JP5936140B2 - 圧力配管の接続構造を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、配管設置箇所に適合する長さに切りそろえられた圧力配管に対して溶接を必要とすることなく、接続させることを可能とした圧力配管の接続構造を製造する方法に関する。

圧力配管用の鋼管として炭素鋼鋼管（ＳＴＰＧ）が知られている。ＪＩＳ規格には、接続する圧力配管に応じて使用すべき継手の強度が規定されている。具体的には、継手の強度は、引張試験において、継手に接続される圧力配管の母材の方が切断されるような強度とすることを要求している。また、溶接による接続についても同様に圧力配管の母材の方が切断するような溶接強度を持たせるため、全周に渡って圧力配管に対して脚長を延ばすことが求められている。このような溶接作業には熟練を要し、作業を行える者には限りがある。

溶接によらない接続手段として、接着剤やボルトなど手段がある。例えば特許文献１及び２にはボルトで管と管を接続するものが開示されている。これらの技術は、電線を収容する管の周面壁にその半径方向に沿って螺着されたボルトの締め付け力で管側を変形させて固定するものである。このようなボルトにより接続される管は、内部の電線を保護するものであり、内部の電線自体が圧力をもったり漏れたりするものではない。又特許文献３では、ボルトで棒同士を接続する技術が開示されているが、これも先の特許文献と同様に、ボルトの締め付け力で棒側を変形させて固定する。

一方、溶接を用いずに、高圧の流体を案内する圧力配管を接続する技術として、出願人は特許文献４に示すようにボルトを接続手段として利用した圧力配管の接続構造を提案した。

実公昭５１−９６６７号公報 特開２００３−１８００１１号公報 特開２０１０−１８０９５７号公報 ＷＯ ２０１２／０９６０４２Ａ１号公報

特許文献4に示される接続構造によれば、引張強度が要求される圧力配管の配管工事において、溶接を用いずにボルトにより圧力配管の接続を行うことができる。しかしながら、接合すべき圧力配管からの流体漏れを防ぐために、圧力配管が切断された端部断面の位置でシールをしており、圧力配管の肉厚自体が薄いものであるため、径の小さなシール部材を使用せざるを得なかった。一般的に、Ｏリングは、線径の太いほうがひずみ率は小さく、安定したシール性が得られることが知られている。圧力配管として例えば、ＳＴＰＧ Ｓｃｈ４０ １０Ａを用いる場合、パイプの肉厚は２．３ｍｍであり、利用可能なシール材としては例えば直径１．５ｍｍのＯリングである。

本発明の目的は、圧力配管の端部断面をより大きな線径のシール部材を利用してシール可能とすることにより、シール部材に係る歪を小さくすることができる接続構造を提供することにある。

上記課題を達成するため本願発明では 圧力のかけられた流体を内部に流す圧力配管を接続する接合構造を製造する方法において、
前記圧力配管が挿入される内部の中空に対して外周から貫通した複数の貫通孔と、当該中空の内径を縮小する突起部とを有する円筒状のスリーブと、尾部が雄テーパー面に形成されており、前記スリーブの複数の貫通孔に螺入される複数のボルトとを用意し、
Ｏリングを前記圧力配管と突起部との間に収容し、
前記圧力配管に対して、前記ボルトの尾部の雄テーパー面と同じテーパー角度を有する雌テーパー面が形成された有底孔を前記貫通孔の対応する位置に設け、かつ、前記圧力配管の端部に対して先細り状の雄テーパー面を設け、
前記圧力配管が前記スリーブの内部中空に挿入されたときに、前記収容されたＯリングにより前記貫通孔に対応する前記有底孔がズレ量をもった状態であって、前記ボルトが前記貫通孔に螺入される過程で、前記ボルトの雄テーパー面が前記有底孔の雌テーパー面を滑りながら入り込み、前記Ｏリングに圧縮力を加えるとともに前記ボルトは前記スリーブの貫通孔を通して前記圧力配管を固定し、前記圧縮力が加わったＯリングは、前記雄テーパー面と突起部との間に挟まれて前記圧力配管の中空をシールすることを特徴とする。

本発明によれば、圧力配管の端部をテーパー面として、この面においてＯリングによるシールを行うため、径の大きなＯリングを使用することができるという効果がある。また、ボルトを螺入するだけで、Ｏリングに対して適正な圧縮力を付加することができるという効果がある。

接続構造を示す図である。 他の実施例の接続構造を示す図である。 圧力配管を固定する様子を示す図である。 他の実施例に係る接続構造を示す図である。 さらに他の実施例に係る接続構造を示す図である。 さらに他の実施例に係る接続構造を示す図である。 フランジ継手に適用した他の実施例に係る接続構造を示す図である。

以下、ボルトで得られる接続強度を利用して、圧力配管を接続する具体例について、図面を参照して詳細に説明する。

第１の実施例に係る接続構造１００を図１に示す。本実施例は圧力配管同士を接続する継手の例を示す。接続構造１００は、スリーブ１、圧力配管２、Ｏリング３、及び、多数のボルト４からなっている。
スリーブ１は、圧力配管２の外径に公差があることを考慮して、圧力配管２の外形よりやや大きい内径の中空１０を有する直線状の円筒管であり、内周面のほぼ中央に、内側に向かって、圧力配管２の肉厚ｔに相当する長さだけ、中心に向けてスリーブ１の内径を縮小する突出部１１を有している（破線Ｄより中心線ｃ側の部分）。突起部１１は、スリーブ１の中心線ｃ方向に垂直な環状面１１ａ、1１ｂを有している。そして、図面上において突出部１１から離れた位置に図面の表裏方向に雌ねじ山が設けられた貫通孔１３（以下、実施例１−９においては、ボルト孔１３と称する）が設けられ、さらに離れた位置に図面上下の方向に雌ねじ山が設けられた貫通孔１３（以下、実施例１−９においては、ボルト孔１３と称する）が設けられ、夫々スリーブ１の中空１０に貫通している。ボルト４は、頭部４１と雄ねじ山が刻まれた胴部４２と円錐台形状の尾部４３とを有しており、ボルト孔１３に胴部４２が螺合する。

圧力配管２は、設置場所に適合する長さに切り揃えられた後（図１Ａ）に、端部に対して加工がなされる。まず、端部に先細り状の雄テーパー面２１と非貫通の有底孔２３が形成される（図１Ｂ）。雄テーパ２１面に続く先端は、垂直な面２２とされる。有底孔２３は円錐台状である。有底孔２３の位置は、圧力配管２をスリーブ１の中空１０に差し込み、圧力配管２の面２２が環状面１１ａ、1１ｂと接触する状態のとき、ボルト孔１３と対向する位置に設けられる。有底孔２３のテーパー角度θ１は、ボルト４の尾部４３のテーパー角度θ１と等しくなっている。

Ｏリング３は、環状面１１ａ、１１ｂと雄テーパー面２１及びスリーブ１の内周面１２との間で形成された空間に挟みこまれ、圧力配管２が中空１０に差し込まれるにつれて、雄テーパー面２１により、Ｏリングが圧縮される。面２２が環状面１１ａ又は１１ｂに接触したとき、Ｏリング３の直径が圧縮により、３０％程度の径変化するようなテーパー角度θ２にテーパー面２１は設定されている。尚、Ｏリングが接触する箇所（環状面１１ａ、１１ｂとテーパー面２１及びスリーブ１の内周面１２）の表面粗さは、Ｏリング３を収容する箇所であるため、滑らかなものに加工されていることは言うまでない。

実施例１の接続構造１００によれば、Ｏリング３は、圧力配管２が雄テーパー面２１となっているため、環状面１１ａ、１１ｂ及びスリーブ１の内周面１２との間で形成される空間を大きくすることができ、その結果、径の大きなＯリング３を使用することができる。また、スリーブ１の内周面１２と圧力配管２の外周面２４とは、圧力配管２の公差のために若干の隙間が開くことは避けられないが、ボルト４をボルト孔１３に螺合されたとき、ボルト４の尾部４３と有底孔２３のテーパー同士が面同士で固定されるため、強固に固定することができる。

実施例２の接続構造２００は、接続構造１００の突起部１１を突起部１４に変更したものである。突起部１４は、雌テーパー面１４ａ、１４ｂと、スリーブ１の中心線ｃに垂直な面１４ｄとを有している。スリーブ１はさらに、雌テーパー面１４ａ、１４ｂに挟まれた位置にＯリング３を収容するＯリング溝１４ｃが設けられており、Ｏリング溝１４ｃの前後の雌テーパー面１４ａは内周面1２側の面であり、また面１４ｄは雌テーパー面１４ｂ側の面である。

雌テーパー面１４ａ、１４ｂは、圧力配管２の雄テーパー面２１と面接触するため、テーパー角度を角度θ２に設定されている。雌テーパー面１４ａ、１４ｂは、圧力配管２の雄テーパー面２１と面接触するとき、面１４ｄは圧力配管２の面２２と接触しないようスキマｓを持つようになっている（図３Ｄ）。この結果、圧力配管2をスリーブ１の中空１０に挿入したときに面２２が障害にならず、スリーブ１と圧力配管２とが雌テーパー面１４ａ、１４ｂと雄テーパー面２１を介して面で接触することが確実になる。また、テーパー面同士の接触であるため、圧力配管２の外形とスリーブ１の内径とに公差による隙間があっても、圧力配管２とスリーブ１の中心を合わせることが容易にできる。

Ｏリング溝１４ｃは、Ｏリング溝１４ｃの両側に壁ｐ、ｑが設けられている。Ｏリング溝１４ｃの溝の底ｒは、中心線ｃに対して平行であるが、その理由は専らＯリング溝１４ｃを形成する際の形成のしやすさに依存している。また、面１４ｄは、圧力配管２の面２２に対向するために設けられているが、中心線ｃに垂直でなくてもよく、圧力配管２の面２２と接触しないものであれば良い。

図３は、接続構造２００による圧力配管２を接続する様子を示している。図３Ａにおいて、Ｏリング３をＯリング溝１４ｃに設定する。Ｏリング溝１４ｃの前側の壁ｐ（中空１０の入口に近い側）は、やや中心線ｃに対して垂直よりも斜めになっていて、Ｏリング３を挿入しやすくなっている。

圧力配管２をスリーブ１の中空１０に挿入すると、Ｏリング３の肉厚のために、ボルト孔１３の位置が有底孔２３の位置と若干ズレ量をもった状態となる。このズレ量は、ボルト４をボルト孔１３に螺合した際に、ボルト４の尾部４３が、有底孔２３に入り込める程度のズレ量となっている。

次に、ボルト４をボルト孔１３に螺入する。ボルト４の尾部４３の中心ｃ１は、Ｏリング３の存在により、有底孔２３の中心ｃ２からはズレてはいるが、尾部４３は有底孔２３内に入る状態とする。

ボルト４をさらに螺入すると、尾部４３の雄テーパー面が有底孔２３の雌テーパー面を滑りながら入り込んでゆき、圧力配管２は図面の右方向に向かって移動して、Ｏリング３に圧縮力を加える。最終的には、尾部４３の雄テーパー面は有底孔２３の雌テーパー面に対して面で接触により強固に固定する。その際、Ｏリング３は、適正な圧縮力が加えられた状態になる（図３Ｄ）。このとき、面１４ｄは圧力配管２の面２２と接触しないようスキマｓを持つ。本実施例においては、スキマｓは０．５ｍｍ程度と想定している。

また、本実施例では、Ｏリングは直径の３０％程度圧縮することを予定しており、Ｏリングとして直径２ｍｍのものを用いた場合には、圧縮寸法は０．６ｍｍであり、尾部４３の雄テーパー面が有底孔２３のテーパー面を滑りながら圧力配管２を移動させる距離もそれを実現する程度である。

本実施例によれば、雌テーパー面１４ａ、１４ｂとＯリング溝１４ｃが設けられ、実施例１におけるＯリング３が挿入される空間を狭められてはいるが、実施例１と同様に径の大きなＯリングを使用することができる。一方で、壁ｐ，ｑを有するＯリング溝１４ａを設けたため、圧力配管２において大きな圧力（又は、小さな圧力）を受けたとき、Ｏリング３を壁ｐ若しくは壁ｑにより支えることができる。また、雌テーパー面１４ａと雌テーパー面２１または雌テーパー面１４ｂと雌テーパー面２１は密接に接触しているため、圧力のかかったＯリング３が、Ｏリング溝１４ｃからはみ出す隙間がない。

さらに、市販されている圧力配管２の外径は所定の公差が許容されているので、スリーブ１の中空１０と圧力配管２の外周の間には隙間の存在を回避できないが、本実施例においてはＯリング溝１４ｃの前後に位置する雌テーパー面１４ａ、１４ｂを雄テーパー面２１に確実に面接触させて固定することができる。このため、スリーブ１と圧力配管２とが実質的に接触している面積を大きくできるため、接触している箇所の破損が少なくでき、かつ圧力配管２の中心をスリーブ１の中心に合わせやすいという効果がある。尚、本実施例においては、テーパー角度θ２は１５度とした。

また、ボルト４を螺入するだけで、Ｏリング３に対して適正な圧縮力を付加することができるという効果がある。

図４Ａに示される実施例３の接続構造３００は、接続構造２００の突起部１４を突起部１５に変更している。また、Ｏリング３を収容するＯリング溝１５ｃは、その前後の雌テーパー面１５ａ、１５ｂに対して垂直の壁ｐ、ｑと、雌テーパー面１５ａ、１５ｂに対して平行な底ｒを有している点で異なる。本実施例によれば、Ｏリング３は、圧力配管２のテーパー面２１と底ｒの間で、平行に挟みこまれ、かつ圧力配管２の内部圧力が高まった場合にＯリング３が押し付けられる前側の壁ｐの高さを高くできる。

図４Ｂに示される実施例４の接続構４００は、接続構造２００の突起部１４を突起部１６に変更している。また、Ｏリング３を収容するＯリング溝１６ｃは、その片側にのみテーパー面１６ａを有している。また、Ｏリング溝１６ｃの他方側の壁ｑはスリーブ１の中心線ｃと垂直な面１６ｄとなっている点で異なる。垂直な面１６ｄは、実施例１の面１４ｄと同様に、テーパー面１６ａと圧力配管２の雄テーパー面２１と面接触するとき、面１６ｄは圧力配管２の面２２と接触しないようスキマを持つようになっている。本実施例４によれば、テーパー面１６ａと雄テーパー面２１との密接に接触するため、圧力配管２内の圧力が大きくなってＯリング３が壁ｐに押し付けられても、さらにＯリング３がＯリング溝１６ｃからはみ出す隙間が無い。

図４Ｃに示される実施例５の接続構造５００は、接続構造２００の突起部１４を突起部１７に変更している。また、Ｏリング３を収容するＯリング溝１７ｃは、テーパー面１７ａ、１７ｂの間に設けられるが、壁ｐ、ｑはスリーブ１の中心線ｃに平行であり、底ｒは中心線ｃに垂直である。

図５に示される実施例６の接続構造５５０は、接続構造２００の突起部１４を突起部３０（破線Ｄより中心部分）に変更している。また、Ｏリング３を収容するＯリング溝３１ｃは、その両側に雌テーパー面３１ａ、３１ｂを有している。また、Ｏリング溝３１ｃの壁ｐ、ｑはスリーブ１の中心線ｃと垂直な面となっており、底面ｒは破線Ｄよりも外径側であって中心線ｃと平行になっている。
本実施例６においては、圧力配管２の雄テーパー面２１は雌テーパー面３１ｂにのみ接触している。従って、圧力配管２のテーパー角θ２と等しくする必要があるのは雌テーパー面３１ａではなく雌テーパー面３１ｂである。雌テーパー面３１ｂ側の垂直な面３１は、実施例１の面１４ｄと同様に、雄テーパー面３１ｂと圧力配管２のテーパー面２１と面接触するとき、面３１は圧力配管２の面２２と接触しないようスキマを持つようになっている。
尚、本実施例においては、テーパー角度θ２は１０度である。圧力配管２の側は、雄テーパー面２１と面２２との間に、面取り２５がされている。また、Ｏリング３は直径の２５％程度圧縮されている。

図６Ａに示される実施例６の接続構造６００は、スリーブ１と突起部１５’とが、ボルト１８により着脱自在（図６Ｂ）にされた構成である。突起部１５’は、実施例３の突起部１５と同様に、Ｏリング３を収容するＯリング溝１５’ｃは、その前後のテーパー面１５’ａ、１５’ｂに対して垂直の壁ｐ、ｑと、テーパー面１５’ａ、１５’ｂに対して平行な底ｒを有している突起部１５’の加工をスリーブ１とは別に単独に行えるという効果がある。

図７は、フランジ継手に対して適用した例を示している。
図７Ａに示される実施例７の接続構造７００は、実施例１の接続構造１００のスリーブ１を半分にする一方、突起部１１は残し、突起部１１のスリーブ１外周側にフランジ１９を設けた構造である。フランジ１９は、図示しない他のフランジと接合するための貫通孔１９ａを有している。本実施例において、突起部１１の代わりに突起部１４、１５、１５’、１６又は１７の形状を用いることができる。

図７Ｂに示される実施例８の接続構造８００は、実施例２の接続構造２００のスリーブ１を半分にする一方、突起部１４は残し、突起部１４のスリーブ1の肉厚を厚くして、図示しない他のフランジと接合するための貫通孔１９ａを、スリーブの中心線ｃの方向に穿孔している。本実施例においても、突起部１４の代わりに突起部１１、１５、１５’、１６又は１７の形状を用いることができる。

上記夫々の実施例において、スリーブ１側の貫通孔１３側に雌ネジ山を設けて、圧力配管側２の有底孔２３側には雌ネジ山を設けてはいない。しかしながら、ボルト４の尾部４３と有底孔２３の両方をテーパーネジとしても良い。また、貫通孔１３を馬鹿穴（クリアランスホール）にしても良い。また、有底孔２３側をテーパー状にせずに平行穴でもよく、平行ネジを設けても良い。尚、これらの場合においては、ボルト４の螺入によるOリング３の圧縮作用は期待できないので、圧力配管２をスリーブ１の中空１０に圧力を掛けて押し込んでおき、貫通孔１３と有底孔２３を正確に連通状態としておくのが望ましい。

１００、２００、３００、４００、５００、５５０、６００、７００、８００ 接続構造
１ スリーブ
２ 圧力配管
３ Ｏリング
４ ボルト
１１、１４、１５、１５’、１６、３０ 突起部

Claims (4)

1. 圧力のかけられた流体を内部に流す圧力配管を接続する接合構造を製造する方法において、
   前記圧力配管が挿入される内部の中空に対して外周から貫通した複数の貫通孔と、当該中空の内径を縮小する突起部とを有する円筒状のスリーブと、尾部が雄テーパー面に形成されており、前記スリーブの複数の貫通孔に螺入される複数のボルトとを用意し、
   Ｏリングを前記圧力配管と突起部との間に収容し、
   前記圧力配管に対して、前記ボルトの尾部の雄テーパー面と同じテーパー角度を有する雌テーパー面が形成された有底孔を前記貫通孔の対応する位置に設け、かつ、前記圧力配管の端部に対して先細り状の雄テーパー面を設け、
   前記圧力配管が前記スリーブの内部中空に挿入されたときに、前記収容されたＯリングにより前記貫通孔に対応する前記有底孔がズレ量をもった状態であって、前記ボルトが前記貫通孔に螺入される過程で、前記ボルトの雄テーパー面が前記有底孔の雌テーパー面を滑りながら入り込み、前記Ｏリングに圧縮力を加えるとともに前記ボルトは前記スリーブの貫通孔を通して前記圧力配管を固定し、前記圧縮力が加わったＯリングは、前記雄テーパー面と突起部との間に挟まれて前記圧力配管の中空をシールすることを特徴とする圧力配管の接続構造を製造する方法。
2. 前記スリーブは、前記突起部が他のボルトにより固定されていることを特徴とする請求項１記載の圧力配管の接続構造を製造する方法。
3. 前記突起部は、前記圧力配管の雄テーパー面と同じテーパー角度の雌テーパー面を有して前記圧力配管のテーパー面と接触させており、かつ前記スリーブには前記雌テーパー面の途中もしくは一端に前記Ｏリングを収容するＯリング溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力配管の接続構造を製造する方法。
4. 前記Ｏリング溝の底は前記スリーブの中空の中心線に平行であることを特徴とする請求項３記載の圧力配管の接続構造を製造する方法。