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PATENTANSPRÜCHE
1. Glasfaserverstärktes Kunststoffrohr mit einer ersten Rohrschicht, in der die Glasfasern angenähert in Umfangsrichtung orientiert sind, und einer zweiten Rohrschicht, in der die Glasfasern angenähert in Achsenrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Rohrschicht eine axial gerichtete Eigendruckspannung eingeprägt ist.
2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Rohrschicht eine Umfangseigendruckspannung eingeprägt ist.
3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigendruckspannung ungefähr so gross wie die durch die Nennbelastung hervorgerufenen Querzugspannungen senkrecht zu den Glasfasern ist.
4. Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zweite Rohrschicht auf der ersten Rohrschicht befindet.
5. Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfasern in den beiden Rohrschichten 88-800 bzw. 2-100 zur Rohrachse geneigt orientiert sind.
6. Rohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rohrschicht aus wenigstens zwei Lagen besteht, in denen die Glasfasern spiegelbildlich zur Rohrachse geneigt orientiert sind.
7. Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem nicht flexibilisiertem Laminierharz mit einem Elastizitätsmodul von 3000 bis 4000 Nimm2 aufgebaut ist.
8. Rohr nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigendruckspannung grösser ist als die durch die Nennbelastung hervorgerufenen Querspannungen.
9. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunäckst eine erste Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Umfangsrichtung orientierten Fasern erzeugt wird, dass diese erste Rohrschicht im ausgehärteten Zustand durch eine äussere Kraft axial auf Druck belastet wird, dass auf die belastete erste Rohrschicht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung orientierten Fasern aufgebracht und ausgehärtet wird, und dass die äussere Kraft nach dem Aushärten der zweiten Rohrschicht entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rohrschicht während des Aufbringens und Aushärtens der zweiten Rohrschicht von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Belastung und gegebenenfalls der Druck des Druckmediums ungefähr so bemessen werden, dass dem Rohr eine Eigenspannung eingeprägt wird, die die durch die Nennbelastung des Rohrs hervorgerufenen, senkrecht zu den Glasfasern gerichteten Querzugspannungen zumindest teilweise, vorzugsweise zu mehr als 1000/o kompensiert.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannung so bemessen wird, dass die bei Nennbelastung des Rohrs auftretenden, parallel zu den Fasern gerichteten Längszugspannungen in beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.
Die Erfindung betrifft ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr mit einer ersten Rohrschicht, in der die Glasfasern angenähert in Umfangsrichtung orientiert sind, und einer zweiten Rohrschicht, in der die Glasfasern angenähert in Achsenrichtung verlaufen.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass es keine Faseranordnung für Druckrohre gibt, die es erlauben würde, hohe Spannungen a,, parallel zu den Fasern zu erreichen ohne dass gleichzeitig erheblicheSpannungen auf (Querspannungen) auftreten. Während die Festigkeit parallel zu den Fasern etwa 850 N/mm2 beträgt, erreicht man für die Querzugfestigkeit bestenfalls 70 N/mm2. Das hat zur Folge, dass man bei Belastungen, die noch nicht zu a" -Brüchen (Faserbrüchen) führen, bereits Rissbildung infolge der ol -Spannungen zu verzeichnen hat.
Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll durch die Erfindung ein glasfaserverstärktes Kunststoffrohr derart verbessert werden, dass bei Belastung keine wesentlichen Querzugspannungen auftreten.
Ausgehend.von einem Rohr der in Rede stehenden Art wird dies gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass der ersten Rohrschicht eine axial gerichtete Eigendruckspannung eingeprägt ist. Vorzugsweise weist die erste Rohrschicht auch in Umfangsrichtung eine Eigendruckspannung auf. Die Eigendruckspannungen sind dabei ungefähr so gross wie die durch die Nennbelastung des Rohrs hervorgerufenen Querzugspannungen.
Vorspannung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ist im akademischen Rohmen schon gelegentlich, allerdings mit anderer Zielsetzung, diskutiert worden. Solche Gedanken sind aber bisher immer wieder verworfen worden wegen der Befürchtung, dass wegen des viskoelastischen Verhaltens von Kunststoffen eingebaute Eigenspannungszustände schnell relaxieren und deshalb nicht sehr lange aufrechterhalten werden können. Überraschend wurde nun gefunden, dass die Relaxionszeiten entgegen allen Vorurteilen um Grössenordnungen länger als bisher angenommen sind.
Die Erfindung basiert auf dieser unerwarteten Erkenntnis und auf der Überlegung, dass, wenn erst einmal der er strebte Betriebszustand a / = 0 erreicht ist, sich dieser Zu- stand durch Kriechen oder Relaxation auch nicht mehr ändern kann, dann bei verschwindender Querzugspannung hört jedes Kriechen und jede Relaxation auf, weil die noch verbleibenden faserparallelen Spannungen nicht relaxieren. Für die Praxis bedeutet dies, dass dafür Sorge zu tragen ist, dass von der dem Rohr bei der Herstellung erteilten Vorspannung zwischen der Herstellung und der Inbetriebnahme des Rohrs ein ausreichender Rest übrig bleibt, was bei den unerwartet hohen Relaxationszeiten jedoch keinerlei Schwierigkeiten bereitet.
Ausserdem kann aber auch vorgehalten werden, indem die Vorspannung bei der Herstellung um die geschätzte relaxationsbedingte Abnahme oder eventuell auch um einen etwas darüber hinausgehenden Betrag überhöht wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohrs. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine erste Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Umfangsrichtung orientierten Fasern erzeugt wird, dass diese erste Rohrschicht im ausgehärteten Zustand durch eine äussere Kraft axial auf Druck belastet wird, dass auf die belastete innere Rohrschicht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung orientierten Fasern aufgebracht und ausgehärtet wird, und dass die äussere Kraft nach dem Aushärten der zweiten Rohrschicht entfernt wird.
Vorzugsweise wird dabei die erste Rohrschicht während des Aufbringens und Aushärtens der zweiten Rohrschicht von innen mit einem Druckmedium be aufschlagt. Die axiale Belastung und der Druck des Druckmediums werden ungefähr so bemessen, dass das Rohr eine Eigenspannung erfährt, die die bei Nennbelastung des Rohrs auftretenden, senkrecht zu den Glasfasern gerichteten Quer
zugspannungen zumindest teilweise kompensiert, und dass die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, parallel zu den Fasern gerichteten Längszugspannungen in beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Die beiden Figuren zeigen schematisch die zwei wichtigsten Phasen der Herstellung eines erfindungsgemässen Rohrs.
Als erstes wird zunächst die Rohrschicht mit den in Umfangsrichtung orientierten Glasfasern hergestellt. Dies erfolgt, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, in konventioneller Art durch Aufwickeln eines mit Harz getränkten Glasfaserstranges 1 auf einen hohlen Dorn 2. Der Dorn ist drehbar angetrieben und enthält in seinem Inneren einen Infrarot- Heizstab 3 zum Aushärten des Rohrwickels. An seinen Enden trägt der Dorn zwei Flanschen 4 zur Erzielung sauberer Rohrenden. Der Glasfaserstrang 1 setzt sich aus einer Vielzahl von Fasern 5 zusammen, die von Vorratsspulen 6 durch ein Harztränkbad 7 zu einem Wickelauge 8 zusammei2- laufen.
Das Wickelauge vollführt in bekannter Weise eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den beiden Flanschen 4, sodass ein mehrlagiger Wickel entsteht, in dem die Orientierung der Glasfasern in aufeinanderfolgenden Lagen symmetrisch zur Rohrachse sind.
Nach dem Aushärten dieser so erzeugten, mit A bezeichneten ersten Rohrschicht wird diese auf einen anderen, an seinem Umfang mit Stützrippen 11 versehenen, in ebenfalls nicht gezeigter Weise drehbar angetriebenen Wickeldorn 12 aufgebracht und zwischen zwei Flanschen 13 und 14 eingespannt.
Der Flansch 13 ist axial feststehend und mit einer Einlass- bzw. Anschlussöffnung 15 für ein Druckmedium versehen, welche in den Zwischenraum 16 zwischen der Dornmantelfläche und der Innenwand der Rohrschicht A mündet.
Die Stützrippen 11 weisen Kommunikationsöffnungen auf, sodass das Druckmedium den gesamten Zwischenraum 16 ausfüllen kann.
Der Flansch 14 ist mittels eines Hydraulik-Zylinders 17 axial verstellbar. Vor der Herstellung der zweiten Rohrschicht wird nun die erste Rohrschicht A mittels des Hydraulik Zylinders 17 und des Flansches 14 axial auf Druck belastet und gleichzeitig durch Unterdrucksetzen des im Zwischenraum 16 befindlichen Druckmediums in Umfangsrichtung etwas gedehnt. Auf die derart unter Spannung gehaltene Rohrschicht werden nun in konventioneller Weise von Hand oder mittels geeigneter bekannter Vorrichtungen mehrere Lagen von angenähert axial orientierten harzgetränkten Glasfasern aufgebracht und mittels eines Infrarotstrahles 18 ausgehärtet. Auch hier sind die Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse orientiert. Dieser so gebildete mehrlagige axiale Glasfaserwickel bildet die zweite, mit B bezeichnete Schicht des Kunststoffrohrs.
Wenn die zweite Rohrschicht ausreichend ausgehärtet ist, wird die axiale Belastung und der Innendruck im Rohr entfernt. Die der inneren Rohrschicht durch diese axiale Belastung bzw. den Innendruck ursprünglich mitgeteilte Spannung bleibt zum Teil als Eigenspannungszustand im Rohr erhalten.
Zum Aufbau des Rohrs wird ein nicht flexibilisiertes Laminierharz mit einem E-Modul zwischen 30004000 N/mm2 verwendet. Der Glasfaservolumenanteil beträgt vorzugsweise etwa 6O0/o. Es wird zweckmässigerweise E-Glas mit einem E-Modul von etwa 73000 Nimmt verwendet.
Bei geeigneter Dimensionierung des in das GFK-Rohr erfindungsgemäss eingebauten Eigenspannungszustands lassen sich die bei Betriebsbelastung des Rohrs auftretenden Querzugspannungen praktisch vollständig kompensieren.
Dies erlaubt dann die Dimensionierung des Rohres so, als ob es sich nicht um einen mehrachsigen, sondern lediglich um einen einachsigen Spannungszustand handelte. In der Praxis führt dies zu einer drastischen Reduktion der für die gegebene Nennbelastung notwendigen Wandstärke des Rohrs und den damit zusammenhängenden Vorteilen. Beispielsweise ist für eine Erdgasleitung mit einem lichten Durchmesser von 600 mm, die für einen Betriebsnenndruck von 64 bar ausgelegt ist, nur mehr eine Gesamtwandstärke von rund 15 mm gegenüber 50 mm (DIN 19694) bei konventionellen Rohren erforderlich.
Die Daten für die Herstellung des ebenerwähnten Rohrs sind:
Wandstärke der inneren Rohrschicht: 13 mm
Wandstärke der äusseren Rohrschicht: 2 mm
Harz: nicht flexibilisiert, E-Modul 3500 N/mm2
Glasfasern: E-Glas E-Modul 73000 Nlmm2
Glasvolumenanteil: 6ohio
Axiale Belastung während der Herstellung der zweiten Schicht: 40 N/mm2
Hydrostatischer Druck des Druckmediums: 80 bar
Wickelorientierung zur Rohrachse: + 850 bzw. +50
Bei einem derart dimensionierten Rohr werden die Querzugspannungen bei Nennbelastung (64 bar) praktisch vollständig kompensiert.
In der Praxis ist es vorteilhaft, die in das Rohr eingebaute Eigenspannung etwas grösser zu wählen, als für die Kompensation der Querzugspannung an sich nötig wäre. Dadurch können auch über die Nennbelastung des Rohrs hinausgehende Belastungsspitzen ohne Schaden überstanden werden und andererseits kann dadurch die an sich zwar geringe relaxationsbedingte Abnahme der Eigenspannung bei allfälligen längeren Lagerungszeiten zwischen Herstellung und Einsatz des Rohrs mitberücksichtigt bzw. wettgemacht werden.
Die genaue Bestimmung der Rohrabmessungen und der einzubauenden Eigenspannungen bzw. die dazu notwendigen axialen Belastungen und Mediumdrucke während der Herstellung erfolgt für den Sonderfall der Pipeline, bei der keine Axialdehnung auftritt, anhand der nachstehenden Formeln.
Ausgehend vom gegebenen Betriebsdruck und Nenndurchmesser sowie von einer gewählten Rohrstruktur (Harz, Glas, Glasanteil, Wickelwinkel etc.), die das elastische Verhalten des Rohrs bestimmt (E-Modulen, Querkontraktionszahlen), und von den drei grundlegenden Forderungen, dass a) die im Betrieb auftretenden axial gerichteten Querzugspannungen in der Rohrschicht A, b) die Querzugspannung in Umfangsrichtung in der Rohrschicht B kompensiert bzw. sogar überkompensiert werden, und c) die zu den Glasfasern parallel gerichteten Spannungen in beiden Rohrschichten möglichst gleich gross sein sollen, erhält man nach den bekannten Regeln der Kontinuumstheorie (Dissertation A. Puck aus der Fakultät für Maschinenwesen an der Technischen Universität Berlin, D 83, vom 6.
Juli 1966) folgende Formeln für das Verhältnis tl' der Wanddicke ti der Rohrschicht A zur Gesamtwanddicke t:
EMI2.1
mit Z = Eyl - (2f + #@x2).E@2
N = (1 + f # #@x1)E@1 - (f + #@x2)#Ex2
EMI3.1
In diesen und den nachfolgenden Formeln bedeuten:
Indices t und 2: Bezugnahme auf die Rohrschicht A bzw. B.
Indiees x und y: Achsenrichtung bzw. Umfangsrichtung.
Indices V, E und B: Zustände während des Anliegens der äusseren Belastung bei der Rohrherstellung, Zustände nach Entfernen dieser äusseren Belastung und die durch die Betriebsbelastung hervorgerufenen Spannungen.
PB: Nennbetriebsdruck, für den das Rohr zu dimensionieren ist.
rjl: Innenradius der Rohrschicht A.
#ylzul: zulässige Umfangsspannung dieser Schicht (# 140 N/mm2).
f: Faktor, um welchen die einzubauende Eigenspannung den für die Kompensation der Querzugspannung nötigen Wert übersteigen soll; 1 < f < 1 5 Ey1 Ey2: E-Modulen in y-Richtung.
#yx1, #yx2:) Querkontraktionszahlen, wobei der erste Index die Richtung der Kontraktion und der zweite Index die Rich tung der verursachenden Spannung angibt.
#: Spannung.
Aa: Spannungsänderung beim Übergang vom Zustand V in den Zustand E.
#xE, #yE: dazugehorige Dehnungen.
Mit den Formeln I und II sind die Wandstärken der beiden Rohrschichten A und B festgelegt. Die Berechnung der für die Erzeugung der gewünschten Eigenspannung not wendigen äusseren Belastung (axiale Vorspannkraft Fxlv, hydrostatischer Druck Pv des Druckmediums) erfolgt aus den nachstehenden Formeln III und IV: Fxlv = 2##(ril + -1/2) # t1 # #xlv(III) t1 # #ylv
Pv = (IV) ril darin sind: #xlv = #xlE - ##xl ; #ylv = #ylE - ##yl
EMI3.2
EMI4.1
Bei anderer Installation der Rohre, bei der die Axialdehnung - anders als bei Pipelines - nicht verhindert ist, müssen die Schichtdicken und die Vorspannbelastungen mit der Elastizitätstheorie der Mehrschichtenverbunde berechnet werden.
Diese beinhaltet Gleichgewichtsbedingungen, geometrische Bedingungen und die Elastizitätsgesetze der beiden Schichten. Näheres dazu findet sich in der bereits genannten Dissertation des Erfinders.
Für die Orientierung der Glasfasern in den beiden Rohrschichten A und B haben sich zur Rohrachse gemessene Winkel von 8e880 bzw. 2-100, vorzugsweise etwa 850 bzw. 5 als zweckmässig erwiesen. Von besonderem Vorteil zur Vermeidung von Rissbildungen ist es, wenn jede Rohrschicht mehrlagig gewickelt ist, wobei die Orientierung der Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse sind, also beispielsweise +50 und -50 bzw. +850 und 850 (Risstoppereffekt). Die Dicke der einzelnen Lagen kann etwa 0,5 bis 1,0 mm betragen.
Es versteht sich, dass es für geringere Anforderungen auch ohne weiteres möglich ist, nicht die Erfüllung aller drei weiter vorne genannten Forderungen anzustreben, was dem Idealfall entspricht, sondern sich auf die Forderungen a) und b) oder allenfalls sogar auf a) allein beschränken. Bereits die Kompensation der in der Schicht A auftretenden Querzugspannung allein stellt schon einen erheblichen Vorteil dar.
Im übrigen ist es, wenngleich aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, so doch keinesfalls nötig, dass sich die Rohrschicht mit den axial orientierten Fasern auf der Rohrschicht mit den Umfangsfasern befindet. Diese Rohrschicht könnte sich beispielsweise auch innen an die Schicht mit den Umfangsfasern anschliessen oder es könnten beispielsweise auch zwei Schichten mit axialen Fasern vorhanden sein, wobei die eine zu innerst und die andere zu äusserst angeordnet wäre.
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PATENT CLAIMS
1. Glass fiber-reinforced plastic tube with a first tube layer, in which the glass fibers are oriented approximately in the circumferential direction, and a second tube layer, in which the glass fibers run approximately in the axial direction, characterized in that an axially directed inherent compressive stress is impressed on the first tube layer.
2. Pipe according to claim 1, characterized in that a circumferential inherent compressive stress is impressed on the first pipe layer.
3. Pipe according to claim 1 or 2, characterized in that the internal compressive stress is approximately as large as the transverse tensile stresses caused by the nominal load perpendicular to the glass fibers.
4. Pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the second pipe layer is located on the first pipe layer.
5. Pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the glass fibers in the two pipe layers 88-800 and 2-100 are oriented inclined to the pipe axis.
6. Pipe according to claim 5, characterized in that each tube layer consists of at least two layers in which the glass fibers are oriented in mirror image inclination to the tube axis.
7. Pipe according to one of the preceding claims, characterized in that it is constructed from a non-flexible laminating resin with an elastic modulus of 3000 to 4000 Nimm2.
8. Pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the internal compressive stress is greater than the transverse stresses caused by the nominal load.
9. The method for producing a glass fiber reinforced plastic tube according to claim 1, characterized in that first a first tube layer with a glass fiber winding is produced from fibers oriented approximately in the circumferential direction, that this first tube layer in the hardened state is loaded axially to pressure by an external force that a second tube layer with a glass fiber winding of fibers oriented approximately in the axial direction is applied and cured to the loaded first tube layer, and the external force is removed after the second tube layer has hardened.
10. The method according to claim 9, characterized in that the first tube layer is acted upon from the inside with a pressure medium during the application and curing of the second tube layer.
11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the axial load and possibly the pressure of the pressure medium are dimensioned approximately so that an internal stress is impressed on the tube, which is caused by the nominal load of the tube, perpendicular to the glass fibers directed transverse tensile stresses at least partially, preferably compensated for more than 1000 / o.
12. The method according to claim 11, characterized in that the internal stress is dimensioned such that the longitudinal tensile stresses occurring parallel to the fibers at nominal load of the tube are at least approximately the same in both tube layers.
The invention relates to a glass fiber reinforced plastic tube with a first tube layer in which the glass fibers are oriented approximately in the circumferential direction and a second tube layer in which the glass fibers run approximately in the axial direction.
It is a known fact that there is no fiber arrangement for pressure pipes that would allow high stresses to be achieved parallel to the fibers without significant stresses on (transverse stresses) occurring at the same time. While the strength parallel to the fibers is around 850 N / mm2, the best possible cross-tensile strength is 70 N / mm2. The consequence of this is that cracks due to the oil stresses have already been recorded in the case of loads which do not yet lead to a "breaks (fiber breaks).
These disadvantages are to be avoided by the invention. In particular, the invention is intended to improve a glass fiber-reinforced plastic tube in such a way that no significant transverse tensile stresses occur under load.
Starting from a pipe of the type in question, this is achieved according to the invention in that an axially directed internal compressive stress is impressed on the first pipe layer. The first tube layer preferably also has an inherent compressive stress in the circumferential direction. The internal compressive stresses are approximately as large as the transverse tensile stresses caused by the nominal load on the pipe.
Tensioning of glass fiber reinforced plastic (GRP) has been discussed occasionally in the academic Rohmen, but with a different purpose. However, such thoughts have so far been rejected again and again because of the fear that built-in residual stresses can quickly relax due to the viscoelastic behavior of plastics and therefore cannot be maintained for very long. It has now surprisingly been found that, contrary to all prejudices, the relaxation times are orders of magnitude longer than previously assumed.
The invention is based on this unexpected finding and on the consideration that once the desired operating state a / = 0 has been reached, this state can no longer change due to creep or relaxation, then every creep hears when the transverse tensile stress disappears and every relaxation on because the remaining fiber-parallel tensions do not relax. In practice, this means that care must be taken to ensure that there is a sufficient amount of residual tension left between the manufacture and the start-up of the tube, which, however, does not pose any difficulties given the unexpectedly long relaxation times.
In addition, however, it can also be provided that the prestress during production is increased by the estimated decrease due to relaxation or possibly also by a somewhat larger amount.
The invention also relates to a method for producing a glass fiber reinforced plastic tube. The method according to the invention is characterized in that firstly a first tube layer with a glass fiber winding is produced from fibers oriented approximately in the circumferential direction, that in the hardened state this first tube layer is subjected to axial pressure by an external force, and that a second tube layer is applied to the loaded inner tube layer is applied and cured with a glass fiber winding of fibers oriented approximately in the axial direction, and that the external force is removed after the curing of the second tube layer.
Preferably, the first tube layer is opened from the inside with a pressure medium during the application and curing of the second tube layer. The axial load and the pressure of the pressure medium are dimensioned approximately in such a way that the tube experiences an internal stress, which is the transverse direction that occurs at the nominal load of the tube and is directed perpendicular to the glass fibers
tensile stresses at least partially compensated, and that the longitudinal tensile stresses occurring at nominal load on the tube and parallel to the fibers are at least approximately the same in both tube layers.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example. The two figures schematically show the two most important phases in the manufacture of a tube according to the invention.
The first step is to produce the tube layer with the glass fibers oriented in the circumferential direction. This is done, as indicated schematically in Fig. 1, in a conventional manner by winding a glass fiber strand 1 soaked in resin onto a hollow mandrel 2. The mandrel is rotatably driven and contains an infrared heating element 3 in its interior for curing the tube winding. At its ends, the mandrel carries two flanges 4 to achieve clean pipe ends. The glass fiber strand 1 is composed of a multiplicity of fibers 5 which converge from supply spools 6 through a resin impregnating bath 7 to form a winding eye 8.
The winding eye performs a reciprocating movement between the two flanges 4 in a known manner, so that a multi-layer winding is created in which the orientation of the glass fibers in successive layers are symmetrical to the tube axis.
After hardening of the first tube layer thus produced, designated A, it is applied to another winding mandrel 12, which is provided on its periphery with supporting ribs 11 and is also rotatably driven in a manner not shown, and is clamped between two flanges 13 and 14.
The flange 13 is axially fixed and is provided with an inlet or connection opening 15 for a pressure medium, which opens into the intermediate space 16 between the mandrel surface and the inner wall of the tube layer A.
The support ribs 11 have communication openings so that the pressure medium can fill the entire space 16.
The flange 14 is axially adjustable by means of a hydraulic cylinder 17. Before the production of the second tube layer, the first tube layer A is now axially loaded by means of the hydraulic cylinder 17 and the flange 14 and at the same time somewhat stretched in the circumferential direction by pressurizing the pressure medium in the intermediate space 16. Several layers of approximately axially oriented resin-impregnated glass fibers are then applied in a conventional manner by hand or by means of suitable known devices to the tube layer, which is kept under tension, and cured by means of an infrared beam 18. Here too, the glass fibers in neighboring layers are oriented symmetrically to the pipe axis. This multilayer axial glass fiber coil formed in this way forms the second layer, designated B, of the plastic tube.
When the second tube layer has hardened sufficiently, the axial load and the internal pressure in the tube are removed. The tension originally communicated to the inner tube layer by this axial load or the internal pressure remains partially in the tube as a state of residual stress.
A non-flexible laminating resin with a modulus of elasticity between 30004000 N / mm2 is used to build up the pipe. The glass fiber volume fraction is preferably about 60%. It is expedient to use E-glass with an E-modulus of around 73,000 tons.
With a suitable dimensioning of the residual stress state built into the GRP pipe according to the invention, the transverse tensile stresses occurring when the pipe is under operational stress can be virtually completely compensated for.
This then allows the pipe to be dimensioned as if it were not a multi-axis, but only a uniaxial stress state. In practice, this leads to a drastic reduction in the wall thickness of the pipe necessary for the given nominal load and the associated advantages. For example, for a natural gas pipeline with a clear diameter of 600 mm, which is designed for an operating pressure of 64 bar, only a total wall thickness of around 15 mm is required compared to 50 mm (DIN 19694) with conventional pipes.
The data for the manufacture of the aforementioned pipe are:
Wall thickness of the inner tube layer: 13 mm
Wall thickness of the outer tube layer: 2 mm
Resin: not flexible, elastic modulus 3500 N / mm2
Glass fibers: E-Glas E-Modul 73000 Nlmm2
Glass volume fraction: 6ohio
Axial load during the production of the second layer: 40 N / mm2
Hydrostatic pressure of the pressure medium: 80 bar
Wrapping orientation to the tube axis: + 850 or +50
With such a dimensioned tube, the transverse tensile stresses at nominal load (64 bar) are practically completely compensated.
In practice, it is advantageous to choose the internal stress built into the tube somewhat larger than would be necessary for the compensation of the transverse tensile stress per se. As a result, load peaks that go beyond the nominal load of the pipe can be withstood without damage and, on the other hand, the inherently low relaxation-related decrease in residual stress in the event of longer storage times between manufacture and use of the pipe can be taken into account or compensated for.
For the special case of the pipeline, in which no axial expansion occurs, the exact determination of the pipe dimensions and the internal stresses to be installed or the necessary axial loads and medium pressures during manufacture is based on the formulas below.
Based on the given operating pressure and nominal diameter as well as on a selected pipe structure (resin, glass, glass portion, winding angle etc.), which determines the elastic behavior of the pipe (E-modules, transverse contraction numbers), and on the three basic requirements that a) the in Operation occurring axially directed transverse tensile stresses in the tube layer A, b) the transverse tensile stress in the circumferential direction in the tube layer B is compensated or even overcompensated, and c) the stresses parallel to the glass fibers in both tube layers should be as large as possible, is obtained according to known rules of continuum theory (dissertation A. Puck from the Faculty of Mechanical Engineering at the Technical University Berlin, D 83, from 6.
July 1966) the following formulas for the ratio tl 'of the wall thickness ti of the pipe layer A to the total wall thickness t:
EMI2.1
with Z = Eyl - (2f + # @ x2) .E @ 2
N = (1 + f # # @ x1) E @ 1 - (f + # @ x2) # Ex2
EMI3.1
In these and the following formulas mean:
Indices t and 2: reference to pipe layers A and B.
Indiees x and y: axis direction or circumferential direction.
Indices V, E and B: states during the application of the external load during pipe production, states after removal of this external load and the stresses caused by the operating load.
PB: nominal operating pressure for which the pipe is to be dimensioned.
rjl: inner radius of tube layer A.
#ylzul: permissible circumferential stress of this layer (# 140 N / mm2).
f: factor by which the internal stress to be installed should exceed the value required for the compensation of the transverse tensile stress; 1 <f <1 5 Ey1 Ey2: E-modules in the y direction.
# yx1, # yx2 :) Cross-contraction numbers, where the first index indicates the direction of the contraction and the second index the direction of the stress.
#: Tension.
Aa: voltage change during the transition from state V to state E.
#xE, #yE: associated stretches.
The wall thicknesses of the two pipe layers A and B are defined with formulas I and II. The formulas III and IV below are used to calculate the external load (axial preload force Fxlv, hydrostatic pressure Pv of the pressure medium) necessary to generate the desired residual stress: Fxlv = 2 ## (ril + -1/2) # t1 # # xlv (III) t1 # #ylv
Pv = (IV) ril in it: #xlv = #xlE - ## xl; #ylv = #ylE - ## yl
EMI3.2
EMI4.1
If the pipes are installed differently and axial expansion is not prevented, unlike pipelines, the layer thicknesses and the prestressing loads must be calculated using the elasticity theory of the multilayer composites.
This includes equilibrium conditions, geometric conditions and the elasticity laws of the two layers. Further details can be found in the inventor's dissertation mentioned above.
For the orientation of the glass fibers in the two tube layers A and B, angles of 8e880 or 2-100, preferably about 850 or 5, to the tube axis have proven to be expedient. It is particularly advantageous to avoid cracks if each tube layer is wound in several layers, the orientation of the glass fibers in neighboring layers being symmetrical to the tube axis, e.g. +50 and -50 or +850 and 850 (crack stop effect). The thickness of the individual layers can be approximately 0.5 to 1.0 mm.
It goes without saying that, for lower requirements, it is also readily possible not to strive for the fulfillment of all three requirements mentioned above, which corresponds to the ideal case, but to limit yourself to requirements a) and b) or possibly even to a) alone. Already the compensation of the transverse tensile stress occurring in layer A alone is a considerable advantage.
Otherwise, although advantageous for manufacturing reasons, it is by no means necessary for the tube layer with the axially oriented fibers to be on the tube layer with the circumferential fibers. This tube layer could, for example, also adjoin the layer with the circumferential fibers on the inside, or there could, for example, also be two layers with axial fibers, one being too innermost and the other being extremely arranged.