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Die
Erfindung betrifft eine Sekundärdichtung für ein
Drehgelenk an Rohrleitungen, wobei ein Drehgelenk der bekannten
Bauart zum Bewegungsausgleich der angeschlossenen Rohre (z. B. bei
Schiffsbe- und -entladungen flüssiger oder gasförmiger
Medien) dient. Die im erfindungsgemäßen Drehgelenk integrierte
Sekundärdichtung ist insbesondere für einen Havariefall
im Hochtemperaturbereich (ein Brand an der Rohrleitung) konzipiert,
wirkt jedoch auch im Fall, dass die Primärdichtung durch
Verschleiß oder andere Ursachen ausfällt. Der
vorgesehene Temperaturbereich, bis zu welchem die Sekundärdichtung
ihre Schutzfunktion entfalten soll, kann – in Abhängigkeit
vom Heizwert des geförderten Mediums – bis zu
maximalen Temperaturen von 1000°C ausgedehnt werden.
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Die
Sekundärdichtung wirkt rein mechanisch und sie bleibt solange
passiv bis infolge des Ausfalles einer – in der Regel aus
elastomerem Werkstoff bestehenden – Primärdichtung
sich in einem nach dieser Dichtung befindlichen Abschnitt, der sich
nahe der Außendurchmesser zweier zueinander drehbeweglicher
Teile eines Drehgelenkes befindet, der Druck des Fördermediums
(Öl oder Gas) oder auch gleichzeitig die Brandbelastung
des in Brand geratenen Fördermediums auswirkt und die Sperrwirkung eines
sowohl beweglichen, metallischen Dichtringes als auch in einer variierten
Bauform eines unter Vorspannung in dem vorgenannten Abschnitt eingesetzten
und mit Federelementen besetzten metallischen Dichtrings mit nur
geringen Leckageverlusten und bei nahezu ausgeschlossener In-Brand-Setzung
einer Pipeline einsetzt. Dadurch kann es nicht zu gravierenden Leckagen
mit/oder ohne nachfolgenden Bränden kommen. Selbstverständlich
wird der Ausfall der Primärdichtung nach einem beendeten
Belade- oder Löschvorgang wieder behoben, indem das Drehgelenk
einer Instandsetzung unterzogen wird.
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Eine
vergleichbare technische Lösung, die außerdem
temperaturunabhängig als Havariedichtung für Drehgelenke
eingesetzt werden kann, ist nicht bekannt. Alle bisher bekannten
Lösungen basieren auf der Abdichtung mittels verpresster
Elastomere, sind also permanent aktiviert und bezüglich
eines einsetzbaren Temperaturbereichs sehr stark eingeschränkt.
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Als
beispielhafte Lösungen zum gefundenen Stand der Technik
soll auf nachfolgende Schriften eingegangen werden.
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So
ist nach dem Patent der Siemens-Schuckertwerke AG vom 25. November
1937 mit der Nr. 717408 eine Rohrdichtung aus hintereinander angeordnetem
plastischem und elastischem Werkstoff bekannt. Hier werden glatte
Rohre an den Stößen mit einer Überschiebmuffe
verbunden, wobei Ringe in der Mitte und an den Enden der Überschiebmuffe
aus elas tischen Material und zwischen diesem Ringen, Ringe aus plastischen
Material angeordnet sind, die unter Druck des Überschiebens
der Muffe in einen Hohlraum verpresst werden und damit eine zweite zusätzliche
Abdichtung schaffen. Eine definierte Beweglichkeit der Rohre zueinander
ist gegeben, nicht jedoch ist eine der Dichtungen als Havariedichtung lose
eingelegt.
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Mit
DE 235 3571 ist eine Rohrdichtung,
Dichtring sowie Verwendung der Rohrdichtung ... für den Transport
von Kohlenwasserstoff bekannt.
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Eine
in konstruktiver Hinsicht vorliegende Muffenverbindung besteht im
Wesentlichen aus einem in der Muffe eingesetzten radial zusammenpressbaren
Dichtring und einem danach angeordnetem elastomeren Ring, wobei
beide mittels eines dichtenden Verschlussringes voneinander getrennt sind.
Letzterer soll insbesondere aggressive Medien nicht bis an den zusammenpressbaren
Dichtring herankommen lassen. Im Havariefall ist das aber nicht ausgeschlossen
und es würde der gesamte Dichtungsaufbau versagen.
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In
WO 84/03132 ist eine flexible
Rohrverbindung, welche aus einem Kugelgelenk und einem Sockelglied
besteht, wobei jeweils zentrisch durch sie beide, Öffnungen
zur Durchleitung eines Mediums vorgesehen sind. Durch ein, diese
beiden Elemente, umfassendes Gehäuse wird ihre Drehbeweglichkeit zueinander
definiert vorgegeben.
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Die
Einrichtung enthält primäre und sekundäre
Dichtungsringe, wobei beide stets unter Belastung stehen und bereits
im Versagensfall einer von beiden die Einrichtung eine Leckage hat.
Zwischen ihnen angeordnete zusätzliche Dichtpackungen können
den Leckagefall vermeiden oder abschwächen. Damit wird
die konstruktive Auslegung aber sehr aufwendig. Eine sogenannte
Notfalldichtung beim Versagen der Primärdichtung liegt
hier nicht vor.
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In
einer Rohrdichtung mit eingelassenem Ring gemäß
EP 1105669 B1 wird
ein Dichtring für Muffenrohre aus thermoplastischem Werkstoff
vorgeschlagen, wobei zwischen den Dichtungswerkstoffen unterschiedlicher
Härte ein Verstärkungsring eingebettet ist. Dieser
trägt zur Versteifung in der Ringnut des Muffenrohrendes
bei. Die Rohverbindung kann einer radialen Bewegung eines Rohrstranges
kaum nachgeben und die Dichtung versagt im Havariefall, auch bezüglich
ihres zweistufigen Aufbaus, als Ganzes.
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Nach
diesem beispielhaft aufgeführten technischen Lösungen
ist deutlich geworden, dass teilweise radialen Bewegungen nachgebende
Rohrverbindungen entwickelt wurden, die gegebenenfalls Kombinationen
von Dichtungswerkstoffen in kompakter oder getrennter Bauweise darstellen,
wobei jedoch die Dichtungen in jedem Fall jeweils fest eingespannt
sind. Eine „passive” weitgehend ungespannte Dichtung,
die nur im Havariefall – bei entsprechen der Beaufschlagung
eines sich entspannenden Innendruckes aus einer havarierten Rohrleitung
eine Abdichtwirkung generiert – konnte dem Stand der Technik
nicht entnommen werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung eine Anordnung getrennt voneinander
wirkender Dichtungen in einer als Drehgelenk ausgebildeten Rohrverbindung
in der Weise vorzustellen, dass eine Primärdichtung, bestehend
aus elastomeren Werkstoffen, im Versagensfall den Weg frei macht
zum Aufbau des Drucks des geförderten gasförmigen
oder flüssigen Mediums auf eine erfindungsgemäße
Sekundärdichtung, die in einer Ausnehmung des Drehgelenkes selbst
oder einer Ausnehmung eines Konturinnen- und eines Konturaußenringes
im Drehgelenk der Primärdichtung nach außen hin
nachgeordnet ist, wobei ein dort eingelagerter metallischer Dichtring
die gleiche oder gegenläufige radiale Bewegung des Drehgelenkes
weder im Normalbetrieb, noch im Havariefall während eines
Be- oder Entladevorganges behindern soll, so dass eine starke Minimierung
einer Leckage eines sonst aus der versagenden Primärdichtung
austretenden Mediums erreichbar und insbesondere ein Brand einer
am Drehgelenk sonst havarierten Rohrleitung verhinderbar ist.
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Damit
soll höchsten Ansprüchen an die in Zukunft noch
stärker zu garantierende Feuersicherheit (fire-save-Anforderungen)
in sensiblen Bereichen der Hafenwirtschaft (Lösch- und
Belade-Terminals von Gas und Öl) Rechnung getragen werden können.
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Es
kann vorgesehen werden, dass die erfindungsgemäßen
Drehgelenke sensorisch überwacht sind, um eine „Notabdichtung” zu
erkennen, um eine daraus ableitbare Instandsetzung der Primärdichtung bei
Beendigung des Durchsatzes flüssiger oder gasförmiger
Stoffe danach vornehmen zu können.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden
erfinderischen Gedanken auf die Schutzansprüche 1 und 6 verwiesen
wird.
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Die
weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Schutzansprüchen
2 bis 5 und 7 bis 11.
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Zur
Darlegung der Erfindung sind weitere Ausführungen erforderlich.
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Zwei
aufeinander stoßende Rohrleitungen befinden sich über
ein Drehgelenk in formschlüssiger Wirkverbindung. Das Drehgelenk
ist üblicherweise so ausgelegt, dass mittels zweier übereinandergreifender
Konturringe, die mit dem Drehgelenk fest verbunden sind, eine gleich-
oder gegenläufige Bewegung um eine Mittelachse der Rohrleitung
ermöglicht wird, wobei der Luftspalt zwischen den aufeinander stoßenden
Rohren im Drehgelenk mit einer Primärdichtung, vorzugsweise
aus elastomerem Werkstoff bestehend, abgedichtet ist. Die Konturringe
besitzen als erste wesentliche Bauform in Fortsetzung des von der
Primardichtung ausgehenden Luftspaltes einen Abschnitt mit einer
sich nach außen zunächst gleichmäßig
erweiternden und dann konusartig verjüngenden Ausnehmung
in zwei Stufen, wobei sich die Flanken der Konturringe symmetrisch
gegenüber stehen und in einer ersten Stufe der Ausnehmung
mit gleichmäßig ausgebildeten, dass heißt
parallel zueinander ausgerichteten Flanken lose und frei beweglich
ein metallisches Dichtelement mit rundem, ovalem oder in anderer
Geometrie vorliegendem Querschnitt, eingesetzt ist, das die Drehbeweglichkeit
im Drehgelenk nicht vermindert. Tritt der Fall des Durchschlagens der
Primärdichtung aus dem Grunde hoher Temperatur des Mediums
oder durch Feuer bis in Bereiche von 1000°C ein, wirkt
der Innendruck des sich über den freiliegenden Luftspalt
ausbreitenden gasförmigen oder flüssigen Mediums
auf das metallische Dichtelement, das nun seinerseits von der ersten Stufe
in die zweite Stufe der sich nach außen verjüngenden
Ausnehmung hineingedrückt wird. Damit erfolgt über
den gesamten Umfang des Luftspaltes der Konturringe im äußeren
Bereich eine Abdichtung unter Wirken des „inneren” Betriebsdruckes
des geförderten Mediums, wobei dennoch die Drehbeweglichkeit
zwischen den Konturringen erhalten bleibt. Nachdem der Innendruck
seine Wirkung nicht mehr entfaltet, gleitet das metallische Dichtelement
wieder in seine Ausgangslage zurück. Mittels möglicher
sensorischer Überwachungsmaßnahmen an einem erfindungsgemäßen
Drehgelenk kann die Fehlfunktion der Primärdichtung erkannt
und in einer dann anschließenden Instandhaltung erneuert
werden.
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In
einer weiteren wesentlichen Bauform ist das metallische Dichtungselement
im Schnitt ein Doppel-T-Träger mit jeweils links und rechts
eingesetzten, gewickelten Spiralfedern – im Weiteren als Spiraldichtungen
bezeichnet –, die einen seitlichen Überstand nach
außen aufweisen. Dadurch gelingt es, im Abschnitt für
dessen Einlage zwischen den Berührungsflächen
der Teile eines Drehgelenkes eine geringe Vorspannung zu erzeugen,
die jedoch keine mechanischen Reibungsverluste bei der Bewegung im
Drehgelenk hervorruft. Dem kann zusätzlich noch dadurch
entgegengewirkt werden, indem die Seitenflächen der Spiraldichtungen
innen und außen mit kleinen bzw. großen Gleitscheiben
abgedeckt sind. Da letztere aus Weichstoffen, z. Bsp. PTFE, bestehen,
tritt eine Schmierwirkung gegenüber den Berührungsflächen
der Teile eines Drehgelenkes auf.
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Die
gewickelten Spiralfedichtungen besitzen eine nach außen
gerichtete Sicke und sie können zwischen ihren einzelnen
Metalllagen PTFE-Lagen aufweisen. Bei einem ggf. Verbrennen der
Weichstoffeinlagen überbrücken die mit geringer
Vorspannung eingesetzten Spiraldichtungen die Luftspalte zwischen
den Berührungsflächen eines Drehgelenkes, so dass
Leckageverluste stark minimiert und eine Brandentstehung ausgeschlossen
sind.
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Denkbar
ist auch, eine mit oder ohne Weichstoffeinlagen gewickelte Spiraldichtung
ohne einen metallischen Träger in den vorgesehenen Abschnitt eines
drehbeweglichen Teils des Drehgelenkes einzubinden.
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Denkbar
zur Konzipierung einer Sekundärdichtung gemäß der
ersten Bauform ist auch, dass die Konturringe eines Drehgelenkes
den üblichen Luftspalt ohne Ausnehmung besitzen und dabei
jeweils aus thermisch ausdehnungsfähigem Material bestehen,
welches sich bis zu einer technisch sinnvollen Grenze ausdehnt,
so dass eine Leckage gravierenden Ausmaßes und ein Mediumbrand
ausgeschlossen werden kann, wobei die Drehbeweglichkeit ebenfalls
noch möglich ist.
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In
analoger Weise kann auch an einen Einsatz von Verbundwerkstoffen
gedacht werden, wobei im Sinne des Ausnutzens des Bi-Metalleffekts
der Luftspalt innerhalb des Drehgelenkes verschließbar ist.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. Dabei zeigen die Figuren:
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1:
Gesamtdarstellung des Drehgelenkes mit definiert beweglichem metallischem
Dichtring
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2:
Detaildarstellung gemäß 1 mit Ausgangslage
eines metallischen Dichtringes (ungespannt)
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3:
Detaildarstellung gemäß 1 mit Endlage
eines druckbeaufschlagten metallischen Dichtringes
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4:
Sekundärdichtung zwischen den Berührungsflächen
der Teile eines Drehgelenkes als gewickelte Spiraldichtung
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5:
Sekundärdichtung zwischen den Berührungsflächen
der Teile eines Drehgelenkes mit zwei in einem metallischen Träger
eingesetzten Spiraldichtungen
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6:
Sekundärdichtung zwischen den Berührungsflächen
der Teile eines Drehgelenkes mit zwei in einem metallischen Träger
eingesetzten Spiraldichtungen in Verbindung mit einem definiert
beweglichen metallischen Dichtring
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Die 1 bis 3 beziehen
sich auf eine Sekundärdichtung für ein Drehgelenk 1 an Rohrleitungen,
bei dem radiale Drehbewegungen zwischen zwei Rohrleitungen, die
es verbindet, ermöglicht werden und die Sekundärdichtung
besteht hauptsächlich aus je einem rotationssymmetrischen
Konturaussenring 5 und einem Konturinnenring 7 mit
einem zwischen diesen eingelegten metallischen Dichtring 6. Die
Einlage des metallischen Dichtringes 6 erfolgt dabei in
einer sich symmetrisch gegenüberstehenden Ausnehmung 10 des
Konturaussenringes 5 und des Konturinnenringes 7,
wobei sich der Dichtring 6 in Ruhelage, dass heißt
ohne Beaufschlagung eines Differenzdruckes der sich über
eine versagende Primärdichtung 8 und einen Luftspalt 9 an
ihm aufbauen könnte, in dem vergrößerten
Abschnitt der Ausnehmung 10 aufhält, die sich
in der Sekundärdichtung befindet. Der Dichtring 6 liegt
hier aufgrund des Spiels, erzeugt durch ein Übermaß an
der Ausnehmung des Konturaussenringes 5 und durch ein Untermaß des
Konturinnenringes 7 lose in diesem Bereich und behindert
in keiner Weise die radiale Beweglichkeit des Drehgelenkes.
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Versagt
die Primärdichtung 6 durch hohe Temperatur des
zu fördernden flüssigen oder gasförmigen
Mediums, durch Brand oder Überdruck usw. wirkt über
den Luftspalt 9 der sich entspannende Druck auf die dem
Druck zugewandte Flanke des metallischen Dichtringes 6 und
er wird in den sich nach außen verjüngenden Abschnitt
der Ausnehmung 10 gedrückt. Damit ist eine „Notabdichtung” mit nur
sehr geringer Leckage hergestellt. Auch in der Phase des in die
Verjüngung der Ausnehmung 10 eingepressten metallischen
Dichtringes 6 können sich der Konturaussenring 5 und
der Konturinnenring 7 drehbeweglich zueinander verhalten,
so dass die Sekundärdichtung für ein Drehgelenk 1 rein
mechanisch seine Funktion aufrechterhält.
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Wenn
durch Beendigung der Förderung eines flüssigen
oder gasförmigen Mediums der Druck an einem havarierten
erfindungsgemäßen Drehgelenk nicht mehr wirkt,
gleitet der Dichtring 6 in seine Ausgangslage des vergrößerten
Abschnitts der Ausnehmung 10 zurück. Mittels möglicher
sensorischer oder anderweitiger Überwachungsmaßnahmen
an der Sekundärabdichtung für ein Drehgelenk 1 bezüglich
der durchgeschlagenen Primärdichtung 8 wird der
vorliegende Defekt erkannt und im Rahmen einer Instandsetzung diese
Dichtung erneuert.
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In
einer anderen Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Sekundärdichtung stellt sich die Abdichtung gemäß 4 dar.
Hier befindet sich in einem Abschnitt, nahe dem Außendurchmesser
eines Drehgelenkes II, 15 eine Spiraldichtung 13 mit
elastischen Eigenschaften, so dass sich diese über ihre Seitenflächen
an den Berührungsflächen von Drehgelenk I, 11 und
Drehgelenk II, 15 abstützt. Zwischen den vorgenannten
Berührungsflächen befindet sich eine die Reibung
herabsetzende große und kleine Gleitscheibe 12, 14.
Die Spiraldichtung 13 kann zwischen ihrer gewickelten,
elastischen Metalllagen, Einlagen eines Weichstoffes, bevorzugt
PTFE besitzen. Diese Einlagen und die große und kleine
Gleitscheibe 12, 14 begünstigen die Herabsetzung
der Reibung infolge ihrer „Schmierwirkung”.
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Nach
den 5 und 6 wird die Aufnahme eines zwei
Spiraldichtungen 18, 21 aufweisenden Trägers 22 in
einen dafür vorgesehenen Abschnitt zwischen den Teilen
Drehgelenk I, 16 und Drehgelenk II, 24 gezeigt.
Mit der Maßnahme des „doppelten” Einbaus
der Spiraldichtungen 18, 21 erhöht sich die
Eigenelastizität zwischen den Berührungsflächen an
den Teilen Drehgelenk I, 16 und Drehgelenk II, 24 um
das Doppelte. Auch hier sind zwischen den Seitenflächen
der beiden Spiraldichtungen 18, 21 jeweils links
und rechts an ihnen große und kleine Gleitscheiben, bestehend
z. Bsp. aus dem Weichstoff PTFE, mit den Bezugszeichen 17, 23 und 19, 20 angeordnet.
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6 weist
noch, neben dem gemäß 5 dargestellten „doppelten” Einbau
von Spiraldichtungen 18, 21, einen metallischen
Dichtring 25 auf, wobei sich zwischen diesem und der linken
Seitenfläche einer Spiraldichtung 18 eine Druckplatte 26 befindet. Hierin
kann eine Kombination der Ausführung gemäß der 1 und 5 gesehen
werden. Dadurch werden die Belastung der Dichtflächen an
den Teilen Drehgelenk I, 16 und Drehgelenk II, 24 und
eine damit einhergehender Verschleiß weiter herabgesetzt. In
diesem Fall übernehmen die doppelt vorhandenen Spiraldichtungen 18, 21 die
Verpressung des metallischen Dichtringes 25 über
die Druckplatte 26 und es gelingt ein Spannungsausgleich
zwischen den Teilen Drehgelenk I und II herzustellen, indem de Ausdehnung
von letzteren unter starken Wärmeeinfluss kompensiert wird.
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Die
Vorteile der Erfindung können zusammenfassend darin gesehen
werden:
- • Beibehaltung des aktuellen
Förderbetriebes, auch bei defekter Primärdichtung
- • drastische Verminderung von Leckageverlusten im Förderbetrieb
- • Verhütung von Unfällen durch Brand
(fire-save-Sicherung)
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- 1
- Sekundärdichtung
für ein Drehgelenk
- 2
- Drehgelenk
I
- 3
- Lager
und Fixierung
- 4
- Drehgelenk
II
- 5
- Konturaußenring
- 6
- metallischer
Dichtring
- 7
- Konturinnenring
- 8
- Primärdichtung
- 9
- Luftspalt
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Drehgelenk
I
- 12
- Gleitscheibe,
groß
- 13
- Spiraldichtung
- 14
- Gleitscheibe,
klein
- 15
- Drehgelenk
II
- 15.1
- Mittelachse
- 16
- Drehgelenk
I
- 17
- Gleitscheibe,
groß
- 18
- Spiraldichtung
- 19
- Gleitscheibe,
klein
- 20
- Gleitscheibe,
klein
- 21
- Spiraldichtung
- 22
- Träger
- 23
- Gleitscheibe,
groß
- 24
- Drehgelenk
II
- 24.1
- Mittelachse
- 25
- metallischer
Dichtring
- 26
- Druckplatte
- 27
- Mittelachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2353571 [0006]
- - WO 84/03132 [0008]
- - EP 1105669 B1 [0010]