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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft eine Schachtleitung, mit mehreren Rohrabschnitten
und mindestens einer zur Aufnahme der Längendehnung des benachbarten Rohrabschnitts
dienenden Stopfbuchse, in die das Rohrende (Schwertrohr) des Rohrabschnitts eintaucht.
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Im untertägigen Bergbau werden verschiedene Fluide, z.B. Wasser, benötigt,
die mit Hilfe von Schachtleitungen durch den Schacht transportiert werden. Eine
solche Schachtleitung setzt sich aus mehreren Rohrabschnitten zusammen. Um die durch
beispielsweise Temperaturschwankungen hervorgerufenen Längsdehnungen und -kontraktionen
der Rohrabschnitte aufzunehmen, sind am Ende der einzelnen Rohrabschnitte sogenannte
Stopfbuchsen vorgesehen, das sind rohrförmige Kammern, deren Innendurchmesser größer
ist als der Außendurchmesser des von oben in die Rohrkammer eintauchenden Rohrendes.
Dieses Rohrende ist mit dem darüberliegenden Rohrabschnitt beispielsweise über eine
Flanschverbindung verbunden. Man bezeichnet dieses Rohrende auch als Schwertrohr.
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Zwischen dem Außenumfang des Schwertrohrs und dem Innenumfang der
von einer Halterung getragenen Rohrkammer befindet sich eine aus elastischer formbarem
Material bestehender Dichtung, die einen Austritt des Fluids verhindert, aber dennoch
eine Vertikalbewegung des Schwertrohres innerhalb der Rohrkammer zuläßt.
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Bei mittlerer Längenausdehnung des jeweiligen Rohrabschnitts befindet
sich die kreisringförmige Stirnfläche des Schwertrohrs etwa in der mittleren Höhe
der Rohr-
kammer. Bei größerer Längenausdehnung des Rohrabschnitts
taucht die Stirnfläche tiefer in die Rohrkammer ein, bei kürzer werdendem Rohrabschnitt
zieht sich die Stirnfläche in Richtung der Dichtung zurück.
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Auf die kreisringförmige Stirnfläche des Schwertrohres wirkt nun eine
statische Kraft ein, die abhängig ist vom spezifischen Gewicht des in dem Rohr befindlichen
Fluids, der geodätischen Höhendifferenz und der Flächengröße der kreisringförmigen
Stirnfläche. Diese Kraft wirkt in vertikaler Richtung nach oben auf die Stirnfläche.
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Dieser nach oben gerichteten Kraft wirkt eine Kraft entgegen, die
sich zusammensetzt aus dem Gewicht des (leeren) darüber befindlichen Rohres, der
durch die Stopfbuchse bzw. deren Dichtung hervorgerufenen Reibkraft und einem Anteil,
der bestimmt wird durch die Formänderungsarbeit am Rohr, welche erforderlich ist,
um das gesamte System in Gleichgewicht zu bringen. Hierbei geht das Gewicht des
Rohres oberhalb der Stirnfläche des Rohres nur dann völlig in die nach unten gerichtete
Kraft ein, wenn die Schachtleitung gut, d.h.
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exakt vertikal geführt ist. Ist das Rohr nicht gut geführt, so wird
bei Einstellung des Gleichgewichts des Systems vom Rohr eine Formänderungsarbeit
geleistet.
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Aufgrund des Erfordernisses einer möglichst geraden Rohrführung zur
Vermeidung von Ausbiegungen und Knickstellen und damit einhergehenden möglichen
Beschädigungen des Rohres muß man bei längeren Rohrabschnitten Gegenmaßnahmen treffen.
Insbesondere bei großen Schachttiefen in der Größenordnung von 1000 m werden an
eine gute Rohrführung besonders hohe Anforderungen gestellt.
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Um das Rohrgewicht konzentrisch in die Stopfbuchse einzuleiten und
somit eine gleichverteilte Gegenkraft zu
der nach oben wirkenden,
auf die Stirnfläche des Schwertrohres wirkenden Kraft zu erhalten, hat man bereits
spezielle Seitenführungen vorgesehen. Diese SeitenfühYungen sind jedoch sehr kostenintensiv.
Außerdem hat man bereits versucht, zusätzlich oder alternativ zu den Seitenführungen
oberhalb der Stopfbuchse Hubzylinder anzuordnen, um eine konzentrische Anordnung
des Rohres in bezug auf die Stopfbuchse zu erzielen. Diese Maßnahmen sind noch aufwendiger
als die Anordnung von relativ einfachen Seitenführungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schachtleitung der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß auf die beim Stand der Technik zur konzentrischen
Einleitung des Rohrgewichts in die Stopfbuchse verwendeten Rohrführungen und/oder
Hubzylinder weitestgehend verzichtet werden kann.
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Bei einer Schachtleitung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohrende außerhalb der Stopfbuchse eine
Einziehung aufweist, deren innere Projektionsfläche in Rohrachsenrichtung etwa so
groß ist wie die kreisringförmige Stirnfläche des Rohrendes.
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Durch die erfindungsgemäße Einziehung, die z.B. die Form eines kurzen
konischen Rohrabschnitts haben kann, wirkt auf das Rohrende eine vertikal nach unten
gerichtete Kraft ein, deren Größe von der Höhe der Fluid-Säule oberhalb der Einziehung,
dem spezifischen Gewicht des Fluids und der Projektion der inneren Einziehungsfläche
in vertikaler Richtung abhängt. Diese vertikal nach unten gerichtete Kraft dient
als Gegenkraft zu der senkrecht nach oben gerichteten, auf die kreisringförmige
Stirnfläche des Schwertrohres wirkenden Kraft.
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Wenn erfindungsgemäß die Projektionsfläche größer ist als die Stirnfläche
des Rohrendes, so ergibt sich eine resultierende, vertikal nach unten gerichtete
Kraft, die die Wirkung hat, auf die Rohraufhängung und das Rohr eine zusätzliche
Zugkraft auszuüben, die das System statisch bestimmt macht. Die nach oben gerichtete,
auf die Stirnfläche wirkende Schubkraft wird also mehr als aufgehoben.
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Zweckmäßigerweise wird die erfindungsgemäße Einziehung möglichst nah
an der Stopfbuchse angeordnet. Hierzu errechnet sich die Entfernung der Einziehung
von der Stirnseite des Rohrendes als Summe aus der Eintauchtiefe des Rohrendes in
die Stopfbuchse, der zu erwartenden maximalen Rohr-Längenausdehnung und einem Längensicherheitszuschlag.
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Durch die erfindungsgemäße Aufhebung der auf die untere Stirnfläche
des Schwertrohres wirkenden Schubkraft werden spezielle Rohr führungen sowie zum
Druckausgleich vorgesehene Hubzylinder eingespart. Man erhält ein statisch bestimmtes
System. Als weiterer Vorteil der Erfindung ist es anzusehen, daß die Stopfbuchsen
aufgrund der statischen Bestimmtheit kleiner dimensioniert sein können.
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Die Erfindung betrifft außerdem noch ein als Rohrende dienendes Schwertrohr
für eine Schachtleitung der oben genannten Art, wobei das Schwertrohr die erfindungsgemäße
Einziehung aufweist.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Stopfbuchse,
in die ein ein Ende eines Rohrabschnitts bildendes Schwertrohr eintaucht.
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Oben in der Figur ist eine Verbindung 1 gezeigt, mit der das unten
noch näher beschriebene Schwertrohr an den Endabschnitt einer (nicht gezeigten)
Rohrleitung angeschlossen ist. Eine allgemein mit 2 bezeichnete Stopfbuchse besitzt
eine durch ein zohrähnliches Teil gebildete Rohrkammer 3, die mit einer Halterung
4 im Inneren eines Schachts befestigt ist. Am oberen Ende der Rohrkammer 3 befindet
sich ein Flanschteil 5.
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Konzentrisch zu dem Flanschteil 5 ist ein Flanschteil 6 angeordnet,
welches über einen Rohr-Zwischenabschnitt eine ringförmige Stopfbuchsendichtung
7 trägt. Die Stops buchsendichtung 7 besteht aus elastisch verformbarem Material,
welches ein Austreten des Fluids, z.B. von Wasser, aus dem Inneren der Rohrkammer
3 verhindert.
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Die Stopfbuchsendichtung ist fest zwischen den Außenumfang des als
Rohr ende dienenden Schwertrohres 9 und die Innenseite der Rohrkammer 3 eingepreßt.
Die beiden Flanschteile 5 und 6 lassen sich über (nicht gezeigte) Schrauben miteinander
verbinden, so daß sich die Stopfbuchsendichtung 7 nicht in vertikaler Richtung bezüglich
der Rohrkammer 3 bewegen kann.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besitzt das oben mit einem einen
Teil der Verbindung 1 bildenden Anschlußflansch versehene Schwertrohr 9 einen Außendurchmesser,
der kleiner ist als der Innendurchmesser der Rohrkammer 3, so daß zwischen den beiden
Teilen unterhalb der Stopfbuchsendichtung 7 ein Ringraum gebildet wird. Je nach
Längenausdehnung der über der Verbindung 1 befindlichen Rohrleitung taucht die untere,
kreisringförmige Stirnfläche 8 des Schwertrohres 9 mehr oder weniger tief in die
Rohrkammer 3 ein. In der dargestellten Lage weist die über dem Schwertrohr 9 befindliche
Rohr leitung eine mittlere Längenausdehnung auf, da sich die Stirnfläche 8 etwa
in der mittleren Höhe der Rohrkammer 3 befindet.
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Die Eintauchtiefe ist hier gemessen zwischen der Oberseite des Flanschteils
6 und der Stirnfläche 8.
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Die kreisringförmige Stirnfläche 8 ist in der Zeichnung im Grundriß
angedeutet. Die Flächengröße ist hiermit AaR2 bezeichnet. Dementsprechend errechnet
sich die auf die Stirnfläche 8 wirkende, senkrecht nach oben gerichtete Kraft P2
folgendermaßen: P2 = ALR2 . h . t (1) wobei th die geodätische Höhendifferenz, hier
also die Entfernung der Stirnfläche 8 zum oberen Leitungsende, und γ das spezifische
Gewicht des Fluids ist. Wird in der Schachtleitung Wasser befördert, so hat t also
den Wert 1.
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Etwas oberhalb des Flanschteils 6 besitzt das Schwertrohr 9 eine Einziehung
10. Diese Einziehung hat die Form eines kurzen konischen Rohrabschnitts. Die Projektion
dieser Einziehung 10 in Rohrachsenrichtung ist in der Figur dargestellt, und ihre
Fläche ist mit AAR1 bezeichnet. Aufgrund dieser Einziehung wirkt entgegen der Kraft
P2 auf das Rohr eine nach unten gerichtete Gegenkraft P1 ein, die sich wie folgt
berechnet: P1 = AAR1 th zur ..... (2) Die Einziehung ist nun so bemessen, daß die
Fläche A#R1 etwas größer ist als die Fläche A#R2, mithin die senkrecht nach unten
gerichtete Gegenkraft P1 etwas größer ist als die nach oben gerichtete Schubkraft
P2, die auf die Stirnfläche 8 einwirkt.
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Wenn man die etwa der Eintauchtiefe T entsprechende Höhendifferenz
zwischen der Stirnfläche 8 und der Ein-
ziehung 10 vernachlässigt,
was bei den üblichen Schachttiefen ohne weiteres möglich ist, so läßt sich folglich
auch die durch diese Höhendifferenz verursachte Druckdifferenz im Abschnitt des
Schachtrohres vernachlässigen.
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Weil die durch die Einziehung bewirkte, nach unten gerichtete Kraft
P1 größer ist als die nach oben gerichtete Schubkraft P2, wirkt auf die Rohrleitung
und die Rohraufhängung insgesamt eine Zugkraft, so daß das gesamte Leitungssystem
eine stabile, definierte Lage einnimmt.
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Das Rohrgewicht wird konzentrisch bezüglich der Stopfbuchse in diese
eingeleitet, und man kann auf spezielle Seitenführungen für die Rohrleitung und
auf Hubzylinder verzichten.
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Die bisher an Schachtleitungen mit Flanschverbindungen angewandte
Technik, die Rohrleitungsabschnitte alle 100 m auf Schachtträgern aufzuständern
und das Rohr mit Knicksicherungen zu versehen, kann insofern geändert werden, als
der Rohrleitungsabschnitt an den Schachtträger angehängt wird. Die Flanschverbindung
und die Rohrleitungswanddicke müssen dann für die auftretenden Zugkräfte und den
Rohrinnendruck berechnet werden. Der Abstand der Stopfbuchsen wird dann von deren
Bemessung bestimmt und kann vergrößert werden.
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