DE3818067A1 - Verbindung von rohren aus kohlenstoff oder graphit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klebeverbindung von Kohlenstoff- oder Graphitrohren mit einer die Klebe­ stelle umschließenden, aus Fasern gebildeten Manschette.

Zum Verbinden von aus Kohlenstoff oder Graphit bestehenden Rohren und Zylindern, die nur in vergleichsweise kurzen Längen hergestellt werden können und zu ihrem Gebrauch häufig zu größeren Längen zusammengesetzt werden müssen, ist es bekannt, die verjüngten Enden mit Gewinden zu versehen und mit ebenfalls aus Kohlenstoff und Graphit bestehenden Muffen zu verschrauben. Besonders für dünnwandige Rohre ist die Muffenverbindung weniger geeignet, da durch die sprunghafte Erhöhung der Wandstärke am Übergang zwischen Rohrmantel und Muffe, die not­ wendigerweise einen größeren Außendurchmesser als das Rohr hat, Spannungsspitzen ausgebildet werden. Die Festigkeit der Verbindung wird dadurch erheblich geschwächt und der Abminderungsfaktor beträgt bis zu 50%. Kohlenstoff- oder Graphitrohre werden auch durch Klebe- oder Kittverbindungen miteinander ver­ bunden. Die Rohrenden sind bei diesem Verbindungs­ typ im allgemeinen geschäftet oder profiliert und mit einem, meist ein härtbares Kunstharz enthaltenden Klebstoff oder Kitt beschichtet, der nach dem Zusammen­ stecken der Rohre gehärtet wird. Bei einfach geschäfteten Rohren läßt sich beim Zusammenstecken der Rohre eine Anhäufung des Kitts entlang der Schnitt­ linie von Schäftung und Rohrmantel nicht vermeiden und es kommt zu einer unerwünschten Streuung der Verbindungsfestigkeit, deren Abminderungsfaktor im Mittel ebenfalls etwa 50% beträgt. Eine größere und weniger stark streuende Verbindungsfestigkeit erhält man mit Rohren, deren Enden S-förmig profiliert sind (DE-PS 10 53 260). Die Verbindung, deren Abminderungs­ faktor etwa 30 bis 40% beträgt, enthält in Form eines umlaufenden Spalts eine Kittasche, die durch Berührungs­ linien der beiden Rohre begrenzt ist.

Kohlenstoff und Graphit sind vergleichsweise spröde Werkstoffe und im wesentlichen aus Kohlenstoff und Graphit bestehende Rohre sind besonders empfindlich gegen stoßartige Beanspruchungen. Es ist bekannt, Kohlenstoff- und Graphitrohre durch Gewebemanschetten, z.B. aus Glasfasermatten, zu versteifen (DE-AS 10 49 171) oder die Rohre mit vorgespannten Graphitgarnen zu umwickeln (DE-PS 31 16 309) und Manschetten und Rohre durch Kunstharzbrücken kraftschlüssig zu verbinden. Sich über die Klebe- oder Kittstellen von mit­ einander verbundenen Rohren erstreckende Manschetten oder Wicklungen erhöhen die Festigkeit der Verbindung, ohne daß die Bruchfestigkeit der armierten Rohre erreicht wird. Ein Abminderungsfaktor von 30 bis 50% läßt die volle Nutzung der Rohrfestigkeit nicht zu. Es ist auch bekannt, das mit einer Gewebemanschette umhüllte Ende eines Graphitrohrs mit einem Graphit­ flansch zu verkleben (US-PS 27 82 806). Die Manschette ist dabei direkt in die Kittschicht eingelassen und obwohl eine erhebliche Verbesserung der Verbindungs­ festigkeit erzielt wird, erreicht man nicht die Bruchfestigkeit nichtarmierter Rohre.

Gemeinsames Merkmal aller bekanntgewordenen Verbindungen sind die großen Abminderungsfaktoren, die die mechanische Belastbarkeit der verbundenen Rohre wesentlich beschränken und zwar auf Beträge weit unterhalb der Bruchlast des einzelnen Rohrs. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit der Verbindung derart zu ver­ bessern, daß verbundene Kohlenstoff- und Graphitrohre wie die einzelnen Rohre belastet werden können.

Die Aufgabe wird mit einer Klebeverbindung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Manschette 4 aus Abschnitten 5, 6, 6′ besteht, zwischen den End­ abschnitten 6, 6′ und den Rohren 1, 1′ die Rohre ringartig umschließende, relativ zu den Rohren be­ wegliche Folien 7, 7′ eingelegt sind und der mittlere Abschnitt 5 fest mit den Rohren 1, 1′ verbunden ist.

Die Enden der zu verbindenden Rohre sind in bekannter Weise profiliert; das eine Ende hat ein beliebiges positives, das zweite ein komplementäres negatives Profil. Nach Bestreichen der Profilflächen mit einem Klebstoff oder Kitt werden die Rohrenden zusammen­ gesteckt und der im Kitt enthaltene Binder thermisch oder katalytisch ausgehärtet. Kitte oder Klebstoffe bestehen aus einem feinkörnigen oder pulverigen Kohlen­ stoffmaterial, z.B. Ruß oder Graphit, und etwa 20 bis 40% härtbaren Harzen als Binder. Zweckmäßig verwendet man als Binder Phenol-Aldehyd-Harze oder Furanharze, denen gegebenenfalls Härtungskatalysatoren zugesetzt sind. Die Plastizität des Klebstoffs oder Kitts wird über den Harzanteil im Gemisch oder auch durch Zugabe von Plastifizierungsmitteln den jeweiligen Klebebedingungen angepaßt. Zur Härtung der Harzkomponenten werden die Verbindungen zweck­ mäßig auf etwa 120 bis 180°C erhitzt und etwa 4 bis 12 h auf diesen Temperaturen gehalten. Katalysatoren enthaltende Kitte verfestigen sich bereits durch Aus­ lagerung bei Raumtemperatur.

Die verklebten Rohrenden sind von einer Manschette umschlossen, deren Länge vorzugsweise größer als der Rohr­ durchmesser ist. Sie besteht aus einem mittleren Abschnitt und zwei Endabschnitten, die zweckmäßig symmetrisch zur Klebestelle angeordnet sind. Der mittlere Manschetten­ abschnitt ist fest mit den Rohrmänteln verbunden, zweckmäßig durch ausgehärtete Kunstharzbrücken, die Endabschnitte liegen auf ringförmigen Folien auf, die auf die Rohre aufgezogen sind. Die relativ zum Rohr­ mantel beweglichen Folien bilden Abschnitte ver­ minderter Haftung zwischen der Manschette und den Rohren, so daß an den Enden der Manschette kein sprung­ hafter Spannungsanstieg aufgebaut wird. Schubspannungen, die beispielsweise durch die unterschiedliche Wärme­ dehnung von Manschette und Rohren entstehen, bewirken in Höhe der Endabschnitte der Manschetten Scherung oder Verschiebung der Folien, wodurch diese für die Verbindungsfestigkeit besonders nachteilige Spannung wesentlich vermindert wird. Der Abminderungsfaktor der Verbindungsfestigkeit beträgt daher nur etwa 10%, so daß durch die Klebverbindung verbundene Kohlen­ stoff- oder Graphitrohre unter Berücksichtigung der üblichen Sicherheitszuschläge wie Einzelrohre belastet werden können.

Die Länge der die Rohrverbindung umschließenden Manschette ist nach einer bevorzugten Ausbildung wenigstens so groß und höchstens viermal so groß wie der Rohrdurchmesser. Erstreckt sich, etwa in Form einer Wicklung, die Manschette über einen größeren Teil der Rohrlänge, sollten die den direkten Kontakt zwischen Manschette und Rohr unterbrechenden Folien nicht weiter als etwa den einfachen Rohrdurchmesser von der Klebestelle entfernt sein. Bei größerem Abstand nimmt die Spannungsentlastung der Verbindung erheblich ab. Die Manschette selbst ist aus Fasern gebildet, die eine möglichst große Zugfestigkeit und Steifigkeit haben und bei den Härtungstemperaturen des Kitts und den Verwendungstemperaturen der Kohlen­ stoff- und Graphitrohre beständig sind. Beispiele sind Glasfasern, Aramidfasern und vor allem Kohlenstoffasern, die wegen der gleichen Korrosionsfestigkeit wie die Rohre bevorzugt werden. Die Manschetten bestehen aus Geweben oder Gewirken dieser Fasern oder aus Garnen, die auf die Rohre aufgewickelt werden. Gewebe und Garne sind mit härtbaren Kunstharzen beschichtet, beispielsweise den gleichen Harzen, die für Klebstoffe oder Kitte verwendet werden. Zweckmäßig härtet man die Harze des Kitts und die Beschichtungsharze in einem Arbeitsgang. Die dabei gebildeten Brücken aus gehärtetem Harz bewirken eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt der Manschette und den miteinander verklebten Rohren. Nach einer bevorzugten Ausbildungs­ form besteht die Manschette aus vorimprägnierten Gelegen (Prepregs), deren Fasern parallel zu den Achsen der Rohre verlaufen.

Unterbrochen wird die Verbindung zwischen Rohren und Manschette in deren Endabschnitten, in denen ring­ förmige Folien zwischen Manschetten und Rohren ein­ gelegt sind. Grundsätzlich sind für diesen Zweck temperatur- und korrosionsfeste Folien geeignet, deren Reibungskoeffizient möglichst klein ist oder die leicht durch Gleitung verformt werden können. Beispiele für die erste Gruppe sind fluorhaltige Polymere, wie Polytetrafluorethylen, ein Beispiel der zweiten Gruppe ist Graphitfolie, die sich besonders günstig verhält. Die zweckmäßig 0,1 bis 0,2 mm dicken Folien werden in Streifen mit einer dem Rohrumfang entsprechenden Länge und einer Breite entsprechend etwa 1/5 bis 1/4 der Manschettenlänge geschnitten in Abstand von der Verbindungsstelle der Rohre um die Rohre gelegt und durch die aufgezogene Manschette fixiert. Eine Verbindung größerer Festigkeit zwischen der kunstharzbeschichteten Manschette und den Folien bildet sich dabei nicht, da die Haftung des Harzes auf der Folie sehr gering und wesentlich schlechter ist, als auf der Mantelfläche der Rohre.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert.

Dargestellt sind Graphitrohre 1, 1′ mit S-förmig profilierten Stirnflächen 2, 2′. Der zwischen den Stirnflächen gebildete Spalt ist mit Kittmasse 3 gefüllt, die aus einem Phenolformaldehydharz, Ruß und Graphitpulver enthaltenden Gemisch besteht. Über die Verbindungsstelle der Rohre, mit einem Außendurchmesser von 37 mm und einem Innendurchmesser von 25 mm ist eine kunstharzbeschichtete Manschette 4 aufgezogen, die einen mittleren Abschnitt 5 und Endabschnitte 6, 6′ enthält. Beim Härten der Kunstharzbeschichtung entsteht über Kunstharzbrücken eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 5 der Manschette und den Rohren 1, 1′. Zwischen den Endabschnitten 6, 6′ der Manschette und den Rohren 1, 1′ sind ringförmige Graphitfolien 7, 7′ mit einer Dicke von 0,2 mm ein­ gelegt, die eine Verklebung zwischen Manschette und Rohren in diesem Bereich ausschließen. Die Manschette besteht aus Graphitfasergarn mit einer Zugfestigkeit von etwa 3 GPa.

Zur Prüfung der Verbindungsfestigkeit wurden die ver­ bundenen Rohre auf Biegung (Vierpunkt-Biegeprüfung) - Probe (C). Zum Vergleich wurde die Bruchfestigkeit von Graphitrohren (A) und verklebten Rohren ohne Manschette (B) gemessen.

Claims (6)

1. Klebeverbindung von Rohren aus Kohlenstoff oder Graphit mit einer die Klebestelle umschließenden, aus Fasern gebildeten Manschette, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (4) aus Abschnitten (5, 6, 6′) besteht, zwischen den Endabschnitten (6, 6′) und den Rohren (1, 1′) die Rohre ringartig umschließende, relativ zu den Rohren bewegliche Folien (7, 7′) ein­ gelegt sind und der mittlere Abschnitt (5) fest mit den Rohren (1, 1′) verbunden ist.

2. Klebeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Manschette größer als der Rohr­ durchmesser ist und höchstens den vierfachen Rohr­ durchmesser beträgt.

3. Klebeverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette Kohlenstoffasern enthält.

4. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette auf die Rohre gewickelt ist.

5. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette aus Gelegen besteht, deren Fasern parallel zur Achse der verbundenen Rohre verlaufen.

6. Klebeverbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringartigen Folien Graphitfolien sind.