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Die Erfindung betrifft ein metallisches flexibles Leitungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen flexiblen Leitungselements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Metallische flexible Leitungselemente, die als Schläuche, Bälge oder Kompensatoren verwendet werden, weisen nicht nur die normalen Leitungsfunktionen von starren Rohrleitungen auf, sondern können durch ihre Beweglichkeit in axialer, angularer und lateraler Richtung zusätzliche Funktionen übernehmen, beispielsweise das Ausgleichen von Zwangsbewegungen wie Wärmedehnungen, das Absorbieren von Druckstößen in der Leitung, das Aufnehmen von mechanischen und akustischen Leitungsschwingungen und dergleichen mehr.
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Metallische flexible Leitungselemente der vorliegenden Art werden hergestellt, indem ein Metallrohr oder ein Paket mehrerer koaxial ineinander gesteckter Metallrohre in ein ein- oder mehrlagiges Wellrohr mit ringförmig verlaufenden Wellen umgeformt wird. Ein solches Wellrohr ist nicht nur axial, angular und lateral beweglich, sondern trotz seiner Beweglichkeit außerdem gasdicht sowie diffusionsdicht. Es eignet sich mithin besonders für den Einsatz in oder die Durchleitung von aggressiven, gesundheitsschädlichen und/oder korrosiven Medien.
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Solche Medien bergen mitunter die Gefahr, dass auch das Material eines metallischen flexiblen Leitungselements angegriffen wird. Hier behilft man sich bislang mit besonders hochwertigen metallischen Werkstoffen oder durch eine Auskleidung des flexiblen Leitungselements mit Kunststoffen: Im Stand der Technik ist es bekannt, ein metallisches flexibles Leitungselement mit einer Schicht aus Polytetrafluorethylen (PTFE) auszukleiden, indem ein PTFE-Rohr in das Wellrohr des flexiblen Leitungselements eingesteckt und unter Erhitzung auf über 300°C mit einem Innendruck von typischerweise 16 bar in die Wellen des Wellrohrs eingepresst wird. Um zu ermöglichen, dass die PTFE-Auskleidung bis in die Wellen hinein gepresst wird, ist es allerdings notwendig, eine Entlüftungsöffnung im Wellrohr vorzusehen. Dies hat den Nachteil, dass damit die Diffusionsdichtheit des flexiblen metallischen Leitungselements verloren geht.
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Ferner hat die Auskleidung von Wellrohren mit einer PTFE-Schicht die nachteilige Wirkung, dass die Beweglichkeit des Wellrohrs negativ beeinträchtigt wird. Dies umso mehr, als das zur Auskleidung verwendete PTFE-Rohrstück eine Wandstärke von deutlich über 1 mm aufweisen muss, um genügend Material für die Umformung zu besitzen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein metallisches flexibles Leitungselement und ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen flexiblen Leitungselements der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem mindestens eine Oberfläche des Wellrohrs mit einer Oberflächenschicht aus einem oder mehreren Kunststoffen bedeckt ist, ohne die oben skizzierten Nachteile des Standes der Technik in Kauf nehmen zu müssen.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein metallisches flexibles Leitungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9; vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Leitungselements sind in den Ansprüche 11 und 12 niedergelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines metallischen flexiblen Leitungselements mit einer Oberflächenbeschichtung aus einem oder mehreren Kunststoffen umfasst demnach die folgenden Bearbeitungsschritte: Ein Metallrohr oder ein Paket mehrerer koaxial ineinandergesteckter Metallrohre wird in ein ein- oder mehrlagiges Wellrohr mit ringförmig verlaufenden Wellen umgeformt, insbesondere kaltumgeformt. Mindestens eine Oberfläche des Metallrohrs oder Metallrohrpakets wird mit einer Oberflächenschicht aus einem oder mehreren Kunststoffen versehen. Diese mindestens eine Oberfläche kann eine beliebige Fläche, beispielsweise die Innenfläche und/oder die Außenfläche des Wellrohrs sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich und bedarfsweise vorgesehen, Oberflächen einzelner Metallrohre eines Metallrohrpakets, die innerhalb der Wandung eines mehrlagigen Wellrohrs zu liegen kommen, mit einer Kunststoff-Oberflächenschicht zu versehen, beispielsweise um Reibungseffekte zwischen den einzelnen Lagen des Wellrohrs zu vermindern. Die Oberflächenschicht wird erfindungsgemäß durch Beschichten der zu bedeckenden Oberfläche mit einer oder mehreren Lagen aus einem oder mehreren Perfluoralkoxy-Polymeren (PFA) hergestellt. Vorzugsweise erfolgt diese Beschichtung vor dem Umformen des Metallrohrs oder Metallrohrpakets, es ist jedoch bedarfsweise möglich und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend, alternativ oder zusätzlich das halbfertige oder fertige Wellrohr erst nach dem Umformen mit einem oder mehreren PFA-Werkstoffen zu beschichten.
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Durch das erfindungsgemäße Beschichten der mit Kunststoff zu bedeckenden Oberfläche des metallischen flexiblen Leitungselements, also durch das Aufbringen einer fest haftenden Schicht, wird es erstmals möglich, eine Schicht aus einem inerten PFA-Werkstoff in vorteilhaft geringer Schichtdicke, die die Wandstärke des Metallrohr oder Metallrohrpakets vorzugsweise nicht übersteigt, aufzubringen und das Metallrohr oder Metallrohrpaket anschließend in ein Wellrohr umzuformen. Hierbei ist es insbesondere nicht nötig, eine Entlüftungsöffnung im Wellrohr vorzusehen, so dass das Leitungselement diffusionsdicht bleibt, trotzdem es mit einer inerten und gegen fast alle Chemikalien beständigen Oberflächenschicht versehen ist.
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Der Verfahrensschritt des Beschichtens mit PFA-Werkstoffen erfolgt vorzugsweise durch Aufsprühen und/oder Aufdampfen, insbesondere wenn die aufzubringenden PFA-Werkstoffe in flüssiger Form vorliegen. Alternativ oder in Kombination zum Aufsprühen und/oder Aufdampfen von einzelnen PFA-Werkstoffschichten können die oder weitere PFA-Werkstoffe auch mittels elektrostatischer Beschichtung aufgebracht werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die aufzubringenden PFA-Werkstoffe in Pulverform vorliegen.
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Wie bereits erwähnt, besteht ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die Oberflächenschichten mit Schichtdicken hergestellt werden können, die die Wandstärken der zu beschichtenden Oberflächen nicht überschreiten. Dementsprechend ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die PFA-Werkstoffe in einer Schichtdicke von ca. 0,3 mm bis ca. 1 mm, besonders bevorzugt in einer Schichtdicke von ca. 0,5 mm bis ca. 0,7 mm aufzubringen.
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Eine inerte Beschichtung mit solch geringen Schichtdicken beeinflusst die Eigenschaften des flexiblen Leitungselements, insbesondere dessen Beweglichkeit kaum, während dennoch die beschichteten Metalloberflächen zuverlässig vor einem Kontakt mit dem durchgeleiteten Medium und/oder dem umgebenden Medium geschützt wird. Gleichzeitig ist es bei diesen geringen Schichtdicken möglich, den Verfahrensschritt des Beschichtens vor dem Umformen des Metallrohrs oder Metallrohrpakets durchzuführen und dann das beschichtete Metallrohr oder Paket in ein ein- oder mehrlagiges Wellrohr umzuformen. Denn eine solch dünne Beschichtung kann mit umgeformt werden, und da die PFA-Werkstoffe durch Beschichten aufgebracht worden sind, lösen sie sich beim Umformen auch nicht von der bedeckten Metalloberfläche ab. Die Wellengeometrie des hergestellten Wellrohrs muss außerdem aufgrund der erfindungsgemäß bevorzugten Schichtdicken der PFA-Werkstoffe gegenüber unbeschichteten und unbedeckten metallischen Wellrohren vorteilhafterweise nicht geändert werden.
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Wenn das Beschichten der zu bedeckenden Oberfläche des Wellrohrs bzw. Metallrohrs oder Metallrohrpakets vor dem Umformen erfolgt, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, wenn das beschichtete Wellrohr nach dem Umformen thermisch nachbehandelt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb der Einsatztemperaturen von PFA-Werkstoffen (–200°C bis +260°C), um die Homogenität und Haltbarkeit der PFA-Beschichtung zu gewährleisten.
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Eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, vor dem Verfahrensschritt des Beschichtens einen Primer auf die zu beschichtende Oberfläche des Metallrohrs, Metallrohrpakets oder Wellrohrs aufzubringen, um ein Oxidieren der zu beschichtenden Oberfläche zu verhindern. Dies kann die Haftung der PFA-Werkstoffe auf der metallischen Oberfläche verbessern, da sich beim Aufbringen der PFA-Werkstoffe, das üblicherweise bei Temperaturen von 380°C bis 450°C erfolgt, aufgrund des Primers keine Oxidschicht auf der Metalloberfläche bilden kann, welche die Haftung der Beschichtung möglicherweise beeinträchtigt.
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Ein solcher bevorzugt verwendeter Primer kann, wie auch die PFA-Schicht, in einem elektrostatischen Beschichtungsverfahren aufgebracht werden. Dies ist insbesondere beim Beschichten von fertig umgeformten Wellrohren vorteilhaft, da durch die elektrostatische Aufladung des Primers eine flächige Bedeckung auch der Wellenflanken von gewellten Oberflächen gewährleistet werden kann.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, mehrere Beschichtungsschritte durchzuführen, um mehrere dünne Einzelschichten aufzubringen, und zwar auch dann, wenn nicht unterschiedliche PFA-Werkstoffe aufgebracht werden sollen, sondern lediglich ein PFA-Werkstoff. Denn gegenüber starren Rohren weist ein Wellrohr nur geringe Wandstärken auf, so dass die Wandungen der Wellrohre entsprechend geringe Wärmekapazitäten besitzen. Bei zu hohen in einem Bearbeitungsschritt aufgebrachten Schichtdicken würden sich die zu beschichtenden metallischen Oberflächen zu hoch erwärmen, um eine dauerhafte und fehlerfreie Beschichtung gewährleisten zu können.
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Wenn das Beschichten der zu bedeckenden Oberfläche des metallischen flexiblen Leitungselements vor dem Umformen des Metallrohrs oder Metallrohrpakets erfolgt, ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens schließlich vorteilhaft, wenn das Metallrohr oder Metallrohrpaket zweistufig kalt umgeformt wird, indem in einer ersten Umformstufe, wie an sich bekannt, Gummistempel zur Herstellung von Vorwellen verwendet werden, während in einer zweiten Umformstufe das Wellrohr durch axiales Zusammenschieben fertiggestellt wird. Wie bereits ausgeführt, ermöglicht die erfindungsgemäße Beschichtung mit PFA-Werkstoffen eine Kunststoffbedeckung von metallischen Oberflächen des flexiblen Leitungselements mit vergleichsweise geringen Schichtdicken, die den Dicken der verwendeten Metallrohre entsprechen oder diese Dicken unterschreiten, so dass vorteilhafterweise die an sich bekannte zweistufige Umformung von Metallrohren oder Metallrohrpaketen in ein- oder mehrlagige Wellrohre unter Verwendung von Gummistempeln durchgeführt werden kann.
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Neben dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren mit seinen bevorzugten Weiterbildungen stellt die vorliegende Erfindung auch ein metallisches flexibles Leitungselement zur Verfügung, das durch umformen, insbesondere Kaltumformen eines Metallrohrs oder Metallrohrpakets in ein ein- oder mehrlagiges Wellrohr mit ringförmig verlaufenden Wellen hergestellt worden ist, und zwar insbesondere in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Oberfläche des metallischen flexiblen Leitungselements mit einer oder mehreren Lagen aus einem oder mehreren Perfluoralkoxy-Polymeren (PFA) beschichtet. Diese mindestens eine Oberfläche ist in der Regel die Innenfläche des Wellrohrs. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Außenfläche des Wellrohrs zum Schutz gegen Umgebungsmedien erfindungsgemäß mit PFA-Werkstoffen beschichtet sein. Darüber hinaus ist es bei einem mehrlagigen Wellrohr im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine oder mehrere Oberflächen von Wellrohrlagen mit PFA-Werkstoffen beschichtet sind, die innerhalb der Wandung, also zwischen einzelnen Lagen des Wellrohrs liegen.
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Die Beschichtung mit PFA-Werkstoffen ist gegenüber der im Stand der Technik bekannten Auskleidung von flexiblen metallischen Leitungselementen durch PTFE-Rohrstücke, die in die Wellen des flexiblen Leitungselements eingepresst werden, von Vorteil. Denn eine Beschichtung ist fest auf der beschichteten Oberfläche haftend, und sie kann mit vergleichsweise geringen Schichtdicken aufgebracht worden sein, die die Beweglichkeit des beschichteten flexiblen Leitungselements nicht nennenswert oder jedenfalls nicht nachteilig beeinflussen. PFA-Werkstoffe sind beständig gegen nahezu alle Chemikalien, und dies bis zu einer Temperatur von typischerweise ca. 260°C, während die Kosten der Beschichtung je beschichteter Fläche deutlich unterhalb derjenigen Kosten liegen, die für hochwertige Edelstähle zu veranschlagen sind, die in aggressiven Medien eingesetzt werden können.
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Aus den im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschriebenen Gründen ist es bevorzugt, das erfindungsgemäße metallische flexible Leitungselement so mit einem oder mehreren PFA-Werkstoffen zu beschichten, dass die Schichtdicke zwischen ca. 0,3 mm bis ca. 1,0 mm, bevorzugt zwischen ca. 0,5 mm bis ca. 0,7 mm liegt.
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Erfindungsgemäße metallische flexible Leitungselemente werden in der Regel als Balg oder Kompensator mit jeweils vergleichsweise geringer Bauteillänge verwendet, da üblicherweise die größte Strecke von Leitungssystemen, die in oder für aggressive bzw. korrosive Medien vorgesehen sind, aus Kostengründen aus starren Rohrleitungen bestehen. Kompensatoren und Bälge sind oft an ihren Enden bereits mit Flanschen versehen, in der Regel mit diesen verschweißt, so dass sie leicht vor Ort in ein Rohrleitungssystem eingebaut werden können. Für solche flexible Leitungselemente, die aus einem ein- oder mehrlagigen Wellrohr mit einem an mindestens einem Ende angebrachten Flansch bestehen, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, im Übergang vom Wellrohr zum Flansch einen zylindrischen Bereich der zu beschichtenden Oberfläche vorzusehen, so dass eine Beschichtung mit PFA-Werkstoffen zum Flansch hin und an demselben vervollständigt werden kann. Dies kann dann wiederum durch Aufsprühen, Aufdampfen und/oder elektrostatische Beschichtung erfolgen, da an dieser Stelle keine Hinterschnitte vorhanden sind.
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Ein Ausführungsbeispiel für ein metallisches flexibles Leitungselement, das gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist und für einen leichten Einbau in ein Leitungssystem an seinen beiden Enden mit jeweils einem Flansch versehen ist, wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben und erläutert.
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Die einzige Zeichnung 1 ist ein schematischer seitlicher Schnitt eines metallischen flexiblen Leitungselements, das als Axialkompensator in einem Leitungssystem zur Durchleitung von korrosiven Chemikalien vorgesehen ist. Es besteht aus einem mehrlagigen Wellrohr 1 mit ringförmig verlaufenden Wellen 2 sowie an seinen beiden Enden jeweils einer Vorwelle 3 und einem zylindrischen Bord 4. An den beiden Borden 4 ist jeweils ein Flansch 5 angeschweißt, mittels dessen das vorliegende flexible Leitungselement an weiterführende Leitungsteile angeschlossen werden kann. Die beiden Flansche 5 sind mit einem Transportbügel 6 verbunden. Dieser soll lediglich gewährleisten, dass das Wellrohr 1 beim Transport stabilisiert wird. Der Transportbügel 6 wird vor der Verwendung des vorliegenden flexiblen Leitungselements entfernt.
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Da der Axialkompensator zum Durchleiten von korrosiven Chemikalien vorgesehen ist, ist er erfindungsgemäß an seiner Innenseite ganzflächig mit einer PFA-Beschichtung 7 versehen. Diese PFA-Beschichtung ist beim Herstellen des Wellrohrs 1 aus einem Metallrohrpaket auf die Innenseite des noch nicht umgeformten Metallrohrpakets aufgesprüht worden, und zwar in mehreren Lagen bei einer Verarbeitungstemperatur von 380°C bis 450°C. Nach dem Erkalten des Metallrohrpakets wurde dieses mitsamt seiner innenliegenden PFA-Beschichtung zweistufig kalt umgeformt, indem durch den Druck eines als Gummistempel ausgebildeten nachgiebigen Innenwerkzeugs zunächst flache Vorwellen erzeugt wurden, von denen die endständig angeordneten Vorwellen 3 übrig geblieben sind. Durch Zusammenfahren der restlichen Vorwellen wurde sodann, nach Entfernen des Gummistempels, die in 1 ersichtliche Form der Wellen 2 hergestellt.
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Dadurch, dass die PFA-Beschichtung schon zuvor aufgebracht worden ist, sind die Wellen 2 auf ihrer Innenseite mit einer gleichmäßigen PFA-Beschichtung versehen. Diese weist eine Schichtdicke auf, die der Wandstärke einer Lage des mehrlagigen Wellrohrs 1 entspricht, so dass dessen Beweglichkeit durch die PFA-Beschichtung nicht nennenswert beeinflusst wird. Das beschichtete Wellrohr 1 ist somit voll beweglich, diffusionsdicht, inert gegen nahezu alle Chemikalien und temperaturbeständig bis ca. 260°C.
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An den Borden 4, also im Übergang zwischen dem Wellrohr 1 und den Flanschen 5 ist ein zylindrischer Übergangsabschnitt gebildet, der es ermöglicht, dass nach dem Anschweißen der Flansche 5 an das Wellrohr 1 bzw. dessen Borde 4 die PFA-Innenbeschichtung bis in die Flansche 5 hinein vervollständigt werden kann, und zwar wiederum durch Aufsprühen einer oder mehrere Lagen aus Perfluoralkoxy-Polymeren, oder durch andere Beschichtungstechniken. Dies kann am ansonsten fertigen Bauteil erfolgen, so dass durch das Anschweißen der Flansche 5 an das Wellrohr 1 die PFA-Beschichtung nicht beeinträchtigt wird. Gleichzeitig wird die Stirnfläche des mehrlagigen Wellrohrs 1 mit einer PFA-Beschichtung bedeckt. Abschließend wurde das in 1 dargestellte flexible Leitungselement nochmals thermisch behandelt, um eventuelle Anrisse der PFA-Beschichtung zu beseitigen.
