DE2832003C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kupplungen und insbesondere auf solche, die beim kathodischen Schutz verwendet wer­ den.

Bekanntermaßen ist der kathodische Schutz eine Technik, die zur Verhinderung oder Verringerung der Korrosion von Gegenständen in einer elektrochemisch korrosiven Umgebung verwendet wird. Diese Technik wird insbesondere dazu verwendet, das Rosten von Stahlkonstruktionen, wie z. B. Bohrtürmen, die teilweise in Seewasser eingetaucht sind, zu verhindern oder zu verringern. Diese Technik besteht darin, daß der Gegenstand, wie z. B. die Stahl­ konstruktion, gegen eine Elektrode geschaltet wird, derart, daß unter den herrschenden Bedingungen der Gegenstand in bezug auf die Elektrode kathodisch wird.

Wenn beispielsweise im Fall einer Stahlkonstruktion, die in Seewasser eingetaucht ist, diese mit einer Zinkelektrode verbunden wird, die ebenfalls in das Seewasser eingetaucht ist, dann wird ein galvanisches Element gebildet, in welchem die Stahlkonstruktion in bezug auf die Zinkelektrode kathodisch wird.

Dies verhindert das Rosten weitgehend. Jedoch geht bei einer solchen Anordnung Zink als Zinkionen in Lösung, und mit der Zeit geht das gesamte Zink in Lösung. Zinkelektroden werden deshalb als "sich verbrauchbare" Elektroden bezeichnet. Aus naheliegenden Gründen ist dies nachteilig, weshalb man sich nicht verbrauchende Elektroden verwendet hat, wie z. B. platinisiertes Titan.

Die Verwendung solcher Elektroden erfordert das Anlegen eines äußeren Stroms, der durch eine Batterie oder einen Generator erzeugt werden kann, wobei der positive Pol der Batterie oder des Generators mit der sich nicht verbrauchenden Elektrode und der negative Pol mit dem zu schützenden Gegenstand verbunden wird. Bei Bohrtürmen befindet sich die Batterie oder der Generator üblicher­ weise auf der Bohrturmplattform. Die Batterie oder der Generator ist durch Kabel mit mehreren, sich nicht verbrauchenden Elektroden verbunden, die auf dem Bohrturm oder am Meeresboden in der Nähe des Fußes des Bohrturms angeordnet sind. Da im Falle von am Meeresboden angeordneten Anoden für Bohrtürme diese Elektrodenkonstruktionen sehr groß und schwer sind (beispielsweise besitzen sie die Form von Ringen mit einem Durchmesser von 3 bis 4,5 m, die an Betonsockeln mit einem Gesamtgewicht von 20 bis 30 t befestigt sind), ist es praktisch unmöglich, daß die Anodenkonstruktionen durch Kabel mit dem Bohrturm verbunden werden während die Anodenkonstruktion abgesenkt und aufgebaut wird. Gleichfalls ist es schwierig, nachdem der Bohrturm in tiefem Wasser auf dem Meeresboden befestigt worden ist, eine Vielzahl von Kabeln mit dem Bohrturm in einer Weise zu verbinden, daß eine feste und nicht mechanischen Schäden ausgesetzte Verbindung erhalten wird.

Es ist deshalb nötig, den Bohrturm mit den Elektroden zu verbinden, nachdem diese auf dem Meeresboden angeordnet worden sind. Es kann auch nötig sein, daß man die Kabel von den Elektroden für Ersatz- oder Reparaturzwecke unterbrechen muß. Hierfür ist es bekannt, eine oder zwei brechbare elektrische Verbindungen in jedem Kabel am Bohrturm und/oder an der Anodenkonstruktion vorzusehen. Es ist natürlich auch nötig, eine solche Verbindung vor Korrosion zu schützen. Die hierfür bisher verwendeten Vorrichtungen sind sehr kompliziert, teuer und schwierig zu bedienen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine einfache und dauerhafte Kupplung zur Verwendung beim kathodischen Schutz von Unterwasserkonstruktionen zu schaffen.

Eine dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1 ent­ sprechende Kupplung ist aus der GB-PS 11 23 176 (Fig. 3) bekannt. Durch die neue Ausbildung gemäß dem Kennzeichen wird die vorstehende Aufgabenstellung gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Mit dem Ausdruck "Ventilmetall" ist ein Metall aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Niob, Hafnium, Tantal und Legierungen mit ver­ gleichbaren anodischen Eigenschaften gemeint.

Das Ventilmetall sollte ein solches sein, das eine Auflösungsspannung über der Spannung besitzt, die im elektrischen Leiter beim Gebrauch herrscht. Im allgemeinen bestehen das erste und das zweite Teil aus Tantal, Niob oder Titan, wobei Niob bevorzugt wird.

Das Platingruppenmetall, die Legierung oder das Oxid besteht vorzugsweise aus oder enthält Platin oder eine Platin/Iridium- Legierung (beispielsweise eine Legierung, die ungefähr 70% Platin und ungefähr 30% Iridium enthält).

Wie bereits festgestellt, können die elektrischen Kontaktflächen (beispielsweise bei den eben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen das äußere Gewinde) ein Platin­ gruppenmetall, eine Legierung aus zwei oder mehr Platingruppenmetallen oder ein elektrisch leitendes Oxid eines Platingruppenmetalls aufweisen. Das Platingruppenmetall, die Legierung oder das Oxid ist als Schicht auf dem Ventilmetall vorhanden. Das Platingruppenmetall, die Legierung oder das Oxid können durch Beschichten der zu bedeckenden Fläche der Kupplung aufgebracht werden, wobei eine Lösung verwendet wird, die eine thermisch zersetzbare Verbindung eines Platingruppenmetalls enthält, und hierauf die Verbindung über ihre Zersetzungstemperatur erhitzt wird, um das Platingruppenmetall zu bilden. Wenn die Verbindung des Platingruppenmetalls über ihre Zersetzungstemperatur in Luft oder einer anderen sauerstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt wird, dann wird in gewissen Fällen ein elektrisch leitendes Oxid eines Platingruppenmetalls gebildet, wie dies in der Technik bekannt ist. Ein solches Verfahren wäre zufriedenstellend, wenn das Ventilmetall aus Titan besteht. Im Falle von Niob wird jedoch das Platingruppenmetall oder die Legierung vorzugsweise durch galvanische Abscheidung des Platingruppenmetalls oder der Legierung auf die zu beschichtende Ober­ fläche aufgebracht und nötigenfalls durch eine nachfolgende Wärme­ behandlung in die Oberfläche eindiffundieren gelassen. Vorteilhafterweise kann eine zweistufige Beschichtung verwendet werden, um eine harte, haftende und leitende Grenzflächenschicht zu bilden. Erforderlichenfalls können geeignete Abdeckschichten auf die Kupplungs­ teile aufgebracht werden, um eine Beschichtung an unerwünschten Stellen während der galvanischen Abscheidung zu verhindern. Die Schicht des Platingruppenmetalls, der Legierung oder des Oxids stellt sicher, daß eine elektrischer Durchgang zwischen den Leitern und dem Ventilmetall besteht, das, wird es Luft ausgesetzt, einen elektrisch nicht-leitenden Belag aus Metalloxid bilden würde. Nachdem die Leiter mit den entsprechenden Kupplungsteilen verbunden worden sind, kann die Verbindung geschützt werden, beispielsweise durch Einschluß in ein elektrisch isolierendes Harz.

Die elektrischen Kontaktflächen mindestens eines und vorzugsweise beider zweiter Stücke weisen ein Platingruppenmetall, eine -legierung oder ein -oxid auf, das die Form einer Schicht auf dem Ventilmetall besitzt, wobei die Schicht, wie oben beschrieben, aufgebracht werden kann. Das oben beschriebene zweistufige galvanische Verfahren ist besonders vorteilhaft für gleitende Flächen, wie z. B. Gewinde und Stift/Buchsen-Flächen.

Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kupplung ermöglicht eine verhältnismäßig einfache, billige und korrosionsbeständige Verbindung zwischen zwei elektrischen Leitern im Meerwasser, insbesondere bei kathodischen Schutzvorrichtungen. Außerdem kann die Verbindung leicht gelöst werden.

Zwei bevorzugte Ausführungsformen von elektrischen Kupplungen gemäß der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen einem Kabel und einem Teil der Kupplungen der Fig. 1 und 2; und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Kabel und einem Teil einer er­ findungsgemäßen Kupplung.

In den Zeichnungen tragen identische Teile gleiche Bezugszeichen.

Gemäß Fig. 1 besteht die Kupplung aus zwei Hälften, nämlich einem männlichen Teil 1 und einem weiblichen Teil 2. Das männliche Teil 1 besitzt ein erstes Stück 3 zum Anschluß an den freigelegten Leiter eines einaderigen Kabels (siehe Fig. 3), ein Mittelstück 4 und ein Endstück 5 in Form eines in das weibliche Teil 1 passenden Stifts, wobei alle drei Stücke 3, 4 und 5 einstückig und aus Niob hergestellt sind. Das erste Stück 3 ist außen mit einem Gewinde sowie mit einer Platinschicht 20 versehen. Der freigelegte Leiter des Kabels kann mit dem ersten Stück 3 indirekt über eine Messing­ muffe (nicht gezeigt), die ein Innengewinde aufweist und in welche der Leiter eingelötet ist, verbunden sein. Eine solche Anordnung ergibt eine gute elektrische und mechanische sichere Verbindung zwischen dem Leiter und dem männlichen Teil 1.

Das Zwischenstück 4 besitzt außen Riffelung 7 und mehrere Kulissen 8, die hauptsächlich dazu dienen, einen verhältnismäßig langen Kriechweg zu schaffen, damit Seewasser die Kabelverbindung schwieriger erreichen kann, und die Verbindung eines Einkapselungs­ harzes, das später, wie weiter unten erläutert, auf die Kupplung aufgebracht wird, zu schaffen. Diese Ziele können alternativ oder zusäzlich auch durch Ätzen, Sandstrahlen und/oder Ausbilden von ringförmigen Nuten im Stück 4 erreicht werden.

Das Endstück 5 besitzt außerdem eine Außenschicht aus Platin 21, die vorteilhafterweise durch das weiter oben beschriebene zweistufige Beschichtungsverfahren aufgebracht worden ist.

Das weibliche Teil 2 der Kupplung besitzt ein erstes Stück 9 zum Anschluß des freigelegten Leiters eines anderen einaderigen Kabels (siehe Fig. 3), ein Zwischenstück 10 und ein zylindrisches Buchsen­ stück 11 für die Aufnahme des Endstücks 5 des männlichen Teils 1 unter gutem Oberflächensitz. Die Stücke 9 und10 des weiblichen Teils 2 sind mit den Stücken 3 und 4 des männlichen Teils 1 indentisch. Wie beim männlichen Teil 1 sind alle drei Stücke 9, 10 und 11 einstückig und aus Niob hergestellt.

Das zylindrische Buchsenstück 11 besitzt mehrere Längsschlitze 12, wobei ein zentraler Teil eines jeden der dadurch gebildeten Niob­ streifen leicht nach innen durchgebogen ist, so daß der geringste Innendurchmesser des Buchsenstücks 11 kleiner ist als der Außen­ durchmesser des Endstücks 5 des männlichen Teils 1. Die durchgebo­ genen Streifen aus Niob sind radial elastisch, so daß das Einschieben des Stücks 5 in das Buchsenstück 11 einen festen Sit zwischen den beiden Stücken ergibt. Die Innenfläche des Buchsenstücks 11 besitzt außerdem auch eine Platinschicht 13.

Die in Fig. 2 gezeigte Kupplung ist derjenigen von Fig. 1 ähnlich, außer daß die Endstücke 14 und 15 (welche den Endstücken 5 und 11 von Fig. 1 entsprechen) die Form von plattenförmigen Kupplungen aufweisen. Das Endstück 14 ist mit einem einstückig ausgebildeten Gewindezapfen 17 und einem Loch 18 ausgerüstet. Das Endstück 15 besitzt einen komplementären Gewindezapfen 17′ und ein komplementäres Loch 18′.

Jeder Gewindezapfen ist platinisiert (und zwar vorzugsweise durch das weiter oben beschriebene zweistufige Verfahren). Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit wesentlich verringert, daß sich die auf die Gewindezapfen 17 und 17′ aufgeschraubten Muttern festsetzen. Eine elektrische Verbindung wird zwischen den beiden Kupplungsteilen dadurch hergestellt, daß die beiden Endstücke 14 und 15 so übereinandergelegt werden, daß der Gewindezapfen 17 durch das Loch 18′ und der Gewindezapfen 17′ durch das Loch 18 hindurchgehen. Die Verbindung zwischen den beiden Endstücken 14 und 15 wird durch Aufschrauben von Muttern (nicht gezeigt) auf die Gewindezapfen 17 und 17′ hergestellt. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Endstücke 14 und 15 besitzen Oberflächenschichten 19 und 19′ aus Platin auf dem Niob.

Dadurch, daß die Löcher im Abstand von der Verbindung mit dem Kabel angeordnet sind, ist die Stromverteilung durch die Kupplung gegenüber einer umgekehrten Anordnung verbessert, bei der die Zapfen und die Löcher vertauscht sind. Im letzteren Fall ist die Querschnitts­ leiterfläche der Kupplung aufgrund der Anwesenheit der Löcher verringert.

Gemäß Fig. 3 ist das mit einem Gewinde versehene erste Stück 3 (bzw. 9) des Kupplungsteils 1 (bzw. 2) elektrisch und mechanisch mit einem entsprechenden Kabelleiter 22 (von dem das Ende der Isolation 23 entfernt worden ist) mit Hilfe einer Messingmuffe 24 angeschlossen. Ein Ende der Muffe 24 besitzt ein Innengewinde für die Aufnahme des Gewindeteils 6 des ersten Stücks 3. Das andere Ende der Muffe 24 besitzt eine Bohrung für die Aufname des Leiters 22, der durch eine Lötverbindung 25 mit der Muffe 25 verbunden ist.

Gemäß Fig. 4 besitzt das erste Stück eines jeden Kupplungsteils 1 und 2 einen zylindrischen Abschnitt 26, der beispielsweise aus Niob hergestellt und durch eine Reibungsschweißung 27 mit dem Rest des Kupplungsteils verbunden sein kann. Wenn die Größe und die Kosten es gestatten, dann kann der Abschnitt 26 integral mit dem Rest des Kupplungsteils ausgebildet sein. Ein Ende des Abschitts 26 besitzt eine Kupferschicht 28, so daß eine metallurgische Bindung zwischen dem Kupfer und dem Niob besteht.

Der Niobabschnitt 26 kann vollständig durch ein Coextrusionsverfahren mit einer Kupferschicht versehen werden, worauf später dann das Kupfer teilweise abgebeizt wird, so daß die Schicht 28 zurückbleibt. Der beschichtete Teil des Abschnitts 26 in einer Bohrung einer Messingmuffe 29 und ist darin durch eine Löt­ verbindung 30 befestigt. Der Kabelleiter 22 wird in der Muffe 29 in der gleichen Weise befestigt, wie es anhand von Fig. 3 beschrieben wurde.

Nach dem Verbinden der Kabel und der Kupplung wird die gesamte Verbindung zum Schutz eingekapselt, wobei beispielsweise eine vorher hergestellte Hülse oder ein elektrisch isolierendes Harz verwendet wird.

Es wird bevorzugt, daß das Platinmetall oder das andere geeignete widerstandsfähige Material nicht die gesamte Oberfläche der Kupplung bedeckt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die platinisierte Oberfläche üblicherweise Chlor in Freiheit setzt, wenn sie als Anode in Seewasser vorliegt, oder Sauerstoff in Freiheit setzt, wenn sie als Anode in Süßwasser vorliegt. Die Freisetzung von Chlor kann zu einem lokalen Aufbau einer stark sauren Lösung um die Kupplung führen, insbesondere, wenn die Kupplung am Boden des Meeres im Schlamm eingetaucht ist.

Wenn das Niob im unbedeckten Zustand vorliegt, dann bildet sich dagegen schnell ein isolierender Oxidfilm durch Anodisieren. Dieser Oxidfilm macht die Kupplung wirksam inert.

Es wird darauf hingewiesen, daß das normale Verfahren zum Lösen der Kupplung darin besteht, daß der durch die Kupplung hindurchgehende Strom abgeschaltet wird, damit ein Taucher oder eine in anderer Weise geeignet ausgerüstete Person die Kupplung unter Wasser lösen kann. Die erfindungsgemäße Kupplung besitzt den Vorteil, daß sie leicht hergestellt werden kann und daß sie im Vergleich zu den viel komplizierteren, mühsamen und teuren Kupplungen, die gegenwärtig beim elektrischen Anschluß von Anoden für den kathodischen Schutz unter Wasser verwendet werden, einfach zu gebrauchen sind und sich zuverlässig verhalten.

Es wird darauf hingewiesen, daß die gewählte Kupplung den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden muß. So liegt beispielsweise die Auflösungsspannung von Zirkonium in Seewasser in der Größenordnung von 1 V, weshalb Zirkonium-Kupplungen nicht verwendet werden können, wenn beim Gebrauch große Spannungen auftreten. Niob-Kupplungen sind jedoch nicht geeignet, wenn sie kathodisch und nicht anodisch geschaltet sind. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei kathodischer Schaltung Wasserstoff entwickelt wird, was zu einer Wasserstoffversprödung der Niob-Kupplungen führen kann.

Claims (13)

1. Elektrische Kupplung zum Verbinden zweier elektrischer Leiter, bestehend aus einem ersten Teil (1), das ein mit einem der Leiter integral ausgebildetes oder verbindbares erstes Stück (3) aufweist, und aus einem zweiten Teil (2), das ein mit dem anderen Leiter integral ausgebildetes oder verbindbares erstes Stück (9) und ein zweites Stück (Endstück 11) zum elektrischen Verbinden mit einem komplementären zweiten Stück (Endstück 5) des ersten Teils (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Teil (1, 2) jeweils aus einem Ventilmetall bestehen, und die elektrischen Kontaktflächen mindestens eines der zweiten Stücke ein Metall aufweisen, das aus den Platingruppenmetallen, den Legierungen von Platingruppenmetallen und den elektrisch leitenden Oxiden der Platingruppenmetalle ausgewählt ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmetall aus Niob besteht.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontaktoberflächen der beiden zweiten Stücke (5, 11) aus den im Anspruch 1 genannten Materialien ausgewählt sind.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stück (5) des ersten Teils (1) ein Außengewinde aufweist und daß das zweite Stück (11) des zweiten Teils (2) ein komplementäres Innengewinde aufweist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stück des ersten Teils einen Stift (5) aufweist und daß das zweite Stück des zweiten Teils eine Buchse (11) für die Aufnahme des Stifts aufweist.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stück (14, 15) des ersten Teils (1) und des zweiten Teils (2) jeweils eben ausgebildet sind und ein Loch (18, 18′) sowie einen integral ausgebildeten abstehenden Gewindezapfen (17, 17′) aufweist, wobei die zweiten Stücke so übereinander passen, daß der Gewindezapfen eines jeden zweiten Stücks in das Loch des anderen zweiten Stücks paßt, so daß die zweiten Stücke mit Hilfe von auf die Gewindezapfen aufgeschraubten Muttern miteinander verbunden werden können.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abstehenden Gewindezapfen (17, 17′) zumindest auf ihrer Gewindeoberfläche eine Schicht aus einem Platingruppenmetall, einer Platingruppenmetallegierung oder einem Oxid des Ventil­ metalls aufweisen, um ein Festsetzen der Muttern zu verhindern.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten Stücke (3, 9) ein Außengewinde (6) für die Aufnahme eines komplementären Innengewindes einer an einem der Leiter (22) befestigbaren Muffe auf­ weist.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten Stücke (3, 9) einen zylindrischen Abschnitt (26) aufweist, der in eine komplementäre Buchse einer an einem der Leiter befestigbaren Muffe (29) eingeschweißt ist oder anderweitig damit verbunden ist.

10. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (26) eine Kupferauflage (28) aufweist und daß die Muffe (29) aus Messing besteht.

11. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (26) durch Koextrusion eines Niobkerns und einer Kupferauflage (28) hergestellt worden ist.

12. Kupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferauflage (28) durch Abbeizen von den Bereichen des zylindrischen Abschnitts (26) entfernt worden ist; die nicht durch die Buchse der Muffe bedeckt werden.

13. Kupplung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer Kupferauflage (28) versehene zylindrische Abschnitt (26) aus Niob gesondert hergestellt worden ist und anschließend durch Reibungsschweißen (27) mit dem Rest des ersten Stücks (3, 9) des ersten oder zweiten Kupplungsteils (1, 2) verbunden worden ist.