DE2842531C2

DE2842531C2 - Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres

Info

Publication number: DE2842531C2
Application number: DE2842531A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr. Basel Puck
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Novartis AG
Priority date: 1977-10-03
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1986-11-20
Also published as: US4217158A; FR2404507A1; GB2005793B; JPS621812B2; FR2404507B1; GB2005793A; JPS5461267A; CA1111751A; DE2842531A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres, bei dem die Verstärkungsfasern unter Vorpsinnung stehen.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß es keine Faseranordnung für Druckrohre gibt, die es erlauben würde, hohe Spannungen Oj parallel zu den Fasern zu erreichen, ohne daß gleichzeitig erhebliche Spannungen O₅. (Querspannungen) auftreten. Während die Festigkeit parallel zu den Fasern etwa 850 N/mm² beträgt, erreicht man für die Querzugfestigkeit bestenfalls 70 N/mm². Das hat zur Folge, daß man bei Belastungen, die noch nicht zu Of-Brüchen (Faserbr. :hen) führen, bereits Rißbildung infolge der σ± -Spannungen zu verzeichnen hat Diesen Schwierigkeiten läßt sich im Prinzip durch gezielten Einbau von Eigenspannungen in das Rohr entgegentreten. So sind z.B. aus der DE-OS 1729 051 ( = US-PS 29 84 870 und US-PS 2999272) und der FR-PS 13 12 754 (=US-PS 32 02 560 oder DE-AS 15 04 /56) ^reits vorgespannte GFK-Rohre bekannt Gemäß der DE-OS 17 29 051 wird zunächst eine harzgetränkte, glasfaserverstärkte Matte zu einem Rohrformling aufgerollt, wobei die Glasfasern in der Matte derart verlaufen, daß sie im Rohrformiing eine ±45" -Anordnung ergeben. Der Rohrformling wird nun an seinen Enden eingespannt und während des Aushärtens axial auf Zug belastet Gleichzeitig wird im Inneren des Formlings ein hydraulischer oder pneumatischer Druck appliziert Durch diese Zug- bzw. Druckbelastung des Rohrformlings während des Aushärtens erhält das Rohr einen Eigenspannurigszusvand. Gemäß der FR-PS 13 12 754 wird ein GFK-Rohr durch Bewickeln eines Domes mit harzgetränkten Glasfasersträngen in mehrlagiger 0°/90"-Faseranordnung hergestellt Die Faserstränge werden dabei während des Wickeins und auch während des Aushärtens unter Spannung gehaken, so daß das fertig ausgehärtete Rohr ebenfalls einen Eigenspannungszustand aufweist.

Die aus den genannten Literaturstellen bekannten GFK-Rohre haben sich in der Praxis nie durchsetzen können. Ein Hauptgrund dafür liegt vor allem in den komplizierten Herstellungsverfahren dieser Rohre, welche einen sehr großen apparativen Aufwand benötigen. Ein weiterer Grund dafür ist in einem weitverbreiteten Vorurteil gegen vorgespannte GFK-Werkstoffe zu suchen, wonach befürchtet wurde, daß wegen des viskoelastischen Verhaltens von Kunststoffen eingebaute Eigenspannungszustände schnell relaxieren und deshalb nicht sehr lange aufrechterhalten werden können. Erst im Rahmen der Vorarbeiten zur vorliegenden Erfindung wurde völlig überraschend gefunden, daß die Relaxationszeiten von solchen G FK-Werkstoff en entgegen allen Vorurteilen um Größenordnungen länger als bisher angenommen sind. Dies findet seine Erklärung darin, daß, wenn erst einmal der erstrebte Betriebszustand a_L =0 erreicht ist ^ich dieser Zustand durch Kriechen oder Relaxation auch nicht mehr ändern kann, denn bei verschwindender Querzugspannung hört jedes Kriechen und jede Relaxation auf, weil die noch verbleibenden faserparallelen Spannungen nicht relaxieren. Für die Praxis bedeutet dies, daß dafür Sorge zu tragen ist, daß von der dem Rohr bei der Herstellung erteilten Vorspannung zwischen der Herstellung und der Inbetriebnahme des Rohres ein ausreichender Rest übrig bleibt, was bei den unerwartet hohen Relaxationszeiten jedoch keinerlei Schwierigkeiten bereitet. Außerdem kann aber auch "vorgehalten" werden, indem die Vorspannung bei der Herstellung um die geschätzte relaxationsbedingte Abnahme oder eventuell auch um einen etwas darüber hinausgehenden Betrag überhöht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Herstellungsverfahren für vorgespannte GFK-Rohre anzugeben, welches einerseits nur einen relativ bescheidenen operativen Aufwand benötigt und " rationell ist und anderseits zu qualitativ hochstehenden vorgespannten GFK-Rohren führt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine erste Rohrschieht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Umfangsrichtung orientierten Fasern erzeugt wird, daß diese erste Rohrschieht im ausgehärteten Zustand durch eine äußere Kraft axial auf Druck belastet wird, daß auf die belastete innere Rohrschieht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung orientierten Fasern aufgebracht und ausgehärtet wird und daß die äußere Kraft nach dem Aushärten der

I zweiten Rohrschicht entfernt wird Vorzugsweise wird dabei die erste Rohrschicht während des Aufbringens

ft und Aushärtens der zweiten Rohrschicht von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt Die axiale Belastung

"ff und der Druck des Druckmediums werden ungefähr so bemessen, daß das Rohr eine Eigenspannung erfährt, die

I- die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, senkrecht zu den Glasfasern gerichteten Querzugspannungen

•'"'s zumindest teilweise kompensiert, und daß die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, parallel zu den

: j Fasern gerichteten Längszugspannungen in beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.

' Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Die beiden Figuren zeigen schema-

:ϊ tisch die zwei wichtigsten Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

ί Als erstes wird zunächst die Rohrschicht mit den in Umfangsrichtung orientierten Glasfasern hergestellt Dies

h erfolgt, wie in Rg. 1 schematisch angedeutet, in konventioneller Art durch Aufwickeln eines mit Harz getränk-

r, ten Glasfaserstrangs 1 auf einen hohlen Dorn 2. Der Dorn ist drehbar angetrieben und enthält in seinem Inneren

if einen Infrarot-Heizstab 3 zum Aushärten des Rohrwickels. An seinen Enden trägt der Dorn zwei Flanschen 4 zur

S. Erzielung sauberer Rohrenden. Der Glasfaserstrang 1 setzt sich aus einer Vielzahl von Fasern 5 zusammen, die

i; von Vorratsspulen 6 durch ein Harztränkbad 7 zu einem Wickelauge 8 zusammenlaufen. Das Wickelauge

|; vollführt in bekannter Weise eine hin- und hergehende Bewegung zwischen den beiden Flanschen 4, so daß ein

(ä mehrlagiger Wickel entsteht, in dem die Orientierungen der Glasfasern in a ufeinanderfolgenden Lagen symme-

;? trisch zur Rohrachse sind.

j; Nach dem Aushärten dieser so erzeugten, mit A bezeichneten erstert Rohrschicht wird diese auf einen

1 anderen, an seinem Umfang mit Stützrippen 11 versehenen, in ebenfalls nicht gezeigter Weise drehbar angetrie-

ψ benen Wickeldorn 12 aufgebracht und zwischen zwei Flanschen 13 und 14 eingespannt Der Flansch 13 isi axial

k feststehend und mit einer Einlaß- bzw. Anschlußöffnung 15 für ein Druckmedium versehe' welche in den

P Zwischenraum 16 zwischen der Dommantelfläche und der Innenwand der Rohrschicht A mündet. Die Stützrip-

R pen 11 weisen Kommunikationsöffnungen auf, so daß das Druckmedium den gesamten Zwischenraum 16

% ausfüllen kann.

[v Der Flansch 14 ist mittels eines Hydraulik-Zylinders 17 axial verstellbar. Vor der Herstellung der zweiten

% Rohrschicht wird nun die erste Rohrschicht A mittels des Hydraulik-Zylinders 17 und des Flansches 14 axial auf

Π Druck belastet und gleichzeitig durch Unterdrucksetzen des im Zwischenraum 16 befindlichen Druckmediums in

Sj Umfangsrichtung etwas gedehnt Auf die derart unter Spannung gehaltene Rohrschicht werden nun in konven-

§ tioneller Weise von Hand oder mittels geeigneter bekannter Vorrichtungen mehrere Lagen von angenähert

I axial orientierten harzgetränkten Glasfasern aufgebracht und mittels eines Infrarotstrahlers 1& ausgehärtet

J Auch hier sind die Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse orientiert. Dieser so gebildete

' 1 mehrlagige axiale Glasfaserwickel bildet die zweite, mit Bbezeichnete Schicht des Kunststoffrohres.

Wenn die zweite Rohrschicht ausreichend ausgehärtet ist, wird die axiale Bleastung und der Innendruck im Rohr entfernt Die der inneren Rohrschicht durch diese axiale Belastung bzw. den Innendruck ursprünglich mitgeteilte Spannung bleibt zum Teil als Eigenspannungszustand im Rohr erhalten.

Zum Aufbau des Rohres wird ein nicht flexibilisiertes Laminierharz mit einem Ε-Modul zwischen 3000—4000 N/mm² verwendet Der Glasvolumenanteii beträgt vorzugsweise etwa 60%. Es wird zweckmäßigerweise Ε-Glas mit einem Ε-Modul von etwa 73 000 N/mm² verwendet

Bei geeigneter Dimensionierung des in das GFK-Rohr erfindungsgemäß eingebauten Eigenspannungszus;andes lassen sich die bei Betriebsbelastung des Rohres auftretenden Querziigspannungen praktisch vollständig kompensieren. Dies erlaubt dann die Dimensionierung des Rohres so, als ob es sich nicht um einen mehrachsigen, sondern lediglich um einen einachsigen Spannungszustand handelte. In der Praxis führt dies zu einer drastischen Reduktion der für die gegebene Nennbelastung notwendigen Wandstärke des Rohres und den damit zusammenhängenden Vorteilen. Beispielsweise ist für eine Erdgasleitung mit einem lichten Durchmesser von 60(y mm, die für einen Betriebsnenndruck von 64 bar ausgelegt ist, nunnehr eine Gesamt Wandstärke von rund 55 mm gegenüber 50 mm (DIN 19 694) bei konventionellen Rohren erforderlich.
Die Daten für die Herstellung des eben erwähnten Rohres sind:
Wandstärke der inneren Rohrschicht: 13 mm
Wandstärke der äußeren Rohrschicht: 2 mm

Harz: nicht flexibiüsiert, E-Modul 3500 N/mm² so

Glasfasern: Ε-Glas ß-Modul 73 000 N/mm²
Glasvolumenanteii: 60%

Axiale Belastung während der Herstellung der zweiten Schicht: 40 N/mm²
Hydrostatischer Druck des Druckmediums: ~80 bar

Wickelorientierung zur Rohrachse: ±85° bzw. ±5°

Bei einem derart dimensionierten Rohr werden die Querzugspannungen bei Nennbelastung (64 bar) pj aktisch vollständig kompensiert.

In der Praxis ist es vorteilhaft, die in das Rohr eingebaute Eigenspannung etwas größer zu wählen, als für die Kompensation der Querzugspannung an sich nötig wäre. Dadurch könner. auch über die Nennbelastung des Rohres hinausgehende Belastungsspitzen ohne Schaden überstanden werden, und andererseits kann dadurch die an sich zwar geringe relaxationsbedingte Abnahme der Eigenspannung bei allfälligen längeren Lagerungszeiten zwischen Herstellung und Einsatz des Rohres mitberücksichtigt bzw. wettgeisiacht werden.

Die genaue Bestimmung der Rohrabmessusngen und der einzubauenden Eigenspannungen bzw. die dazu notwendigen axialen Belastungen und Mediumdrücke während der Herstellung erfolgt für den Sonderfall der Pipeline, bei der keine Axialdehnung auftritt, anhand der nachstehenden Formeln.

Ausgehend vom gegebenen Betriebsdruck und Nemidurchmesser sowie von einer gewählten Rohrstruktur (Harz, Glas, Glasanteil, Wickelwinkel etc.), die das elastische Verhalten des Rohres bestimmt (Ε-Moduln, Querkontraktionszahlen), umi von den drei grundlegenden Forderungen, daß

a) die im Betrieb auftretenden axial gerichteten Querzugspannungen in der Rohrschicht A,

b) die Querzugspannungen in Umfangsrichtung in der Rohrschicht B kompensiert bzw. sogar überkompensiert werden, und

c) die zu den Glasfasern parallel gerichteten Spannungen in beiden Rohrschichten möglichst gleich groß seinsollen,

erhält man nach den bekannten Regeln der Kontinuumstheorie (Dissertation A. Puck aus der Fakultät für Maschinenwesen an der Technischen Universität Berlin, D 83, vom 6. Juli 1966) folgende Formeln für das Verhältnis t\ der Wanddicke fi der Rohrschicht A zur Gesamtwanddicke f:

mit Z = £,., - (2/+ v_rx2) · E_v2

In diesen und den nachfolgenden Formeln bedeuten: Indices 1 und 2: Bezugnahme auf die Rohrschicht A bzw. B.

Indices χ und y. Achsenrichtung bzw. Umfangsrichtung.

Indices v, E und B: Zustände während des Anliegens der äußeren Belastung bei der Rohrherstellung,

Zustände nach Entfernen dieser äußeren Belastung und die durch die Betriebsbelastung hervorgerufenen Spannungen.

Pb: Nennbetriebsdruck, für den das Rohr zu dimensionieren ist

r,\: Innenradius der Rohrschicht A.

σ, ι _zu ι: zulässige Umfangsspannung dieser Schicht (-140 N/mm²).

Λ Faktor, um welchen die einzubauende Eigenspannung den für die Kompensation der

Querzugspannung nötigen Wert übersteigen soll; K f< 1,5.

Eyi, £y2'- Ε-Moduln in ^-Richtung.

Vyx ι. Vjx -2. v_Xy ι, v,yi-: Querkontraktionszahlen, wobei der erste Index die Richtung der Kontraktion und der zweite Index die Richtung der verursachenden Spannung angibt

o: Spannung.

Δα: Spannungsänderung beim Übergang vom Zustand ν in den Zustand E

CxE, £yC- dazugehörige Dehnungen.

Mit den Formeln I und II sind die Wandstärken der beiden Rohrschichten A und B festgelegt Die Berechnung der für die Erzeugung der gewünschten Eigenspannungen notwendigen äußeren Belastung (axiale Vorspannkraft F_x ι v, hydrostatischer Druck /Vdes Druckmediums) erfolgt aus den nachstehenden Formeln III und IV:

F_xir = 2π- ^₁ +ττΓ'ι ·°χΐ' 45

-M

so darin sind:

?*ir ⁼ o_x\e - Δα_χ\; a_ri_r= σ_νΐ£ - Ασ,ι

_ E_xl .Vi

^Δσ^ - -. ■ ε_χΕ+ —Ζ

· ν_ιΛ,

E_rl

ε_χΕ + =

1V

^εχε = -j— o_xlE- -f-- a_tlE

Ί ' ^σι//υ1

£„, ·/', +£_ν2(1 -S₁)

I -Ζ',

"ν\Κ '

σ, 11:

Bei anderer Installation der Rohre, bei der die Axialdehnung — anders als bei Pipelines — nicht verhindert ist. müssen die Schichtdicken und die Vorspannbelastungen mit der Elastizitätstheorie der Mehrschichtenverbunde berechnet werden. Diese beinhaltet Gleichgewichtsbedingungen, geometrische Bedingungen und die Elastizitätsgesetze der beiden Schichten. Näheres dazu findet sich in der bereits genannten Dissertation des Erfinders.

Für die Orientierung der Glasfasern in den beiden Rohrschichten A und B haben sich zur Rohrachse gemessene Winkel von 80—88° bzw. 2—10°, vorzugsweise etwa 85° bzw. 5° als zweckmäßig erwiesen. Die angegebenen Wickclwinkel sind lediglich beispielsweise. Selbstverständlich könnten die Wickelwinkel in besonderen Fällen auch stärker vom Idealfall, d. h. 0° bzw. 90°, abweichen. Wesentlich ist lediglich, daß eine Schicht mit hauptsächlich in Längsrichtung und eine Schicht mit hauptsächlich in Umfangsrichtung orientierten Fasern vorhanden ist.

Von besonderem Vorteil zur Vermeidung von Rißbildungen ist es, wenn jede Rohrschicht mehrlagig gewikkelt ist, wobei die Orientierung der Glasfasern in benachbarten Lagen symmetrisch zur Rohrachse ist, also beispielsweise +5° und -5° bzw. +85° und -85° (Rißstoppereffekt). Die Dicke er einzelnen Lagen kann etwa 0,5 bis 1,0 mm betragen.

Es versteht sich, daß es für geringere Anforderungen auch ohne weiteres möglich ist, nicht die Erfüllung aller drei weiter vorn genannten Forderungen anzustreben, was dem Idealfall entspricht, sondern sich auf die Forderungen a) und b) oder allenfalls sogar auf a) allein zu beschränken. Bereits die Kompensation der in der Schicht A auftretenden Querzugspannung allein stellt schon einen erheblichen Vorteil dar.

*ii übrigen ist es, wenngleich aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, so doch keinesfalls nötig, daß sich die Rohrschicht mit den axial orientierten Fasern auf der Rohrschicht mit den Umgangsfasern befindet. Diese Rohrschicht könnte sich beispielsweise auch innen an die Schicht mit den Umgangsfasern anschließen oder es könnten beispielsweise auch zwei Schichten mit axialen Fasern vorhanden sein, wobei die eine zuinnerst und die andere zuäußerst angeordnet wäre.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Kunsststoffrohres, bei dem die Verstärkungsfasern unter Vorspannung stehen, dadurch gekennzeichnet daß zunächst eine erste Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Unuangsrichtong orientierten Fasern erzeugt wird, daß diese erste Rohrschicht im ausgehärteten Zustand durch eine äußere Kraft axial auf Druck belastet wird, daß auf die belastete erste Rohrschicht eine zweite Rohrschicht mit einer Glasfaserwicklung aus angenähert in Achsenrichtung orientierten Fasernaufgebracht und ausgehärtet wird und daß die äußere Kraft nach dem Aushärten der zweiten Rohrschicht entfernt wird.

ίο

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rohrschieht während des Aufbringens

und Aushärtens der zweiten Rohrschieht von innen mit einem Druckmedium beaufschlagt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung und gegebenenfalls der Druck des Druckmediums ungefähr so bemessen werden, daß dem Rohr eine Eigenspannung eingeprägt wird, die die durch die Nennbelastung des Rohres hervorgerufen, senkrecht zu den Glasfasern gerichteten Querzugspannungen zumindest teilweise, vorzugsweise zu mehr als 100% kompensiert.

4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenspannung so bemessen wird, daß die bei Nennbelastung des Rohres auftretenden, parallel zu den Fasern gerichteten Längszugspannungen in beiden Rohrschichten zumindest angenähert gleich sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rohrschieht aus wenigstens zwei Lagen besteht, in denen die Glasfasern spiegelbildlich zur Rohrachse orientiert sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht flexibilisiertes Laminilharz mit einem Elastizitätsmodul von etwa 3000 bis 4000 N/mm² verwendet wird.