DE2842531C2 - Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten KunststoffrohresInfo
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres, bei dem die
Verstärkungsfasern unter Vorpsinnung stehen.
Es ist eine bekannte Tatsache, daß es keine Faseranordnung für Druckrohre gibt, die es erlauben würde, hohe
Spannungen Oj parallel zu den Fasern zu erreichen, ohne daß gleichzeitig erhebliche Spannungen O5. (Querspannungen)
auftreten. Während die Festigkeit parallel zu den Fasern etwa 850 N/mm2 beträgt, erreicht man für die
Querzugfestigkeit bestenfalls 70 N/mm2. Das hat zur Folge, daß man bei Belastungen, die noch nicht zu Of-Brüchen
(Faserbr. :hen) führen, bereits Rißbildung infolge der σ± -Spannungen zu verzeichnen hat Diesen Schwierigkeiten
läßt sich im Prinzip durch gezielten Einbau von Eigenspannungen in das Rohr entgegentreten. So sind
z.B. aus der DE-OS 1729 051 ( = US-PS 29 84 870 und US-PS 2999272) und der FR-PS 13 12 754 (=US-PS
32 02 560 oder DE-AS 15 04 /56) ^reits vorgespannte GFK-Rohre bekannt Gemäß der DE-OS 17 29 051 wird
zunächst eine harzgetränkte, glasfaserverstärkte Matte zu einem Rohrformling aufgerollt, wobei die Glasfasern
in der Matte derart verlaufen, daß sie im Rohrformiing eine ±45" -Anordnung ergeben. Der Rohrformling wird
nun an seinen Enden eingespannt und während des Aushärtens axial auf Zug belastet Gleichzeitig wird im
Inneren des Formlings ein hydraulischer oder pneumatischer Druck appliziert Durch diese Zug- bzw. Druckbelastung
des Rohrformlings während des Aushärtens erhält das Rohr einen Eigenspannurigszusvand. Gemäß der
FR-PS 13 12 754 wird ein GFK-Rohr durch Bewickeln eines Domes mit harzgetränkten Glasfasersträngen in
mehrlagiger 0°/90"-Faseranordnung hergestellt Die Faserstränge werden dabei während des Wickeins und
auch während des Aushärtens unter Spannung gehaken, so daß das fertig ausgehärtete Rohr ebenfalls einen
Eigenspannungszustand aufweist.
Die aus den genannten Literaturstellen bekannten GFK-Rohre haben sich in der Praxis nie durchsetzen
können. Ein Hauptgrund dafür liegt vor allem in den komplizierten Herstellungsverfahren dieser Rohre, welche
einen sehr großen apparativen Aufwand benötigen. Ein weiterer Grund dafür ist in einem weitverbreiteten
Vorurteil gegen vorgespannte GFK-Werkstoffe zu suchen, wonach befürchtet wurde, daß wegen des viskoelastischen
Verhaltens von Kunststoffen eingebaute Eigenspannungszustände schnell relaxieren und deshalb nicht
sehr lange aufrechterhalten werden können. Erst im Rahmen der Vorarbeiten zur vorliegenden Erfindung wurde
völlig überraschend gefunden, daß die Relaxationszeiten von solchen G FK-Werkstoff en entgegen allen Vorurteilen
um Größenordnungen länger als bisher angenommen sind. Dies findet seine Erklärung darin, daß, wenn
erst einmal der erstrebte Betriebszustand aL =0 erreicht ist ^ich dieser Zustand durch Kriechen oder Relaxation
auch nicht mehr ändern kann, denn bei verschwindender Querzugspannung hört jedes Kriechen und jede
Relaxation auf, weil die noch verbleibenden faserparallelen Spannungen nicht relaxieren. Für die Praxis bedeutet
dies, daß dafür Sorge zu tragen ist, daß von der dem Rohr bei der Herstellung erteilten Vorspannung zwischen
der Herstellung und der Inbetriebnahme des Rohres ein ausreichender Rest übrig bleibt, was bei den unerwartet
hohen Relaxationszeiten jedoch keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Außerdem kann aber auch "vorgehalten"
werden, indem die Vorspannung bei der Herstellung um die geschätzte relaxationsbedingte Abnahme oder
eventuell auch um einen etwas darüber hinausgehenden Betrag überhöht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Herstellungsverfahren für vorgespannte
GFK-Rohre anzugeben, welches einerseits nur einen relativ bescheidenen operativen Aufwand benötigt und "
rationell ist und anderseits zu qualitativ hochstehenden vorgespannten GFK-Rohren führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine erste Rohrschieht mit einer
Glasfaserwicklung aus angenähert in Umfangsrichtung orientierten Fasern erzeugt wird, daß diese erste Rohrschieht
im ausgehärteten Zustand durch eine äußere Kraft axial auf Druck belastet wird, daß auf die belastete
innere Rohrschieht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung
orientierten Fasern aufgebracht und ausgehärtet wird und daß die äußere Kraft nach dem Aushärten der
I zweiten Rohrschicht entfernt wird Vorzugsweise wird dabei die erste Rohrschicht während des Aufbringens
ft und Aushärtens der zweiten Rohrschicht von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt Die axiale Belastung
"ff und der Druck des Druckmediums werden ungefähr so bemessen, daß das Rohr eine Eigenspannung erfährt, die
I- die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, senkrecht zu den Glasfasern gerichteten Querzugspannungen
•'"'s zumindest teilweise kompensiert, und daß die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, parallel zu den
: j Fasern gerichteten Längszugspannungen in beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.
' Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Die beiden Figuren zeigen schema-
:ϊ tisch die zwei wichtigsten Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
ί Als erstes wird zunächst die Rohrschicht mit den in Umfangsrichtung orientierten Glasfasern hergestellt Dies
h erfolgt, wie in Rg. 1 schematisch angedeutet, in konventioneller Art durch Aufwickeln eines mit Harz getränk-
r, ten Glasfaserstrangs 1 auf einen hohlen Dorn 2. Der Dorn ist drehbar angetrieben und enthält in seinem Inneren
if einen Infrarot-Heizstab 3 zum Aushärten des Rohrwickels. An seinen Enden trägt der Dorn zwei Flanschen 4 zur
S. Erzielung sauberer Rohrenden. Der Glasfaserstrang 1 setzt sich aus einer Vielzahl von Fasern 5 zusammen, die
i; von Vorratsspulen 6 durch ein Harztränkbad 7 zu einem Wickelauge 8 zusammenlaufen. Das Wickelauge
|; vollführt in bekannter Weise eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den beiden Flanschen 4, so daß ein
(ä mehrlagiger Wickel entsteht, in dem die Orientierungen der Glasfasern in a ufeinanderfolgenden Lagen symme-
;? trisch zur Rohrachse sind.
j; Nach dem Aushärten dieser so erzeugten, mit A bezeichneten erstert Rohrschicht wird diese auf einen
1 anderen, an seinem Umfang mit Stützrippen 11 versehenen, in ebenfalls nicht gezeigter Weise drehbar angetrie-
ψ benen Wickeldorn 12 aufgebracht und zwischen zwei Flanschen 13 und 14 eingespannt Der Flansch 13 isi axial
k feststehend und mit einer Einlaß- bzw. Anschlußöffnung 15 für ein Druckmedium versehe' welche in den
P Zwischenraum 16 zwischen der Dommantelfläche und der Innenwand der Rohrschicht A mündet. Die Stützrip-
R pen 11 weisen Kommunikationsöffnungen auf, so daß das Druckmedium den gesamten Zwischenraum 16
% ausfüllen kann.
[v Der Flansch 14 ist mittels eines Hydraulik-Zylinders 17 axial verstellbar. Vor der Herstellung der zweiten
% Rohrschicht wird nun die erste Rohrschicht A mittels des Hydraulik-Zylinders 17 und des Flansches 14 axial auf
Π Druck belastet und gleichzeitig durch Unterdrucksetzen des im Zwischenraum 16 befindlichen Druckmediums in
Sj Umfangsrichtung etwas gedehnt Auf die derart unter Spannung gehaltene Rohrschicht werden nun in konven-
§ tioneller Weise von Hand oder mittels geeigneter bekannter Vorrichtungen mehrere Lagen von angenähert
I axial orientierten harzgetränkten Glasfasern aufgebracht und mittels eines Infrarotstrahlers 1& ausgehärtet
J Auch hier sind die Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse orientiert. Dieser so gebildete
' 1 mehrlagige axiale Glasfaserwickel bildet die zweite, mit Bbezeichnete Schicht des Kunststoffrohres.
Wenn die zweite Rohrschicht ausreichend ausgehärtet ist, wird die axiale Bleastung und der Innendruck im
Rohr entfernt Die der inneren Rohrschicht durch diese axiale Belastung bzw. den Innendruck ursprünglich
mitgeteilte Spannung bleibt zum Teil als Eigenspannungszustand im Rohr erhalten.
Zum Aufbau des Rohres wird ein nicht flexibilisiertes Laminierharz mit einem Ε-Modul zwischen
3000—4000 N/mm2 verwendet Der Glasvolumenanteii beträgt vorzugsweise etwa 60%. Es wird zweckmäßigerweise
Ε-Glas mit einem Ε-Modul von etwa 73 000 N/mm2 verwendet
Bei geeigneter Dimensionierung des in das GFK-Rohr erfindungsgemäß eingebauten Eigenspannungszus;andes
lassen sich die bei Betriebsbelastung des Rohres auftretenden Querziigspannungen praktisch vollständig
kompensieren. Dies erlaubt dann die Dimensionierung des Rohres so, als ob es sich nicht um einen mehrachsigen,
sondern lediglich um einen einachsigen Spannungszustand handelte. In der Praxis führt dies zu einer drastischen
Reduktion der für die gegebene Nennbelastung notwendigen Wandstärke des Rohres und den damit zusammenhängenden
Vorteilen. Beispielsweise ist für eine Erdgasleitung mit einem lichten Durchmesser von 60(y mm, die
für einen Betriebsnenndruck von 64 bar ausgelegt ist, nunnehr eine Gesamt Wandstärke von rund 55 mm gegenüber
50 mm (DIN 19 694) bei konventionellen Rohren erforderlich.
Die Daten für die Herstellung des eben erwähnten Rohres sind:
Wandstärke der inneren Rohrschicht: 13 mm
Wandstärke der äußeren Rohrschicht: 2 mm
Die Daten für die Herstellung des eben erwähnten Rohres sind:
Wandstärke der inneren Rohrschicht: 13 mm
Wandstärke der äußeren Rohrschicht: 2 mm
Harz: nicht flexibiüsiert, E-Modul 3500 N/mm2 so
Glasfasern: Ε-Glas ß-Modul 73 000 N/mm2
Glasvolumenanteii: 60%
Glasvolumenanteii: 60%
Axiale Belastung während der Herstellung der zweiten Schicht: 40 N/mm2
Hydrostatischer Druck des Druckmediums: ~80 bar
Hydrostatischer Druck des Druckmediums: ~80 bar
Wickelorientierung zur Rohrachse: ±85° bzw. ±5°
Bei einem derart dimensionierten Rohr werden die Querzugspannungen bei Nennbelastung (64 bar) pj aktisch
vollständig kompensiert.
In der Praxis ist es vorteilhaft, die in das Rohr eingebaute Eigenspannung etwas größer zu wählen, als für die
Kompensation der Querzugspannung an sich nötig wäre. Dadurch könner. auch über die Nennbelastung des
Rohres hinausgehende Belastungsspitzen ohne Schaden überstanden werden, und andererseits kann dadurch die
an sich zwar geringe relaxationsbedingte Abnahme der Eigenspannung bei allfälligen längeren Lagerungszeiten
zwischen Herstellung und Einsatz des Rohres mitberücksichtigt bzw. wettgeisiacht werden.
Die genaue Bestimmung der Rohrabmessusngen und der einzubauenden Eigenspannungen bzw. die dazu
notwendigen axialen Belastungen und Mediumdrücke während der Herstellung erfolgt für den Sonderfall der
Pipeline, bei der keine Axialdehnung auftritt, anhand der nachstehenden Formeln.
Ausgehend vom gegebenen Betriebsdruck und Nemidurchmesser sowie von einer gewählten Rohrstruktur
(Harz, Glas, Glasanteil, Wickelwinkel etc.), die das elastische Verhalten des Rohres bestimmt (Ε-Moduln, Querkontraktionszahlen),
umi von den drei grundlegenden Forderungen, daß
a) die im Betrieb auftretenden axial gerichteten Querzugspannungen in der Rohrschicht A,
b) die Querzugspannungen in Umfangsrichtung in der Rohrschicht B kompensiert bzw. sogar überkompensiert werden, und
c) die zu den Glasfasern parallel gerichteten Spannungen in beiden Rohrschichten möglichst gleich groß
seinsollen,
erhält man nach den bekannten Regeln der Kontinuumstheorie (Dissertation A. Puck aus der Fakultät für
Maschinenwesen an der Technischen Universität Berlin, D 83, vom 6. Juli 1966) folgende Formeln für das
Verhältnis t\ der Wanddicke fi der Rohrschicht A zur Gesamtwanddicke f:
mit Z = £,., - (2/+ vrx2) · Ev2
Indices χ und y.
Achsenrichtung bzw. Umfangsrichtung.
Indices v, E und B:
Zustände während des Anliegens der äußeren Belastung bei der Rohrherstellung,
Zustände nach Entfernen dieser äußeren Belastung und die durch die Betriebsbelastung hervorgerufenen Spannungen.
r,\:
Innenradius der Rohrschicht A.
σ, ι zu ι: zulässige Umfangsspannung dieser Schicht (-140 N/mm2).
Λ Faktor, um welchen die einzubauende Eigenspannung den für die Kompensation der
Eyi, £y2'-
Ε-Moduln in ^-Richtung.
Vyx ι. Vjx -2. vXy ι, v,yi-: Querkontraktionszahlen, wobei der erste Index die Richtung der Kontraktion und der
zweite Index die Richtung der verursachenden Spannung angibt
o:
Spannung.
Δα:
Spannungsänderung beim Übergang vom Zustand ν in den Zustand E
CxE, £yC-
dazugehörige Dehnungen.
Mit den Formeln I und II sind die Wandstärken der beiden Rohrschichten A und B festgelegt Die Berechnung
der für die Erzeugung der gewünschten Eigenspannungen notwendigen äußeren Belastung (axiale Vorspannkraft Fx ι v, hydrostatischer Druck /Vdes Druckmediums) erfolgt aus den nachstehenden Formeln III und IV:
Fxir = 2π- ^1 +ττΓ'ι ·°χΐ'
45
-M
so darin sind:
?*ir = ox\e - Δαχ\; arir= σνΐ£ - Ασ,ι
_ Exl
.Vi
Δσ^ - -.
■ εχΕ+ —Ζ
· νιΛ,
Erl
εχΕ + =
1V
εχε = -j— oxlE- -f-- atlE
Ί ' σι//υ1
£„, ·/', +£ν2(1 -S1)
I -Ζ',
"ν\Κ '
σ, 11:
Bei anderer Installation der Rohre, bei der die Axialdehnung — anders als bei Pipelines — nicht verhindert ist.
müssen die Schichtdicken und die Vorspannbelastungen mit der Elastizitätstheorie der Mehrschichtenverbunde
berechnet werden. Diese beinhaltet Gleichgewichtsbedingungen, geometrische Bedingungen und die Elastizitätsgesetze
der beiden Schichten. Näheres dazu findet sich in der bereits genannten Dissertation des Erfinders.
Für die Orientierung der Glasfasern in den beiden Rohrschichten A und B haben sich zur Rohrachse gemessene
Winkel von 80—88° bzw. 2—10°, vorzugsweise etwa 85° bzw. 5° als zweckmäßig erwiesen. Die angegebenen
Wickclwinkel sind lediglich beispielsweise. Selbstverständlich könnten die Wickelwinkel in besonderen Fällen
auch stärker vom Idealfall, d. h. 0° bzw. 90°, abweichen. Wesentlich ist lediglich, daß eine Schicht mit hauptsächlich
in Längsrichtung und eine Schicht mit hauptsächlich in Umfangsrichtung orientierten Fasern vorhanden ist.
Von besonderem Vorteil zur Vermeidung von Rißbildungen ist es, wenn jede Rohrschicht mehrlagig gewikkelt
ist, wobei die Orientierung der Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse ist, also
beispielsweise +5° und -5° bzw. +85° und -85° (Rißstoppereffekt). Die Dicke er einzelnen Lagen kann etwa
0,5 bis 1,0 mm betragen.
Es versteht sich, daß es für geringere Anforderungen auch ohne weiteres möglich ist, nicht die Erfüllung aller
drei weiter vorn genannten Forderungen anzustreben, was dem Idealfall entspricht, sondern sich auf die
Forderungen a) und b) oder allenfalls sogar auf a) allein zu beschränken. Bereits die Kompensation der in der
Schicht A auftretenden Querzugspannung allein stellt schon einen erheblichen Vorteil dar.
*ii übrigen ist es, wenngleich aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, so doch keinesfalls nötig, daß
sich die Rohrschicht mit den axial orientierten Fasern auf der Rohrschicht mit den Umgangsfasern befindet.
Diese Rohrschicht könnte sich beispielsweise auch innen an die Schicht mit den Umgangsfasern anschließen
oder es könnten beispielsweise auch zwei Schichten mit axialen Fasern vorhanden sein, wobei die eine zuinnerst
und die andere zuäußerst angeordnet wäre.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunsststoffrohres, bei dem die Verstärkungsfasern
unter Vorspannung stehen, dadurch gekennzeichnet daß zunächst eine erste Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung
aus angenähert in Unuangsrichtong orientierten Fasern erzeugt wird, daß diese erste Rohrschicht
im ausgehärteten Zustand durch eine äußere Kraft axial auf Druck belastet wird, daß auf die
belastete erste Rohrschicht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung
orientierten Fasernaufgebracht und ausgehärtet wird und daß die äußere Kraft nach dem Aushärten
der zweiten Rohrschicht entfernt wird.
ίο
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rohrschieht während des Aufbringens
und Aushärtens der zweiten Rohrschieht von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung und gegebenenfalls
der Druck des Druckmediums ungefähr so bemessen werden, daß dem Rohr eine Eigenspannung eingeprägt
wird, die die durch die Nennbelastung des Rohres hervorgerufen, senkrecht zu den Glasfasern
gerichteten Querzugspannungen zumindest teilweise, vorzugsweise zu mehr als 100% kompensiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenspannung so bemessen wird, daß die
bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, parallel zu den Fasern gerichteten Längszugspannungen in
beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrschieht aus wenigstens
zwei Lagen besteht, in denen die Glasfasern spiegelbildlich zur Rohrachse orientiert sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht flexibilisiertes Laminilharz
mit einem Elastizitätsmodul von etwa 3000 bis 4000 N/mm2 verwendet wird.
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