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JP4487591B2 - 形状記憶特性を有する樹脂管及びその樹脂管を用いた内面樹脂ライニング鋼管 - Google Patents
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形状記憶特性を有する樹脂管及びその樹脂管を用いた内面樹脂ライニング鋼管 Download PDF

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Description

本発明は、形状記憶特性を有する樹脂管及びその製造方法に関する。また、本発明は、前記樹脂管を鋼管内面にライニングした内面樹脂ライニング鋼管に関する。
近年、防食などを目的に、例えば、給水、給湯、空調、排水等に使用される鋼管内面に樹脂ライニング層を形成した内面樹脂ライニング鋼管が使用されている。鋼管内面に樹脂ライニング層を形成する方法として、樹脂粉体を鋼管内面に吹き付ける方法があるが、この方法は、生産性が悪く、厚肉のライニング層を得るのに適した方法とは言い難い。
そのため、生産性のより優れたライニング層形成方法として、鋼管内径よりやや小さな外径で、加熱により鋼管内径以上に外径膨張する形状記憶特性を有した樹脂管を鋼管内に配置後、加熱することにより、該樹脂管を膨張させ鋼管内面に貼りつける方法が用いられている。この場合、樹脂管は、加熱により記憶した外径に回復するものである。
形状記憶特性を有した樹脂管は次の方法で製造される。まず、形状記憶特性を有していない一般の樹脂管と同様に、溶融樹脂を押出機のダイより押出し、真空冷却槽に導き、該真空冷却槽の入口に配したサイジングダイにより樹脂管の外径を固定する。真空冷却槽は、所望する冷却に応じて複数個配置される。次に、形状記憶特性を付与するために、外径を固定した樹脂管を再加熱し、縮径加工を行い、その後再び冷却して形状を固定する。このような工程により製造された樹脂管は高い残留応力を有し、該樹脂管を加熱すると、残留応力を開放し、縮径加工前の形状にもどろうとする性質(形状記憶特性)を示す。
縮径加工には、2台の引取り機に引取速度差を生じさせることにより、樹脂管を縮径させる方法がある(以下、先行技術1)。また、これに代わる方法として、特許文献1には、押出機直後に、冷却水がシャワー状に噴射している真空冷却槽(シャワー式真空冷却槽)の入り側にテーパ付サイジングダイを設け、その中を、樹脂管を冷却させながら通過させることにより樹脂管を縮径させ、形状記憶特性の付与に必要な残留応力を付与する方法が提案されている(以下、先行技術2)。
特開2002−234067号公報(第3頁)
しかし、先行技術1では、2台の引取機の速度差のみで縮径するため、所望の縮径率を得るには、軸方向により大きい延伸率を必要とする。この方法で形状記憶特性が付与された樹脂管は、所望の外径膨張を得るにはより大きい軸方向収縮を必要とするので、ライニング工程において、鋼管内面との摩擦による抵抗により軸方向収縮に必要な時間が長くなり、外径膨張の時間も長くなるため、結果としてライニング工程の生産性を上げられないという問題がある。
また、先行技術2に記載される方法は、縮径加工する際にテーパ付サイジングダイのテーパ部で樹脂管が詰まり易く、樹脂管に形状記憶特性を付与する工程の生産性を低下させる問題がある。
本発明は、前記問題点を解決し、樹脂管に形状記憶特性を付与する工程で生産性を低下させる問題がなく、また該樹脂管を鋼管内面にライニングする際にライニング工程で生産性を向上できる形状記憶特性を有する樹脂管及びその樹脂管を用いた内面樹脂ライニング鋼管を提供するものである。
上記の課題を解決する本発明の要旨は次のとおりである。
第1発明は、押出機より押し出され、水冷され、真空引きでサイジングダイに密着させて冷却、硬化され、さらに加熱炉において、所定の形状記憶特性付与温度に加熱され、テーパ付きサイジングダイ表面に密着させて冷却、硬化されつつ、縮径して形状記憶特性が付与された樹脂管であって、前記所定の形状記憶特性付与温度に加熱して60秒保持したときの径方向膨張率Rdが1%以上30%以下、軸方向収縮率R1が30%以下、かつ前記径方向膨張率Rdと前記軸方向収縮率R1の比Rd/R1が0.8以上であることを特徴とする形状記憶特性を有する樹脂管である。
但し、
Rd=(da−ds)/da×100(%)
Rl=(La−Ls)/La×100(%)
ds:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の外径
da:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の外径
Ls:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の長さ
La:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の長さ
発明は、第1発明の樹脂管を加熱してなる樹脂層が鋼管内面に被覆されていることを特徴とする内面樹脂ライニング鋼管である。
発明は、鋼管内面が樹脂層により被覆された内面樹脂ライニング鋼管であって、鋼管内に外鋼管の内径より小さい外径を有する第1発明の樹脂管を配し、その後、該樹脂管を加熱してその外径を膨張させ該鋼管内面に被覆して製造されたことを特徴とする内面樹脂ライニング鋼管である。
第1発明の樹脂管によれば、樹脂管を加熱して外径を膨張させた時の軸方向収縮が小さいので、該樹脂管を鋼管内面にライニングする際にライニング工程での生産性を向上できる。
第1発明の樹脂管を鋼管内面にライニングすることによって、内面樹脂ライニング鋼管を製造する際の生産性が良好になる(第発明、第発明)。
本発明者らは、テーパ付サイジングダイを用いて形状記憶特性を付与した樹脂管は、内面樹脂ライニング鋼管を製造する際の生産性に優れている点に着目し、テーパ付サイジングダイを用いて形状記憶特性を有する樹脂管を製造する際の先行技術2の課題を解決する方法を検討した。その結果、テーパ付サイジングダイで縮径加工して形状記憶特性を付与する際に、先行技術2は、溶融樹脂の固化を進行させながら縮径加工を能率的に行うために、冷却水をシャワー状に噴射して樹脂管を直接冷却しているが、樹脂管を冷却水で直接冷却しなければ、テーパ部における樹脂管の詰まりを防止できることを知見し、さらに検討した結果、形状記憶特性を有する樹脂管を製造する際の生産性に優れ、また、内面樹脂ライニング鋼管を製造する際のライニング工程の生産性にも優れる形状記憶特性を有する樹脂管についても知見した。本発明は、この知見に基づくものである。
以下、本発明の限定理由について説明する。
本発明に係る形状記憶特性を有する樹脂管は、所定の形状記憶特性付与温度に加熱して60秒保持したときの径方向膨張率Rdが1%以上30%以下、軸方向収縮率Rlが30%以下、かつ前記径方向膨張率Rdと前記軸方向収縮率Rlの比Rd/Rlが0.8以上であることを特徴とする。
但し、
Rd=(da−ds)/da×100(%)
Rl=(La−Ls)/La×100(%)
ds:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の外径
da:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の外径
Ls:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の長さ
La:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の長さ
本発明において、樹脂管の径方向膨張率Rdと軸方向収縮率Rlとを形状記憶特性付与温度に加熱して60秒保持したときの数値で規定するのは以下の理由による。
形状記憶特性付与温度とは、樹脂管に形状記憶特性を付与する際に樹脂管を加熱する温度であり、良好な形状復元性を付与するには、形状記憶特性付与温度を、Teg以上、Teg+50℃以下とすることが好ましい。但し、Tegは樹脂のガラス転移終了温度である。ガラス転移開始温度以上、ガラス転移終了温度(Teg)未満の温度範囲では、樹脂のガラス状態からゴム状態への変化の途上であるため、付与される形状記憶特性が不安定であり、形状記憶特性を付与した樹脂管を加熱したときに安定した形状復元性を得られない。また、Teg+50℃超となるとゴム弾性率が低下し、樹脂管を加熱したときに良好な形状復元性を得られない。形状記憶特性付与温度のより好ましい温度は、Teg以上、Teg+10℃以下である。
鋼管内面に樹脂管をライニングするライニング工程では、通常、樹脂管の加熱温度を形状記憶特性付与温度以上の温度とする。したがって、樹脂管を形状記憶特性付与温度に加熱したときの径方向膨張率Rdと軸方向収縮率Rlとを評価することで、ライニング工程における形状復元性を適切に評価できる。加熱時間を60秒に規定したのは、この加熱時間での評価結果がライニング工程における形状復元性を適切に評価できたことに基づく。
径方向膨張率Rd:1%以上30%以下
径方向膨張率Rdが1%未満になると、ライニング工程で、鋼管内への樹脂管装入が困難になる。一方、径方向膨張率Rdを30%超にするためには樹脂管製造時の縮径加工の加工度を大きくしなければならない。その結果、樹脂管製造時にテーパ部で詰まりや折れこみが発生しやすくなり、樹脂管製造が困難になる。径方向膨張率Rdは3%以上25%以下がより好ましい。
軸方向収縮率Rl:30%以下
軸方向収縮率Rlが30%以下であると、ライニング工程の生産性に優れる。軸方向収縮率Rlが30%超になると、ライニング工程で、鋼管内面との摩擦による抵抗が大きくなり、軸方向の収縮に時間を要し、外径膨張にも時間を要するようになる結果、ライニング工程の生産性の低下を招く。軸方向収縮率Rlは25%以下がより好ましい。
径方向膨張率Rdと軸方向収縮率Rlの比(Rd/Rl):0.8以上
2台の引取機を用いる単純引張りでの縮径の場合、径方向の変形と軸方向の変形の比(径方向変形/軸方向変形)は一定(材料毎のポアソン比で決定される)で、通常0.8未満である。Rd/Rlを0.8以上にすることで、軸方向の収縮を抑えながら径方向に復元しうる樹脂管となり、ライニング工程の生産性を向上できる。なお、本発明では、樹脂管を所定の形状記憶特性付与温度でテーパ付サイジングダイを通して縮径加工して形状記憶特性を付与することで、Rd/Rlを0.8以上にすることができる。ライニング工程での生産性のさらなる向上を図るためには、Rd/Rlを1.0以上とすることがより好ましい。
本発明が対象とする樹脂種については特に規定しない。形状記憶特性に優れたスチレン−ブタジエン共重合体、ポリウレタン、ポロルボルネン等、形状記憶特性が乏しいポリスチレン、ポリカーボネート、エンジニアリングプラスチック(例えば、ポリスルホン、ポリカーボネイト、変性ポリフェニレンエーテルなど)等を使用することが可能である。
また、本発明では、樹脂の密度、MFR、分子量などの特性を規定する必要はない。可塑剤、顔料、充填剤、難燃剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電剤、滑剤、粘着付与剤などの添加剤を加えることは差し支えなく、他の樹脂を加えたブレンド樹脂としてもよい。
次に、本発明の形状記憶特性を有する樹脂管の製造方法について説明する。
図1は、本発明の形状記憶特性を有する樹脂管の製造に使用する樹脂管製造設備の一構成例を示す図である。図1において、1は押出機、2は樹脂管、3は真空冷却槽、4は第一引取機、5は加熱炉、6はテーパ付サイジングダイ、7はドライ真空槽、8は冷却槽、9は第二引取機である。
真空冷却槽3は、入側に、管外面に冷却水を直接シャワー状に噴射して冷却するシャワー装置(図示なし)を備える。真空冷却槽の入口にサイジングダイ3aが配置されている。サイジングダイ3aはその内部に冷却水が供給される水冷ジャケットを備える。加熱炉5とドライ真空槽7との間には、樹脂管2表面に冷却水を直接噴射して冷却するシャワー装置は配置されていない。なお、本明細書において、ドライ真空槽とは、樹脂管を直接水冷する水シャワー設備を備えない真空槽という意味である。
図2は、図1の設備に配置されているドライ真空槽7および冷却槽8部分の詳細構造を説明する断面拡大図である。テーパ付サイジングダイ6は、ドライ真空槽7部分に配置されており、テーパ部6bを挟んで入側と出側に各々平行部6a及び6cを有する。
テーパ付サイジングダイ6には、樹脂管通過部分からドライ真空槽7の真空室15につながる複数の吸引孔16が設けられている。真空室15内雰囲気を真空ポンプ17で吸引することで、テーパ付サイジングダイ6を通過する樹脂管2を真空引きしてテーパ付サイジングダイ6表面に密着させ、冷却して硬化させる。
テーパ付サイジングダイ6は、内部に冷却水が供給される冷却ジャケット13を備える。本装置では、水シャワーで樹脂管を直接水冷しないので、テーパ付サイジングダイ6の冷却ジャケット13に供給する冷却水の温度を下げてテーパ付サイジングダイ6を冷却し、その表面温度を所定温度以下の低温に保持する。冷却水は、温度調整装置(図示なし)で所定温度に冷却され、冷却水供給口12からテーパ付サイジングダイ6の水冷ジャケット13に供給され、冷却水排出口14から排出される。
冷却槽8では樹脂管を水中に没して冷却する、または樹脂管を水シャワーで冷却する。
図1の設備を用いて、押出機1より、溶融した樹脂が管状となるように押出され、押し出された管状の樹脂は、真空冷却槽入側のシャワー装置(図示なし)で直接水冷されながら真空冷却槽3に案内される。真空冷却槽3で真空引きされて周囲のサイジングダイ3aに密着させることで冷却、硬化され、樹脂管の引取に支障がない温度、通常20℃程度又はそれ以下の温度まで冷却され、第一引取機4に引き取られる。
次に、加熱炉5で、所定の形状記憶特性付与温度まで加熱され、テーパ付サイジングダイ6が設置されたドライ真空槽7に導かれる。
樹脂管2は、形状記憶特性付与に好適な温度範囲内に保持された状態でドライ真空槽7のテーパ付サイジングダイ6のテーパ部6bを通過する。この間に、軸方向延伸率を抑えた状態で径方向に縮径され、残留応力が付与される。また、真空室15内雰囲気を真空ポンプ17で吸引することで、テーパ付サイジングダイ6を通過する樹脂管を真空引きしてテーパ付サイジングダイ6表面に密着させ、樹脂管2は冷却して硬化される。
本実施の形態に係る装置では、ドライ真空槽7の入側にシャワー装置を備えないので、ドライ真空槽7の入側及びドライ真空槽7で縮径加工中、樹脂管はドライ状態で冷却される。なお、本発明において、ドライ状態とは、樹脂管を水シャワーで直接水冷しないという意味である。この区間で、樹脂管2は冷却ジャケットを備えるテーパ付サイジングダイ6で間接冷却される。樹脂管2をドライ状態で冷却することで、テーパ部6bでの樹脂管2の詰まりを防止できる。テーパ部6bでの樹脂管2の詰まりを防止できる理由は、樹脂管2が冷却水で直接冷却されなくなったため、樹脂管2が局部的にガラス転移温度以下に冷却されることがなくなったためと考えられる。
本実施の形態に係る装置では、テーパ付サイジングダイ6はテーパ部6bの前方および後方に平行部6a及び6cを有することで、樹脂管2は、縮径前後の外径の安定性が確保される。また、樹脂管2は、テーパ部6bにおいて、所定の形状記憶特性付与温度に保持された状態で縮径加工される結果、付与される形状記憶特性の変動が低減される。
該テーパ付サイジングダイ6を通過する樹脂管を冷却する能力を強化する観点から、テーパ付サイジングダイ6のダイ表面温度(金型表面温度)は、50℃以下が好ましく、20℃以下がより好ましい。冷却ジャケット13に供給する冷却水温度を調整することにより、テーパ付サイジングダイ6の温度を容易に調整できる。
テーパ付サイジングダイ6を通過した樹脂管2は、隣接する冷却槽8を通過し、下流の第2引取機9が引き取るのに支障ない温度まで、通常20℃程度又はそれ以下の温度まで冷却され、外径が固定され、所定の寸法の樹脂管2となり、第二引取機9によって引き取られる。
本発明においては、本発明の効果を損なわない範囲で、冷却能力を改善する観点から、必要に応じて、空気等の気体を樹脂管に吹き付けてもよい。また、潤滑性を改善する観点から自己潤滑性の材料を樹脂管にコーティングしてもよく、潤滑剤を樹脂管やテーパ付サイジングダイの表面に供給してもよい。
なお、図1に示した設備では、ドライ真空槽7の上流に、真空冷却槽3、第一引取機4及び加熱炉5が配置されていたが、これらの装置を省略し、押出機1から管状に押し出した樹脂を、ドライ真空槽7のテーパ付サイジングダイ6に導入して形状記憶特性を付与してもよい。
本発明に係る形状記憶特性を有する樹脂管を鋼管内面にライニングすることで、内面樹脂ライニング鋼管の製造が可能である。鋼管内に該鋼管の内径より小さい外径を有する第1発明の樹脂管を配し、その後、該樹脂管を加熱してその外径を膨張させ該鋼管内面に被覆させて内面樹脂ライニング鋼管を製造する。具体的には、上述の本発明の樹脂管の製造方法に従って、樹脂管の外径を鋼管内径よりも大きな外径に固定した後、鋼管内径よりも小さな外形に縮径して形状記憶特性を有する樹脂管を製造する。該樹脂管を鋼管内部に挿入し、その後、該樹脂管のガラス転移終了温度(Teg)以上、形状記憶特性付与温度+50℃以下の範囲内に加熱する。加熱された樹脂管は、その形状記憶特性から、長さ方向の収縮を伴いながら、径方向に膨張し、鋼管の内側に貼りつく。
内面樹脂ライニング鋼管に用いる鋼管は、内面をメッキ、化成処理、またはプライマー処理したものでも良い。
外径φ32mm、肉厚0.8mmの変性ポリフェニレンエーテル樹脂(Teg:170℃)からなる樹脂管を、図1に示したテーパ付サイジングダイ6を備える樹脂管製造設備を用いて、形状記憶特性付与温度:180℃に加熱した後に縮径して形状記憶特性を付与した樹脂管を製造した。冷却槽8は水シャワー装置を用いた。テーパ付サイジングダイ6の形状を表1に示す。その際、テーパ付サイジングダイ6を冷却する冷却ジャケットに供給する冷却水の温度を調整してテーパ付サイジングダイ6の表面温度(金型表面温度)を変えた(冷却状態:ドライ)。比較のために、図1に示した設備において、ドライ真空槽7の入側に、シャワー装置を設置して樹脂管を直接水冷した後、形状記憶特性を付与した樹脂管を製造した(冷却状態:ウェット)。前記樹脂管製造時のテーパ付サイジングダイ6での詰まり有無を調査した。詰まりの発生しなかった樹脂管は、付与された形状記憶特性を調査した。形状記憶特性を付与した樹脂管の製造条件及び特性の調査結果を表2に示す。なお、表2には、比較のために、先行技術1の方法で縮径して樹脂管に形状記憶特性を付与した場合(従来製造方法)についても記載した。
製造した樹脂管を、内径φ27.5mm、肉厚3.2mmの鋼管内面に挿入し、樹脂管の温度が180℃になるように加熱し、樹脂管を鋼管内面にライニングした。ライニング工程における生産性の評価結果を表2に併せて記載した。
Figure 0004487591
Figure 0004487591
比較例ではテ−パ付サイジングダイのテ−パ部で樹脂管の詰まりが発生し、樹脂管を製造できなかったが、本発明例では詰まりの発生は無く、問題なく樹脂管を製造できた。本発明例の樹脂管は、従来例の樹脂管に比べ軸方向収縮率が小さく、Rd/Rlが0.8以上となっている。さらに本発明例の樹脂管を鋼管内面にライニングして内面樹脂ライニング鋼管を製造する際のライニング性(生産性)は、従来例の樹脂管を鋼管内面にライニングして内面樹脂ライニング鋼管を製造する際のライニング性に比べて優れており、生産性が従来例の2倍に向上している。
外径φ59mm、肉厚0.8mmの変性ポリフェニレンエーテル樹脂(Teg:170℃)からなる樹脂管を、図1に示したテーパ付サイジングダイ6を備える樹脂管製造設備を用いて、形状記憶特性付与温度:180℃に加熱した後に縮径して形状記憶特性を付与した樹脂管を製造した。冷却槽8は水シャワー装置を用いた。テーパ付サイジングダイ6の形状を表3に示す。その際、テーパ付サイジングダイ6を冷却する冷却ジャケットに供給する冷却水の温度を調整してテーパ付サイジングダイ6の表面温度(金型表面温度)を変えた(冷却状態:ドライ)。比較のために、図1に示した設備において、ドライ真空槽7の入側に、シャワー装置を設置して樹脂管を直接水冷した後、形状記憶特性を付与した樹脂管を製造した(冷却状態:ウェット)。前記樹脂管製造時のテーパ付サイジングダイ6での詰まり有無を調査した。詰まりの発生しなかった樹脂管は、付与された形状記憶特性を調査した。形状記憶特性を付与した樹脂管の製造条件及び特性の調査結果を表4に示す。なお、表4には、比較のために、先行技術1の方法で縮径して樹脂管に形状記憶特性を付与した場合(従来製造方法)についても記載した。
前記で製造した樹脂管を、内径φ52.9mm、肉厚3.8mmの鋼管内面に挿入し、樹脂管の温度が180℃になるように加熱し、樹脂管を鋼管内面にライニングした。ライニング工程における生産性の評価結果を表4に併せて記載した。
Figure 0004487591
Figure 0004487591
比較例ではテ−パ付サイジングダイのテ−パ部で樹脂管の詰まりが発生し、樹脂管を製造できなかったが、本発明例では詰まりの発生は無く、問題なく樹脂管を製造できた。本発明例の樹脂管は、従来例の樹脂管に比べ軸方向収縮率が小さく、Rd/Rlが0.8以上となっている。さらに本発明例の樹脂管を鋼管内面にライニングして内面樹脂ライニング鋼管を製造する際のライニング性(生産性)は、従来例の樹脂管を鋼管内面にライニングして内面樹脂ライニング鋼管を製造する際のライニング性に比べて優れており、生産性が従来例の2倍以上に向上している。
本発明の樹脂管の製造方法は、テーパ付サイジングダイで縮径して形状記憶特性を有する樹脂管を製造する方法として利用することができる。
本発明の樹脂管、本発明法で製造された樹脂管は、給水、給湯、空調、排水等の配管等に使用される内面樹脂ライニング鋼管の内面にライニングする樹脂管として利用することができる。
本発明の形状記憶特性を有する樹脂管の製造に使用する樹脂管製造設備の一構成例を示す図である。 図1の設備に配置されているドライ真空槽および冷却槽部分の詳細構造を説明する断面拡大図である。
符号の説明
1 押出機
2 樹脂管
3 真空冷却槽
3a サイジングダイ
4 第一引取機
5 加熱炉
6 テーパ付サイジングダイ
7 ドライ真空槽
8 冷却槽
9 第二引取機
12 冷却水供給口
13 冷却ジャケット
14 冷却水排出口
15 真空室
16 吸引孔
17 真空ポンプ

Claims (3)

  1. 押出機より押し出され、水冷され、真空引きでサイジングダイに密着させて冷却、硬化され、さらに加熱炉において、所定の形状記憶特性付与温度に加熱され、テーパ付きサイジングダイ表面に密着させて冷却、硬化されつつ、縮径して形状記憶特性が付与された樹脂管であって、前記所定の形状記憶特性付与温度に加熱して60秒保持したときの径方向膨張率Rdが1%以上30%以下、軸方向収縮率R1が30%以下、かつ前記径方向膨張率Rdと前記軸方向収縮率R1の比Rd/R1が0.8以上であることを特徴とする形状記憶特性を有する樹脂管。
    但し、
    Rd=(da−ds)/da×100(%)
    Rl=(La−Ls)/La×100(%)
    ds:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の外径
    da:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の外径
    Ls:形状記憶特性付与温度に再加熱前の樹脂管の長さ
    La:形状記憶特性付与温度に60秒保持後の樹脂管の長さ
  2. 請求項1記載の樹脂管を加熱してなる樹脂層が鋼管内面に被覆されていることを特徴とする内面樹脂ライニング鋼管。
  3. 鋼管内面が樹脂層により被覆された内面樹脂ライニング鋼管であって、鋼管内に外鋼管の内径より小さい外径を有する請求項1記載の樹脂管を配し、その後、該樹脂管を加熱してその外径を膨張させ該鋼管内面に被覆して製造されたことを特徴とする内面樹脂ライニング鋼管。
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