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Die vorliegende Erfindung betrifft Rohrverbindungen für
faserverstärkte Verbundrohre und insbesondere Verbindungen
zwischen benachbarten Stücken aus faserverstärktem
Verbundrohr, welche zur Verwendung mit herkömmlichem
Fiberglasrohr, hochfestem Karbonfaserverbundrohr oder mit
hochfestem faserverstärktem Rohr, das eingebettete
Stahlstreifen enthält, geeignet sind.
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Faserverstärktes Verbundrohr wird häufig eingesetzt, wenn
korrosive Materialien in einer Rohrleitung geführt werden oder
wenn die Rohrleitung im Meer geborgen ist oder auf dem
Meeresgrund liegt oder anderweitig einer externen, korrosiven
Umgebung ausgesetzt ist. Es sind Verfahren entwickelt worden
zur Herstellung eines faserverstärkten Rohrs, das hohen
inneren Drücken standhält. So hatte bspw. ein typisches
Hochdruckrohr in jüngerer Vergangenheit einen Nenndurchmesser
von 10 cm und einen inneren Berstdruck von ungefähr 600 bar.
In noch jüngerer Vergangenheit wurden faserverstärkte
Hochdruckrohre mit einem Nenndurchmesser von 20 cm mit einem
Berstdruck von 1.200 bar eingestuft.
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Ein solches faserverstärktes Verbundrohr kann bei Verstärkung
mit Glasfasern eine Wanddicke im Bereich von 5 cm aufweisen,
was dieses offensichtlich teuer und schwer macht. Es findet
zur Zeit eine Entwicklung einer anderen Art von
Hochdruckrohren statt, die spiralförmig gewundene
Stahlstreifen, die in faserverstärktem Harz eingebettet sind,
umfassen. Eine solche Ausführungsform weist eine gute
Festigkeit auf, so dass die Wandstärke auf bis zu 7 mm für ein
Rohr mit 25 cm Nenndurchmessers verringerbar ist. Ein solches
Rohr ist z. B. im US-Patent Nr. 4 351 364 beschrieben und
dargestellt.
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Ein wesentliches Anliegen bei einem solchen hochfesten Rohr,
das entweder fasergewickelt ist oder Stahlverstärkungen
aufweist, ist die Kupplung oder Verbindung zwischen
benachbarten Rohrstücken. Die Rohrverbindung muss in
Umfangsrichtung eine Berstfestigkeit aufweisen, die wenigstens
so hoch und vorzugsweise höher als die vorgegebene Festigkeit
des Rohrs ist. Von noch höherer Bedeutung ist, dass die
Verbindungen eine ausreichende Scherfestigkeit in
Längsrichtung aufweist, um zu verhindern, dass die Rohrstücke
unter Innendruck oder anderen Axiallasten voneinander getrennt
werden. Vorzugsweise sind die Verbindungen derart konstruiert,
dass sie eine ausreichende Scherfestigkeit in Längsrichtung
aufweisen, so dass sie nicht vor dem Bruch der Rohrleitung
selbst versagen.
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Die Konstruktion einer für faserverstärkte Verbundrohre
geeigneten Verbindung weicht deutlich von Metall ab, da das
faserverstärkte Verbundrohr im Gegensatz bspw. zu Stahl eine
sehr geringe Dehnbarkeit aufweist. Dies hat entscheidende
Einschränkungen zur Folge, was in Rohrverbindungen gemacht
werden kann. Bei herkömmlichen Muffenverbindungen, die
gesichert werden, indem die Verbindung mit Klebemittel gefüllt
wird, bewirkt die hohe Steifheit des geklebten Bauteils eine
hohe Scherbeanspruchung auf das Klebemittel in der Verbindung.
Die Verteilung der Beanspruchung entlang der Verbindung ist
nicht gleichförmig. Die Scherbeanspruchung an den Enden des
Klebemittels ist vergleichsweise hoch und kann das bis zu
Dreifache der durchschnittlichen Beanspruchung betragen und
nimmt von den Enden in Richtung Mitte stark ab. In einer
langen Klebeverbindung kann die Scherbeanspruchung in der
Mitte der Verbindung fast null betragen.
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Die hohe Beanspruchung an den Enden des Klebemittels in einer
solchen überlappenden Scherverbindung kann benachbart zum Ende
der Verbindung zum Versagen und Abscheren des Klebemittels
führen. Dies bewirkt, dass die Scherbeanspruchung weiter
entlang der Verbindung übertragen wird, und es findet ein
progressives Versagen bei Durchschnittsbeanspruchungen statt,
die anscheinend innerhalb der Festigkeitsgrenzen des
Klebemittels liegen.
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Auch andere Verbindungen für faserverstärkte Rohre sind
aufgrund der Steifheit des faserverstärkten Verbunds
schwierig. Es ist wünschenswert, eine Rohrverbindung zu
schaffen, die die Beanspruchung entlang der Länge der
Verbindung umverteilt, um ein solches progressives Versagen
der Verbindung zu verhindern. Vorzugsweise hat die Verbindung
eine höhere Festigkeit als die von der Verbindung entfernte
Rohrwand. Die Rohrverbindung sollte einen hohen
Sicherheitsabstand aufweisen, z. B. eine Festigkeit gegen
Versagen, die höher als die eingestufte Festigkeit der
Verbindung ist. Die Verbindung sollte unter Einsatzbedingungen
einfach und wirtschaftlich zusammengesetzt werden.
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In der PCT-Schrift Nr. WO-A-94/13993, die den nächstliegenden
Stand der Technik darstellt, ist eine Rohrkupplung offenbart,
die im Wesentlichen zwei Rohrenden umfasst, die mit einem
Befestigungsmechanismus mit einem Keil und einer Nut
zusammengehalten werden, der zwischen benachbarten Rohr- und
Seitenwänden angeordnet ist.
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Im US-Patent 3,104,583 ist die Verwendung von
schraubenförmigen Nuten und Keilen offenbart.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Rohrverbindung
zu schaffen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Rohrverbindung für
faserverstärkte Verbundrohre bereitgestellt, welche umfasst:
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Ein faserverstärktes Verbundrohr mit einer äußeren
Rohrkupplungshälfte an einem Ende; eine Nut, die sich um die
äußere Rohrkupplungshälfte erstreckt; eine Kupplung mit einer zur
äußeren Rohrkupplungshälfte komplementären inneren
Rohrkupplungshälfte und ein Keilelement zur Verriegelung der
inneren und äußeren Kupplungshälften miteinander; und
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eine Nut, die sich um die innere Rohrkupplungshälfte herum
erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass sich beide Nuten
spiralförmig entlang der Länge ihrer entsprechenden
Kupplungshälften erstrecken und dadurch, dass das Keilelement
separat von den Kupplungshälften vorgesehen ist und sich
spiralförmig entlang einer Vielzahl von Windungen entlang beider
Nuten zum Verriegeln der äußeren und inneren Rohrkupplungshälften
miteinander erstreckt, wobei das Keilelement eine ausreichende
Dehnbarkeit zur Scherverformung aufweist und Längsbelastungen
entlang der Länge der Rohrverbindung umverteilt und dadurch, dass
die innere Rohrkupplungshälfte eine erste Dichtfläche zwischen
dem Ende des Keilelements und dem Ende des Rohrs aufweist, die
äußere Rohrverbindung eine zweite Dichtfläche hat, die der ersten
Dichtfläche gegenüberliegt und durch ein Paar mit Abstand
angeordneten Elastomer-Umfangsdichtungen gekennzeichnet, die sich
zwischen den ersten und zweiten Dichtflächen befinden.
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Solche Rohrverbindungen sind besonders nützlich in
faserverstärktem Verbundrohr, welches spiralförmig gewundene,
in Harz eingebettete Stahlstreifen umfasst. In einer solchen
Verbindung enden die Stahlstreifen im Inneren der
Rohrverbindung und mit unterschiedlichen Abständen vom Ende
der Rohrverbindung.
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Ausführungsformen der Rohrverbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand eines Beispiels mit Bezug auf die
beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Beispiel einer faserverstärkten
Verbundrohrverbindung, wobei die äußere Kupplung im
Längsschnitt dargestellt ist;
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Fig. 2 eine Seitenansicht des teilweise im Längsschnitt
dargestellten Innenteils einer Verbindung für ein
anderes faserverstärktes Verbundrohr mit
eingebetteten Stahlstreifen;
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Fig. 3 einen Ausschnitt eines Längsschnitts des Rohrs gemäß
Fig. 2 an einer von der Rohrverbindung entfernten
Stelle;
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Fig. 4 eine Seitenansicht eines Endbereichs des Rohrs gemäß
Fig. 2 in einer Zwischenphase seiner Herstellung;
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Fig. 5 einen Querschnitt einer Ausführung eines
Keilelements für eine Rohrverbindung; und
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Fig. 6 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform
eines Keilelements.
Beschreibung
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Eine typische Rohrverbindung hat ein Innenelement aus einem
faserverstärkten Verbundrohr 10 wie es herkömmlich aus mit
spiralförmig gewundenem glasfaserverstärktem Epoxydharz
hergestellt ist. Dies sind herkömmliche Rohre, jedoch mit
einer dicken Wand zum Standhalten hoher Innendrücke. Ein
Hochdruckrohr mit einem Nenninnendurchmesser von ungefähr 20
cm kann eine Wanddicke von ungefähr 5 cm aufweisen. Das Rohr
weist benachbart zu seinem Ende einen Außenkegel 11 auf. Eine
halbrunde Nut 12 erstreckt sich spiralförmig entlang der Länge
des Außenkegels. (Es wird darauf hingewiesen, dass die
"spiralförmige" Nut in der Kegeloberfläche keine zylindrische
Spirale ist, sondern die gleiche Kegelform aufweist wie die
Kegeloberfläche 11 und eine gleichförmige Tiefe entlang der
gesamten Länge der Nut aufweist.)
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Der Außenkegel auf dem Rohr sitzt in einer Kupplung 13, die
einen Innenkegel 14 hat, die zum Außenkegel des Rohrs passt.
Der Innenkegel weist ebenfalls eine halbrunde Nut 16 mit der
gleichen Steigung wie die Nut auf dem Rohr auf. In dieser
Beschreibung bezieht sich das äußere Element der
Rohrverbindungsanordnung auf eine "Kupplung", da dies die
gewöhnliche Ausführungsform für eine Rohrverbindung ist.
Alternativ dazu kann ein Rohr mit einem Außenkegel an einem
Ende und einem Innenkegel am anderen Ende vorgesehen werden
und zum Zwecke dieser Beschreibung würde das Ende mit einem
Innenkegel mit "Kupplung" bezeichnet werden. Die "Kupplung"
kann in jedem einer Vielzahl von Rohrfittings wie Ventilen,
Flanschübergangsapparaturen, Verbindungen etc. vorgesehen
sein. Bei einer für diese Erfindung nützlichen Rohrart sind
Außenkegel an beiden Enden jeder Rohrlänge vorgesehen, und
benachbarte Rohrstücke werden durch eine kurze Kupplung mit
zwei Innenkegeln miteinander verbunden.
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Die Innen- und die Außenkegel werden durch ein rundes,
dehnbares Keilelement 17 miteinander verbunden, von dem je
eine Hälfte in jeder der halbrunden Nuten auf dem Innen- bzw.
dem Außenkegel liegt. Ein für ein Keil geeignetes Material
umfasst Nylon oder ein ähnlich dehnbares, vergleichsweise
starkes thermoplastisches Material. Ein für viele Anwendungen
bevorzugter Keil besteht aus hochreinem Aluminium, das eine
vergleichsweise hohe Festigkeit aufweist, relativ dehnbar und
korrosionsbeständig ist. Aluminium weist eine etwa zweimal so
große Scherfestigkeit wie Nylon auf. Aluminium ist für
Anwendungen erstrebenswert, bei denen das Rohr in Wasser
eingetaucht ist. Nylon neigt dazu, beim Kontakt mit Wasser
anzuschwellen.
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Ein weiterer geeigneter Keil, wie in Fig. 5 dargestellt, kann
gebildet werden, indem ein flexibler Stahlkern 18 in eine
Schicht aus einer dehnbaren Kunststoffhülle 19 wie z. B. Nylon
eingebettet wird. Der Stahlkern kann aus einem einzigen Draht
bestehen oder ist vorzugsweise ein Kabel, das für höhere
Biegsamkeit aus einer Vielzahl von miteinander verdrillten
Kabelsträngen besteht. In einer solchen Ausführungsform stellt
der äußere Kunststoff die für den Keil wichtige Dehnbarkeit
bereit, und der Stahl stellt die Scherfestigkeit bereit. Es
wird angenommen, dass es wichtig ist, den Metallkern ohne
Blasen oder Hohlräume eng in die Kunststoffhülle einzubetten.
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Eine weitere Ausführungsform eines Keils, wie in Fig. 6
dargestellt, kann ein hohles Metallrohr sein, das, wie z. B.
Edelstahl, stärker als hochreines Aluminium ist. Die
Scherfestigkeit wird durch das Metall bereitgestellt, und die
Dehnbarkeit wird durch Einbeulen der Rohrwand 21
bereitgestellt. Die gewünschte Dehnbarkeit und Scherfestigkeit
eines solchen Keils wird durch Auswahl des Materials und der
Wanddicke des Rohrs erzielt.
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Es wird bevorzugt, dass die Scherfestigkeit des Keils die
Hälfte der Scherfestigkeit der faserverstärkten
Rohrverbindungshälfte beträgt, so dass die Verformung auf
jeden Fall im Keil auftritt und Belastungen, die ein Versagen
des faserverstärkten Verbunds bewirken könnten, vermieden
werden.
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Ein runder Keil wird bevorzugt, so dass die Nuten in der
Rohrverbindung abgerundet sind. Dies minimiert
Spannungskonzentrationen in im Wesentlichen nicht dehnbaren
faserverstärkten Verbund. Weiterhin kann ein runder Keil sanft
in eine sich entlang der Kegeloberfläche erstreckenden
spiralförmige Nut gewunden werden. Ein Keil mit einem unrunden
Querschnitt verwindet sich bei Windung in eine kegelförmige
Spirale und müsste sich, um glatt in einer Nut zu liegen,
verformen.
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Es werden einige Abmessungen einer solchen Rohrverbindung
angegeben, um die Größenordnungen zu vermitteln. Für ein Rohr
mit einem Nenninnendurchmesser von etwa 20 cm beträgt die
Gesamtlänge der Rohrverbindung etwa 48 cm. Der Abstand der
Nuten in der Kegeloberfläche beträgt etwa 2,6 cm. Die Nut ist
lang genug, um 13 komplette Windungen eines Keils um den Kegel
herum aufzunehmen. Der Keil hat einen Durchmesser von etwa 7,5
mm.
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Eine wichtige Abmessung der Rohrverbindung ist der Kegelwinkel
in der Verbindung. Der eingeschlossene Halbwinkel des Kegels
liegt im Bereich von 1-5º von der Achse des Kegels. Wie im
Folgenden beschrieben schafft die Reibung in der Verbindung
einen wesentlichen Anteil der Gesamtscherfestigkeit der
Verbindung. Beträgt der eingeschlossene Halbwinkel mehr als
ungefähr 5º, kann die Verbindung zu kurz werden, um genug
Windungen des Keils aufzunehmen und um einen genügend hohen
Reibungsbeitrag zu schaffen. Beträgt der eingeschlossene
Halbwinkel weniger als ungefähr 1º, kann eine Verbindung
unangemessen lang werden und es ist schwierig, passende
Durchmessertoleranzen auf dem Innen- und Außenkegel
einzuhalten. Eine vergleichsweise kleine Durchmessertoleranz
ist erforderlich, um Axiallängenunterschiede in einer
zusammengesetzten Verbindung zu minimieren.
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Der Innenkegel und die Nut werden im Verlauf der Drehung einer
Kupplung auf einer Drehmaschine hergestellt und die
Abmessungen können gut kontrolliert werden. Der Außenkegel und
die Nut werden hergestellt und eine Durchmessertoleranz
zwischen den beiden Teilen von weniger als +/- 250 um kann
bereits eingehalten werden. Der Kegel ist verglichen mit einer
zylindrischen Oberfläche unempfindlicher gegenüber
Durchmesserunterschieden. Eine enge Passung zwischen passenden
Kegeln kann durch axiale Verlagerung erhalten werden, während
eine zylindrische Verbindung für eine gleich enge Passung mit
kleineren Toleranzen hergestellt werden muss.
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Vorzugsweise liegt der eingeschlossene Halbwinkel des Kegels
im Bereich von 2-4º. Ein Kegelwinkel von 4º wird als recht
geeignet für glasfaserverstärkte Verbundrohre bei Verwendung
eines Nylonkeils angesehen. Eine typische Verbindungslänge
kann ungefähr das 1- bis 1,5-fache des Rohrdurchmessers
betragen. Ein hochfestes faserverstärktes Rohr kann eine
ausreichende Wandstärke aufweisen, so dass ein Kegelwinkel von
bis zu 4 oder 5º benötigt wird, um sich entlang einer
geeigneten Strecke durch die Dicke der Rohrwand zu erstrecken.
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Obwohl ein Halbwinkel von 4º für ein ausschließlich durch
Fasern verstärktes Rohr geeignet ist, kann für ein
faserverstärktes Rohr mit eingebetteten Stahlstreifen (das im
Folgenden genauer beschrieben ist) vorteilhafterweise ein
kleinerer Kegelwinkel von bis zu 2º verwendet werden. Ein
solches stahlverstärktes Rohr kann eine dünnere Rohrwand
verwenden als ein Rohr, das komplett aus Fiberglas besteht,
und ein niedriger Kegelwinkel kann ausreichend sein. Es kann
angemerkt werden, dass ein größerer Kegelwinkel oft bevorzugt
wird, um das Entfernen von innen liegendem Werkzeug, wie z. B.
Winkelstücken mit einem Innenkegel an jedem Ende, zu
erleichtern, welches verwendet wird, um Fittings
aufzuschrauben. Die Durchmessertoleranzen, die zur Herstellung
der Rohrverbindung erforderlich sind, können außerdem für
größere Kegelwinkel gelockert werden.
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Die Rohrverbindung wird zusammengesetzt, indem zunächst der
dehnbare Keil in die halbrunde Nut in den Innenkegel gewunden
wird. Ein reiner Nylonkeil federt beim Einsetzen in den Kegel
nach außen und passt leicht in die Nut. Ein Aluminiumkeil kann
auf einen Kegeldorn gewunden werden, um einen Durchmesser zu
haben, der etwas größer ist als der Innenkegel. Wenn der Keil
in den Kegel geschraubt wird, passt der Keil in die Nut.
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Der Außenkegel wird dann in den Innenkegel eingesetzt, und das
eine oder andere Teil wird gedreht, um die Verbindung im
Wesentlichen zusammenzuschrauben. Das Rohr und die Kupplung
werden zusammengeschraubt bis die Kegel fest miteinander zur
Anlage kommen.
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Der Keil in der kegelförmigen Rohrverbindung schafft keine
fluiddichte Dichtung. Eine Dichtung wird bereitgestellt durch
ein klebriges, elastisches Dichtmittel (das zur Darstellung in
Fig. 1 zu dünn ist) zwischen einer äußeren Dichtfläche 22 auf
dem Rohr und einer gegenüberliegenden Dichtfläche 23 in der
Kupplung. In der dargestellten Ausführungsform weisen die
Dichtflächen mit einem Halbwinkel von 4º den gleichen Kegel
auf wie die Kegeloberflächen, die die mechanische
Rohrverbindung bilden.
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Ein Paar von in Umfangsrichtung angeordneten O-Ring-Nuten 24,
die die Dichtfläche in der Nähe des Rohrendes umgeben, nehmen
elastomere O-Ringe 26 auf, die gegen die gegenüberliegende
Dichtfläche in der Kupplung dichten. Nachdem die Verbindung
zusammengesetzt ist, kann ein flüssiges Dichtmittel durch
einen Kanal eines Paars von Kanälen 27 durch die Wand der
Kupplung eingespritzt werden. Der zweite Kanal dient als
Entlüftung und zeigt an, wann das Dichtmittel den Raum
zwischen den Dichtflächen ausgefüllt hat. Die elastomeren O-
Ringe halten das Dichtmittel innerhalb dieses Raums, während
dieses vor dem Aushärten flüssig ist. Die O-Ringe dienen
außerdem als Dämpfer an jedem Ende des Dichtmittels innerhalb
des ringförmigen Dichtmittelraums, um die Scherbeanspruchung
zu minimieren und das Dichtmittel vom Abscheren von den
gegenüberliegenden Oberflächen abzuhalten.
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Ein bevorzugtes Dichtmittel umfasst ein duroplastisches 2-
Komponenten-Polysulfidharz. Dieses Harz ist vergleichsweise
billig, temperatur- und lösungsmittelresistent und haftet
sogar an nassen Oberflächen gut. Durch die Auswahl von
Beschleunigern etc. kann die Topfzeit des Harzes eingestellt
werden, um eine angemessene Zeit zu schaffen, die Dichtung vor
dem Aushärten zu überprüfen und zu bearbeiten. Ein anderes
geeignetes Dichtmittel ist fluoriertes Silikonharz. Außerdem
können elastomere Polyurethanharze verwendet werden.
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Typischerweise beträgt die Dicke des Dichtmittels zwischen den
sich gegenüberliegenden Oberflächen ungefähr 0,75 mm. Die
Länge der Dichtflächen zwischen den O-Ringen beträgt in dieser
Ausführungsform etwa 3,9 cm, obwohl der Kegel auf den zwei
Verbindungshälften deutlich länger ist, um sicherzustellen,
dass die Kanäle 27 beim Zusammenbau der Verbindung zwischen
den O-Ringen liegen.
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Vorzugsweise liegen die Dichtflächen an dem Ende der
Rohrverbindung mit dem kleineren (inneren) Durchmesser und
jenseits des Keilendes. Dies platziert die O-Ring-Nuten in
einen Bereich des Rohrs, der eine vergleichsweise geringe
Längsspannung aufweist.
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Es wird eine zweite Ausführungsform der Rohrverbindung
beschrieben, die in den Fig. 2-4 dargestellt ist, bevor
die Funktion der Rohrverbindung beschrieben wird. In dieser
Ausführungsform umfasst das faserverstärkte Verbundrohr
außerdem eine Vielzahl von spiralförmig gewundenen
Stahlstreifen, die in die gewickelte Faserverstärkung
eingebettet sind. In Fig. 2 ist das Ende eines solchen Rohrs
mit einer Rohrverbindung dargestellt, wobei ein Bereich im
Längsschnitt dargestellt ist. Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines
Längsschnitts der Rohrwand in einer zur Darstellung von
Einzelheiten starken Vergrößerung. Fig. 4 stellt das Rohrende
in einer Zwischenstufe seiner Herstellung dar. Diese Zeichnung
entspricht einer Darstellung des Rohrs bei Wegnahme einiger
der äußeren Schichten des Rohrs.
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Diese Hälfte der Rohrverbindung passt mit einer (nicht
dargestellten) Kupplung zusammen, der einen Innenkegel
aufweist, der im Wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten
Rohrkupplung ähnlich ist, nur dass die Abmessungen und die
Geometrie zu den äußeren Abmessungen der in Fig. 2
dargestellten Rohrverbindungshälfte passen.
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Der Hauptbereich der Rohrlänge, d. h. von der Rohrverbindung
entfernt, umfasst vier Stahlstreifen 31. Die Stahlstreifen
sind für eine Darstellung im Querschnitt in Fig. 2 zu dünn,
sind jedoch in Fig. 3 ausschnittweise im Querschnitt
dargestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform eines
Rohrs mit einem Nenndurchmesser von 25 cm sind vier
Stahlstreifen spiralförmig innerhalb des faserverstärkten
Verbunds gewunden. Jeder Streifen ist 10-15 cm breit und
weist eine Dicke von 0,5 mm auf. Die Streifen sind
spiralförmig gewunden, wobei die Kanten einen geringen Abstand
voneinander aufweisen, normalerweise 2 mm oder weniger.
Aufeinander folgende Streifen sind gestaffelt, so dass die
Abstände 30 zwischen den Kanten der Streifen nicht zueinander
ausgerichtet sind. Zwischen jedem benachbarten Paar von
Stahlstreifen ist eine dünne Schicht 32 aus Epoxydharz
(ungefähr 50 um). In Innenrichtung vom innersten Stahlstreifen
ist eine Schicht 33 aus glasfaserverstärktem Epoxyd mit einer
Dicke von ungefähr 2,5 mm angeordnet. Auf der äußeren
Rohrwand, außerhalb der Stahlstreifen, ist eine weitere
Schicht 34 aus glasfaserverstärktem Epoxyd mit einer Dicke von
ungefähr 1,5 mm angeordnet. Somit sind die Stahlstreifen
vollständig in den faserverstärkten Verbund eingebettet.
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Fig. 4 stellt ein Rohrende bei Wegnahme äußerer Schichten dar
und zeigt im Wesentlichen die innerste Schicht 33 aus
faserverstärktem Verbundmaterial und die innerste Schicht aus
dem spiralförmig gewundenen Stahlstreifen 31. Das Ende des
Stahlstreifens ist im Spiralwinkel des Streifens
abgeschnitten, so dass die Schnittkante parallel zum Ende 36
des Rohrs ist. Der ansonsten scharfe Punkt am Ende des
Streifens ist entsprechend abgeschnitten. Es ist ein Loch 37
in der Nähe der Mittelachse des Streifens in der Nähe des
Endes vorgesehen, um einen (nicht dargestellten) Werkzeugstift
aufzunehmen, um das Ende des Streifens während der Wicklung zu
halten. Nachdem die Stahlstreifenschicht gewickelt ist, wird
eine Wicklung von Glasrovings 38 über den Endbereich des
Streifens in Umfangsrichtung gewickelt, um dieses sicher
festzuhalten, während nachfolgende Stahlstreifen und die
äußere Schicht aus faserverstärktem Harz zugegeben werden.
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Der nächste aufliegende Stahlstreifen wird spiralförmig mit
dem gleichen Spiralwinkel und der gleichen Wicklungsrichtung
gewickelt. Das Ende des aufliegenden Stahlstreifens wird
jedoch an einem größeren Abstand vom Rohrende als die innerste
Schicht abgeschnitten. Jede folgende Schicht ist in ähnlicher
Weise in aufeinander folgenden größeren Abständen vom Rohrende
abgeschnitten. Dies ist durch die sich erweiternde schwarze
Linie in Fig. 2 dargestellt, die in ihrer Breite bei
zunehmenden Abständen vom Rohrende zunimmt. Der Maßstab der
Zeichnung ist zu klein, um die Streifen einzeln und im
Querschnitt darzustellen. Durch Staffelung der Enden der
aufeinander folgenden Stahlstreifen wird die Belastung zur
Verbindung am Rohrende über einen nennenswerten Abstand
verteilt, im Gegensatz zu einer einzigen Stelle, an der
Spannungskonzentrationen das Rohr bei Belastung mit Druck oder
anderem beschädigen könnten.
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Es wird außerdem angemerkt, dass alle Stahlstreifen mit einem
Abstand vom Rohrende enden, so dass die Stahlstreifen
vollständig in das faserverstärkte Harz eingebettet sind. Das
umgebende Epoxyd schützt den stahl vor korrosiven Medien, die
im Inneren oder außerhalb des Rohrs vorliegen können.
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In einer beispielhaften Ausführungsform, in der die Breite der
Stahlstreifen ungefähr 10 cm beträgt, ist das Ende des
innersten Streifens ungefähr 2,5 cm vom Rohrende entfernt.
Jeder nachfolgende Stahlstreifen endet ungefähr 5 cm, oder die
Hälfte der Streifenbreite, vom Rohrende entfernt.
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Nachdem die inneren und äußeren Schichten aus faserverstärktem
Harz und die eingebetteten Stahlstreifen gewickelt worden
sind, wird die Rohrverbindungshälfte über diese Schichten am
Rohrende hinzugefügt. Zusätzliche Schichten aus mit Epoxyd
angefeuchteten Glasfaserrovings werden um die Außenseite des
Rohrs gewickelt, um eine ausreichende Dicke aufzubauen, um die
Endgeometrie der Rohrverbindung herzustellen. Normalerweise
werden die Fasern mit einem Schraubenwinkel von ungefähr 70 -
80º gewickelt, wobei einige Außenwicklungen im Wesentlichen
in Umfangsrichtung liegen. In einer beispielhaften
Ausführungsform mit einem Rohr mit Nenndurchmesser von 25 cm
beträgt der Durchmesser des dicksten Bereichs der aufgebauten
Wicklungen, aus denen die Verbindung hergestellt wird, bis zu
34 cm. Das Ende 41 des hinzugefügten faserverstärkten Verbunds
wird entweder beim Wickelvorgang oder durch Bearbeitung im
Anschluss an den Wickelvorgang auf den kleineren Durchmesser
der Hauptlänge des Rohrs abgeflacht. Die Abflachung des Endes
minimiert Spannungskonzentration benachbart zur Verbindung.
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Die Rohrverbindung weist eine externe Kegeloberfläche 42 mit
einer halbrunden Nut 43 auf, die sich spiralförmig entlang
ihrer Länge erstreckt. Der Kegel weist einen Halbwinkel von
4º auf. In einer beispielhaften Ausführungsform eines Rohrs
mit 25 cm Nenndurchmesser beträgt die Länge des Kegels, der an
einem Innenkegel in einer Kupplung anliegen könnte, wenigstens
25 cm und vorzugsweise 26 oder 27 cm. Die Steigung der Nut
beträgt ungefähr 3 cm, wodurch eine ausreichende Nutlänge
erreicht wird, um sechs volle Umdrehungen eines dehnbaren
Keils aufzunehmen. Ein typischer Keildurchmesser beträgt etwa
9,5 mm.
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Wie oben bei der Ausführungsform des faserverstärkten
Verbundrohrs ohne eingebettete Stahlstreifen beschrieben, ist
eine Dichtfläche 46 in der Nähe des Rohrendes jenseits des
Endes der Keilnut vorhanden. Die Dichtfläche liegt zwischen
den O-Ring-Nuten 47, um das Dichtmittel, während dieses in den
benachbart zu den Dichtflächen angeordneten Raum gepumpt wird,
zurückzuhalten.
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Es existiert eine Anzahl von Merkmalen der Rohrverbindung, die
zum Standhalten einer großen Längsbelastung in der Verbindung
wichtig sind. Diese umfassen die Verwendung eines dehnbaren
Keils zur Umverteilung einer Last entlang der Länge der
Verbindung in dem spröden faserverstärkten Verbund; Anordnung
des Keils entlang einer Kegeloberfläche, so dass einzelne
Scherschichten vorgesehen sind und die Scherbelastung nicht in
eine einzige Schicht in das spröde Material übertragen wird;
ein runder Keil und eine runde Keilaufnahmenut zur Minimierung
von Spannungskonzentrationen im spröden Material;
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Reibungsbetätigung der Rohrverbindung, die die durch den Keil
bereitgestellte Lastaufnahmefähigkeit deutlich verstärkt und
von dem die mechanische Belastung tragenden Aufbau unabhängige
Mittel zum Dichten der Verbindung.
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Faserverstärktes Epoxydrohr weist eine sehr geringe
Dehnbarkeit auf. Wenn man eine Muffenverbindung zwischen
Fiberglasrohrstücken mit Klebemittel klebt, wird die
Scherbeanspruchung von dem steifen Klebeteil ungleichmäßig auf
das nachgiebige Klebemittel übertragen. Es wurde gezeigt, dass
eine sehr hohe Scherbeanspruchung am Ende des Klebemittels
vorliegt, die bei Abstand deutlich abnimmt. Die hohe
Scherbeanspruchung kann ein progressives Versagen des
Klebemittels und ein Versagen der Verbindung bewirken. Die
kegelförmige Verbindung mit einem nachgiebigen Keil verhindert
dies durch Umverteilung der Last entlang der Länge der
Rohrverbindung.
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Der Anteil der Scherbelastung am Ende der Verbindung hängt von
der Länge der Verbindung ab. Eine lange Verbindung zeigt am
Ende eine Belastung, die viel höher ist als die
durchschnittliche Belastung entlang der Verbindungslänge. Eine
kurze Verbindung hat eine gleichförmigere Scherbeanspruchung.
Es kann in Betracht gezogen werden, dass der dehnbare
spiralförmige Keil die lange Verbindung in eine Anzahl von
kurzen Verbindungen aufteilt, von denen jede am Ende eine
kleinere Spannungskonzentration aufweist. Weiterhin setzt sich
das Versagen bei plastischem Scheren eines Teils des Keils
nicht in folgenden Wicklungen des Keils fort.
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Wenn eine ansteigende Belastung in Längsrichtung auf die
Rohrverbindung wirkt, beeinflusst dies verglichen mit
folgenden Windungen des Keils hauptsächlich die erste Windung
des Keils. Wenn die Belastung die Scherfestigkeit des Keils in
dessen erster Windung überschreitet, wird dieser unter
Scherung verformt und eine zusätzliche Belastung wirkt auf die
nächste Windung des Keils. Es findet eine progressive
Verformung des dehnbaren Keils entlang der Länge der
Verbindung statt, wodurch die Belastung entlang der Länge der
Verbindung umverteilt wird. In der Wirkung erhält man den
Vorteil eines dehnbaren Gewindes für ein nicht dehnbares Rohr.
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In einem Versuch wurde eine Rohrverbindung mit Druck
beaufschlagt, bis ein anfängliches Versagen erkannt wurde. Die
ersten Windungen des Keils zeigten eine plastische
Scherverformung mit progressiv abnehmender Verformung entlang
der Länge des Keils. Eine solche Verformung verteilt die
Belastung um, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Belastung
entlang der gesamten oder eines größten Teils der Länge des
Keils zu erreichen. Somit verteilt der dehnbare Keil in dem
nicht dehnbaren faserverstärkten Verbund die Längsbelastung
entlang der kompletten Länge der Verbindung. Eine hohe
Belastung an der ersten Windung des Keils wird vermieden, da
die Scherflächen der folgenden Windungen des Keils zum Tragen
der Last hinzugefügt sind. In einer überlappenden
Scherverbindung kann die Scherbelastung am Ende der Verbindung
mehr als das Dreifache der durchschnittlichen Scherbelastung
betragen. Ein im Folgenden beschriebener spiralförmiger Keil
aus Nylon weist eine Scherbeanspruchung an der ersten Windung
auf, die nur ungefähr 30% größer als die durchschnittliche
Scherbelastung auf den Keil ist. Der faserverstärkte Verbund
ist viel steifer als der dehnbare Keil. Somit wird ein Teil
der Längsbelastung von jeder Windung oder wenigstens von den
meisten der Windungen des spiralförmigen Keils getragen.
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Die sehr hohen Belastungen am belasteten Ende wurden in
Schraubverbindungen minimiert, indem eine sog. variable
Gewindesteigung verwendet wurde. Jede Windung des Gewindes
weist einen geringfügig abweichenden Abstand von der
vorherigen Windung auf, so dass, wenn eine vorbestimmte
Längsbelastung das Gewindeelement dehnt, die Gewinde
gleichförmig anliegen und die Belastung entlang eines großen
Teils des Gewindes verteilt wird und nicht an einem Ende
konzentriert ist. Eine solche Anwendung wird z. B. in
Verschlüssen von Kanonen verwendet.
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Das dehnbare "Gewinde" in der faserverstärkten
Verbundrohrverbindung bewirkt eine Lastumverteilung, die in
etwa einem variablen Gewindeabstand entspricht, ohne dass die
bei der präzisen Fertigung einer variablen Gewindesteigung
hohen Kosten anfallen. Der Steigung der Nuten in der
Rohrverbindung ist gleichförmig entlang der Länge der
Verbindung, aber der dehnbare Keil verformt sich nicht
gleichförmig, wodurch die Belastung entlang eines großen Teils
der Länge der Verbindung umverteilt wird. Daher trägt im
Wesentlichen die gesamte Scherfläche des Keils (die
Querschnittsfläche des Keils am Übergang der konischen
Kegelbereiche) eine Belastung. Die Drucktragfähigkeit der
Verbindung kann daher bestimmt werden, indem die Stärke des
Keilmaterials und die zur Verfügung stehende Scherfläche
bekannt sind.
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Die Längsdehnung einer Rohrverbindung kann bei anliegendem
Druck gemessen werden. Es wird ermittelt, dass ein linearer
Anstieg der Verbindungslänge mit ansteigendem Druck bis zu
einer gewissen Grenze auftritt und dass über dieser Grenze ein
nicht-linearer Anstieg auftritt. Wenn jedoch der Druck
innerhalb des linearen Bereichs abgelassen wird, nimmt die
Länge der Verbindung jedoch nur teilweise bis zu ihrer
ursprünglichen Länge ab.
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Es kann sein, dass die erforderliche "Dehnbarkeit" eine
Kombination aus Nachgiebigkeit oder niedrigem
Elastizitätsmodus relativ zum steifen faserverstärkten Verbund
ist, um eine nennenswerte elastische Verformung aufzunehmen,
als auch eine plastische Verformung, die normalerweise mit dem
Ausdruck "dehnbar" verbunden ist. Somit umfasst vorliegend der
Ausdruck "dehnbar" weiche, biegsame Materialien wie Nylon,
hochreines Aluminium oder entsprechende Materialien.
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Zusätzlich zur Festigkeit des Keils wird die Längsfestigkeit
der Verbindung durch Reibung zwischen den Kegeln aufgrund der
durch die Rohrkupplungsverbindung übertragenen Last erhöht.
Dies kann ein wesentlicher Anteil der gesamten
Lasttragfähigkeit der Verbindung sein. Tatsächlich kann die
Reibungsausübung der Verbindung so viel wie oder mehr als die
Lasttragfähigkeit des dehnbaren Keils beitragen. Um die
Reibungsausübung zu verstärken, ist die Umfangs- oder
Ringsteifheit der äußeren Kupplung wenigstens so groß wie die
Steifheit der Kupplungshälfte des in die Kupplung eingesetzten
Rohrs. Vorzugsweise ist die Ringsteifheit der Kupplung
wenigstens zweimal so groß wie die Ringsteifheit des Rohrs.
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Die Ringsteifheit der Kupplung kann vergrößert werden, indem
sie aus Materialien wie Stahl besteht, das einen sehr viel
höheren E-Modul aufweist als glasverstärktes Epoxyd. Der Modus
von Stahl beträgt etwa 20 · 10&sup5; kg/cm², wobei der Modus von
glasfaserverstärktem Epoxyd etwa 2,5 · 10&sup5;/cm² beträgt. Im
Allgemeinen wird jedoch bevorzugt, Stahlkupplungen zu
vermeiden und eine Kupplung aus faserverstärktem Verbund zu
verwenden.
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Die Steifheit der Kupplung kann verbessert werden, indem die
Wandstärke erhöht wird. Die Steifheit ist eine Funktion der
Wanddicke und des Ring- oder Umfangs-Elastizitätsmodus des für
die Herstellung der Kupplung verwendeten Materials. Es wird
jedoch bevorzugt, die Kupplungen klein zu halten, indem
Material mit einem höheren Elastizitätsmodus als
glasfaserverstärktes Epoxyd verwendet wird, das normalerweise
in faserverstärkten Verbundrohren verwendet wird.
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Eine Kupplung mit höherer Steifheit kann erhalten werden,
indem die Kupplung mit Karbon oder Graphitfasern gewickelt
wird. Ein solcher Verbund aus Karbonfasern in Epoxyd hat einen
Modus im Bereich von 7 · 10&sup5;. In einer solchen Ausführungsform
ist eine Kupplung mit Glas- oder Karbonfasern näher am inneren
Teil der Kupplung mit gewöhnlichen Spiralwinkeln gewickelt, um
einen gewünschten Anteil von Festigkeit in Längs- und in
Umfangsrichtung zu erhalten. Sobald eine ausreichende
Längsfestigkeit erhalten ist, können Karbon- oder Glasfasern
in Epoxydharz mit einem Spiralwinkel von 70º - 90º gewickelt
werden, um zusätzliche Ringsteifheit aufzubauen.
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Darüber hinaus kann die Ringsteifheit der Kupplung erhöht
werden, indem höherfeste Stahlkabel anstelle von Karbonfasern
gewickelt werden. Obwohl der Modus von Stahl etwas geringer
als der Modus der am wenigsten teuren Karbonfasern ist, kann
die Gesamtsteifheit der Kupplung bei niedrigeren Kosten mit
Stahlwicklungen verbessert werden. Solche Wicklungen können
Stahlstreifen umfassen (analog zu solchen in der Rohrwand)
oder Stahl"-Fasern". In einer solchen Ausführungsform ist der
Stahl vollständig in das faserverstärkte Harz eingebettet und
daher vor Korrosionen geschützt.
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Die Reibungsausübung der Rohrverbindung kann visualisiert
werden, indem man sich vorstellt, dass die Kupplung unendlich
steif ist. In diesem Fall wird der gesamte Innendruck in dem
Rohr durch die Kupplung getragen und der gesamte Druck wird
durch die kegelförmige Rohrkupplungsschnittstelle übertragen.
Dies würde 100% der zur Verfügung stehenden Reibung schaffen,
um der Festigkeit des Keils hinzugefügt zu werden, um eine in
Längsrichtung gerichtete Ausdehnung der Verbindung zu
verhindern.
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Auf der anderen Seite kann angenommen werden, dass die
Steifheit der Kupplung exakt der Steifheit des Rohrs
entspricht. In dieser Ausführungsform wird eine Hälfte der
Druckbelastung durch die Kupplung und eine Hälfte durch das
Rohr getragen. Somit wird die Hälfte des Innendrucks von der
Rohrkupplungsschnittstelle getragen. Der Zusatz zur
Längslasttragfähigkeit der Rohrverbindung beträgt somit 50%
der insgesamt zur Verfügung stehenden Reibung.
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Wenn die Kupplungssteifheit zweimal derjenigen des Rohrs
entspricht, werden 2/3 der Belastung von der Kupplung und 1/3
von dem Rohr getragen. Da 2/3 der Druckbelastung durch die
Rohrkupplungsschnittstelle geleitet werden, beträgt der Zusatz
der Reibung zur Festigkeit des Keils 66% der für eine
unendlich steife Kupplung theoretischen gesamten Reibung.
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Zusätzlich zur Erhöhung der Steifheit der Kupplung kann der
Anteil der Längsbelastung, der durch die Reibung getragen
wird, erhöht werden, indem die Länge der Verbindung erhöht
wird. Normalerweise nimmt man nicht an, dass Reibung erhöht
wird, indem für eine vorgegebene Last die Fläche erhöht wird.
Dieses Prinzip ist bei einer erhöhten Länge dieser
Rohrverbindung jedoch nicht anwendbar, da die gesamte
Radialbelastung nicht konstant ist. In der Rohrverbindung ist
die auf die Reibungsschnittstelle wirkende Radiallast direkt
proportional zur Fläche und dem Druck innerhalb der
Rohrverbindung (wie die Steifheit). Somit steigt der
Reibungsanteil der Lasttragfähigkeit mit längeren
Rohrverbindungen exponential an.
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Z. B. wird die Reibungsfläche (und Last) sowie die
Scherfestigkeit des Keils verdoppelt, wenn die Länge der
Verbindung und die Länge des Keils in der Verbindung
verdoppelt wird. Dies bedeutet, dass eine zweimal so hohe
Längsbelastung vorliegen muss, um den Keil zu scheren, und
dass die Druckeinstufung der Rohrverbindung (auf Basis der
Keilscherung) ebenfalls verdoppelt werden kann. Die
Verdopplung der Druckeinstufung erhöht natürlich die
Radiallast und den Reibungsanteil. Somit wird durch
Verdopplung der Reibungsfläche und der Druckeinstufung die
Reibungskomponente auf das Vierfache erhöht.
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Die Dichtung zwischen dem Rohr und der Kupplung hat einen
entscheidenden Vorteil beim Zusammenbau bspw. einer Pipeline,
da die Dichtung überprüft werden kann, um sicherzustellen,
dass eine gute Dichtung vorliegt. Nachdem die Rohrverbindung
mit Anlage der Kegel zusammengesetzt ist, wird der Raum
zwischen den O-Ringen mit Gasdruck beaufschlagt, um zu
bestimmen, ob die O-Ringe eine Dichtung bilden. Dies kann
schnell überprüft werden. Ein flüssiges, durch Wärme
aushärtbares Dichtmittel wird dann in einen der Kanäle
gepumpt, wobei der gegenüberliegende Kanal als Entlüftung
dient, um zu überprüfen, dass der abgedichtete Raum zwischen
den O-Ringen ausgefüllt wurde. Das Dichtmittel umfasst ein
röntgenfähiges Material wie z. B. eine Bariumverbindung. Die
Dichtung kann dann geröngt werden, um Blasen oder Hohlräume im
Dichtmittel zu entdecken. Es kann ein Dichtmittel mit einem
vergleichsweise langen Aushärtezeit verwendet werden, so dass
die Überprüfung vor Aushärtung des Dichtmittels durchgeführt
werden kann und eine mangelhafte Dichtung leicht
nachbearbeitet werden kann, während das Dichtmittel noch
flüssig ist.
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Die Dichtungsanordnung ist außerdem besonders gut geeignet, um
Unterwasserpipelines zu legen oder die Rohre in anderen Orten
unter Wasser zu installieren. Eine Verbindung kann auf dem
Deck eines Schiffs zusammengesetzt, gedichtet und überprüft
werden und dann über Bord gelassen werden, bevor das
Dichtmittel ausgehärtet ist. Der O-Ring schützt das.
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Dichtmittel vor dem Wasser, während das Dichtmittel aushärtet.
Eine beispielhafte Dichtung hat eine Länge zwischen den O-
Ringen von ungefähr 2,5 cm. Die Dicke des Dichtmittels
zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen beträgt
ungefähr 0,75 mm. Die Dicke des Raums zwischen den O-Ringen
sollte ausreichend sein, damit das flüssige Dichtmittel
eingebracht werden kann, ohne dass ein zu hoher Gegendruck
anliegt. Sie sollte außerdem ausreichend sein, dass das
ausgehärtete Dichtmittel die Dehnung der Längsverformung der
Rohrverbindung bei Druckbeaufschlagung der Verbindung
aufnehmen kann. Im Ergebnis wird ein Dichtmittel in Form eines
"Rechtecks" in ein Parallelogramm verformt, und die Dicke muss
ausreichend sein, die Dehnung ohne Überschreitung der
Scherfestigkeit des Dichtmittels oder der Klebebindung
zwischen dem Dichtmittel und dem Klebeteil aufzunehmen. Das
Vorsehen der elastomeren O-Ringe an jedem Ende des
Dichtmittels minimiert die hohen Spannungen an den Enden und
verbessert die Fähigkeit des Dichtmittels, Scherdehnungen
aufzunehmen. Die relative Radialsteifheit des Rohrs und der
Kupplung tragen auch zur Dichtfestigkeit des Klebemittels bei,
da die Radialbelastung in dem Klebemittel hilft, ein
Ablöseversagen aufgrund von Innendruck zu verhindern.
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Auf der anderen Seite kann das Dichtmittel nicht zu dick sein
oder es kann aus der Dichtung durch den Innendruck des Fluids
in dem Rohr extrudiert werden. Es stellt sich heraus, dass ein
hoher Anteil der Belastung auf das Dichtmittel aufgrund des
Drucks auf die Projektionsfläche am Ende des Dichtmittels
entsteht. Somit sollte das Dichtmittel eine ausreichende Länge
zwischen den O-Ringen aufweisen, um den Innendruck in den
Rohren standzuhalten. Für ein Dichtmittel mit einer
Überlappungsscherfestigkeit von etwa 20 kg/cm² und einer
radialen Dicke von ungefähr 0,75 mm ist eine Länge des
Klebemittels von nur ungefähr 15 mm ausreichend, um einen
Innendruck von 630 bar (9.000 psi) aufzunehmen. Eine kurze
Dichtlänge wird bevorzugt, so dass die Verbindung leicht
demontiert werden kann.
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Für einen Zusammenbau von Pipelines am Einsatzort wird
bevorzugt, am Herstellungsort eine kurze Kupplung auf eines
der Enden jeder Rohrlänge aufzusetzen. Dies ermöglicht eine
Überprüfung der Dichtung und des in Längen (normalerweise von
ungefähr 12 m) bereitgestellten Rohrs, was zu einem männlichen
Gewinde an einem Ende und einem weiblichen Gewinde am anderen
Ende führt. Somit muss beim Zusammenbau am Einsatzort nur eine
Verbindung zwischen benachbarten Rohrlängen hergestellt
werden.
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Die neue Rohrverbindung bewirkt eine Eignung von
glasfaserverstärkten Epoxydrohren für Ölbrunnenverschalungen.
Sie weist eine gute Längslasttragfähigkeit zum Aufhängen einer
Verschalung in einem Brunnen auf. Die Verbindung kann schnell
unter Verwendung von Standardwerkzeugen auf Bohrinseln oder
Ähnlichem hergestellt werden. Bei einer solchen Verwendung
muss eine Dichtung mit einem Dichtmittel zwischen den O-Ringen
nicht erforderlich sein und die O-Ringdichtungen für sich
sollten in den meisten Fällen ausreichend sein.
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Obwohl bestimmte Ausführungsformen der konstruierten
Rohrverbindung gemäß den Prinzipien dieser Erfindung hierin
beschrieben und dargestellt sind, ist zu verstehen, dass viele
Modifikationen und Variationen von Fachleuten ausgeführt
werden können. Z. B. kann bei einer vergleichsweise dünnen
Rohrwandung mit in faserverstärktem Harz eingebetteten
Stahlstreifen ein zusätzliches Band aus glasfaserverstärktem
Harz um das Rohr jenseits des Kegelendes mit großem
Durchmesser gewickelt werden. Dieser vergrößerte Bereich kann,
um die Verbindung zusammenzusetzen, ohne die Gefahr eines
Schadens an dem Bereich des Rohrs mit dünner Wandung, von
Werkzeugen eingefasst werden.
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Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass ein dehnbarer Keil
mit einer Vielzahl von spiralförmigen Windungen in einer
solchen Rohrverbindung verwendet werden kann, in der das Rohr
nicht den beschriebenen Kegel aufweist. Bei einer solchen
Ausführungsform kann ein dehnbarer Keil eine genügende
Aufnahmefähigkeit zur Scherverformung und zur Umverteilung der
Belastung in Längsrichtung entlang der Länge des Rohrs
aufweisen. Ein Kegel wird bei einer solchen Verbindung jedoch
bevorzugt, so dass die Scherbelastung in jeder Windung der
Spirale bei einem unterschiedlichen radialen Abstand auftritt
und die Scherschichten nicht miteinander ausgerichtet sind.
Dies verbessert die Scherfestigkeit der Rohrverbindung.
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Obwohl der Aufbau der Rohrverbindung für ein Rohr und eine
Kupplung beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass ein
ähnlicher Aufbau geschaffen werden kann für ein Rohr mit einem
Außenkegel an einem Ende und einem Innenkegel an dem anderen
Ende. Die Verbindung ist außerdem besonders geeignet für eine
Hochdruckübertragung zwischen einem faserverstärkten
Verbundrohr und einer Stahlkupplung, einem Ventil oder anderen
Armaturen. Es kann z. B. nützlich sein, eine Stahlkupplung in
eine faserverstärkte Verbundpipeline einzusetzen, wenn es
gewünscht ist, die Pipeline anzuzapfen.
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Stahl weist einen entscheidend unterschiedlichen
Elastizitätsmodus auf als fiberglasverstärktes Harz. Wenn
solche Materialien zusammengeschraubt werden und unter Last
verlängert werden, ist die Dehnung ziemlich unterschiedlich
und der entstehende Gewindeabstand weicht in den beiden
Materialien voneinander ab. Der dehnbare Keil in der
Verbindung nimmt die Modulunterschiede auf, ohne die
Festigkeit der Verbindung herabzusetzen. Die Dichtanordnung
für die Verbindung ist auch dann vorteilhaft, wenn die Rohr-
und Kupplungsmaterialien unterschiedlich sind.