先端より必要な樹脂を型内に供給することを特徴とする遠心成形方法。
3. 遠心成形装置において、回転型内に材料投入する軸方向に成形管より長い投入器に、フレキシブルなバッグ内に兆番でつながれた２分体の骨を有し、この骨を介してバキュウ厶バックでｆｉｂｅｒの端部を保持して、ファイバーをプリワインドする目的に構成した装置。
4. 管の外面を必要によっては研削、ネジ型を外面にシール部を有して配置し、必要によっては、内面に保持型を設け、硬化剤を混入した樹脂を必要によっては真空引き後、少なくても１０ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧力でネジ部に注入、樹脂を硬化せしめて管の継ぎ手を成形する方法。
5. 継ぎ手管の内面を必要によっては研削、ネジ型を内面にシール部を有して配置し、必要によっては、外面に保持型を設け、硬化剤を混入した樹脂を必要によっては真空引き後、少なくても１０ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧力でネジ部に注入、樹脂を硬化せしめて継ぎ手管を成形する方法

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