-
Innen- oder außendruckbelasteter
-
Gelenkkompensator Die Erfindung betrifft einen innen- oder außendruckbelasteten,
in einer Ebene oder allseits beweglichen Gelenkkompensator für rohrförmige Durchtritte,
beispielsweise Rohrleitungen, wobei der Kompensator auf beiden Seiten endständig
rohrförmige Anschlußflanschen aufweist, die durch innerhalb oder außerhalb des Kompensators
angeordnete Mittel gelenkig, ggf. kardanisch miteinander verbunden sind, und wobei
zwischen den Anschlußflanschen ein mit diesen dicht verbundenes, allseits bewegungselastisches
Element angeordnet ist.
-
Bei derartigen bekannten Kompensatoren ist das bewegungselastische
Element ein ringgewellter Balg aus Metall, Gummi oder Kunststoff, wobei die Materialwahl
von der Höhe des Druckes, den auftretenden Temperaturen, eventuell chemischen Einflüssen
des anstehenden Mediums etc. abhängig ist. Hat man es mit hohen Innen- oder Außendrücken
zu tun, womit sich die Erfindung nachfolgend befassen wird, so kommen lediglich
Metallbälge in Frage.
-
Derartige Metallbälge sind verhältnismäßig teure und relativ steife
Bauelemente. Aus Kostengründen versucht man, sie so kurz wie möglich zu halten,
wobei sie Jedoch nur eine sehr geringe Winkelbeweglichkeit zulassen. Ist eine größere
Winkelbeweglichkeit gefordert, so müssen die Metallbälge entsprechend lang ausgebildet
werden, wodurch die Kosten des Kompensators in ganz erheblichem Maße beeinflußt
werden.
-
Diese Beeinflussung ist vor allem auch durch den jeweils erforderlichen
Balgdurchmesser gegeben, indem Bälge größeren Durchmessers verhältnismäßig weniger
Winkelbeweglichkeit zulassen und relativ teurer sind.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kompensator der vorstehend umrissenen
Art so weiter auszubilden, daß er insbesondere auch bei großen Durchmessern erhebliche
Schwenkwinkel, beispielsweise von + 200, ggf.
-
in alle Richtungen zuläßt und trotzdem auch bei hoher Innen- oder
Außendruckbelastung vollständig sicher abgedichtet ist. Dies soll zusätzlich in
einer Form
geschehen, die bei eventuell auftretendem Verschleiß
auch in verhältnismäßig einfacher Weise einen Austausch des Dichtungselementes ermöglicht.
Außerdem soll das erfindungsgemäße Dichtungselement selbst und hinsichtlich der
für seine Anbringung erforderlichen Maßnahmen einfach und damit kostengünstig sein.
-
Diese Aufgabe ist erfidunesgemän dadurch gelöst, daß sich an die Anschlußflanschen
je ein axial nach außen gewölbter, zum Gelenk des Kompensators konzentrischer Kugelring
anschließt, daß die Kugelringe sich mlt Abstand äquidistant um einen Winkelbetrag
übergreifen, der wenigstens gleich dem maximalen Auslenkwinkel des Kompensators
gegenüber seiner gestreckten Stellung ist, daß im Raum zwischen den Kugelringen
ein U-formiger Balg aus elastischem Material umlaufend und sich bis in den Bereich
der Hälfte der gegenseitigen Uberdeckung der Kugelringe erstreckend sowie mit seinen
Schenkeln am Jeweils benachbarten Kugelring anliegend angeordnet ist, und daß der
Balg mit den freien Enden seiner Schenkel an den Kugeiringen festgelegt ist, wobei
der Innenquerschni«t des Balgprofils der Druckbelastung zugewandt ist.
-
Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es auch für einen hohem
Druck ausgesetzten Kompensator möglich, für das bewegungselastische Element nicht
metallische Werkstoffe, insbesondere Gummi oder Kunststoff, zu verwenden. Denn bezüglich
der Druckaufnahme
liegt nunmehr eine Aufgabenteilung vor zwischen
dem bewegungselastischen Element einerseits und den Kugelringen andererseits, indem
das bewegungselastische Element zum größten Teil an den Kugelringen bzw. sonstigen
Wandungsteilen des Kompensators anliegt und nur in dem kurzen Bereich der bogenförmigen
Verbindung der beiden U-Schenkel unabgestützt dem Druck ausgesetzt ist, der jedoch
ganz erheblichen Druckbeanspruchungen standhält. Andererseits schaffen die erfindungsgemäßen
Maßnahmen einen Kompensator, der außerordentliche hohe Winkelbeweglichkeit hat,
da das bewegungselastische Element entlang den durch die Kurnelringe gegebenen Wangen
abrollen kann, ohne daß sich die Verhältnisse der Beanspruchung des bewegungselastischen
Elementes in irgendeiner Weise ändern würden.
-
Zweckmäßigerweise kann der Balg mit den freien Enden seines U-Profils
bis über die freien Enden der Flansche aus dem Kompensator herausgeführt und dort
festgelegt sein. Diese Festlegung würde für einen Rohrleitungskompensator durch
das Aneinanderschrauben der Kompensatorflanschen und der Rohrflanschen gegeben sein.
-
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Balg mit dem freien Ende
eines seiner Schenkel an der freien Kante des benachbarten Kugelringes und mit dem
freien Ende des anderen Schenkels in bezogen auf die Kompensatorachse etwa gleicher
Höhe an dem diesem
Schenkel zugehörenden Kugel ring festgelegt
ist. Hier ist also das bewegungselastische Element so klein wie möglich ausgebildet.
Mit der freien Kante welches der beiden Kugelringe das zugehörende freie Ende des
bewegungselastiscllen Elementes verbunden wird, hangt davon ab, ob ei innen- oder
außendruckbelasteter Kompensator vorliegt.
-
Ein besonderer Anwendungsfall des Gegenstandes der Erfindung ergibt
sich bei der Öl- und Erdgasförderung in Seegebieten. Hier ist es bekannt, auf einem
am Meeresboden angeordneten Fundamentkörper einen die Wasseroberfläche überragenden
Turm zu errichten, der gegenüber dem Fundamentkörper über ein Kugelgelenk abgestützt
ist. Dabei dient die Kugelgelenkabstützung in erster Linie dazu, den Turm mit den
Meeresbewegungen allseitig frei schwanken zu lassen, wobei jedoch erhebliche Schwankungswinkel
zugelassen sein müssen. Außerdem hat das Kugelgelenk einen erheblichen Durchmesser
von mehreren Metern, da es gleichzeitig der Durchführung der Förderleitungen dient
und im übrigen den Durchstieg von Personen zllm Fundament für Wartungsarbeiten etc.
gestatten muß. Auf dieses an sich in bekannter Weise durch Gleitdichtungen abgedichtete
Kugelgelenk wirken erhebliche äußere Drücke, die trotz der geforderten hohen Schwenkwinkel
sicher abgedichtet sein müssen, insbesondere in der Weise, daß eine doppelte Abdichtung
vorliegt, damit beim Ausfall einer Dichtung die Sicherheit durch die andere Dichtung
gewährleistet ist.
-
Dieser Fall betrifft also einen Kompensator der eingangs genannten
Art in Ausbildung als außendruckbelastetes Kugelgelenk mit einer Kugelschale und
einer gegenständig auf diese aufgesetzten, die Kugelschale weitgehend überfangenen
Kugelhalbschale, deren Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser
der Kugelschale ist zur Belassung des Raumes für zwischen den Kugelschalen im Überdeckungsbereich
angeordnetes Dichtungsmaterial, wobei die Kugelschalen im Bereich ihrer einander
gegenüberliegenden Scheitel eine Öffnung mit je dem sich daran anschließenden rohrförmigen
Flansch aufweisen und wobei die Kugelschalen durch innen oder außen angeordnete
Mittel kardanisch miteinander verbunden und gegeneinander gedrückt sind.
-
Für diesen Fall ist es nach der Erfindung zweckmäßig, daß mit dem
Außenmantel der Kugelschale in einem Abstand von der Vorderkante der Kugelhalbschale,
der mindestens dem Uberdeckungsbereich von Kugelschale und Kugelhalbschale entspricht,
ein die Kugelhalbschale mit Abstand und äquidistant bis über die Hälfte des Uberdeckurtgsbereiches
von Kugelschale und Kugelhalbschale überfangender erster Kugelring verbunden ist,
daß mit dem Außeninantel der Kugelhalbschale jenseits des tfberde ckungsbereiche
s von Kugelschale und Kugelhalbschale ein den ersten Kugelring mit Abstand und äquidistant
bis zur Höhe dessen Verbindung mit der Kugelschale überfangender zweiter Kugelring
verbunden ist, daß einerseits mit der freien Kante des
zweiter
Kugelringes, andererseits mit der Befesti.-gungsstelle des ersten Kugelringes ar
der Kugelhalbschale der U-förmige Balg aus elastischem Material mit den freien Enden
seiner Schenkel befestigt ist und daß der Berg sich um das Kugelgelenk umlaufend
in den Raum zwischen erstem und zweitem Kugelring bis in den Bereich der Hälfte
deren gegenseitiger Uberdeckung erstreckt sowie mit seilen Schenkeln an dem jeweils
benachbarten Kugelring anliegt.
-
Für die Ausbildung des Balges ist es vorteilhaft, ihn als gewebeverstärkten
Kunststoffbalg vorzusehen, wobei zweckmäßigerweise das Gewebe auf der der Druckbeaufschlagung
abgewandten Seite des Balges angeordnet ist oder in das Kunststoffmaterial des Balges
eingebettet ist.
-
Weitere erfin(lllngswesentliche Merkm~tlo und Einzelheiten ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die
auf der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen allseits
beweglichen, innendruckbelasteten Gelenkkompensator für eine Rohrleitung, teilweise
geschnitten; Fig. 2 den Gelenkkompensator gemaß Fig. 1 mit verschiedenen Ausbildungen
und Anordnungen des U-förmigen Balges gemäß der Erfindung und
Fig.
3 ein doppelt abgedichtetes Kugelgelenk nach der Erfindung.
-
Fig. 1 zeigt einen allseits beweglichen Gelenklcompensator mit auf
beiden Seiten endständigen Anschlußstutzen 1 und 2, die über jeweils um 1t30° versetzt
angeordnete Anker 3, 4 bzw. 5, 6 und einen zwischen diesen in der Längsmitte des
Kompensators drehbar angeordneten Ring 7 in bekannter Weise kardanisch allseits
schwenkbar miteinander verbunden sind.
-
Zwischen die Rohrstutzen 1 und 2 sind iber Flansche 8 bzw. 9 nach
außen gewölbte Kugelringe 10 bzw. 11 eingesetzt, die zum auf der Kompensatorachse
12 liegenden Schwenkpunkt konzentrisch sind und sich äquidistant übergreifen, wobei
zwischen ihnen ein Spalt 13 einer gewissen Breite gebildet ist. Die Kugelringe 10
und 11 übergreifen sich um einen Betrag, der wenigstens den maximalen Winkelbetrag
betrifft, um den der Kompensator auslenkbar sein soll.
-
In den Spalt 15 ist umlaufend als Dichtungselement ein U-förmiger
Balg 14 eingesetzt, der mit seinen Profilsehenkeln an den durch die Ringe 10 bzw.
11 gebildeten Wandungen anliegt und in den Spalt 13 sich um einen Betrag hineinerstreckt,
der größer ist als der halbe Auslenkwinkel des Kompensators. Bei diesem Fall eines
innendruckbelasteten Kompensators ist der Balg mit seinem einen freien Schenkel
an der freien Kante des Kugelringes 11 befestigt, während er mit seinem anderen
freien Schenkel an der Innenwand des
Kugelringes 1() etwa in radial
gleicher Höhe festgelegt ist.
-
Fig. 2 zeigt einen Kompensator ähnlich Fig. 1 ohne die Gelenkverbindtlng
der die Kugel ringe 15, 16 einstückig verbunden tragendell Anschlußflansche 17,
18 im Schnitt. Dabei ist der Balg 19 auf der rechten Seite ähnlich Fig. 1 befestigt,
wobei nur zur leichteren Befestigung des mit dem Kugelring 15 verbundenen Schenkels
des Balges 1(3 dort der Kugelring 15 eine frei nach innen vorstehende Verlängerung
20 aufweist.
-
Die linke Hälfte von Fig. 2 zeigt einen Balg 21, der mit seinen Schenkeln
bis aus den Rohrstutzen 17, 18 heraus auf die Anschlußflansche 22, 23 geführt ist,
wo er beim Anschluß der nicht dargestellten Rohrenden festgeklemmt und damit festgelegt
wird. Auch hier liegt ein Kompensator mit Innendruckbelastung vor.
-
Die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Kompensatoren erlauben eine
sehr große Winkel#eweglichkeit, ohne daß über den Winkelbewegungsbereich eine Änderung
der Belastung des Balges 14 bzw. 21 stattfindet.
-
Der Balg liegt mit seinen Schenkeln an den Kugelriiigen an und ist
dadurch gegen den auf ihn einwirkenden Druck dort abgestützt. Lediglich der kurze,
bogenförmige Ubergang zwischen den Schenkeln muß dem Innendruck allein standhalten,
wobei jedoch wegen der Kürze dieses bogenförmigen Uberganges eine erhebliche Druckbelastung
auch bei guminielastischem Material möglich ist.
-
Fig. 3 zeigt ein Kugelgelenk mit einer Kugelschale 30, auf die eine
Kugelhalbschale 31 aufgesetzt ist. Zwischen den beiden Kugelschalen bleibt im Uberdeckungsbereich
ein freier Spalt, der mit einer Dichtung 32 gefiillt ist.
-
Die Kugel schalen 30 und 31 haben im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden
Scheitel eine Öffnung 33 bzw. 34, an die sich je ein Flansch 35 bzw. 36 anschließt.
Die Kugelschalen sind kardanisch über ein Kugelgelenk 37 miteinander verbunden,
an dem einerseits eine Stange 38 und andererseits Stützen 39 angelenkt sind, die
ihrerseits gegen jeweils benachbarte Bauteile 40, 41 in nicht dargestellter Weise
abestützt sind und dadurch die Kugelschalen 30 und 31 gegeneinander drücken. Im
dargestellten Beispiel sind die benachbarten Bauteile ein Sockel 40 und ein über
das Kugelgelenk darauf abgestützter Fuß 41 eines Arbeitsturmes zur Eröd- bzw. Erdgasgewinnung.
-
Mit dem Außenmantel der Kugelschale 30 ist ein Kugelring 42 verbunden,
wobei der Abstand von der Unterkante der Kugelhalbschale 31 so gewählt ist, daß
er mindestens dem halben Überdeckungsbereich zwischen Kugelschale 30 und Kugelhalbschale
31 entspricht und somit der Kugelhalbschale 31 die genügende Schwenkbewegungsfreiheit
läßt.
-
Mit der Kugelhalbschale 31 ist ein Kugelring 43 verbunden, wobei dessen
Verbindungsstelle mit der Kugelhalb
schale 31 oberhalb des Überdeckungsbereiches
zwischen Kugelschale 30 und Kugelhalbschale 31 liegt.
-
Auch die in Verbindung mit der vertikalen Bemessung des Kugelringes
42 zu dem Zweck, dem Gelenk die erforderliche Bewegungsfreiheit zu lassen.
-
Die Kugelringe 42 und 43 überfangen die Kugelschalen äquidlstant und
haben zwischen sich einen größeren Abstand. Dieser erlaubt die Anordnung eines U-förmigen
Dichtungsbaiges 44, der in den Raum zwischen Kugelring 42 und Kugelring 43 eingesetzt
ist, Seine freien Enden sind einerseits mit der Befestigungsstelle des Kugelringes
42 an der Kugelschalge 30 und andererseits mit dem freien Ende des Kugelringes 43
verbunden.
-
Die Verbindung kann beispielsweise über umlaufende Befstigungsringe
45 und 46 gegeben sein, die an den angegebenen Stellen einerseits mit dem Kugelring
42 und andererseits mit dem Kugelring 43 unter Zwischenlage des Dichtungobalges
44 verschraubt sind.
-
Der Dichtungsbalg 44 stützt sich im wesentlichen, nämlich mit den
Schenkeln seines U-f-^migen Profils, unter der Wirkung des in diesem Falle anstehenden
Außendruckes gegen die Kugelringe 42 und 43 ab, so daß nur der die Schenkel verbindende,
bogenförmig verlaufende Teil allein den Außendruck zu tragen hat.
-
Bei Schwenkbewegungen des Kugelgelenkes kann der Dichtungsbalg 44
sich zwischen den Kugelringen 42 und 43 abrollen, ohne die Schwenkbewegungen des
Kugelgelenkes zu behindern oder durch die Schwenkbewegungen eine nennenswerte zusätzliche
Beanspruchung zu erfahren.
-
Zweckmäßigerweise ist bei allen beschriebenen Ausführungsformen der
Dichtungsbalg aus gewebeverstärktem Kunststoff hergestellt, wobei das Gewebe auf
der außendruckabgewandten Seite des Balges angeordnet sein kann oder aber in das
Ba#gmaterial eingebettet ist.
-
Bei einem Defekt des Dichtungsbalges 44 läßt sich dieser von außerhalb
des Kugelgelenkes lediglich durch Fortnahme der Ringe 46 und 46 in einfacher Weise
entfernen und durch einen neuen Dichtungsbalg ersetzen, der vor dem Aufbau des im
Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnten Arbeitsturmes um den Flansch 6 in Reserve gelegt
worden ist. Damit sind weitere Montagearbeiten am Kugelgelenk oder im Bereich des
Kugelgelenkes nicht erforderlich.