DE19616703C2

DE19616703C2 - Verfahren zum Erzeugen einer geometrisch definierten Öffnung in der Wand eines bereits unterirdisch verlegten Rohres aus thermoplastischem Kunststoff sowie eine Vorrichtung

Info

Publication number: DE19616703C2
Application number: DE1996116703
Authority: DE
Inventors: Dirk Schweinberger
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2016-04-27
Also published as: DE19616703A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer geometrisch definierten Öffnung in der Wand eines be reits unterirdisch verlegten Rohres aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Probenahme aus dem das horizon tale oder gekrümmte Rohr in einer Horizontalbohrung umgebenden Erdreich, sowie eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Zur Erkundung unterirdischer Bodenschichten, z. B. bei der Be stimmung von Altlasten kontaminierter Böden, ist es notwendig, aus tieferen Schichten Proben zu entnehmen. Dazu setzt man die sogenannte horizontale Bohrtechnik ein, mittels welcher hori zontale oder gekrümmte Bohrungen von der Erdoberfläche aus eingebracht werden. In diese Bohrungen wird anschließend ein Rohr eingezogen, welches einerseits die Bohrung vor Einbrechen schützt und mittels welchem andererseits eine Drainage des Bo dens erzielt werden kann. Diese Rohre werden mittels eines Tunnelroboters befahren wobei z. B. in einer Deponie vor Ort Messungen und Analysen durchgeführt sowie Bodenproben an be liebiger Stelle im Rohr entnommen werden sollen. Die vorlie gende Erfindung befaßt sich somit mit der Entnahme von Boden proben von solchen thermoplastischen Kunststoffrohren aus zur Inspektion und Überwachung des Untergrundes, wobei das spe zielle Problem der Erfindung das Öffnen der Rohrwand zu diesem Zweck ist. Besonders kritisch sind dabei die beengten Verhält nisse im Rohr, da vom Rohrinneren aus gearbeitet werden muß.

Aus der EP 618 397 A1 und der WO 93/05334 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Öffnen der Rohrwand von in der Erde ver legten bzw. nicht begehbaren Rohrleitungen durch Zerspanen derselben mit Fräsern oder ähnlichen Werkzeugen bekannt, wobei diese mittels ferngesteuerter Molche oder Robotern vor Ort ge bracht werden. Nachteilig ist bei diesen Verfahren, daß durch die Spanbildung und eventuell abgetragenes Werkzeugmaterial Rückstände entstehen, durch welche eine Verfälschung der Probe entstehen kann. Dies macht die genannten Verfahren für eine Probenahme zu Analysezwecken ungeeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem in die Wand eines bereits unterir disch verlegten Rohres aus thermoplastischem Kunststoff eine geometrisch definierte Öffnung spanlos und ohne Rückstände eingebracht werden kann und eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, das die Merkmale des kennzeichnenden Teiles im Anspruch 1 aufweist. Bezüglich einer geeigneten Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens schlägt die Erfindung die Merkmale vor, die in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche an gegeben sind.

Gemäß der Erfindung wird somit ein Schneidaufsatz auf eine Temperatur erhitzt, die höher als die Erweichungstemperatur des Rohrmateriales ist. Der Aufsatz wird anschließend durch die Rohrwand gedrückt, wobei beim Zurückfahren des Schneidauf satzes das ausgeschnittene Rohrsegment darin verbleibt. Da durch wird eine rückstandsfreie Öffnung der Rohrwand ermög licht.

Weitere Einzelheiten werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen

die Fig. 1 das Prinzip des Verfahrens,

die Fig. 2 eine geeignete Vorrichtung dafür in Schrägansicht,

die Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Fig. 2,

die Fig. 4 das Schneidwerkzeug und

die Fig. 5 die Heizeinrichtung für das Schneidwerkzeug,

die Fig. 6 den Hubmechanismus zum Andrücken.

In der Fig. 1 ist das Grundprinzip des Verfahrens gezeigt. Zu nächst wird das kastenförmige, Rahmen-Freischnittwerkzeug 2 mit der Außenkontur der Form der herzustellenden Öffnung 22 und einer Innenkontur zur Aufnahme des ausgeschnittenen Rohr segmentes 21 als Bestandteil eines ferngesteuerten Molches vom nicht dargestellten Ende oder einer anderen Zugangsstelle aus in das Innere des Kunststoffrohres 20 eingebracht und durch dieses mit dem Molch bzw. der später beschriebenen Vorrichtung bis zu der zu öffnenden Rohrstelle transportiert. Mit Hilfe einer Heizung 3 wird das Schnittwerkzeug 2 dann auf eine Tem peratur oberhalb der Erweichungs- bzw. Schmelztemperatur des thermoplastischen Rohrmateriales gebracht. Danach werden die Schneidkanten 14 desselben von innen her mit einem später be schriebenen Hubmechanismus 1 (siehe die Fig. 2, 5 und 6) an die Wand des Rohres 20 gedrückt, wodurch die heißen Schneid kanten 14 durch die Rohrwand gepreßt werden bis das Rohrseg ment 21 vollständig ausgeschnitten ist. Das herausgeschnittene Rohrsegment 21 bzw. Wandstück verbleibt dabei wie ein Stanz butzen im Innenraum des Schnittwerkzeuges 2 und wird mit die sem beim Zurückbewegen ins Rohrinnere transportiert. An schließend wird das Werkzeug 2 mitsamt dem herausgeschmolzenen Wandstück 21 wieder an das Ende oder die Zugangsstelle des Rohres 20 zurückgezogen oder -gefahren, wonach es aus dem Rohr entnommen werden kann.

Der Modul bzw. Molch, der alle Vorrichtungselemente für das Verfahren trägt, ist schematisch in den Fig. 2 und 3 darge stellt und weist ein rohrförmiges Hauptgehäuse 18 sowie ein mittels der Kupplung 10 daran angehängtes Anhängergehäuse 19 auf, um die Bewegungsfreiheit des Gerätes bei Kurvenfahrten nicht einzuschränken. Zur Abdichtung dient dabei ein Dicht schlauch 13 zwischen den beiden Gehäusen 18 und 19. Deren Außendurchmesser müssen kleiner sein, als der Durchmesser des Rohres, in dessen Wand die Öffnung eingebracht werden soll. Zwischen dem Haupt- und dem Anhängergehäuse 18 und 20 sowie an beiden Enden sind nicht dargestellte Fahrgestelle ange flanscht, mittels welchen das Gerät im Rohr 20 bewegbar ist. Der Antrieb für die Fahrbewegung erfolgt durch einen herkömm lichen Schlepper im Rohr.

Wichtigster Bestandteil der Vorrichtung ist das Schneidwerk zeug 2, das die Form eines eckigen oder runden Rahmen-Frei schnittwerkzeuges (siehe die Fig. 4) aufweist, welches wärme leitend auf ein Heizelement 3 (siehe die Fig. 5) aufgeschraubt ist, das seinerseits auf einen Hubmechanismus 1 (siehe die Fig. 3 und 6) montiert ist, der es aus einer Öffnung 23 des Rohres 18 gegen die Rohrwand preßen kann. Das Schnittwerkzeug 2 weist einen Rahmen 15 auf, der die Form eines offenen Ka stens mit Wandungen 16 und 17 besitzt, wobei deren obere Enden die Schneidkanten bilden 14. Die Außenkontur der stirnseitigen Schneidkanten 14 entspricht dabei etwa der Innenkontur bzw. der inneren Krümmung der Wand des zu öffnenden Rohres 20. Der Rahmen 15 aus den Wandungen 15 und 16 mit den Schneidkanten 14 sowie dem Boden 24 ist aus einem Werkstoff mit guter Wärme leitfähigkeit und ausreichender Festigkeit im Temperaturbe reich um 200°C gefertigt, wobei die Einzelelemente zusammen hartgelötet sind. Als dafür besonders geeigneter Werkstoff ist Messing vorgesehen. Die Form des Schnittwerkzeuges ist je nach Kontur der gewünschten Öffnung variabel, der Rahmen 15 kann dabei beliebige polygonale Formen aufweisen oder auch rund sein. Die Schneidkanten 14 sind an ihren Innenseiten angefast, damit das flüssige Material der Rohrwandung während des Schneidvorganges an den Innenseiten abläuft und sich nicht an den Außenseiten des Rahmens 15 verfestigt. Das flüssige Mate rial läuft somit an der Innenseite des Rahmens 15 ab und ver festigt sich dort am ausgeschnittenen Rohrsegment 21 wieder, so daß dieses im Innenraum des Rahmens festhängt. Das Festhän gen kann durch in die Wandungen 16 und 17 zusätzlich einge brachte Bohrungen 25 unterstützt werden, so daß das ausge schnittene Rohrsegment 21 mit Sicherheit im Werkzeug verbleibt und später entnommen werden kann.

Wie bereits erwähnt, ist das Schnittwerkzeug 2 mit seinem Bo den wärmeleitend auf das Heizelelement 3 aufgeschraubt und wird von diesem durch Wärmeleitung erwärmt. Das Heizelement 3 ist in der Fig. 4 dargestellt. Die Anforderungen an das Heizelelement sind eine gleichmäßige Erwärmung des Bodens 24 des Rahmens 15 mit den Seitenwänden 16 und 17, sowie die Er hitzung der Schneidkanten 14 auf ca. 250°C. Dazu sind in dem aus einer flachen Platte 26 bestehenden Heizelement mehrere elektrische Heizsegmente 27 aus Widerstandsheizdrähten einge bettet, die extern mit Strom versorgt und über nicht dage stellte Temperaturfühler geregelt werden. Das Vorsehen von mehreren Heizsegmenten 27, bei der dargestellten Ausführungs form drei, ermöglicht dabei eine Anpassung an verschiedene Werkzeuggeometrien.

Das Schnittwerkzeug 2 mit dem Heizelement 3 ist auf dem in den Fig. 3 und 6 dargestellten Hubmechanismus 1 montiert. Die ser stützt sich mit seinen unteren Querstreben 36, 37 auf dem Boden des Molchgehäuses 18 ab, muß die Hubkraft für das Schnittwerkzeug 2 erzeugen und auf dieses übertragen. Dazu ist er in seiner Bauhöhe wegen der engen Raumverhältnisse im Molchgehäuse 8 eingeschränkt. Er besteht aus doppelten Hebel parallelogrammen 28, 29, aus jeweils doppelten Kniehebelanord nungen mit einem mit einem zwischen den Hebelparallelogrammen liegenden, doppeltwirkenden Hydraulik- oder Pneumatikzylinder 30 als Druckzylinder mit durchgehender Kolbenstange 33, der freitragend angeordnet ist. Die Kolbenstange 33 des horizontal angeordneten Zylinders 30 greift dabei kniehebelartig an den mittleren Querstreben 34, 35, die mittels der gelenkigen Arme der Hebelparallelogramme 28, 29 auf oberen Querstreben 31, 32 wirken, an und über denen das Heizelement 3 mit dem Schnitt werkzeug 2 befestigt ist. Die Kraft des Zylinders 32 wird da bei entsprechend den Hebelverhältnissen der Kniehebel von den mittleren Querstreben 34, 35 zu den oberen 31, 32 verstärkt und in eine rein senkrechte Hubbewegung je nach Beaufschlagung des doppeltwirkenden Zylinders 30 umgeformt. Der gesamte Hub mechanismus ist so ausgelegt, daß der Zylinder 30 unterhalb der Heizung 3 und des Schnittwerkzeuges 3 angeordnet werden kann.

Die gesamte Vorrichtung kann auch in mit Wasser gefüllten Drainagerohren eingesetzt werden. Um in diesem Fall die aufzu wendende Heizenergie zu minimieren, wir der Arbeitsraum gegen die Umgebung abgedichtet und entwässert. Dazu werden an beiden Enden des Arbeitsraumes mittels Drähten 12 fixierte Dicht schläuche 4 mit Hilfe von Druckluft über die Öffnungen 9 auf geblasen bis sie satt an der Wandung des Rohres 20 anliegen. Anschließend wird das im Arbeitsraum des Molches, d. h. in seinem gesamten Inneren befindliche Wasser mit Druckluft aus diesem über die Auslassöffnung 11 mit Rückschlagventil in die Umgebung verdrängt. Im Anhängergehäuse 19 ist zu diesem Zweck ein Druckbehälter 5 vorgesehen, der das Druckmedium für diese Funktion bereitstellt. Dadurch wird erreicht, daß der Molch außer einer elektrischen Versorgung, die über ein Schleppkabel erfolgt, keine weiteren externen Energiequellen mehr benötigt. Die Befüllung des Druckbehälters 5 erfolgt außerhalb des Roh res über das Füllventil 6. Im Anhängergehäuse 19 ist zusätz lich die pneumatische Regelung 7 sowie die elektronische Steuerung 8 untergebracht.

Bezugszeichenliste

1

Hubmechanismus

2

Rahmenschnittwerkzeug

3

Heizelement

4

Dichtschläuche

5

Druckbehälter

6

Füllventil

7

pneumatische Regelung

8

elektronische Regelung

9

Öffnung

10

Kupplung

11

Auslaßöffnung

12

Draht

13

Dichtschlauch

14

Schneidkanten

15

Rahmen

16

Seitenwände

17

Stirnwände

18

Molchgehäuse

19

Anhängergehäuse

20

Kunststoffrohr

21

Rohrsegment, Wandstück

22

Öffnung

23

Öffnung

24

Boden

25

Bohrungen

26

Platte

27

Heizkreise

28

Parallelogramm

29

Parallelogramm

30

Druckzylinder

31

obere Querstrebe

32

obere Querstrebe

33

Kolbenstange

34

mittlere Querstrebe

35

mittlere Querstrebe

36

untere Querstrebe

37

untere Querstrebe

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen einer geometrisch definierten Öff nung in der Wand eines bereits unterirdisch verlegten Roh res aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere zur Pro benahme aus dem das horizontale oder gekrümmte Rohr in ei ner Horizontalbohrung umgebenden Erdreich, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

A) Einbringen eines Rahmen-Freischnittwerkzeuges mit der Außenkontur der Form der herzustellenden Öffnung und ei ner Innenkontur zur Aufnahme des auszuschneidenden Rohr segmentes vom Ende oder einer anderen Zugangsstelle des Rohres her in das Rohrinnere,
B) Transportieren des Schnittwerkzeuges durch das Rohr bis zu der zu öffnenden Position an der Rohrwand,
C) Aufheizen des Schnittwerkzeuges bis über die Erwei chungstemperatur des Rohrmateriales und Anpressen der Schneidkanten desselben an die Innenseite der Rohrwand,
D) Durchschmelzen der Rohrwand mit den heißen Schneidkan ten, wobei das ausgeschnittene Rohrsegment im Innenraum des Schnittwerkzeuges verbleibt
E) Zurückbewegen des Werkzeuges aus der entstandenen Öff nung in der Rohrwand in die Ausgangsposition im Rohr,
F) Zurückziehen oder -fahren des Werkzeuges mitsamt dem herausgeschmolzenen Wandstück an das Ende oder die Zu gangsstelle zum Rohr und Entnehmen aus dem Rohr.

2. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 an einem in dem Rohr fortbewegbaren Rohrmolch, gekennzeich net durch die folgenden Merkmale:

a) der Molch weist ein rohrförmiges Hauptgehäuse 18 auf, in welchem ein die Kontur des auszuschneidenden Rohrsegmen tes 21 aufweisendes und über die Schmelztemperatur des Rohres erhitzbares Schnittwerkzeug 2 mit seinem Boden 24 wärmeleitend auf ein Heizelement 3 aufgesetzt ist,
b) das Schnittwerkzeug 2 besitzt dabei einen auf dem Boden 24 sitzenden Rahmen 15, der die Form eines offenen Ka stens mit Wandungen 16 und 17 aufweist, wobei deren obere Enden Schneidkanten 14 bilden, die an ihren Innen seiten angefast sind,
c) das Heizelement 3 ist seinerseits auf einen Hubmechanis mus 1 montiert, mittels welchem das Schnittwerkzeug 2 aus einer Öffnung 23 des Gehäuses 18 gegen die Rohrwand preßbar ist und welcher sich bei der Hubbewegung in dem Hauptgehäuse 18 abstützt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das wei tere Merkmal:

a) die Außenkontur der stirnseitigen Schneidkanten 14 ent spricht etwa der Innenkontur oder der Wandkrümmung des zu öffnenden Rohres 20.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch das weitere Merkmal:

a) in die Wandungen 16 und 17 des Rahmens 15 sind zusätzli che Bohrungen 25 eingebracht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeich net durch die weiteren Merkmale:

a) das Heizelement 3 besteht aus einer flachen Platte 26, in welche mehrere elektrische Heizsegmente 27 aus Wider standsheizdrähten eingebettet sind, die extern mit Strom versorgt und über Temperaturfühler geregelt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeich net durch die weiteren Merkmale:

a) der Hubmechanismus 1 besteht aus doppelten Hebelparalle logrammen 28, 29 aus jeweils doppelten Kniehebelanordnun gen mit einem zwischen den Hebelparallelogrammen 28, 29 liegenden, freitragenden doppeltwirkenden Druckzylinder 30 mit durchgehender Kolbenstange 33, der sich mit sei nen unteren Querstreben 36, 37 auf dem Boden des Molchge häuses 18 abstützt,
b) die Kolbenstange 33 des horizontal angeordneten Zylin ders 30 greift kniehebelartig an mittleren Querstreben 34, 35 an, die mittels der gelenkigen Arme der Hebelpa rallelogramme 28, 29 auf die oberen Querstreben 31, 32 wirken und über denen das Heizelement 3 mit dem Schnittwerkzeug 2 befestigt ist.