DE19502014C2 - Verfahren zum Verschrauben von Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren für die Montage eines außen glatten Rohres in einem Verschraubungsstutzen mit Überwurfmutter mit Hilfe eines das Rohr umfassenden Rings, der in einem ersten Verfahrensschritt durch axialen Druck zwischen der Außenwand des Rohres und einem relativ zu diesem axial feststehenden, sich verjüngenden Innenkonus im Ver­ schraubungsstutzen oder in einem Montagestutzen eingekeilt und mit einer Druckkante an dem dem Rohrende zugewandten Rand seiner Innenfläche auf der Außenwand des Rohres axial festge­ legt wird, wonach in einem zweiten Verfahrensschritt der Ring und das Rohr zum Innenkonus hin vorgeschoben und darin radial nach innen verformt werden.

Von Rohrverschraubungen erwartet man neben der Dichtheit eine im Rahmen der Anforderungen verläßliche Druckbeständigkeit, sowie ein korrosionsbeständiges Verhalten beim Einsatz korro­ sionsfördernder Mittel. Soll die Rohrverschraubung dynami­ schen Beanspruchungen ausgesetzt werden, ist eine ausreichen­ de Dauerfestigkeit erforderlich, da es ansonsten zu Undich­ tigkeiten oder gar zum Lösen der Rohrverschraubung kommen kann.

Bei höheren Anforderungen an Rohrverschraubungen kommen übli­ cherweise Schneidringverbindungen zum Einsatz, wie sie bei­ spielsweise aus der DIN 23 53 bekannt sind. Bei der Ver­ schraubung von Edelstahlrohren ist es üblich, daß der Schneidring, der ebenfalls aus Edelstahl besteht, im Salzbad oberflächengehärtet wird, damit er in das Edelstahlrohr ein­ schneiden kann. Als Folge dieser Oberflächenbehandlung wird der Schneidring jedoch korrosionsempfindlich, wodurch er bei einer Berührung mit korrosionsfördernden Medien zu korrodie­ ren beginnt und damit seine Betriebsfestigkeit sinkt. Da es durch das Einschneiden des Schneidrings in die Rohroberfläche zu starken Kerbwirkungen kommt, besteht insbesondere unter dynamischer Last die Gefahr von Materialermüdungen. Aufgrund der ungünstigen Krafteinleitungen neigen Schneidringverbin­ dungen unter dynamischer Last ohnehin dazu, undicht zu werden oder sich gar zu lösen. Eine derartige Schneidverbindung wird z. B. in der DE 36 10 427 A1 beschrieben.

Aus der US 2,522,785 ist eine Rohrverbindung ohne Schneidring bekannt. Das im wesentlichen axiale Aneinanderpressen koni­ scher Flächen sorgt dabei für die Dichtwirkung. Nennenswerte radiale Verformungen zum Festklemmen des Rings im Bereich des Konus sind auch bei sehr hoher Axialkraft nicht erzielbar, die Verbindung ist daher nur für untergeordnete Druckbela­ stungen einsetzbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die Betriebs­ eigenschaften einer Rohrverschraubung verbessert werden kön­ nen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ring mit einer stumpfen Druckkante verwendet wird und daß im ersten Verfahrensschritt der Ring durch plastische Verformung auf dem Rohr im wesentlichen nur festgeklemmt wird und im zweiten Verfahrensschritt der Ring und das Rohr soweit plastisch ver­ formt werden, bis sie formschlüssig in Eingriff sind.

Durch das plastische Eindrücken des Rings in den Rohrkörper findet das Rohr in der Verschraubung formschlüssigen Halt, ohne daß es zu einem Einschneiden des Rings in den Rohrkörper kommt, womit sich die auftretende Kerbwirkung auf ein Minimum reduziert und höchste Dauerfestigkeitswerte bei statischer und insbesondere bei dynamischer Belastung erreichbar sind. Die Dichtwirkung der erfindungsgemäßen Verschraubung wird durch den elastischen Verformungsanteil zwischen Rohr und Ring sowie zwischen Ring und Konus gewährleistet. Bei der Verschraubung von Edelstahlrohren können einfache Edelstahl­ ringe zum Einsatz kommen, so daß Korrosionsschäden auszu­ schließen sind.

Vorzugsweise wird das Rohr in einem zweiten Verfahrensschritt von dem darauf festgeklemmten Ring bis zu einem Anschlag mit­ genommen. Erreicht das Rohr den Anschlag, steigt der zum Ver­ schieben des Rings erforderliche Axialdruck steil an, und es wird einer zu starken plastischen Verformung von Ring und Rohr vorgebeugt.

In der in der Praxis bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Ring im ersten Verfahrensschritt ungefähr um 1/3 und anschließend im zweiten Verfahrensschritt zusammen mit dem Rohr ungefähr um 2/3 seiner gesamten axialen Verschiebung ge­ gen wenigstens einen Innenkonus verschoben. Mit einem solchen Verfahren werden besonders günstige Festigkeitswerte für die Rohrverschraubung erreicht.

Der Ring bzw. die Einheit aus Ring und Rohr kann in den ein­ zelnen Verfahrensschritten entweder durch Drehen einer das Rohr umfassenden Überwurfmutter, die mit einem axial zum In­ nenkonus feststehenden Gewinde zusammenwirkt, über eine an ihr ausgebildeten Druckfläche oder mit Hilfe sonstiger geeig­ neter axial wirkender hydraulischer, elektrischer und/oder mechanischer Druckmittel in wenigstens einem Montageschritt axial gegen einen Innenkonus verschoben werden. Das Anziehen der Überwurfmutter von Hand ist einfach und billig, während mit Hilfe automatischer Druckmittel eine schnelle und exakte Durchführung des Verfahrens möglich ist.

Um einer Kaltverschweißung zwischen den Gleitflächen vorzu­ beugen, ist es zweckmäßig, die Innenkonusse, die Druckfläche der Überwurfmutter und deren Gewinde vor den jeweiligen Ver­ fahrensschritten mit einem Gleitmittel, insbesondere weißer Fettpaste bei der Verwendung von Edelstahlmaterialien, einzu­ schmieren.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Schaffung der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Mittel. Hierzu ist ein Ring vorgesehen, der erfindungsgemäß eine stumpfe Druck­ kante an dem dem Rohrende zugewandten Rand seiner Innenfläche besitzt und aus einem Werkstoff besteht, der ungefähr die Härte des Rohrwerkstoffes besitzt. Vorzugsweise besteht der Ring aus ungehärtetem, korrosionsbeständigem Material, z. B. demselben, das auch für die anderen Teile der Rohrverschrau­ bung Anwendung findet.

Dadurch wird sichergestellt, daß es in den beiden Verfahrens­ schritten nur zu plastischen Verformungen des Rings und des Rohres kommt und der Ring nicht in den Rohrkörper einschnei­ den kann.

Als vorteilhaft hat sich ein Ring erwiesen, auf dessen Innen­ fläche in bestimmtem Abstand zu der Druckkante eine ringför­ mige Nut vorgesehen ist. Diese Nut dient als Verformungszone und begünstigt die radial nach innen gerichtete plastische Verformung des Rings, wenn dieser axial gegen den Konus ge­ preßt wird.

Zur Durchführung des ersten Verfahrensschrittes ist ein Vor­ montagestutzen mit einer dem Rohrquerschnitt angepaßten Aus­ nehmung, deren äußerer Randbereich sich mit einem bestimmten Winkel erweitert, vorgesehen, dessen Ausnehmung erfindungsge­ mäß eine bestimmte Tiefe besitzt, die kleiner als die Tiefe der Ausnehmung bis zum Anschlag eines entsprechenden Ver­ schraubungsstutzens nach der DIN 23 53 ist.

In einer solchen Ausnehmung wird das Rohr während des ersten Verfahrensschrittes axial zu dem Montagekonus festgelegt, so daß der Ring in einem bestimmten Abstand zum Rohrende auf den Rohrkörper gepreßt wird. Im Übergangsbereich des Vormontage­ stutzens zwischen Innenkonus und Innendurchmesser der Ausneh­ mung ist vorzugsweise ein Absatz vorgesehen, der die radial nach innen gerichtete, plastische Verformung des Materials begünstigt.

Behelfsmäßig läßt sich das Verfahren auch mit einem aus der DIN 23 53 bekannten Verschraubungsstutzen durchführen, wenn man zur Durchführung des ersten Verfahrensschrittes zwischen dem Rohrende und dem Anschlag des Montagestutzens ein Distanzstück einsetzt, das eine Stärke von ungefähr 2/3 der axialen Gesamtverschiebung des Ringes besitzt. Die Vorzüge eines abgesetzten Innenkonus kann man sich mit einer solch behelfsmäßigen Vorrichtung jedoch nicht zunutze machen.

Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Rohr und einen Ring vor der Vormon­ tage in einem Vormontagestutzen;

Fig. 2 Rohr und Ring nach der Vormontage im Vor­ montagestutzen;

Fig. 3 Rohr und Ring vor der Fertigmontage in einem Verschraubungsstutzen;

Fig. 4 die fertigmontierte Rohrverschraubung.

In Fig. 1 ist ein zu verschraubendes Rohr 10, ein Ring 12 und eine Überwurfmutter 14, die beide das Rohr eng umfassen, so­ wie ein Vormontagestutzen 16 dargestellt. Die Abbildung zeigt den Zustand vor Beginn des ersten Verfahrensschrittes, der Vormontage. Dabei liegt das Rohr 10 mit seinem glatten Ende 18 am Grund einer Ausnehmung 20 im Vormontagestutzen 16 und mit seinem Außendurchmesser im wesentlichen spielfrei an der Innenwand der Ausnehmung 20 an. Der Randbereich der Ausneh­ mung 20 erweitert sich als Konus 22 auf einen größeren Durch­ messer. Zwischen dem Konus 22 und der Innenwand der Ausneh­ mung 20 ist ein Absatz 24 vorgesehen. Bei dem in Fig. 1 ge­ zeigten Zustand sitzt der Ring 12 locker zwischen dem Konus 22 und einer axialen Druckfläche, hier einem Druckkonus 26, der Überwurfmutter 14. Die Überwurfmutter 14 wirkt mit einem axialen Gewinde 29 des Vormontagestutzens zusammen, so daß ein Drehen der Überwurfmutter 14 im Uhrzeigersinn eine Ver­ ringerung des Abstands zwischen dem Konus 22 und dem Druckko­ nus 26 bewirkt. Beide Konusse 22, 26 und das Gewinde 29 soll­ ten vor Montagebeginn mit Gleitmittel, bei der Verwendung von Edelstahlbauteilen mit weißer Fettpaste, eingeschmiert wer­ den, um eine Kaltverschweißung der stark druckbelasteten Flä­ chen zu verhindern. Der Ring 12 soll aus Festigkeitsgründen etwa die gleiche Härte wie das Rohrmaterial besitzen und kann zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie das Rohr be­ stehen. Die dem Vormontagestutzen 16 zugewandte Kante 28 der Innenfläche 30 des Rings 12 ist als stumpfe Druckkante ausge­ bildet, in deren Nähe in der Innenfläche 30 eine ringförmige Nut 32 vorgesehen ist.

Beginnt man nun, die Überwurfmutter 14 im Uhrzeigersinn zu drehen, schiebt der Druckkonus 26 den Ring 12 auf dem Rohr gegen den Konus 22. Dadurch wird das Ende des Rings 12 radial nach innen gegen die Rohraußenwand verformt. Begünstigt wird diese Verformung durch die ringförmige Nut 32, die das Ab­ knicken des Ringendes vereinfacht.

Da das Ringende als stumpfe Druckkante 28 ausgebildet ist, kann es nicht schneidend in das Rohrmaterial eindringen, son­ dern deformiert es lediglich plastisch. Sobald das Ringende gegen den Absatz 24 stößt, wird es durch ein weiteres Anzie­ hen der. Überwurfmutter 14 und den damit steigenden Druck nur noch radial nach innen verformt. Dabei steigt nach kurzem weiteren Anziehen der Überwurfmutter 14 das zu deren Drehen notwendige Drehmoment steil an. Dieser steile Drehmomentan­ stieg, der einen weiteren Vorteil des Absatzes 24 darstellt, signalisiert dem Monteur, daß das Ende des Vormontagevorgangs erreicht ist. Dieser Zustand ist in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, daß sich der Ring 12 unter dem Druck des Druckkonus­ ses 28 der Überwurfmutter 14 bis an den Absatz 24 im Vormon­ tagestutzen 16 vorgeschoben hat und daß die Druckkante 28 be­ reits eine geringe plastische Verformung 34 des Rohrkörpers hervorgerufen hat. Nach dem Entfernen der Überwurfmutter 14 kann das Rohr 10 mit dem darauf sitzenden Ring 12 dem Vormon­ tagestutzen 16 entnommen werden. Der Ring 12 sitzt nun in ei­ nem genau definierten Abstand vom Rohrende 18 axial unver­ schiebbar fest. Durch das Lösen der Überwurfmutter 14 und den damit zurückgehenden elastischen Verformungsanteilen ist es möglich, daß sich der Ring 12 auf dem Rohr 10 drehen läßt, was jedoch für den weiteren Verfahrensablauf ohne Bedeutung ist.

Fig. 3 zeigt das nach dem beschriebenen Verfahren vormon­ tierte Rohr 10 mit dem plastisch aufgeformten Ring 12 vor der abschließenden Fertigmontage in einem Verschraubungsstutzen 36. Der Verschraubungsstutzen 36 ist als Normteil, z. B. nach der DIN 23 53 ausgebildet. Er besitzt somit einen Konus 38, der in etwa die Neigung des Konus 22 des Vormontagestutzens 16 besitzt, sich jedoch ohne Absatz bis auf den Innendurch­ messer einer Rohraufnahme 40 verjüngt. Auch bei der Fertig­ montage wirkt die Überwurfmutter 14 mit einem Gewinde 42 am Verschraubungsstutzen 36 zusammen. Die Rohraufnahme 40 be­ sitzt einen Anschlag 44, der so tief liegt, daß zwischen ihm und dem Rohrende 18 ein bestimmter Abstand verbleibt, wenn der Ring 12 lose an den Konus 38 stößt.

Da das Rohr 10 und der Ring 12 durch die Vormontage axial zu­ einander festgelegt worden sind, verschiebt sich durch das Anziehen der Überwurfmutter 14 der Ring 12 gemeinsam mit dem Rohr 10 gegen den Konus 38 in Richtung des Absatzes 44. Durch weiteres Anziehen der Überwurfmutter 14 verformt der Konus 38 den Ring plastisch radial nach innen, und auch das Rohr 10 verformt sich unter dem Druck des Ringendes weiter plastisch. Da bei der Fertigmontage Ring 12 und Rohr 10 um den gleichen axialen Weg verschoben werden, ist ein Einschneiden des Rings 12 in das Rohrmaterial ausgeschlossen.

Die Überwurfmutter 14 wird solange weiter angezogen, bis das Rohrende 18 an den Anschlag 44 stößt. Zu diesem Zeitpunkt ha­ ben sich der Ring 12 und das Rohr soweit plastisch verformt, daß der Ring 12 formschlüssig auf dem Rohrkörper sitzt, daß er auch unter hohen Axialkräften unverschiebbar ist. Da die Übergänge zum Bereich der plastischen Verformung 34 des Rohrs 10 glatt sind, ergibt sich ein hervorragendes Kerbverhalten des Rohrkörpers, was sich insbesondere auf die Dauerfestig­ keit bei dynamischer Wechselbeanspruchung positiv auswirkt.

Für den Monteur macht sich das Anlegen des Rohrendes 18 an den Anschlag 44 durch einen steilen Drehmomentanstieg beim Anziehen der Überwurfmutter 14 bemerkbar. Um einen optimalen Sitz des Rohrs 10 im Verschraubungsstutzen 36 zu gewährlei­ sten, wird die Überwurfmutter 14 nun um ein bestimmtes Win­ kelmaß weitergedreht. Da die Nut 32 als Verformungsspielraum nahezu aufgebraucht ist, kommt es dabei auch an dem dem Druckkonus 26 der Überwurfmutter 14 zugewandten dickeren Ende 46 zu plastischen Verformungen 48 des Rohrs 10 und des Rings 12. Dadurch ergibt sich ein noch besserer Sitz des Rings 12 auf dem Rohr 10. Diese Verformungen sind in Fig. 4 darge­ stellt, die den Endzustand der Montage zeigt. Der elastische Formänderungsanteil führt zu hohen Druckkräften zwischen dem Konus 38, dem Ring 12 und der Rohraußenwand. Dadurch ergibt sich eine gute Dichtwirkung auch bei höchsten Drücken.

Es ist ohne weiteres möglich, die Fertigmontage von Ring und Rohr in einem besonderen Fertigmontagestutzen durchzuführen und das fertig konfektionierte Rohrende nach dem Entfernen aus dem Fertigmontagestutzen abschließend in einem Verschrau­ bungsstutzen zu montieren.

Insbesondere bei Edelstahl-Rohrverschraubungen ergeben sich mit dem neuen Verfahren weitere Vorteile. Bei den bisher üb­ lichen Schneidringverbindungen mußte man die Ringe im Salzbad oberflächenhärten, um überhaupt mit der Schneidkante in den Edelstahl-Rohrkörper eindringen zu können. Durch die Behand­ lung verliert der Ring jedoch seine Korrosionsbeständigkeit, wodurch er im späteren Betrieb bei Kontakt mit korrosionsför­ dernden Medien schnell seine Festigkeitswerte verliert. Da bei der beschriebenen Rohrverschraubung der Ring zwar härter als das Rohr sein kann, aber grundsätzlich keine höhere Härte als das Rohrmaterial braucht, kann er aus dem gleichen unge­ härteten Edelstahl wie das Rohr bestehen. Korrosionsprobleme sind damit ausgeschlossen.

Claims (10)

1. Verfahren für die Montage eines außen glatten Rohres (10) in einem Verschraubungsstutzen (36) mit Überwurfmutter (14) mit Hilfe eines das Rohr (10) umfassenden Rings (12), der in einem ersten Verfahrensschritt durch axialen Druck zwischen der Außenwand des Rohres (10) und einem relativ zu diesem axial feststehenden, sich verjüngenden Innenkonus (38) im Verschraubungsstutzen (36) oder in ei­ nem Montagestutzen eingekeilt und mit einer Druckkante (28) an dem dem Rohrende zugewandten Rand seiner Innen­ fläche (30) auf der Außenwand des Rohres (10) axial fest­ gelegt wird, wonach in einem zweiten Verfahrensschritt der Ring (12) und das Rohr (10) zum Innenkonus (38) hin vorgeschoben und darin radial nach innen verformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring (12) mit einer stumpfen Druckkante (28) verwendet wird und daß im ersten Verfahrensschritt der Ring (12) durch plastische Verfor­ mung auf dem Rohr (10) im wesentlichen nur festgeklemmt wird und im zweiten Verfahrensschritt der Ring (12) und das Rohr (10) soweit plastisch verformt werden, bis sie formschlüssig in Eingriff sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Verfahrensschritt das Rohr (10) von dem darauf festgelegten Ring (12) bis zu einem Anschlag (44) mitge­ nommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Verfahrensschritt der Ring (12) ungefähr um 1/3 und anschließend zusammen mit dem Rohr (10) ungefähr um 2/3 seiner gesamten axialen Verschiebung gegen wenig­ stens einen Innenkonus verschoben wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ring (12) bzw. die Einheit von Ring (12) und Rohr (10) in wenigstens einem Verfah­ rensschritt durch Drehen einer das Rohr (10) umfassenden Überwurfmutter (14), die mit einem axial zum Innenkonus (22 bzw. 38) feststehenden Gewinde (28 bzw. 42) zusammen­ wirkt, über eine an ihr ausgebildete Druckfläche (26) axial gegen einen Innenkonus (22 bzw. 38) verschoben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkonusse (22, 38), die Druck­ fläche (26) der Überwurfmutter (14) und/oder deren Gewinde (28, 42) vor dem jeweiligen Verfahrensschritt mit einem Gleitmittel eingeschmiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Vormontage und zur Montage des Rings (12) auf dem Rohr (10) der gleiche Innenkonus (38) verwendet wird und für die Vormontage des Rings (12) zwischen dem Rohrende (18) und einem axialen Anschlag (44) ein Distanzstück eingesetzt wird.

7. Ring aus Edelstahl zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Montage eines Edel­ stahlrohrs, mit einer Druckkante (28) an dem bestimmungs­ gemäß dem Rohrende zugewandten Rand seiner Innenfläche (30), einer in dieser in bestimmtem Abstand zu der Druck­ kante (28) angeordneten ringförmigen Nut (32) und einer Fläche zum Aufbringen einer axialen Kraft an dem der Druckkante (28) entgegengesetzten Ende, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er ungefähr die Härte des Rohrwerkstoffs besitzt und die Druckkante (28) stumpf ist.

8. Vormontagestutzen mit einer dem Rohrquerschnitt angepaß­ ten Ausnehmung (20), deren äußerer Randbereich sich mit einem bestimmten Winkel konisch erweitert, zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (20) eine be­ stimmte Tiefe besitzt, die kleiner als die Tiefe der Aus­ nehmung bis zum Anschlag (44) eines entsprechenden Ver­ schraubungsstutzens (36) nach der DIN 2353 ist.

9. Vormontagestutzen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß im Übergangsbereich zwischen Montagekonus (22) und Innendurchmesser der Ausnehmung (20) ein Absatz (24) vorgesehen ist.

10. Vormontagestutzen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (20) ein herausnehmbares Distanzstück mit einer Stärke von ungefähr 2/3 der axialen Gesamtverschiebung des Rin­ ges (12) gegen den Innenkonus enthält.