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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von Rohrleitungssegmenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden.
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Die Hauptanforderung an eine Verbindungsstelle von Rohrleitungen ist die Sicherstellung der Mediendichtheit. Unabhängig vom verwendeten Verbindungskonzept ist es bei mechanischen Verbindungen immer notwendig, dass Flanschstellen oder Verbindungsstellen eine ausreichend hohe Kontaktkraft senkrecht zu der jeweiligen Verbindungsstelle aufweisen. Durch die elastische Verformung der Kontaktflächen und die damit einhergehende Mikroverzahnung der Oberflächenrauigkeiten kommt es zu einer Dichtwirkung. Im einfachsten Fall können zwei Rohre ineinandergesteckt und so die Dichtwirkung hergestellt werden. Für geringe Drücke oder unverstärkte Rohre funktioniert dieses Vorgehen. Bei Hochdruckrohren und insbesondere Rohren aus Faser-Kunststoff-Verbunden funktioniert es aus den folgenden Gründen nicht:
- • der ideale Faserwinkel für ein innendruckbelastetes Rohr entspricht nicht dem Wickelwinkel, der für die Fügestelle ideal wäre,
- • da in der Dickenrichtung eines Rohres aus faserverstärktem Kunststoff keine Fasern liegen, muss der Vorspannkraftverlust eines Pressverbands durch ein erhöhtes Übermaß kompensiert werden,
- • das notwendige Übermaß zum Fügen zweier Rohrsegmente würde die Rohre im Moment des Fügens (beim Längsverpressen bzw. Ineinanderschieben) beschädigen, da die Rohre selbst sehr dünnwandig sind.
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Aus diesem Grund muss beim Verbinden von Rohrleitungssegmenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden der notwendige Querdruck durch eine alternative Art und Weise aufgebracht werden.
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Die Verbindung von Rohrleitungen aus unverstärkten und verstärkten Kunststoffen wird aktuell durch verschiedene thermische und mechanische Umformverfahren bewerkstelligt. Dabei ist anzumerken, dass die gängigen Verfahren meist für sehr kleine Rohrdurchmesser und niedrige Betriebsdrücke gedacht sind.
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In der Praxis werden vornehmlich die nachfolgenden Verbindungstechniken zum Einsatz gebracht.
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Mit der Heizelement-Muffenschweißverbindung wird eine stoffschlüssige und unlösbare Verbindung von Kunststoffrohrsysteme erzielt. Dabei werden zwei einzelne Rohrsegmente in eine Muffe geschoben und durch Zuführung von Wärmeenergie mit dieser verschweißt. Das Verfahren eignet sich nur für bestimmte thermoplastische, unverstärkte Kunststoffe.
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Beim Radialverpressen wird ein kalibriertes Kunststoffrohr auf einen Metallfitting geschoben und anschließend verpresst. Die Abdichtung erfolgt dabei meist durch zwei separate O-Ringe, die mit in die Verbindung eingebracht werden.
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Bei der Steck- oder Klemmschraubverbindung wird ein Kunststoffrohr auf einen metallischem Grundkörper mit einem speziellen Stützrohr aufgeschoben. Anschließend wird ein radialer Querdruck auf die Verbindungsstelle zwischen Kunststoffrohr und Grundkörper mit Hilfe des Klemmrings erzeugt. Im Fall der Klemmverschraubung wird der Querdruck durch das Einschrauben einer konischen Druckmutter auf den Klemmring erzeugt. Bei der Steckverschraubung erfolgt der Querdruckaufbau durch die Geometrie des Einsteckkanals ohne zusätzliche Einschraubeinheit.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Schiebehülsentechnik. Die
DE 20 2015 106 953 U1 beschreibt beispielsweise eine Schiebehülsenverbindung zwischen einem aufgeweiteten Ende eines Vollkunststoffrohrs oder eines Kunststoff-Verbundrohrs und einem Verbindungselement, umfassend:
- • ein aufgeweitetes Ende eines Vollkunststoffrohrs oder eines Kunststoff-Verbundrohrs;
- • ein Verbindungselement mit mindestens einem mit umlaufenden Außenrippen versehenen Stützkörper, auf den das aufgeweitete Ende des Vollkunststoffrohrs oder des Kunststoff-Verbundrohrs aufgeschoben ist;
- • mindestens einem umlaufenden Kragen; und
- • eine auf das aufgeweitete Ende axial aufgeschobene Schiebehülse aus einem elastisch verformbaren polymeren Material,
- • wobei das Verbindungselement zwischen dem umlaufenden Kragen und der zu diesem nächsten umlaufenden Außenrippe einen Voranschlag aufweist, der eine Begrenzung für das Aufschieben des Rohrendes darstellt, wobei das dem umlaufenden Kragen zugewandte Ende der Schiebehülse über den der umlaufenden Außenrippe zugewandten Rand des Voranschlags hinausragt.
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Dieses Verfahren ist jedoch nur bedingt für faserverstärkte Rohre geeignet, da durch den Aufweitprozess keine in Umfangsrichtung orientierten Fasern vorliegen dürfen. Des Weiteren ist die mit der Schiebehülsentechnik realisierte Verbindung nur schwierig lös- und wiederverwendbar.
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Weiterhin sind Flanschverbindungsverfahren bekannt, wobei Kunststoff-Rohrleitungsenden unter Temperatureinfluss verformt und mit Hilfe von Schraubverbindungen und Flanschscheiben gefügt werden. Diese Verfahren lassen sich in der Regel nur bedingt für endlosfaserverstärkte Kunststoffe einsetzen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine lösbare mechanische Verbindung zwischen zwei Rohrleitungssegmenten aus Faser-Kunststoff-Verbunden zu schaffen, die mit hohem Innendruck beaufschlagbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt auf jedes der Rohrleitungssegmente ein Stützring aufgeschoben wird und auf die aneinanderstoßenden Enden der Rohrleitungssegmente ein Verbindungsstück aufgeschoben wird, wobei der Innendurchmesser des Verbindungsstücks etwas geringer (je nach Nenndurchmesser des Rohrleitung ein paar hundertstel Millimeter) als der Außendurchmesser der Rohrleitungssegmente ist und der Innendurchmesser der Stützringe deutlich geringer (je nach Nenndurchmesser des Verbindungsstücks bis zu einigen zehntel Millimeter) als der Außendurchmesser des Verbindungsstücks ist und in einem dritten Schritt die Stützringe axial auf das Verbindungsstück verpresst werden.
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Im ersten Schritt wird die Fügestelle vorbereitet, indem über die beiden zu fügenden Rohrleitungssegmente ein Stützring mit größerem Durchmesser geschoben wird und die zu verbindenden Enden beider Rohrleitungssegmente in ein Verbindungsstück geschoben werden. Dieses Verbindungsstück hat einen etwas geringeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Rohrleitungssegmente und lässt sich daher unter geringem Kraftaufwand mit den zu verbindenden Enden der Rohrleitungssegmente als Längspressverband fügen. Im zweiten Schritt werden zwei Stützringe beidseitig auf das Verbindungsstück aufgepresst. Die Stützringe weisen dabei einen deutlich geringeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Verbindungsstücks auf, so dass ein erhöhter Kontaktdruck in den Kontaktflächen der Verbindungsstelle wirksam wird. Das Aufbringen der Stützringe auf das Verbindungsstück kann beispielsweise mittels einer Hydraulikzange oder ähnlicher Werkzeuge erfolgen.
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Diese Vorgehensweise ist insofern vorteilhaft, da die rein mechanische Verbindung einfach auf der Baustelle realisierbar ist, beispielsweise mittels einer Hydraulikzange, und die Verbindung wieder lösbar ist. Beide Rohrleitungen können im Grundzustand verbleiben und eine Vorbehandlung der Verbindungszonen ist nicht erforderlich. Auch eine mechanische Veränderung des Grundwerkstoffs durch Erhitzen ist nicht gegeben. Die Art der Verbindung ist an die Anforderungen von Faser-Kunststoff-Verbunden angepasst, da der wirksame Fügedruck der Verbindungsstelle lastgerecht durch die Fasern (Beanspruchung parallel zur Orientierung der Fasern) aufgenommen werden kann.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Verbindungsstück und die Stützringe aus Faser-Kunststoff-Verbunden bestehen.
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Das Verbindungsstück ist dabei vorzugsweise ein gewickeltes Rohr aus Faser-Kunststoff-Verbunden, dessen Längssteifigkeit (in z-Richtung) deutlich höher ist als dessen radiale Steifigkeit. Unter Innendruckbelastung kann somit das Verbindungsstück sehr einfach radiale Dehnungen vollziehen und dient später in der Gesamtverbindung als eine Art Dichtlippe und als Element für den Ausgleich von Unebenheiten. Die Stützringe weisen Umfangswicklungen (auch Ringarmierungen genannt) auf.
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In diesem Fall besteht die gesamte Verbindungsstelle aus dem gleichen Werkstoff, womit Kontakt- und Wärmedehnungsprobleme vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff dadurch gelöst, dass für jede Verbindungsstelle zweier Rohrleitungssegmente ein Verbindungsstück mit etwas geringerem Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Rohrleitungssegmente und zwei Stützringe mit deutlich geringerem Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Verbindungsstücks vorgesehen sind, wobei das Verbindungsstück und die Stützringe aus Faser-Kunststoff-Verbunden bestehen.
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Es ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, dass das Verbindungsstück ein gewickeltes Rohr aus Faser-Kunststoff-Verbunden ist, dessen Längssteifigkeit (in z-Richtung) deutlich höher ist als dessen radiale Steifigkeit und dass die Stützringe Umfangswicklungen aufweisen.
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Vorzugsweise weisen die Stützringe Greifbereiche für ein Presswerkzeug, insbesondere eine Hydraulikzange, auf.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 a bis 1c das Erstellen einer Rohrverbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- 2 eine schematische Darstellung der radial verteilten Schichtsteifigkeiten der einzelnen Bauelemente.
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Wie in 1a und 1 b dargestellt, wird in einem ersten Schritt auf jedes der Rohrleitungssegmente 1 ein Stützring 2 und auf die aneinanderstoßenden Enden der Rohrleitungssegmente 1 ein Verbindungsstück 3 aufgeschoben, wobei der Innendurchmesser des Verbindungsstücks 3 etwas geringer (je nach Nenndurchmesser des Rohrleitung ein paar hundertstel Millimeter) als der Außendurchmesser der Rohrleitungssegmente 1 ist und der Innendurchmesser der Stützringe 2 deutlich geringer (je nach Nenndurchmesser des Verbindungsstücks bis zu einigen zehntel Millimeter) als der Außendurchmesser des Verbindungsstücks 3 ist. Sowohl die Stützringe 2 als auch das Verbindungsstück 3 bestehen aus Faser-Kunststoff-Verbunden. Die Stützringe 2 weisen Umfangswicklungen auf. Das Verbindungsstück 3 ist ein gewickeltes Rohr aus Faser-Kunststoff-Verbunden, dessen Längssteifigkeit (in z-Richtung) deutlich höher ist als dessen radiale Steifigkeit. Bevorzugt erfolgt, wie hier dargestellt, zunächst das Aufschieben der Stützringe 2 auf die Rohrleitungssegmente (1a) und dann das Aufschieben des Verbindungsstücks 3 auf die freien Enden der Rohrleitungssegmente 1 (1b), es ist aber auch möglich, in umgekehrter Reihenfolge vorzugehen.
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In einem zweiten Schritt (1 c) werden die Stützringe 2 axial auf das Verbindungsstück 3 verpresst, beispielsweise durch eine Hydraulikzange. Auf diese Weise wird ohne Verformen oder Erhitzen der Rohrleitungssegmente 1 eine fluiddichte und wieder lösbare Verbindung geschaffen. Zum Erleichtern des Verpressens können die Stützringe (2) Greifbereiche für ein Presswerkzeug, insbesondere eine Hydraulikzange, aufweisen.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich auch anhand der radial verteilten Schichtsteifigkeiten der einzelnen Bauteile verdeutlichen (siehe 2).
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Die umfangsgewickelten Stützringe weisen die höchste radiale Steifigkeit in der Verbindungsstelle auf. Da die Fasern ideal in Lastrichtung orientiert sind, sorgt der Stützring für ein Verhindern von Setzeffekten, solange dessen Vorspannung hoch genug dimensioniert ist. Weiterhin ist die Dicke des Stützrings so gewählt, dass beim Fügen kein Modus C-Versagen (Keilbruchversagen) auf Grund erhöhter Querdruckbeanspruchungen entsteht.
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Der Stützring wird auf ein weniger radial steifes Bauteil, das Verbindungsstück, aufgepresst. Dadurch, dass das Verbindungsstück relativ kurz ausgeführt ist, kommt es beim Fügen nicht zum Stabilitätsversagen durch z.B. Axial- oder Schachbrettbeulen des Verbindungsstücks. Zudem sorgt die geringe radiale Steifigkeit des Verbindungsstücks für einen Transfer des radialen Drucks hin zur Verbindungsstelle zwischen Rohrleitung und Verbindungsstück, was letztlich die eigentlich gewünschte Abdichtwirkung erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015106953 U1 [0009]
