DE2352086A1

DE2352086A1 - Starrer rohrfoermiger koerper aus armiertem polymer-kunststoff

Info

Publication number: DE2352086A1
Application number: DE19732352086
Authority: DE
Inventors: Eric Anderson; Georges Fourty; Juergen Dr-Ing Rexer
Original assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Current assignee: Battelle Memorial Institute Inc
Priority date: 1972-10-12
Filing date: 1973-10-12
Publication date: 1974-04-18
Also published as: DE2352086C2; IT994775B; NO154244C; JPS5623780B2; SE405889B; NO154244B; NL7313989A; GB1407913A; US4657049A; JPS4973715A; CA994687A; FR2203044A1; FR2203044B1

Description

PATENTANWÄLTE

erzyjorneruo ^/veι/

MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49 1 BERLIN-DAHLEM 33· PODBIELSKIALLEE68

BERLIN : DIPL.-ING. R. M Ü LLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

Berlin, den 12. Oktober 1973

25 442

Battelle Memorial Institute,
Carouge/Genf (Schweiz)

Starrer rohrförmiger Körper aus armiertem Polymer-Kunststoff

Die Erfindung betrifft einen starren, rohrförmigen Körper aus armiertem Polymer-Kunststoff.

Es wurden bereits zahlreiche Vorschläge zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Polymer-Kunststoffen gemacht. Eine ganze Reihe von verstärkten Polymeren, die für die Herstellung biegsamer und starrer Rohre verwendet werden, ist bekannt.Die Verstärkung läßt sich mittels einer oder mehrerer sich kreuzender oder sich nicht kreuzender Schraubenwindungen von Profilstählen, Metalldrähten, Glasfasern oder-geweben, organischen Fasern usw. durchführen.

Jedoch ist der Druck, den diese verstärkten Rohre aufzunehmen vermögen, verhältnismäßig gering, wenn man ihn mit dem vergleicht, der im Innern konventioneller Leitungen aus Stahl ausgeübt wird, wie z.B. Gas- oder Ölleitungen.

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BERLIN: TELEFON (O3 11) 76 39 O7 MÜNCHEN: TELEFON (O8 11) 22 55 85 KABEL: PROPiNDUS ■ TELEX 01 84O57 KABEL: PROPINDUS · TELEX O5 24244

Dies ist einer der Gründe, weshalb man noch heute konventionelle Rohre aus Stahl für alle, starken Innendrücken ausgesetzten (Gas- und Ölleitungen), starken Außendrücken unterworfenen (Unterwasser-Bohrlochleitungen z.B.) oder hohen Temperaturen ausgesetzten (chemische Industrie) Leitungen verwendet.

Diese Stahlrohre weisen jedoch in der Praxis zahlreiche Mangel auf. Sie sind schwer. Sie widerstehen schlecht der Korrosion, die im Innern durch das durch das Rohr fließende Produkt hervorgerufen werden kann, oder außen im Falle der Unterwasser-Bohrlochleitungen insbesondere durch das Seewasser oder auch durch das Zusammenwirken der erwähnten Innen- und Außenkorrosion. Ferner bietet die homogene Wand eines Stahlrohrs eine günstige Grundlage für die Ausbreitung von Rissen. Die maximale Länge, die man einem Stahlrohr geben kann, ist verhältnismäßig gering. Infolgedessen trägt eine mit solchen Rohren erstellte Leitung in verhältnismäßig kurzen Abständen Schweißungen, deren Herstellung kostspielig ist. Ferner können diese Schweißungen der Ausgangspunkt zahlreicher Fehler sein, die eine ständige Überwachung und Instandhaltung erforderlich machen. Trotz dieser Vorsichtsmaßnahmen sind auf Gasleitungen zurückzuführende Unfälle verhältnismäßig häufig.

Die Fertigung von Rohren mit aus Glasfasergespinsten gebildeten, in Harz voreingeformten Litzen entwickeltr sich mehr und mehr. Sie weist jedoch Mangel auf. Die Umhüllung der Fasern kann nicht vollständig sein, und Luftblasen bleiben in der Masse der Rohrwand eingeschlossen. Die erhaltene mechanische und chemische Widerstandsfähigkeit ist gut, eignet sich jedoch nicht für Anwendungen, bei denen der Innendruck hoch ist, denn das Material wird porös. Die Druckfestigkeit ist gering, weil der Elastizitätsmodul nicht sehr groß ist.

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Man hat vorgeschlagen, starre rohrförmige Teile dadurch zu erzielen, daß man mit Harz bedeckte, schraubenförmige Stahlbänder um einen Dorn wickelt, um ein rohrförmiges Teil von geschichtetem Aufbau zu erhalten. Bei einer Ausführungsform dieses Verfahrens werden mehrere Schraubenwindungen von gleicher Verlaufsrichtung um einen Dorn gebidet, indem man die aneinanderstoßenden Ränder einander bedecken läßt. Die Struktur des so erhaltenen !rohrförmigen Teils erlaubt es nicht, ihm eine Festigkeit gleicher Größenordnung wie die eines Stahlrohrs gleicher Abmessungen zu geben.

Aufgabe der Erfindung ist es, wenigstens teilweise die Mängel der vorerwähnten Lösungsvorschläge zu beheben, um die Herstellung von rohrförmigen Körpern aus armierten Polymer-Kunststoffen zu gestatten, deren mechanische Eigenschaften denen von Stahlrohren gleicher Abmessungen vergleichbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen starren, rohrförmigen Körper aus armiertem Polymer-Kunststoff gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die verstärkende Armierung die Form einer Mehrzahl von parallelen Schichten in der Dicke der Wand des Körpers aufweist und von mindestens einem Metallband gebildet wird, das schraubenförmig um die Längsachse des Körpers gewickelt ist, wobei jede Windung des Bandes von den benachbarten Windungen durch die Grundmasse des Polymer-Kunststoffes getrennt ist, in den die Windungen eingebettet sind, und die kleinste Breite der gegenseitigen Überlagerung der benachbarten Windungen der parallelen Schichten durch die Beziehung:

τ _ e
ο

_τ
bestimmt ist, in der e die Dicke des Bandes,ti^ seine Zer-

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reißfestigkeit und L die Scherfestigkeit an der Berührungsfläche Metall/Polymer-Kunststoff ist.

Dieser rohrförmige Körper bietet mehrere Vorteile gegenüber den Rohren, die aus zusammengesetzten, glasfaserverstärkten Werkstoffen hergestellt sind. Außer der Lösung des Problems der Einbettung der Verstärkungselemente und infolgedessen das der Porosität des zusammengesetzten Werkstoffs gibt der Ersatz der bisher als Verstärkungselemente benutzten Gasfasern durch Metallbänder dem Rohr eine in zwei Richtungen wirkende Festigkeit, d.h. in Längsrichrung wie in Umfangsrichtung, ohne daß es notwendig wäre, ein kompliziertes Wickelsystem zu verwenden. Solche Rohre lassen sich fortlaufend mit einer verhältnismäßig einfachen Maschine auf der Baustelle herstellen. Schließlich erhöht die Verwendung von Metall anstelle von Glas als Verstärkungselement den Elastizitätsmodul der Rohre. Dieser Faktor ist sehr wichtig, namentlich wenn das Rohr dazu bestimmt ist, hohe Außendrücke aufzunehmen.

Die Zeichnung stellt sehr schematisch beispielsweise eine Ausführungsform und eine Variante des starren rohrförmigen Körpers nach der Erfindung sowie eine Möglichkeit der Durchführung seines Herstellungsverfahrens dar. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt, zum Teil freigelegt, dieser Ausführungsform;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Durchführungsmöglichkeit des Herstellungsverfahrens für diese Ausführungsform;

Fig. 3 einen Schnitt in größerem Maßstab längs der Linie III - III in Fig. 2;

Fig. 4 ein Erläuterungsdiagramm, und

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Fig. 5 einen dem in Fig. 1 dargestellten ähnlichen Längsschnitt durch eine Variante.

Die Wand 1 des in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Rohres 2 enthält fünf Bänder R₁, R₂, Ry R^ und R₅ derselben Breite aus Stahl hoher Festigkeit, die in koaxialen Schrauben gleicher Steigung aufgewickelt sind, wobei zwei benachbarte Schrauben bei diesem Beispiel jeweils um eine halbe Steigung gegeneinander versetzt sind. Es wird noch mehr im einzelnen zu erläutern sein, welches die die Mindestüberdeckungsbreite der benachbarten Windungen der parallelen Bänderschichten bestimmenden Gesetze sind. Diese Stahlbänder sind in eine Grundmasse 3 eines Polymer-Kunststoffs eingebettet, der sie von einander trennt. Die Struktur der Wand 2 des Rohrs 1 erinnert also im Längsschnitt an die einer Mauer aus mit Mörtel verbundenen Ziegelsteinen. Der Polymer-Kunststoff, der zur Herstellung dieses Rohrs verwendet wird, ist vorzugsweise ein wärmehärtbares Harz von guten Haftungswerten an Stahl, wie die Epoxidharze. Diese Epoxidharze können Bisphenol-A-Diglycidyläther, Bisphenol-Glycidyläther, ⁿNovolaque^fl-Harz-Glycidyläther, aliphatische Polyepoxide sein. Der Kondensationsgrad dieser Harze wird so gewählt, daß die Viskosität des Produkts den Arbeitsbedingungen angepaßt ist.

Die Härter können aromatische Polyamine, Polyamide, aliphatische Polyamine, Polysäuren, Polyanhydride, Mischungen dieser Produkte, das Dicyandiamid, primäre und sekundäre Amine und alle mit den Epoxidharzen verwendbaren Härter sein. Man kann saure oder basische Katalysatoren, mineralische oder organische Zusätze, Flexibilisierungsmittel zufügenj um die Haftung zwischen den Bändern und den Harzen zu verbessern und um bessere mechanische Eigenschaften für den rohrförmigen Körper zu erhalten. Man kann auch die Phe-

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nolformol-, Melaminformol-, Polyester- und andere ■wärmehärtbare Harze verwenden.

Thermoplastische Polymer-Produkte, wie Polyamide, Polycarbonate, nicht vernetzbare, Acryl-, Metacryl-Polyester lassen sich auch verwenden, wenn sie eine gute Haftung an Stahl ergeben.

Die in die Grundmasse 3 eingebetteten Stahlbänder können ferner aus Kohlenstoff-Stahl, gehärtetem Stahl, nichtrostendem Stahl, martensit-aushärtendem ("maraging") Stahl usw. bestehen.

Die Anzahl der in koaxialen Schrauben in die Wand gewickelten Stahlbänder hängt von der mechanischen Beanspruchung ab, der das Rohr unterzogen werden muß, von seinem Durchmesser, ebenso wie von der Breite, der Dicke und den mechanischen Eigenschaften der Bänder.

Das durch einfaches paralleles Aufwickeln von Bändern hergestellte Rohr weist eine Festigkeit in Längsrichtung auf, dieP^s. 1/2 mal die Festigkeit in ümfangsrichtung ist, was im wesentlichen der Spannungsverteilung in einem konventionellen, einem Innendruck unterworfenen Stahlrohr entspricht. Eine solche, nach zwei Richtungen erfolgende Verstärkung läßt sich mit Glasfasern nur unter Verwendung eines komplizierten Wickelsystems erzielen. Di· exakte Beziehung zwischen der Umfangsfestigkeit und der Längsfestigkeit hängt von den Abmessungen der Verstärkungsbänder ab, ebenso wie von ihrer Anordnung in der Rohrwand, wie dies noch im einzelnen zu untersuchen sein wird.

Vor der Behandlung der verschiedenen, die mechanische Fe- · stigkeit des Rohrs beeinflussenden Faktoren soll unter Be-.

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zugnahme auf die in Fig. 2 und 3 gegebenen Beispiele ein mögliches Herstellungsverfahren für den rohrförmigen Körper beschrieben werden.

In Fig. 2 ist ein Dorn 4 dargestellt, der sich in Richtung des Pfeils F dreht. Drei Bänder R„, R₀ und R-, werden nach-

einander schraubenförmig aufgewickelt, das erste Band R₁ direkt auf dem Dorn, das zweite R₂ auf dem ersten, jedoch eine halbe Steigung gegenüber den Windungen des Bandes R₁ versetzt, schließlich das dritte R, auf dem zweiten R₀,

seinerseits eine halbe Steigung gegenüber den Windungen des letzteren versetzt.

Jedes Band R₁, R₀, R^ weist im Schnitt die Struktur des in Fig. 3 dargestellten Querschnitts des Bandes auf. Diese Struktur setzt sich aus einer Stahlseele a und einer sie umkleidenden Hülle b aus Kunststoff zusammen.

Um diese Struktur zu erzeugen, kann man auf verschiedene Weise vorgehen. Beispielsweise kann man vorumhüllte Bandrollen R₁ bis R, zur Verwendung nach mehr oder weniger langer Lagerung herstellen. Die Umhüllung.:, solcher Bänder läßt sich mittels für Polymer-Kunststoffe konventioneller Extrusions- oder Überziehverfahren erzielen.

Zu diesem Zweck müßte man auf Substanzen mit mehr oder weniger komplizierter Formel, z.B. auf der Basis von Epoxidharz und eines Härters, zurückgreifen. Die Epoxidharze können Bisphenol-A-Diglycidyläther-, Bisphenol-Glycidyläther-, "Novolaque^M-Harz-Glycidyläther-Harze sein. Der Kondensationsgrad dieser Harze wird so gewählt, daß die Viskosität des Produkts den Verarbeitungsbedingungen angepaßt ist.

Die Härter können von. der Art des Dicyandiamide, Diphenyl-

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methandiamins, m-phenylen-diamins, Diaminodiphenylsulfons, der Polysäuren oder Polyanhydride, der aromatische Amine enthaltenden eutektischen Gemische sein. Auch Geraische dieser Produkte kommen in Betracht.

Die Zugabe verschiedener saurer oder basischer Katalysatoren kann eine schnellere Polymerisation gestatten.

Zusätze, wie Silizium,.Asbestfasernj Kalziumcarbonatfasern· usw., Flexibilisierungsmittel _t wie z.B. aliphatische Epoxidharze, Polyamid- oder Polyamin-Härter usw. können eine Verbesserung der Viskosität des Harzes zwecks Erleichterung der Verarbeitung, der mechanischen, chemischen Eigenschaften ebensowie des Wärmeverhaltens erlauben.

Das folgende Beispiel gestattet, eine Umhüllung der Stahlbänder zu erhalten, die eine Lebensdauer von etwa 30 Tagen, gerechnet von dem Zeitpunkt der Vorpolymerisation an, bei 5°C haben kann.

Die Mischung besteht aus 100 g eines Epoxidharzes von der Art des Bisphenol-A-Diglycidyläthers der Viskosität von 80 - 100 Poises bei 25⁰C₅. enthaltend 1 Grammäquivalent Epp* xid je 180 -.190 g Harz und 12,5 g Diamino-m-phenylen.

Das Herstellungsverfahren des eigentlichen Rohrs mittels der vorbeschichteten Bänder besteht dann im Abwickeln der Bänder von den Rollen, ihrer Erwärmung auf etwa 16O°C zum Erweichen des Harzes und im aufeinanderfolgenden Aufwickeln auf den Dorn 4, wie aus Fig. 2 ersichtlich, indem die Umlaufbewegung F des Dorns von einer Axialbewegung F^ begleitet wird, die mit seiner Winkelgeschwindigkeit to in Richtung des Pfeils F und der Steigung der Windungen des Bandes R synchronisiert ist. Wenn die Bänder konzentrisch schraubenförmig aufgewickelt sind, bildet das sie umhüllen-

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de, aufgeweichte Harz zwischen den Metairbändern eine homogene Masse, die der Wand des Rohrs die Struktur gibt, die an die einer gemörtelten Ziegelsteixnaauer erinnert, wie aus Fig, 1 ersichtlich. Man erhitzt dann das Rohr auf 100 bis 170° C 30 min bis 12 h lang_s um eine festgelegte Polymerisation des Harzes zu erhalten.

Man kann die Umhüllung der Stahlseele a der Bänder auch unmittelbar vor ihrem Aufrollen auf den Dorn vornehmen. Dieses Verfahren ist genauer in Fig. 2 dargestellt. In dieser Abbildung sind zwei Stahlbandrollen a₂ und a-, ersichtlich. Zwischen jeder dieser Rollen und dem Dorn laufen die Stahlbänder a₂ und a, in zwei Beschichtungsvorrichtungen 5 und 6, die sehr schematisch unter zwei Speisevorrichtungen 5' und 6» dargestellt sind.

Wenn die der gewünschten Wandstärke entsprechende Zahl von Bändern auf den Dorn gewickelt ist, muß der die Grundmasse (Fig. 1) des die Wand 2 des Rohrs 1 darstellenden, zusammengesetzten Materials bildende Kunststoff gehärtet werden.

Wenn der Polymerkunststoff wärmehärtbar ist, wird das Rohr in einem Ofen erhitzt oder bei Umgebungstemperatur gehärtet. Man könnte eventuell vor dem Aufwickeln des Bandes auf den Dorn dem Polymerkunststoff einen Katalysator und einen Beschleuniger beigeben, um die für das Härten der Grundmasse erforderliche Zeit maximal abzukürzen.

Wie bereits erwähnt, spielen die Abmessungen des benutzten Stahlbands ebenso wie die Anordnung der Bänder eine entscheidende Rolle für die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Rohres.

Die Umfangsfestigkeit O _ des Rohrs ist näherungsweise durch

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folgende Beziehung gegeben (der angenäherte Charakter beruht auf der Tatsache, daß in dieser Beziehimg der Aufwikkelwinkel des Bandes nicht berücksichtigt wird):

in der O^ die Zerreißfestigkeit der Grundiiasse_g O die Zerreißfestigkeit der Bänder, ¥_r der Volumenanteil der Bänder ist.

Die Längsfestigkeit des Rohrs ög ist näherungsweise durch die Beziehung gegeben:

<3£=^m (1 -f V₁.) ⁺/6_rV_r (2)

/ ist in dieser Formel ein Koeffizient, der von der Überdeckungsbreite der benachbarten Windungen der parallelen Schichten der Bänder abhängt und den Anteil der Bänder darstellt, die beim Bruch des Rohres zerbrechen.

Wenn man jetzt auf das Diagramm nach Fig. 4 Bezug nimmt, das die Beanspruchung (5 in der Breite des Bandes wiedergibt, wird ersichtlich, daß diese Beanspruchung die Zerreißfestigkeit des Bandes erreicht, sobald die Überdeckungsbreite

übersteigt. Diese Breite bestimmt die minimale Überdeckungsbreite zweier benachbarter Bänder, wenn man ein Rohr mit optimalen mechanischen Eigenschaften erhalten will. Die gewählte Überdeckungsbreite ist also mindestens gleich

^c , und sie tritt in allen Fällen auf bis in dem Teil

L-L des Diagramms, in demOm maximal ist. Geht man davon

aus, daß die Struktur des Rohrs so gewählt ist, daß für jede Windung beim Wickeln zwei Windungen ό©⁰·^{611 dem} Band benach-

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barten parallelen Schicht _s wie aus Fig_e 1 ersichtlich, überdeckt wird, so kann für die Breite L des Bandes jeder beliebige Wert gewählt werden, der größer als L ist. In-

folgedessen kann im Gegensatz zu denij, was aus Fig. 1 ersichtlich ist j, für ein Band j dessen Breite L mehrfach grosser als L_ ist* die Überdeckungsbreite L der benachbarten c ο

Bänder sehr viel kleiner sein als die halbe Wicklungssteigung. Zum Vergleich kann man angeben, daß bei einer Überdeckung von einer halben Steigung der Schraubenwicklung f = 0,5 ist, für eine Überdeckung von einer viertel Steigung 0,6£ f I^ 0,75 j für eine Überdeckung von einer zehntel Steigung 0,8< £ ^ 0,9o

Die Breite L wird kritische Breite genannt, und sie be-

stimmt die minimale Breit© ₉ ausgehend von der ein Bruch des Rohres sich nicht mehr durch, einfaches Zerreißen der Stahlbänder, sondern durch Bruch einer gewissen Anzahl derselben vollzieht, was die Verbesserung der erhaltenen mechanischen Eigenschaften bei einem Rohr erklärt, das eine solche Struktur aufweist_o

Die kritische Breite L ist eine Funktion voni>„, der Dicke

c r

e der Stahlbänder und der Scherfestigkeit 6 der Berührungsfläche Metall/Polymer-Kunststoff:

_T e

Diese Beziehung bestimmt also die Abmessungen der bei der Herstellung des zusammengesetzten Rohrs verwendeten Bänder

Die folgende Tabelle gibt einige Äbmessungsbeispiele für die Bänder wie auch 'der minimalen Überdeckungsbreiten„ die zur Erzielung bestimmter mechanischer Eigenschaften einzuhalten sind ο

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Metall	a b C d e	(kg/ ρ mm )	e (mm)	1 Poly mer Kunst stoff	T (kg/ mm	t hii 2 (mm)	L (mm)	^Lo (mm)	Stahl volu men in %	t, (kg/ mm )	*c (kg/ p mm )
1 kalt gewalz ter Stahl (0,65% C; 0,2 -0,36% Si; 0,4 -0.55% Mh)	a b C d e	90	0,1 0,1 0,2 0,1 0,1	Epo xy A* Il It Epo xy B** Il	1,5 1,5 1,5 1,0 1,0	3,0 3,0 6,0 ^. 4,5	16 40 32 22 55	4 4 8 5_t5 5,5	VJl VJI VJI VJl VJl O O O O O	35 42 35 35 42	46 46· 46 46 46
2 gehär teter Stahl (1% Cj 0,25% Si: 0,45% Mh)	215	0,1 0,1 0,2 0,1 0,1	Epo- It Epo xy B**	1,5 1,5 1,5 1,0 1,0	7,2 7,2 14,4 10,8 10,8	32 80 64 48 120	8 8 16 12 12	50 50 50 50 50	82 98 82 82 98	109 109 109 109 109

* Epoxy A: Dieses Bisphenyl-A-Diglycidyläther-Harz enthält einen Zusatz und ein aromatisches Diamin als Härter

** Epoxy B: mit Dicyandiamid gehärtetes Harz

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Durch Verwendung von Stahlbändern erhöhter Festigkeit, ZiB; aus einem martensitaushärtenden Stahl, lassen sich die Festigkeiten der zusammengesetzten Rohre erhöhen. Man könnte ebenfalls die Längsverstärkung des Rohrs vergrößern, indem man die Scherfestigkeit zwischen dem Stahl und der Grundmasse und den Volumenanteil der Stahlbänder erhöht.

Die Elastizitätsmoduln in den beiden Hauptrichtungen des Rohrs ergeben sich durch eine der Gleichung (1) ähnliche Beziehung, die für die Berechnung der Umfangsfestigkeit benutzt wurde, indem man darin die Zerreißfestigkeitend¹ und d durch die entsprechenden Elastizitätsmoduln E_ffi und E_r des Polymer-Kunststoffs und des Stahlbands ersetzt und so die folgende Beziehung erhält:

^Ec = ^Em <¹ - V ^{+ E}r ^Vr

Für Rohre, die mit Stahlbändern nach den Beispielen 2a und b der Tabelle und mit einem Volumenanteil von 50% Stahlbändern hergestellt sind, erhält man bei einem spezifischen Gewicht von 4,5 einen Modul von 10 χ 1Cr kg/mm . Für ein vergleichbares zusammengesetztes, aber mit Glasfasern verstärktes Material ist der Elastizitätsmodul nur 2,5 x 10³ kg/um².

Der Innendruck, den ein Rohr von gegebenem Durchmesser aufzunehmen vermag, hängt von der mechanischen Festigkeit des benutzten Verstärkungsmaterials und von seiner Wandstärke ab. Beispielsweise weist ein Rohr von 80 mm Durchmesser und 2 mm Wandstärke, das 5O?4 Stahlbänder (Beispiel 2a) enthält, eine Bruchfestigkeit mit Bodenwirkung (avec effet de fond) von 325 bars auf. Für den Bau von unterirdisch verlegten Leitungen ist es von Interesse, einen Stahl mit möglichst hoher mechanischer Festigkeit zu verwenden, um die einzubettende Stahlmenge zu vermindern und bei derselben Gelegenheit das

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spezifische Gewicht, den Preis usw.

Dasselbe Irgument gilt auch für Unterwasserleitungen. Jedoch wird in diesem Fall die Wandstärke des verwendeten Rohrs mehr durch die Außendruckfestigkeit (Zerdrückung) als durch die Innendruckfestigkeit bestimmt.

Die kritische Zerdrückungsfestigkeit wird durch die Beziehung gegeben:

^ux 4 (·

in der E der Elastizitätsmodul, r der Radius, t die Dicke des Rohrs,/t- die Poisson^fsche Zahl ist.

Ein Rohr von 76 cm Durchmesser, das die Eigenschaften des Beispiels 2a der obigen Tabelle aufweist und dessen EIastizitätsmodul E = 10 χ 10^ kg/mm ist, würde eine Wandstärke von 12 mm erfordern, um in leerem Zustand einen Druck aufzunehmen, wie er in einer Tiefe unter der Wasseroberfläche von 100 m auftritt.

Die Umfangsspannung^f, die in diesem Rohr durch einen Innendruck von 70 at erzeugt wird, ist durch die Beziehung gegeben:

.2

Wenn man diesen Wert mit dem der Umfangsfestigkeit desselben Rohrs vergleicht, sieht man, daß er davon nur etwa 20% darstellt.

Berücksichtigt man, daß der Elastizitätsmodul des Stahlbandes es ist, der die Zerdrückungsfestigkeit des Rohrs be- · stimmt, so wird es folglich ersichtlich, daß man auf Stähle von geringerer Festigkeit als der des Beispiels der obigen

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Tabelle für die Herstellung von für Unterwasser-Leitungen oder Unterwasser-Bohrlochleitungen bestiiamten Rohren, zurückgreifen kann.

Im Falle der Unterwasserverwendung bietet das erfindungsgemäße zusammengesetzte Rohr außerdem einen wichtigen Vorteil gegenüber dem klassischen Stahlrohr, da das die Grundmasse bildende Epoxidharz sehr viel korrosionsfester ist als der Stahl.

Ein zusätzlicher Vorteil der Rohre aus armiertem Polymer-Kunststoff gemäß der Erfindung ergibt sich aus der guten Wärmeisolation durch das Rohr sowohl der Kälte als auch der Wärme gegenüber. Diese Eigentümlichkeit stellt im Fall von in sehr kalten oder im Gegenteil sehr warmen Gebieten verlegten Leitungen einen wichtigen Faktor dar.

Im Hinblick auf die Fertigung durch Wickeln bietet dieses Rohr außerdem interessante Aspekte auf dem Gebiet der Fabrikation. Man kann tatsächlich die Fabrikation von längeren Rohrenden als bei konventionellen Stahlrohren in Betracht ziehen. Dieser Gesichtspunkt erlaubt infolgedessen eine Verminderung der Verlegungskosten für eine aus solchen Rohren bestehende Leitung. Außerdem kann das geringere spez&fische Gewicht der für gleiche Festigkeit wie die eines klassischen Stahlrohrs erhaltenen Rohre den Transport und die Handhabung erleichtern. Alle diese zu den rein mechanischen Vorteilen des armierten Polymer-Kunststoff-Rohrs nach der Erfindung hinzutretenden Vorteile führen zu einer spürbaren Kostensenkung für die Installation und die Unterhaltung einer mit solchen Rohren erstellten Leitung.

Das gemäß der Variante nach Fig. 5 verwirklichte Rohr unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch/ daß es durch das Aufwickeln eines einzigen Bandes 8 erhalten

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ist. Bei dieser Variante wird die Wand des Rohrs 7 durch Verwendung eines verhältnismäßig breiten Bandes von vorzugsweise größerer Breite als L_j, das. schraubenförmig auf sich selbst gewickelt ist, gebildet, wobei die Überdöckungsbreite L_Q dann mindestens gleich und vorzugsweise größer als L ist. Bei dieser Variante bedeckt jede Windung des Bandüs nur eine Windung jeder der parallelen, benachbarten Bandschichten. Infolgedessen weist jedes Band eine schwache Neigung ß gegenüber der Achse des Doms auf. Diese Neigung ist in Fig. 5 stark übertrieben dargestellt, da die Dicke der Bänder in Wirklichkeit höchstens nur einige zehntel mm beträgt.

Diese Variante erlaubt es, in der Wand des Rohrs eine Anzahl übereinanderliegender Schichten zu erhalten, die grosser als die Anzahl der benutzten Bänder ist. Bei dem in Fig, 5 dargestellten Beispiel ist demgemäß die Anzahl der in der Dicke .der Rohrwand übereinanderliegenden Schichten mindestens drei, während man sich nur eines einzigen Bandes bediente. Es ist natürlich möglich, bei einer anderen, nicht dargestellten Variante ein zweites Band auf das erste Band 8 aufzuwickeln und so fort, bis man die gewünschte Schichtenzahl· erreicht. Man hat dann die Struktur einer Ziegelsteinmauer, wie durch Fig, 1 erläutert, aber mit den am stärksten eingemauerten. Ziegeln um einen Winkel ß gegenüber der Rohrachse geneigt.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche"!

Starrer, rohrförmiger Körper aus armiertem Polymer-Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkende Armierung die Form einer Mehrzahl von parallelen Schichten in der Dicke der Wand (1) des Körpers (2) aufweist und von mindestens einem Metallband (R_-. ^) gebildet wird, das schraubenförmig um die Längsachse des Körpers gewickelt ist, wobei jede Windung des Bandes von den benachbarten Windungen durch die Grundmasse des Polymer-Kunststoffes getrennt ist, in den die Windungen eingebettet sind und die kleinste Breite der gegenseitigen Überlagerung der benachbarten Windungen der parallelen Schichten durch die Beziehung:

bestimmt ist, in der e die Dicke des Bandes, 6 _r seine Zerreißfestigkeit und X die Scherfestigkeit an der Berührungsfläche Metall/Polymer-Kunststoff ist.
2. Rohrförmiger Körper nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht der Armierung von der schraubenförmigen Aufwicklung eines Bandes (R,, ,-) gebildet wird, deren Windungen nebeneinander angeordnet und voneinander durch den Polymer-Kunststoff (3) getrennt sind, wobei jede der Aufwicklungen gegenüber der vorhergehenden um einen Bruchteil der Schraubensteigung versetzt ist, der mindestens gleich

-£> ist.
2
3. Rohrförmiger Körper nach Anspruch 1, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Armierung durch die Aufwicklung einer Schraube aus mindestens einem Metallband (R^ -) gebildet wird, deren Windungen gegenüber der Längsachse des Körpers geneigt sind und sich gegenseitig teilweise bedecken, so daß die Anzahl der in der Dicke der Wand des Körpers gebildeten, parallelen Schichten größer als die Anzahl der aufgewikkelten Bänder ist.
4. Rohrförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß. das Metallband (R._,-) aus Stahl besteht.
5. Rohrförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, -daß der Polymer-Kunststoff (3) ein Epoxidharz ist.
6. Rohrförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Polymer-Kunststoff (3) ein thermoplastischer Polyester ist.
7. Rohrförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennze ic h η e t , daß der Polymer-Kunststoff (3) ein vernetzbarer Polyester ist.
8. Rohrförmiger Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff (3) Polyvinylchlorid ist.

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