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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rohrverbindung insbesondere
zur Verwendung beim Verbinden von Rohren, die zur Verwendung unter
der Erdoberfläche
zum Beispiel in der Öl-
und Gasindustrie benötigt
werden. Die Verbindung ist insbesondere für Stellen gedacht, wo die Wahrscheinlichkeit
besteht, dass das Rohr ungleichmäßigen Kräften senkrecht
zur Rohrachse ausgesetzt wird.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Für den Transport
eines Fluids, wie zum Beispiel Öloder
Erdgas, zwischen zwei Standorten verwenden die kosteneffektivsten
Verfahren nach Möglichkeit
Pipelines. Solche Pipelines werden in der Regel aus einzelnen Rohren
gebaut, die miteinander verbunden werden. Es ist ebenfalls üblich, dass
die Pipeline, in der Fluid transportiert wird, in einer weiteren
Pipeline untergebracht ist, die als ein Schutzrohr bezeichnet wird.
Das Schutzrohr dient dazu, die Transportpipeline zu schützen und
es zu ermöglichen,
dass die Transportpipeline auf einfache Weise positioniert werden
kann. Das Schutzrohr kann auch als eine Sicherheitsbarriere dienen,
falls Fluid aus der Transportpipeline austritt, da das austretende Fluid
innerhalb des Schutzrohres gehalten wird und daran gehindert wird,
mit der unmittelbaren Umgebung in Kontakt zu geraten. Aus diesem
Grund muss das Schutzrohr ebenfalls gegen die Fluide und den Druck,
denen die Transportpipelines ausgesetzt sind, beständig sein.
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Die
Regionen, wo sich die Rohre aneinanderfügen, bilden Diskontinuitäten sowohl
an der Innen- als auch an der Außenfläche der Pipeline und sind insofern
Schwachpunkte innerhalb der fertigen Pipeline. Es ist wichtig, dass
jegliche derartigen Schwachstellen so weit wie möglich minimiert werden, da
jegliches Entweichen von Fluid aus dem Rohr sowohl Ressourcen vergeudet
als auch für
die Umwelt schwerwiegende Folgen haben kann. Des Weiteren kann das
entwichene Fluid auch das Risiko für an den Rohren arbeitende
Personen durch Feuer oder Explosion erhöhen. Ein Austausch ineffizienter oder
undichter Verbindungen ist nicht immer einfach. Insbesondere im
Fall der Öl-
und Gasindustrie befinden sich Pipelines recht oft an relativ unzugänglichen Standorten,
und ein Austausch ist schwierig und teuer.
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Verbindungen
zwischen Rohren, aus denen die Transportpipeline oder das Schutzrohr
besteht, werden in der Regel mittels einer Schraubverbindung hergestellt,
wobei jedes einzelne Rohr ein Gewinde aufweist, das zu dem Gewinde
des angrenzenden Rohres komplementär ist. Solche Verbindungen müssen in
der Lage sein, großen
Druckunterschieden zwischen dem Rohrinneren und dem Rohräußeren zu
widerstehen. Sie müssen
darüber
hinaus auch in der Lage sein, fluiddicht zu bleiben, wenn die Pipeline,
die durch die einzelnen geraden Rohre gebildet wird, eine gekrümmte Form
annimmt oder aufgrund von Gesteinsformationen oder dergleichen geringfügig von
einer linearen Konfiguration abweicht.
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Herkömmliche
Rohre funktionieren im Allgemeinen schlecht, wenn derartige Biegekräften einwirken,
mit dem Ergebnis, dass das Leistungsverhalten der Pipeline geschwächt wird
und ein Risiko der Leckbildung entsteht, wenn es zu solchem Biegen kommt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rohrverbindung
bereitzustellen, welche die oben angesprochenen Probleme löst und die
ein gutes Leistungsverhalten aufweist, wenn miteinander verbundene
Rohre nicht koaxial sind. In der Beschreibung können die Begriffe "Schutzrohr" und "Rohr" untereinander austauschbar
verwendet werden, wobei "Schutzrohr" oft lediglich ein
Rohr mit einem größe ren Durchmesser
bezeichnet als ein Rohr, das als ein "Rohr" bezeichnet
wird.
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Eine
generische Rohrverbindung ist aus
US-A-3870351 bekannt.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird eine Schraubverbindung für
Rohre bereitgestellt, die einen Stift, der an einem Ende einen Aufnahmeabschnitt
aufweist, und einen Kasten, der an einem Ende einen Außengewindeabschnitt
mit einem komplementären Schraubgewinde
aufweist, umfasst, wobei die Abschnitte dafür geeignet sind, einander entlang
des größeren Teils
der axialen Länge
der Gewindeabschnitte in Eingriff zu nehmen, wobei ihre Schraubgewinde
in derselben Richtung und in einem spitzen Winkel zur Längsachse
der Rohrlänge
geneigt sind, wobei sich das Außengewinde
zu einer verjüngten Einschub-Endanschlagschulter
neben einer komplementären
Endanschlagschulter an dem Aufnahmeabschnitt erstreckt, wobei die
verjüngte
Einschub-Endanschlagschulter eine erste konische Fläche enthält, die
im Wesentlichen parallel zu der Rohrachse verläuft, wobei die komplementäre Endanschlagschulter
eine Ausnehmung in der Form einer Konusaufnahme mit einem gerundeten
Scheitelpunkt umfasst, und des Weiteren eine erste konische Fläche umfasst,
die im Wesentlichen parallel zur Rohrachse verläuft, wobei die erste konische
Fläche
des Aufnahmeabschnitts einen oder mehrere konvexe Abschnitte und
einen flachen Abschnitt an der ersten konischen Fläche enthält. Die
gekrümmten
Abschnitte bewirken die Bildung einer stärkeren Abdichtung, die einem
Trennen des Einschubabschnitts von dem Aufnahmeabschnitt widersteht
und der Verbindung ein verbessertes Leistungsverhalten bei Biegebeanspruchung
verleiht.
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Die
Oberfläche
des oder jedes gekrümmten Abschnitts
liegt vorzugsweise auf dem Umfang eines Kreises. Bevorzugt misst der
Radius der Kreises 2–10,5
cm und besonders bevorzugt 2,3–3,05
cm (0,9''–1,2'').
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Das
distale Ende der Innenfläche
des Stiftes ist bevorzugt abgeschrägt, wobei die abgeschrägte Kante
einen Winkel von 18°–25° zur Achse
des Stiftes aufweist. Die abgeschrägte Kante ermöglicht es, dass
der Hauptkörper
des Rohres dicker und damit stärker
sein kann, aber eine glatte Oberfläche um die Verbindungsregion
herum beibehält,
um Turbulenzen zu verringern, die in dem strömenden Fluidmaterial hervorgerufen
werden.
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Der
flache Abschnitt der konischen Fläche schließt bevorzugt einen Winkel von
1°–15° und besonders
bevorzugt einen Winkel von 1,5°–4° mit der Rohrachse
ein. Der flachere Winkel sorgt dafür, dass das Rohr dicker und
dadurch steifer ist, wodurch der Widerstand der Verbindungen gegen
ein Öffnen
vergrößert wird.
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Bevorzugt
schließt
die zweite konische Fläche
der Endanschlagschulter einen Winkel von 11°–20° und besonders bevorzugt einen
Winkel von 11°–13° mit der
Ebene senkrecht zur Rohrachse ein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, die lediglich beispielhaft eine Ausführungsform
einer Schutzrohrverbindung zeigen. In den Zeichnungen ist Folgendes
dargestellt:
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1 ist
eine Schnittansicht durch die Endanschlagschulter eines Stiftes.
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2 ist
die Schnittansicht durch die Endanschlagschulter eines entsprechenden
Kastens.
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3a–3c veranschaulichen
die Lastverteilung innerhalb einer Endanschlagschulter.
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4a–4c veranschaulichen
die plastische Dehnungsverteilung infolge der in den 3a–3c gezeigten
Belastung.
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5a–5c sind
Simulationen der Stabilität
einer Rohrverbindung, die Biegekräften und Druckunterschieden
unterliegt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 zeigt
eine Endanschlagschulter 15 eines Stiftes 10,
oder eine Einschubsektion, eines Zusammenschlusses für eine Rohr-
oder Schutzrohrverbindung. In dem Stift 10 ist die letzte
Gewindespitze 11 des Schraubgewindes gezeigt. Der Stift 10 hat eine
Innenfläche 12,
die, wenn der Stift 10 mit einem entsprechenden Kasten 20,
oder einer Aufnahmesektion (2), verbunden
ist, einen Teil des Inneren der Pipeline bildet. Die Aufnahmesektion
und die Einschubsektion haben (nicht veranschaulichte) Schraubgewindeabschnitte
entlang des größeren Teils
ihrer axialen Länge.
Diese Schraubgewindeabschnitte sind in derselben Richtung geneigt
und haben einen spitzen Winkel zur Längsachse der Rohrlänge. Während des
Gebrauchs, bei Anlegen eines Drehmoments, nehmen die zwei Schraubgewindeabschnitte
einander in Eingriff, um eine Verbindung zu bilden und die Einschub- und die Aufnahmesektionen zusammenzuhalten.
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Eine
Außenfläche 13 hat
einen im Wesentlichen geraden Querschnitt, der sich in einem Winkel von
ungefähr
2° von der
Gewindespitze 11 in Richtung des Scheitelpunktes 14 der
Endanschlagschulter 15 geringfügig aufweitet. Die Außenfläche 13 nimmt
eine entsprechende Fläche 22 eines
Kastens in Eingriff, um eine Dichtfläche zu bilden, wenn die zwei
Rohre zusammengeschraubt werden.
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Aufgrund
der unten beschriebenen Merkmale beträgt der Konus der Fläche 13 nur
2° von der Rohrachse.
Dadurch wird es möglich,
dass das distale Ende des Stiftes 10 stärker ist, als es sonst bei
herkömmlichen
Rohren der Fall wäre.
Dadurch wird einem Druck von außerhalb
des Rohres, der zwischen die Gewindegänge des Einschub- und des Aufnahmeteils
dringt und der bestrebt ist, diese beiden Teile auseinanderzudrücken, dank
des Versteifungseffekts auf den Stift 10 widerstanden.
Winkel, die für
die vorliegende Erfindung verwendet werden können, betragen 1°–15° und insbesondere
1,5°–4°.
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Die
Endanschlagschulter 15 hat eine weitere Dichtfläche 16,
die eine entsprechende Fläche
an dem Kastens 20 in Eingriff nimmt und so eine weitere Abdichtung
bildet, um zu verhindern, dass Fluid durch die Verbindung hindurch
entweicht. Die Dichtfläche 16 ist
mit der Außenfläche 13 über den
gekrümmten
Scheitelpunkt 14 verbunden. Die Dichtfläche 16 hat einen Winkel
von 12° zu
einer Ebene senkrecht zur Hauptachse des Stiftes 10. Die
Endanschlagschulter 15 hat darum einen konischen Abschnitt,
der durch die Flächen 13, 14 und 16 definiert wird,
wobei die Basis des konischen Abschnitts im Wesentlichen entlang
der Strichlinie E in 1 verläuft. Aufgrund der verbesserten
Dichtungseigenschaften der Verbindung ist der Winkel, den diese Fläche mit
der Ebene einschließt,
flacher als bei herkömmliche
Verbindungen. Somit kann der eingeschlossene Winkel 11°–20° betragen.
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Der
Stift 10 von 1 nimmt eine komplementäre Kastensektion
an der Rohrsektion in Eingriff, mit dem er verbunden werden soll.
Der Kasten 20 hat eine Innenfläche 21, die zusammen
mit den Flächen 12, 17 die
Innenfläche
einer Pipeline bildet, wenn die Rohre miteinander verbunden sind.
Der Kasten 20 hat eine Anzahl weiterer Flächen 22, 23,
die zusammen eine Endanschlagschulter bilden, die eine Ausneh mung
aufweist (die in der Sektion enthalten ist und durch die Strichlinie
G in 2 begrenzt wird), die komplementäre zu derjenigen
der Endanschlagschulter 15 des Stiftes 10 ist,
und die den Stift 10 in Eingriff nehmen, um eine Anzahl
von Dichtflächen
zu bilden. Die gebildete Ausnehmung hat einen im Wesentlichen konischen
Querschnitt mit einem gerundeten Scheitelpunkt 24. Die
in Längsrichtung
verlaufende Dichtfläche
nimmt die entsprechende in Längsrichtung
verlaufende Dichtfläche
in Eingriff. Die Fläche 22 (an
dem Kasten) enthält
einen konvexen Abschnitt 22A. Der konvexe Abschnitt 22A besorgt
eine Umverteilung von Kräften
innerhalb der Rohrsektionen, wenn der Stift 10 und der
Kasten 20 zusammengeschraubt werden.
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Wenn
ein Drehmoment an die zwei Rohre angelegt wird, um sie zusammenzuschrauben,
so bewirkt die konvexe Fläche,
dass eine Dehnungsbeanspruchung, die in der Endanschlagschulter
hervorgerufen wird, so verteilt wird, dass die Dehnungsbeanspruchung
vor allem in dem Bereich um die konvexe Fläche 22A herum konzentriert
wird. Die Dehnungsbeanspruchung wird darum zu Bereichen mit höherer Festigkeit
innerhalb des Stiftes 10 und des Kastens 20 verteilt,
und die darin hervorgerufene Belastung verursacht deshalb weniger
Schaden.
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Die
Querschnittsfläche
des konvexen Abschnitts 22A liegt auf einem Kreis mit einem
Radius von ungefähr
2,5 cm, obgleich Radien von 2–10,5
cm für
annehmbar befunden wurden.
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Außerdem enthält der Stift 10 eine
abgeschrägte
Fläche 17,
welche die Flächen 12 und 16 verbindet.
Die abgeschrägte
Fläche 17 würde während des
Gebrauchs in eine Richtung zur Mitte des gebildeten Rohres hin gedrängt werden.
Die Verformung würde
ausreichen, um zur Folge zu haben, dass die entstandene Fläche, die
durch die Flächen 12, 17 und 21 auf der
Innenseite des entstandenen Rohres gebildet wird, glatt ist.
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Die 3a bis 3c zeigen
die errechnete Dehnungsbeanspruchung, die in der Endanschlagschulterregion
einer Verbindung hervorgerufen wird. In diesen Figuren bedeutet
eine dunklere Schattierung, dass diese konkrete Region einer größeren Dehnungsbeanspruchung
ausgesetzt ist. Die Mitte des konvexen Abschnitts hat Koordinaten
von –0,165 cm,
22,05 cm und die der Fläche
in 3b (–0,292 cm,
22,05 cm). Bei diesen Koordinaten bezieht sich die x-Achse auf die
in 2 gezeigte Achse x, mit Bezug auf den gedachten
Punkt A. Die y-Koordinate wird von der Mitte des Rohres aus gerechnet.
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Die
Kastensektion der in den 3a und 3b gezeigten
Verbindungen enthält
eine konvexe Fläche
mit einem Radius von 2,5 cm. Zwei Hauptunterschiede sieht man in
der Verteilung der Belastung zwischen den zwei Verbindungen gemäß der Erfindung
und der Verbindung des Standes der Technik von 3c.
Erstens befindet sich die Hauptbelastung in den Verbindungen, die
den konvexen Abschnitt aufweisen, in den zwei Bereichen, wobei sich der
erste um die Dichtungskanten 31 herum befindet. Die zweite Region
ist dann zwei Keulen 30, eine an jeder Sektion des Rohres
und eine beträchtliche
Entfernung von der Dichtfläche
entfernt.
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Es
ist zu sehen, dass die Keulen 30 radial in den Körper des
Stiftes und der Kastenelemente hineinragen. Das hat eine Abdichtung
zur Folge, die im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Biegekräfte stärker ist
als bei herkömmlichen
Verbindungen. Die Auswirkung dessen ist in der Verbindung im Ergebnis
eines angelegten Drehmoments gezeigt. Auch hier, wie in den 3a–3c,
bedeuten die dunkleren Bereiche Regionen mit hohem Fluss. In der
Verbindung des Standes der Technik von 4c ist
zu sehen, dass der plastische Fluss vor allem in der Region 45 der Dichtflächen 16 und 23 liegt,
mit einem geringen Betrag 46 auf der flachen Fläche 13, relativ
nahe an dem gekrümmten
Scheitelpunkt 14.
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Dieser
plastische Fluss führt
zu einer erheblichen Schwächung
der Abdichtung, die durch diese Flächen 16, 23 gebildet
wird.
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Darüber hinaus
dient die Abdichtung entlang dieser Achse dazu zu verhindern, dass äußerer Druck,
der in den Gewindegängen
entlang wirkt, die zwei Endanschlagschultern auseinanderdrückt und so
die Abdichtung aufbricht.
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Im
Gegensatz dazu ist der plastische Fluss, der in den entsprechenden
Regionen 42, 44 der Verbindungen, die in den 4a bzw. 4b gezeigt sind,
hervorgerufen wird, in diesen Regionen geringer, mit einer entsprechenden
Verringerung der Schädigung
der Abdichtung, die durch diese Dichtflächen gebildet wird. Obgleich
ein geringer Betrag an plastischem Fluss in den Regionen gezeigt
ist, die, wie aus den 3a und 3b zu
ersehen ist, einer erheblichen Dehnungsbeanspruchung unterliegen, ist
der Fluss des Weiteren relativ klein, was darauf hindeutet, dass
eine starke Abdichtung beibehalten wird.
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Ohne
auf eine bestimmte Theorie beschränkt zu sein, ist ein weiterer
Grund, warum der konvexe Abschnitt die Festigkeit einer Verbindung und
ihre Widerstandsfähigkeit
gegen Biegebeanspruchung verstärkt,
folgender. Man nimmt an, dass die Oberfläche bewirkt, dass eine Dehnungsbeanspruchung,
die aus der Kopplung zweier Rohrverbindungen herrührt, in
einer Region der Verbindung konzentriert wird, die von der Dichtfläche 16, 23 entfernt liegt.
Die Konzentration im Wesentlichen aus gespeicherter Energie erbringt
eine sehr starke Abdichtung, und dass diese Energie in einer relativ
starken Sektion der Rohre konzentriert ist, die einem plastischen Fluss
widersteht.
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Obgleich
die konvexe Fläche 22 mit
einer Fläche
veranschaulicht ist, die auf dem Umfang eines Kreises liegt, kann
sie auch die Form einer Anzahl anderer gekrümmter Flächen haben, wie zum Beispiel
einer Ellipse, die eine Kurve beschreibt, die folgende verallgemeinerte
Formel hat: x2/a2 +
y2/b2 = 1. Die Fläche kann
auch ohne eine planare Sektion 24 ausgebildet werden, wobei
in diesem Fall die Fläche zwischen
dem Scheitelpunkt 14 und dem Fuß der Gewindespitze 11 ausschließlich konvex
ist.
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Alternativ
kann die Fläche 13 zwischen
dem Scheitelpunkt 14 und dem Fuß der Gewindespitze 11 mehrere
konvexe Flächen
enthalten, zwischen denen gegebenenfalls eine im Wesentlichen planare Sektion
angeordnet sein kann.
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Das
verbesserte Leistungsverhalten von Dichtungen, die eine gekrümmte Dichtfläche enthalten,
ist in den 5a bis 5c gezeigt,
wobei die in diesen Figuren gezeigten Dichtungen denen der 3a bis 3c entsprechen.
Diese Figuren zeigen die simulierte Reaktion bestimmter Rohrverbindungen
auf Druckunterschiede zwischen dem Rohrinneren und dem Rohräußeren und
auf eine Biegebeanspruchung des Rohres. Die schattierten Bereiche entsprechen
Kombinationen aus Biegebeanspruchung und Druckunterschieden, wo
die Verbindung stabil ist. Die inneren, dunkleren Bereiche entsprechen
Rohrverbindungen, bei denen die Achse der einzelnen zusammengefügten Rohre
bereits nicht-koaxial ist. Wie aus den 5a und 5b zu erkennen
ist, erstrecken sich die stabilen Regionen über einen großen Keulenbereich
und große
Druckunterschiede. Diese Ergebnisse stehen im Vergleich zu der Reaktion
der Rohrverbindung des Standes der Technik, die in 5c gezeigt
ist und die lediglich in einem begrenzten Bereich stabil ist, nämlich im
ersten Quadranten des Diagramms.
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Die
abgeschrägte
Fläche
kann einen konkaven Abschnitt entlang mindestens einer Sektion ihrer Länge enthalten,
um eine glattere Verbindung zu erhalten und einen turbulenten Fluss
innerhalb des durch das Rohr fließenden Fluids zu verringern.
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Es
versteht sich natürlich,
dass die Erfindung nicht auf die im vorliegenden Text konkret offenbarten Details
beschränkt
ist, die lediglich beispielhaft genannt wurden, und dass verschiedene
Modifikationen und Änderungen
innerhalb des Geltungsbereichs der angehängten Ansprüche möglich sind.