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Verbindung für Hochdruckrohre od. dgl. Die Erfindung bezieht sich
auf Verbindungen für Hochdruckrohre. Bei solchen Verbindungen ist die Dichtheit
an der Verbindungsstelle nicht nur entgegen hohen Drücken zu gewährleisten, sondern
auch entgegen den Folgen therrnischer Ausdehnung und Zusammenziehung in axialer
und radialer Richtung aufrechtzuerhalten.
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Es sind bereits Verbindungen für Hochdruckrohre bekannt, bei denen
die Rohrenden einen schwach konischen Ringansatz bzw. eine Ausnehmung von geringerer
Konizität aufweisen, mit denen sie ineinandergreifen und dabei einen Ringspalt bilden,
der sich mit größer werdendem Durchmesser verengt und einen Dichtungsring aus einem
Werkstoff geringer Verformbarkeit aufnimmt.
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Die bisher bekannten Verbindungen dieser Gattung genügen nicht allen
Anforderungen, insofern, als die Form des Ringspaltes und die sich bei Dehnung oder
Schrumpfung der Verbindungsteile und Änderungen der Dichtungsringfonn, z. B. unter
veränderten Innendrücken, auftretenden Formänderungen nicht so aufeinander abgestimmt
sind, daß die äußere Mantellinie des Dichtungsringes sowohl in der spannungslosen
Ausgangsform dieses Ringes als auch in der betriebsmäßig unter Spannung sich ausbildenden
Form des Ringes der Form ihrer Gegenfläche entspricht.
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In dem USA.-Patent 2 582 995 ist eine druckdichte Verbindung
beschrieben und dargestellt, in welcher ein innen und außen verjüngter Ring den
verjüngten ringförmigen Zwischenraum zwischen zwei Teilen ausfüllt und abdichtet.
Die Teile sind derart gegeneinandergepreßt, daß der Druck des Fluidums das Bestreben
hat, den Zwischenraum zwischen ihnen zu verringern und den Ring in den Zwischenraum
zu drücken. Die Gegenwirkung erfolgt in der Richtung, in welcher sich die Durchmesser
der konvexen und der umfassenden konkaven Oberfläche verringern. Auf diese Weise
wirken die Spannungen im Dichtungsring zusammenziehend und sich dem Leitungsdruck
entgegengesetzt.
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Dies ist an sich wünschenswert, aber aus Montagegründen nicht für
jede Verbindung geeignet.
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Bei einer Rohrverbindung arbeitet z. B. der zunehmende Druck in dem
Rohr darauf hin, die Enden der Rohre zu trennen und den Zwischenraum zu vergrößern,
so daß die Kraftreaktionen völlig verschieden von denen sind, die in der Vorrichtung
nach dem erwähnten Patent auftreten. In einer Rohrverbindung begünstigen die sehr
kleinen Relativbewegungen der verbundenen Rohre eine Bewegung des Dichtungsringes
unter der Wirkung des Druckes in der Leitung. Der Ring wird durch den Druck des
Fluidums in die Richtung gedrückt, in welcher die Durchmesser der konischen Dichtungsflächen
wachsen, jedoch der der äußeren Dichtungsfläche wegen ihrer geringeren Konizität
in einem geringeren Verhältnis. Als Folge davon wird der Ringquerschnitt von außen
und innen her gequetscht und eine Ringverdünnung begünstigt, wodurch eine neue Schwierigkeit
entsteht.
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Die Erfindung beseitigt diese, Nachteile.
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Nach der Erfindung ist der Ringspalt zwischen den Verbindungsteilen
und auch der Dichtungsring derart ausgebildet, daß der Ring bei Verschiebung unter
Druck oder bei kleinen Relativbewegungen zwischen den Verbindungsteilen immer und
zuverlässig in dichtender Berührung mit den ihn umgebenden Dichtungsflächen gehalten
wird.
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Dabei ist die dichte Anlage des Ringes durch den in den Rohren herrschenden
Druck bewirkt und nicht davon abhängig, daß die Rohrenden- fest gegeneinandergedrückt,
werden.
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Dies hat den Vorteil, daß die Elemente, welche die Rohre zusammenhalten,
anfangs nicht sehr fest angezogen zu werden brauchen, so daß die Verbindung auch,
während sie unter hohem Druck steht, arbeiten, d. h. kleine Bewegungen, z.
B. bei Verformung durch Erwärmung, ausführen k
Verbindungen nach der Erfindung
sind besonders wertvoll bei rohrförmigen, mit hoher Temperatur betriebenen Wärineaustauschern,
weil sie ein Verbinden von Rohren, die mit engem Abstand parallel laufen, zulassen
und eine die Ausdehnung berücksichtigende
Anpassung sowohl während
des Zusammenbaus als auch während der Benutzung ermöglichen.
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Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die
Begrenzungslinie der konischen Ausnehmung in der Stirnseite des Rohres oder Anschlußstückes
im Längsschnitte so auf die Begrenzungslinie des konischen Ringansatzes an der Stirnseite
des Gegenstückes abgestimmt ist, daß sie der äußeren Mantellinie des Dichtungsringes
sowohl in der spannungslosen Ausgangsform dieses Ringes als auch in der betriebsmäßig
unter Spannung sich ausbildenden Form des Ringes entspricht.
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Die Mantelfläche des Ringansatzes kann auch in an sich bekannter Weise
ballig ausgebildet sein.
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Bei einer Ausbildung der äußeren Fläche als Kegelstumpfmantel und
der inneren Fläche als Kugelfläche, deren Symmetrieachsen in die Rohrachse fallen,
können näherungsweise die erfindungsgemäßen Bedingungen auch erfüllt werden.
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Vorzugsweise soll der den Dichtungsting aufnehmende Ringspalt etwa
achsnormale Schnittflächen gleicher Größe aufweisen.
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Die beiden Rohrenden können in an sich bekannter Weise gleich ausgebildet
sein und entweder je einen Ringansatz oder je eine Ausnehmung aufweisen,
wobei ein Verbindungsstück dazwischengeschaltet ist, das beidseitig je eine
Ausnehmung oder je einen Ringansatz aufweist und mit den Ansätzen oder Ausnehmungen
der Rohre ringförmige Keilspalte bildet, in welche je ein Dichtungsring eingesetzt
ist.
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Die Verbindung nach der Erfindung soll nicht nur für Rohre od. dgl.
benutzt werden, sondern ist auch in entsprechender Ausbildung für Verschlüsse an
Rohrenden, für Krümmer usw. geeignet.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale gehen aus der Beschreibung der in
den Zeichnungen gezeigten beispielsweisen Ausführungsform hervor. In den Zeichnungen
ist F i g. 1 ein teilweiser Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei
Rohrenden mit Flanschen, wobei ein Dichtungsring in einem konischen Ringspalt nüt
im Längsschnitt geradlinig begrenzten Dichtungsflächen angebracht ist, F i
g. 2 ein ähnlicher Uängsschnitt, bei dem die im Durchmesser größere Dichtungsfläche
einen geraden Kegel bildet und die im Durchmesser kleinere Dichtungsfläche baHig,
d. h. ein Kugelsegment ist, F i g. 3 ein der F i g. 2 ähnliches
Schnittbild, bei dem ein gummiartiger Einsatz zur zusätzlichen Ausfüllung des Dichtungsspaltes
benutzt ist, um an der Rohrverbindungsstelle im Inneren des Rohres turbulente Strömung
zu vermeiden, F i g. 4 ein Schnitt, in dem die benachbarten Rohrflansche
spiegelbildlich gleich sind und dazwischen ein Ring mit zwei symmetrischen inneren
kegelförmigen Dichtungsflächen angeordnet ist, F i g. 5 ein Längsschnitt,
bei dem ein mit äußeren balligen Dichtungsflächen versehener Ring zwischen zwei
Rohrflanschen angeordnet ist, F i g. 6 eine halb geschnittene Ansicht eines
Um- i kehrkrümmers in Stromlinienform mit Verbindungen nach der Erfindung, F i
g. 7 und 8 eine Stirn- und eine Seitenansicht, die letztere halb im
Schnitt, eines Rohrformstückes zum Verbinden paralleler Rohre, wobei die stirnseitigen
Reinigungsöffnungen des Formstücks durch Stopfen verschlossen und mit Dichtungsflächen
nach den Erfindungen versehen sind. Alle dargestellten Ausführungen beruhen auf
demselben Grundprinzip, und entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In F i g. 1 sind mit 6 und 7 Flansche an den
Enden von zwei in gleicher Linie liegenden Rohrenden 8
und 9 bezeichnet.
Schraubenbolzen 11 und Muttern 12 halten die Flansche zusammen. Es könnten
auch andere bekannte Mittel benutzt werden, um die Flansche oder Ringansätze miteinander
zu verbinden.
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Die Schraubenbolzen 11 haben in den Durchgangslöchern der Flansche
Spiel, so daß die Verbindung die Möglichkeit hat, sich selbst zu zentrieren. Der
Flansch 6 weist eine schwach konische Ausnehmung 13 auf. Der Flansch
7 hat einen rohrförrnigen Ansatz stärkerer Konizität bei 14. Zwischen den
Dichtungsflächen 13 und 14 ist ein Dichtungsring 15 aus einem Werkstoff
geringer Verformbarkeit eingeklemmt. In seinem unbeanspruchten Zustand paßt der
Ring 15 mit beiden Oberflächen 13 und 14 zusammen.
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Bei der Herstellung der Verbindung werden die Muttern 12 auf den Bolzen
so weit angezogen, daß die Flansche 6 und 7 relativ zueinander eingestellt
sind und eine Anfangsdichtungsberührung zwischen dem Dichtungsring 15 und
den Dichtungsflächen 13
und 14 vorhanden ist. Da der Druck des Fluidums in
den Rohren den Ring 15 in seine endgültige Dichtungsstellung drückt, ist
es unnötig, eine völlig dichte Berührung durch starkes Anziehen der Schrauben
11,
12 herbeizuführen. Aus diesem Grunde wird durch die Bolzen oder irgendwelche
äquivalenten Verbindungsmittel die gegenseitige Einstellung der beiden verbundenen
Teile vereinfacht. Die Verbindungsmittel verhüten im wesentlichen nur die Trennung
der Teile. Es sind deshalb kleine Längenabweichungen der miteinander zu verbindenden
Rohre zulässig. Die bekannten Rohrverbindungen, bei denen die Dichtungswirkung von
dem anfänglichen Festziehen der Verbindungselemente abhängig ist, haben keine derartige
Toleranz. Tatsächlich sind sie unbestimmten veränderlichen Einflüssen unterworfen,
die davon abhängen, wie die Dichtung deformiert wird, und sie können auf diese Weise
unter nicht vorherbestimmten und meist unangemessenen Spannungen zusammengebaut
werden, während die Erfindung eine Verbindung ergibt, deren Beanspruchungszustand
bekannt ist. An sich ist dies auch bei den bekannten Rohrverbindungen mit Gummidichtungen,
die durch den Leitungsdruck angedrückt werden, der Fall; jedoch sind diese für hohe
Drücke und Temperaturen nicht geeignet.
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Die kegeligen Oberflächen 13 und 14 haben bezüglich ihrer Kegelscheitel,
die auf der gleichen Seite liegen, verschiedene Winkel, wobei der Hohlkegel spitzer
ist. Infolgedessen verjüngt sich der Ringspalt zwischen den Oberflächen
13 und 14, wie auch der Querschnitt des Ringes 15, von links nach
rechts. In dieser Richtung drückt auch der Druck des Fluidums in den Rohren
8 und 9 auf den Ring 15.
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Gewöhnlich ist der Druck in den Rohren Änderungen unterworfen. Auch
können Temperaturwechsel die Kraft beeinflussen, mit welcher die Schraubenbolzen
11 die Flansche zusammenziehen und Änderungen in den Längen der verbindenden
Rohre bewirken.
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Diese Wirkungen können kleine Relativbewegungen in Axialrichtung zwischen
den Oberflächen
13 und 14 hervorrufen. Da der Ring
15 dem Druck des Fluidums konstant ausgesetzt ist, der ihn nach rechts drückt,
sucht er sich gegen die Basis des Kegels 14 hin zu bewegen. Dies setzt den Ring
einer Zusammendrückung zwischen den Oberflächen 13 und 14 aus und unterwirft
ihn einer Umfangsspannung.
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Die Berührung des Ringes 15 mit der Oberfläche 14 ist durch
den herrschenden Leitungsdruck gesichert, aber der Ring wird gedehnt. Sein mittlerer
Umfang nimmt zu, die Querschnittsfläche nimmt im gleichen Verhältnis ab, und es
muß nun die Oberfläche 13 eine solche Form haben, daß die dauernde Berührung
mit dem Ring 15 sichergestellt ist. Die richtige Koordinierung der Dichtungsoberflächen
13
und 1.4 ist das Wesentliche der Erfindung. Man kann die Dichtungsoberfläche
13 als Folge oder Funktion der Dichtungsoberfläche 14 wie folgt erklären.
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Die Oberfläche 13 muß, wenn der Ring 15 axial nach rechts
verschoben und dabei durch den inneren Konus 14 gedehnt wird, dauernd mit der Oberfläche
des Ringes 15 übereinstimmen. Der Dichtungsring stimmt dann in seiner Querschnittsgestalt
immer mit dem Ringspalt überein. Wird vorausgesetzt, daß die Querschnittsminderung
des Ringes 15 bei axialer Verschiebung nach rechts durch Verringerung der
radialen Dicke des Ringes 15 erfolgt (eine Annahme, die nahezu, aber nicht
genau stimmt), so müssen alle achsnormalen Schnittflächen durch den Ring
15 im wesentlichen gleichen Flächeninhalt aufweisen. Als Dichtungsringe werden
im allgemeinen metallische Ringe, z. B. aus Stahl, Kupfer oder Aluminium
' benutzt.
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Das Verhalten dieser Stoffe bei elastischer oder plastischer Verformung
kann ein Abweichen von den angegebenen geometrischen Bedingungen erforderlich machen.
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Die vorstehenden Erklärungen lassen erkennen, daß sich die Erfindung
durch die Benutzung von zwei richtig in Beziehung gebrachten kegelförnügen Oberflächen,
wie 13 und 14, ausführen läßt, um brauchbare Verbindungen bei Hochdruckrohren
herzustellen.
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Diese Auführung erfordert aber ein genaues Ausrichten der verbundenen
Teile, was nicht immer möglich ist.
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Um diese Notwendigkeit zu vermeiden und die Erfindung vielseitig verwenden
zu können, kann man die in F i g. 2 gezeigte Ausführung benutzen. In dieser
Figur sind die Teile, die mit 6 bis 12 bezeichnet sind, denen nach F i
g. 1 identisch. Die Oberfläche 13 a ist ein Kegel und kann
dem Kegel 13
gleich sein. Die Oberfläche 14 a ist ballig und kann das
Segment einer Kugel sein, deren Radius R ist und deren Mitte in einem Punkt
C auf der gemeinsamen Achse A-A der Rohre liegt. Der Ring 15a muß dann eine
abgeänderte Form haben, die sich befriedigend den beiden Oberflächen 13 a
oder 14 a
anpaßt.
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Ersichtlich wird, wenn der Ring 15a durch den Leitungsdruck auf dem
baRigen Kegel 14a nach rechts geschoben und dabei gedehnt wird, die Außenfläche
des Ringes 15a sich nicht so verformen, daß sie genau mit dem Kegel 13 a
übereinstimmt. Mann kann jedoch eine solche Oberfläche geometrisch ermitteln und
danach einen Hohlkegel 13 a konstruieren, der sich der theoretisch
ermittelten Oberfläche hinreichend eng annähert, um eine befriedigende innere und
äußere Anlage des Ringes 15 zu sichern, weil ja der Dichtungsring und die
Flansche, welche die Dichtungsoberflächen tragen, aus elastischem Metall bestehen
und die tatsächliche Verschiebung des Ringes untex Druck klein ist. Auf diese Weise
behält die in F i g. 2 dargestellte Verkörperung die Dichtungseigenschaften
der Form nach F i g. 1 bis zu einem brauchbaren Grad bei und bietet den weiteren
Vorteil, daß ein genaues Ausrichten nicht notwendig ist.
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Die in Fig. 3 gezeigte Ausführung ist die gleiche wie in F
i g. 2, und die Teile sind ähnlich bezeichnet. Diese Ansicht zeigt die Möglichkeit,
einen im Querschnitt kreisförmigen Ring 16 und eine flache Dichtung
17, die mit dem Ring 16 aus einem Stück gebildet sein kann, zu verwenden.
Diese Teile dienen dazu, um den Spalt nach innen auszufüllen und die Bildung von
Wirbeln im Flüssigkeitsstrom zu verhindern. Da Gummi verformbar ist und leicht fließt,
wird der Druck in dem Rohr genauso auf den Verschlußring 15 a
wirken wie in F i g. 2.
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Bei den in F i g. 4 und 5 gezeigten Konstruktionen sind
beide Enden eines Rohrabschnittes spiegelbildlich gleich. In F i g. 4 haben
die Teile 6 bis 12 die vorher für gleiche Teile gebrauchten Hauptbezugszeichen;
von den. Flanschen 6 und 7 trägt Jeder einen balligen Kegelstumpf
14 b mit Dichtungsringen 15 b.
Diese dichten auf hohlkegeligen
Oberflächen 13 b
ab, die entgegengesetzt an einem Zwischenring angeordnet
sind. Das Prinzip ist genau das gleiche wie bei den Ausführungen nach F i
g. 1 und 2. Die Oberflächen 14b könnten auch gerade Kegelstümpfe sein. Auch
hier ist eine Gummifüllung 17b vorhanden.
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F i g. 5 enthält die gleichen Hauptbezugszeichen für die Teile
6 bis 12. In diesem Teil sind kegelige Hohlflächen 13 c in den Flanschen
6 und 7 und ballig kegelförmige Oberflächen 14 c an einem Zwischenring
19 vorhanden, welcher durch zwei Dichtungsringe 15 c
gestützt ist, die mit den bereits beschriebenen Ringen 15 b, 15
a und 15 funktionell identisch sind. Hier könnten wieder kegelige Flächen
für die Oberflächen 14c verwendet werden, wenn die dadurch bedingte genaue Ausrichtung
nicht stört. Mit 17 c sind wiederum Gununifüllungen bezeichnet.
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Die in F i g. 4 und 5 gezeigten Anordnungen sind besonders
nützlich bei Ventilen und anderen Spezialarmaturen, denn alle Verbindungen mit den
Armaturen können gleich sein, was besonders praktisch ist.
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Die Tatsache, daß die Teile, welche die Dichtungsflächen tragen, im
wesentlichen nur gegen Trennung gehalten sind und anfänglich durch die Verbindungselemente
nur in geringem Maß zusammengezogen werden, begünstigt gedrängte Konstruktionen,
die großen praktischen Wert haben. Ein Beispiel hierfür sind Wärmeaustauscher, die
bei der ölraffinierung gebraucht werden. Mer müssen parallele Rohre mit engem Abstand
durch Umkehrkrümmer verbunden werden. Sowohl die Drücke als auch die Temperaturen
sind hoch und unterliegen großen Änderungen.
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F i g. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung an einem Umkehrkrümmer,
der speziell diesem Zweck angepaßt ist. In dieser Figur sind 21, 21 parallele Stücke
einer Rohrleitung, die durch übliche Mittel in die Armaturen 22 eingepreßt sind.
Jede Armatur 22 hat eine hinterschnittene Schulter 23 für die Verbindung
mit dem meist zweiteiligen Ring 24. Eine
Überwurfmutter
25 übergreift den Ring 24 und hat ein Innengewinde zur Verbindung mit dem
Außengewinde auf dem U-Krümmer 26. Die Gewinde sind mit 27 bezeichnet.
Jede Mutter 25 ist mit einer geeigneten Zahl von Nasen 28 versehen,
von denen eine auf der in F i g. 6 rechts gezeigten Mutter zu sehen ist.
Diese Nasen dienen zum Drehen der Muttern.
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Die Dichtung zwischen der Armatur 22 und dem Umkehrkrüminer
26 ist identisch mit der in F i g. 2 gezeigten. Deshalb sind die Dichtungsteile
durch die in F i g. 2 benutzten Bezugszeichen gekennzeichnet. In dieser Weise
hat die Armatur 22 die hohle kegelförmige Dichtungsfläche13a, der U-Krümmer
26
trägt die vorstehende ballig-kegelige Dichtungsfläche 14a, und der Dichtungsring
ist mit 15a bezeichnet. Wie in Fig. 2 ist die Oberfläche 14 a ein Segment
einer Kugel, deren Radius R, ist. Dies bietet etwas Richtungsspielraum, der eine
ähnliche Einstellungsmöglichkeit zwischen dem Bund 29 der Mutter
25
und der Oberfläche 31 auf dem Ring 24 erfordert. Der Radius R2 zeigt,
daß auch die Oberfläche 31 ein Segment einer Kugel ist, die zu der der Oberfläche
14a konzentrisch liegt.
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Wie in F i g. 7 und 8 gezeigt ist, kann die Exfindung
auch bei anders gestalteten Umkehrkrümmern benutzt werden und begünstigt eine einfache
Anordnung für abnehmbare Verschlußstöpsel.
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In den F i g. 7 und 8 sind mit 32, 32 zwei parallele
Rohrstücke bezeichnet. Die Enden der Rohre sind in Armaturen 33 eingewalzt.
Solche Armaturen haben gewöhnlich abnehmbare Zugangsstöpsel, die mit den angeschlossenen
Rohren fluchten. Die Erfindung bietet die Möglichkeit eines druckdichten Einsetzens
solcher Stöpsel, wobei der auf den Stöpsel wirkende Druck nicht durch die Dichtung
aufgenommen zu werden braucht, sondern durch andere Mittel abgestützt werden kann.
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Ein anderer Vorteil besteht darin, daß der Stöpsel und der Dichtungsring
herausgezogen werden können, wobei der Ring sich ohne Verfonnung in seine und aus
seiner Stellung bewegen läßt. Die Öff-
nung kann so groß wie die Bohrung des
Rohres oder sogar noch größer gemacht werden.
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Der Stöpsel 34 hat eine äußere, ballig kegelförmige Dichtungsfläche
14a, die der geraden kegeligen Dichtungsoberfläche 13 a in der Armatur
33 gegenüberliegt. Der Dichtungsring ist mit 15 a bezeichnet.
Diese Bezugszeichen entsprechen F i g. 2, die dieser Ausbildung entspricht.
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Die Armatur 33 hat zwei ringförinige Flansche 35,
von
denen jeder mit einer nach einwärts vorstehenden Schulter 36 versehen ist.
Gegen jede Schulter liegt ein Kreisring 37 an, der ein Innengewinde besitzt,
um eine rohrförmige Druckmutter 38 aufzunehmen, die mit dem Stöpsel in Verbindung
tritt. Die Gewinde zwischen dem Kreisring und der Mutter sind bei 39 gezeigt.
Gegenüberliegende Randteile des Ringes 37 sind auf parallelen Sekantenlinien,
wie bei 41 in F i g. 7 gezeigt ist, weggeschnitten, so daß der Kreisring
durch die Öffnung ün Flansch 36 herausgenommen werden kann, wenn er gekippt
wird. Ein Schaft 42 auf dem Stöpsel erleichtert die Handhabung des Stöpsels und
des Ringes. Jede rohrförmige Mutter 38 hat einen Innensechskant 43 (Fig.
7).
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 als Beispiel ist noch zu bemerken,
daß die Herstellung einer dichten Verbindung schwierig ist, weil der Kegel
13 sich in der Richtung vergrößert, in welcher auch der Ring 15 durch
den Druck in der Leitung bewegt wird. Infolgedessen erfordert die Wahl einer geeigneten
Oberfläche 13 die größte Beachtung. Bei allen Ausführungen der beschriebenen
Rohrverbindung besteht die geeignete Berichtigung, wenn bei der Bewegung des Ringes
15 nach rechts Undichtheit zwischen dem Ring 15 und der Oberfläche
13 auftritt, darin, den Scheitelwinkel des Kegels 13 zu verringern.
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Es ist vorzuziehen, daß z. B. bei einer Ausführung nach F i
g. 2, wenn eine gerade Kegelfläche und eine ballige Kegelfläche sich gegenüberliegen,
die gerade Kegelfläche die umfassende Fläche ist, obwohl diese Anordnung auch umgekehrt
sein kann. Es wäre theoretisch auch möglich, zwei sich gegenüberliegende ballige
Kegelflächen zu benutzen. Dies ist aber nicht zweckmäßig, weil das Fehlen jeder
Richtwirkung auf den Ring zu einer fehlerhaften Einstellung desselben führen kann.