DE102009023289A1

DE102009023289A1 - Verstärkung eines Kunststoffrohres

Info

Publication number: DE102009023289A1
Application number: DE102009023289A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schloesser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: DE102009023289B4

Abstract

Bislang werden Kunststoffrohre in der Weise verstärkt, dass die gemeinsam auf das Kunststoffrohr wirkenden Tangential- und Axialspannung gleichzeitig, d. h. über ein einziges Verstärkungsmittel wie z. B. Verstärkungsfasern oder Verstärkungsbänder aufgenommen werden. Die Anwendung dieses Verfahrens wird mit größer werdendem Rohrdurchmesser sowohl technisch als auch auf der Kostenseite immmer aufwändiger. Das neue Verfahren soll die Verstärkung von Kunststoffrohren vereinfachen und auch die einfache und kostengünstige Herstellung von verstärkten Kunststoffrohren mit großem Durchmesser ermöglichen. Das neue Verfahren zur Verstärkung eines Kunststoffrohres ist dadurch gekennzeichnet, dass die Tangential- und Axialspannung jeweils separat über ein Verstärkungsmittel wie z. B. Verstärkungsfasern oder Verstärkungsbänder aufgenommen werden. Das Verfahren zur Verstärkung eines Kunststoffrohres ermöglicht den Einsatz eines Kunststoffrohres mit beliebig großem Durchmesser für den Transport von Medien unter hohen Innendrücken.

Description

Für den Transport verschiedener Medien wie Wasser, Öl, Gas usw. werden bereits Rohre aus verschiedenen Kunststoffen hergestellt. Um möglichst hohe Durchsätze zu erreichen, ist es das Ziel, mit hohen Innendrücken zu arbeiten. Der Rohrinnendruck wiederum erzeugt Tangential- und Axialspannung, die nach der Kesselformel (1) im Verhältnis 2:1 auf das Rohr wirken, d. h. die Tangentialspannung ist doppelt so groß wie die Axialspannung.
Um die Druckbeständigkeit eines Kunststoffrohres derart zu erhöhen, dass es der Tangential- und Axialspannung bei hohem Innendruck standhält, werden bereits verschiedene Verfahren angewandt:

a) Erhöhung der Wandstärke des Rohres. Der Nachteil dieses Verfahrens ist das höhere Materialgewicht des Rohres und damit auch die höheren Herstellkosten.
b) Verstärkung des Rohres mit (i) Materialien, die in sich eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, wie z. B. Aramid- oder Glasfasern (Verstärkungsfasern) oder mit (ii) axial verstreckten Kunststoffbändern (verstreckte Verstärkungsbänder) oder Bändern mit Materialien, die in sich eine hohe Zugfestigkeit aufweisen, wie z. B. Aramid- oder Glasfasern (armierte Verstärkungsbänder). Die Verstärkung des Rohres geschieht vorzugsweise, indem ein 3-teiliges sogenanntes Verbundrohr hergestellt wird, bei dem auf das extrudierte Innenrohr eines der unter (i) und (ii) aufgeführten Verstärkungsmittel aufgelegt wird und anschließend das mit dem Verstärkungsmittel umwickelte Innenrohr mit einem auf dieses Innenrohr extrudierten Außenrohr ummantelt wird. Dieses Verfahren wird sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich angewandt. Hierbei besteht das bislang wirtschaftlichste und am häufigsten angewandte Verfahren darin, dass separat angefertigte und auf Spulen aufgewickelte Verstärkungsbänder wie unter (ii) beschrieben mit Hilfe eines sogenannten Bandierers auf das Innenrohr gelegt werden.

Damit das Verstärkungsband die auftretende Tangential- und Axialspannung gleichmäßig und damit optimal aufnehmen kann, muss es aufgrund der Berechnungen nach dem Spannungsdiagramm (1) mit einem Winkel von 22,5° auf das Rohr aufgelegt werden. Mit zunehmendem Rohrdurchmesser müssen immer breitere Verstärkungsbänder aufgelegt werden, um bei dem vorgegebenen Winkel von 22,5° die vollständige Bedeckung des Innenrohres zu gewährleisten. Die Bandbreite errechnet sich wie folgt: Bandbreite B = cos22,5°·Wickelsteigung, wobei sich die Wickelsteigung errechnet aus:
Wickelsteigung = Tan22,5°·Rohrdurchmesser·pi.
Bei Verwendung von schmaleren Bändern müssen zur vollständigen Abdeckung mehrere Bänder gleichzeitig neben einander aufgelegt werden. Das ist technisch sehr schwierig und macht zusätzliche Bandierer notwendig, was die Investitionskosten für eine entsprechende Produktionsausrüstung extrem erhöht. Das Auflegen der breiten Bänder ist technisch sehr aufwändig und für Rohre ab einem Durchmesser von 600 mm praktisch nicht mehr handhabbar. Gemäß o. g. Berechnung ergibt sich für einen Rohrdurchmesser von 600 mm eine notwendige Bandbreite von 720,96 mm.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Tangential- und Axialspannung nicht wie bislang praktiziert gleichzeitig über Verstärkungsfasern oder armierte oder verstreckte Verstärkungsbänder, sondern nunmehr getrennt aufzunehmen, um die Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Tangentialspannung möglichst schmal halten und in einem möglichst steilen Winkel auflegen zu können. Um die Axialspannung aufzunehmen, werden Verstärkungsfasern in Längsrichtung in die Rohrwandung, vorzugsweise ins Ummantelungsrohr eingebracht (Beispiele siehe 2, 3 und 4). Die Verstärkungsfasern sind verseilt und werden durch den Blaskopf in die Rohrwand hinein extrudiert. Die Verstärkungsfasern sind somit komplett vom Kunststoff des Rohres umschlossen, d. h. formschlüssig mit dem Rohr verbunden. Da die als Verstärkungsfasern eingesetzten Mineralfasern wie z. B. Aramid temperaturbeständig sind und sich weder temperaturabhängig ausdehnen noch schrumpfen, führen sie bei der vorbeschriebenen formschlüssigen Verbindung mit dem Kunststoffrohr dazu, dass das Rohr in sich in Längsrichtung stabil ist und sich temperaturabhängig in Längsrichtung weder ausdehnt noch schrumpft. Eine temperaturbedingte Veränderung des Kunststoffrohres erfolgt somit nur noch im Durchmesser.
Den gleichen Effekt der Aufnahme der Axialspannung erreicht man mit armierten oder verstreckten Verstärkungsbändern, die radial auf das (eventuell bereits mit Verstärkungsbändern umwickelte) Innenrohr laminiert werden (Beispiele siehe 5, 6 und 7).
Zur Aufnahme der Tangentialspannung wird erfindungsgemäß der Bandauflegewinkel je nach Rohrdurchmesser frei gewählt und mit schmalen Bändern gearbeitet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Handling und Auflegen der Verstärkungsbänder einfacher zu realisieren ist. Vor allem aber ermöglicht die schmale Breite der Verstärkungsbänder den Einsatz eines Zentralbandierers, dessen Vorteil darin besteht, dass er mit einem größeren Vorrat an Verstärkungsband bestückt werden kann. Das bedeutet, dass die Produktionsunterbrechungen für das Nachladen des Verstärkungsbandes erheblich verkürzt werden.
Neben den wie vorbeschrieben erleichterten und verbesserten Produktionsabläufen birgt die Erfindung den weiteren Vorteil, dass durch die freie Wahl des Bandauflegewinkels und die sich daraus ergebende Tatsache, dass schmale Verstärkungsbandbreiten eingesetzt werden können, auch große Rohre (mit Rohrdurchmessern > 600 mm) verstärkt werden können.
Legende zu Fig. 1

T

= Tangential-Spannung

A

= Axial-Spannung

Gemäß Kesselformel sind die Tangential-Spannungen doppelt so hoch wie die Axial-Spannungen.
Bei gleichmäßiger Verteilung der Spannungen müßte die Bewicklung der Verstärkungsbänder oder Fäden in einem Winkel von α 22,5° erfolgen.
Legende zu Fig. 2

a

= Innenrohr

b

= Außenrohr

c

= armierte Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Tangentialspannung

d

= Verstärkungsfaser zur Aufnahme der Axialspannung

Legende zu Fig. 3

Legende zu Fig. 4

Legende zu Fig. 5

a

= Innenrohr

b

= Außenrohr

c

= armierte Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Tangentialspannung

d

= verstreckte Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Axialspannung

Legende zu Fig. 6

a

= Innenrohr

b

= Außenrohr

c

= verstreckte Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Tangentialspannung

d

= verstreckte Verstärkungsbänder zur Aufnahme der Axialspannung

Legende zu Fig. 7

Claims

Verstärkung eines Kunststoffrohrs zur Aufnahme der durch den Innendruck erzeugten und gemeinsam auf das Kunststoffrohr wirkenden Tangential- und Axialspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangential- und Axialspannung jeweils separat aufgenommen werden.
Verstärkung eines Kunststoffrohrs nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialspannung aufgenommen wird, indem möglichst schmale Verstärkungsbänder in möglichst steilem Winkel auf das zu verstärkende Kunststoffrohr aufgelegt werden.
Verstärkung eines Kunststoffrohrs nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialspannung aufgenommen wird, indem Verstärkungsfasern formschlüssig in Kraftrichtung in die Rohrwandung hinein extrudiert oder armierte oder verstreckte Verstärkungsbänder radial auf das (eventuell bereits mit Verstärkungsbändern umwickelte) Innenrohr laminiert werden.