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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung der Innenwände von
Rohren, bei dem ein den Beschichtungswerkstoff enthaltendes Fluid
in das Rohr eingeleitet wird. Während
der Beschichtung wird das Rohr mit einer beweglichen Heizvorrichtung lokal
auf eine zur Ausbildung der Beschichtung erforderliche Temperatur
gebracht, bis der Schichtbildungsprozess lokal abgeschlossen ist.
Dann wird die Heizvorrichtung so lange weiterbewegt, bis die zu
bildende Schicht fertig gestellt ist, d. h. dass nach und nach das
Rohr im gesamten zu beschichtenden Innenbereich erhitzt wird. Nach
erfolgter Beschichtung wird das verbleibende Fluid wieder aus dem
Rohr entfernt. Das Fluid muss sich als Träger für den Beschichtungswerkstoff
eignen. Es kann sowohl flüssig als
auch gasförmig
sein. Auch ist es möglich,
dass das Fluid ausschließlich
durch den Beschichtungswerkstoff selbst gebildet wird, wobei dieser
durch die Wärmebehandlung
des Rohres direkt auf den Innenwänden
abgeschieden wird.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der
US 2005/0255240 A1 beschrieben,
wobei Rohre mit einem verhältnismäßig engen Querschnitt
von innen beschichtet werden sollen. Zu diesem Zweck werden diese
Rohre in eine den Beschichtungswerkstoff enthaltende Lösung eingetaucht,
wobei diese aufgrund der wirkenden Kapillarkräfte in die Rohre hineingesogen
wird. Dieser Prozess kann durch Anlegen eines Vakuums an das freie Ende
der Rohre noch unterstützt
werden. Sobald das Rohr mit dem Fluid gefüllt ist, wird mittels einer
Manschette, die das Rohr umgibt, Wärmeenergie in dieses eingetragen,
wobei mit dieser Behandlung am freien, d. h. nicht in das Fluid
eintauchenden Ende begonnen wird. Das Lösungsmittel wird auf diese Weise
verdampft und verlässt
das Rohr nach oben, während
das in dem Lösungsmittel
gelöste
Polymer auf den Innenwänden
des Rohres abgeschieden wird. Wenn die Heizmanschette am gegenüberliegenden
Ende des Rohres angekommen ist, ist der Beschichtungsvorgang abgeschlossen
und die Schicht vervollständigt.
Sobald die Manschette eine Stelle des Rohres lokal erwärmt hat
und weitergeführt
wird, kühlt
die betreffende Stelle wieder auf Raumtemperatur ab.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beschichtung von
Innenwänden
von Rohren anzugeben, mit dem sich der Schichtbildungsprozess vergleichsweise
gut beeinflussen lässt.
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Diese
Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die lokale Abkühlung
des Rohres nach erfolgter Schichtbildung durch eine bewegliche Kühleinrichtung
unterstützt
wird. Dies bedeutet, dass nicht nur der Erwärmungsprozess mittels der Heizeinrichtung
durch Modifikation der Beschichtungsparameter gezielt beeinflusst
werden kann, sondern auch der Abkühlvorgang. Dies ist bei Schichten
von Vorteil, deren Eigenschaften von der Abkühlgeschwindigkeit abhängen. Hierdurch
lässt sich
daher vorteilhaft der Schichtbildungsprozess zusätzlich beeinflussen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mehrere Heizeinrichtungen
und Kühleinrichtungen
gleichzeitig zum Einsatz kommen. Hierdurch kann an mehreren Stellen
gleichzeitig ein Schichtbildungsprozess des Rohres vorgenommen werden,
wobei beispielsweise bei langen Rohren die Verfahrensdauer vorteilhaft
verringert werden kann. Die Heizbzw. Kühleinrichtungen können auch
kaskadenartig angeordnet sein, d. h., dass abwechselnd Heiz- und
Kühleinrichtungen
an der Rohrwand entlanggeführt
werden, so dass ein Beschichtungsprozess wiederholt erfolgt. Dies
ist besonders dann von Vorteil, wenn sich mit dem Schichtbildungsprozess lediglich
dünne Beschichtungsdicken
erzeugen lassen, so dass dieser mehrfach wiederholt werden muss.
Hierdurch lässt
sich die Verfahrensdauer vorteilhaft verringern.
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Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens
eine Kühleinrichtung und
die mindestens eine Heizeinrichtung kontinuierlich entlang der Längsausdehnung
des Rohres bewegt werden, wobei die Geschwindigkeit unter Berücksichtigung
der erforderlichen lokalen Heiz- und Kühldauer gewählt wird. Dies bedeutet, dass
die Länge
der Heiz- bzw. Kühleinrichtung
in Bewegungsrichtung so auf die Bewegungsgeschwindigkeit abgestimmt
werden muss, dass ein bestimmter Punkt auf der Rohrwand während des
geforderten Zeitintervalls unterhalb der sich über die Rohrwand wegbewegenden
Heiz- bzw. Kühleinrichtung
liegt. Auch muss das Längenverhältnis zwischen
Heiz- und Kühleinrichtung
so bemessen sein, dass es dem Verhältnis der geforderten Zeitintervalle
für die
Heizbehandlung bzw. die Kühlbehandlung
entspricht. Eine kontinuierliche Bewegung der Heiz- bzw. Kühleinrichtung
hat den Vorteil, dass der lokale Schichtaufbau ebenfalls kontinuierlich
erfolgt und so eine übergangslose
Beschichtung über
die gesamte Rohrlänge
erzeugbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist das Verfahren, wenn in dem Fluid Vorstufen einer
Keramik enthalten sind, die unter Ausbildung der Schicht chemisch
zu einer die Keramik bildenden Metallverbindung umgewandelt werden.
Derartige Beschichtungen, die auch unter dem Namen C3-Coatings bekannt
geworden sind, lassen die Einstellung von verschiedenen hervorragenden
Schichteigenschaften zu, wobei sich diese Eigenschaften nur bei
einer genauen Einhaltung der erforderlichen Schichtbildungs parameter
erzeugen lassen. Daher ist die Verwendung einer zusätzlichen
Kühleinrichtung
zur Heizeinrichtung bei der Herstellung dieser Beschichtungstypen
besonders vorteilhaft.
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Das
Verfahren des Ruftragens von keramischen Vorstufen auf metallische
Bauteile zwecks Ausbildung keramischer Schichten auf diesen Bauteilen
ist an sich bekannt, und wird beispielsweise in der
US 2002/0086111 A1 ,
der
WO 2004/013378
A1 , der
US
2002/0041928 A1 , der
WO 03/021004 A1 und der
WO 2004/104261 A1 beschrieben.
Die in diesen Dokumenten beschriebenen Verfahren beschäftigen sich
mit der Herstellung von keramischen Beschichtungen auf Bauteilen
im allgemeinen, wobei zur Schichterzeugung keramische Vorstufen
der zu erzeugenden Keramiken verwendet werden, die nach einem Aufbringen
durch eine Wärmebehandlung
zu der auszubildenden Keramik umgewandelt werden.
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Die
Vorstufen für
die Keramik, die häufig auch
als Precursor bezeichnet werden, beinhalten die Stoffe, aus denen
sich der keramische Werkstoff der auszubildenden Schicht zusammensetzt
und weisen weiterhin Bestandteile auf, die im Rahmen der bei der
Wärmebehandlung
des Besichtungsstoffes ablaufenden chemischen Umwandlung zu einer Vernetzung
des keramischen Werkstoffes führen. Beispiele
für keramische
Vorstufen lassen sich den aufgeführten
Dokumenten aus dem Stand der Technik entnehmen und müssen in
Abhängigkeit
des Anwendungsfalles ausgewählt
werden.
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Es
ist beispielsweise möglich,
dass die zu bildende Keramik aus einem Oxid und/oder einem Nitrid
und/oder einem Oxinitrid besteht. Durch die Bildung von Oxiden,
Nitriden oder Oxinitriden lassen sich vorteilhaft besonders stabile
Schichten erzeugen. Die Vorstufen solcher Keramiken müssen die Elemente N
bzw. 0 zur Ausbildung der oxidischen, nitridischen oder oxinitridischen
Keramik zur Verfügung
stellen.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine zur Beschichtung der Rohre unter Wärmebehandlung
geeignete Vorrichtung.
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Eine
solche Vorrichtung ist in der eingangs genannten
US 2005/0255240 A1 beschrieben.
Diese Vorrichtung besteht aus einer Heizmanschette, deren Innendurchmesser
größer ist
als der Außendurchmesser
des zu beschichtenden Rohres. Daher kann diese entlang des Rohres
geführt
werden, wodurch eine Wärmebehandlung
möglich
wird. Der Wärmeeintrag
erfolgt von der Außenseite
des Rohres zur Innenseite hin, so dass die eingebrachte Wärme den Schichtbildungsprozess
auf der Innenseite des Rohres beeinflusst.
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Gemäß der
US 2006/0191687 A1 ist
es bekannt, dass beim Bohren von Erdlöchern (Erdölindustrie) aufgrund unterschiedlicher
zu durchbohrender Untergründe
eine Heizung oder eine Kühlung
am Bohrkopf erforderlich sein kann. Hierzu wird vorgeschlagen, eine
Vorrichtung in das Bohrloch einzuführen, welche ein Heizmodul
und ein Kühlmodul
beinhaltet.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur Unterstützung eines
Schichtbildungsprozesses auf der Innenseite von Rohren anzugeben,
die eine verhältnismäßig genaue
Führung
des erforderlichen Temperaturprofils ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Bereitstellung einer kombinierten Heiz- und Kühlvorrichtung für ein Rohr
mit mindestens einem Heizbereich und mindestens einem Kühlbereich
gelöst, wobei
diese Bereiche in Richtung der Längsausdehnung
des Rohres hintereinander angeordnet sind. Sowohl der Heizbereich
als auch der Kühlbereich sind
erfindungsgemäß derart
an den Querschnitt des Rohres angepasst, dass die Erwärmung und
die Abkühlung
im Einflussbereich des Heizbereiches und des Kühlbereiches über den
Umfang des Rohres gleichmäßig sind.
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Um
dies zu erreichen, kann gemäß einer
Alternative der Erfindung die Heiz- und Kühlvorrichtung als das Rohr
umgebende Manschette ausgebildet sein. Eine andere Alternative sieht
vor, dass die Heiz- und Kühlvorrichtung
als Sonde für
das Innere des Rohres ausgebildet ist. Die manschettenförmige Heiz-
und Kühlvorrichtung
eignet sich bevorzugt für Rohre
mit geringem Querschnitt, während
die sondenförmige
Heiz- und Kühlvorrichtung
bevorzugt für Rohre
mit genügend
großem
Querschnitt zum Einsatz kommen kann. Die sondenförmige Heiz- und Kühlvorrichtung
hat weiterhin den Vorteil, dass sie auch in bereits installierten
Rohrsystemen Anwendung finden kann, da sie ungehindert im Rohrinneren auch über größere Streckenabschnitte
der Rohrleitung verschoben werden kann. Eine Manschette könnte nämlich aufgrund
der Rohraufhängungen
des Rohrleitungssystems nicht ungehindert verschoben werden.
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Zu
berücksichtigen
ist außerdem,
wenn die zu beschichtenden Rohre keinen Kreisquerschnitt aufweisen.
Wenn der Querschnitt beispielsweise rechteckig ist, so muss auch
der Heizbereich und der Kühlbereich
dieser Kontur zumindest im Wesentlichen folgen.
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Eine
Ausgestaltung dieser Erfindung sieht vor, dass an den Enden der
Heiz- und Kühlvorrichtung
jeweils ein Kühlbereich
angeordnet ist. Mit anderen Worten wird im Vergleich zur Anzahl
der Heizvorrichtungen eine Kühlvorrichtung
mehr vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die Heiz- und Kühlvorrichtung
in beiden möglichen
Richtungen an der Rohrwand entlang geführt werden kann. In beiden
Richtungen muss nämlich
zunächst die
Heizung und dann die Kühlung
erfolgen, so dass der Kühlbereich
in Bewegungsrichtung gesehen hinter dem Heizbereich liegen muss.
Dies ist bei der angesprochenen Ausführungsform vorteilhaft der
Fall.
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Es
ist auch vorteilhaft, mehrere Heizbereiche und Kühlbereiche hintereinander anzuordnen.
Hierdurch wird es, wie bereits erläutert, möglich, einen kaskadenartigen
Schichtaufbau zu erzeugen und dabei lediglich einmal die Heiz- und
Kühlvorrichtung
an der Rohrwand entlang zu führen.
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Eine
sondenförmige
Heiz- und Kühlvorrichtung
kann vorteilhaft weitergebildet werden, indem in die Sonde eine
Zuführvorrichtung
für das
Fluid integriert ist, mit der ein Fluidstrom auf die Innenwand des
Rohres gerichtet werden kann. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, das
Fluid lokal genau an der Stelle in das Innere des Rohres einzuleiten,
wo auch der Beschichtungsvorgang erfolgt. Insbesondere bei größeren Rohrleitungssystemen
kann hierdurch eine verhältnismäßig Material
sparende Beschichtung vorgenommen werden, weil nicht das gesamte
Rohrsystem mit dem Fluid geflutet werden muss.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente
sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden
nur insoweit mehrfach erläutert,
wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einem Ausführungsbeispiel
einer manschettenartigen Heiz- und Kühlvorrichtung,
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2 ein
anderes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
unter Einsatz eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen sondenförmigen Heiz-
und Kühlvorrichtung
und
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3 bis 5 verschiedene
Ausführungsbeispiele
für die
erfindungsgemäße Heiz-
und Kühlvorrichtung.
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Gemäß 1 ist
ein gerade verlaufendes Rohr 11 dargestellt, welches zwecks
Beschichtung der nicht dargestellten Innenwände in eine Beschichtungsvorrichtung
aufgenommen ist. Hierfür
gibt es eine in einem ortsfesten Lager 12 gelagerte Einspannvorrichtung 13,
welche mittels eines motorischen Antriebs 14 in Drehbewegung
versetzt werden kann. In diese Einspannvorrichtung 13 ist
das Rohr 11 mit seinem einen Ende eingesetzt.
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Das
andere Ende des Rohres befindet sich in einem Behälter 15 für eine den
Beschichtungswerkstoff enthaltende Flüssigkeit 16. Diese
kann mittels einer Speiseleitung 17 unter Einsatz einer
Pumpe 18 in die Einspannvorrichtung eingespeist werden
und läuft
anschließend
durch das zu beschichtende Rohr zurück in den Behälter 15.
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Durch
die Drehbewegung des Rohres ist gewährleistet, dass der gesamte
Innenumfang des Rohres zumindest zeitweise mit der Flüssigkeit 16 benetzt
wird. Um einen Beschichtungsvorgang, d. h. eine Abscheidung des
Beschichtungswerkstoffes aus der Flüssigkeit einzuleiten, ist eine
Heiz- und Kühlvorrichtung
in Form einer Manschette 19 vorgesehen, die das Rohr 11 lokal
umgibt. Mittels eines nicht näher
dargestellten Linearantriebes kann die Manschette 19 entlang
des angedeuteten Doppelpfeils 20 an dem Rohr entlang geführt werden,
wobei bei der Heiz- und Kühlmanschette
jeweils ein Heizbereich 21 und ein in Verfahrrichtung gesehen
auf diesen folgender Kühlbereich
22 zum Einsatz kommen. Da jeweils an beiden Enden der Manschette
ein Kühlbereich 22 vorgesehen
ist, kann die Manschette in beiden Richtungen des Doppelpfeils 20 betrieben werden,
wobei immer erst eine lokale Erwärmung und
dann eine lokale Abkühlung
erfolgen kann.
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Alternativ
zum Einsatz der Heiz- und Kühlvorrichtung
wäre es,
wie strichpunktiert angedeutet, auch möglich, eine einzelne Heizeinrichtung 23 und Kühleinrichtung 24 zu
verwenden. Diese sind ebenfalls in der bereits beschriebenen Weise
manschettenartig aufgebaut, wobei diese unabhängig voneinander auf das Rohr
geschoben werden können.
Es ist auch möglich, ähnlich einem
Baukastenprinzip beliebig viele einzelne Heizeinrichtungen 23 und
Kühleinrichtungen 24 zu
verwenden.
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In 2 ist
schematisch ein Teil eines Rohrleitungssystems mit dem Rohr 11 als
Schnitt dargestellt. In dieses ist eine Heiz- und Kühleinrichtung 19 eingeschoben,
welche aus zwei in Reihe geschalteten Sonden 25 besteht.
Diese Sonden 25 sind mit einer Versorgungsleitung 26 verbunden
und weisen Rollen 27 auf, mit denen sie mit konstantem
Abstand zu den Innenwänden
des Rohres geführt
werden können.
Diese Rollen sind schematisch dargestellt, wobei bei einem runden
Rohrquerschnitt am Umfang der Sonden mindestens drei Rollen in einem
Winkel von jeweils 120° zueinander
notwendig sind. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 sind
vier Rollen am Umfang mit einem Winkel von jeweils 90° zueinander vorgesehen.
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Die
Sonden 25 weisen analog zur in 1 beschriebenen
Weise jeweils in der Mitte einen Heizbereich 21 und an
den Enden zwei Kühlbereiche 22 auf.
Mittels der Versorgungsleitung 26 können die Sonden in das Leitungssystem
hineingeschoben und anschließend
wieder herausgezogen werden. Die Versorgungsleitung 26 muss
hierfür
eine genügende Steifigkeit
aufweisen, wobei diese zusätzlich
genügend
flexibel ausgeführt
sein muss, wenn in dem Rohrleitungssystem Krümmungen vorgesehen sind. Durch
die Versorgungsleitung werden die Sonden mit einer zur Heizung bzw.
Kühlung
erforderlichen Energie versorgt.
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Weiterhin
sind in den Sonden nicht näher dargestellte
Düsenöffnungen
vorgesehen, durch die ein flüssiger
Beschichtungsstoff vernebelt werden kann. Der Sprühstrahl 28 ist
auf die zu beschichtende Innenwand 29 des Rohres 11 gerichtet,
wobei zum Zuführen
des Beschichtungsstoffes in der Versorgungsleitung auch eine Flüssigkeitsleitung
vorgesehen ist.
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3 zeigt
den möglichen
Aufbau einer Sonde schematisch, wobei die Rollen 27 nicht
dargestellt werden. Der Heizbereich 21 sowie die Kühlbereiche 22 sind
beispielsweise aus Kupfer um eine gute Wärmeleitung sowie Wärmekapazität zu gewährleisten.
Zwischen dem Heizbereich 21 und den Kühlbereichen 22 sind
Peltier-Elemente 30 angeordnet, welche einerseits zur Rufheizung
des Heizbereichs 21 und andererseits zur Kühlung der
Kühlbereiche 22 dienen.
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Weiterhin
ist die Versorgungsleitung 26 zu sehen, die in eine Bohrung 31 mündet, welche
die Zuleitung des Beschichtungsfluides zu den Düsen 32 ermöglicht.
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Gemäß 4 ist
eine manschettenartige Heiz- und Kühlvorrichtung dargestellt.
Diese weist in den Kühlbereichen 22 Kühlkanäle 33 auf,
die mittels eines angedeuteten Leitungssystems 34 mit einem Kühlmittel
versorgt werden können.
Die Heizbereiche 21 sind mit elektrischen Heizdrähten 35 versehen. Insgesamt
sind zwei Heizbereiche 21 und drei Kühlbereiche 22 vorgesehen.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine sondenförmige Heiz-
und Kühlvorrichtung dargestellt.
Diese weist eine UV-Lampe 36 auf, mit deren Hilfe UV-Strahlung
als Heizenergie im weiteren Sinne einem Schichtbildungsprozess zur
Verfügung gestellt
werden kann. In der Sonde sind weiterhin Kühlkanäle 33 vorgesehen.