-
Erfindungsbereich
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
feuerfeste Rohre und Rohrzubehörteile
und insbesondere fadengewickelte faserverstärkte Rohre und Rohrzubehörteile mit
einer oder mehreren umlaufenden faserverstärkten harzimprägnierten
Schichten, die im Vergleich zu üblichen
faserverstärkten
Rohren und Rohrzubehörteilen eine
erhöhte
Feuerfestigkeit, Bruchfestigkeit und Stossfestigkeit aufweisen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigte
Rohre und Rohrzubehörteile
haben im Zusammenhang mit Anwendungen, bei denen Kosten, Gewicht
und/oder chemische Widerstandsfähigkeit
eine Rolle spielen, gegenüber
ihren Gegenstücken
aus Stahl eine breitgefächerte
Akzeptanz als brauchbare Alternative erlangt. Übliche faserverstärkte Kunststoffrohre
weisen eine auf ein Mantelrohr gewickelte Fadenkomponente und eine Harzkomponente
zum miteinander Verkleben der Fadenwicklungen auf. Die Fadenwicklung
dient zur strukturellen Verstärkung
des ansonsten aus Harz bestehenden Rohres, wobei es den notwendigen
Grad an Umfangs- und
Längsfestigkeit
für das
Rohr bereitstellt. Die Faser- und Harzkomponenten werden im Hinblick
auf eine oder mehrere gewünschte
physikalische Eigenschaften ausgewählt, wodurch das Rohr an eine
bestimmte Anwendung angepasst wird. Polyester und Epoxidharze werden
typischerweise auf Grund ihrer guten Wetterfestigkeit, Korrosionseigenschaften
und chemischen Widerstandsfähigkeit
beim Einsatz zum Fertigen solcher Rohre oder Rohrzubehörteile bevorzugt.
-
Faserverstärkte Kunststoffrohre und Rohrzubehörteile werden
im Zusammenhang mit Anwendungen eingesetzt, bei denen sowohl eine
Temperaturbeständigkeit über einige
Grad hinweg als auch Wetter-, Korrosions- und chemische Festigkeit
erwünscht
sind. Ein Beispiel einer solchen Anwendung sind Feuerlöschrohre, die
in industriellen Anlagen, Hochseeplattformen oder dergleichen verwendet
werden. Typischerweise müssen als
Feuerlöschrohre
verwendete Rohre oder Rohrzubehörteile
so ausgebildet sein, dass unter Hochtemperaturbedingungen in unmittelbarer
Flammennähe
der gewünschte
Druck an Wasser oder einer anderen Löschflüssigkeit, eines Schaumes, oder
einer Schaum/Flüssigkeitsmischung
aufgenommen und bereitgestellt wird. Faserverstärkte Kunststoffrohre werden
für den
Einsatz als Feuerlöschrohre
auf Hochseeölplattformen
bevorzugt und werden typischerweise bis zur Erkennung eines Brandes
in einem leeren und unbefüllten
Zustand gehalten. Nach Erkennen des Brandes wird Wasser je nach
zugelassenem Druck der Rohre unter einem Druck bis zu 225 psig (16
Kgf/cm2) in die Rohre eingeleitet. Dementsprechend
werden in solchen Anwendungen Rohre eingesetzt, die in der Lage
sind, höheren
Temperaturen und/oder engem Flammenkontakt über eine kurze Zeitdauer hinweg
leer, d. h. ohne Befüllung
mit Wasser, standzuhalten, und die das Wasser als Wärmeübertragungsmedium
zum Minimieren schädlicher
Temperatureinflüsse
nutzen.
-
Faserverstärkte, in solchen Anwendungen
als Feuerlöschrohre
eingesetzte Kunststoffrohre werden auf Grund einer erhöhten Korrosionsfestigkeit
aus Epoxidharzen hergestellt. Zum Qualifizieren faserverstärkter Rohre
für solche
Feuerlöschrohranwendungen
wurde ein drastischer Test durchgeführt.
-
Bei dem Test wurde ein Aufbau aus
leeren Rohren und Rohrzubehörteilen
in unmittelbarer Nähe
einer 1000°C
heißen
Flamme über
eine Zeitdauer von fünf
Minuten hinweg angeordnet und anschließend das Rohr mit Wasser unter
dem zugelassenen Druck zwanzig Minuten lang befüllt. Zum Bestehen des Testes
durfte der Aufbau aus Rohren und Rohrzubehörteilen keine Anzeichen einer
strukturellen Schädigung
oder auch nur kleiner Risse aufweisen. Aus Epoxidharzen gefertigte
faserverstärkte
Kunststoffrohre und Rohrzubehörteile
zeigten bereits bei so niedrigen Temperaturen wie 120°C deutliche
temperaturinduzierte Schädigungen
auf und bestanden den Test nicht. Aus Polyesterharzen gefertigte
faserverstärkte
Rohre und Rohrzubehörteile
waren ebenfalls nicht in der Lage den Test zu bestehen. Es konnte
nachgewiesen werden, dass die Rohre bereits bei so niedrigen Temperaturen
wie 94°C
temperaturinduzierte Schädigungen
aufzeigten.
-
Zum Bestehen des Tests können aus
Epoxidharz gefertigte faserverstärkte
Kunststoffrohre mit einem quellenden Stoff oder mit einem einen
quellenden Stoff enthaltenden Epoxidharz beschichtet werden. Unter Hochtemperaturbedingungen
oder bei Flammenkontakt schäumt
der quellende Stoff und bildet eine wärmeisolierende Barriere aus,
welche zum Schutz der darunter liegenden Rohroberfläche dient.
Der Verwendung des quellenden Stoffs haftet jedoch der Nachteil
an, dass dieser die Kosten des faserverstärkten Kunststoffrohres erhöht, wodurch
der Kostenanreiz für
die Verwendung des Rohres herabgesetzt wird. Weiterhin wird bei
Flammenkontakt toxischer Rauch erzeugt.
-
Als Alternative zum Gebrauch eines
mit einem quellenden Stoff beschichteten faserverstärkten Epoxidrohres
als Feuerlöschrohr
bietet sich die Herstellung des Rohres aus Phenol- statt Epoxidharz
an, das für seine
hohe Temperaturbeständigkeit
bekannt ist. Jedoch konnten auch aus Phenolharzen hergestellte Feuerlöschrohre
den Test nicht bestehen und wiesen beim Beaufschlagen mit den zugelassenen
Drücken
durch Faserbrüche
hervorgerufene Seitenwandfehler auf.
-
Aus Epoxid-, Polyester- und Phenolharzen
bestehende faserverstärkte
Kunststoffrohre sind dafür
bekannt, eine begrenzte Stossfestigkeit und Flexibilität aufzuweisen.
Die physikalischen Eigenschaften wie Stossfestigkeit und Flexibilität sind jedoch
in Anwendungen wie Feuerlöschrohren
oder Rohrzubehörteilen
erforder lich, da solche Rohrleitungen auch dann einem zugelassenen
Druck standhalten sollten, wenn sie einer gewissen Bewegung ausgesetzt
sind, die möglicherweise
durch fallende, nachgebende oder schwankende benachbarte Strukturen
während
des Feuers hervorgerufen werden.
-
Es ist daher wünschenswert, dass faserverstärkte Harzrohre
und Rohrzubehörteile
leicht, wetterbeständig,
korrosionsfest und chemisch widerstandsfähig sind und eine zum Bestehen
des oben beschriebenen Tests für
die Verwendung als Feuerlöschrohr
ausreichend hohe Bruchfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Es ist erwünscht,
dass die faserverstärkten
Harzrohre bei Flammenkontakt keinen toxischen Rauch erzeugen und
einen gewünschten
Grad an Stossfestigkeit als auch an Flexibilität bereitstellen. Es wird ferner gewünscht, dass
die faserverstärkten
Harzrohre aus verfügbaren
Materialen unter Anwendung herkömmlicher Herstellungstechniken
gefertigt werden.
-
Die PCT Patentveröffentlichung mit der Nummer
WO94/25791 offenbart ein feuerfestes fadengewickeltes Strukturglied,
das aus einem faserförmigen
Träger
gefertigt und mit einem aushärtenden,
ein feuerfestes Material enthaltenden Harz imprägniert ist. Das feuerfeste
Strukturglied wird unter Verwendung einer unterliegenden Struktur,
beispielsweise eines Mantelrohrs oder eines fadengewickelten Kernstücks, und
eines Harzbades hergestellt, das eine Kombination aus einem aushärtenden
Harz und einem feuerfesten Material mit einer vorbestimmten Viskosität umfasst.
Der faserförmige
Träger
wird durch das Harzbad gezogen, um die unterliegende Form gewickelt
und anschließend
zum Ausbilden des feuerfesten fadengewickelten Strukturglieds ausgehärtet.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein
verbessertes feuerfestes Rohr bereitzustellen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein feuerfestes Rohr bereitgestellt bestehend aus: einer strukturellen
Wand, die Schichten spiralförmig
aufgewickelter Spiralfaser umfasst, die mit einem Harz verklebt
sind, das aus einer Gruppe von Phenolharzen, mit Siloxan modifizierten
Phenolharzen, Furanharzen und Mischungen daraus ausgewählt ist;
und einem Mantel, der um die strukturelle Wand herum angeordnet
ist und wenigstens eine faserverstärkte Harzschicht aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel wenigsten eine Ablöseschicht
aus einem Material einschließt,
das mit dem zur Bildung der strukturellen Wand verwendeten Harz inkompatibel
ist und auf dessen Außenfläche die
faserverstärkte
Harzschicht angeordnet ist.
-
Gemäß der vorliegende Erfindung
wird weiterhin eine Verfahren zur Herstellung eines feuerfesten Rohres
bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: spiralförmiges Wickeln
von Verstärkungsfaser,
die mit einem Harz benetzt ist, das aus einer Gruppe von Phenolharzen,
mit Siloxan modifizierten Phenolharzen, Furanharzen und Mischungen
daraus ausgewählt
ist, um eine strukturelle Rohrwand zu formen; und Formen eines Mantels
um eine Außenfläche der
strukturellen Rohrwand, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt
des Formens eines Mantels die Schritte der Platzierung eines Ablösematerials
um die Außenfläche der
strukturellen Rohrwand und der Platzierung einer faserverstärkten Harzschicht über das
Ablösematerial
einschließt,
wobei das Ablösematerial
aus einem Material geformt ist, das nicht in der Lage ist, eine
Bindung mit Harzen einzugehen, die zum Formen von sowohl der strukturellen
Rohrwand als auch der faserverstärkten
Harzschicht verwendet werden; und Aushärten des Harzes in sowohl der
strukturellen Rohrwand als auch der faserverstärkten Schicht.
-
Es wird im Folgenden als zweckmäßig angesehen,
wenn die feuerfeste Schicht, die aus einem Energie absorbierenden
Material bestehende Schicht und der Mantel jeweils mit einer ausreichenden
Wandstärke
gefertigt sind, um die strukturelle Wand des Rohres oder des Rohrzubehörteils gegenüber einer
durch Wärme induzierten
Schädigung
zu schützen,
die durch Aussetzen der äußeren Rohrwand
einer 1000°C
heißen
Flamme über
wenigstens fünf
Minuten hinweg hervorgerufen wird, wobei das Rohr in einem trockenen
Zustand gehalten also nicht mit Wasser befüllt ist.
-
Die nach den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung hergestellten feuerfesten Rohre und Rohrzubehörteile sind
leichtgewichtig, wetterbeständig,
korrosionsfest, chemisch widerstandsfähig und weisen eine für einen
Einsatz als feuerfeste Rohre ausreichende Temperaturfestigkeit auf,
ohne eine auf Wärme
oder Flammenkontakt zurückgehende
Schädigung
aufzuzeigen. Erfindungsgemäße feuerfeste
Rohre erzeugen bei einem Flammenkontakt keinen toxischen Rauch und
weisen im Vergleich zu herkömmlichen
faserverstärkten Kunststoffrohren,
die aus Epoxid- oder Polyesterharzinhaltsstoffen gefertigt sind,
eine erhöhte
Stossfestigkeit und Flexibilität
auf.
-
Ein erfindungsgemäßes feuerfestes Rohr und ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines solchen Rohres, werden nun an Hand von Beispielen
mit Bezug auf die beigeschlossenen schematischen Zeichnungen beschrieben,
wobei
-
1 eine
erhöhte
Seitenansicht eines feuerfesten Rohres vor der Anwendung einer oder
mehrerer feuerfester Schichten zeigt;
-
2 eine
erhöhte
Seitenansicht des feuerfesten Rohres gemäß 1 nach der Anwendung einer oder mehrerer
feuerfester Schichten zeigt;
-
3 eine
entlang der Linie 3-3 geschnittene Querschnittsansicht des feuerfesten
Rohres gemäß 2 zeigt;
-
4 eine
Querschnittsansicht eines feuerfesten Rohres mit einer Schicht zeigt,
die aus einem Energie absorbierenden Material gefertigt und zwischen
einem strukturellen Rohr sowie einer äußeren faserverstärkten Harzschicht
angeordnet ist;
-
5 eine
Querschnittsansicht eines feuerfesten Rohres mit aufeinander folgenden
Schichten zeigt, die aus einem Energie absorbierenden Material gefertigt
und zwischen einem strukturellen Rohr sowie einer äußeren faserverstärkten Harzschicht
angeordnet sind;
-
6 eine
perspektivische Ansicht eines gemäß den Prinzipien der Erfindung
hergestellten feuerfesten Rohres zeigt, das einen Mantel aus sich
wiederholenden Ablöseschichten
und faserverstärkten
Harzschichten aufweist; und
-
7A bis 7C erhöhte Seitenansichten feuerfester
Rohrzubehörteile
zeigen.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Das in 1 verdeutlichte
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung hergestellte feuerfeste Rohr 10 weist
eine strukturelle Rohrwand 12 auf, die aus mehreren Schichten
spiralförmig
gewickelter verstärkender
Fasern gefertigt ist, die durch ein Harz 16 miteinander
verklebt sind. Die strukturelle Rohrwand 12 kann unter
Anwendung herkömmlicher
Techniken gefertigt sein, die als Stand der Technik zum Fertigen
von faserverstärkten
Kunststoffrohren (FRP) bestens bekannt sind. Solche Techniken sind
beispielsweise das Wickeln der verstärkenden Faser um ein Mantelrohr
in einem oder in mehreren bestimmten Winkeln und in einer oder in
mehreren Richtungen zum Erhalt eines bestimmten Grads an Umfangs-
und Längsfestigkeit.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
werden die Faserwicklungen unter Spannung unter einem Winkel von
etwa 54 Grad um ein Mantelrohr in einer Richtung und anschließend in
einer entgegengesetzten Richtung gewickelt. Dieser Wicklungswinkel
ist dafür
bekannt, ein Rohr zu erzeugen, das einen optimalen Grad an sowohl
Umfangs- als auch Längsfestigkeit
aufweist. Die zur Herstellung des strukturellen Rohres verwendete
Anzahl der Faserwicklungen hängt
von der jeweiligen Größe und der Verwendung
des Rohres ab. Obwohl die oben beschriebene Technik auf die Fertigung
von Rohren ausgerichtet ist, sei darauf hingewiesen, dass die gleiche Technik
ebenso zur Herstellung von Rohrzubehörteilen wie T-Stücken, Bögen oder
dergleichen eingesetzt werden kann.
-
Die verstärkende Faserkomponente kann
aus üblicherweise
zur Fertigung von FRP-Rohren eingesetzten Fadenmaterialien wie Glas,
Kohlenstoff oder dergleichen oder aus Mischungen daraus ausgewählt werden.
Dies sind Materialien, die nicht schmelzen, wenn sie einem Feuer
ausgesetzt sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die
verstärkende
Faser aus Glas. Die strukturelle Rohrwand ist so konstruiert, dass
eine zum Benetzen und Zusammenkleben der Fasern ausreichende Menge
der Harzkomponente eingesetzt wird. Die strukturelle Rohrwand kann
die Harzkomponente zu einem Anteil in einem Bereich von etwa 10
bis 40 Gewichtsprozent aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist die strukturelle Rohrwand etwa 25 Gewichtprozent an Harz auf.
Das Harz wird bei den Faserwicklungen unter herkömmlichen Anwendungstechniken
eingesetzt, bei denen beispielsweise die Wicklung ein Harzbad durchläuft.
-
Die Harzkomponente kann aus einer
Gruppe aus Harzen ausgewählt
werden, die aus Phenolharzen, mit Siloxan modifizierten Phenolharzen,
Furanharzen und Mischungen daraus besteht. Jede Art von Phenolharz
kann als Harzkomponente eingesetzt werden und wird letztlich auf
Grundlage der gewünschten
physikalischen Eigenschaft für
die beabsichtigte Endanwendung ausgewählt. Bevorzugte Phenolharze,
die für
die Verwendung zum Fertigen der strukturellen Rohrwand geeignet
sind, umfassen Phenolresol und Phenolnovolakharze. Geeignete Phenolharze
können
solche umfassen, die auf Phenol, substituierten Phenolen wie para-Cresol,
Xylenol, Bisphenol A, para-Phenylphenol, para-Tert-butylphenol,
para-t-Octyl-phenol und Resorcinol basieren. Das Phenolharz kann
durch Kombination eines geeigneten Phenols mit einem Aldehyd wie Formaldehyd,
Acetaldehyd, Paraldehyd, Glyoxal, Hexamethylentetraamin und Furfural
hergestellt werden.
-
Bevorzugte Phenolharze sind Phenolresolharze
mit einer geringen Viskosität,
da sie das faserverstärkende
Material optimal benetzen und zur Erzeugung eines faserverstärkten Rohres
mit einem hohen Glasanteil beitragen. Die im Rahmen dieser Erfindung
als am geeignetsten erkannten und bevorzugten Phenolnovolake werden
ausgehend von den zuvor beschriebenen Phenolen und Aldehyden hergestellt
und weisen Molekulargewichte im Bereich von 400 bis 5.000 mit Glasübergangstemperaturen
im Bereich von etwa 40°C
bis 90°C
auf. Die als im Rahmen dieser Erfindung als am geeignetsten erkannten
Phenolresole weisen Molekulargewichte im Bereich von 300 bis 3.000,
Feststoffanteile im Bereich von 50 bis 90% Gewichtsprozent auf und können freies
Phenol von 2 bis 20 Gewichtsprozent oder substituiertes Phenol von
1 bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf Wasser aufweisen.
-
Auf dem Markt erhältliche geeignete Phenolharze
sind beispielsweise: B. P. Chemical Division of British Petroleum
of Barry U. K.; die Packing and Industrial Product Divison of Borden,
Inc., Columbus, Ohio; die Durez Division of Occidental Petroleum
of Dallas, Texas; Georgia Pacific Corporation of Atlanta, Georgia;
Neste Resins Corporation of Eugene, Oregon sowie eine Anzahl weiterer
kleiner Erzeuger. Einige bevorzugte Phenolharze umfassen Cellbond
J1996L, J2018L und J2027L von B. P. Chemical, SL-898 Phenolresol
von Bordon und GP5018 Phenolresol von Georgia-Pacific.
-
Besonders bevorzugte mit Siloxan
modifizierte Phenolharze, die zum Fertigen der strukturellen Rohrwand
geeignet sind, umfassen solche, die in einer ersten Ausgestaltung
durch Kombinieren einer Silikonzwischenstufe mit einem Phenol oder
mit einem substituierten Phenol und mit einem Aldehyd-Donor, in
einer zweiten Ausgestaltung durch Kombinieren eines der oben beschriebenen
Novolakharze mit einer Silikonzwischenstufe oder in einer dritten
Ausgestaltung durch Kombinieren eines der oben erwähnten Phenolharze
mit einer Silikonzwischenstufe gefertigt werden.
-
In einer ersten Ausgestaltung wird
ein mit Siloxan modifizierter Phenolharz durch Kombinieren eines Phenols
oder eines oben beschriebenen substituierten Phenols, eines oben
beschriebenen Aldehyds und einer Silikonzwischenstufe hergestellt.
Die Menge an vorhandenem Aldehyd und die Art des verwendeten Katalysators
bestimmt, ob mit Siloxan modifiziertes Phenolnovolak- oder Resolharz
gebildet wird.
-
Bezogen auf die Silikonzwischenstufe
können
Silikonzwischenstufen verwendet werden, die Alkoxy- oder Silanolgruppen
als funktionelle Gruppen enthalten. Silikonzwischenstufen, auf die
sich im Rahmen dieser Erfindung bezogen wird, sind chemische Polymerstrukturen,
die eine -Si-O- Grundkette aufweisen und die zu einer weiteren Reaktion,
beispielsweise zur Hydrolyse und/oder zur Kondensation in der Lage
sind, so dass eine ausgehärtete
Polymerstruktur ausgebildet wird. Eine bevorzugte Klasse von Silikonzwischenstufen
hat die Formel
, wobei jedes R
2 jeweils
unabhängig
aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus der Hydroxygruppe und den bis zu sechs Kohlenstoffatome
aufweisenden Alkyl-, Aryl-, Aryloxy- und Alkoxygruppen besteht,
wobei jedes R
1 unabhängig aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Wasserstoff und den bis zu 12 Kohlenstoffatome aufweisenden
Alkyl-, und Arylgruppen besteht, und wobei n eine ganze Zahl im
Bereich von 1 bis 56 und so ausgewählt ist, dass das mittlere
Molekulargewicht der Silikonzwischenstufe im Bereich von etwa 150
bis etwa 10.000 liegt. Es wird davon ausgegangen, dass das ausgewählte Molekulargewicht
der Silikonzwischenstufe einen Einfluss darauf haben kann, bis zu
welchem Grad ein sich gegenseitig durchdringendes Netzwerk (INP) aus
Phenolpolymer und Siloxanpolymer gebildet wird und welcher Anteil
der Siloxangruppen mit dem Phenolpoymer unter Ausbildung einer kontinuierlichen
Phase co-polymerisiert.
-
Eine andere Klasse der Silikonzwischenstufe
wird durch ein eine Hydroxylgruppe (OH) aufweisendes Silikonmaterial
vertreten, das solche Materialien umfasst, bei denen die ON-Gruppe
oder OH-Gruppen direkt mit dem Siliziumatom verbunden sind, wie
beispielsweise Silanol-Materialien mit der allgemeinen Formel
, wobei jede R
5 Gruppe
ein Hydrocarbonradikal aufweisen kann, das aus der Gruppe ausgewählt ist,
welche Alkyl-, Alkenyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkaryl- oder Aralkylradikale
enthält,
und wobei n
1 eine ganze Zahl im Bereich
von etwa eins bis dreißig
sein kann.
-
Eine noch andere Gruppe von OH enthaltenden
Silikonmaterialien umfasst Materialien mit einer oder mehreren OH-Gruppen,
die an dem Siliziumatom gebunden sind, und mit einem oder mehreren
Siliziumatomen, die mit zweiwertigen organischen Radikalen verbunden
sind, wie beispielsweise solche mit der allgemeinen Formel
, wobei jede R
6-Gruppe
eine weitere OH-Gruppe oder ein Hydrocarbonradikal umfasst, das
aus der Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkaryl- und Alkylarylradikale
enthaltenden Gruppe ausgewählt
ist, wobei die R
7-Gruppe ein zweiwertiges
organisches Radikal umfassen kann, das aus der Methylen, Polymethylen,
Aralyen, Polyaralyen, Cycloalkylen und Polycycloalkylen enthaltenden
Gruppe ausgewählt
ist.
-
Im Rahmen dieser Erfindung zweckmäßige, Methoxygruppen
aufweisende Silikonzwischenstufen sind beispielsweise: DC-3074,
DC3037 von Dow Corning Corporation aus Midland, Michigan; SY-231
(Molekulargewicht etwa 1.000) und MSE-100 von Wacker Silicone Corporation
und SR-191 von General Electric. Silanolgruppen aufweisende Silikonzwischenstufen
enthalten im Allgemeinen einen Anteil an Si-OH von etwa 0,5 Gewichtsprozent
bis etwa 0,6 Gewichtsprozent. Im Rahmen dieser Erfindung zweckmäßige kommerziell erwerbliche
Silanolgruppen aufweisende Silikonzwischenstufen sind beispielsweise:
Diphenylsilandiol (Molekulargewicht etwa 216), Wacker Silicones
SY-409 (Molekulargewicht etwa 10.000) und SY-430 und die folgenden
Materialien von Dow Corning: DC804, DC 805, DC806A, DC840, Z-6018,
DC-1-2530, DC-6-2230, DC-1-0409,
DC-1-0410 und Laminating Resins 2103, 2104 und 2106.
-
Ein bevorzugtes erstes Ausführungsbeispiel
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes wird durch Kombinieren
von Phenol oder substituiertem Phenol mit Aldehyd wie Formaldehyd
und einer Silikonzwischenstufe hergestellt. Bei einem Beladungsgewicht
von einem Mol Phenol als Bezugsbasis variierte das Gewicht des Formaldehyds
zwischen 0,75 und 0,90 Mol und das Gewicht der Silikonzwischenstufe
zwischen 0,01 und 0,3 Mol. Das Molverhältnis zwischen Phenol und Formaldehyd
liegt in einem Phenolnovolakharz typischerweise bei 1 : 0,75 bis
0,90. Tabelle 1 zeigt typische Molbereiche der Silikonzwischenstufen,
welche unterschiedliche Molekulargewichte aufweisen und zur Herstellung
des mit Siloxan modifizierten Phenolnovolakharzes verwendet wurden.
-
-
Ein erstes Ausführungsbeispiel des mit Siloxan
modifizierten Phenolresolharzes wird durch Kombinieren von Phenol
oder substituiertem Phenol mit einem Aldehyd wie Formaldehyd und
einer Silikonzwischenstufe hergestellt. Bei einem Beladungsgewicht
von einem Mol Phenol als Bezugsbasis variierte das Gewicht des Formaldehyds
zwischen 1,2 und 3 mol und das Gewicht der Silikon zwischenstufe
zwischen 0,01 und 0,7 mol. Das Molverhältnis zwischen Phenol und Formaldehyd
liegt in einem Phenolnovolakharz typischerweise bei 1 : 1,2 bis
3. Tabelle 2 zeigt typische Molbereiche von Silikonzwischenstufen,
die unterschiedliche Molekulargewichte aufweisen und die zur Herstellung
des mit Siloxan modifizierten Phenolresolharzes verwendet wurden.
-
-
Bei jedem der zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiele
der mit Siloxan modifizierten Phenolnovolak- und Phenolresolharze
ist es wünschenswert,
dass die Silikonzwischenstufe mit einem Anteil von etwa 0,5 bis
35 Gewichtsprozent eingesetzt wird.
-
Beim Herstellen der mit Siloxan modifizierten
Phenolharze gemäß der ersten
Ausgestaltung wurden Katalysatoren eingesetzt, um entweder einen
gewünschten
Phenolnovolakharz- oder einen Phenolresolharz-Vorpolymer auszubilden. So wird beispielsweise
beim Fertigen des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes eine starke
Säure wie
beispielsweise schwefelige Säure,
Schwefelsäure,
Oxalsäure
oder Phosphorsäure eingesetzt,
um die Bildung des Phenolnovolakharz-Vorpolymers zu erleichtern. Beim Fertigen
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes wird zum Erleichtern
der Bildung des Phenolresol-Vorpolymers eine starke Base wie Natriumhydroxid,
Calciumhydroxid oder Bariumhydroxid eingesetzt. In bevorzugten ersten
Ausgestaltungen kann ein mit Siloxan modifizierter Phenolnovolakharz
unter Verwendung von bis zu fünf
Gewichtsprozent eines Säurekatalysators
und ein mit Siloxan modifizierter Phenolresolharz unter Verwendung
von bis zu fünf Gewichtsprozent
eines Basekatalysators hergestellt werden.
-
Beim Zubereiten des mit Siloxan modifizierten
Phenolharzes können
erforderlichenfalls gegenüber den
zuvor beschriebenen Katalysatoren abweichende zusätzliche
Katalysatoren eingesetzt werden, um die Kondensation des Phenolharzes
und des Silikonzwischenproduktes zu erleichtern, indem die mit solchen
Reaktionen verknüpfte
Zeitdauer und/oder Temperatur herabgesetzt werden. Die zur Vereinfachung
der Kondensation von Phenolharzen und Silikonzwischenprodukt geeigneten
Katalysatoren sind die gleichen und können zu gleichen Anteilen eingesetzt
werden wie diejenigen, die weiter unten beschrieben und zum Herstellen
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes gemäß der zweiten und dritten Ausgestaltung
eingesetzt werden.
-
Erste Ausgestaltungen des mit Siloxan
modifizierten Phenolnovolak- und
Phenolresolharzes werden durch Kombinieren des Phenols und des Silikonzwischenproduktes
und durch anschließendes
Hinzufügen
von Aldehyd hergestellt, wodurch eine Mischung aus Phenolpolymeren,
Siloxanpolymeren und Phenolsiloxanpolymeren gebildet wird. Vorteilhafterweise
wird die Temperatur der kombinierten Mischung zur Verkürzung der Reaktionszeit
erhöht,
die mit der Fertigung des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes
verknüpft
ist.
-
Eine erste Ausgestaltung des mit
Siloxan modifizierten Phenolnovolakharzes kann beispielsweise durch
ein diskontinuierliches Verfahren unter Verwendung eines ummantelten
Reaktionskessels aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, der mit
einem Turbinenblatt oder einem ankerähnlichen Agitator, einem Dampfkondensator
und mit einem Temperaturregler ausgerüstet ist. Typischerweise wird
der Kessel mit geschmolzenem Phenol beladen, der Agitator gestartet
und anschließend
das Silikonzwischenprodukt zugesetzt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein
Säurekatalysator
zur Vereinfachung der Bildung des Phenolnovolakpolymers zugegeben
werden. Anschließend
wird der Kessel mit Formalin (37–40 Prozent wässeriges
Formaldehyd) beladen und zwar entweder vor einer Temperaturerhöhung wird
oder unter kontrollierter Zugabe bei erhöhter Temperatur. Es findet
eine kräftige
hoch exotherme Kondensationsreaktion statt. Der Kondensationsschritt
wird so lange durchgeführt
bis sich die gewünschte
Verteilung des Molekulargewichtes eingestellt hat. Während dieser Zeit
kann die Mischung unter Trennung der harzigen Komponente zweiphasig
werden. Die aktuelle Reaktionszeit variiert in Abhängigkeit
der gewünschten
Verteilung des Molekulargewichtes, der Verwendung eines oder mehrerer
Katalysatoren, des pH-Wertes und den Verhältnissen zwischen Aldehyd,
Phenol und Silikonzwischenprodukt.
-
Die Inhaltsstoffe werden miteinander
vermischt. In dieser Zeit findet zwischen dem Phenol, dem Aldehyd
und dem Silikonzwischenprodukt eine Polykondensation statt, die
bei Bedarf durch die Wirkung eines Katalysators wie unten beschrieben
beschleunigt werden kann. Während
dieser Zeit hydrolysieren die mit funktionellen Alkoxygruppen versehenen
Silikonzwischenprodukte ebenfalls und bilden mit funktionellen Silanolgruppen
versehene Silikonzwischenprodukte aus, die unter Bildung eines Siloxanpolymers
polymerisieren. Ferner co-polymerisieren sie mit dem neu entstandenen
Phenolnovolakharz-Vorpolymer unter Bildung von mit Siloxan modifiziertem
Phenolharz. Daher weist das gebildete Harz ein IPN aus Phenolnovolakpolymer
und Siloxanpolymer auf und bildet eine kontinuierliche Phase aus,
die aus dem Phenolpolymer besteht, das an seiner Grundkette über eine
oder mehrere Siloxangruppen verfügt.
Die Hydrolyse der mit funktionellen Silanolgruppen versehenen Silikonzwischenprodukte
kann bei Bedarf durch die Wirkung eines Katalysators wie unten beschrieben
beschleunigt werden. Abweichend hiervon können solche mit funktionellen
Silanolgruppen versehenen Silikonzwischenprodukte in dem Verfahren
eingesetzt werden, die direkt mit dem neu gebildeten Phenolnovolakharz-Vorpolymer co-polymerisieren
können.
-
Am Ende des Kondensationszeitraums
können
Wasser, Restfeuchtigkeit, nicht reagiertes Phenol und niedermolekulare
Stoffe durch atmosphärische,
Vakuum- oder Dampfdestillation entfernt werden. Der Zeitpunkt zu
dem die Destillation beendet wird, wird üblicherweise durch die Entnahme
einer Harzprobe und dem Messen ihrer Viskosität bestimmt. Nach dem Abkühlen des
Harzes kann dieses auf unterschiedliche Art und Weise behandelt
werden. Es kann in Stück-
oder Flockenform verfestigt, als Formpresspulver hergestellt oder mit
Hexamin oder andern Füllstoffen
vermischt und gemahlen werden.
-
Gemäß einem weiteren Beispiel kann
eine erste Ausgestaltung des mit Siloxan modifizierten Phenolresolharzes
durch ein diskontinuierliches Verfahren unter Verwendung der gleichen
Ausrüstung
wie weiter oben im Zusammenhang mit der Herstellung einer ersten
Ausgestaltung des mit Siloxan modifizierten Phenolnovolakharzes
beschrieben hergestellt werden. Typischerweise wird der Reaktionskessel
mit geschmolzenem Phenol beladen, der Agitator gestartet und das
Silikonzwischenprodukt zugesetzt. Zu diesem Zeitpunkt kann ein Basekatalysator
zur Vereinfachung der Bildung des Phenolresolpolymers zugesetzt
werden. Anschließend wird
Formalin zugegeben und der Kessel erwärmt. Die anfängliche
Reaktion ist exotherm. Die Kondensation wird unter atmosphärischem
Druck und bei Temperaturen im Bereich von 60°C bis 100°C oder unter Rückfluss durchgeführt. Da
mit Siloxan modifizierte Phenolresolsiloxanharze selbst wärmehärtend sind,
wird die Dehydration schnell und bei tiefen Temperaturen zur Vermeidung
von Überreaktionen
oder Gelbildung durchgeführt. Der
Endzeitpunkt wird durch manuelle Bestimmung einer bestimmten Heißplattengelzeit
erkannt, die mit zunehmender Verharzung abnimmt. Mit Siloxan modifizierte
Phenolresolharze können
zur Verlängerung
ihrer Lagerfähigkeit
gekühlt
werden.
-
Zweite und dritte Ausgestaltungen
eines mit Siloxan modifizierten Phenolnovolakharzes und eines mit Siloxan
modifizierten Phenolresolharzes werden unter Verwendung eines Phenolnovolakharzes
beziehungsweise Phenolresolharzes als Ausgangsstoffe hergestellt.
Geeignete Phenolnovolakharze und Phenolresolharze umfassen solche,
die zuvor beschrieben wurden. Die zweite Ausgestaltung des mit Siloxan
modifizierten Phenolnovolakharzes wird durch Kombinieren des Phenolnovolakharzes
mit einem Anteil von 75 bis 95 Gewichtsprozent hergestellt. Die
dritte Ausgestaltung des mit Siloxan modifizierten Phenolresolharzes
wird durch Kombinieren des Phenolresolharzes mit einem Anteil von
65 bis 99.5 Gewichtsprozent durchgeführt.
-
Es werden solche Silikonzwischenprodukte
zur Herstellung der zweiten und dritten Ausgestaltungen der mit
Siloxan modifizierten Phenolharze verwendet, die zuvor beschrieben
und auch im Zusammenhang mit der Herstellung der ersten Ausgestaltungen
der mit Siloxan modifizierten Phenolharze verwendet wurden. Zweite
und dritte Ausgestaltungen der mit Siloxan modifizierten Phenolharze
können
jeweils mit funktionellen Alkoxygruppen oder Silanolgruppen versehene
Silikonzwischenprodukte mit einem Anteil im Bereich von 0,5 bis
35 Gewichtsprozent enthalten.
-
Bei der zweiten Ausgestaltung wird
der mit Siloxan modifizierte Phenolnovolakharz durch Kombinieren eines
Phenolnovolakharzes mit einem Formaldehyddonor und einem Silikonzwischenprodukt
hergestellt. Geeignete Formaldehyddonatoren umfassen wässerige
Formaldehydlösungen,
Paraform, Trioxan, Hexamethylentetraamin oder dergleichen. Ein bevorzugtes
Material ist Hexamethylentetraamin. Die zweite Ausgestaltung des
mit Siloxan modifizierten Phenolnovolakharzes kann den Formaldehyddonor
mit einem Anteil im Bereich von 3 bis 15 Gewichtsprozent enthalten.
-
Bei der zweiten Ausgestaltung wird
der mit Siloxan modifizierte Phenolresolharz durch Kombinieren eines
Phenolresolharzes mit einem Silikonzwischenprodukt hergestellt.
Falls erwünscht
kann sowohl ein Säurekatalysator
oder wahlweise ein Basekatalysator zur Verkürzung der Reaktionsdauer eingesetzt
werden, was mit dem abschließenden
Aushärten
des Harzes verknüpft
ist. Geeignete anorganische Säurekatalysatoren,
die bei Bedarf bei der dritten Ausgestaltung eingesetzt werden können, umfassen
Phosphor-, Salz- und
Schwefelsäuren.
Geeignete organische Säurekatalysatoren,
die bei Bedarf bei der dritten Ausgestaltung eingesetzt werden können, umfassen
para-Toluensulfonsäure
und Phenylsulfonsäure.
Schlafende Säurekatalysatoren können ebenso
zur Verbesserung der Topfzeit und zur Vergrößerung des Anwendungsfensters
ohne Gelbildung eingesetzt werden. Geeignete Basekatalysatoren zum
Aushärten
der Phenolresole umfassen verschiedenen Formen von Barium- und Magnesiumoxid
oder dergleichen. Kommerziell beziehbare proprietäre schlafende
saure Katalysatoren, die im Rahmen der Erfindung geeignet sind,
können
von British Petroleum Chemicals unter dem Handelsnamen Phencat 381
und Phencat 382 bezogen werden. Andere proprietäre Katalysatoren umfassen Borden
RC-901, einen Diphenylphosphorsäureester
lieferbar von Dover Corp. mit dem Produktnamen Doverphos 231L und
GP3839 sowie GP308D50 von Georgia-Pacific. Die dritte Ausgestaltung
des mit Siloxan modifizierten Phenolresolharzes kann bis zu etwa
15 Gewichtsprozent des optionalen Säure- oder des aushärtenden
Basekatalysators enthalten.
-
Falls gewünscht können die ersten, zweiten und
dritten Ausgestaltungen des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes
wahlweise eine ausreichende Menge eines Katalysators enthalten,
um die Reaktionsdauer zu verkürzen
und die Temperaturen herabzusetzen, die mit der Kondensation des
Silikonzwischenproduktes verknüpft
ist, wobei der Katalysator letzteres mit dem Phenolpolymer bei der
Bildung des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes co-polymerisiert.
-
Geeignete Katalysatoren sind aus
der Gruppe ausgewählt,
die aus organometallischen Verbindungen, Aminverbindungen und Mischungen
daraus besteht. Kombinationen aus einer organo metallischen Verbindung und
einer Aminverbindung werden im Bedarfsfall zur Katalyse der Hydrolyse
und/oder der Kondensation des Silikonzwischenproduktes bevorzugt.
Verwendbare organometallische Verbindungen enthalten in der Streichindustrie
bestens bekannte metallische Trocknungsmittel wie Zink, Mangan,
Kobalt, Eisen, Blei und Zinnoctoat, -neodecanat, -naphtenat oder
dergleichen. Organotitanate wie Butyltitanat oder dergleichen sind
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendbar.
-
Eine bevorzugte Klasse organometallischer
Verbindungen, die als Katalysator verwendbar sind, stellen Organozinnverbindungen
mit der allgemeinen Formel
dar, wobei R
8,
R
9, R
10 und R
11 aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Alkyl-, Aryl-,
Aryloxy und Alkoxygruppen mit bis zu 11 Kohlenstoffatomen besteht,
und wobei ein oder zwei der R
8, R
9, R
10 und R
11 zusätzlich
aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus anorganischen Atomen besteht, welche ein Halogen, Schwefel
oder Sauerstoff sind.
-
Als Katalysatoren verwendbare Organozinnverbindungen
umfassen Tetramethylzinn, Tetrabutylzinn, Tetraoctylzinn, Tributylzinnchlorid,
Tributylzinnmethacrylat, Dibutylzinndichlorid, Dibutylzinnoxid,
Dibutylzinnsulfid, Dibutylzinnacetat, Dibutylzinndilaurat, Dibutylzinnmaleatpolymer,
Dibutylzinndilaurylmercaptid, Zinnoctoat, Dibutylzinnbis (Isooctylthioglycolat),
Butylzinntrichlorid, Zinnbutylsäure,
Dioctylzinndichlorid, Dioctylzinnoxid, Dioctylzinndilaurat, Dioctylzinnoxid,
Dioctylzinndilaurat, Dioctylzinnmaleatpolymer, Dioctylzinn-bis (Isooctylthioglykolat),
Dioctylzinnsulfid und Dibutylzinn-3-merkaptopropionat. Die ersten,
zweiten und dritten Ausgestaltungen des mit Siloxan modifizierten
Phenolharzes können
bis zu fünf
Gewichtsprozent des oragnometallischen Katalysators enthalten.
-
Mit Bezug auf die Aminverbindung
sei erwähnt,
dass die bevorzugte Aminverbindung zum optionalen Katalysieren der
Hydrolyse und/oder der Kondensationsreaktionen des Silikonzwischenproduktes
die allgemeine Formel
aufweist, wobei R
12 und R
13 aus der
Gruppe ausgewählt
ist, die aus Wasserstoff, Aryl- und Alkylgruppen mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen
besteht, und wobei R
14 aus der Gruppe ausgewählt ist,
die aus Alkyl- Aryl-
und Hydroxyalkylgruppen mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen besteht.
-
Geeignete zur Katalyse einsetzbare
Aminverbindungen enthalten Dimethylmethanolamin, Ethylaminoethanol,
Dimethylethanolamin, Dimethylpropanolamin, Dimethylbutanolamin,
Dimethylpentanolamin, Dimethylhexanolamin, Methylethylmethanolamin,
Methylpropylmethanolamin, Methylethylethanolamin, Methylethylpropanolamin,
Monoisopropanolamin, Methyldiethanolamin, Triethanolamin, Diethanolamin
und Ethanolamin. Bevorzugte Aminverbindungen enthalten Dimethylethanolamin
und Ethylethanolamin. Die ersten, zweiten und dritten Ausgestaltungen
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes können bis zu vier Gewichtsprozent des
Aminkatalysators aufweisen.
-
Falls erwünscht können die organometallische
Verbindung und die Aminverbindung jeweils unabhängig voneinander für die Fertigung
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes verwendet werden. Es
wurde jedoch erkannt, dass die organometallische Verbindung und
die Aminverbindung in Kombination synergetische Effekte zur Katalyse
des Aushärtungsprozesses
freisetzen, wobei die Aushärtezeit
stärker
verkürzt
und/oder die Reaktionstemperaturen stärker herabgesetzt wurden als
dies der Fall war, wenn der organometallische Katalysator oder der
Aminkatalysator allein verwendet wurde. Daher wird, falls unter
den gegebenen Unständen erwünscht, der
Einsatz einer organometallischen Verbindung in Kombination mit einer
Aminverbindung bevorzugt, um für
den Fall, dass ein mit einer funktionellen Alkoxygruppe versehenes
Silikonzwischenprodukt verwendet wird, die Hydroxidbildung durch
Hydrolyse der Silikonzwischenstufe aber gleichzeitig auch die Polymerisation
durch Kondensation der Silikonzwischenstufe zu katalysieren, die
sowohl mit einer funktionellen Alkoxy- als auch mit einer Silanolgruppe
versehen sein kann. Eine beispielhafte Kombination aus oranometallischer
Verbindung und Aminverbindung besteht aus Dibutyldiacetat und Ethylaminoethanol.
Dibutyldiacetat reagiert bei der Katalyse des Aushärtungsprozesses
in Kombination mit dem Amin synergetisch. Obwohl man von einem mechanistischen
Charakter des synergetischen Effekts der Organozinnverbindung und
der Aminverbindung ausgeht, ist der genaue Mechanismus unbekannt.
-
Bei einem gemeinsamen Einsatz liegt
ein bevorzugtes Verhältnis
der organometallischen Verbindung zur Aminverbindung bei etwa eins.
Daher können
die ersten zweiten und dritten mit Siloxan modifizierten Phenolharze
bis etwa zu 10 Gewichtsprozent an kombiniertem organometallischem
Katalysator und Aminkatalysator enthalten. Entsprechend können mit
Hilfe einer Kombination aus organometallischem Katalysator und Aminkatalysator
und wahlweise eines Säure-
oder Basekatalysators hergestellte mit Siloxan modifizierte Phenolharze
bis zu 25 Gewichtsprozent an Katalysator enthalten. Vorteilhafterweise
enthalten erste, zweite und dritte mit Siloxan modifizierte Phenolharze
kombinierte Katalysatoren mit einem Anteil im Bereich von 5 bis
25 Gewichtsprozent.
-
Wasser kann in Form eines wässerigen
Phenolresols oder in Form eines wässerigen Formaldehyds vorhanden
sein. Das Phenolresol kann beispielsweise Wasser in einem Bereich
von 3 bis 13 Gewichtsprozent und der Formaldehyd Formalin enthalten,
das 37 bis 40 Prozent wässriges
Fromaldhyd ist. Die ersten, zweiten und dritten Ausgestaltungen
des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes können als Phenolharze mit einem sehr
geringen oder gar keinem Wasseranteil ausgebildet sein, wodurch
eine verbesserte Stabilität
und verbesserte Verfahrenscharakteristiken bereitgestellt werden.
Das Silikonzwischenprodukt wirkt zum Bereitstellen eines stabilen
Erzeugnisses mit im Allgemeinen geringer Viskosität als Reaktivverdünner. Zweite
und dritte Ausgestaltungen des mit Siloxan modifizierten Phenolharzes
werden durch Kombinieren der oben beschriebenen Anteile eines Phenolnovolak-
oder Phenolresolharzes mit einer mit einer funktionellen Methoxy-
oder Silanolgruppe versehenen Silikonzwischenproduktes hergestellt.
Zu der zweiten Ausgestaltung wird ein Formaldehyddonor gegeben.
Falls erwünscht,
können
der Katalysator für
den Phenolharz und der Katalysator für das Silikonzwischenprodukt,
d. h. die organometallische Verbindung und/oder die Aminverbindung,
wahlweise zugegeben werden, um die Reaktions- und Aushärtezeit
zu verkürzen
und die Reaktionstemperatur herabzusetzen.
-
Feuerfeste Rohre, die eine strukturelle
Rohrwand und eine feuerfeste Schicht aus mit Siloxan modifizierten
Phenolharzen aufweisen, zeigen im Vergleich zu Rohren, die aus nicht
modifizierten Phenolharzen ohne Beeinflussung der dem Phenolharz
innewohnenden physikalischen Eigenschaften wie Wärme-, Flammen- und chemische
Festigkeit hergestellt sind, verbesserte physikalische Eigenschaften
wie Umfangsfestigkeit, chemische Festigkeit, Flexibilität, Stossfestigkeit
und ein verbessertes Biegemodul auf. Darüber hinaus weisen feuerfeste
Rohre, die aus solchen mit Siloxan modifizierten Phenolharzen gefertigt
sind, gegenüber herkömmlichen
nicht modifizierten Phenolharzen weniger mikroskopische Fehlstellen
und daher geringere Dichten auf, die näher an den theoretischen Dichten
liegen. Weniger mikroskopische Fehlstellen verhindern ferner mögliche Wassereinschlüsse, die
sich bei Dampfentwicklung und den damit verbundenen Fehlern der Harzmatrix
nachteilig auf die Temperaturbeständigkeit des Harzes auswirken.
-
Furanharze können auf Grund ihrer im Vergleich
zu herkömmlichen
Epoxy- und Polyester-FRP-Harzen verbesserten Temperaturbeständigkeit
zur Fertigung der strukturellen Rohrwand ausgewählt werden. Furanharze weisen
jedoch einen geringeren Grad an Temperaturbeständigkeit auf und sind teurer
als die Phenol- und mit Siloxan modifizierten Phenolharze.
-
Die strukturelle Rohrwand des feuerfesten
Rohres ist aus einer oder mehreren Schichten gewickelter Fasern
gebildet. Für
ein Rohr mit einem inneren Durchmesser von ungefähr zwei Zoll und für den Feuerlöschbetrieb
bis 225 psig zugelassen wird beispielsweise gefordert, dass die
strukturelle Wand Faserwicklungen im Bereich von 2 bis 20 Schichten
und bevorzugt von 6 bis 16 Faserwicklungsschichten aufweist. Eine
strukturelle Rohrwand mit weniger als 2 Faserwicklungsschichten
weist einen geringeren Grad an Umfangs- und Längsfestigkeit sowie an Temperaturbeständigkeit
auf als für
eine Anwendung als Feuerlöschrohr
erforderlich ist. Eine gefertigte strukturelle Rohrwand mit mehr
als etwa 20 Schichten einer Faserwicklung geht über das zur Bereitstellung
einer für
eine Anwendung als Feuerlöschrohr
ausreichenden Grad an Umfangs- und Längsfestigkeit Notwendige hinaus
und führt
daher beim Rohr zu überflüssigem Gewicht
und Aufwand.
-
2 zeigt
eine feuerfeste Schicht 18, die um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand 12 herum
angeordnet ist. Die feuerfeste Schicht 18 ist im Allgemeinen
eine harzreiches hitzeabweisendes Schild, das um die strukturelle
Rohrwand 12 herum eingesetzt wird, um sie vor hohen Temperaturen
oder direkten Flammenkontakt zu schützen. Die feuerfeste Schicht 18 weist
eine Tragkomponente 20 auf, die mit einer Harzkomponente 22 imprägniert ist.
Typischerweise ist die feuerfeste Schicht 18 um die äußere Oberfläche der strukturellen
Rohrwand 12 umlaufend gewickelt bis die gewünschten
Anzahl von Schichten, d. h. die Wanddicke des Hitzeschildes, erreicht
ist. Die feuerfeste Schicht kann jedoch auch durch eine Sprühanwendungstechnik
aufgebracht werden.
-
3 verdeutlicht
ein feuerfestes Rohr 10 mit einer strukturellen Wand 12,
die aus mehreren Faserwicklungen 14 und mehreren feuerfesten
Schichten 18 gefertigt ist. Die Anzahl der zur Ausbildung
des feuerfesten Rohres oder des feuerfesten Rohrzubehörteils verwendeten
feuerfesten Schichten variiert in Abhängigkeit solcher Faktoren wie
der Größe des Rohres,
der möglichen
Temperatur oder Flammenbelastung des Rohres, der zur Ausbildung
der strukturellen Rohrwand ausgewählten Art der Faser- und/oder
Harzkomponente, der zur Ausbildung der feuerfesten Schicht aufgewählten Art
der Träger-
und/oder Harzkomponente oder dergleichen. Bevorzugte Ausgestaltungen
dieses feuerfesten Rohres können
in Abhängigkeit
der oben genannten Faktoren feuerfeste Schichten im Bereich von
1 bis 15 aufweisen. Bei einem Rohr mit einem Innendurchmesser von
ungefähr
zwei Zoll sind feuerfeste Schichten mit einer Anzahl im Bereich
von 2 bis 15 vorgesehen.
-
Die feuerfeste Schicht 18 kann
unter Anwendung herkömmlicher
Wickeltechniken, die beispielsweise weiter oben zur Herstellung
der strukturellen Rohrwand beschrieben sind, um die strukturelle
Rohrwand 12 gewickelt werden. Vorteilhafterweise wird die
feuerfeste Schicht mit einer ausreichenden Spannung gewickelt, um
eine gute Grenzfläche
zwischen den Oberflächen
der benachbarten Rohrwand und der feuerfesten Schicht bereitzustellen.
Die feuerfeste Schicht 18 kann kurz nach dem Ausbilden
der strukturellen Rohrwand und vor dem Aushärten der Harzkomponente der
Rohrwand aufgebrachte werden, um durch das Aushärten zwischen den sich zugewandten
Harzkomponeten der Rohrwand und der feuerfesten Schicht eine gute
Schichtbindung bereitzustellen. Aus diesem Grunde ist es, wie weiter
unten beschrieben, vorteilhaft, wenn die Harzkomponente der feuerfesten
Schicht kompatibel zu dem zur Fertigung der strukturellen Rohrwand
eingesetzten Harz ist.
-
Die zur Ausbildung der feuerfesten
Schicht 18 verwendete Trägerkomponente 20 kann
aus jedem Material gefertigt sein, das sowohl zur Aufnahme einer
großen
Menge einer Harzkomponente als auch zum Bereitstellen einer Tragstruktur
für das
Harz im sowohl flüssigen
als auch ausgehärteten
Zustand geeignet ist. Darüber
hinaus ist es wünschenswert,
dass der Träger
den Harz tragen kann und nicht von der strukturellen Rohrwand abbröckelt oder
abblättert,
wenn er hohen Temperaturen oder einer direkten Flamme ausgesetzt
ist. Vorteilhafterweise kann der Träger eine Harzkomponente im
Bereich von 75 bis 95 Gewichtsprozent oder grob das dreifache des
Harzgehaltes der faserverstärkten
Wicklungen aufnehmen. Die feuerfeste Schicht kann ungefähr 90 Gewichtsprozent
des Harzes enthalten.
-
Geeignete Trägermaterialien enthalten faserige
mattenartige Strukturen, die Glasfasern, Kohlenstofffasern, Mischungen
von Polyesterfasern oder Nylonfasern mit andern Hochtemperaturfasern, ähnliche
Faserfilze, geschnittene Fasern oder dergleichen oder Mischungen
davon. Ein bevorzugtes Glasfasern enthaltenes Material wird von
Owens Corning aus Toledo, Ohio unter dem Produktnamen C-Veil, Poduktcodenummer
GC 70E hergestellt und besteht aus einer dünnen Matte willkürlich orientierter
geschnittener C-Glasfasern, die miteinander über eine Binderdispersion verbunden
sind. Ein bevorzugtes Polyesterfasern aufweisendes Material wird
von der Precision Fabrics Group aus Greensboro, North Carolina unter
dem Produktnamen Nexus, Produktcodnummer 111-00005 hergestellt und
wurde aus gestrecktem hitzefixiertem 100 Dacron®-polyester
gefertigt und enthält
keine Glasfasern.
-
Obwohl die Trägerkomponente als mattenartige
Struktur beschrieben und verdeutlicht wurde, die mittels herkömmlicher
Wickeltechniken geformt wurde, sei darauf hingewiesen, dass der
Träger
hiervon abweichend in Form eines als Spray anwendbaren Materials
mit geschnittenen Fasern und Harz realisiert sein kann. Geeignete
als Spray anwendbare Träger
umfassen solche, die zum Beladen mit der oben beschriebenen Menge
an Harzkomponente für
Sprayanwendungen auf der Oberfläche
der strukturellen Rohrwand unter Anwendung herkömmlicher Sprayapplikationstechniken
geeignet sind.
-
Die Trägerkomponente stellt in der
Harzmatrix der feuerfesten Schicht eine faserige Verstärkung bereit.
Die Fasern sorgen für
die mechanische Festigkeit des Harzes, der etwas brüchig sein
kann. Trotz der relativen Stossfestigkeit vor einer Belastung wird
das Harz durch thermische Zersetzung brüchig. Dies beruht auf dem Effekt,
dass die feuerfeste Schicht bestenfalls in feinen Teilchen abgetragen
wird und nicht in großen
Flocken abblättert,
wodurch die harzreiche Schutzschicht schnell abgetragen und die
unterliegende strukturelle Wand des Rohres thermischer Schädigung ausgesetzt
wird. Überraschenderweise
können
einige thermoplastische Harzfasern verwendet werden, obwohl einem
Flammentest zu Folge eine bedeutende Schädigung zu erwarten war. Solche
Fasern zeigten jedoch die besten Ergebnisse, wenn sie mit Hochtemperaturfasern
vermischt wurden. Auf Grund ihrer Stärke und Temperaturfestigkeit
werden Glasfasern bevorzugt.
-
Die zum Imprägnieren der Trägerkomponente
und zur Fertigung der feuerfesten Schicht 18 verwendete
Harzkomponente 22 wird aus der gleichen Gruppe von Phenolharzen,
mit Siloxan modifizierten Phenolharzen, Furanharzen und Mischungen
davon ausgewählt,
die oben im Zusammenhang mit den zur Fertigung der strukturellen
Rohrwand verwendeten Harzen beschriebenen wurden. Ist die Harzkomponente
mattenförmig
ausgestaltet, wird die gleiche Technik zum Aufbringen auf den Träger angewendet
wie beim Harz zum Aufbringen auf die faserverstärkte Wicklung. Vorzugesweise
ist die für
die feuerfeste Schicht ausgewählte
Harzkomponente die gleiche wie diejenige, die zum Fertigen der unterliegenden
strukturellen Rohrwand ausgewählt
wurde, so dass eine chemischen Kompatibilität und dadurch eine gute chemische
Bindung zwischen den einander zugewandten Oberflächen der strukturellen Rohrwand
und der feuerfesten Schicht während
des Aushärtens
bereitgestellt ist. Darüber
hinaus ist durch den Einsatz eines einzigen Harzes lediglich ein
Aushärtezyklus
für das
gesamte Rohr durchzuführen.
-
Das feuerfeste Rohr kann mit einer
oder mehren Schichten des gleichen feuerfesten Materials oder mit
einer oder mehreren Schichten aus verschiedenen Materialien aufgebaut
werden. Vorteilhafterweise ist die Harzkomponente jedes feuerfesten
Materials kompatibel mit der Oberfläche der benachbarten strukturellen Rohrwand
oder der feuerfesten Schicht, so dass eine gute Schichtbindung erfolgt.
Das feuerfeste Rohr oder das feuerfeste Rohrzubehörteil können beispielsweise
von der Oberflächen
der Rohrwand nach außen
aufeinander folgend eine oder mehrere Schichten des C-Veil-Materialtyps,
eine oder mehrere Schichten des Nexus-Materialtyps und eine oder
mehrere Schichten des C-Veil-Materialtyps
enthalten, die jeweils mit der gleichen Harzkomponente imprägniert sind,
wie diejenige, die zum Fertigen der strukturellen Rohrwand verwendet wurde.
Die Verwendung unterschiedlicher Arten feuerfester Schichten kann
zur Verringerung der Rohproduktkosten, zum Optimieren der Temperaturfestigkeit,
zum Minimieren des Gewichts oder dergleichen vorteilhaft sein. Die
feuerfeste Schicht kann aus sich abwechselnden Schichten aus C-Glasfaser
(C-Veil) und Polyestermaterial (Nexus) gefertigt sein, die mit einer
mit Siloxan modifizierten Phenolharzzusammensetzung imprägniert sind.
-
Nach dem Ausbilden der strukturellen
Rohrwand und dem Aufbringen der feuerfesten Schicht werden die Harzkomponenten
gleichzeitig ausgehärtet,
indem das Rohr einer Temperatur im Bereich von 140 bis 190°F (60 bis
88°C) über eine
Dauer von 30 Minuten ausgesetzt wird. Vorteilhafterweise weisen
die zum Ausbilden der strukturellen Rohrwand und des feuerfesten
Rohres eingesetzten Harze ausreichend Katalysator auf, um das Aushärten unterhalb
einer Temperatur von 212°F
(100°C)
durchführen
zu können.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Aushärtebedingungen für das Rohr
in Abhängigkeit
der Menge und Art des verwendeten Katalysators, der Art des ausgewählten Harzes,
der Anzahl der faserverstärkten Wicklungen,
der Anzahl der feuerfesten Schichten und dergleichen variieren können.
-
Die ausgehärtete feuerfeste Schicht wirkt
wie eine Hitze ableitende Beschichtung, die unter Hochtemperaturbedingungen
oder bei Flammenkontakt eine poröse äußere Schicht
ausbildet. Die poröse äußere Schicht
wird von dem Rohr abgetragen, bleibt jedoch in Takt und bildet auch
weiterhin eine wärmeisolierende Schicht
aus, welche die unterliegende strukturelle Rohrwand vor möglicherweise
schädigenden
Einwirkungen wie hohen Temperaturen oder direktem Flammenkontakt
schützt.
-
In 4 weist
das feuerfeste Rohr eine wie oben beschriebene strukturelle Wand 24 und
eine oder mehrere Schichten eines Energie absorbierenden Materials 26 auf,
das auf der Oberfläche
der strukturellen Rohrwand angeordnet ist. Das zum Ausbilden der
Schicht verwendete Energie absorbierende Material ist vorteilhafterweise
in der Lage, Wärme
in einem hohen Maße
von einer äußeren umgebenden
Schicht zu absorbieren und diese Energie, beispielsweise durch eine
endotherme Reaktion, für
einen Phasenübergang,
beispielsweise von fest zu gasförmig,
unterhalb der Zersetzungstemperatur der strukturellen Wand zu verwenden. Das
von den Schichten gebildete Gas erzeugt einen thermisch isolierenden
Spalt zwischen der äußeren umgebenden
Schicht und der strukturellen Rohrwand.
-
Geeignete Energie absorbierende Materialien
enthalten polymere Materialien wie Feststoffhydrate, Hydritmaterialien
oder dergleichen, die zu einem endothermen Phasenübergang
befähigt
sind, um bei einer Temperatur unterhalb des Zersetzungstemperatur
des zum Ausbilden der unterliegenden strukturellen Wand ausgewählten Harzes
also unterhalb von etwa 300°C
zu verdampfen oder ein Gas freizusetzen. Beispiele bevorzugter Energie
absorbierender Materialien umfassen Polyethylen, hydriertes Calciumsulfat
(Gips), Aluminiumtrihydroxid und andere hydrierte oder Hydroxidgruppen
enthaltende Verbindungen, die zum Verdampfen oder zur Gasbildung unterhalb
von 300°C
in der Lagen sind. Mit einer Pulverkomponente angereicherte polymere
Materialien wie Polyethylen oder dergleichen sind ebenfalls zweckmäßig, da
die Kombination von Gas und Pulver, das beim Verdampfen erzeugt
wird, eine Gas- und Pulverschicht zwischen der äußeren umgebenden Schicht und
der strukturellen Rohrwand ausbildet, die erhöhte wärmeisolierende Eigenschaften
bereitstellt.
-
Wird zum Fertigen der zweiten Ausgestaltung
des feuerfesten Rohres Polyethylen verwendet, kann dieses als Lage
mehrmals um die strukturelle Rohrwand 24 gewickelt werden,
bis die gewünschte
Anzahl von Schichten oder die gewünschte Schichtdicke erreicht
ist. Wird Polyethylen in Form von 0,15 Millimeter dicken Lagen eingesetzt,
ist der Einsatz von 4 bis 20 Schichten vorteilhaft, wobei eine Gesamtwanddicke
des Energie absorbierenden Materials von etwa 0,6 bis 3 Millimeter
bereitgestellt wird. Die Polyethylenlage wird mit der gleichen Wicklungstechnik
aufgebracht wie diejenige, die oben im Zusammenhang mit der strukturellen
Rohrwand und der feuerfesten Schicht des feuerfesten Rohres beschrieben
wurde. Die Polyethylenschicht braucht nicht mit einem bestimmten
Wicklungswinkel eingesetzt werden, da sie zum Verschleiß vorgesehen
ist und keinen Beitrag zur Umfangs- und Längsfestigkeit des Rohres leistet.
Unterscheidet sich das Energie absorbierende Material von Polyethylen
kann es als Lage, als Spray oder in Form fester Halblagen, die über Teile
der strukturellen Rohrwand passen, eingesetzt werden.
-
Um die Oberfläche der Schicht des Energie
absorbierenden Materials werden Schichten faserverstärkten Harzes
gewickelt. Der faserverstärkte
Harz kann das gleiche sein wie dasjenige, das zum Ausbilden der
strukturellen Rohrwand 24 ausgewählt wurde. Es kann sich jedoch
auch von diesem unterscheiden. Das faserverstärkte Harz kann das gleiche
sein und in der gleichen Art und Weise angewendet werden wie dasjenige,
das zum Ausbilden der strukturellen Rohrwand ausgewählt wurde.
Die Anzahl der Schichten des angewendeten faserverstärkten Harzes
ist von der jeweiligen Anwendung des Rohres und dem Grad der gewünschten
Wärme-
oder Flammenfestigkeit abhängig.
Das feuerfeste Rohr kann 2 bis 20 Schichten des faserverstärkten Harzes 28 aufweisen.
-
Abweichend hiervon kann ein feuerfestes
Rohr eine Anzahl aufeinander folgender faserverstärkter Harzschichten
und Schichten aus einem Energie absorbierenden Material aufweisen.
Beispielsweise kann ein feuerfestes Rohr erste Energie absorbierende
Materialschichten, die auf der strukturellen Rohrwand angeordnet
sind, erste faserverstärkte
Harzschichten, die auf der äußern Oberfläche der
ersten Energie absorbierenden Materialschichten angeordnet sind,
zweite Energie absorbierende Schichten, die auf der Oberfläche der ersten
faserverstärkten
Harzschichten angeordnet sind, und zweite faserverstärkte Harzschichten
aufweisen, die auf der äußeren Oberfläche der
zweiten Energie absorbierenden Materialschichten angeordnet sind.
In einem solchen Fall können
die zur Ausbildung der ersten und zweiten Energie absorbierenden
Materialschichten ausgewählten
Energie absorbierenden Materialien gleich oder verschieden sein.
Sie können
so ausgewählt sein,
dass zur Ausbildung der äußeren Energie
absorbierende Materialschicht ein Energie absorbierendes Material
mit einer vergleichsweise höheren
Verdampfungstemperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur der faserverstärkten Harzschichten
verwendet wird. In einem solchen Fall kann die Anzahl der Lagen
jeder Energie absorbierenden Materialschicht gleich oder kleiner
sein als diejenige, die weiter oben im Zusammenhang mit einem Rohr
beschrieben wurde, das eine einzige Energie absorbierenden Materialschicht
aufweist.
-
Unter Bezug auf 5 kann ein feuerfestes Rohr zwei unterschiedliche
Arten Energie absorbierender nebeneinander angeordneter Materialschichten
aufweisen, um den gewünschten
Grad an Energieabsorption und an thermischer Isolierung bereitzustellen.
So ist beispielsweise eine Anzahl erster Energie absorbierender Materialschichten 30 aus
einem ersten Energie absor bierenden Material auf der Oberfläche der
strukturellen Rohrwand 32 angeordnet. Eine Anzahl zweiter
Energie absorbierender Materialschichten 34 aus einem zweiten
Energie absorbierenden Material ist auf der Oberfläche der
ersten Energie absorbierenden Materialschichten angeordnet. Vorzugsweise
weist das zweite Energie absorbierende Material eine vergleichsweise
höhere Verdampfungstemperatur
auf als das erste Energie absorbierende Material, so dass die zwei
Schichten als sequentielle thermische Isolatoren wirken, um das
Vordringen der schädigenden
Wärmeenergie
zur strukturellen Rohrwand zu verhindern.
-
Eine Anzahl faserverstärkter Harzschichten 36 ist
um die äußere Oberfläche der
zweiten Energie absorbierenden Materialschicht gewickelt. Die Anzahl
der verwendeten faserverstärkten
Harzschichten 36 kann kleiner oder gleich derjenigen sein,
die zur Ausbildung der strukturellen Rohrwand verwendet wurde. Darüber hinaus
können
das faserverstärkende
Material und das Harz, die zur Ausbildung der faserverstärkten Harzschicht 36 verwendet
wurden, gleich oder unterschiedlich gegenüber denjenigen sein, die zur
Ausbildung der strukturellen Rohrwand verwendet wurden. Die Anzahl
der zur Ausbildung der ersten und zweiten Materialschicht verwendeten
Energie absorbierenden Materialschichten kann gleich oder unterschiedlich
gegenüber derjenigen
sein, die zur Ausbildung der oben offenbarten einzigen Energie absorbierenden
Materialschicht verwendet wurde.
-
Falls erwünscht kann das feuerfeste Rohr
mit mehr als einem Satz Energie absorbierender Materialschichten
ausgebildet werden, um den gewünschten
Grad des Wärme-
und/oder Flammenschutzes für
die strukturelle Rohrwand bereitzustellen. Das feuerfeste Rohr kann
beispielsweise mit einer strukturellen Rohrwand, einem ersten Satz
aus unterschiedlichen Energie absorbierenden Materialschichten,
einer ersten faserverstärkten
Harzschicht, einem zweiten Satz aus unterschiedlichen Energie absorbierenden
Materialschichten und einer zweiten faserverstärkten Harzschicht gefertigt
sein. In einem solchen Fall können
die Energie absorbierenden Materialien, die zur Ausbildung des erst
Satzes Energie absorbierender Materialschichten verwendet wurden
gleich oder unterschiedlich gegenüber denjenigen sein, die zur
Ausbildung des zweiten Satzes Energie absorbierender Materialschichten
verwendet wurden.
-
Abweichend hiervon kann das feuerfeste
Rohr mit einer oder mehreren Schichten eines Energie absorbierenden
Materials wie oben beschrieben ausgebildet sein, die zwischen der
strukturellen Rohrwand und den feuerfesten Schichten angeordnet
ist/sind, um einen erhöhten
Grad an Wärme-
oder Flammenschutz für die
strukturelle Rohrwand bereitzustellen. In einem solchen Fall kann
die zur Ausbildung des Hitzeschildes verwendete Harzkomponente unterschiedlich
gegenüber
der Harzkomponente sein, die zur Ausbildung der strukturellen Rohrwand
verwendet wurde.
-
Ferner kann im Bedarfsfall das feuerfeste
Rohr mit einer oder mehreren Energie absorbierenden Schichten ausgebildet
sein, die zwischen unterschiedlichen feuerfesten Schichten angeordnet
ist/sind. Entsprechend können
eine oder mehrere Energie absorbierende Materialschichten zwischen
der strukturellen Rohrwand und den feuerfesten Schichten und/oder,
bei Bedarf, zwischen unterschiedlichen feuerfesten Schichten je
nach der jeweiligen Anwendung angeordnet sein, um einen optimalen
Grad an Hitze- oder Flammenschutz für die strukturelle Rohrwand
bereitzustellen.
-
6 zeigt
ein gemäß den Prinzipien
der Erfindung hergestelltes feuerfestes Rohr 38 mit einer
auf der äußeren Oberfläche der
strukturellen Rohrwand 42 angeordneten Ablöseschicht 40 und
einer auf einer Oberfläche
der Ablöseschicht 40 angeordneten
faserverstärkten
Harzschicht 44. Die strukturelle Rohrwand ist auf die gleiche
Art und Weise wie zuvor beschrieben gefertigt. Das feuerfeste Rohr
weist einen Mantel 46 aus sich abwechselnden Ablöseschichten 40 und
faserverstärkten
Harzschichten 44 auf, der um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand 42 herum
angeordnet ist.
-
Zur Ausbildung der Ablöseschicht 40 geeignete
Materialien sind vorzugsweise solche, die weder an dem zur Ausbildung
der benachbarten strukturellen Rohrwand verwendeten Harz noch an
dem zur Ausbildung der faserverstärkten Schicht verwendeten Harz
binden. Vorteilhafterweise geht die Ablöseschicht weder mit der benachbarten
strukturellen Rohrwand noch mit der faserverstärkten Harzwand eine Bindung
ein, wodurch die Ablöseschicht
als nicht bindende Schicht zwischen den harzhaltigen Schichten wirkt.
Die nicht bindende Wirkung der Ablöseschicht dient zur Verbesserung
des Stossverhaltens des feuerfesten Rohres, indem die Ausbreitung
einer Schockwelle in dem Rohr gedämpft wird, die durch einen
Kontakt an der äußeren Oberfläche verursacht
wurde. Auf Grund dieser Funktionsweise wirkt die Ablöseschicht
dahin, dass Schockwellen eines Stosses ausgelöscht oder davon abgehalten
werden, sich durch das Rohr zur strukturellen Wand hin auszubreiten,
womit mögliche
Risse oder Brüche
verhindert werden.
-
Zur Ausbildung der Ablöseschicht
geeignete Materialien umfassen aus Polymermaterialien hergestellte
Filme, die mit den jeweiligen Harzen inkompatibel sind, welche zur
Ausbildung der strukturellen Rohrwand und der faserverstärkten Harzschicht
eingesetzt wurden. Beispiele solcher Polymermaterialien umfassen
Polyolefine wie Polypropylen, Polyethylen oder dergleichen. Eine
besonders bevorzugte Ablöseschicht
ist aus Polypropylen gefertigt.
-
Es ist weiterhin wünschenswert,
dass das zur Ausbildung der Ablöseschicht
ausgewählte
Material in der Lage ist, von der Rohroberfläche stammende Wärmeenergie
zu absorbieren, und vorzugsweise ein Material ist, das in der Lage
ist eine große
Wärmemenge
einer äußeren umgebenden
Schicht zu absorbieren und diese Energie beispielsweise über eine
endotherme Reaktion für
einen Phasenübergang
beispielsweise von fest zu gasförmig
unterhalb der Zersetzungstemperatur der strukturellen Wand einzusetzen.
Das von der Ablöseschicht
erzeugte Gas bildet einen thermisch isolierenden Luftspalt zwischen
der benachbarten faser verstärkten
Harzschicht und den faserverstärkenden
Schichten der strukturellen Rohrwand aus. Der Luftspalt erlaubt
jeder der unabhängigen
faserverstärkten
Harzschichten als Strahlungsschild zur Erhöhung der thermischen Festigkeit
des Rohres zu wirken, wobei Wärmestrahlung
vor dem Erreichen der strukturelle Rohrwand fortschreitend durch
jede faserverstärkte
Harzschicht geführt
wird. Die mehrfache Strahlungsschildfunktion der Luftspalte vermeidet
mögliche
hohe Wandbelastungen in dem Rohr, die bei einem Feuer durch den
steilen thermischen Gradienten am äußeren Rohr verursacht werden.
-
Die oben zur Ausbildung der Ablöseschicht
angegebenen Materialien stellen ebenfalls wärmeisolierende Materialien
dar und sind daher zur Ausbildung einer Ablöseschicht geeignet, die sowohl
nicht bindende als auch Energie absorbierende Eigenschaften aufweist.
Andere geeignete Ablöseschichtmaterialien
umfassen feste Hydrat- oder Hydritmaterialien oder dergleichen,
die beispielsweise oben im Zusammenhang mit der Ausbildung der Schichten
der Energie absorbierenden Materialien beschrieben wurden und bei
Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur des zur Ausbildung
der unterliegenden strukturellen Wand verwendeten Harzes, also unterhalb
von ungefähr
300°C, in
der Lage sind eine Phasenumwandlung durchzuführen, zu Verdampfen oder ein
Gas frei zu setzten. Beispiele bevorzugter Energie absorbierender
Materialien umfassen Polypropylen, Polyethylen, hydratisiertes Calciumsulfat
(Gips), Aluminiumtrihydroxid und andere hydratisierte oder mit Hydroxidgruppen
versehene Verbindungen, die unterhalb von 300°C verdampfen oder ein Gas freisetzen
können.
-
Mit einer Pulverkomponente angereicherte
Polymermaterialien wie Polypropylen, Polyethylen oder dergleichen
sind ebenso zweckmäßig, insoweit
die Kombination aus Gas und aus beim Verdampfungsprozess erzeugtem
Pulver zwischen der äußeren umgebenden
Schicht und der strukturellen Rohrwand eine Gas- und Pulverschicht
mit verbesserten thermischen Isolationseigenschaften erzeugt.
-
Die Anzahl der sich abwechselnden
Ablöse-
und faserverstärkten
Harzschichten, die zur Ausbildung des die strukturelle Rohrwand
umgebenden Mantels verwendet werden, ist von der jeweiligen Löschrohranwendung
und dem Grad der gewünschten
Hitze- oder Flammenfestigkeit abhängig. Bei einer beispielhaften Ausgestaltung
eines Rohres mit einem Durchmesser der strukturellen Rohrwand von
ungefähr
zwei Zoll (51 Millimeter) beträgt
die minimale Dicke des Mantels etwa 1/8 Zoll (3 Millimeter), wobei,
wie in 6 gezeigt, jeweils
vier aufeinander folgende Ablöse-
und faserverstärkte
Harzschichten bereitgestellt sind. Bei der Fertigung der Rohrzubehörteile wie
Bogenstücke,
Y-Verbindungen, T-Verbindungen oder dergleichen ist eine minimale
Manteldicke von ungefähr
1/8 Zoll (3 Millimeter) wünschenswert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die genaue Anzahl der Ablöse- und
faserverstärkten
Harzschichten, die zum Aufbau eines Mantels in der beabsichtigten
Dicke erforderlich sind, von der Dicke des Materials der Ablöseschicht
und des Materials der faserverstärkten
Harzschicht abhängig
ist.
-
Ist die Ablöseschicht des Mantels ein Polypropylenband,
wird es mittels der gleichen Wicklungstechnik auf die strukturelle
Rohrwand aufgebracht wie oben im Zusammenhang mit dem strukturellen
Rohr beschrieben wurde. Ist die Ablöseschicht weder ein Band aus
Polypropylen noch irgendein anderes bandförmiges Material kann es als
Lage, als Spray, oder in Form fester Halblagen, die über Teile
der strukturellen Rohrwand passend konfiguriert sind, aufgebracht
werden.
-
Jede faserverstärkte Harzschicht wird um eine äußere Oberfläche der
jeweiligen Ablöseschicht
gewickelt. Das zur Ausbildung der faserverstärkten Harzschichten verwendete
Material kann das gleiche wie dasjenige sein, das zum Ausbilden
der strukturellen Rohrwand ausgewählt wurde, oder sich davon
unterscheiden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden die faserverstärkten Harzschichten
aus den gleichen Materialien gefertigt wie die strukturelle Rohrwand
und auf die gleiche Weise aufgebracht wie diejenigen, die zur Ausbildung
der strukturellen Rohrwand ausgewählt wurden. Wie bei der Ablöseschicht
hängt die
Anzahl der aufgebrachten faserverstärkten Harzschichten von der
jeweiligen Verwendung des Feuerrohres und dem gewünschten
Grad der Hitze- und
Flammenfestigkeit ab.
-
Der die strukturelle Rohrwand umgebende
Mantel kann sich wiederholende Ablöseschichten aufweisen, die
jeweils aus dem gleichen oder aus verschiedenen Materialien gefertigt
sind. Das feuerfeste Rohr kann beispielsweise einen Mantel mit Ablöseschichten
aufweisen, die aus Materialien bestehen, welche von der strukturellen
Rohrwand zur äußersten
faserverstärkten
Harzschicht allmählich
ansteigende Energie absorbierenden Eigenschaften aufweisen, so dass
ein abgestufter Grad des Hitzschutzes bereitgestellt ist, wobei
der größte Schutz
dort besteht, wo er am meisten benötigt wird, nämlich in
unmittelbarer Nachbarschaft der äußersten
Oberfläche
des Rohres. Bei einer solchen Ausgestaltung ist es vorteilhaft,
dass das zur Ausbildung der äußersten
Ablöseschicht
ausgewählte
Material eine vergleichsweise hohe Verdampfungstemperatur gegenüber den übrigen Ablöseschichten
aufweist, wobei die Verdampfungstemperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur
der benachbarten faserverstärkten
Harzschichten liegt.
-
Darüber hinaus kann der die strukturelle
Rohrwand umgebende Mantel über
eine äußerste faserverstärkte Harzschicht
verfügen,
die als Faserkomponente wenigstens eine Kohlenstofffaserwicklung
aufweist, um den Mantel zusammenzuhalten, wenn das Rohr Flammentemperaturen
ausgesetzt ist, die über
dem Schmelzpunkt der Glasfäden
liegen.
-
Vorangehend wurde der Aufbau von
feuerfesten Rohren ausführlich
beschrieben und verdeutlicht. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass feuerfest Zubehörteile
ebenso aufgebaut sein können.
Die in den 7A bis 7C dargestellten Rohrzubehörteile wie
Bogenstücke
48,
T-Stücke 50,
Y-förmigen
Formstücke 52 oder
dergleichen können
ebenso hergestellt werden.
-
Erfindungsgemäße feuerfeste Rohre und Rohzubehörteile können allein
oder in Kombination zum Aufbau eines Rohrsystems verwendet werden,
das für
den Gebrauch in Feuerlöschrohranwendungen
wie beispielsweise auf Hochseeplattformen eingesetzte Feuerlöschrohanwendungen
oder dergleichen bestens geeignet ist. In solchen Anwendungen eingesetzte
Rohre oder Rohrzubehörteile
müssen
unter Hochtemperaturbedingungen und bei engem Flammenkontakt einsatztüchtig bleiben,
ohne dass ihre Umfangs- und Längsfestigkeit
wesentlich beeinträchtigt
wird.
-
Gemäß den Prinzipien dieser Erfindung
hergestellte feuerfeste Rohre und Rohrzubehörteile wurden zur Qualifizierung
ihrer Tauglichkeit für
Feuerlöschanwendungen
drastischen Hochtemperaturen ausgesetzt. Der Test umfasste das Anordnen
des Rohres und/oder Rohrzubehörteils über einen
Zeitraum von fünf
Minuten hinweg mit einem Abstand von vier Zoll zu einer 1.000°C heißen Flamme,
wobei des Rohr trocken, also nicht mit Wasser befüllt war.
Nach fünf
Minuten wurde das Rohr und/oder das Rohrzubehörteil unter einem zugelassenen
Druck von 300 psig (21 Kgf/cm2) ungefähr fünfzehn Minuten
lang mit Wasser befüllt
und weiterhin der Flamme ausgesetzt.
-
Zum Qualifizieren ihrer Tauglichkeit
für Feuerlöschanwendungen
mussten die Rohre oder Rohrzubehörteile
beim zugelassenen Druck fehlerfrei bleiben und keine Anzeichen von
Undichtigkeiten aufweisen, wenn der Druck zehn Prozent über den
zugelassenen Rohrdruck anstieg. Um die Widerstandsfähigkeit
der solchen extremen Bedingungen ausgesetzten Rohre gegenüber einem
Gesamtdruck zu bestimmen und um den Mechanismus hitzebedingter Fehler
besser verstehen zu können,
wurde der Druck in den Rohren, die keine Anzeichen auf Undichtigkeiten
oder strukturelle Schädigungen
aufzeigten, über
den zugelassenen Druck hinaus bis zum Rohrbruch mit Druck beaufschlagt.
-
Die folgenden Beispiele verdeutlichen
verschiedene feuerfeste Rohre und/oder Testergebnisse jedes Rohres.
Bei jedem der folgenden Beispiele wies das Rohr einen Innendurchmesser
von ungefähr
zwei Zoll auf.
-
Beispiel Nr. 1 – faserverstärktes Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde unter Verwendung
von zwölf
Schichten eines faserverstärkten
Harzes aufgebaut und eine Wanddicke von ungefähr 0,37 Zentimetern (cm) ausgebildet.
Die strukturelle Rohrwand wurde unter Verwendung verstärkender
Faserwicklungen aus Glasfasern ausgebildet, die miteinander mit
einem mit Siloxan modifizierten Phenolharz verklebt wurden, der
ungefähr
83 Gewichtsprozent BP-J2027L (Phenolresolharz), 9 Gewichtsprozent
SY-231 (mit funktionellen Methoxy-Gruppen versehene Silikonzwischenstufe),
7 Gewichtsprozent Phencat 381 (schlafender Säurekatalysator), 0,6 Gewichtsprozent
Melacure Cotlin T-1 (Organozinn-Katalysator) und 0,4 Gewichtsprozent
Ethylaminoethanol (Aminkatalysator) enthielt. Dieses Rohr wies keine
feuerfeste Schicht auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck einen Wasserausbruch
mit einer Rate von ungefähr
0,008 Kubikmeter pro Stunde (m3/h) und bei
einem Druck von ungefähr
35 Kgf/cm2 einen Wasserausbruch mit einer
Rate von ungefähr
0,21 m3/h. Ursache des Rohrfehlers war ein
Bruch der faserverstärkenden
Komponente der strukturellen Rohrwand.
-
Beispiel Nr. 2 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebaut mit der Ausnahme,
dass die Rohrwanddicke ungefähr
0,4 cm betrug. Darüber
hinaus wurde das Rohr mit zwei um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus C-Veil gefertigt, das mit der gleichen Harzmischung
imprägniert
wurde, wie diejenige, die zur Fertigung der strukturellen Rohrwand
verwendet wurde. Die feuerfesten Schichten wiesen eine Gesamtwanddicke
von ungefähr
0,21 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck leichte Anzeichen
eines Wasserausbruchs mit einer Rate von ungefähr 0,0045 m3/h
und bei Drücken
zwischen 14 und 21 Kgf/cm2 einen Wasserausbruch
mit einer Rate von ungefähr
0,025 m3/h. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
84 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der faserverstärkenden
Komponente der strukturellen Rohrwand. Die Rohrkonstruktion bestand
den Test nicht, zeigte jedoch im Vergleich zu dem faserverstärkten Rohr
des Beispiels Nr. 1 eine verbesserte Widerstandsfähigkeit
gegenüber
den Auswirkungen des Flammentests auf.
-
Beispiel Nr. 3 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebaut mit der Ausnahme,
dass die Rohrwanddicke ungefähr
0,38 cm betrug. Darüber
hinaus wurde das Rohr mit vier um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus den gleichen Materialien gefertigt, wie diejenigen,
die in Beispiel 2 beschrieben wurden. Die feuerfesten Schichten
wiesen eine Gesamtwanddicke von ungefähr 0,33 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und erlitt bei Leitungsdruck keinen Wasserausbruch
und bei einem Druck von 31,6 Kgf/cm2 leichte
Anzeichen auslaufenden Wassers mit einer Rate von ungefähr 0,016
m3/h. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
126 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Harzmatrix der strukturellen Rohrwand und führte zum
Bruch. Es fand kein Bruch der Faserverstärkung statt. Dieses Beispiel
verdeutlicht gegenüber
dem Beispiel 2 eine Verbesserung der Hitzebeständigkeit, die durch zwei zusätzliche
feuerfeste Schichten bereitgestellt wird.
-
Beispiel Nr. 4 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebaut mit der Ausnahme,
dass die Rohrwanddicke ungefähr
0,36 cm betrug. Darüber
hinaus wurde das Rohr mit acht um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus einem Nexus-Material hergestellt, das mit dem
gleichen Harz imprägniert
wurde, wie dasjenige, das in den Beispielen 2 und 3 beschrieben
wurde. Die feuerfesten Schichten wiesen eine Gesamtwanddicke von
ungefähr
0,2 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte leichte Anzeichen eines Wasserausbruchs
mit einer Rate von ungefähr
0,02 m3/h und zeigte bei Drücken zwischen
14 bis 21 Kgf/cm2 Anzeichen eines Wasserausbruchs
mit einer Rate von ungefähr
0,04 m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
80 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Faserkomponente der strukturellen Rohrwand. Dieses
Beispiel verdeutlicht die durch die feuerfesten Schichten aus C-Veil
des Beispiels 2 ermöglichte
verbesserte Hitzebeständigkeit
und unterstreicht die durch die feuerfesten Schichten aus Nexus
bereitgestellte Hitzebeständigkeit
gegenüber
dem nicht geschützten
Rohr des Beispiels 1.
-
Beispiel Nr. 5 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde mit sechs
Schichten des faserverstärkten
Harzes aus den gleichen Faser- und Harzkomponenten wie in Beispiel
1 offenbart ausgebildet und wies eine Rohrwanddicke ungefähr 0,18
cm auf. Darüber
hinaus wurde das Rohr mit vier um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand herum
angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten Schichten
wurden aus den gleichen Materialien gefertigt, wie diejenigen, die
in Beispiel 2 beschrieben wurden. Die feuerfesten Schichten wiesen eine
Gesamtwanddicke von ungefähr
0,33 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck einen Wasserausbruch
mit einer Rate von ungefähr
0,032 m3/h und bei einem Druck zwischen
12 bis 21 Kgf/cm2 einen Wasserausbruch mit
einer Rate von ungefähr
0,31 m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem
Druck von ungefähr 35
Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war ein
Bruch der Faserkomponenten der strukturellen Rohrwand. Im Vergleich
zu Beispiel 3 wies dieses Beispiel eine verbesserte Hitzebeständigkeit
auf, welche erreicht wird, wenn die strukturelle Rohrwand mit zwölf statt
mit sechs faserverstärkten
Harzschichten ausgebildet ist.
-
Beispiel Nr. 6 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde mit zwölf Schichten
eines faserverstärkten
Harzes aus den gleichen Faser- und Harzkomponenten wie in Beispiel
1 offenbart ausgebildet. Die strukturelle Rohrwand wies eine Wanddicke
ungefähr
0,38 cm auf. Das Rohr wurde mit zwei um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus C-Veil gefertigt, das mit dem gleichen Harz
imprägniert
wurde, das zur Ausbildung der strukturellen Rohrwand verwendet wurde.
Die feuerfesten Schichten wiesen eine Gesamtwanddicke von ungefähr 0,18
cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und bei einem Druck zwischen 12 bis 21 Kgf/cm2 einen Wasserausbruch mit einer Rate von
ungefähr
0,007 m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem
Druck von ungefähr
112 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Harzkomponente der strukturellen Rohrwand. Es wurden
keine strukturellen Brüche
der Faserverstärkung
beobachtet. Diese Rohrkonstruktion zeigte im Vergleich zu dem Rohr
des Beispiels 2 eine verbesserte Festigkeit gegenüber dem
Flammentest auf.
-
Beispiel Nr. 7 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben aufgebaut und wies zwölf Schichten
zum Aufbau der strukturellen Rohrwand auf. Das Rohr wurde mit vier
um die äußere Oberfläche der
strukturellen Rohrwand herum angeordneten feuerfesten Schichten
aufgebaut. Die feuerfesten Schichten wurden aus denselben Materialien
wie diejenigen hergestellt, die in Beispiel 6 beschrieben wurden, und
wiesen eine Gesamtwanddicke von ungefähr 0,33 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und bei einem Druck von ungefähr 63 Kgf/cm2 leichte
Anzeichen eines Wasserausbruchs mit einer Rate von ungefähr 0,009
m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
133 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Faserkomponente der strukturellen Rohrwand. Die Rohrkonstruktion
zeigte im Vergleich zu dem Rohr des Beispiels 3 eine verbesserte
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
den Auswirkungen des Flammentests auf.
-
Beispiel Nr. 8 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in den Beispiel 6 und 7 beschrieben aufgebaut,
wies zwölf
Schichten zum Ausbilden der strukturellen Rohrwand auf und hatte
eine Wanddicke von ungefähr
0,38 cm. Das Rohr wurde mit sechs um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus denselben Materialien wie diejenigen hergestellt,
die in Beispiel 6 und 7 beschrieben wurden, und wiesen eine Gesamtwanddicke
von ungefähr
0,45 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und bei einem Druck von ungefähr 60 Kgf/cm2 leichte
Anzeichen eines Wasserausbruchs mit einer Rate von ungefähr 0,004
m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
161 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Harzmatrix der strukturellen Rohrwand. Ein struktureller Bruch
der Faserverstärkung
wurde nicht beobachtet. Dieses Beispiel verdeutlicht die durch die
sechs feuerfesten Schichten ermöglichte
verbesserte Hitzebeständigkeit
gegenüber
dem feuerfesten Rohr des Beispiels 7, das über vier feuerfeste Schichten
verfügte.
-
Beispiel Nr. 9 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf ähnliche
Art und Weise wie in den Beispiel 6, 7 und 8 beschrieben aufgebaut,
wies zwölf
Schichten zum Ausbilden der strukturelle Rohrwand auf und hatte
eine Wanddicke von ungefähr
0,37 cm. Das Rohr wurde mit acht um die äußere Oberfläche der strukturellen Rohrwand
herum angeordneten feuerfesten Schichten aufgebaut. Die feuerfesten
Schichten wurden aus denselben Materialien wie diejenigen hergestellt,
die in den Beispiel 6, 7 und 8 beschrieben wurden, und wiesen eine
Gesamtwanddicke von ungefähr
0,55 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und auch bei einem Druck von ungefähr 204 Kgf/cm2 auf keine Anzeichen eines Wasserausbruchs
auf. Das Rohr versagte bei einem Druck von ungefähr 250 Kgf/cm2.
Ursache des Rohrfehlers war ein Bruch der Harzmatrix der strukturellen
Rohrwand. Auch hier konnte ein struktureller Bruch der Faserverstärkung nicht
beobachtet werden. Dieses Beispiel verdeutlicht die durch die acht
feuerfesten Schichten ermöglichte
verbesserte Hitzebeständigkeit
gegenüber
dem feuerfesten Rohr des Beispiels 8 mit sechs feuerfesten Schichten.
-
Beispiel Nr. 10 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf die gleiche
Art und Weise wie in den Beispielen 6 bis 8 beschrieben aufgebaut,
wies zwölf
Schichten zum Ausbilden der strukturellen Rohrwand auf und hatte
eine Wanddicke von ungefähr
0,37 cm. Das Rohr wurde mit insgesamt sechs um die äußere Oberfläche der
strukturellen Rohrwand herum angeordneten feuerfesten Schichten
aufgebaut. Die feuerfesten Schichten wiesen zwei sich an die strukturelle
Rohrwand anschließende
Schichten aus C-Veil, gefolgt von zwei Schichten aus Nexus, gefolgt von
zwei Schichten aus C-Veil auf. Die feuerfesten Schichten hatten
eine Gesamtwanddicke von ungefähr
0,35 cm.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und bei einem Druck von ungefähr 77 Kgf/cm2 leichte
Anzeichen eines Wasserausbruchs mit einer Rate von ungefähr 0,025
m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
147 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Harzmatrix der strukturellen Rohrwand. Dieses Beispiel verdeutlicht
die durch die Verwendung einer Kombination unterschiedlicher feuerfester
Schichten ermöglichte verbesserte
Hitzebeständigkeit
gegenüber
dem feuerfesten Rohr des Beispiels 8, das über sechs gleiche feuerfeste
Schichten verfügte.
-
Beispiel Nr. 11 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde auf die gleiche
Art und Weise wie in den Beispielen 6 bis 10 beschrieben aufgebaut,
wies zwölf
Schichten zum Ausbilden der strukturellen Rohrwand auf und hatte
eine Wanddicke von ungefähr
0,41 cm. Das Rohr wurde mit insgesamt acht um die äußere Oberfläche der
strukturellen Rohrwand herum angeordneten feuerfesten Schichten
aufgebaut. Die feuerfesten Schichten wurden alle aus Nexus-Material
gefertigt und in die gleiche Harzkomponente getaucht, die zur Ausbildung
des strukturellen Rohres verwendet wurde. Sie wiesen eine Gesamtwanddicke
von ungefähr
0,22 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck leichte Anzeichen
eines Wasserausbruchs und leichte Anzeichen eines Wasserausbruchs
mit einer Rate von ungefähr 0,016
m3/h bei einem Druck zwischen 14 bis 21
Kgf/cm2. Das Rohr versagte bei einem Druck
von ungefähr
91 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Faserkomponente der strukturellen Rohrwand.
-
Beispiel Nr. 12 – feuerfestes
Rohr
-
Ein faserverstärktes Rohr wurde unter Verwendung
der gleichen Faser- und Harzkomponenten wie in den vorhergehenden
Beispielen aufgebaut. Die strukturelle Rohrwand wurde mit zwölf Schichten
des faserverstärkten
Harzes aufgebaut und wies eine Wanddicke von ungefähr 0,4 cm
auf. Das Rohr wurde mit insgesamt acht Schichten Polyethylen aufgebaut,
die um die äußere Oberfläche der
strukturellen Rohrwand herum angeordnet waren. Die Polyethylenschichten
wiesen eine Gesamtwanddicke von ungefähr 1,2 Millimeter auf. Insgesamt
wurden vier äußere faserverstärkte Harzschichten
aus den gleichen Materialien wie das strukturelle Rohr aufgebaut
und um die äußere Oberfläche der
Polyethylenschicht angeordnet. Die äußeren faserverstärkten Harzschichten
wiesen eine Gesamtwanddicke von ungefähr 0,13 cm auf.
-
Das Rohr wurde dem oben beschriebenen
Test unterworfen und zeigte bei Leitungsdruck keine Anzeichen eines
Wasserausbruchs und beim Doppelten des zugelassenen Drucks (21 Kgf/cm2) ebenfalls keine Anzeichen eines Wasserausbruchs
auf. Das Rohr zeigte erste Anzeichen eines Fehlers bei einem Druck
von ungefähr
108 Kgf/cm2 mit einem Wasserausbruch mit
einer Rate von ungefähr
31 m3/h auf. Das Rohr versagte bei einem
Druck von ungefähr
715 Kgf/cm2. Ursache des Rohrfehlers war
ein Bruch der Faserkomponente der strukturellen Rohrwand. Dieses
Beispiel verdeutlicht die verbesserte Hitzebeständigkeit, die durch die Verwendung
der Energie absorbierenden Materialschichten aus Polyethylen an
Stelle der feuerfesten Schichten ermöglicht wird.
-
Beispiel Nr. 13 – faserverstärktes Rohr
-
Ein faserverstärktes strukturelles Rohr mit
einem Durchmesser von zwei Zoll (51 Millimeter) umfassend etwa zwölf Schichten
eines faserverstärkten
Harzes wurde wie in dem obigen Beispiel 1 beschrieben hergestellt.
Die Stossfestigkeit der strukturellen Rohrwand wurde durch Fallenlassen
einer rechtwinklig auftreffenden 60 mm Stahlkugel mit einem Gewicht
von 0,9 kg aus ansteigenden Höhen
getestet. Nach den Stößen wurde
das Rohr durch Luft mit Druck beaufschlagt und unter Wasser gehalten,
um sichtbare Luftausbrüche
nachzuweisen.
-
Unter diesen Testbedingungen zeigte
die nicht ummantelte strukturelle Rohrwand eine 75prozentige Bruchwahrscheinlichkeit
auf, d. h. drei von vier Stößen setzten
bei viermaligem Fallenlassen aus einer Kugelfallhöhe von ungefähr 10 Zoll
(25 cm) Luft frei. Die gleiche nicht ummantelte strukturelle Rohrwand
zeigte eine vollständige
oder 100prozentige Bruchwahrscheinlichkeit auf, d. h. jeder der
vier Stöße setzte
bei viermaligem Fallenlassen Luft frei, wenn die Kugelfallhöhe auf ungefähr 12 Zoll
(30 cm) erhöht
wurde.
-
Beispiel Nr. 14 – faserverstärktes Rohr
gemäß der Erfindung
-
Ein faserverstärktes strukturelles Rohr mit
einem Durchmesser von zwei Zoll (51 Millimeter) wurde Beispiel 13
gemäß hergestellt
und zum Ausbilden des feuerfesten Rohres ein Mantel auf die äußere strukturelle Rohrwand
aufgebracht. Der Mantel wurde aus ungefähr vier sich jeweils wiederholenden
Schichten aus Polypropylenband und faserverstärktem Harz hergestellt. Die
faserverstärkten
Harzschichten wurden aus den gleichen Materialien gefertigt wie
diejenigen, die zur Ausbildung der strukturellen Rohrwand verwendet
wurden.
-
Die Stossfestigkeit des so ausgebildeten
feuerfesten Rohres wurde gemäß dem oben
beschriebenen Verfahren getestet. Das feuerfeste Rohr zeigte keine
Anzeichen von Luftausbrüchen
auf, d. h. eine Nullprozentige Bruchwahrscheinlichkeit, bis eine
Kugelfallhöhe
von 89 cm (35 Zoll) erreicht wurde. Bei 89 cm (35 Zoll) zeigte lediglich
ein Stoss von acht irgendwelche Anzeichen von Ausbrüchen auf.
Bei Kugelfallhöhen
von 101 cm und 137 cm (40 und 54 Zoll) ergaben nur drei von acht
Stößen Entsprechendes.
Eine fünfzigprozentige Bruchwahrscheinlichkeit
des ummantelten Rohres wurde bei etwa 114 cm (45 Zoll) gegenüber 25 cm
oder 28 cm (10 oder 11 Zoll) beim nicht ummantelten Rohr beobachtet.
Dementsprechend zeigte das ummantelte Rohr gemäß dieser Testwerte eine 400prozentige
Verbesserung der Stossfestigkeit im Vergleich zu dem nicht ummantelten
Rohr.