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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines Zweigs in einem
aus einem Polymermaterial bestehenden Rohr. Beim Bilden eines Zweigs
in einem Rohr treten mehrere bekannte Probleme auf, zum Beispiel
eine Schwäche
der Nahtstelle. Mangelnde Festigkeit kann unter anderem aus einer
zur Herstellung einer Verbindung zwischen den zu verbindenden Rohren
unzureichenden Fläche
resultieren. Beim Herstellen einer hinreichenden Naht zwischen einem
sich senkrecht zu dem geraden Abschnitt des Hauptrohrs erstreckenden
Rohrzweig kleineren Durchmessers und dem Hauptrohr größeren Durchmessers
treten besondere Probleme auf.
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Gemäß einem
bekannten Verfahren erfolgt die Herstellung einer Naht zwischen
einem Rohrzweig und einem Hauptrohr größeren Durchmessers so, dass
in der Wand des Hauptrohrs eine der Größe des besagten Rohrzweigs
entsprechende kreisförmige Öffnung,
z.B. mittels einer Lochsäge
oder eines anderen geeigneten Werkzeugs, gebildet wird. Danach werden
die Rohre durch Schweißen
der äußeren Seitenwand
des Rohrzweigs an der inneren Seitenwand des Hauptrohrs verbunden.
Ein weiteres Verfahren zur Bildung eines Zweigs in einem Rohr besteht
darin, dass aus dem Hauptrohr ein V-förmiger Abschnitt ausgeschnitten
wird, und ein Ende des Rohrzweigs in eine dieser V-Form entsprechende Form
geschnitten und dimensioniert wird, um in die in dem Hauptrohr befindliche
V-förmige Öffnung aufgenommen
zu werden. Die Verbindung des Rohrzweigs mit dem Hauptrohr wird
durch Schweißen
der äußeren Seitenwand
des Rohrzweigs an der Seitenwand des Hauptrohrs erreicht. Eine Seitenwandschweißverbindung
ist einer Stumpfstoßverbindung
zwischen benachbarten koaxialen Rohren deutlich unterlegen.
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Es
ist auch bekannt, dass Rohre an den Stellen, an denen ein Rohr seine
Richtung ändert,
einem erhöhten
Verschleiß ausgesetzt
sind, vor allem, wenn in dem Rohr abrasive Materialien transportiert werden.
Ein erhöhter
Verschleiß tritt
hauptsächlich an
einer Nahtstelle auf. Es it bekannt, eine Naht durch Zusetzen eines
zusätzlichen
Materials entweder auf die Außenseite
oder die Innenseite des Rohrs nahe bei der Naht zu verstärken. Wenn
das Ma terial jedoch auf die Innenseite des Rohrs zugesetzt wird (z.B.
durch einen Einsatz), verringert sich der innere Querschnitt des
Rohrs und beeinträchtigt
einen Durchfluss durch die Nahtstelle. Es wäre nicht kostengünstig, Rohre
für spezielle
Verbindungsstellen mit einer vergrößerten Dicke für eine kleine
Anzahl betreffender Anschlüsse
herzustellen. Ein anderes Verfahren, die Verstärkung auf der Außenseite
eines Rohrs nahe bei einer Nahtstelle vorzunehmen, besteht darin,
entweder ein heißhärtendes
Polymer oder ein zusätzliches
Polymer bestehend aus dem gleichen Typ wie das Rohr zu verwenden,
welches Verfahren ein zusätzliches
Formverfahren erforderlich macht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, in einem Rohr
jeder gewöhnlich
zur Verfügung
stehenden Größe einen
Zweig zu bilden, der es ermöglicht,
an dem Zweig eine ebenso starke Naht zu bilden wie zwischen koaxialen
Rohren, vorzugsweise unter Verwendung einer Standardausrüstung. Ferner
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Verfahren bereitzustellen,
bei dem das Polymermaterial des Rohrs zur Bildung eines Zweigs verwendet
wird, ohne daass das Rohr beschädigt
wird, und wobei nur wenig Vorbereitungen erforderlich sind, durch
welches Verfahren ein fertiger Zweig herstellbar ist, der auch unter
verschleißenden
Bedingungen eine verlängerte
Lebensdauer aufweist und der keine Einengung des Durchflusses durch
den Zweig hindurch verursacht.
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Dieses
ist durch ein Verfahren erreichbar, das durch die Schritte gekennzeichnet
ist:
- – Bildung
einer kreisförmigen Öffnung in
der Wand eines Hauptrohrs, wobei diese Öffnung erheblich kleiner ist
die Größe eines
zu bildenden Zweigs;
- – Anlegen
eines Endes einer außen
befindlichen zylindrischen Form gegen die Außenwand des Hauptrohrs dicht
anliegend und konzentrisch mit der kreisförmigen Öffnung;
- – Einführen eines
mit einer kegelförmigen
Spitze versehenen Verformungswerkzeugs in das Hauptrohr durch eines
seiner Enden;
- – Befestigung
des Verformungswerkzeugs an einem Ende einer durch die kreisförmige Öffnung in das
Hauptrohr eingeführten
Zugvorrichtung;
- – Zuführung von
Wärme auf
einen durch die außen
befindliche, mit einem Heizflüssigkeitszulauf und
einem Heizflüssigkeitsauslass
versehene Form definierten Abschnitt der Außenfläche der Rohrwand, wobei eine
geeignete auf eine unter der Schmelztemperatur des Polymermaterials
liegende Temperatur erhitzte Flüssigkeit
verwendet wird, um das Polymermaterial zu plastifizieren, aber seine
Zersetzung in der Rohrwand zu verhindern, welches plastifizierte
Polymermaterial zur Bildung des Zweigs vorgesehen ist;
- – Ziehen
des Verformungswerkzeugs allmählich in
Richtung auf die Außenseite
des Rohrs durch den plastifizierten Wandabschnitt hindurch koaxial
mit der zylindrischen außen
befindlichen Form, wobei das plastifizierte Polymermaterial der
Rohrwand zur Bildung des besagten Zweigs, gewöhnlich in der Form eines aus
der Wand des Hauptrohrs nach außen
abgezweigten Rohrabschnitts, nach außen verschoben wird.
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Die
zur Erwärmung
des Polymermaterials des Rohrs verwendete Flüssigkeit ist vorzugsweise Öl wie Ethylenglykol
oder gegebenenfalls Silikon. Die weiteren Merkmale des Verfahrens
ergeben sich aus den beiliegenden abhängigen Verfahrensansprüchen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein System zur Bildung eines Zweigs in einem
aus einem Polymermaterial hergestellten Rohr, umfassend,
- – eine
Vorrichtung zum Bilden einer kreisförmigen Öffnung in der Wand des Rohrs,
wobei die Öffnung
erheblich kleiner ist als die Größe des zu
bildenden Zweigs;
- – ein
in das Rohr einzuführendes,
mit einer kegelförmigen
Spitze versehenes Verformungswerkzeug;
- – eine
Zugvorrichtung, die zum Ziehen des kegelförmigen Verformungswerkzeugs
durch die in der Wand der Rohrs befindlichen Öffnung mit diesem verbindbar
ist;
- – eine
zylindrische Form, die ein freies Ende aufweist, gegen das die Außenfläche des
besagten Rohrs mittels des mit der Zugvorrichtung verbundenen Verformungswerkzeugs
dicht anliegend andrückbar
ist, um den kreisförmigen,
sich konzentrisch um die besagte Öffnung erstreckenden Abschnitt
der Rohrwand zu definieren; und
- – einen
Heizflüssigkeitszulauf
und einen Heizflüssigkeitsauslass
zum Erwärmen
des besagten Abschnitts der Außenfläche des
Rohrs.
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Mit
Hilfe des erfindungsmäßen Systems
werden mehrere Vorteile erzielt, z.B. die Anwendung eines flüssigen Mediums
zum Erwärmen
nur des Bereich der Außenfläche des
Hauptrohrs, in dem ein Rohrzweig gebildet werden soll. Derartige
Erwärmung
ermöglicht
eine vollkommen kontrollierbare Erwärmung des Rohrmaterials. Der
Zweig wird gebildet, indem das Verformungswerkzeug durch die in der
Rohrwand befindliche Öffnung
gezogen wird. Die zylindrische Form des Systems bildet eine Kammer für die Heizflüssigkeit,
wenn die Rohrwand mittels des von der Zugvorrichtung des Systems
gezogenen Verformungswerkzeugs gegen das untere Ende der besagten
zylindrischen Form gedrückt
wird. Das Hauptrohr wird somit auch von der Form und dem Verformungswerkzeug,
die miteinander in Zusammenwirkung stehen, in seiner Position gehalten,
wobei sich eine weitere Befestigung erübrigt.
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Weitere
Merkmale des erfindungsmäßen Systems
ergeben sich aus den beiliegenden abhängigen auf das System bezogenen
Ansprüchen.
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Die
Form erforderlichen Duchmessers umfasst einen Heizflüssigkeitszulauf,
der das Strömen der
Flüssigkeit
während
des unter einem niedrigen Druck erfolgenden Zugvorgangs des Rohrs
mittels des Verformungswerkzeugs zulässt, so dass an der Fläche des
Rohrs keine Schäden
auftreten. Wenn das Polymermaterial in dem erwärmten Bereich der Rohrwand
plastisch wird, dringt das Verformungswerkzeug allmählich durch
die in der Rohrwand gebildete Öffnung
hindurch, deren Durchmesser erheblich kleiner ist als der innere
Durchmesser des zu bildenden Zweigs. Die Flüssigkeit wird in einer mit
geeigneten Steuervorrichungen versehenen Heizvorrichtung unter kontrollierten
Bedindungen erhitzt. Das Verformungswerkzeug ist mit einer kegelförmigen Spitze versehen
und zur Definition eines inneren Durchmessers des zu bildenden Zweigs
dimensioniert. Zum Ziehen des Verformungswerkzeugs durch die in
der Rohrwand befindliche Öffnung,
gewöhnlich
aus dem Innern des Rohrs in die Außenseite des Rohrs, ist die Spitze
des Verformungswerkzeugs mit einer Zugsvorrichtung außerhalb
des Rohrs verbindbar.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben.
In denen
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Systems
zum Bilden eines Zweigs in einem aus einem Polymermaterial hergestellten
Rohr, wobei Teile des Rohrs weggelassen worden sind;
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2 zeigt
eine teilweise vergrößerte Darstellung
des Systems nach 1, in der ein Rohr mit der außen befindlichen
Form des System in Berührung
steht;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung des Querschnitts des Rohrs nach 2,
in der das Verformungswerkzeug kurz vor dem Ziehen durch das Rohr
gezeigt ist;
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4 zeigt
eine schematische Darstellung des Querschnitts des Rohrs, in der
das Verformungswerkzeug in einem neuen Arbeitsvorgang gezeigt ist, in
dem seine Spitze teilweise durch das Rohr gezogen ist;
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5 zeigt
einen schematischen Ausschnitt des Rohrs und der Form, wobei das
Verformungswerkzeug in seiner endgültigen Position gezeigt ist;
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6 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Rohr, das einen Zweig aufweist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG EINER VORTEILHAFTEN AUSFÜHRUNG
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In
den Zeichnungen wird ein System zur Bildung eines Zweigs 11 (6)
in einem Rohr 12 dargestellt, welches Rohr aus einem Polymermaterial der
Polyolefine wie HDPE hergestellt ist.
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Das
System umfasst einen feststehenden Rahmen 1, der mit senkrechten
Rahmenpfosten und einem horizontalen Steg versehen ist, an welchem Steg
eine Form 9 für
einen vorgesehenen Rohrdurchmesser verbindbar ist. Ein paar Zylinderkolbenanordnungen 3 sind
an die besagten Rahmenpfosten montiert und mit ihren Schaffen 10 mit
einem horizontalen, senkrecht bewegbaren, über dem horizontalen Steg des
feststehenden Rahmens 1 postionierten Rahmen 2 verbunden.
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Das
System umfasst ferner ein zylindrisches Verformungswerkzeug 6 mit
einer kegelförmigen Spitze.
Der zylindrische Körper
des besagten Verformungswerkzeugs 6 ist so dimensioniert,
dass er einen Innendurchmesser eines in einem Rohr 12 zu
bildenden Zweigs 11 bildet. Das Ende der kegelförmigen Spitze
ist mit einem Ende einer Zugstange 5 verbunden, dessen
gegenüberliegendes
Ende mit dem senkrecht bewegbaren Steg 2 verbunden ist.
Die Verbindung zwischen dem Verformungswerkzeug 6 und der
Zugstange 5 kann eine Gewindeverbindung unter Anwendung
einer Verbindungsmuffe 16 an einem Ende der Zugstange 5 sein.
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Die
Form 9, die mit dem horizontalen Steg des feststehenden
Rahmens 1 verbunden ist, soll eine Kammer 13 zur
Aufnahme einer Heizflüssigkeit bilden,
wenn der Mantel eines Rohrs 12 gegen das untere Ende der
besagten Form 9 gezogen oder geschoben (gedrückt) wird.
Die Heizflüssigkeit
ist vorzugsweise ein Öl,
wie Ethylenglykol oder Silikon, das durch ein Rohr 7, deren
Wärmebeständigkeit
150°C beträgt, in die
Kammer 13 hineingepumpt wird. Die Form 9 ist auch
mit einem Auslassrohr 8 versehen, durch das das Öl in einen Ölbehälter 4 zurückfließt. Vorzugsweise
wird das Öl
mittels eines Wärmeaustauschers
in dem besagten Behälter 4 erhitzt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird ein von der Tool Temp AG, Schweiz, hergestelltes Ölheizsystem
verwendet. Das System, das mit einer elektischen Quelle verbunden
ist, wird mit Hilfe eines PID-Temperaturreglers kontrolliert. Vorzugsweise sind
die Rohre 7 und 8 sowie die Form wärmeisoliert, um
einen Wärmeverlust
zu verhindern.
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Wie
aus der 3 ersichtlich ist, ist die Form 9 mittels
Bolzen 18 auf den Rahmen 1 montiert.
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Wenn
in einem Rohr 12 ein Zweig 11 gebildet werden
soll, wird in der Rohrwand an der Stelle, an der der Zweig 11 gebildet
werden soll, eine kleine Öffnung 14,
die etwas größer ist
als die Zugstange 5, gebildet (3). Das
Verformungswerkzeug 6 wird in das Rohr 12 durch
ein Ende des besagten Rohrs eingeführt und das Ende der Zugstange 5 wird
durch die Öffnung 14 in
das Rohr 12 eingeführt,
wonach die Zugstange 5 mit der kegelförmigen Spitze des Verformungswerkzeugs 6 verbunden
wird. Wenn das Verformungswerkzeug 6 an der Zugstange 5 gesichert worden
ist, werden die Zylinderkolbenanordnungen 3 aktiviert,
um den Rahmen 2 und somit das Verformungswerkzeug 6 etwas
nach oben zu drücken
und den Außenmantel
des Rohrs 12 gegen das untere Ende der Form 9 zu
drücken
und gleichzeitig die in der Rohrwand befindliche Öffnung 14 zu
schließen, wodurch
zwischen dem Rohrmantel und dem unteren Ende der Form 9 ein
dichter Kontakt entsteht. Eine Heizflüssigkeit, z.B. Ethylenglykol,
die eine vorgegebene Temperatur aufweist, wird in die von der Form
und dem Mantel des Rohrs 12 gebildete Kammer 13 eingeführt und
sie erwärmt
den durch das untere Ende der Form 9 definierten Bereich
der Außenfläche der
Rohrwand. Wenn die Temperatur das Niveau erreicht, bei welcher Temperatur
sich das Polymermaterial der Rohrwand gerade von einem festen Zustand
in einen plastischen Zustand umwandelt, wird das Verformungswerkzeug 6 durch
die Öffnung 14 nach
außen
verschoben, indem das Zylinderkolbenanordungspaar weiter aktiviert
wird, wodurch der Steg 2 und somit das Verformungswerkzeug 6 nach oben
gedrückt
(geschoben) werden. Die Zylinderkolbenanordnungen 3 werden
aktiviert, um das Verformungswerkzeug 6 durch die Rohrwand
aus dem Innern des Rohrs 12 in die Außenseite des Rohrs zu ziehen,
um den Zweig 11 durch Verformung des erwärmten Bereichs
der Rohrwand zu bilden wie in 5 gezeigt
ist. Die Zuführung
der Heizflüssigkeit
in die Kammer 13 wird gestoppt, das ganze Öl durch das
Rohr 8 in den Ölbehälter 4 zurückgeleitet
und man lässt
das plastische Material des gebildeten Zweigs abkühlen, wonach
das Rohr 12 mit dem gebildeten Zweig aus der Form 9 entfernt
wird.
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Es
versteht sich, dass je nach dem Durchmesser des Rohrs und der Größe des zu
bildenden Zweigs 11 Formen 9 und Verformungswerkzeuge 6 verschiedener
Größen verwendet
werden, da die Form zur Definierung des Außendurchmessers des Zweigs 11 und
das Verformungswerkzeug 6 zur Definierung des Innendurchmessers
des Zweigs 11 vorgesehen sind.
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Zur
Anpassung an die Form des Mantels des Hauptrohrs 12 ist
das untere Ende der Form 9 konkav ausgebildet.
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Die
Erwärmung
der Rohrwand ist somit weitgehend auf den Bereich beschränkt, durch
den das Verformungswerkzeug 6 gezogen werden soll. Die Erwärmung mit Öl wird bei
einer auf ein von dem Kunststoffmaterial der Rohrwand gefordertes
Niveau eingestellten Öltemperatur
durchgeführt.
Während des
Erwärmungsvorgangs
wird das Heizöl
durch das Rohr 7 von dem Ölbehälter 4 in die Form 9 geleitet (zirkuliert)
und durch das Rohr 8 in den Ölbehälter zurückgeleitet. Wenn zum Beispiel
in einem Rohr 900 SDR 17 PE 100 ein Zweig mit einem Durchmesser von
450 nun gebildet werden soll, wird der Zugvorgang des Verformungswerkzeugs 6 zur
Verformung des Kunststoffmaterials in der Rohrwand durchgeführt, wenn
die Temperatur des Kunststoffmaterials 130°C erreicht hat, wobei für das Verformungswerkzeug
ein Druck von 50 bar verwendet wird, wodurch ein Zweig von 450 SDR 17 erzielt
wird.
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Aufgrund
der Erwärmung
mit Öl
wird die Oxidation der Fläche
des erwärmten
Kunststoffmaterials verhindert, da die Fläche der Rohrwand während der ganzen
Zeit, in der das Kunststoffmaterial bei einer erhöhten Temperatur
befindet, mit Öl
bedeckt ist. Somit gerät
die Fläche
mit der umgebenden Luft nicht in Kontakt, bevor sich das Kunststoffmaterial
abgekühlt hat.
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Vorteilhafterweise
ist der Durchmesser des Verformungswerkzeugs 6 etwas größer als
der Innendurchmesser eines zu bildenden Zweigs 11, um eine
geringfüge
Zusammenschrumpfung des Innendurchmessers während der Abkühlung zuzulassen. Wenn
das Verformungswerkzeug 6 nach einer hinreichenden Abkühlung der
Außenseite
der Fläche
des Rohrs 12 entfernt wird, ist der so gebildete Zweig 11 fertig
zur Anwendung.