DE2354731B2

DE2354731B2 - Rohr aus Polytetrafluorethylen für hohe Beanspruchungen bei Temperaturwechsel und Vakuum

Info

Publication number: DE2354731B2
Application number: DE19732354731
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: PRODUITS CHIMIQUES UGINE KUHLMANN PARIS
Current assignee: PRODUITS CHIMIQUES UGINE KUHLMANN PARIS
Priority date: 1972-11-06
Filing date: 1973-11-02
Publication date: 1978-05-03
Also published as: IT997785B; DE2354731A1; GB1417305A; BE806115A; FR2205396A2; ES420109A1; FR2205396B2; DE2354731C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohr aus Polytetrafluoräthylen für hohe Beanspruchungen bei Temperaturwechsel und Vakuum, das eine in der Außenwandung angeordnete Verstärkungseinlage aus Streckmetall aufweist und mittels isostatischer bzw. hydrostatischer Pressung mit anschließender Sinterung ohne Druck hergestellt ist.

Bekanntlich erhält man Streckmetall durch Ausstanzen von Stahlblechtafeln und Auseinanderziehen der Durchbrüche, die dann eine Folge von rautenförmigen Maschen, die durch Metallstege getrennt sind, darstellen.

Beispielsweise bezeichnet die Angabe 16-20-10 ein Streckmetall mit der Maschengröße 16 mm, der Stegbreite ²⁰/₁₀ mm und der Blechdicke ¹V₁₀ mm. Die Streckrichtung ist die Richtung, in der die Ausdehnung zur Erzeugung der rautenförmigen Maschen stattgefunden hat. Ein Streckmetall ist ferner durch die Natur seines Metalls charakterisiert.

Das Streckmetall dient als Armierung und wird daher an der Außenseite der Rohre, die zum Transport korrodierender Produkte dienen, angeordnet.

Polytetrafluorethylen zeichnet sich aus durch eine hervorragende chemische Beständigkeit, auch gegenüber aggressivsten Stoffen, und durch eine von den gängigen anderen Kunststoffen nicht erreichte Wärmebeständigkeit.

Nachteilig ist bei den aus Polytetrafluorethylen hergestellten Gegenständen die geringe Standfestigkeit bei mechanischer Beanspruchung (kalter Fluß). Ferner bestehen bei der Verarbeitung besondere Probleme, die durch die mangelnde Löslichkeit und Thermoplastizität bedingt sind. Polytetrafluorethylen ist deshalb auch in dieser Hinsicht nicht mit anderen Kunststoffen vergleichbar, da die üblichen Verarbeitungsmethoden nicht oder nur stark abgeändert angewendet werden können. Zur Verbesserung der schlechten Standfestigkeit liegt es nahe, Verstärkungseinlagen zu verwenden. Dies bringt aber weitere Schwierigkeiten sowohl bei der Herstellung als auch beim Gebrauch mit sich, da der Wärmeausdehnungskoeffizient sehr hoch ist und von dem der bekannten Verstärkungsmaterialien stark abweicht. Dieser Koeffizient ist auch höher, und sein Temperaturgang hat einen ganz anderen Verlauf als bei anderen für die Herstellung von Rohren gebräuchlichen Kunststoffen. Bei der Herstellung von Rohren mittels isostatischer Pressung wird ein Pulver zwischen einer dünnen Form und einer verformbaren Gummiwandung komprimiert, indem diese Einheit in einem abgeschlossenen Raum unter hohen Druck gesetzt wird. Da der Druck auf beide Flächen ausgeübt wird, kann man dünnwandige Formen verwenden, ohne daß diese durch den hohen Druck (300 bis 350 bar) deformiert werden.

Bei einer Variante der hydrostatischen Pressung, wird das Pulver zwischen einer verformbaren Gummiwand und einer druckfesten Form komprimiert. Diese zweite Methode wird bei gewissen Varianten des Verfahrens angewendet.

Aus der DE-OS 2003689 ist ein isostatisch gepreßtes Rohr aus Polytetrafluorethylen mit einer Metalleinlage aus durchbrochenem Material, das unter anderem auch Streckmetall sein kann, bekannt. Eine besondere Richtungsanordnung sowie Dimensionen der Durchbrüche und Stärke sind jedoch nicht angegeben. Auch über die Verbindung der freien Kanten der Metalleinlage ist nichts ausgesagt. Dieses bekannte Rohr hat sich bei hohen Beanspruchungen bezüglich Temperaturwechsel und Vakuum nicht als ausreichend standfest erwiesen, da Deformationen und Risse entstanden. Diesen Nachteilen soll die Erfindung abhelfen.

Bei den Rohren gemäß DE-OS 2 003 689 war weder die besondere Vorteilhaftigkeit des Streckmetalls noch die entscheidende Bedeutung der Richtungsanordnung und Dimensionsauswahl erkannt worden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, korrosionsfeste so Rohre aus Polytetrafluorethylen zu schaffen, die infolge einer Verstärkungseinlage eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen und wiederholten starken Temperaturwechseln sowie Druck und Vakuum standhalten. Hierzu gehört die Überwindung der schlechten mechanischen Eigenschaften des Polytetrafluorethylene, die Beherrschung der durch den sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingten Erscheinungen, das Erreichen einer erhöhten Haftfestigkeit zwischen Rohrmasse und Verstärkungseinlage und das Auffinden eines einfachen und zuverlässigen Herstellungsverfahrens. Die Rohre sollen auch so geartet sein, daß mit einfachen Mitteln eine zuverlässige und dichte Rohrverbindung hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Streckmetalleinlage an ihren aufeinanderstoßenden Rändern verschweißt ist und im Rohr so angeordnet ist, daß die Streckrichtung (kleine Diagonale der Rauten) senkrecht zur Rohrachse gerichtet ist und die Maschen

des Streckmetalls bezüglich Länge, Stegbreite und Blechdicke dem Durchmesser und der Wandstärke des Rohres so angepaßt sind, daß die Streckmetalleinlage während der Sinterung eine Schrumpfung des Rohraußendurchmessers von 5 bis 10% gestattet.

Erfindungsgemäß verwendet man mit Vorteil für ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 118 mm und einer Wandstärke von 5 bis 5,2 mm eine Streckmetalleinlage mit einer Maschenlänge von 16 mm, der Stegbreite "¹Z₁₁₁ mm und der Blechdicke von "V₁₀ mm (Kennziffer 16-20-10) oder bei einem Außendurchmesser von 188 mm und einer Wandstärke von 7 mm eine Streckmetalleinlage mit der Maschenlänge 28 mm, der Stegbreite ²⁴/₁₀ mm und der Blechdicke ¹V₁₀ mm (Kennziffer 28-24-15).

Die Natur und Struktur des Streckmetalls spielt eine entscheidende Rolle für die Zwecke der Erfindung.

Die Erfindung gibt dem Fachmann eine Anweisung, mit der er beurteilen kann, welches Streckmetall für den jeweils vorliegenden Fall angebracht ist. Vorversuche mit Proberohren, die Zyklen mit Erwärmung und Abkühlung zwischen -200 und +250° C unterworfen werden, können leicht durchgeführt werden.

Für die Ziele der Erfindung wird für die Metalleinlage ein Streckmetall von ausgewählten Eigenschaften verwendet, das den thermisch bedingten Formveränderungen folgen kann. Perforierte Bleche oder Metallgitter haben bei starken thermischen Beanspruchungen keine Anpassungsfähigkeit an die Formveränderungen. Hingegen ist das Streckmetall mit seinen rautenförmigen Maschen zu Längenveränderungen in den zwei Dimensionen einer Ebene befähigt.

Im Verlaufe der Sinterung unterliegt ein nach dem isostatischen Verfahren geformtes Rohr einer Durchmesserschrumpfung zwischen 5 und 10%. Wenn das Streckmetall der Armierung zu starr ist, wirkt es dieser Schrumpfung entgegen und es entstehen innere Spannungen, die bis zur Rißbildung führen können. Man muß daher ein Streckmetall verwenden, bei dem das Verhältnis von Maschengröße zum Querschnitt der Stege so gewählt ist, daß die Maschen ausreichend deformierbar sind, um dem Polytetrafluoräthylen während seiner Schrumpfung folgen zu können. Dieses Verhältnis ist abhängig vom Durchmesser des Rohres und der Dicke des Polytetrafluoräthylens.

Ferner müssen die Maschen eine ausreichende Größe haben, damit das Polytetrafluoräthylen während der isostatischen Pressung bzw. Formung vollständig ins Innere der Maschen eindringen bzw. durchdringen kann und hierbei richtig komprimiert wird und sich fest an den Stegen verankert. Es wurde gefunden, daß bei einer Masche, die für die Schrumpfung während der Sinterung ausreichend geschmeidig bzw. nachgiebig ist, ein Rohr entsteht, das ohne Rißbildung wiederholte starke Temperaturwechsel erträgt. Solche Maschen folgen vollständig durch entsprechende Formänderung der jeweils eintretenden Ausdehnung und Zusammenziehung des Polymeren.

Das Streckmetall wird gemäß einer Achse, die senkrecht zur Streckrichtung gerichtet ist, zusammengerollt. Nach dem Zusammenrollen werden die einzelnen Maschen miteinander verschweißt. Dieses Metallrohr soll vollkommen zylindrisch sein, damit es sich vollkommen an die Wandung der Form anlegen kann. Wenn dies nicht der Fall ist, erhält man eine ungleichmäßige Dickenausbildung der zwischen der Einlage und der Rohrinnenwand befindlichen Polytetrafluoräthylenschicht, und es können während der Sinterung Spannungen und Deformationen am Rohr entstehen. Vor der Formung wird das Streckmetall auf 400° C erhitzt, um Spuren von Öl und anderen organischen Substanzen zu entfernen. Solche Stoffe können sich später zersetzen und während der Sinterung zu einer Verfärbung des Polytetrafluoräthylens führen.

Weitere Einzelheiten werden an Hand der Zeichnungen erläutert.

ίο Fig. 1 zeigt perspektivisch ein Maschenelement des Streckmetalls. Die Streckrichtung ist die des Pfeils F. Ein solches Element ist durch folgende drei Kennziffern charakterisiert:

1. Nennmaß L der Masche, ausgedrückt in mm, 2. Breite der Stege a, ausgedrückt in V₁₀ mm,
3. Dicke des ursprünglichen Blechs e, ausgedrückt in V₁₀ mm;

Fig. 2 zeigt eine Tafel des Streckmetalls während des Zusammenrollens. Die Streckrichtung verläuft senkrecht zur Achse X-X des herzustellenden Rohres. Dieses Merkmal gestattet es auch, im Endstadium der Bearbeitung Flansche und dergleichen sachgemäß und ohne Schwierigkeiten auszubilden;.

Fig. 3 zeigt schematisch und im Längsschnitt eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohres mittels isostatischer Pressung und Formung;

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus der Vorrichtung der Fig. 3 bei der Füllung mit Polytetrafluoräthylenpulver;

F i g. 5 zeigt den Ausschnitt der F i g. 4 bei der Komprimierung mittels des hydraulischen Drucks P;

Fig. 6 ist der Längsschnitt einer Vorrichtung zur isostatischen Formung eines Rohres mit einem kegelstumpf förmigen Zwischenstück;

J5 Fig. 7 zeigt das gemäß Fig. 6 hergestellte Rohr mit seinen Verbindungsteilen.

Bezugnehmend auf die Fig. 3 bis 5 wird ein Rohr mittels isostatischer Formung folgendermaßen hergestellt:

In dem formgebenden Rohr 1 aus rostfreiem Stahl oder Aluminium wird zunächst das Streckmetallrohr 2 angeordnet. Dann wird konzentrisch zum äußeren Rohr die auf einer durchlöcherten Hohlstange 4 befindliche schlauchförmige Gummimembran 3 eingebracht. Ein unteres Endstück 5 sichert zugleich die Konzentrizität und die Abdichtung des Innenteils der Form.

Die so zusammengesetzte Einheit umfaßt also das Außenrohr, welches die Form darstellt, die Armierung, einen ringförmigen Hohlraum zur Aufnahme des Kunststoffpulvers und die deformierbare Wandung, welche die Rolle eines druckausübenden Elements spielt.

Bei vertikaler Stellung dieser Einheit wird inden Ringraum Polytetrafluoräthylenpulver 7 eingefüllt. Zur einwandfreien Formung muß dieses Pulver folgende Eigenschaften aufweisen:
1. Es muß gut fließbar sein, um eine möglichst homogene Füllung zu gewährleisten.
2. Es muß eine hohe scheinbare Dichte aufweisen, um eine zu weitgehende Verformung des Gummischlauches zu vermeiden.
Die Dicke des fertiggestellten Rohres kann in Abhängigkeit von dieser scheinbaren Dichte reguliert h5 werden, indem man den Ringraum zwischen dem formgebenden Rohr und dem Gummischlauch verändert.

Die Füllung kann durch Vibration oder Erschütte-

rung erleichtert werden, ζ. B. mittels einer pneumatischen Meißelvorrichtung, deren Werkzeug durch einen Kopf aus Polytetrafluorethylen oder einen anderen Kunststoff ersetzt ist.

Nach der Füllung wird das obere Endstück 5 aufgesetzt, um die Form hermetisch zu verschließen. Dieses Endstück hat einen durch ein Ventil verschließbaren Kanal zur Evakuierung des mit Pulver gefüllten Ringraums. Durch die Evakuierung wird vermieden, daß zwischen und in den Körnern des Kunststoffs befindliche Luft während des Komprimierens Fehler verursachen kann.

Die eigentliche isostatische Formung besteht darin, daß die oben beschriebene Einheit in ein Druckgefäß 6 eingetaucht wird. Der Druck P wird durch mittels einer mechanischen Pumpe komprimiertes Wasser ausgeübt. Man wendet einen Druck von 250 bis 350 bar an, der progressiv in z. B. 5 Minuten aufgedrückt und während einiger Minuten aufrechterhalten wird. Dann wird der Druck ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen aufgehoben.

Nach Öffnung des isostatischen Druckgefäßes werden die Endstücke 5 abgenommen, der Hohlstab 4 mit dem Gummischlauch 3 herausgenommen und sodann das geformte und gepreßte Rohr herausgezogen.

Das noch nicht gesinterte Rohr wird in horizontaler Lage für 2 Stunden in einen belüfteten und auf 380° C eingestellten Heizschrank gebracht und dann warm herausgenommen. Dann wird ein Stahlrohr, das einen etwas größeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Polytetrafluoräthylenrohrs hat, schnell in der Wärme in das gesinterte Rohr, das noch im Gelzustand ist, hineingeschoben, worauf man in der umgebenden Luft abkühlen läßt.

Nach Abgleichung der Ränder werden Flansche oder sonstige Verbindungsteile herausgearbeitet, indem in der Wärme progressiv aufgeweitet wird, z. B. mittels eines konischen Werkzeugs oder mit einer Rändelmaschine. Zur Rohrverbindu ig sind Bügel, Flanschplatten oder dergleichen vorgesehen.

Jedes Rohr wird sogleich geprüft, indem es unter Druckluft von 2 bar in Wasser gebracht wird. Auf diese Weise wird die Dichtheit des fertigen Rohres geprüft.

Man kann auch gefärbte Rohre herstellen, indem vor der Sinterung eine Dispersion von pigmentiertem Polytetrafluoräthylen auf die Außenfläche des Rohrs aufgesprüht wird.

Fig. 6 zeigt die Herstellung eines Rohrs mit einem kegelstumpfförmigen Zwischenstück. Hierzu wird das zylindrische Formungsrohr der Fig. 3 bis 5 durch das mit einem kegelstumpfförmigen Zwischenstück versehene Formungsrohr 10 ersetzt. Die Armierung 12 ist entsprechend gestaltet, ebenso wie der Hohlstab 14 und der Gummischlauch 13. Zum Verschluß sind die Endstücke 15 vorgesehen.

Das mit dieser Vorrichtung hergestellte Rohr ist in Fig. 7 dargestellt. Es hat zwei zylindrische Teile 18 und 19 und ein kegelstumpfförmiges Teil 20. An den Enden befinden sich die Flansche 21 und 22 und die Verbindungsscheiben 23 und 24. Dieses Rohr kann zur Verbindung von zwei Rohren verschiedenen Durchmessers dienen.

Rohre und Rohrleitungselemente gemäß der Erfindung können in allen industriellen Apparaturen und Anlagen verwendet werden, die unter Vakuum arbeiten, und in solchen, die für korrodierende Flüssigkeiten vorgesehen sind, und zwar bei Temperaturen von -200 bis +250" C.
Zur weiteren Erläuterung folgen Beispiele.

Beispiel 1 (Vergleich)

In eine isostatische Form mit einem Durchmesse: von 125 mm und einer Gesamtlänge von 1,9 m wurdf eine Armierung aus gerolltem Streckmaterial mit der Kennziffern 10-20-10 eingelegt. Der gelochte und mii einem elastischen Gummischlauch überzogene Hohl-

ίο stab aus Aluminium hatte einen Außendurchmessei von 103 mm. Nach Anordnung dieses Hohlstabes ir der Formachse wurde die Form mit Polytetrafluoräthylen von ausgezeichneter Fließbarkeit und dei scheinbaren Dichte von 0,8 bis 0,9 g/cm³ gefüllt. Die Formung erfolgte gemäß der oben beschriebener Technik.

Man erhielt ein Rohr mit dem Außendurchmessei von 124 mm (Schrumpfung 0,8%) und einer Wandstärke zwischen 5 und 5,2 mm. Das Rohräußere hatts mattweißes Aussehen, was anzeigt, daß das Pulver irr Inneren der Maschen schlecht komprimiert war.

Nach Ausarbeitung der Flansche war das Rohi vollkommen dicht unter einem Druck von 2 bar unc dann 10 bar. Das Rohr widerstand einem Vakuurr von 10 Torr bei 50° C. Hingegen zeigten sich nad vier thermischen Zyklen von +30°, +200°, +30° von denen jeder 6 Stunden dauerte, Längsrisse. Da: Rohr war also für Verwendungen unter solcher schweren Bedingungen unbrauchbar.

Beispiel 2

Unter genau gleichen Arbeitsbedingungen wie ir Beispiel 1 wurde ein Rohr mit einem Streckmetall r.ii den Kennziffern 16-20-10, d. h. mit sehr viel größerer

j5 Maschen, bei gleichem Stegquerschnitt hergestellt.

Man erhielt ein Rohr mit 118 mm Außendurch

messer, was anzeigt, daß während der Sinterung ein< normale Schrumpfung (5,6%) eingetreten war. Di< Wandstärke betrug wie im Beispiel 1 5 bis 5,2 mm Das äußerte Aussehen des Rohrs zeigte, daß da: Polytetrafluoräthylen im Inneren der Maschen voll kommen komprimiert war. Das Rohr war unter einen Vakuum von 2 und 10 bar dicht und widerstand einen Vakuum von 10 Torr bei 50° C.

Nach einer Reihe von thermischen Zyklen vor + 30 °, + 200 °, + 30 °, die jeweils 6 Stunden dauerter und während sieben Tagen durchgeführt wurder (28 Zyklen), zeigte das Rohr keinerlei Risse, wa: durch Dichtheitsprüfungen festgestellt wurde.

Beispiel 3

In einer Form mit einem Innendurchmesser vor

200 mm und einem Gummieinsatz mit einem Außen durchmesser von 169 mm wurde eine Armierung au:

Streckmetall mit den Kennziffern 28-24-15 verwen det.

Das fertige Rohr hatte eine Wandstärke von 7 mrr und einen Außendurchmesser von 188 mn (Schrumpfung 6%). Dieses Rohr überstand fehlerfre bo die im Beispiel 2 angegebenen Prüfungen.

Beispiel 4

In eine Form, bei der zwei koaxiale Zylinder ver schiedenen Durchmessers mit einem ebenfalls ko _b5 axialen konischen Rohr verbunden sind (vgl. Fig. ( und 7), wurde eine Armierung aus Streckmetall mi den Kennziffern 16-20-10 so eingelegt, daß sie sat an der Innenwandung der Form anlag. Dann wurde

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ein Lochstab mit einem Gummimantel von entspre- beitsschritte ausgeführt. Man erhielt ein Rohrstück,

eilender Gestalt eingesetzt. Zum unteren Abschluß dessen großer Außendurchmesser 1 18 mm und dessen |

der Form wurde ein Bodenstück 15 angebracht. Die kleiner Durchmesser 75 mm betrug. Dieses Rohrstück

Innendurchmesser der Form waren 125 und 80 mm. überstand fehlerfrei die im Beispiel 2 angegebenen |

Nach Füllung der Form wurden die genannten Ar- ϊ Prüfungen. κ

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

] Rohr aus Pollytetrafluoräthylen für hohe Beanspruchungen bei Temperaturwechsel und Vakuum, das eine in der Außenwandung angeordnete Verstärkungseinlage aus Streckmetall aufweist und mittehi isostatischer bzw. hydrostatischer Pressung mit anschließender Sinterung ohne Druck hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckmetalleinlage an ihren aufeinanderstoßenden Rändern verschweißt ist und im Rohr so angeordnet ist, daß die Streckrichtung (kleine Diagonale der Rauten) senkrecht zur Rohrachse gerichtet ist und die Maschen des Streckmetalls bezüglich Länge, Stegbreite und Blechdicke dem Durchmesser und der Wandstärke des Rohrs so angepaßt sind, daß die Streckmetalleinlage während der Sinterung eine Schrumpfung des Rohraußendurchmessers von 5 bis 10% gestatten.
2. Rohr nach Anspruch 1 mit einem Außendurchmesser von 118 mm und einer Wandstärke von 5 bis 5,2 mim, gekennzeichnet durch eine Streckmetalleinlage mit der Maschenlänge 16 mm, der Stegbreite ²¹V₁₀ mm und der Blechdicke von "V₁₀ mm (Kennziffer 16-20-10).
3. Rohr nach Anspruch 1 mit einem Außendurchmesser von 188 mm und einer Wandstärke von 7 mm, gekennzeichnet durch eine Streckmetalleinlage mit der Maschenlänge 28 mm, der Stegbreite ²V₁₀ mm und der Blechdicke ¹V₁₀ mm (Kennziffer 28-24-15).