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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Innenschleifen von Rohren nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Innenschleifen von Rohren nach Anspruch 8.
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Die politische Entwicklung in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten immer mehr die Nutzung regenerativer Energien verfolgt. Damit einher ging auch eine immer deutlicher werdende Kritik gegenüber der Atomenergie, die zuletzt im Atomausstieg Deutschlands mündete. So besteht erstmals ein größeres Interesse an einem Abbau bestehender Kernenergieanlagen. Hierbei ist die Entsorgung radioaktiver Abfälle ein besonderes Problemfeld. Insbesondere Rohre für den Kühlkreislauf weisen dabei nur eine geringe Radioaktivität auf, überschreiten jedoch die Grenzwerte, um als Restmüll oder Recycling-Müll entsorgt zu werden. Insbesondere Materialien mit nur leichter Verseuchung stellen dabei einen hohen Masseanteil radioaktiver Abfälle dar. Insofern gibt es derzeit eine hohe Nachfrage an Verfahren, die radioaktive Abfallmenge zu reduzieren. Viele Dienstleistungsunternehmen forschen seit Jahren an der Entwicklung solcher Verfahren. Dabei existieren bereits einige sehr aufwendige und teure Verfahren, um Leitungsrohre durch einen chemischen Prozess zu dekontaminieren. Die dabei eingesetzten chemischen Substanzen und Flüssigkeiten führen jedoch zum Entstehen neuer radioaktiver verseuchter Abfälle, wofür dann beispielsweise Abklingbecken für das Abklingen der Radioaktivität entstehender Flüssigkeiten notwendig werden.
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Generell ist die Bearbeitung von Rohren an ihrer Innenseite eine Problemstellung, die bereits zu sehr aufwendig konstruierten Fräsköpfen geführt hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen effizienteren Weg zu finden, um Rohre auf ihrer Innenseite zu dekontaminieren und Materialschichten von innen heraus zu lösen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach einem dem neuen Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach dem neuen Anspruch 8 gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Innenschleifen von Rohren, umfassend einen rotierenden Schleifkopf, der an einem Ende einer Welle angeordnet ist. Der Kerngedanke der Erfindung ist, dass der Schleifkopf in einer Axialrichtung der Welle einen Anfangsbereich aufweist, in dem er kreisförmig um die Axialrichtung zusammenhängend ausgebildet ist und weiterhin einen Endbereich aufweist, in dem er kreisförmig um die Axialrichtung in wenigstens zwei Teilstücke aufgeschnitten ist, wobei in einem zentrischen Hohlraum innerhalb des Schleifkopfes eine konisch in Axialrichtung zum Endbereich zulaufende Spitze angeordnet ist, die bei Druckbeaufschlagung in der Axialrichtung einen bezüglich der Axialrichtung radialen Druck von innen auf die wenigstens zwei Teilstücke ausübt und die wenigstens zwei Teilstücke radial außen eine Schleifbeschichtung zum Schleifen eines Rohres aufweisen. Dieser Aufbau ist vorteilhaft, da er einen im Wesentlichen konstanten Abtrag einer inneren Materialbeschichtung eines Rohres erlaubt. Dadurch, dass der Schleifkopf in einem Endbereich kreisförmig um die Axialrichtung aufgeschnitten ist, ist eine Anpassung eines Umfangs des Schleifkopfes an einem Durchmesser des Rohres möglich. Insofern kann auch bei Unebenheiten innerhalb des Rohres ein im Wesentlichen konstanter Materialabtrag gewährleistet werden. Durch die konisch zulaufende Spitze kann über eine Druckbeaufschlagung in Axialrichtung ein Anpressdruck reguliert werden.
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Vorteilhaft weist die Welle in ihrem Endbereich ein außenseitiges Schraubgewinde auf. Denkbar ist, dass dieses Schraubgewinde passend zu einem innenseitigen Schraubgewinde an dem Anfangsbereich des Schleifkopfes ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Schleifkopf auswechselbar auf die Welle aufgeschraubt und entfernt werden. Vorteilhaft ist die Welle innen hohl ausgebildet, sodass in ihr eine Druckübertragungsstange geführt werden kann, mit der vorteilhaft ein Druck auf die konisch zulaufende Spitze ausgeübt werden kann. Der Schleifkopf ist bevorzugt aus Gusseisen gefertigt. An der Position in Axialrichtung seiner größten radialen Ausdehnung beträgt der Durchmesser vorteilhaft zwischen 5 mm–2 cm, bevorzugt 7 mm–1,2 cm. Er ist jedoch nicht auf diese Maße beschränkt. Von seinem Anfangsbereich zu seinem Endbereich wächst der Radius zunächst und sinkt dann wieder bis zu der Stelle, an der die Schleifbeschichtung aufgetragen ist. Diese Form ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine Spitze in seinem Anfangsbereich zunächst Platz hat, sich auszudehnen und in Axialrichtung zum zusammenlaufenden Endbereich dann bei Druckbeaufschlagung die Teilstücke auseinander presst. Eine innere Fräsung des Schleifkopfes ist vorteilhaft der Spitze nach empfunden, was bevorzugt dazu beiträgt, dass eine Druckbeaufschlagung die Teilflächen auseinander drückt. An einem Anfangsbereich bei dem Gewinde weist der Schleifkopf vorteilhaft eine Verengung auf. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Außengewinde einer Welle ohne einen großen radialen Unterschied ausgebildet werden kann bei gleichzeitiger Bereitstellung eines Innenraumes mit konstanter radialer Ausdehnung, in dem die Druckübertragungsstange führbar ist. Eine Ausdehnung des Schraubgewindes in Axialrichtung beträgt vorteilhaft zwischen 5 mm–2 cm, bevorzugt zwischen 8 mm–1,2 cm. Die Ausdehnung des Schleifkopfes in Axialrichtung beträgt vorteilhaft zwischen 4 cm–10 cm, besonders vorteilhaft zwischen 8 cm–9 cm. Die Ausdehnung in Axialrichtung ist jedoch nicht auf diese Maße beschränkt. Die Aufteilung der Teilstücke beginnt in Axialrichtung vom Anfangsbereich aus gesehen nach wenigen Millimetern vorteilhaft. Auf diese Weise lässt sich eine besonders gute Federwirkung erzielen. Der Innendurchmesser beträgt vorteilhaft zwischen 3–10 mm, besonders vorteilhaft zwischen 4–6 mm. Ganz besonders vorteilhaft eignet sich der Schleifkopf für Rohre mit 14 mm Innendurchmesser und 16 mm Außendurchmesser. Der Schleifkopf lässt sich jedoch für Rohre in beliebiger Größe verwenden. Eine Bearbeitungslänge beträgt vorteilhaft zwischen 50 cm–1,50 m, besonders bevorzugt zwischen 80 cm–1,20 m. Vorteilhaft betragen diese Rohre 1 mm Wandstärke, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In der Kernenergie sind vor allem Rohre aus Inconel mit 16 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke vorhanden, für die im Besonderen der Schleifkopf verwendbar sein soll. Vorteilhaft existiert dabei eine Spannvorrichtung, in die das Rohr einspannbar ist, sodass die Welle mit dem Schleifkopf stabil bezüglich des Rohres führbar ist. Es ist denkbar, dass die Vorrichtung mit einem Mechanismus zum Ändern der Position in Axialrichtung des Schleifkopfes bezüglich des Rohres einstellbar ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Materialabtrag des Rohres besser regulierbar ist. Ein zweiter Mechanismus ist vorteilhaft zur Regulierung der Druckbeaufschlagung auf die Spitze vorgesehen. Da die Spitze und die Druckübertragungsstange sich in der Regel mit der umgebenden Welle bei einer Rotation mit drehen, ist der Mechanismus zur Druckbeaufschlagung der Druckübertragungsstange vorteilhaft über ein Kugellager verbunden. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise der zweite Mechanismus einen Druck auf die Druckübertragungsstange ausüben kann, ohne sich selber mit zu rotieren. Fernerhin ist denkbar, dass ein weiterer Mechanismus ein Drehmoment auf die Welle ausübt, das auf diese Weise an den Schleifkopf übertragen wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin ein Ansaugelement zum Ansaugen abgetragener Materialpartikel auf. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise abgetragene Materialpartikel leicht aus dem Rohr entfernt werden können und beim Schleifprozess nicht weiter hinderlich sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung für auf der Innenseite kontaminierte Rohre Verwendung findet. Auf diese Weise wird das Heraustreten abgetragener, oder insbesondere radioaktiver, Partikel verhindert. Dabei ist denkbar, dass das Ansaugelement über einen Filter mit einem Fass verbunden ist, in dem die abgesaugten Materialpartikel aufgefangen werden. Insbesondere ist dieses Fass vorteilhaft radioaktiv abgeschirmt. Auf diese Weise ist die Entsorgung der radioaktiven Abfälle einfach möglich. Insbesondere entfällt gegenüber gängigen Verfahren die Entsorgung radioaktiver Sekundärabfälle. Bei elektrolytischen Vorgängen und Spülvorgängen lagert sich ein Teil der Radioaktivität in den verwendeten Flüssigkeiten ab, die dann wiederum aufwendig dekontaminiert oder entsorgt werden müssen. Durch das trockene Absaugen der abgetragenen Materialpartikel entfällt dieser Vorgang. Es entstehen keine Sekundärabfälle. Lediglich die abgetragenen Materialpartikel werden entsorgt. Vorteilhaft ist das Ansaugelement dabei mit dem Rohr über eine Dichtung mit einem Simmerring verbunden. Auf diese Weise wird das Heraustreten von Materialpartikeln verhindert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin ein Pressluftelement zum Herausblasen abgetragener Materialpartikel auf. Dies ist vorteilhaft, da vereinfacht über einen Luftstrom Materialpartikel aus dem Rohr entfernbar sind. Verbindet man das Ansaugelement mit dem Pressluftelement, kann durch eine Kombination die Leistung erhöht werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft das Anlagern von Materialpartikelresten in dem Rohr verhindert. Das Pressluftelement ist dabei über eine Dichtung mit einem Simmerring vorteilhaft mit dem Rohr verbunden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Schleifbeschichtung aus einem Lötmetall mit eingearbeiteten Schleifdiamanten. Vorteilhaft wird als Lötmetall ein Lötzinn oder ein Lötmessing verwendet. Dies ist vorteilhaft aufgrund der Gängigkeit und dem Zugang zu diesen Materialien. Dabei ist denkbar, dass grobe Diamanten an der Außenhülle des Lotes angeordnet werden. Dies ist vorteilhaft, da gröbere Diamanten gegenüber weniger groben Diamanten eine höhere Schleif- und Abtragsrate aufweisen. Nachteilig ist jedoch, dass nach Abnutzung der ersten Schicht der Diamanten eine Schleifwirkung des Schleifkopfes vermindert oder aufgehoben wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Schleifbeschichtung mehrere Schichten feinerer Diamanten aufweist, sodass auch nach Abnutzung eine konstante Schleifwirkung aufrechterhalten werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Schleifbeschichtung eine konstante Fläche auf, sodass auch bei Abnutzung der Schleifbeschichtung ein gleichmäßiges Schleifverhalten gewährleistet ist. Mit einer größer werdenden Fläche nimmt bei gleichem Anpressdruck die Gesamtabtragsrate ab, da sich der Abpressdruck auf eine größere Fläche verteilt und auf diese Weise weniger Haftreibung verursacht. Daher ist zum Erzielen einer konstanten Abtragsrate eine konstante Fläche der Schleifbeschichtung unentbehrlich. Insbesondere bei der Dekontamination von Rohren ist dies vorteilhaft. So müssen nach gesetzlichen Bestimmungen die Rohre nach der Dekontamination „freigemessen” werden, um mit dem Restmüll oder Metallmüll entsorgt werden zu können. Ist die Abtragsrate nicht gleichmäßig genug, so muss jedes Rohr einzeln freigemessen werden. Bei gleichmäßiger Abtragsrate ist es jedoch gestattet, eine größere Menge von Rohren gleichzeitig freizumessen. Dies spart Zeit und erhöht die Effizienz.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Ansaugelement mit einer Filtereinheit in einem bevorzugt gegen Radioaktivität abgeschirmten Behältnis verbunden, in dem abgetragene Materialpartikel abgelagert werden. Die Vorteile liegen auf der Hand.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spitze mit einer bevorzugten pneumatischen Druckregulierung verbunden, die in Axialrichtung einen regulierbaren Druck auf die Spitze ausübt, sodass bevorzugt ein gleichmäßiges Schleifverhalten durch einen konstanten Anpressdruck erzielbar ist. Die vorteilhaften Vorteile eines gleichmäßigen Schleifverhaltens sind bereits hinreichend erläutert worden.
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Fernerhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Innenschleifen von Rohren. Der Kerngedanke der Erfindung ist, dass dieses Verfahren den zunächst einen Schritt des Einführens der Schleifbeschichtung des Schleifkopfes in einem Anfang eines Hohlraumes eines Rohres umfasst, weiterhin eine Druckbeaufschlagung auf die Spitze in Axialrichtung umfasst, sodass die wenigstens zwei Teilstücke radial mit der Schleifbeschichtung auf eine Innenwandung des Rohres drücken, danach die Rotation des Schleifkopfes durch Rotation der Welle und somit Abtrag eines Abschnittes in Axialrichtung einer inneren Materialschicht des Rohres umfasst, worauf das Bewegen des Schleifkopfes in Axialrichtung bei permanenter Regulierung des Druckes auf die Spitze und bei permanenter Aufrechterhaltung der Rotation erfolgt, wobei das Verfahren weiterhin den Abtrag eines weiteren Abschnittes in Axialrichtung einer inneren Materialschicht des Rohres umfasst, worauf der Schritt des Bewegens des Schleifkopfes in Axialrichtung und der Schritt des Abtrags eines weiteren Abschnitts in Axialrichtung wiederholt werden, bis der Schleifkopf mit seiner Schleifbeschichtung an einem Ende des Rohres angelangt ist. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für das Entfernen radioaktiver Kontamination auf Inconel.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird vor Beginn des Schrittes des Einführens der Schleifbeschichtung ein Ansaugelement luftdicht mit einem Ende des Rohres verbunden und während der Schritte des Verfahrens saugt das Ansaugelement abgetragene Materialpartikel an und ist bevorzugt mit einer Filtereinheit in einem bevorzugt gegen Radioaktivität abgeschirmten Behältnis verbunden und lagert abgetragene Materialpartikel in diesem an. Auf diese Weise werden radioaktive Materialpartikel direkt aus dem Rohr entfernt und können auf diese Weise keine gesundheitsschädliche Wirkung mehr entfalten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens weist das Rohr an einer Innenwandung eine radioaktive Kontamination auf und es wird während des Schrittes der Rotation des Schleifkopfes und des Abtrages so viel Material abgetragen, dass ein gesetzlicher Grenzwert für eine Radioaktivität des Rohres unterschritten wird. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Großteil des Rohres ganz normal entsorgt werden kann, während lediglich die abgeschliffenen oder abgetragenen Materialpartikel als Atommüll entsorgt werden müssen.
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Vorteilhaft existiert auch eine Steuerung zu der Vorrichtung, insbesondere eine SPS-Steuerung.
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Der erste Mechanismus zum Einstellen einer Position des Schleifkopfes in Axialrichtung weist vorteilhaft ein Vorschubgehäuse auf, an dem der Schleifkopf mittels der Welle angeordnet ist, und das bezüglich einem anderen Gehäuse, an dem das Rohr befestigt ist, über ein Schraubgewinde in Axialrichtung verschiebbar ist. Auf diese Weise kann die Welle mit dem Schraubkopf in das Rohr eingeführt und aus dem Rohr heraus geführt werden, indem das Vorschubgehäuse bezüglich dem Gehäuse über das Schraubgewinde bewegt wird. Dies ist jedoch nicht darauf beschränkt. Vorteilhaft ist der pneumatische Mechanismus direkt an der Welle angeordnet, sodass direkt eine Kraft auf die Druckübertragungsstange ausübbar ist. Ganz besonders vorteilhaft wird über die Steuerung ein konstanter Druck eingestellt, was mit einem gleichmäßigen Abtragsverhalten einhergeht. Vorteilhaft weist der dritte Mechanismus zum Bereitstellen eines Drehmoments eine zweite Welle auf, die mittels Zahnrädern das Drehmoment auf die Welle überträgt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise das Druckbeaufschlagungselement, das Element für den ersten Mechanismus einander nicht stören. Möglich sind jedoch auch Kraftübertragungen über Kettenräder, über Zahnräder, über Keilriemen, über Schraubgewinde oder anderes.
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Weiterhin vorteilhaft ist denkbar, dass die Vorrichtung mehrere Einspannstellen für Rohre bereitstellt, sodass mehrere Rohre gleichzeitig innen geschliffen werden können. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine Geschwindigkeit der Vorrichtung erhöht wird.
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Weitere Ziele, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schleifkopfes;
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2–14 verschiedene perspektivische Aufnahmen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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15 schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt einen Schleifkopf 10, der an einer Welle 24 über ein Gewinde 22 angeordnet ist. Dieser befindet sich innerhalb eines Rohres 2 mit einer Innenwandung 4 und einem Hohlraum 3. Innerhalb der Welle 24 ist eine Druckübertragungsstange 80 geführt. Von einem Anfangsbereich 18 des Schleifkopfes 10 in Axialrichtung weitet sich ein Radius des Schleifkopfes 10 in dieser Druck beaufschlagten Position. Dabei drückt eine konisch zulaufende Spitze 16 durch eine Druckbeaufschlagung in Axialrichtung A zwei Teilstücke 12a, b des Schleifkopfes 10 in radialer Richtung A auseinander. An einem Endbereich 20 des Schleifkopfes 10 sind an jedem Teilstück 12a, b Schleifbeschichtungen 14a, b in Radialrichtung außen angeordnet und drücken in dieser Position gegen die Innenwandung 4 des Rohres 2.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Rohr
- 3
- Hohlraum
- 4
- Innenwandung
- 5
- Lager
- 6
- vorderes Lager
- 8
- Dichtelement
- 10
- Schleifkopf
- 12a, b
- Teilstück
- 14a, b
- Schleifbeschichtung
- 16
- Spitze
- 18
- Anfangsbereich
- 20
- Endbereich
- 22
- Gewinde
- 24
- Welle
- 26
- Ende
- 28
- Hohlraum
- 40
- Axialvorschubwelle
- 42
- Antrieb
- 44
- Vorschubgehäuse
- 46
- Distanzelement
- 60
- Drehmomentwelle
- 62
- Drehmomentantrieb
- 80
- Druckübertragungsstange
- 82
- pneumatische Druckregulierung
- 100
- Gehäuse
- 102
- Schaltergehäuse
- 120
- Pressluftanschluss
- 124
- Kugellager
- 126
- Pressluftelement
- 140
- Schalterhaltung
- 142
- Pneumatikhebel
- 144
- Schalter 1
- 150
- Ansaugelement
- A
- Axialrichtung
