DE19905623A1 - Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffrohrs, nach diesem Verfahren hergestelltes Rohr und Verwendung dieses Rohrs - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffrohrs, nach diesem Verfahren hergestelltes Rohr und Verwendung dieses Rohrs

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DE19905623A1
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Abstract

Das Verfahren dient der Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffrohrs (3). Bei seiner Durchführung werden zwei in Richtung der Rohrachse (6) ausgerichtete Rohrabschnitte (1, 2) mit einer Wandstärke größer 5 mm in einem Stumpfschweißprozess an einander gegenüberliegenden Enden auf Schweißtemperatur erwärmt und nachfolgend mit einer vorgegebenen Fügekraft unter Bildung einer in einem Innen- (10) und einem Außenwulst (9) auslaufenden Schweißnaht (8) zum Kunststoffrohr (3) zusammengefügt. Während des Fügens werden die Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweißnaht (8) geheizt und mit einem radial nach außen wirkenden Druck belastet. Hierdurch wird ein spaltfreies Verschweißen des Innenwulsts (10) mit den Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) im Bereich der Schweißnaht (8) erreicht. Das Kunststoffrohr weist dielektrisch günstige Eigenschaften auf und kann daher mit Vorteil als Kapselungsrohr einer gekapselten, gasisolierten Hochspannungsleitung Verwendung finden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffrohrs gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Zudem bezieht die Erfindung sich auch auf ein nach diesem Verfahren hergestelltes thermoplastisches Kunststoffrohr sowie auf eine bevorzugte Verwendung dieses Rohrs. Das Kunststoffrohr soll Innendrücke von mehreren bar bei Durchmessern von 200 und mehr Millimeter aufnehmen können. Es weist daher eine Wanddicke von mindestens 5 Millimeter auf. Rohre mit solch grossen Wanddicken können in wirtschaftlich bevorzugter Weise durch Stumpfschweissen hergestellt werden.
Stand der Technik
Ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 ist dem Merkblatt DVS 2207 Teil 11 (April 1985) "Heizelementschweissen von thermoplastischen Kunststoffen: Rohrleitungen aus Polypropylen (PP)", herausgegeben vom Deutschen Verband für Schweisstechnik e.V., zu entnehmen. Bei diesem Verfahren sind zwei zu verbindende Rohrabschnitte aus Polypropylen axial in einer Schweissvorrichtung ausgerichtet und werden deren einander zugewandte Stirnflächen vor dem Schweissen planiert. Einer dieser beiden Rohrabschnitte kann durch Lagerung auf Rollenböcken oder durch pendelnde Aufhängung axial verschoben werden. Zwischen die Enden der zu verbindenden Rohrabschnitte wird eine auf Schweisstemperatur erwärmte Heizplatte gebracht. Die an den gegenüberstehenden Enden befindlichen, stirnseitigen Verbindungsflächen werden mit einem für das Angleichen am Heizelement erforderlichen Einstelldruck beidseitig an die Heizplatte angedrückt. Dieser Druck wird bis zum vollständigen Anliegen der Verbindungsflächen an den planen Flächen der Heizelemente aufrechterhalten. Je nach Wanddicke werden die Rohrabschnittsenden über einen vorbestimmten Zeitraum angewärmt. Während des Anwärmens wird der Einstelldruck sukzessive reduziert, so dass nach Beendigung des Anwärmens die Heizplatte schliesslich kräftefrei aus der Schweissvorrichtung entfernt werden kann.
Die Verbindungsflächen werden nun sofort zusammengefügt. Nach dem Anliegen der zu verbindenden Rohrabschnitte werden diese mit einer grossen Kraft gegeneinandergepresst. Hierbei bildet sich eine Schweissnaht, nach deren Abkühlung der Einstelldruck reduziert wird. Schliesslich kann der Schweissvorrichtung ein stumpfgeschweisstes Rohr entnommen werden, bei dem die Schweissnaht ausserhalb und innerhalb des Rohrs in einem Wulst ausläuft. Insbesondere der Innenwulst erweist sich bei vielen Einsätzen des solchermassen hergestellten Rohrs als ungünstig und ist dann durch Nachbearbeitung zu entfernen oder zumindest in seinen Abmessungen zu reduzieren.
Darstellung der Erfindung
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem sich ohne aufwendige Nachbearbeitung ein thermoplastisches Kunststoffrohr herstellen lässt, bei dem der Innenwulst die Funktionsfähigkeit des Rohrs auch ohne Nachbehandlung nicht mehr beeinflusst, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes thermoplastisches Kunststoffrohr anzugeben, welches sich durch besonders günstige dielektrische Eigenschaften auszeichnet.
Diese Aufgabe wird vom Verfahren und dem thermoplastischen Kunststoffrohr gemäss den Patentansprüchen erfüllt.
Beim erfindungsgemässen Verfahren werden während des Fügens die Innenflächen der Rohrabschnitte in der Umgebung der Schweissnaht geheizt und mit einem radial nach aussen wirkenden Druck belastet. Dadurch wird beim Fügen der beiden Rohrabschnitte der Innenwulst nicht tief ins Innere des Rohrs eindringen, sondern wird nur eine geringe radiale Dicke aufweisen und entlang der Innenflächen der beiden Rohrabschnitte in axialer Richtung von der Schweissnaht weggeführt. Da die Innenflächen und der Innenwulst während des Fügens zugleich beständig geheizt werden, verschweisst der flach ausgebildete Innenwulst an den Innenflächen mit den Rohrabschnitten. Unerwünschte Spaltbildung zwischen dem Innenwulst und den Innenflächen der Rohrabschnitte wird so vermieden.
Um einen möglichst gleichmässig ausgebildeten Innenwulst zu erreichen, wird der Druck durch einen mit einem fluiden Druckmittel gefüllten und mit einer Mantelfläche auf die Innenflächen der Rohrabschnitte in der Umgebung der Schweissnaht geführten, flexiblen Stützkörper erzeugt. Der Innenwulst weist eine besonders geringe Dicke auf und zeichnet sich zudem durch strömungstechnisch günstige Eigenschaften aus, wenn der Fülldruck des Stützkörpers beim Fügen derart eingestellt wird, dass der sich bildende Innenwulst überwiegend in axialer Richtung geführt wird. Dadurch, dass die Innenflächen der Rohrabschnitte auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der sich bildende Innenwulst spaltfrei mit den Innenflächen verschweisst, werden mit grosser Sicherheit Hohlräume jeder Art vermieden, in denen sich sonst Flüssigkeiten, Gase oder unerwünschte Lebewesen, wie insbesondere Mikroben, einschliessen könnten.
Das Verschweissen des Innenwulsts mit den Innenflächen der Rohrabschnitte wird vorteilhafterweise mit einem flächenhaften Heizelement erreicht. Ein für das Ausbilden dieser Schweissverbindung besonders günstiges Verhalten wird mit einem flexibel ausgebildeten Heizelement erreicht, welches von einem mit Druckgas gefüllten Schwellelement getragen wird. Vorzugsweise weist das Heizelement mindestens einen Heizdraht und einen flächenhaften Körper auf der Basis eines elastisch dehnbaren Polymers, wie insbesondere eines Silicons, auf.
Es empfiehlt sich, vor dem Fügen zwischen dem Heizelement und den Innenflächen der Rohrabschnitte eine Trennfolie anzuordnen. Es ist dann sichergestellt, dass beim Entfernen des Heizelements nach dem Verschweissen die beim Fügen gebildete innere Wulst nicht beschädigt wird und eine glatte Oberfläche aufweist.
Durch das spaltfreie Verschweissen des Innenwulsts mit den Innenflächen der beiden Rohrabschnitte erhält das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Kunststoffrohr hervorragende dielektrische Eigenschaften. Enthält der thermoplastische Werkstoff des Kunststoffrohrs leitfähiges Material, wie insbesondere Pulver von Leitfähigkeitsruss, Metall und/oder leitfähiger Keramik, etwa auf der Basis von Boriden, Carbiden, Nitriden, Oxiden und/oder Siliciden, so kann das thermoplastische Kunststoffrohr mit grossem Vorteil als Kapselungsrohr einer gekapselten, gasisolierten Leitung eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 jeweils eine Aufsicht auf einen längs der Rohrachse geführten Schnitt durch ein thermoplastisches Kunststoffrohr während verschiedener Fertigungsschritte bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In der Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 thermoplastische, aus einem Polyolefin, vorzugsweise Polypropylen, Polyäthylen oder Polybutylen, bestehende Rohrabschnitte, welche in einem Stumpfschweissverfahren zu einem thermoplastischen Kunststoffrohr 3 (Fig. 2) verbunden werden sollen. Das fertiggestellte Kunststoffrohr kann der Aufnahme und/oder dem Transport einer Flüssigkeit oder eines Gases unter Druck dienen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das Kunststoffrohr 3 die Kapselung einer gekapselten, gasisolierten Hochspannungsleitung für Spannungen bis 1000 kV dar und wird dann nach der Fertigstellung mit einem Isoliergas, wie etwa SF6, von bis zu einigen bar Druck gefüllt. Dem Thermoplasten ist zu Zwecken eines definierten Potentials sowie der elektrostatischen Abschirmung des elektrischen Feldes eines im Rohrinneren auf Stützisolatoren gehaltenen und die Hochspannung führenden Leiters mit einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise mit einem leitfähigen Pulver etwa auf der Basis von Leitfähigkeitsruss, einem Metall, wie etwa Nickel, und/oder einer leitfähigen Keramik auf der Basis eines Borids, Carbids, Nitrids, Oxids und/oder Silicids, wie etwa SiC oder ZnO, gefüllt. Das Kunststoffrohr 3 und damit auch jeder der beiden Rohrabschnitte 1, 2 weist einen Durchmesser grösser 100 mm und eine Wandstärke grösser 5 mm auf. Typische Durchmesser sind 300 bis 600 mm bei Wandstärken von 15 bis 30 mm.
Das Stumpfschweissverfahren wird wie folgt ausgeführt: Die beiden stumpf zu verschweissenden Rohrabschnitte 1, 2 sind in einer Schweissvorrichtung mit einer Heizplatte 4 (Fig. 1) und einem flexiblen, mit Gas oder Flüssigkeit unter Druck setzbaren Stützkörper 5 in Richtung der Achse 6 der Rohrabschnitte 1, 2 bzw. des Kunststoffrohrs 3 ausgerichtet (Fig. 2) und werden an den einander zugewandten Stirnflächen der Rohrabschnitte 1, 2 planiert. Der Rohrabschnitt 1 wird feststehend gelagert, wohingegen der Rohrabschnitt 2 durch Lagerung auf nicht dargestellten Rollenböcken in axialer Richtung (Pfeil 7) verschoben werden kann. Zwischen die Enden der zu verbindenden Rohrabschnitte 1, 2 wird die auf Schweisstemperatur von typischerweise 190 bis 230°C erwärmte, axial geringfügig verschiebliche Heizplatte 4 gebracht (Fig. 1). Durch Anlegen einer in Richtung des Pfeils 7 wirkenden Einstellkraft wird der Rohrabschnitt 2 gegen die Heizplatte 4 und diese wiederum gegen den feststehenden Rohrabschnitt 1 gedrückt. Die Kraft ist so bemessen, dass die auf der Heizplatte 4 aufliegenden stirnseitigen Verbindungsflächen der beiden Rohrabschnitte durch Erweichen des Polypropylens an den ebenen Flächen der Heizplatte geglättet werden. Die Einstellkraft wird bis zum vollständigen Anliegen der Verbindungsflächen auf den Flächen der Heizplatte 4 aufrechterhalten. Je nach Wanddicke werden die Rohrabschnittsenden über einen vorgegebenen Zeitraum angewärmt. Während des Anwärmens wird die Einstellkraft sukzessive reduziert und die Heizplatte nach dem Beenden des Anwärmens quer zur Achse 6 von den beiden Rohrabschnitten 1 und 2 weggeschwenkt.
Die planen Verbindungsflächen der beiden Rohrabschnitte 1 und 2 werden nun durch Verschieben des Rohrabschnitts 2 in Richtung des Pfeils 7 druckfrei miteinander kontaktiert. Zugleich wird in axialer Richtung der aus Fig. 2 ersichtliche flexible Stützkörper 5 in die aus Fig. 2 ersichtliche Position geschoben und durch Einfüllen von Flüssigkeit oder Gas auf einen Druck von einigen bar, typischerweise 4 bis 8 bar, gebracht. Die zu verschweissenden Rohrabschnitte werden nun mit grossem Druck, typischerweise 100 bis 150 bar, gegeneinandergepresst. Hierbei bildet sich eine Schweissnaht 8, welche in einem Aussen- 9 und einem Innenwulst 10 ausläuft. Der flexible Stützkörper 5 enthält vorteilhafterweise ein in Form eines Autoreifens ausgebildetes Schwellelement 11, da so eine zylinderförmige Auflagefläche auf den Innenflächen der Rohrabschnitte 1 und 2 im Bereich der Schweissnaht 8 sichergestellt ist. Die Mantelfläche des Schwellelementes 11 trägt ein flächenförmiges, flexibles Heizelement 12, welches vorzugsweise mindestens einen elektrischen Heizdraht und einen flächenhaften Körper auf der Basis eines elastisch dehnbaren Polymers, wie insbesondere eines Silicons, enthält. Dieses Heizelement verformt sich beim Aufblasen des Schwellelementes in Umfangsrichtung und in radialer Richtung elastisch und schmiegt sich dann eng an die Innenflächen der Rohrabschnitte 1 und 2 im Bereich der Schweisstelle 8 an.
Während des Fügens werden die Innenflächen der Rohrabschnitte 1 und 2 in der Umgebung der Schweissnaht 8 geheizt und zugleich durch den flexiblen Stützkörper 5 mit einem radial nach aussen wirkenden Druck belastet. Der Fülldruck des Stützkörpers 5 ist derart eingestellt wird, dass der beim Fügen sich bildende Innenwulst überwiegend in axialer Richtung geführt wird. Zugleich werden die Innenflächen der Rohrabschnitte 1 und 2 durch das die Mantelfläche des Stützkörpers 5 bildende Heizelement 12 auf eine Temperatur erwärmt, bei der der sich bildende Innenwulst 10 spaltfrei mit den Innenflächen verschweisst wird.
Nach Beenden des Verschweissens und nach Abkühlen der Schweissnaht 8 wird der Einstelldruck reduziert. Danach kann das stumpfgeschweisstes Kunststoffrohr der Schweissvorrichtung entnommen werden. Da bei diesem Rohr der Innenwulst 10 eine besonders geringe Dicke aufweist, zeichnet es sich durch strömungstechnisch günstige Eigenschaften aus. Dadurch, dass die Innenflächen der Rohrabschnitte 1, 2 auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der sich bildende Innenwulst 10 spaltfrei mit den Innenflächen der Rohrabschnitte 1, 2 verschweisst, werden mit grosser Sicherheit Hohlräume jeder Art vermieden, in denen sich sonst Flüssigkeiten, Gase oder unerwünschte Lebewesen, wie insbesondere Mikroben, einschliessen könnten.
Vor dem Fügen wird auf dem Heizelement 12 eine Trennfolie 13, beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen (PTFE), angeordnet. Es ist dann sichergestellt, dass beim Entfernen des Heizelementes 12 nach dem Verschweissen der beim Fügen gebildete Innenwulst nicht beschädigt wird und eine glatte Oberfläche aufweist.
Durch das spaltfreie Verschweissen des Innenwulsts 10 mit den Innenflächen der beiden Rohrabschnitte 1 und 2 erhält das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Kunststoffrohr 3 zugleich hervorragende dielektrische Eigenschaften. Enthält der thermoplastische Werkstoff des Kunststoffrohrs leitfähiges Material, wie etwa insbesondere Pulver von Leitfähigkeitsruss, Metall und/oder leitfähiger Keramik, etwa auf der Basis von Boriden, Carbiden, Nitriden, Oxiden und/oder Siliciden, so kann das thermoplastische Kunststoffrohrs mit grossen Vorteil als Kapselungsrohr einer gekapselten, gasisolierten Hochspannungsleitung eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1
,
2
Rohrabschnitte
3
Kunststoffrohr
4
Heizplatte
5
flexibler Stützkörper
6
Achse
7
Pfeil
8
Schweissnaht
9
Aussenwulst
10
Innenwulst
11
Schwellelement
12
Heizelement
13
Trennfolie

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Kunststoffrohrs (3), bei dem zwei in Richtung der Rohrache (6) ausgerichtete Rohrabschnitte (1, 2) mit einer Wandstärke grösser 5 mm in einem Stumpfschweissprozess an einander gegenüberliegenden Enden auf Schweisstemperatur erwärmt und nachfolgend mit einer vorgegebenen Fügekraft unter Bildung einer in einem Innen- (10) und einem Aussenwulst (9) auslaufenden Schweissnaht (8) zum Kunststoffrohr (3) zusammengefügt werden, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fügens die Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) geheizt und mit einem radial nach aussen wirkenden Druck belastet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch einen mit einem fluiden Druckmittel gefüllten und mit einer Mantelfläche auf die Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) geführten, flexiblen Stützkörper (5) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fülldruck des Stützkörpers (5) beim Fügen derart eingestellt wird, dass der sich bildende Innenwulst (10) überwiegend in axialer Richtung geführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der der sich bildende Innenwulst (10) spaltfrei mit den Innenflächen verschweisst wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) mit einem flächenhaften Heizelement (12) erwärmt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) flexibel ausgebildet ist und von einem mit Druckgas füllbaren, autoreifenförmig ausgebildeten Schwellelement (11) des flexiblen Stützkörpers (5) getragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) mindestens einen Heizdraht und einen flächenhaften Körper auf der Basis eines elastisch dehnbaren Polymers, wie insbesondere eines Silicons, enthält.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Fügen zwischen dem Heizelement (12) und den Innenflächen der Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) eine Trennfolie (13) angeordnet wird.
9. Thermoplastisches Kunststoffrohr hergestellt nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der beim Fügen gebildete Innenwulst (10) mit den Innenflächen der beiden Rohrabschnitte (1, 2) in der Umgebung der Schweissnaht (8) spaltfrei verschweisst ist.
10. Thermoplastisches Kunststoffrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Werkstoff des Kunststoffrohrs (1) leitfähiges Material enthält.
11. Verwendung des thermoplastischen Kunststoffrohrs nach Anspruch 10 als Kapselungsrohr einer gekapselten, gasisolierten Hochspannungsleitung.
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