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Schraubverbindung für das Abdichten und Verbinden von Rohren u. dgl.
Zusatz zum Patent: 1179 062 Die Erfindung bezieht sich auf eine Weitergestaltung
der Lehre nach dem Hauptpatent hinsichtlich einer Schraubverbindung für das Abdichten
und Verbinden von Rohren u. dgl. mit einem zwischen zwei Verschraubungsteilen angeordneten
Dichtungsring aus plastisch verformbarem, aber elastische Eigenschaften aufweisendem
Material, auf dessen konische Stirnfläche eine durch gebrochene Anpreßflächen gebildete
Ringkante eines Verschraubungsteiles zwecks gezielter Dichtringverformung in Richtung
Rohroberfläche einwirkt, wobei die Anpreßflächen spitze Winkel mit der konischen
Stirnfläche des Dichtungsringes bilden.
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Beim Gegenstand nach dem Hauptpatent kommt es darauf an, bekannte
Schraubverbindungen so zu verbessern, daß sie trotz geringer aufzuwendender Schraubkraft
auch hohen Leitungsdrücken widerstehen können.
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Es können jedoch Schwierigkeiten auftreten, wenn mit dem Gegenstand
des Hauptpatentes sehr dünnwandige Metallrohre oder nichtmetallische Rohre abgedichtet
und miteinander verbunden werden sollen, wie dies beispielsweise bei Kunststoffrohren
der Fall sein kann. Die großen Fortschritte der Kunststoffentwicklung und der bedeutende
Bedarf an Kunststoffrohren, insbesondere in der chemischen Industrie, zwingt zu
ganz neuen Überlegungen hinsichtlich der Abdichtung derartiger Rohre. Bei derartigen
Rohrleitungen ist es von wesentlicher Bedeutung, daß korrosionsfreie Abdichtungen
entwickelt werden, die keine Beschädigung der Kunststoffrohre an der Einspann- und
Dichtungsstelle herbeiführen.
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Denn die unmittelbare Einwirkung plastisch verformbarer Dichtungsringe
aus Metallen auf das Kunststoffrohr erweist sich nicht als vorteilhaft, da die erzeugten
Radialkräfte, die eine notwendige Folge der plastischen Verformung sind, insbesondere
in den auf Zug beanspruchten Dichtungsringzonen Gefügeänderungen hervorrufen, die
zwar normalerweise nicht sichtbar sind, jedoch nachweislich die Ursache für vielfach
beobachtete Rohrbrüche im Dauerbelastungszustand der Kunststoffrohre bilden.
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Der zusätzlichen Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine
Rohrverschraubung unter Beibehaltung der im Hauptpatent erwähnten Vorteile so auszubliden,
daß man damit auch das Abdichten nichtmetallischer Rohre oder solcher Rohre, die
dem Einspanndruck keinen hohen Widerstand entgegensetzen, beherrscht.
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Diese Aufgabe wird im Sinne der Erfindung dadurch gelöst, daß in die
Bohrung des Dichtungsringes in an sich bekannter Weise ein Ringfutter aus weicherem
Material als das des Dichtungsringes, insbesondere aus Kunststoff, zwecks Abdichtung
nichtmetallischer Rohre u. dgl. angeordnet ist.
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Das zwischen dem Dichtungsring und dem Rohr eingefügte Ringfutter
übernimmt zufolge seiner leichten Verformbarkeit nicht nur eine Abdichtfunktion,
sondern es fängt auch die vom metallischen Dichtungsring ausgehenden radialen Kraftkomponenten
ab, und es kann bei geeigneter Werkstoffauswahl darüber hinaus den Dichtungsring
vor Korrosionserscheinungen schützen, die zufolge der chemischen Aggression des
durch die Rohrleitung fließenden Mediums eintreten könnten. Der metallische Dichtungsring
bildet bei der Verformung das Korsett für das Ringfutter, so daß sich axial gerichtete
Rohrkräfte nicht in einer Lockerung der Abdichtstellen auswirken können. Diese Gefahr
ist ohnedies nicht groß, da Kunststoffrohre nur relativ niedrige Drücke auszuhalten
in der Lage sind, weshalb auch keine großen Axialkräfte entstehen können.
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Es eignet sich hierbei für das Ringfutter jedes Material, das abdichtende
Fähigkeit besitzt. Die Verformung des Ringfutters setzt nicht plastisch verformbare
Stoffe voraus, sondern es können auch elastisch verformbare Stoffe gewählt werden,
wie beispielsweise Gummi, Kunststoff u. dgl. Wesentlich ist nur, daß das Material
des Ringfutters weicher als das
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ist. So ist es z. B. auch möglich, das Ringfutter aus Blei herzustellen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Rohrverschraubung besteht
darin, daß kein Versteifungsmittel innerhalb der Kunststoffrohre vorgesehen zu sein
braucht. Die gezielt verdrängte Materialmasse des (metallischen) Dichtungsringes
bewirkt eine solche gleichmäßige Kontraktion des Ringfutters, daß an keiner Stelle
die Rohrwandung eingedellt wird. Das Rohrmaterial wird vielmehr in Umfangsrichtung
belastet, so daß es selbst der Kontraktion großen Widerstand entgegensetzt, auch
wenn das Rohrmaterial sehr weich ist, wie z. B. bei Polyvinylchlorid. Sobald nämlich
das Rohrmaterial überall auf Druck belastet ist, sind Gefügeänderungen nahezu ausgeschlossen,
so daß auch keine Ursache für Rohrbrüche mehr vorhanden ist.
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Es ist zwar bei Rohrverschraubungen bekannt, einen an beiden Stirnseiten
abgeschrägten Dichtungsring aus Blei, der Lagerspiel gegenüber der Rohrobersläche
aufweist, oder aus Gummi an seinem Außenmantel mit einer dünnwandigen Kupferhülse
zu umgeben und konische Anpreßflächen von Verschraubungsteilen auf die Kupferhülse
wirksam werden zu lassen. Die Hülse bildet beim Anziehen der Verschraubung ein Korsett
für den Blei- bzw. Gummiring, wobei eine radiale Kontraktion beider Körper in deren
Stirnbereichen zum Zwecke der Abdichtung erfolgt.
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Ähnliche Verhältnisse liegen bei bekannten Verbindungen vor, bei denen
das konisch geschwächte Ende des einen Verschraubungsteiles durch die konische Anpreßfläche
des anderen Verschraubungsteils nicht unmittelbar auf dem in den ersten Verschraubungsteil
eingesteckten Rohrende zwecks Abdichtung verformt wird, sondern in seiner Bohrung
ein Ringfutter aus weicherem Material aufweist.
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Mit solchen Vorrichtungen läßt sich die Wirkung des Gegenstandes nach
der Erfindung schon deswegen nicht erreichen, weil die Merkmale des Hauptpatentes
nicht vorgesehen sind. Während bei der Erfindung das Anwachsen der Kraft beim Anziehen
der Verschraubung ganz bestimmte Rückschlüsse auf die Arbeit der Ringkante zuläßt,
wird man bei der vorbekannten Verschraubung nicht feststellen können, wie weit die
Verformung vorangeschritten ist, weil sich die Wandung des Ringpaketes im mittleren
Bereich unter der hohen axialen Kraftkomponente nach außen ausbauchen wird, während
die Stirnbereiche aufeinanderzubewegt werden.
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Im Rahmen von Ausführungsbeispielen oder weiteren Ausgestaltungen
der Erfindung kann vorgesehen werden, daß das Ringfutter eine größere Länge als
der Dichtungsring bzw. eine solche Form gegenüber dem Dichtungsring besitzt, daß
beim Anziehen der Verschraubungsteile eine unmittelbar bedingte radial nach innen
gerichtete Vorverformung des Ringfutters erfolgt.
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Es kann zweckmäßig sein, zwischen dem Ringfutter und der Rohroberfläche
oder/und dem metallischen Dichtungsring Lagerspiel vorzusehen, das beim Verformen
der Ringe zum Teil aufgefüllt werden soll. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit,
in der Innen- oder/und der Außenmantelfläche des Ringfutters mindestens eine ringförmige
Nut, Kerbe oder dergleichen Ausnehmung anzuordnen, in welcher sich Material des
Rohres verankern und somit einen Widerstand gegen axiale Verschiebung bieten kann.
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Bei einer Stoßverbindung kann im Sinne der Erfindung das nichtmetallische
Ringfutter länger als der Dichtungsring ausgebildet sein, damit der Dichtwirkung
des leichter verformbaren Ringfutters auch an der Stoßfläche des einen Verschraubungsteils
besser zur Wirkung kommt.
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Es ist auch zweckmäßig, wenn man die Bohrung des Dichtungsringes stufenartig
zur Aufnahme eines oder mehrerer Ringfutter auf einer Teillänge des Dichtungsringes
ausbildet.
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Dadurch bietet die Erfindung den Vorteil, daß ohne zusätzliche konstruktive
Maßnahmen Kunststoffrohre mit Metallrohren verbunden werden können. Auch lassen
sichRohreunterschiedlichenAußendurchmessers gemäß der Erfindung schnell und sicher
abdichten. Weiter kann mit Vorteil das Ringfutter im mittleren Bohrungsbereich eine
stufenartige Verengung aufweisen, wenn man die Trennungsstelle zweier Rohre mit
nur einem Dichtungsring überbrückt und die Verengung zwischen den Rohrstoß ragen
läßt. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, Kunststoffrohre sowohl miteinander als
auch mit Metallrohren dicht zu verbinden, denn die Ausbildung der Knickkanten und
der Konusteilflächen läßt zufolge der gezielten Materialverdrängung die Bildung
von Dichtungsstellen in solchen Breiten zu, daß keine Gefahr der Dichtungslockerung
zufolge Schwingungen oder Stößen besteht.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen Ausführungsbeispiel von Rohrverschraubungen nach F i g. 1 bis
3 Querschnitte durch verschiedene Ausführungsbeispiele von Rohrverschraubungen nach
der Erfindung, F i g. 4 eine Verschraubung gemäß F i g. 3 mit verformtem Dichtungsring
und Ringfutter, F i g. 5 und 6 Querschnitte durch besonders ausgebildete Dichtungsringe
und Ringfutter, F i g. 7 bis 9 Querschnitte durch einige Ausführungsbeispiele als
Stoßverbindungen, F i g. 10 bis 13 Querschnitte durch einige Ausführungsbeispiele
der Abdichtung bei der Verbindung zweier Rohre aus gleichem Werkstoff, F i g. 14
einen Querschnitt durch eine Rohrverschraubung für die Verbindung eines Kunststoffrohres
mit einem Metallrohr.
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In allen Fällen der gezeigten Beispiele ist zur Vereinfachung der
Darstellung angenommen, daß die Rohrverschraubung aus der Überwurfmutter 2 und einem
Gewindeanschlußteil1 besteht, gegen das die Überwurfmutter 2 angezogen wird. In
den Figuren ist dabei jeweils nur die obere Hälfte der Verschraubung dargestellt,
da die untere Hälfte hierzu symmetrisch ist. In den F i g. 1 bis 9 ist weiterhin
nur ein Rohr 3 veranschaulicht. Das andere zu dichtende Rohr besitzt die gleichen
bzw. analogen Verschraubungsteile.
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In den Beispielen der F i g. 1 bis 4 besitzen die Verschraubungsteile
1, 2 unterschiedlich zur Rohrachse geneigte, konische Anpreßteilflächen 1 a und
2a, mit einer von ihnen gebildeten Ringkante 1', 2', zwischen denen ein metallischer
Dichtungsring 4 sich befindet. Dieser Dichtungsring besteht aus plastisch verformbarem
Metall, wie z. B. aus Aluminium, Kupfer, Messing, Bronze, weichem Flußstahl oder
aus
sonstigen Metallen, die plastisch verformbar sind, aber elastische Eigenschaften
aufweisen.
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Zwischen dem metallischen Dichtungsring 4 und der Rohroberfläche 3
befindet sich ein Ringfutter 5 aus einem Dichtungsfähigkeit besitzenden Material,
dessen Härte geringer als die des Dichtungsringes 4 sein muß.
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Die hohen Radialkräfte beim Anziehen der Verschraubungsteile werden
von den Ringfuttern 5 zum großen Teil gedämpft und in Verformungsarbeit umgewandelt,
wobei das Material des Ringfutters 5 in breiten Zonen auf die Oberfläche des Kunststoffrohres
3 aufgedrückt wird. Je größer die Dichtflächen zwischen Ringfutter 5 und Rohr 3
sind, desto geringer kann der spezifische Preßdruck auf dem Rohr 3 sein. Der plastisch
verformte Dichtungsring 4 wirkt hierbei als Korsett für das verformte Ringfutter
5, so daß keine weitere, die Dichtung aufhebende Deformation des Ringfutters 5 eintreten
kann, wenn zufolge des Leitungsdruckes axiale Kräfte zwischen dem Rohr 3 und den
Verbindungsteilen 1, 2, 4 und 5 wirken.
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Durch das deformierte Ringfutter 5 hat auch eine Abdichtung der Anpreßteilflächen
1 a und 2 a zu erfolgen.
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Im Beispiel der F i g. 1 besitzen die Dichtungsringe 4 und das Ringfutter
5 gleiche Länge. Die Stirnflächen 4 a des metallischen Dichtungsringes
4
sind konisch abgeschrägt, wohingegen die Stirnflächen des Ringfutters 5
radial und plan verlaufen. Zwischen dem Rohr 3 und dem Ringfutter 5 befindet sich
Lagerspiel 6, das bei der Deformation größtenteils aufgefüllt wird (vgl. F i g.
4). Die Neigungswinkel der Anpreßteilflächen l ä' und 2a' sowie der Dichtungsring-Stirnflächen
4a gegenüber der Rohrachse sind unterschiedlich. Je geringer die Verformung bei
gleicher Kraftausübung sein soll, desto geringer können die Differenzen zwischen
diesen Neigungswinkeln sein. Ist diese Differenz größer, so werden bevorzugt die
Stirnbereiche des Dichtungsringes 4 und des Ringfutters 5 radial verformt. Das Lagerspiel
6 kann auch zwischen Dichtungsring 4 und Ringfutter 5 vorhanden sein.
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Wenn das Ringfutter 5, wie im Beispiel der F i g. 3 gezeigt, länger
als der Dichtungsring 4 ist, so wird zunächst eine Vorverformung des Ringfutters
5 im Sinne einer radialen Abkippung der Stirnbereiche in Richtung Rohroberfläche
erzielt, woraufhin durch Verformung des Dichtungsringes 4 das Korsett für das vorverformte
Ringfutter 5 gebildet wird.
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Das Ringfutter 5 kann auch an den Stirnflächen abgeschrägt sein. Die
Stirnflächen beider Körper 4, 5 können in einer Kegelmantelfläche liegen; die Neigungswinkel
können aber auch unterschiedlich groß sein, und es können weiterhin Stufen zwischen
den Stirnflächen vorhanden sein.
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Weitere Abdichtwirkungen können erzielt werden, wenn das Spiel zwischen
den Verschraubungsteilen 1, 2 und dem Rohr 3 größer als dasjenige zwischen dem Ringfutter
5 und dem Rohr 3 ist, denn dann dringt in den erstgenannten Zwischenraum Material
des Ringfutters 5 ein, und die Dichtungslänge wird somit vergrößert.
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Beim Anziehen der Verschraubungsteile 1, 2 wirken die Ringkanten 1',
2" auf die Stirnflächen 4 a ein und verursachen eine gezielte Materialverdrängung
in Richtung des freien Raumes, der sich zwischen der inneren Anpreßfläche 1 a ',
2 a" und der Rohroberfläche befindet. In diesen Bereich wird dabei auch das Material
des Ringfutters 5 hineinverformt, wodurch eine recht günstige Abdichtung des Rohres
5 entsteht.
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Die Ringkanten 1' und 2' befinden sich im Beispiel der F i g. 2 auf
gleicher Höhe mit der Bohrungskante des Dichtungsringes 4, wohingegen der Durchmesser
dieser Ringkanten im Beispiel der F i g. 1 größer als der Bohrungsdurchmesser ist.
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F i g. 4 veranschaulicht, wie der Dichtungsring 4 und das Ringfutter
5 gemäß F i g. 3 verformt werden können. Charakteristisch ist hierbei, daß mindestens
der Dichtungsring 4 durch Verformung einen Kragenansatz 4 f mit dem Neigungswinkel
der inneren Konusteilfläche 1a' bzw. 2ä' erhalten hat, der sehr deutlich zeigt,
wie das Material gezielt verformt worden ist. Es liegt daher nahe, dem Dichtungsring
4 bereits eine solche Form zu geben, die der später erzielten Form angenähert ist,
um Verformungsarbeit zu ersparen.
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Gemäß den F i g. 5 und 6 können in den Mantelflächen des Ringfutters
5 auch Ringnuten 7 bzw. 7' vorgesehen sein, in die das Material 8 des Kunststoffrohres
3 zum Teil einzudringen in der Lage ist. In diesem Falle wirken die Nuten 7 als
Gesperre gegen axiale Relativbewegungen zwischen Rohr 3 und den Verbindungsteilen
1, 2 und 5.
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Schließlich veranschaulichen die F i g. 7 bis 9 einige Ausführungsbeispiele
für Stoßverbindungen, bei denen die Planfläche 9 a des Armaturenteils 9 gegenüber
dem Rohr 3 abgedichtet werden soll. Die Dichtungsringe 4 und die Ringfutter
5 können zu diesem Zweck an einer Stirnfläche Stoßkanten 4 g und 5b aufweisen,
zwischen denen Ringnuten 4h bzw. 5 c vorgesehen sind. Von den Stoßkanten
4 g und 5 b
sind die Stirnflächen 4 i und 5
d nach außen und nach innen abgeschrägt. F i g. 7 zeigt weiterhin, daß das Ringfutter
5 länger als der Dichtungsring 4 ist.
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In F i g. 8 sind die Ringe 4 und 5 im verformten Zustand
dargestellt, wobei die Stoßkanten 4 g und 5 b merklich abgeflacht sind. Die
Ringnuten 4 h und 5 c sind zum Teil aufgefüllt, und sie wirken in Verbindung
mit den Stoßstellen als Drosseln für eventuell die innere Stoßstelle durchdringende
flüssige oder gasförmige Medien.
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Wie F i g. 9 zeigt, kann der Dichtungsring 4 auch einfach abgeschrägte
Stirnflächen 4a besitzen, deren der Stoßfläche zugewandte Kante 4 g -auch als Stoßkante
verwendbar ist. Auf diese Weise können die Dichtungsringe 4 sowohl für gewöhnliche
Rohrverbindungen als auch für Stoßverbindungen verwendet werden.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß den F i g. 10 bis 12 betreffen Reduzierverbindungen
von Rohren mit unterschiedlichen Außendurchmessern. Gemäß F i g. 10 wird die Stoßstelle
zwischen den Rohren 3' und 3" durch das symmetrische Schraubverbindungsstück 1 überbrückt,
dessen Anpreßteilflächen l a' 1ä' so dimensioniert sind, daß auch unterschiedlich
große Dichtungsringe 4 und Ringfutter 5 verformt werden können.
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Bei den Beispielen der F i g. 11 und 14 werden nur das Verschraubungsteil1
und die Überwurfmutter 2 benötigt, da der Dichtungsring 4 die Trennstelle der Rohre
3', 3" überbrückt. In F i g. 11 besitzt das Ringfutter 5 eine Ausnehmung 5 e, die
dem Außendurchmesser des Rohres 3' angepaßt ist. Man kann diese Ausführung für Reduzierverbindungen
mit
sich ändernden Rohrdurchmessern verwenden, da nur jeweils das Ringfutter den Dimensionen
der Rohre 3', 3" anzupassen ist, wohingegen die Verbindungsteile 1, 2, 4
die gleichen bleiben.
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Noch einfacher ist die Ausführung nach F i g. 12, bei der der Dichtungsring
4 die Stufe 4 k aufweist. Die in den Ausnehmungen 4 m geführten Ringfutter 5 besitzen
gleichen Außendurchmesser, jedoch unterschiedlichen Innendurchmesser. Auch in diesem
Falle können die Verbindungsteile 1, 2, 4 für verschiedene Dimensionen der Rohre
3', 3" verwendet werden.
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F i g. 13 zeigt darüber hinaus eine Abwandlung, wobei das Ringfutter
5 neben den Ringnuten 7 und 8
eine die Bohrung verjüngende Ringstufe
5 f besitzt, die zwischen die Stirnflächen der Rohre 3', 3" greift und zugleich
als Zentriermittel wirkt. Die Stirnfläche des Ringfutters 5 kann hierbei abgeschrägt
sein oder auch plan verlaufen. Diese Konstruktion kann mit entsprechender Dimensionierung
auch für Reduzierverbindungen verwendet werden.
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Eine sehr vorteilhafte Variante der Erfindung besteht gemäß F i g.
14 in der Abdichtverbindung eines metallischen Rohres 3" mit einem Kunststoffrohr
3, wobei der Dichtungsring 4 die Rohrtrennstelle überbrückt und mit der einen Seite
das metallische Rohr 3" unmittelbar abdichtet, wohingegen es das Kunststoffrohr
3 über das Ringfutter 5 abdichtet, das in der Ausnehmung 4m des Dichtungsringes
4 liegt. Der Dichtungsring 4 zentriert hierbei die Rohre mit Hilfe der Ringstufe
4 k, die zwischen die Stirnflächen der Rohre 3, 3" greift.
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Einzelheiten der Beschreibung, die nicht zur Aufgabenlösung im Sinne
des Patentbegehrens beitragen, gehören nicht zur Erfindung, sondern sind lediglich
zum besseren Verständnis der Gesamtanordnung näher erläutert.