DE7821843U1 - Vorrichtung zur gelenkigen verankerung eines riserstranges - Google Patents

Description

T ^bJ J.M. Voith GmbH

Kennwort: "Produktions-Risergelenk" Heidenheim

Vorrichtung zur gelenkigen Verankerung eines Riserstranges

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gelenkigen Verankerung eines Produktions-Riserstranges in der Off-shore-Bohrtechnik auf dem Meeresboden, wobei das unterste Riserrohr an einem Kardangelenk angelenkt ist, das in einem auf dem Meeresboden befestigbaren Lagerbock angeordnet ist, wobei der Lagerbock als Kup;elschalenteil ausjobildet ist und das untere Ende des Rlserrohres ein das Kugelschalenteil umschließendes Wandteil aufweist und wobei sich zwischen dem Kugelschalenteil und dem Wandteil die Abdichtung zum Seewasser befindet.

Ein Riserstrang, der mit seinem oberen Ende gleichzeitig zur Verankerung an einer schwimmenden Plattform und der mit seinem unteren Ende auf dem Meeresboden befestigt ist, dient zum Schutz der Produktionsleitungen, die im Inneren des Riserstranges liegen. Durch mit dem Riserstrang verbundene Auftriebskörper wird eine nach oben geriohtete Zugkraft erzeugt. Aufgrund von Wind- und Wellenbewegungen muß der Riserstrang gelenkig mit dem auf dem Meeresboden befestigten Lagerbock verbunden werden. Diese Gelenkigkeit wird durch ein Kardangelenk erreicht, in dem sich auch die Zugkräfte und Querkräfte des ^ Riserstranges abstützen. |

der I

Es ist eine Lösung bekannt, bei/der im wesentlichen als Kugelscha- i

lenteil ausgebildete Lagerbock von dem unteren Ende des Riserrohres §

umschlossen ist. Dabei ist zwischen dem stationären Kugelschalen- |

teil des Lagerbockes und dem sich bewegenden Wandteil des Riser- f.

rohres eine gleitende Dichtung zur Abdichtung gegenüber dem Seewas- |

ser angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, Überprüfungen, War- f tungen und Austauschen von Verschleißteilen der Produktleitungen

im eingebauten Zustande des Riserstranges von innen her durchzuführen Nachteilig bei dieser Bauart ist Jedoch, daß das mit der gleitenden Dichtung zusammenarbeL tende Kugelschalenteil oder das entsprechende Wandteil des Riserrohres bearbeitet werden mußte. Trotzdem ist die Lebensdauer einer gleitenden Dichtung beschränkt und deren Ausfall kann zu kostspieligen Betriebsunterbrechuncen führen.

Eine andere bisher bekannte gelenkige Verbindung des Riserstranges mit dem auf dem Meeresboden befestigten Lagerbock besteht darin, daß das Kardangelenk von außen zugänglich ausgebildet war. Auf diese ·, Weise ist keine Dichtung erforderlich. Nachteilig bei deser Bauart ist Jedoch die nasse Umführung der flexibel auszubildenden Produktleitungen und des Gelenkes, so daß für Wartungsarbeiten und Reparaturen Taucher eingesetzt werden müssen.

ξ Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur gelenkigen Verankervuig eines Riserstranges der ein- < gangs genannten Art zu schaffen, bei der ohne großen Herstellungsaufwand auch bei einer von innen zugänglichen Gelenkanordnung die Wartung und das Auswechseln von Verschleißteilen in einfacher Weise möglich ist, vobei gleichzeitig eine wesentlich längere Standzeit h_: des Gesamtsystems erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kugelschalenteil des Lagerbockes mit einem nach außen gerichteten Plansch

§ und das das Kugelschalenteil umschließende Wandteil des Riserrohres

mit einem nach innen gerichteten Flansch versehen ist, wobei zwischen

ι diesen beiden Planschen eine berührungslose Dichtung angeordnet ist.

Durch die in dem so zwischen den Wandteilen und den beiden Flanschen geschaffenen Raum angeordnete berührungslose Dichtung wird in einfacher Weise eine wesentlich höhere Lebensdauer hza. Standzeit der Vorrichtung erreicht. Von Vorteil ist weiterhin, daß das Kugelschalenteil des Lagerbockes und das dazugehörige Wandteil des Riserstranges jeweils unbearbeitet bleiben kann, wodurch eine einfachere und billigere Konstruktion möglich ist.

In erfindungsgemäßer Weiterbildung ist vorgesehen, daß die Dichtung aus einem oder mehreren Dichtungsringen besteht, die zieharmonikaartig zwischen den beiden Planschen angeordnet sind. Diese Maßnahme stellt eine einfache Lösung dar. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß die Dichtringe nur so breit gewählt sind, daß sie auch im zusammengeschobenen Zustand nicht an einem Wandteil zum Anliegen kommen.

Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Dichtringe aus mehreren miteinander verbundenen und mit Flüssigkeit gefüllten Druckkissen bestehen, wobei das erste und das letzte Druckkissen jeweils an dem zu dem Lagerbock gehörenden Flansch bzw. an dein zu dem Riserrohr gehörenden Flansch befestigt ist. Durch diese Maßnahme 1st es möglich, die Dichtungskissen entsprechend "unter Druck zu setzen". Dadurch kann eine Entlastung des normalerweise unter Zugspannung stehenden Kardangelenkes erreicht werden, wodurch ein einfaches Auswechseln von Bolzen, Bucheen u.dgl. unter Betriebsbedingungen ermöglicht wird.

Von Vorteil ist es dabei, wenn die einzelnen Druckräume der Druckkissen miteinander in Verbindung stehen. Dadurch wird stets ein Druckausgleich erreicht.

Erfindungsgemäß 1st ferner vorgesehen, daß die Druckkissen Jeweils aus zwei Membranhälften bestehen, die über StaMrlnge zur Aufnahme de Ringzugspannungen miteinander verbunden sind und daß die einzelnen Druckkissen über im Inneren der Druckkissen angeordnete Stahlringe mi Bohrungen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß nehmen nun die Stahlringe die RingZugspannungen auf und die Membranen, die der Radia spannung unterworfen sind, ermöglichen die für die Taumelbewegung des Gelenkes erforderliche Verformbarkeit der Dichtung.

Eine einfache berührungslose Dichtung besteht darin, daß die Dichtung als Faltenbalg ausgebildet ist. Eine andere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß die Dichtung als spiralförmig um das Kugelschalenteil des Lagerbockes mit Abstand davon gewickelter Dichtungsschlauch ausgebildet ist, dessen eines Ende an dem zu dem Kugelschalenteil des Lagerbockes gehörenden Plansch und dessen anderes Ende an dem zu dem Riserrohr gehörenden Flansch befestigt ist. Diese Ausbildung ermöglicht ein einfaches Einbringen der Dichtung, da in diesem Falle keine ausbaubaren Zwischenstücke vorgesehen werden müssen, die zum Einbau der Dichtringe durch entsprechende Hilfskonstruktionen vorübergehend überbrückt werden müssen.

Diese Hilfskonstruktion ist dann jedoch nicht erforderlich, wenn ein komplettes Reserve-Dichtungspaket im oberen Gelenkteil vorgesehen ist, um bei Bedarf dieses komplett gegen das defekte auszutauschen. Von Vorteil ist es, wenn an dem Flansch des Wandteiles des Riserrohres ein aufblasbarer Dichtungsring angeordnet ist, der bei Stillstand zu Reparaturzwecken die Abdichtung besorgt. Dieser Dichtungsring ermöglicht es, beim Einbringen oder auch beim Auswechseln der berührungslosen Dichtungen kurzfristig die Abdichtung zum Innsnraum des Lagerbockes aufrechtzuerhalten. Im normalen Betrieb wird diese Dichtung drucklos gehalten, so daß keine Gleitreibung vorliegt. Eine einfache Anpressung des Dichtringes an das Kugelschalenteil im Bedarfsfalle wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an dem Flansch des Riserrohres ein elastisches Teil angeordnet ist, das über einen unter Druck setzbaren Schlauch an das Kugelschalenteil anpreßbar ist.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Flansch des Riserrohrwandteil-js mit einem Schaber versehen ist. Durch diese Maßnahme werden Ablagerungen, die sich auf der Kugeloberfläche des Lagerbockes absetzen, automatisch durch die Bewegungen dei Riserrohres zum größten Teil abgeschabt.

Eine andere erfindungsgemäße Weiterbildung bei geringeren Wassertiefen besteht darin, daß die Abdichtung zwischen dem Kugelschalenteil des Lagerbockes und dem das Kugelschalenteil umschließenden Wandteil des Riserrohres durch Überdruck nach dem Tauchglockenprinzip erfolgt. Hierzu ist es lediglich erforderlich, im Inneren des Riserstranges einen derart hohen Überdruck durch entsprechende Druckluftzuführung zu wählen, daß kein Wasser von unten her in den Lagerbock eindringen kann. Je nach der Druckhöhe wird sich in dem Zwischenraum zwischen dem Kugelschalenteil des Lagerbockes und dem dazugehörigen Wandteil des Riserrohres eine bestimmte Wasserhöhe einstellen.

Eine weitere Ausführung der Dichtung besteht darin, daß die Dichtung einen oder mehrere Membranringe aufweist, wobei der Membranring mit seiner Innenseite an dem Kugelschalenteil des Lagerbockes und mit seiner Außenseite an dem das Kugelschalenteil umschließenden Wandteil des Riserrohres befestigt ist. Durch diese Membranringe wird ebenfalls eine reibungsfreie Abdichtung erreicht, wobei bei Verwendung von mehreren Membranringen ein stufenweiser Druckabbau möglich ist.

Nachfolgend sind prinzipraäßige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 Schnitt nach Linie H-II der Fig. 1, Fig. Ji bis 10 verschiedene Aus führungs formen der Abdichtung.

Das unterste Riserrohr 1 ist an seinem Ende mit einem W&ndteil 2 versehen, das einen nach innen gerichteten Flansch J> aufweist. Das Wandteil 2 umschließt dabei einen Lagerbock: 4, der im oberen Bereich ein Kugelschalenteil 5 aufweist.

Die Verbindung zwischen dem Riserrohr 1 und dem Lagerbock erfolgt über ein Kardangelenk 6, wobei die Verbindung zwischen dem Kardangelenk 6 und dem Riserrohr 1 über Tragrippen 7 mit einem Versteifungsrohr 8 erfolgt, über einen Grundrahmen 9 ist der Lagerbock k auf dem Meeresboden befestigt und wasserdicht auf die öffnung des in den Meeresboden führenden Bohrloches 10 gesetzt.

Das Kugelschalenteil 5 des Lagerbeckes 4 weist an seinem oberen Ende einen nach außen gerichteten Flansch 11 auf. Die in das Bohrloch führenden Produktleitungen 10a (zumeist zwei) werden an dem Kardangelenk 6 vorbeigefUhrt und verlaufen weiter in das Bohrloch 10. In dem von dem Wandteil 2 des RIserrohres 1 und dem Kugelschalenteil 5 des Lagerbockes und den beiden Flanschen 3 und 11 gebildeten Zwischenraum sind berührungslose Dichtungen angeordnet. In der Fig. 1 sind drei verschiedene Positionen des Riserrohres 1 angedeutet.

Im oberen Bereich des von dem Wandteil 2 umschlossenen Innenraumes ist eine Reservedichtung 27 angeordnet.

Die Ausbildung der berührungslosen Dichtungen ist aus den Figuren 3 bis 10 deutlicher ersichtlich.

Gemäß Pig. 3, in der in der oberen Hälfte die Dichtung im zusammengepreßten und in der unteren Hälfte im am weitest geöffneten Zustand gezeigt ist, bestehen die Dichtringe aus mehreren übereinander angeordneten Druckkissen 12, die jeweils als Ring mit Abstand um das Kugelschalenteil 5 des Lagerbockes angeordnet sind. Das oberste Druckkissen 12 ist dabei an dem Flansch 11 des Kugelrchalenteiles 5 des Lagerbockes 4 befestigt, während das unterste Druckkissen 12 an dem Flansch 3 des zu dem Riserrohr 1 gehörenden Wandteiles 2 befestigt ist. Darüber hinaus sind die einzelnen Druckkissen jeweils mit dem benachbarten Druckkissen verbunden. Wie aus der oberen Hälfte der Fig. Z> ersichtlich ist, sind die Durchmesser der Druckkissen dabei so gewählt, daß sie auch im zusammengepreßten Zustand nicht an dem Kugelschalenteil 5 oder dem Wandteil 2 anliegen^ Die Druckräume \J> der Druckkissen 12 stehen dabei jeweils über öi'fnungen 14 mit den benachbarten Druckkissen 12 in Verbindung. Auf diese Weise ist stets ein Druckausgleich gegeben.

In der Fig. 3 isu weiterhin an dem Flansch 3 des Wandteiles 2 eine aufblasbare Stillstandsdichtung 22 angeordnet. Bei Reparatur der Anlage oder beim Auswechseln der Dichtungen wird das Innere der Stillstandsdichtung 22 mit Druckluft oder mit einer Druckflüssigkeit versehen und dichtet somit vorübergehend ebenfalls den Innenraum des Lagerbockes 4 ab.

Der Flansch 3 ist weiterhin mit einem Schaber 23 versehen, der während des Betriebes der Anlage durch ständige Relativbewegung des Riserrohres 1 zu dem feststehenden Lagerbock 4 für eine Freihaltung des Kugelschalenteiles 5 von Ablagerungen sorgt.

In der Fig. 4 ist eine Ausschnittsvergrößerung einer anderen Stillstandsdichtung gezeigt. Sie besteht aus einem elastischen Teil 27, z.B. aus Gummi, das in einem mit dem Flansch 3 verbundenen Klemmteil 28 befestigt ist. Hinter dem elastischen Teil 27 ist ein Schlauch angeordnet, der über eine Bohrung J>0 mit einer Druckquelle in Verbindung steht. Soll die Stillstandsdichtung nun zum Einsatz kommen, so wird der Schlauch 29 aufgeblasen, und das elastische Teil 27 kommt an dem Kugelschalenteil 5 zur Anlage.

In der Fig. 5 ist die Dichtung als doppelwandiger Faltenbalg mit zwei Membranen 16 und 17 ausgebildet. Die beiden Enden des Faltenbalges sind dabei jeweils an dem Flansch 3 und 11 befestigt.

Die in der Fig. 6 dargestellten Dichtungen entsprechen im Prinzip denen der Fig. 3.

Die in Fig. 7 vergrößert dargestellten einzelnen Druckkissen bestehen dabei jeweils aus zwei Hälften 18 und 19, die durch je zwei Stahlringe Jl, die auch mehrteilig sein können, mit dazwischenliegenden Abstandsringen 32 druckdicht miteinander verbunden sind. Über je zwei weitere Stahlringe 33 sind die einzelnen Membrane miteinander bzw. mit dem dazugehörigen Flansch verbunden. Die jeweils zwischen zwei Druckkissen angeordneten Stahlringe 33 sind zum Druckausgleich mit Bohrungen 34 versehen. Der Innenraura der Druckkissen steht z.B. unter p. = 1/2 P₂, wobei p₂ der Außendruck des Wassers ist. Während nun im inneren Bereich die Wände der Druckkissen an deren Außenseite mit p„ belastet sind, wirkt auf der anderen Seite von innen der Druck P₁ auf die Druckkissenwände, weil das Riserrohrinnere im allgemeinen unter dem Atmosphärendruck ρ steht. Die sich daraus ergebende Ringzugspannung wird von den Stahlringen 32 und 33 aufgenommen. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Abdichtung ist es jedoch auch möglich, den Innenraum des Riserrohres im unteren Bereich mit einem Deckel abzuschließen und mit inertem Gas unter überdruck zu setzen, dann ist ρ höher als der Atmosphärendruck. Bei einer Undichtigkeit eines Druckkissens wird die Reservedichtung 27 eingebaut. Nach Einbau der Reservedichtung kann die alte Dloiitung dann mit einer transportablen Klebe- und Vulkanisiereinrichtung im Gelenkraum geklebt werden.

In der Fig. B ist eine endlose Dichtung dargestellt, die aus einem spiralförmigen Schlauch 20 besteht, der an einem Flansch, z.B. an dem Flansch 3, befestigt wird und anschließend mit Abstand von dem Kugelschalenteil 5 und dem Wandteil 2 in dem Zwischenraum aufgewickelt wird. Zur Zentrierung ist der Schlauch 20 dabei auf der einen S^ite oben mit einer Nut 21 und auf der anderen Seite mit einem passenden Gegenstück versehen. In diesen Verstärkungen können zur Aufnahme der Ringzugspannungen Stahldrähte 35 hoher Festigkeit eingebaut werden (s. Ausschnittsvergrößerung in Fig. 8). Dieses AusfUhrungsbeisplel hat gegenüber den vorher genannten Druckkissen den Vorteil, daß das Tragrohr 8 b?.w. der Tragstern 7 einstückig ausgebildet sein können. Bei Verwendung von mehreren übereinander gelegten Druckkissen 1st es nämlich erforderlich,, d,aß..z.B. ,da,s Ve,rbindungsrohr 8 ein ausbaubares

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Zwischenstück aufweist. Damit die Ringe beim Einlegen ungeteilt durchgeführt werden können, muß dann dieses Zwischenstück ausgebaut und durch eine Hilfskonstruktion zur Aufrechterhaltung der Kraftverbindung entsprechend überbrückt werden, oder man muß eine Reserveäichtung in Bereitstellung halten, wenn man ein Zwischenstück vermeiden will.

In der Fig. 9 ist ein Aus fUhrungsbei spiel eir.sr berührungslos en Dichtung dargestellt, das nach dem Tauchglockenprinzip arbeitet. Anstelle der in den Figuren J> bis 8 dargestellten Dichtungen wird hierbei die Dichtfunktion durch die Einleitung bzw. Aufrechterhaltung eines entsprechenden Überdruckes in dem Inneren des Riserstrange^ erreicht.

In der Fig. 10 1st eine Dichtung gezeigt, die aus Membranringen 24 und 25 besteht. Die beiden Membranringe sind mit ihren Innenseiten an dem Kugelschalenteil 5 des Lagerbockes k und mit ihren Außenseiten an dem als Kugelschalenteil 2' ausgebildeten Wandtcil aeii Riserrohres 1 befestigt. Die Breite der Membranringe ?.^l\ und 25 ist dabei so gewählt, daß sie stets größer 1st als die Spaltbreite und der Wert der maximalen Relativbewegung zwischen dem feststehenden Kugelschalenteil 5 des Lagerbockes und dem sich bewegenden Kugelschalenteil 2^! des Riserrohres. Auf diese Weise ist die Dichtung reibungsfrei. Je nach Wassertiefe bzw. dem herrschenden Außendruck können mehrere hintereinander angeordnete Membranringe angeordnet sein. Die weiter innen liegenden Ringe dienen dann zu einem allmählichen Druckabbau. Dies kann dadurch erfolgen, daß sich in den Zwischenräumen zwischen den Membranringen, hier Zwischenraum 26, ein Druckmedium befindet mit einem entsprechenden Zwischendruck (z.B. außen 20 bar, Zwischenraum 10 bar, innen 1 bar). Selbstverständlich kann bei geringen Wassertiefen auch nur eine Membrane ausreichend sein.

Heidenheim, den 18.07.78
Lo/Srö

Claims (12)

T 3587 J·M. Voith GmbH Kennwort: "Produktions-Risergelenk" Heidenheim Pe^efttJBjnsprüche

1. Vorrichtung zur gelenkigen Verankerung eines Riserstranges in der Off-shore-Bohrtechnik auf dem Meeresboden, wobei das unterste Riaerrohr an einem Kardangelenk angelenkt ist, das in einem auf dem Meeresboden befestigbaren Lagerbock angeordnet ist, wobei der Lagerbook als Kugelschalenteil ausgebildet ist und das untere Ende des Riserrohres ein das Kugelschalenteil umschließendes Wandteil aufweist und wobei sich zwischen dem Kugelschalenteil und dem Wandteil die Abdichtung zum Seewasser befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelschalenteil (5) des Lagerbockes (4) mit einem nach außen gerichteten Flansch (11) und das das Kugeischalent=il (5) umschließende Wandteil (2) des Riserrohres (1) mit einem nach innen gerichteten Flansch (3) versehen ist, wobei zwischen diesen beiden Flanschen (3, 11) eine berührungslose bzw. reibungslose Dichtung (12, 15, 16, 17, 19, 20, 24, 25) ang3ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus einem oder mehreren Dichtungsringen (12, 15, 19, 20) besteht, die zieharmonikaartig zwischen den beiden Flanschen (3, 11) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichferinge aus mehreren miteinander verbundenen mit Flüssigkeit gefüllten Druckkissen (12) bestehen, wobei das erste und das letzte Druckkissen jeweils an dem zu dem Lagerbock (4) gehörenden Flansch (11) bzw. an dem zu dem Riserrohr (1) gehörenden Flansch (3) befestigt ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Druckräume (IJi) der Druckkissen (12) miteinander in Verbindung stehen.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkissen jeweils aus zwei Membranhälften (18, 19) bestehen, die über Stahlringe (^l) zur Aufnahme der Ringzugspannungen miteinander verbunden sind und daß die einzelnen Druckkissen über im Inneren der Druckkissen angeordnete Stahlringe (33) mit Bohrungen (3^) miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß die Dichtung als Faltenbalg (16, I7) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung als spiralförmig um das Kugelschalenteil (5) des Lagerbockes (4) mit Abstand davon gewickelter Dichtungsschlauch (20) ausgebildet ist, dessen eines Ende an dem zu dem Kugelschalenteil (5) des Lagerbockes (4) gehörenden Flansch (11) und dessen anderes Ende an dem zu dem Riserrohr (1) gehörenden Flansch (3) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flansch ('J) des Riserrohres (1) ein aufblasbarer Dichtungsring (22) angeordnet ist, der bei Stillstand zu Reparaturzwecken die Abdichtung besorgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Flansch (j5) des Riserrohres ein elastisches TSiil (27) angeordnet ist, das über einen unter Druck setzbaren Schlauch (29) an das Kugelschaltnteil (5) anpreßbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (3) des Riserrohres (1) mit einem Schaber (25) versehen ist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung zwischen dem Kugelschalenteil (5) des Lagerbockes (4) und dem das Kugelschalenteil umschließenden Wandteil (2) des Riserrohres (1) durch überdruck nach dem Tauchglockenprinzip erfolgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung einen oder mehrere Membranringe (24, 25) aufweist, wobei der Membranring mit seiner Innenseite an dem Fucelschalenteil (5) des Tagerbockes (4) und mit seiner Außenseite an dem das Kugelschalenteil (5) umschließenden Wandteil (2) des Riserrohres (1) befestigt ist.

Heidenheim, den 10.07-78
Lo/Srö