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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auskleiden
eines Rohres mit einer polymeren Auskleidung.
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Das Verfahren ist beispielsweise anwendbar zum Auskleiden
eines im Boden eingegrabenen Gas-, Wasser- oder Abwasserrohres.
Solche Rohre bestehen aus Gußeisen oder Stahl oder insbesondere,
im Fall von Wasser, z. B. aus Asbestzement oder Beton, und
insbesondere Gußeisenrohre können mit Bitumen oder Beton
ausgekleidet sein.
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In der britischen Patentanmeldung GB-A-2186340 ist ein
Verfahren beschrieben, das auf im Erdreich verlegte Gas-,
Wasser- oder Abwasserrohre anwendbar ist und bei dem eine Länge
Synthetikharz-Auskleidung erhitzt, durch eine Matrize und durch
das auszukleidende Rohr hindurch gezogen und unter Druck gesetzt
wird, damit es sich in Wirkverbindung mit der Innenwand des
Rohres ausdehnt.
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Im US-Patent 3 462 825 (Pope u. a.) ist ein Verfahren
beschrieben, das zum Auskleiden von flexiblen oder starren
Rohren in der Fabrik anwendbar ist, indem eine Auskleidung durch
eine Matrize und das Rohr hindurch gezogen wird und dann das
Auskleidungsrohr freigegeben wird, das sich daraufhin in feste
Anlage an die Innenwand des Rohres ausdehnt. Das Rohr hatte
einen relativ kleinen Durchmesser mit einem Innendurchmesser von
2,06 Zoll (51,5 mm), und das Auskleidungsrohr hatte einen
Außendurchmesser von 2,3 Zoll (57,5 mm). Das Auskleidungsrohr
war relativ dünn mit einer Wanddicke von 0,07 Zoll (1,75 mm),
was ein Standard-Dimensions-Verhältnis (SDR) von 33 ergibt. Das
Auskleidungsrohr bestand aus Fluorkohlenstoff. Im allgemeinen
war der Außendurchmesser des Auskleidungsrohres 10 bis 15%
größer als der Innendurchmesser des auszukleidenden Rohres.
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In der britischen Patentschrift Nr. 807 413 (Tubovit Sicieta
per Azioni) ist ein Verfahren beschrieben, das zum Auskleiden
von Metallrohren in der Fabrik anwendbar ist, indem ein
erhitztes Auskleidungsrohr durch eine Matrize und durch das
auszukleidende Rohr gezogen wird und das Auskleidungsrohr sowie
das Erhitzen desselben nachgelassen werden. Der
Matrizendurchmesser ist der gleiche wie der des auszukleidenden
Rohres oder ganz wenig kleiner. Das Auskleidungsrohr aus
Polyvinylchlorid ist ein wenig größer als das auszukleidende
Rohr und ist 3 mm dick oder weniger. Das Auskleidungsrohr wird
vor und während der Matrizen-Reduzierung auf eine Temperatur
erhitzt, bei der es relativ weich ist, und die Kraft, die
eingesetzt wird, um es durch das Rohr hindurch zu ziehen, ist
nur relativ klein.
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In GB 2186340 wird ein solches Matrizen-Anschwellen, wie es
nach der Hauptmatrize auftritt, durch die Wirkung der zweiten
Matrize eliminiert, die in jedem Fall das Halsstück macht,
nämlich den Durchmesser, der in das Rohr geht. In US 3 462 825
und GB 807 413 ist kein Matrizen-Anschwellen gezeigt, und der
Durchmesser, der in das Rohr geht, ist der Durchmesser des
Halsstücks. Das Anschwellen ist die Vergrößerung des
Durchmessers, die das Auskleidungsrohr nach dem Durchgang durch
die Matrize erfährt.
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Das eigene Patent EP-B-0341941 beschreibt ein Verfahren zur
Auskleidung eines eingegrabenen Rohres mit einer polymerischen
Schicht bzw. Auskleidung, mit den Verfahrensschritten, daß die
Auskleidung durch eine Matrize gezogen wird, um den Durchmesser
zu reduzieren, und durch das Rohr, und daß bei Wegnahme der
Zugkraft der Auskleidung die Möglichkeit gegeben wird, zumindest
auf den Mindestinnendurchmesser des Rohres zurückzukehren, wobei
die Auskleidung einen Maximaldurchmesser vor der Matrize und
einen Mindestdurchmesser in der Matrize hat und die Matrize eine
Längsmittelachse sowie einen Eintritt und ein Halsstück
aufweist, die um die genannte Achse symmetrisch angeordnet sind,
wobei der Eintritt im Durchmesser in Richtung auf das Halsstück
abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize außerdem einen
Austritt aufweist, der im Durchmesser vom Halsstück weg zunimmt,
und die Auskleidung einen Zwischendurchmesser nach der Matrize
aufweist, bevor die Auskleidung in das Rohr eintritt, wobei die
Zugkraft so ist, daß sie teilweise die Matrizen-Ausbauchung der
Auskleidung nach deren Austritt aus dem Halsstück behindert, und
wobei die Auskleidung sich nach innen biegt, bevor sie den
ersten Kontakt mit der Matrize am Eintritt findet, dann den
Eintritt verläßt, bevor sie sich kontinuierlich über ihren
Mindestdurchmesser biegt, wenn sie das Halsstück passiert, und
dann der Matrizen-Ausbauchung unterliegt, die in dem genannten
Zwischendurchmesser resultiert, der in das Rohr eintritt.
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Bei diesem Verfahren biegt sich das Auskleidungsrohr bei
seinem Durchgang durch die Matrize hindurch.
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Die vorliegende Erfindung modifiziert die in EP-B-0341941
beschriebene Erfindung insofern, als die innere Spannung bzw.
Beanspruchung im Auskleidungsrohr infolge seines Biegens in das
Auskleidungsrohr allmählicher eingebracht wird, im Vergleich zu
dem in EP 0341941B beschriebenen Verfahren. Dies wird dadurch
erzielt, daß eine Matrize verwendet wird, bei welcher der
Eintritt gekrümmt statt gerade ist.
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Matrizen mit gekrümmten inneren Arbeitsflächen sind bereits
vorgeschlagen worden in GB-A-807413, US-A-2249510, FR-A-2096557
und AU-A-65481/74. Keiner dieser Vorschläge führt zu einem
Verfahren zum Auskleiden eines Rohres unter Verwendung einer
polymeren Auskleidung, wie es nach der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagen wird. Die bekannten Verfahren befassen sich nicht
mit einer polymeren Auskleidung, die eine Matrizen-Ausbauchung
oder -Anschwellung zeigt,
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Auskleiden eines Rohres
mit einer polymeren Auskleidung umfaßt folgende
Verfahrensschritte: Ziehen der Auskleidung durch eine Matrize
hindurch, um den Durchmesser zu reduzieren, und durch das Rohr
hindurch, und bei Wegnahme der Zugkraft wird der Auskleidung die
Möglichkeit gegeben, sich zumindest auf den
Mindestinnendurchmesser des Rohres zurückzustellen, wobei die
Auskleidung einen Maximaldurchmesser vor der Matrize und einen
Mindestdurchmesser in der Matrize hat und die Matrize eine
Öffnung hat, die mit Bezug auf eine zentrale Längsachse
symmetrisch ist, und in Richtung der Bewegung der Auskleidung
einen Eingang, ein Halsstück und einen Ausgang aufweist, wobei
der Durchmesser der Öffnung in der genannten Richtung über den
Eingang hinweg auf ein Minimum am Halsstück abnimmt und über den
Ausgang hinweg zunimmt, wobei die Auskleidung einen
Zwischendurchmesser nach der Matrize und bevor die Auskleidung
in das Rohr eintritt aufweist, wobei die Zugkraft so ist, daß
sie teilweise das Aufschwellen der Auskleidung nach Austritt aus
dem Halsstück zurückhält und die Auskleidung sich in Richtung
auf die genannte Achse biegt und dabei eine konvexe
Außenoberfläche bietet, wenn in einer Schnittebene gesehen, die
sich in Längsrichtung der Auskleidung erstreckt und die genannte
Achse enthält, und dann die Auskleidung sich von der Achse
wegbiegt und dabei eine konkave Außenoberfläche bietet, wenn in
der genannten Ebene gesehen, wobei die Auskleidung sich
kontinuierlich über ihren Mindestdurchmesser hinweg biegt, wenn
sie das Halsstück passiert, und danach einem Matrizenanschwellen
unterliegt, das zu dem genannten Zwischendurchmesser führt, der
in das Rohr eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang,
in der genannten Ebene gesehen, über die gesamte axiale Länge
zwischen der Stelle, wo die Auskleidung zuerst die Matrize nach
dem Einwärtsbiegen berührt, und dem Halsstück konvex ist und die
Auskleidung kontinuierlich mit der Matrize über die gesamte
axiale Länge in Eingriff steht.
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Ein Verfahren zum Auskleiden eines Rohres mit einer
polymeren Auskleidung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens werden nunmehr beispielsweise mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt
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Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Erdboden mit dem
auszukleidenden Rohr und mit dem Auskleidungsrohr,
wie es gerade durch das auszukleidende Rohr hindurch
gezogen wird, und
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Fig. 2 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch die Matrize
und durch das Auskleidungsrohr beim Durchgang durch
die Matrize.
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Das Verfahren zum Auskleiden eines Rohres unter Verwendung
eines polymeren Auskleidungsrohres ist im wesentlichen das
gleiche, wie es in EP-B-0341941 beschrieben ist. Eine
Beschreibung der bei dem Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung verwendeten Matrize ist hierin enthalten.
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Das Verfahren ist so wie es z. B. in Fig. 1 veranschaulicht
wird.
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Von nun an wird das Auskleidungsrohr als "die Auskleidung"
und das auszukleidende Rohr als "das Rohr" bezeichnet.
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Fig. 1 zeigt ein im Erdboden verlegtes Rohr 10, das in
diesem Fall beispielsweise eine gußeiserne Gas-Hauptleitung sein
kann, wobei dessen Enden 12, 14 bei zwei Ausschachtungen 16, 18
freigelegt sind. Das Rohr setzt sich fort bei 20, 22, und Stücke
sind bei den Ausschachtungen 16, 18 herausgenommen worden.
Schließlich wird das ganze Rohr ausgekleidet und die Auskleidung
zusammengefügt, um eine kontinuierliche Hauptleitung
herzustellen.
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Die Auskleidung 30 besteht beispielsweise aus Polyethylen
und wird durch eine Winde 32 und ein Seil 34 durch eine Zieh-
bzw. Reduziermatrize 36 und durch das Rohr 10 hindurch gezogen.
Die Auskleidung 30 wird nach Austritt aus der Matrize 36 durch
eine Rolle 38 geführt, um den Eintritt in das Ende 12 des Rohres
10 zu erleichtern. Die Matrize 36 ist durch in den Boden
eingetriebene Bauteile (nicht dargestellt) gesichert. In einer
alternativen Position wird die Matrize 36 durch direkte
Anbringung am Ende 12 des Rohres oder mit Bauteilen gehalten,
die mit dem Ende 12 in Eingriff stehen. Die Winde 32 muß
ebenfalls durch Bauteile (nicht dargestellt) gesichert werden,
die in den Erdboden eingetrieben werden, oder vom Ende des
Rohres 14.
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Vor den Tätigkeiten nach Fig. 1 wurde das Rohr gereinigt und
auf Innenabmessung durch geeignete Rohrmolche überprüft, die
durch das Rohr hindurch bewegt wurden. Gleichzeitig wurden
Vorsprünge im Innern des Rohres beseitigt. Die Auskleidung wurde
über dem Erdboden aus Stücken von Auskleidung aufgebaut. Die
Auskleidungsstücke wurden Ende an Ende stumpfgeschweißt, und die
äußere Naht an jeder Schweißstelle wurde beseitigt, oder sie
wurde direkt von einem Auskleidungswickel her eingeführt
(beispielsweise bei Abmessungen bis 180 mm). Ein Ziehkonus wurde
am vorderen Ende der Auskleidung befestigt. Das Seil 34 wurde am
Ende eines steifen Stabes befestigt, und der Stab wurde durch
das Rohr 10 hindurch vom Ende 14 zum Ende 12 geschoben, bis das
Seilende am hinteren Ende des Stabes aus dem Ende 12 heraustrat.
Das Seil 34 wurde gelöst, durch die Matrize 36 hindurchgeführt
und mit dem Konus an der Auskleidung verbunden. Die Winde 32
wurde dann betätigt, um die Auskleidung durch die Matrize 36
hindurch zu ziehen, wobei die Längsdehnung der Auskleidung
weniger als 10%, vorzugsweise 8% betrug.
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Der Betätiger der Winde hält diese auf oder nahe einer
konstanten Geschwindigkeit. Die Vorwärtsbewegung der Auskleidung
30 kann beispielsweise 3 Meter pro Minute betragen.
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Nach Beendigung des Ziehens wird der Auskleidung die
Möglichkeit gegeben, sich wenigstens bis zum
Mindestinnendurchmesser des Rohres zurückzuverformen. Die
Auskleidung wird abgeschnitten, wobei ein ausreichendes Stück
Rohr beibehalten wird, damit die Herstellung einer geeigneten
Verbindung möglich ist.
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Wo die Matrize das Ende des Rohres 10 oder ein Bauteil oder
mehrere, die mit dem Ende des Rohres 10 in Eingriff stehen,
erreicht, ist eine gespaltene Matrize wesentlich. Das Windenseil
34 wird von der Auskleidung 30 abgenommen, die dann
abgeschnitten wird, um genügend Länge zuzulassen, um die
Kontraktion aufzunehmen, wenn die Auskleidung sich rückstellt.
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Fig. 2 zeigt das Verhalten der Auskleidung 30, wenn sie die
Stahl-Reduzierungsmatrize 36 passiert.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, kommt die Auskleidung 30 mit der
Matrize 36 an deren Eintritt 54 in Wirkverbindung, wobei sich
die Auskleidungswand dazu nach innen gebogen hat. Wie in der
Schnittebene nach Fig. 2 gesehen, bietet die Auskleidung eine
konvexe äußere Oberfläche 72 während dieser Biegestufe in
Richtung auf die Achse 50. Die Auskleidung 30 biegt sich von der
Achse 50 weg und bietet dabei eine konkave äußere Fläche bei 76,
wie in der gleichen Schnittebene gesehen. Dann biegt sich die
Wand kontinuierlich über ihren Mindestdurchmesser beim Durchgang
durch das Halsstück 58, wobei die äußere Oberfläche konkav
bleibt. Nach Verlassen der Matrize biegt sich die Auskleidung 30
wieder von der Achse 50 weg, wobei sie dabei eine konvexe äußere
Oberfläche zeigt. Am Punkt 80 erreicht der Durchmesser, der nach
der Matrize zugenommen hat, einen Maximalwert. Dies wird als
"Matrizen-Anschwellung" oder "Matrizenausbauchung" definiert,
die in das Rohr 10 eintritt. Nach dem Punkt 80 biegt sich die
Wand 74 ganz leicht in einen kleineren Durchmesser, und zwar
eine gewisse Strecke über den in der Figur dargestellten Bereich
hinaus.
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Der exakte Betrag der Matrizenausbauchung ist die Differenz
zwischen dem Durchmesser bei 80 und dem Mindest- oder
Halsstückdurchmesser bei 58 der Matrize 36.
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Die Matrizenausbauchung muß bei Auswahl der
erfindungsgemäßen Parameter berücksichtigt werden. So ist es
erfindungsgemäß der Durchmesser der Auskleidung, einschließlich
der Matrizenausbauchung, der so gewählt wird, daß er geringer
ist als der Mindest-Bohrungsdurchmesser des Rohres 10.
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Die Ziehkraft wird vorzugsweise auf etwa der Hälfte der
Streckgrenze der Auskleidung gehalten, und die Matrize ist so
dimensioniert, daß sichergestellt ist, daß die
Matrizenausbauchung gerade auf dem richtigen Wert ist.
Vorzugsweise wird die Wahl so getroffen, daß die Auskleidung 30
in das Rohr 10 mit einem "Fenster" gezogen werden kann, damit
das Ziehen notfalls für z. B. 30 Minuten gestoppt werden kann.
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Die Matrize wirkt als ein Mittel zur Reduzierung des
Auskleidungs-Durchmessers vermittels ihres Profiles und
Reibungswiderstandes. Die Arbeit an der Auskleidung ist in
erster Linie das Biegen.
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Die Auskleidung 30 (Fig. 2) nähert sich der Matrize 36 und
biegt sich in Richtung auf die Achse 50. Die äußere Oberfläche
der Auskleidung 30 ist konvex, wie in diesem Schnitt gesehen.
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Dann berührt die Auskleidung den Eintritt 54 der Matrize 36,
wobei der Eintritt oder Eingang die ganze gekrümmte Fläche bis
zum Halsstück 58 ist, aber dieses nicht einschließt. Es ist
nicht leicht, diese Teilstücke auf der dargestellten Figur zu
differenzieren. Um dies zu erleichtern, wurde eine radiale Linie
senkrecht zur Innenoberfläche am Halsstück 58 in der Figur
gezogen. Der Eintritt oder Eingang 54 ist die ganze innere
gekrümmte Oberfläche der Matrize 36 zur Linken der Linie A. Das
Halsstück 58 ist an der Linie A. Rechts der Linie A ist der
Austritt oder Ausgang 60.
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Etwa im Bereich 90 kehrt die Auskleidung 30 ihr Biegen um
und biegt sich von der Achse 50 weg. Dabei bietet sie eine
konkave äußere Oberfläche.
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Die Matrize 36 ist anders als die im Patent EP-B-0341941
gezeigte, und zwar insofern, als anstelle eines geraden
Abschnitts zum Eintritt 54 an dieser Stelle die Matrize 36 eine
einwärts gerichtete konvexe Oberfläche 92 hat. Die einwärts
konvexe Oberfläche 92 paßt sich so weit wie möglich der äußeren
konkaven Oberfläche der Auskleidung 30 an.
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Die Auskleidung 30 berührt die Matrize 36 zum ersten Mal am
Punkt 100. Eine Linie B senkrecht zur Matrizenoberfläche wurde
in der Figur gezogen. Verglichen mit dem Verfahren nach
EP-B-0341941 steht die Auskleidung mit der Matrize bis zum
Halsstück 58 kontinuierlich in Wirkverbindung. Daher wird die
Beanspruchung (Formänderungsarbeit), die in die Auskleidung 30
durch die Matrize 36 eingebracht wird, allmählich über den Bogen
der Oberfläche der Durchgangsöffnung zwischen den Linien A und B
im Vergleich zu dem in EP-B-0341941 beschriebenen Verfahren
eingeführt.
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Die Abmessungen nach Fig. 2 sind folgende:
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L : 160 mm (nominell)
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T : 140 mm
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W : 10 mm
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R : 30 mm
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Eine zweite Matrize, ähnlich der beschriebenen, bei der aber
T = 144 mm anstatt 140 mm war, wurde verwendet, um die folgenden
Ergebnisse zu erzeugen:
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Unter
Verwendung einer solchen Matrize wurden die folgenden
Ergebnisse erzielt, wobei das Verfahren durchgeführt wurde bei
Matrize und Rohr (a) trocken und (b) mit Wasser geschmiert:
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All jene Tests wurden bei Umgebungstemperatur von 18ºC
durchgeführt, wobei keine Wärme am Auskleidungsrohr oder an der
Matrize angewandt wurde. Das Auskleidungsrohr bestand aus PE-X-
Polyethylen.
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Es ist aus jenen Ergebnissen festzustellen, daß in dem Maße
wie die Last reduziert wird (z. B. durch die Wirkung der
Schmierung) der bei 80 gemessene Durchmesser, während das
Auskleidungsrohr noch unter Last steht, (d. h. der Durchmesser
des Auskleidungsrohres, einschließlich der Matrizenaufbauchung)
zunimmt.
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Es wird vorgezogen, während der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens Schmiermittel zu verwenden. Es muß
jedoch eine Beurteilung stattfinden bei der Auswahl der
Matrizenabmessung in Relation zum Durchmesser des
Auskleidungsrohres vor der Reduktion, damit sich das richtige
Spiel zwischen dem Auskleidungsrohr und dem auszukleidenden Rohr
während der Installation ergibt, und eine ausreichende
Rückverformung des Auskleidungsrohr-Durchmessers muß bei
Wegnahme der Last erzielt werden, um ein endgültiges
ausgekleidetes Rohr zu erzeugen, in dem das Auskleidungsrohr
einen engen Sitz bildet.
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Die Erfindung ist auch anwendbar für andere Gütegrade von
Polyethylen, neben PEX z. B. auch für hochdichtes (HDPE) und für
mitteldichtes (MDPE) wie auch für quervernetztes Polyethylen.
Sie ist auch anwendbar auf Polypropylen. Die Erfindung kann
angewandt werden zum Auskleiden von gußeisernen und Stahl-
Rohrleitungen, einschließlich eingegrabene Rohrleitungen und
installierte Rohrleitungen. Im allgemeinen können große Längen
von Rohrleitung ausgekleidet werden (z. B. 200 Meter). Die
Erfindung ist verwendbar, um Stahlrohre auszukleiden, bevor die
Rohre verbunden werden, um noch größere Längen herzustellen, und
bevor die Rohrleitung in der endgültigen Lage installiert wird.
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Jedes in diesem Fall auszukleidende Rohr kann beispielsweise 150
Meter lang sein.
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Das Standard-Abmessungsverhältnis des Auskleidungsrohres
kann z. B. 33 sein, oder ein niedrigerer Wert, wie z. B. SDR 26,
17 oder 11 kann verwendet werden. Standard-Abmessungsverhältnis
bedeutet den Quotient, der erhalten wird, indem der
Außendurchmesser des Auskleidungsrohres L durch die Wanddicke W
dividiert wird. Abhängig von der Wanddicke kann das endgültige
ausgekleidete Rohr als einem allein stehenden Kunststoffrohr
gleichwertig angesehen werden. Mit anderen Worten: ein solches
Rohr würde in der Lage sein, dem abgeschätzten Druck von Gas
oder Wasser oder einem anderen Produkt zu widerstehen, das
hindurch zu leiten ist, ohne daß man sich auf das ursprüngliche
äußere Gußeisen- oder Stahlrohr verläßt. Andererseits kann das
Auskleidungsrohr bloß eine Auskleidung sein, die z. B. zum Zweck
des Korrosionsschutzes eingesetzt wird, aber nicht die Fähigkeit
besitzt, dem Druck des geförderten Mediums zu widerstehen, ohne
aus der Festigkeit des umgebenden Rohres, z. B. aus Stahl, zu
profilieren.
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In dieser Beschreibung bedeutet der Ausdruck
"Auskleidungsrohr" eine Auskleidung, die verwendet wird, um
entweder ein allein stehendes Kunststoffrohr oder lediglich eine
Auskleidung zu erzeugen, die Antikorrosions- oder andere
Eigenschaften in sich birgt, die nicht in Beziehung stehen zur
Druckbeständigkeit.