Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer unlösbaren Leitungsrohrverbindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbindung von Rohrstücken gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Rohrleitungen dienen zum Transport von Flüssigkeiten, Dämpfen, Gasen, aber auch von festen Gütern wie Getreide, Beton oder Spänen. Rohrleitungen werden normalerweise aus einer Vielzahl von Rohrstücken zusammengesetzt. Zur Bildung einer Rohrleitung müssen die Rohrstücke miteinander verbunden werden.
Gemäss dem heutigen Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Verbindung von Rohrstücken bekannt. Sie sind aber alle mit gewissen Nachteilen behaftet.
Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, die Rohrstücke durch Schweissen miteinander zu verbinden. Hier stellt sich das Problem, dass Schweissarbeiten nur von geprüften Spezialisten durchgeführt werden dürfen. Solche Spezialisten sind nicht nur teuer, sie sind auch immer schwieriger zu finden. Ferner haben die Schweissverbindungen den Nachteil, dass bei rostfreien Rohren die Schweissstelle nachbearbeitet werden muss, z.B. durch Beizen, damit die Verbindung im Bereich der Schweissnaht nicht rostet.
Für den Einsatz besser geeignet sind Verbindungsvorrichtungen, bei denen die Endabschnitte der beiden zu verbindenden Rohrstücke durch Verpressen miteinander verbunden werden. Solche Verbindungsvorrichtungen weisen mindestens eine rohrförmige Hülse auf, welche auf die miteinander zu verbindenden
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Rohrendabschnitte auf- bzw. in diese eingesteckt wird. Die Hülsen werden zusammen mit den Rohrendabschnitten durch zonenweises Kaltformen zu einer formschlüssigen, dichten Verbindung verpresst.
Die bekannten Vorrichtungen zur Pressverbindung von Rohrstücken sind jedoch mit erheblichen Nachteilen behaftet. Auf dem Markt sind beispielsweise Pressverbindungen bekannt, welche zur Abdichtung Dichtungsringe verwenden. Aus DE-A-2725280 ist eine Rohrverbindung bekannt, die aus einer einzelnen Hülse besteht, welche auf die miteinander zu verbindenden Rohrendabschnitte aufgeschoben wird. Die Hülse weist an beiden Enden je eine ringförmige, umlaufende Ausweitung auf, welche je einen Dichtungsring aufnimmt. Die Pressverbindungsvorrichtung wird mit einem speziellen Presswerkzeug verpresst. Um eine mechanische Kraftschlüssigkeit zu erreichen, wird die Hülse und das Rohr derart verformt, dass ihr Querschnitt eine achteckige Form, sowie eine Durchmesserverengung annimmt. Dichtungsringe haben den grossen Nachteil, dass sie zuwenig widerstandsfähig sind. Sie werden durch hohe Temperaturen und durch chemische aggressive Fördergüter wie z.B. Säuren, Laugen oder ätzende Chemikalien zerstört. Ausserdem besteht ein Alterungsproblem. Ferner gibt es auch bei der Reinigung der Rohrleitungen Probleme, da die Dichtungsringe durch übliche Reinigungsmittel, wie z.B. Seifenlaugen, ebenfalls angegriffen werden. Pressverbindungen mit Dichtungsringen eignen sich daher nur für Rohrleitungen in ganz bestimmten Anwendungsbereichen, z.B. in der Haustechnik. Für industrielle Rohrleitungen, welche hohen Belastungen ausgesetzt sind, ist diese Art von Pressvorrichtungen ungeeignet.
Bei solchen Pressverbindungsvorrichtungen stellen sich noch weitere Probleme:
Da sich die Rohrenden innerhalb der Hülse befinden, entstehen bei hoher Fliessgeschwindigkeit des durch die Rohrleitung strömende Mediums an den Stirnseiten der Rohrstücke Turbulenzen. Solche Turbulenzen können auch entstehen, wenn Bereiche der Pressverbindungen an der Innenseite der Rohrleitungen Rillen,
Absätze oder unstetige Querschnittsänderungen auftreten. Dies ist beispielsweise beim Übergang Rohrleitungsabschnitt-Hülse - Rohrleitungsabschnitt der Fall.
Die Turbulenzen bewirken an der Innenseite der Hülse Errosionseffekte, was mit der Zeit zum Bruch der Hülse führt. Ferner kann flüssiges Fördergut in den Spalt zwischen der Hülse und den Rohrabschnitten eindringen. Es besteht dann die Gefahr, dass im Bereich der Hülse an der Innenseite der Rohrwandung Spaltkorrosion auftritt, wodurch die Rohrstücke allmählich zerstört werden.
Einen Lösungsvorschlag für die beschriebenen Probleme findet man in der Patentschrift EP 0 159 997 (Veröffentlichungsdatum 27.04.1988). Die entsprechende Pressverbindungsvorrichtung ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass sie einen sehr komplizierten Aufbau aufweist. Sie umfasst fünf lose Teile, nämlich zwei äussere Hülsen, welche je auf einen Rohrabschnitt aufzuschieben sind, eine innere Hülse, welche in die beiden Rohrendabschnitte eingesteckt wird und zwei Pressringe. Jeder Rohrabschnitt wird durch zonenweise Kaltverformung mittels des Pressringes zu einer formschlüssigen Verbindung mit der inneren und den äusseren Hülsen verpresst. Der Pressring übt bei achsialer Verschiebung auf die Pressverbindungsvorrichtung und die Rohrendenabschnitte einen Pressdruck aus. Die äussere Hülse ist mit einem ringförmigen Aussenwulst versehen. Sie wird beim Aufpressen des Pressringes derart verformt, dass das Hülsenmaterial in der Wulstzone radial nach innen verdrängt wird. Die innere Hülse ist an der Aussenseite mit mindestens einer Ringnut zur Aufnahme des verdrängten Materials versehen. Turbulenzen können dank der Innenhülse grösstenteils vermieden werden. Eine Spaltkorrosion wird dadurch zu verhindern versucht, dass der Pressring an seinem hinteren Ende einen ringförmigen Innenwulst aufweist, der beim Aufpressen des Pressringes auf die äussere Hülse des Hülsenmaterials im hinteren Hülsenende nach innen drängt.
Die vorstehend beschriebene Kuplungsvorrichtung weist nun die Nachteile auf, dass die beiden Rohre nur durch die dünne
Stützhülse miteinander verbunden sind und dass die Herstellung der Rohrverbindung wegen der relativ grossen Anzahl herzustellender und miteinander zu verbindenden Teile relativ kompliziert und verhältnismässig teuer ist. Auch ist der Materialanteil verhältnismässig hoch, was sich im Preis und Gewicht niederschlägt. Ebenso problematisch ist, dass die fünf Einzelteile lose sind und mit Fett oder Gleitmittel bestrichen sind, was die Montage sehr kompliziert gestaltet. Zudem sind die beiden Pressringe nach Herstellung einer derartigen Rohrverbindung nicht optimal gegen eine axiale Verschiebung gesichert, was Nachteile für die Betriebssicherheit und Lebensdauer der Rohrverbindung zur Folge hat.
Im weiteren sind Pressverbindungen auf dem Markt erhältlich, welche aus Kupfer-Zink-Verbindungen gefertigt sind. Kupfer-Zink- Verbindungen sind jedoch chemisch zu instabil. Sie werden beispielsweise durch Ammoniakdämpfe angegriffen, was zum Bruch der Verbindung führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit dem dazugehörenden Verfahren zur Pressverbindung von Rohrstücken zu schaffen, welche einfacher aufgebaut und anzubringen ist und die eine sichere und dichte Rohrverbindung gewährleistet. Insbesondere soll die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass keine Spaltkorrosion auftritt und eine gute mechanische Festigkeit erreicht wird, ohne dass die Innenseite der Rohrleitung mit Kanten, Ecken und strömungstechnisch ungünstigen Veränderungen aufweist. Das Verfahren soll ein einfaches aber trotzdem zuverlässiges Anbringen der Vorrichtung ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit Hilfe der erfindungsgemässen Merkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche.
Im folgenden sind anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Rohrverbindung nach der Erfindung a) im unverpressten Zustand, b) im verpressten Zustand und c) eine Seite der Verbindung als Ausschnitt vergrössert,
Fig. 2 eine alternative Form einer Rohrverbindung nach der Erfindung a) im unverpressten und b) im verpressten Zustand.
In der folgenden Beschreibung sind mehrfach vorkommende Teile, sowie auch gleiche Teile in unterschiedlichen Ausführungsformen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in den Figuren im Schnitt gezeigten Rohrverbindungen verbinden jeweils zwei Rohre 1, 2 gleichen Querschnitts koaxial miteinander. Die Vorrichtung zur Verbindung der Rohre besteht aus einer Verbindungsmuffe 3, in welche die Enden der Rohre 1, 2 von beiden Seiten hineingesteckt werden und auf beiden Seiten im Inneren der Muffe 3 angeordnete Pressringe 4, 5.
Die Muffe 3 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Aussenflache, die von einer umlaufenden Nut 6 in ihrer Mitte unterbrochen ist. Die Innenfläche weist mehrere zylindrische und konische Flächen auf, die von der Mitte in beide Richtungen nach aussen, wie folgt, abgestuft sind: Im mittleren Bereich 7 ist die Innenfläche zylindrisch und hat den gleichen Innendurchmesser, wie die zu verbindenden Rohrstücke. Von der Innenfläche 7 erweitert sich die Innenfläche stufenförmig nach beiden Seiten zu den Muffenenden hin. Für die weitere Beschreibung wird auf Fig. lc Bezug genommen. Anschliessend an die mittlere Innenfläche 7 erweitert sich der Durchmesser auf den Aussendurchmesser des Rohrstückes 1 und setzt sich in einer zylindrischen Fläche 9 mit Innendurchmesser gleich dem Rohrdurchmesser fort. Die Verbindungsfläche 8 zwischen den zylindrischen Innenflächen 7 und 9 bilden eine Aussenkonus- oder Kegelflache.
An die dem Rohraussendurchmesser entsprechenden Zylinderinnenfläche 9 schliesst sich eine Innenkonusfläche, d.h.
zu den Muffenenden hin sich erweiternde Konusfläche 10 an. Die Konusfläche 10 geht in eine weitere zylindrische Innenfläche 11 über, an die sich eine nochmals durch eine Stufe abgesetzte, zum Muffenende führende, äusserste zylindrische Innenfläche 12 anschliesst. Die Innenfläche der Muffe 3 hat also zu beiden Seiten der mittleren Zylinderfläche 7 jeweils drei innenzylindrische Flächen 9, 11, 12 mit zu den Muffenenden hin zunehmenden Durchmessern, wobei die Übergänge von innen nach aussen zuerst kegelförmig, dann innenkonusförmig und zuletzt eben sind.
Im Inneren der beiden an die Muffenenden anschliessenden äussersten zylindrischen Innenflächen 12 sind die erwähnten Pressringe 4, 5 angeordnet. Die äusseren Pressringe 4 besitzen eine zylindrische Aussenfläche 13 mit einem Aussendurchmesser gleich dem Innendurchmesser der äussersten Innenfläche 12 und eine axiale Länge ebenfalls gleich derjenigen der äussersten Innenfläche 12. Ihre Innenflächen 14 werden durch drei zylindrische Flächen, deren Durchmesser in Richtung von den Muffenenden zur Mitte hin zunehmen, und dazwischen konische Übergänge gebildet. Der engste Durchmesser der Innenfläche eines äusseren Pressringes ist gleich dem Rohrdurchmesser. Ihr weitester Durchmesser ist gleich demjenigen der an die äussersten Innenflächen 12 anschliessenden zylindrischen Innenflächen 11 der Muffe.
Die inneren Pressringe 5 haben eine zylindrische Innenfläche mit einem Durchmesser gleich dem Rohrdurchmesser. Anschliessend an das der Muffenmitte zugewandte Ende befindet sich in der Innenfläche eine flache umlaufende Vertiefung 15, die im wesentlichen von einer Kegelfläche und einer umlaufenden Stufe zwischen dem tiefsten Umfang der Vertiefung und der zylindrischen Innenfläche des inneren Pressringes gebildet wird. Die Kegelfläche bildet mit der Stirnfläche des Pressrings eine spitzwinklige Kante 16. Die Aussenflachen der inneren Pressringe 5 befinden sich in ihrem von der Muffenmitte entfernteren Teil im Inneren der äusseren Pressringe und haben in diesem Bereich genau ein zu deren Innenfläche 14 komplementäres Profil. Der
übrige, zur Muffenmitte hin liegenden Bereich 17 der Aussenfläche ist zylindrisch und hat einen Durchmesser gleich dem der Muffeninnenfläche 11. Die axiale Länge der inneren Pressringe ist ungefähr gleich der Distanz von Muffenende bis zum engsten Umfang der innenkonischen Übergangsfläche.
Vor der Benutzung, d.h. also im nicht verpressten Zustand, der in Fig. la gezeigt ist, sind die Pressringe beidseits in das Innere der Muffe soweit eingeschoben, dass das innere Ende der inneren Pressringe 5 bis zum weitesten Umfang der innenkonischen Übergangsfläche reicht. Die Passung der Pressringe ist so, dass sie relativ zur Muffe und zueinander axial verschiebbar und drehbar sind.
Zur Verbindung der Rohrstücke 1 und 2 werden diese von beiden Seiten in die Muffe eingeschoben, bis sie an der kegelflächigen Stufe anstehen. Anschliessend werden die Pressringe mit einem geeigneten Werkzeug in die Muffe hineingepresst. Dabei werden die Pressringe zunächst ohne relative Verschiebung zwischen inneren und äusseren Pressringen gemeinsam gegen die Muffenmitte geschoben. Durch die innenkonische Verbindungsfläche wird der infolge der Vertiefung in seiner Wandstärke reduzierte Teil des inneren Pressringes zur gemeinsamen Achse hin abgeknickt und seine Innenkante in das Material des Rohres eingedrückt. Dies wiederum hat zur Folge, dass bei weiterem Einpressen der Pressringe in die Muffe das Rohr ebenfalls zur Muffenmitte hin mitgenommen. Dabei wird die Stirnseite des Rohres in den vorher zwischen ihr und der Kegelfläche bestehenden Zwischenraum hineingepresst und füllt diesen durch Materialverformung vollständig aus. Durch weiteres Einpressen der Pressringe wird der innere Pressring noch bis zum engsten Umfang der konischen Verbindungsfläche geschoben und bewirkt dadurch eine umlaufende Einbuchtung des Rohrstücks. Gleichzeitig wird mit dieser letzten Einpressphase der äussere Pressring 4 über den inneren Pressring 5 geschoben. Dadurch entsteht beim Muffenende ebenfalls eine ringförmige Einbuchtung im Rohrstück.
Wie aus Fig. lb ersichtlich bestehen im verpressten Zustand keinerlei Hohlräume mehr. Der Übergang zwischen den Rohrstücken
und der Muffe ist glatt. Es besteht nur eine sehr geringfügige Querschnittsverengung durch die Einbuchtungen.
Es hat sich gezeigt, dass die Verbindung allerhöchsten Ansprüchen hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Dichtigkeit genügt und dass sie sehr leicht und ohne spezielle Fachkenntnisse vor Ort hergestellt werden kann.
Die in Fig. 2 gezeigte Verbindung ist eine Ausführungsform, die sich vorwiegend für Rohrstücke eignet, deren mechanische Festigkeit infolge kleiner Wandstärke oder schwächeren Materials für die Verbindung gemäss Fig. 1 nicht ausreicht. Für diesen Fall besitzt die Vorrichtung gemäss Fig. 2 zusätzlich eine Innenhülse 20, die mit der Muffe 3 zusammen beidseitig je einen Ringspalt zur Aufnahme der Rohrstücke bildet und die ausreichende Wandstärke besitzt, um den radialen Druck auf das Rohrmaterial aufzunehmen, der beim Einpressen der Pressringe erzeugt wird.
Die Aussenfläche der Innenhülse 20 weist mehrere Ringnuten 21 auf, die durch ringförmige Kanten 22 voneinander getrennt sind. Beim Verpressen wird das Rohrmaterial in die Ringnuten gepresst, so dass die Rohrstücke durch die Kanten 22 zusätzlich gegen eine Trennung der Verbindung gesichert sind.