阅读说明：本技术 超导输电用隔热多层管及其铺设方法 (Heat-insulating multilayer pipe for superconducting power transmission and laying method thereof ) 是由 石黑康英 佐藤昭夫 坂下重人 于 2018-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供即使利用卷筒方法进行铺设,隔离件也不破损且具备较高的隔热性的超导输电用隔热多层管。该超导输电用隔热多层管具备：超导线缆；多层管,其由多个直管构成,并收纳上述超导线缆；以及多个隔离件,它们设置在上述多个直管中的邻接的两个直管之间,上述隔离件的与上述超导输电用隔热多层管的长边方向垂直的面的截面形状是顶点的数量为三个以上的多边形,上述隔离件在与上述超导输电用隔热多层管的长边方向垂直的面的中心具备贯通孔,上述邻接的两个直管中的内侧的直管被设置成穿过上述贯通孔,上述隔离件与上述邻接的两个直管中的内侧的直管之间的摩擦系数μ<Sub>i</Sub>为0.1以下,上述隔离件与上述邻接的两个直管中的外侧的直管之间的摩擦系数μ<Sub>o</Sub>为0.1以下,上述多边形的对角线等效长度L<Sub>d</Sub>与上述邻接的两个直管中的外侧的直管的内径d之比L<Sub>d</Sub>/d为0.9以下。(The invention provides a superconductive transmission device which does not damage a spacer and has high heat insulation performance even if being laid by a reel methodAn electrically insulating multilayer tube. The heat-insulating multilayer pipe for superconducting power transmission comprises: a superconducting cable; a multilayer tube which is composed of a plurality of straight tubes and houses the superconducting cable; and a plurality of spacers provided between two adjacent straight pipes among the plurality of straight pipes, wherein a cross-sectional shape of a surface of the spacer perpendicular to a longitudinal direction of the superconducting power transmission heat-insulating multilayer pipe is a polygon having three or more vertexes, the spacer includes a through-hole at a center of the surface perpendicular to the longitudinal direction of the superconducting power transmission heat-insulating multilayer pipe, an inner straight pipe among the two adjacent straight pipes is provided so as to pass through the through-hole, and a friction coefficient μ between the spacer and the inner straight pipe among the two adjacent straight pipes i 0.1 or less, and a coefficient of friction mu between the spacer and an outer one of the two adjacent straight pipes o Is 0.1 or less, and has a diagonal equivalent length L of the polygon d The ratio L of the inner diameters d of the outer two adjacent straight pipes d The value of/d is 0.9 or less.)

超导输电用隔热多层管及其铺设方法

技术领域

本发明涉及超导输电用隔热多层管(thermal-insulated multiple pipe forsuperconducting power transmission)，特别是，涉及能够优选用于使用卷筒铺管驳向海底进行铺设的超导输电用隔热多层管。另外，本发明涉及上述超导输电用隔热多层管的铺设方法。

背景技术

在对金属、合金等进行冷却时，在某特定的温度下电阻急剧下降而变为零的超导现象被在各种领域中研究应用。其中，使用超导状态的线缆进行输电的超导输电作为输电时无电力损耗的输电方法被推进实用化。

在超导输电中，为了将线缆维持为超导状态，需要始终对该线缆进行冷却，因此，提出了使用隔热多层管的方案。在隔热多层管中，在多层管的最内侧的管(内管)之中设置超导材料的线缆，并在上述内管之中流动有液氮等冷却介质。另外，为了抑制由来自外部的热量引起的温度上升，设置将邻接的两个管(内管与外管)之间设为真空的真空隔热层，切断热量的侵入。

但是，即使在使用了上述那样的构造的隔热多层管的情况下，若构成多层管的管彼此直接接触，则热量经由该接触部而通过热传导直接向内部侵入，隔热性下降。

因此，在专利文献1中，提出了在内管与外管之间设置由低热传导性材料构成的隔离件的方案。通过使用上述隔离件，防止了内管与外管的接触，从而能够抑制来自外部的热量的侵入。

另一方面，在专利文献2中，从使管具有挠性这一观点出发，提出了作为内管及外管使用了波纹管的、具有挠性的超导输电用隔热多层管的方案。

专利文献1：日本特开2007-080649号公报

专利文献2：日本特开平08-007670号公报

为了将上述那样的超导输电用隔热多层管用于实际的输电，要求跨长距离有效地铺设该多层管的方法，其中，要求铺设于海底的方法。

作为将管铺设于海底的方法，存在使用用于石油用线管的铺设等的卷筒铺管驳的卷筒方法(Reel-Lay)。卷筒铺管驳为具备大径的卷筒的管铺设船，一边将预先卷绕于该卷筒的管在海上卷回一边向海底铺设。

但是，在欲通过上述卷筒方法铺设专利文献1所记载那样的现有的隔热多层管的情况下，可知存在设置在管之间的隔离件破损这一问题。

另外，在使用了专利文献2所记载那样的波纹管的多层管的情况下，可知虽然由于管具有挠性而易于铺设，但不能得到充分的隔热性。

发明内容

本发明是鉴于上述情况所做出的，目的在于提供即使利用卷筒方法进行铺设，隔离件也不破损且具备较高的隔热性的超导输电用隔热多层管。另外，本发明的目的在于提供上述超导输电用隔热多层管的铺设方法。

本发明的主旨结构如下。

1.一种超导输电用隔热多层管，其具备：

超导线缆；

多层管，其由多个直管构成，并用于收纳上述超导线缆；以及

多个隔离件，它们设置在上述多个直管中的邻接的两个直管之间，

其中，

上述隔离件的与上述超导输电用隔热多层管的长边方向垂直的面的截面形状是顶点的数量为三个以上的多边形，

上述隔离件在与上述超导输电用隔热多层管的长边方向垂直的面的中心具备贯通孔，

上述邻接的两个直管中的内侧的直管被设置成穿过上述贯通孔，

上述隔离件与上述邻接的两个直管中的内侧的直管之间的摩擦系数μ_i为0.1以下，

上述隔离件与上述邻接的两个直管中的外侧的直管之间的摩擦系数μ_o为0.1以下，

上述多边形的对角线等效长度L_d与上述邻接的两个直管中的外侧的直管的内径d之比L_d/d为0.9以下。

2.根据上述1所述的超导输电用隔热多层管，其中，上述隔离件与上述邻接的两个直管中的外侧的直管之间的接触部在上述直管的长边方向上的长度L_l为5mm以下。

3.根据上述1或2所述的超导输电用隔热多层管，其中，

构成上述多层管的直管的壁厚的总和为10mm以上。

4.根据上述1～3中的任一项所述的超导输电用隔热多层管，其中，

上述多个直管中的最内侧的管由奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材构成。

5.根据上述1～4中的任一项所述的超导输电用隔热多层管，其中，

上述多个直管中的至少一个具有镀层。

6.一种超导输电用隔热多层管的铺设方法，其中，使用卷筒铺管驳将上述1～5中的任一项所记载的超导输电用隔热多层管铺设于海底。

本发明的超导输电用隔热多层管由于即使利用卷筒方法进行铺设，隔离件也不破损，因此能够有效地进行向海底的铺设。另外，本发明的超导输电用隔热多层管与使用了波纹管、挠性管的隔热多层管相比，具备优异的隔热性。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式中的超导输电用隔热多层管的示意剖视图。

图2是表示摩擦系数μ_o的测定方法的示意图。

图3是表示摩擦系数μ_i的测定方法的示意图。

具体实施方式

接下来，对实施本发明的方法具体地进行说明。此外，以下的说明示出本发明的优选的实施方式，本发明不受以下的说明任何限定。

本发明的超导输电用隔热多层管具备超导线缆、收纳上述超导线缆的多层管、以及多个隔离件。以下，对上述各部分的结构进行说明。

[超导线缆]

作为上述超导线缆，只要能够用于超导输电，则能够使用任意的超导线缆。作为能够优选使用的超导线缆的一例，列举了具有由铜等金属构成的芯材(型模、Former)、绝缘层、以及由超导材料构成的导体的超导线缆。作为上述超导材料能够使用任意的超导材料，但优选使用在液氮环境中取得超导状态的高温超导材料。

[多层管]

上述超导线缆收纳于由多个直管构成的多层管。上述多层管可以是由两个直管构成的双层管，也可以由三个以上的直管构成。上述超导线缆通常收纳于构成上述多层管的多个直管中的最内侧的管(以下，有时称为“最内管”)的内部。在将本超导输电用隔热多层管用于实际的输电时，在收纳有超导线缆的管(通常为最内管)的内部流动有用于冷却超导线缆的冷却介质。作为上述冷却介质，例如能够使用液氮。

在本发明中，不是使用波纹管、挠性管，而是仅使用直管来构成多层管，这点较为重要。与波纹管及挠性管相比，直管的每单位长度的表面积较小，因此能够抑制来自外部的热量的侵入。此外，这里，直管不是像波纹管、挠性管那样被加工成波形的管，而是指实际上具有恒定的截面积的管，对直管实施弯曲加工而得的管也包含于直管。优选上述直管的与长边方向垂直的截面的形状为圆形。

上述直管的材质未被特别限定，但优选为金属制。作为上述金属，例如优选使用选自铝、铝合金、铁、钢、Ni基合金、以及Co基合金中的一个或两个以上。其中，从强度、耐蚀性、成本等的观点来看，作为上述直管优选使用直钢管。作为上述直钢管的材质，优选使用碳钢及不锈钢中的一方或双方。构成多层管的多个直管的材质可以相同，另外也可以不同。

作为构成上述多层管的多个直管中的最内侧的管(最内管)，优选使用由奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材构成的管。在卷绕于卷筒铺管驳(Reel barge)时，由于弯曲半径的不同，所以构成上述多层管的多个直管中的最内侧的管(最内管)受到变形最大。由于奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材的伸长特性优异，因此优选作为最内管的材质。另外，由于最内管与低温的冷却介质接触，因此从低温下的强度及韧性的观点来看，也优选奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材。作为上述奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材，能够使用任意的钢材。优选上述奥氏体的体积百分比为90％以上。另外，上述奥氏体的体积百分比的上限未被特别限定，也可以为100％。作为奥氏体相的体积百分比为80％以上的钢材，例如，列举有奥氏体系不锈钢或含有Mn的奥氏体系钢材(所谓的高锰钢)。优选上述高锰钢的Mn含有率为11质量％以上。另外，作为上述奥氏体系不锈钢，优选使用SUS316L。

作为上述直管，能够使用通过任意的方法制造的管。作为能够优选使用的管的例子，列举有电阻焊管、无缝管、UOE管等。能够对上述直管任意地实施表面处理。作为上述表面处理，例如，优选进行选自酸洗、电解研磨、化学研磨、镀敷中的一个或两个以上。此外，关于镀敷后文叙述。

·壁厚的总和

构成上述多层管的多个直管的壁厚能够分别独立地设为任意的值，但优选总和设为10mm以上，更加优选设为15mm以上。若壁厚的总和为上述范围，则在将超导输电用隔热多层管铺设于海底的情况下，该超导输电用隔热多层管由于自重而下沉，因此能够不使用砝码等而容易地进行铺设，另外，得到能够耐水压等的强度。

此外，构成多层管的多个直管各自的壁厚未被特别限定，但优选为3mm以上。另外，关于构成上述多层管的多个直管中的最外侧的管(以下，有时称为“最外管”)，更加优选将壁厚设为8mm以上。

·镀层

优选在上述直管的表面设置镀层。通过设置镀层，除能够提高耐蚀性以外，也能够降低辐射率而进一步抑制来自外部的热量的侵入。在形成上述镀层的情况下，只要设置于构成多层管的多个直管中的至少一个即可，也能够设置于全部直管。另外，各直管能够在外表面及内表面中的任一方或双方具有镀层。

上述镀层的材质未被特别限定，能够为任意的金属。作为上述金属，例如列举有锌、锌合金、铝、铝合金等。此外，由于最外管与外部的腐蚀环境接触，因此从提高耐蚀性的观点来看，优选在最外管的外侧表面设置由具有牺牲防蚀功能的金属构成的镀层。作为具有上述牺牲防蚀功能的金属，例如列举有锌、锌合金。作为上述镀层的形成方法，例如，能够使用热浸镀、电镀等。

·涂层

为了保护最外管，能够在上述最外管的外侧表面任意地设置涂层。上述涂层的材质未被特别限定，例如能够使用树脂。作为上述树脂，优选使用聚四氟乙烯等氟树脂、硅树脂等。上述涂层的形成方法未被特别限定，例如能够通过将由树脂等构成的带状体卷绕于最外管的外侧表面而形成上述涂层。

[隔离件]

在构成上述多层管的多个直管中的相邻的两个直管之间，设置有多个隔离件。通过设置上述隔离件，能够防止邻接的两个管直接接触，热量直接传递。此外，这里“邻接”是指两个管中的一个管设置于另一个管的内部，且在上述两个管之间不存在其他管的情况。

上述隔离件的与上述超导输电用隔热多层管的长边方向垂直的面的截面形状为多边形。上述多边形可以是顶点的数量为三个以上的任意的多边形，例如列举有三角形、四边形、五边形、六边形等。上述多边形并不限于正多边形。例如，作为上述四边形，不仅是正方形，也能够使用长边与短边的长度不同的长方形。此外，在本发明中的“多边形”中，不仅包含几何学上完美的多边形，还包含对完美的多边形施加了微小变更的“大致多边形”。例如，在通过磨损、变形等而使隔离件的顶点带弧度的情况、变得平坦的情况下，该隔离件的形状也包含于本申请发明的多边形。

图1是表示本发明的一个实施方式中的超导输电用隔热多层管1的截面构造的示意图。在该例中，使用由外管11及内管12构成的二层管10作为多层管，外管11及内管12均为直管。在内管11的内部收纳有超导线缆20，在使用超导输电用隔热多层管1时，在内管1的内部的空间13流动有冷却介质。另外，外管11与内管12之间的空间14在使用超导输电用隔热多层管1时为真空状态，作为真空隔热层发挥功能。

在外管11与内管12之间的空间14设置有隔离件30。在图1所示的例子中，隔离件30的与超导输电用隔热多层管1的长边方向垂直的面的截面形状为长方形，在隔离件30的中心形成有贯通孔31。内管13设置成穿过贯通孔31。此外，在图1中仅示出一个隔离件30，但实际上，多个隔离件在超导输电用隔热多层管1的长边方向隔开间隔地设置。上述间隔未被特别限定，优选设为等间隔。另外，多个隔离件也可以具有不同的形状，但优选为相同的形状。

在隔离件30中，除设置于中心的贯通孔31以外，也能够设置一个或两个以上的贯通孔32。通过设置贯通孔32，能够抑制由于热量在隔离件30传导而引起的热量的侵入。

·摩擦系数

若上述隔离件与该隔离件所接触的管之间的摩擦系数较大，则存在为了通过卷筒方法铺设超导输电用隔热多层管而卷绕于卷筒时、将已卷绕的超导输电用隔热多层管从卷筒卷回时隔离件不滑动，开裂的情况。因此，将上述隔离件与上述邻接的两个直管中的内侧的直管之间的摩擦系数μ_i设为0.1以下。同样地，将上述隔离件与上述邻接的两个直管中的外侧的直管之间的摩擦系数μ_o设为0.1以下。

上述摩擦系数μ_o能够通过以下的方法进行测定。图2是表示对邻接的两个直管中的外侧的直管(外管11)与隔离件之间的摩擦系数μ_o进行测定的方法的示意图。在上述测定中，代替实际的隔离件，使用由与该隔离件相同的材质构成并具有相同的表面粗糙度的摩擦系数测定用治具41。治具41的尺寸形成为宽度5cm、高度5cm、长度40cm，治具41的下表面(与外管11接触的面)具有与外管11的内表面相等的曲率。但是，在外管11的直径为80mm以下的情况下，也配合外管11的尺寸来调整治具41的尺寸。

如图2所示，将治具41设置在外管11的内部，将与治具41连接的弹簧秤42以移动速度150mm/分种水平地进行牵拉，测定治具41开始移动时的载荷T(N)。摩擦系数μ能够使用测定出的载荷T(N)、和治具41的质量M(kg)及重力加速度G(m/s²)，并通过下述(1)式求出。

μ＝T/(G×M)…(1)

在沿管的圆周方向分离了120°的三个点进行测定，将三处的摩擦系数μ的平均值设为μ_o。

另外，上述摩擦系数μ_i能够通过与μ_o同样的方法进行测定。图3是表示对邻接的两个直管中的内侧的直管(内管12)与隔离件之间的摩擦系数μ_i进行测定的方法的示意图。在上述测定中，代替实际的隔离件，使用由与该隔离件相同的材质构成并具有相同的表面粗糙度的摩擦系数测定用治具41。治具41的尺寸形成为宽度5cm、高度5cm、长度40cm，治具41的下表面(与内管12接触的面)具有与内管12的内表面相等的曲率。但是，在内管12的直径为80mm以下的情况下，也配合内管12的尺寸来调整治具41的尺寸。

如图3所示，将治具41设置在内管12的外部，将与治具41连接的弹簧秤42以移动速度150mm/分种水平地进行牵拉，测定治具41开始移动时的载荷T(N)。摩擦系数μ能够使用测定出的载荷T(N)、和治具41的质量M(kg)及重力加速度G(m/s²)，并通过下述(1)式求出。

μ＝T/(G×M)…(1)

在沿管的圆周方向分离了120°的三个点进行测定，将三处的摩擦系数μ的平均值设为μ_i。

将上述摩擦系数控制在上述的范围的方法未被特别限定，能够为任意的方法。通常，摩擦系数取决于所接触的部件的材质、表面状态。因此，在本发明的一个实施方式中，能够控制上述隔离件及该隔离件所接触的管的材质、表面粗糙度等，以使摩擦系数满足上述条件。具体地，优选将以下的(1)～(3)中的至少一个设为0.8mm以下。

(1)上述隔离件的表面中的与直管接触的部分的算术平均粗糙度Ra_s。

(2)上述邻接的两个直管中的内侧的直管的外侧表面的算术平均粗糙度Ra_i。

(3)上述邻接的两个直管中的外侧的直管的内侧表面的算术平均粗糙度Ra_o。

但是，即使上述Ra_s、Ra_i以及Ra_o中的至少一个为0.8mm以下，也根据隔离件及直管的材质、表面处理等的条件不同，而存在不满足上述摩擦系数的条件的情况。该情况下，能够采取将上述Ra_s、Ra_i以及Ra_o全部设为0.8mm以下以进一步降低上述算术平均粗糙度、或者将隔离件的材质变更为润滑性更高的材质这样的方法。

上述算术平均粗糙度在任意的位置进行测定即可。由于通过通常的方法制造的隔离件及直管的表面粗糙度实际上是均匀的，因此能够将在一处测定出的算术平均粗糙度用作整体的表面粗糙度的指标。但是，在使用焊接钢管作为上述直管的情况下，在除焊接部以外的位置测定上述算术平均粗糙度。

作为上述隔离件的材质，只要满足上述的摩擦系数的条件，则能够采用任意的材质，但从热传导性的降低程度、摩擦系数的降低程度这样的观点来看，优选为树脂制，更加优选为氟树脂制。作为上述氟树脂，例如，能够使用选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、以及聚三氟氯乙烯(PCTFE)中的一个或两个以上。另外，为了提高隔离件的强度，能够使用对上述树脂添加了纤维状的填料的纤维增强塑料(FRP)。作为上述FRP，例如列举有玻璃纤维增强塑料(GFRP)。另外，也能够添加其他任意的填料。但是，若添加填料，则隔离件的热传导性变高，存在隔热性下降的情况。因此，从隔热性的观点来看，优选用于上述隔离件的树脂不含有填料。

·隔离件的对角线等效长度(日文：対角相当長)

另外，若隔离件的尺寸与该隔离件所内接的管(在图1的情况下，为外管11)的内部尺寸为相同程度，则无法顺畅地弯折超导输电用隔热多层管，另外，在弯折时存在隔离件破损的情况。因此，将上述隔离件的截面形状亦即多边形的对角线等效长度L_d与上述邻接的两个直管中的外侧的直管的内径d之比(L_d/d)设为0.9以下。优选上述L_d/d为0.8以下。此外，这里，多边形的对角线等效长度定义为连接该多边形不同的两个顶点彼此的线段中的具有最大的长度的线段的长度。例如，在上述多边形为三角形的情况下，对角线等效长度为三条边中的最长的边的长度。另外，在为具有四个以上的顶点的多边形的情况下，对角线等效长度为最大的对角线长度。

·接触部

进一步，若上述隔离件与该隔离件所内接的管之间的接触部过大，则隔离件与管之间的滑动阻力变大，并且隔热性降低。因此，优选将上述隔离件与上述邻接的两个直管中的外侧的直管之间的接触部在上述直管的长边方向的长度L_l设为5mm以下，更加优选为3mm以下，进一步优选为1mm以下。

·间隔

上述隔离件能够沿超导输电用隔热多层管的长边方向隔开任意的间隔设置。上述间隔可以为等间隔，也可以为不等间隔。上述间隔未被特别限定，能够为任意的值，但存在若间隔过大则无法防止构成多层管的管彼此的接触的情况。因此，优选上述间隔为10m以下。另一方面，若上述间隔过小，则隔离件的设置成本增加，因此优选上述间隔为1m以上。此外，允许隔离件的位置伴随着铺设等的作业而改变。

·止挡件

若上述隔离件设置成沿上述超导输电用隔热多层管的长边方向(轴向)自由移动，则隔离件的位置伴随着铺设等的作业而较大变化，其结果是，存在形成有意外的不存在隔离件的区间的情况。因此，能够设置限制上述隔离件沿上述超导输电用隔热多层管的长边方向的移动的限制部件(止挡件)。作为上述止挡件，只要能够限制隔离件的移动，则能够使用任意的部件。例如，能够使用固定于上述邻接的两个直管中的一方或双方的部件作为止挡件。此外，上述止挡件不必一定完全防止隔离件的移动，只要能够防止隔离件越过该止挡件的设置位置而移动的情况即可。

但是，在通常的超导输电用隔热多层管中，将多个多层管通过周向焊接进行连接而形成为所希望的长度。因此，在构成多层管的管的外侧表面及内侧表面，沿长边方向以大致恒定的间隔存在通过焊接形成的凸部(焊缝)。因此，隔离件的移动被上述凸部限制，所以并非必须具备止挡件。

[铺设方法]

上述超导输电用隔热多层管能够通过任意的方法进行铺设，但特别是，能够优选用于使用卷筒铺管驳来铺设于海底的情况。利用卷筒铺管驳进行的铺设能够按照在线管等的铺设中所使用的方法来进行。

在铺设时，对上述邻接的两个直管之间的空间、即设置有隔离件的空间进行排气(抽真空)来形成真空隔热层。上述排气也能够在铺设超导输电用隔热多层管之后进行一次，但也能够分两次以上来进行。例如，在铺设前进行初步排气(临时抽真空)，在铺设后直至到达最终的真空度为止进行排气(正式抽真空)。

附图标记说明

1…超导输电用隔热多层管；10…二层管(多层管)；11…外管；12…内管；13…空间(冷却介质用)；14…空间(真空隔热层)；20…超导线缆；30…隔离件；31…贯通孔(超导线缆设置用)；32…贯通孔(热传导抑制用)；41…治具；42…弹簧秤。