DE69532728T2

DE69532728T2 - Faserverstärkte Hochdruckrohrkupplung

Info

Publication number: DE69532728T2
Application number: DE69532728T
Authority: DE
Inventors: Ralph Hermosa Beach Friedrich; Ming Cerritos Kuo; Kevin Smythe
Original assignee: AMERON INTERNATIONAL Inc; Ameron International Inc Pasadena; Ameron Inc
Current assignee: AMERON INTERNATIONAL Inc; Ameron International Inc Pasadena; Ameron Inc
Priority date: 1994-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2015-10-25
Also published as: US5785092A; DE69525174D1; MX9703006A; EP0792429B1; EP0972980A3; WO1996012911A1; EP0792429A1; CN1171149A; EP0978677A3; EP0978677B1; US5520422A; EP0978677A2; EP0792429A4; EP0972980A2; CN1053036C; MY114006A; DE69532728D1; DE69525174T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen benachbarten Teilen eines faserverstärkten Verbundrohres, das zum Einsatz mit einem herkömmlichen Glasfaserrohr, einem hochstabilen Kohlenstofffaserverbundrohr oder einem hochstabilen faserverstärkten Rohr mit eingebetteten Stahlbändern geeignet ist.
Ein faserverstärktes Verbundrohr findet seinen geeigneten Einsatz dort, wo korrodierende Materialien in einer Rohrleitung geführt werden oder wo die Rohrleitung vergraben oder auf dem Meeresboden liegt oder auf andere Art und Weise einer korrodierenden äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Es wurden Techniken entwickelt, um ein faserverstärktes Rohr zum Führen von hohen inneren Drücken herzustellen. Beispielsweise kann ein derzeit verfügbares typisches Hochdruckrohr einen Nominaldurchmesser von 10 cm und einen inneren Berstdruck von etwa 600 bar haben. Die neuesten faserverstärkten Hochdruckrohre mit einem Nominaldurchmesser von 20 cm werden mit einem Berstdruck von etwa 1200 bar angegeben.
Ein derartiges faserverstärktes Verbundrohr kann bei einer Verstärkung mit Glasfasern eine Wandstärke im Bereich von 5 cm aufweisen, was es eindeutig kostspielig und schwer macht. Zur Zeit gibt es eine Entwicklung in Richtung einer anderen Ausgestaltung eines Hochdruckrohres, das spiralförmig gewundene Stahlbänder aufweist, die in einem faserverstärkten Harz eingebettet sind. Ein derartiges Ausführungsbeispiel hat eine derart hohe Stabilität, dass die Wandstärke für ein Rohr mit einem Nominaldurchmesser von 25 cm lediglich 7 mm ist. Ein derartiges Rohr ist beispielsweise in dem US-Patent 4,351,364 beschrieben und dargestellt.
Eine wesentliche Problemstellung bei einem derartigen hochstabilen Rohr entweder mit gewundenen Fasern oder mit Stahlverstärkung liegen in der Verbindung oder dem Anschluss zwischen benachbarten Rohren. Die Rohrverbindung benötigt eine umfängliche Berststabilität, die wenigstens so groß, vorzugsweise jedoch größer ist als der grundsätzliche Wert des Rohres. Genauer gesagt muss die Verbindung eine ausreichende Verschiebestabilität in Längsrichtung aufweisen, um die Rohre daran zu hindern, sich unter dem Einfluss des inneren Druckes oder anderen axialen Belastungen voneinander zu entfernen. Vorzugsweise sind die Verbindungen so ausgelegt, dass sie eine so ausreichende Längsverschiebestabilität haben, dass sie vor der Zerstörung des Rohres selbst nicht versagen.
Die Auslegung einer geeigneten Verbindung für ein faserverstärktes Verbundrohr weicht erheblich gegenüber dem Werkstoff Metall ab, da das faserverstärkte Verbundrohr im Gegensatz zu Stahl beispielsweise eine sehr geringe Verformbarkeit aufweist. Dies führt zu erheblichen Beschränkungen bei dem, was bei Rohrverbindungen möglich ist. Bei einer herkömmlichen, durch Verfüllen der Verbindung mit einem Klebemittel gesicherten Muffenverbindung führt die große Steifigkeit des Klebemittels zu einer hohen Verschiebebeanspruchung auf das Klebemittel in der Verbindung. Die Verteilung der Beanspruchung über die Verbindung ist nicht gleichmäßig. Die Verschiebebeanspruchung ist an den Enden des Klebemittels verhältnismäßig hoch, und zwar bis zu dreimal höher als die mittlere Beanspruchung, und nimmt von den Enden in Richtung der Mitte sehr schnell ab. Bei einer langen Klebeverbindung kann die Verschiebebeanspruchung in der Mitte der Verbindung nahezu Null sein.
Die hohe Beanspruchung an den Enden des Klebemittels bei einer derartigen überlappenden Verschiebeverbindung kann zu einem Versagen des Klebemittels bezüglich Verschieben benachbart eines Endes der Verbindung führen. Dies führt einfach zu einem Weiterleiten der Verschiebebeanspruchung entlang der Verbindung, und es gibt ein progressives Versagen bei mittleren Beanspruchungen, die ansonsten innerhalb des Belastbarkeitsbereiches des Klebemittels liegen würden.
Andere Verbindungen für ein faserverstärktes Rohr sind aufgrund der Steifigkeit des faserverstärkten Verbundwerkstoffes ebenso schwierig zu handhaben. Es ist erwünscht, eine Rohrverbindung zu schaffen, die die Beanspruchung über die Länge der Verbindung verteilt, um ein derartiges progressives Versagen der Verbindung zu vermeiden. Die Rohrverbindung sollte einen großen Sicherheitsbereich aufweisen, das heißt eine Zerstörungsbelastbarkeit, die größer als die abgeschätzte Belastbarkeit der Verbindung ist. Die Verbindung sollte unter Feldbedingungen einfach und wirtschaftlich zusammenzubauen sein.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Rohr und eine verbesserte Rohrverbindung zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundrohr mit einem faserverstärkten Verbundrohr geschaffen, das eine Anzahl von spiralförmig gewundenen Stahlbändern aufweist und an wenigstens einem Ende des Rohres eine äußere Verbindungshälfte aufweist, die sich mit ihrem äußeren Durchmesser im Bereich des Endes des Rohres auf einen kleineren Durchmesser verjüngt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes der Stahlbandenden von dem Ende des Rohres beabstandet vollständig in einem faserverstärkten Harz eingebettet ist und dass jedes der Stahlbänder in einem unterschiedlichen Abstand von dem Ende des Rohres und innerhalb der sich verjüngenden äußeren Verbindungshälfte endet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine Rohrverbindung an einem Ende des faserverstärkten Verbundrohres einen äußeren Konus und bei einer Kupplung oder dergleichen einen daran angepassten inneren Konus auf. Beispielsweise haben die Konen einen eingeschlossenen Halbwinkel im Bereich von einem bis fünf Grad. In Längsrichtung jeder der inneren und äußeren Konen erstreckt sich spiralförmig eine Halbnut. Entlang beider Nuten erstreckt sich zum Verkoppeln der inneren und äußeren Konen spiralförmig ein verformbares Einpassstückteil.
Vorzugsweise ist die Verbindung durch Ausbilden mit einem Paar von aufeinander zu weisenden Flächen benachbart eines Endes des Einpassstückteiles mit einem elastischen Abdichtmaterial abgedichtet, das zwischen beiden aufeinander zu weisenden Flächen angeordnet und an diesen anhaftet. Ein benachbart jedes längsseitigen Endes angeordneter elastomerer Abdichtring hält das Abdichtmittel vor dem Verfestigen zurück, wenn es als Flüssigkeit eingeführt wird.
Vorzugsweise ist die Umfangssteifigkeit der dem inneren Konus benachbarten äußeren Kupplung größer als die Umfangssteifigkeit des dem äußeren Konus benachbarten Rohres, so dass eine wesentliche Reibung der Längsverschiebestabilität der Verbindung durch die Reibung zwischen den Konen erhalten wird. Die größere Umfangssteifigkeit kann durch Ausbilden des äußeren Abschnittes der Rohrverbindung mit einer Faserverstärkung erzielt werden, die ein größeres Elastizitätsmodul als das Elastizitätsmodul des für das innere Rohr verwendeten Materiales aufweist.
Eine derartige Rohrverbindung ist insbesondere bei einem faserverstärkten Verbundrohr nützlich, bei dem spiralförmig gewundene Stahlbänder in dem Harz eingebettet sind. Bei einer derartigen Verbindung enden die Stahlbänder innerhalb der Rohrverbindung und in verschiedenen Abständen von dem Ende der Rohrverbindung.
Die vorliegende Erfindung beispielhaft ausführende Rohre und Rohrverbindungen werden nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, bei denen
1 eine beispielhafte faserverstärkte Verbundrohrverbindung mit der äußeren Kupplung in einem Längsschnitt ist,
2 eine Seitenansicht des inneren Teiles einer Verbindung teilweise im Längsschnitt bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines faserverstärkten Verbundrohres mit eingebetteten Stahlbändern ist,
3 ein abschnittsweiser Längsschnitt des Rohres gemäß 2 in einem von der Rohrverbindung entfernten Bereich ist,
4 eine Seitenansicht eines Endbereiches des Rohres gemäß 2 in einem Zwischenzustand bei der Herstellung ist,
5 ein Querschnitt eines Ausführungsbeispieles eines Einpassstückteiles für eine Rohrverbindung ist und
6 ein Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispieles eines Einpassstückteiles ist.
Eine typische Rohrverbindung verfügt über ein inneres Teil in Gestalt eines faserverstärkten Verbundrohres 10, wie es üblicherweise aus einem mit spiralförmig gewundenen Glasfasern verstärkten Epoxidharz hergestellt ist. Dies sind herkömmliche Rohre, wenn auch mit einer dicken Wand zum Widerstehen von hohen inneren Drücken. Ein Hochdruckrohr mit einem nominalen Innendurchmesser von etwa 20 cm kann eine Wandstärke von etwa 5 cm aufweisen. Das Rohr weist benachbart seines Endes einen äußeren Konus 11 auf. Eine halb umlaufende Nut 12 erstreckt sich spiralförmig in Längsrichtung des äußeren Konus. (Es ist ersichtlich, dass die „spiralförmige" Nut in der sich verjüngenden Fläche nicht eine zylindrische Helix ist, sondern statt dessen den gleichen Konus wie die sich verjüngende Fläche 11 aufweist und über die gesamte Länge der Nut über eine gleichförmige Tiefe verfügt.)
Der äußere Konus des Rohres passt in eine Kupplung 13 mit einem inneren Konus 14, der an den äußeren Konus des Rohres angepasst ist. Der innere Konus weist auch eine halb umlaufende Nut 16 mit der gleichen Steigung wie bei der Nut des Rohres auf. Bei dieser Beschreibung wird das äußere Teil der Rohrverbindungsanordnung als eine „Kupplung" bezeichnet, da dies ein übliches Ausführungsbeispiel für eine Rohrverbindung ist. Alternativ kann man ein Rohr mit einem äußeren Konus an einem Ende und einem inneren Konus an dem anderen Ende ausbilden, und zu Zwecken dieser Beschreibung würde das Ende mit einem inneren Konus als eine „Kupplung" bezeichnet werden. Die „Kupplung" kann bei einer beliebigen einer großen Vielzahl von Rohranschlüssen wie Ventilen, Flanschübergangsstücken, Verbindungsstücken und dergleichen sein. Bei einem Typ von Rohr, bei dem die vorliegende Erfindung zweckmäßig ist, gibt es an beiden Enden jedes Längenabschnittes des Rohres äußere Konen, und benachbarte Rohrstücke werden durch eine kurze Kupplung mit zwei inneren Konen angeschlossen.
Die inneren und äußeren Konen werden durch ein verformbares rundes Einpassstückteil 17 miteinander verbunden, wobei jeweils eine Hälfte desselben in jeweils einer der halb umlaufenden Nuten an den inneren und äußeren Konen liegt. Ein geeignetes Material für ein Einpassstück umfasst Nylon oder ein ähnliches verformbares, verhältnismäßig widerstandsfähiges thermoplastisches Material. Ein bevorzugtes Einpassstück für viele Einsatzzwecke ist aus hochreinem Aluminium gebildet, was eine verhältnismäßig hohe Widerstandsfähigkeit aufweist, relativ verformbar und korrosionsbeständig ist. Aluminium hat etwa die doppelte Verschiebefestigkeit von Nylon. Aluminium ist bei Anwendungen zweckmäßig, bei denen das Rohr in Wasser eingetaucht wird. Nylon neigt bei Kontakt mit Wasser zum Aufquellen.
Ein anderes geeignetes Einpassstück kann, wie in 5 dargestellt, durch Einbetten eines flexiblen Stahlkernes 18 in eine Lage einer verformbaren Kunststoffschicht 19 wie Nylon ausgebildet sein. Der Stahlkern kann ein einzelner Draht sein oder ist für eine größere Flexibilität vorzugsweise aus einem Bündel von Drähten gedrillt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel stellt der äußere Kunststoff die für das Einpassstück bedeutsame Verformbarkeit bereit und der Stahl schafft die Verschiebebelastbarkeit. Es ist davon auszugehen, dass es wichtig ist, den Metallkern ohne Blasen oder Hohlräume innig in der Kunststoffschicht einzubetten.
Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Einpassstückes kann, wie in 6 dargestellt, ein Hohlrohr aus einem gegenüber hochreinem Aluminium stärkeren Metall wie beispielsweise nichtrostender Stahl sein. Die Verschiebebelastbarkeit wird durch das Metall bereitgestellt, und die Verformbarkeit wird durch Einbuchten der Rohrwand 21 geschaffen. Die gewünschte Verformbarkeit und Verschiebebelastbarkeit eines derartigen Einpassstückes wird durch Auswahl des Materiales und die Wandstärke des Rohres erhalten.
Es wird bevorzugt, dass die Verschiebebelastbarkeit des Einpassstückes bis zu der Hälfte der Verschiebebelastbarkeit der faserverstärkten Rohrverbindungshälfte ist, so dass eine Verformung mit Sicherheit an dem Einpassstück auftritt und Belastun gen vermieden werden, die das faserverstärkte Verbundmaterial zerstören würden.
Es wird ein rundes Einpassstück bevorzugt, so dass die Nuten in der Rohrverbindung umlaufend sind. Dies minimiert Beanspruchungskonzentrationen in dem im wesentlichen nicht verformbaren faserverstärkten Verbundmaterial. Weiterhin kann ein rundliches Einpassstück glatt in einer sich in Längsrichtung der sich verjüngenden Fläche erstreckenden spiralförmigen Nut eingelegt werden. Ein Einpassstück mit einem nicht runden Querschnitt verdreht sich beim Einlegen in eine sich verjüngende Helix und muss verformt werden, um glatt in einer Nut zum Liegen zu kommen.
Um eine Vorstellung der Abmessungen zu geben, werden einige Dimensionen einer derartigen Rohrverbindung angegeben. Bei einem Rohr mit einem nominalen Innendurchmesser von etwa 20 cm beträgt die gesamte Länge der Rohrverbindung etwa 48 cm. Die Steigung der Nuten in den sich verjüngenden Flächen ist etwa 2,6 cm. Die Nut ist ausreichend lang ausgebildet, um 13 volle Windungen eines Einpassstückes um den Konus aufzunehmen. Das Einpassstück hat einen Durchmesser von etwa 7,5 mm.
Eine wichtige Dimension der Rohrverbindung ist der Winkel des Konus in der Verbindung. Der von den Konus eingeschlossene Halbwinkel liegt im Bereich von einem bis fünf Grad von der Achse des Konus. Wie nachfolgend erläutert schafft die Reibung in der Verbindung einen erheblichen Anteil an der gesamten Verschiebebelastbarkeit der Verbindung. Wenn der eingeschlossene Halbwinkel mehr als fünf Grad ist, wird die Verbindung zu kurz, um ausreichend Windungen auf dem Einpassstück unterzubringen und einen ausreichenden Reibungsbeitrag zu liefern. Wenn der eingeschlossene Halbwinkel weniger als ein Grad ist, wird eine Verbindung übermäßig lang, und es ist schwierig, angemessene diametrale Toleranzen bei den inneren und äußeren Konen einzuhalten. Eine verhältnismäßig kleine diametrale Toleranz ist erforderlich, um in einer zusammengefügten Verbindung axiale Längenabweichungen zu minimieren.
Der innere Konus und die innere Nut werden beim Drehen einer Kupplung auf einer Spindel ausgebildet, und es liegt ein gutes Einhalten der Abmessungen vor. Der äußere Konus und die äußere Nut werden maschinell bearbeitet, und eine diametrale Toleranz zwischen den beiden Teilen im Bereich von ± 250 μm kann gut eingehalten werden. Der Konus ist bei Abweichungen im Durchmesser weniger kritisch als eine zylindrische Fläche. Eine innige Passung zwischen füreinander vorgesehene Konen kann durch axiales Versetzen erhalten werden, während eine zylinderförmige Verbindung mit sehr engen Toleranzen hergestellt sein muss, um eine innige Passung zu erzielen.
Es ist bevorzugt, dass der eingeschlossene Halbwinkel des Konus im Bereich von zwei bis vier Grad liegt. Ein Konuswinkel von vier Grad hat sich für ein glasfaserverstärktes Verbundrohr mit einem Nyloneinpassstück als recht geeignet herausgestellt. Eine typische Länge einer Verbindung liegt bei etwa dem Einfachen bis 1½-fachen des Durchmessers des Rohres. Ein hochbelastbares faserverstärktes Rohr kann eine ausreichende Wandstärke aufweisen, dass ein Konuswinkel von bis zu vier oder fünf Grad erforderlich ist, um sich über einen geeigneten Abstand durch die Dicke der Rohrwand zu erstrecken.
Auch wenn ein Halbwinkel von vier Grad für ein rein faserverstärktes Rohr geeignet ist, kann eine faserverstärktes Rohr mit eingebetteten Stahlbändern (wie nachfolgend genauer beschrieben) vorteilhafterweise einen kleineren Konuswinkel von bis zu zwei Grad verwenden. Ein derartiges stahlverstärktes Rohr kann eine dünnere Rohrwand als ein allein mit Glasfasern hergestelltes Rohr verwenden, und ein kleinerer Konuswinkel kann aus reichend sein. Es sei angemerkt, dass ein größerer Konuswinkel häufig bevorzugt wird, um es einfacher zu gestalten, das zum Ausbilden der Windungspassungen verwendete innenseitig ansetzende Werkzeug wie beispielsweise Winkelstücke mit einem inneren Konus an jedem Ende zu entfernen. Weiterhin sind die zum Herstellen der Rohrverbindung erforderlichen diametralen Toleranzen für größere Konuswinkel weniger kritisch.
Die Rohrverbindung wird durch ein zu Beginn erfolgendes Wickeln des verformbaren Einpassstückes in die die halb umlaufende Nut des inneren Konus erstellt. Ein gerades Nyloneinpassstück bewegt sich innerhalb des Konus nach außen, wenn er an Ort und Stelle angeordnet wird, und er fügt sich passgenau in die Nut ein. Ein Aluminiumteil kann auf eine konisch zulaufende Spindel gewickelt werden, um einen etwas größeren Durchmesser als der innere Konus zu haben. Wenn das Einpassstück in den Konus eingefügt wird, passt das Einpassstück in die Nut.
Dann wird ein äußerer Konus in den inneren Konus eingefügt, und das eine oder das andere Teil wird gedreht, um die Verbindung im wesentlichen zusammenzufügen. Das Rohr und die Kopplung werden soweit zusammengedreht, bis die Konen innig miteinander in Eingriff sind.
Das Einpassstück in der konusartig ausgebildeten Verbindung schafft keine fluiddichte Abdichtung. Eine Abdichtung wird durch ein adhäsives elastisches Abdichtmaterial (zu dünn, um in 1 dargestellt zu sein) zwischen einer äußeren Abdichtfläche 22 an dem Rohr und einer gegenüberliegenden inneren Abdichtfläche 23 in der Kupplung geschaffen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Abdichtflächen den gleichen Konus bei einem Halbwinkel von vier Grad auf, wie er an den die me chanische Rohrverbindung ausbildenden konisch ausgebildeten Flächen vorhanden ist.
Ein Paar von umfänglich verlaufenden, die Abdichtfläche nahe des Endes des Rohres überspannenden O-Ringnuten 24 passen mit elastomeren O-Ringen 26 zusammen, die gegen die gegenüberliegende Abdichtfläche innerhalb der Kupplung abdichten. Nachdem die Verbindung zusammengebaut ist, kann ein flüssiges Abdichtmaterial über einen Durchlass eines Paares von Durchlässen 27 durch die Wand in die Kupplung eingespritzt werden. Der zweite Durchlass dient als ein Luftauslass und zeigt an, wann das Abdichtmaterial den Raum zwischen den Abdichtflächen ausgefüllt hat. Die elastomeren O-Ringe halten das Abdichtmaterial innerhalb dieses Raumes zurück, während es vor dem Verfestigen noch flüssig ist. Die O-Ringe dienen auch als ein Puffer an jedem Ende des Abdichtmateriales innerhalb des ringförmigen Abdichtraumes, um Verschiebebelastungen zu minimieren und das Abdichtmaterial vom Lösen von den Abdichtflächen zu bewahren.
Ein bevorzugtes Abdichtmaterial umfasst ein zweikomponentiges aushärtendes Polysulfidharz. Dies ist ein relativ preisgünstiges, temperatur- und lösungsmittelfestes Harz, das gut auch an feuchten Oberflächen haftet. Durch Auswahl von Aktivatoren oder dergleichen kann die Verarbeitungszeit des Harzes eingestellt werden, um eine ausreichende Zeit zur Untersuchung und zur Nachbesserung der Abdichtung zu haben, bevor sie sich verfestigt. Ein anderes geeignetes Abdichtmaterial ist ein mit Fluorid versetztes Silikonharz. Elastomere Polyurethanharze können auch verwendet werden.
Eine typische Dicke des Abdichtmateriales zwischen den aufeinander zu weisenden Flächen liegt bei etwa 0,75 mm. Die Länge der Abdichtflächen zwischen den O-Ringen liegt bei diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 3,9 cm, auch wenn der Konus bei den beiden Hälften der Verbindung merklich länger ist, um sicherzustellen, dass die Durchlässe 27 zwischen den O-Ringen liegen, wenn die Verbindung zusammengebaut wird.
Es wird bevorzugt, dass die Abdichtflächen bei dem (innenseitigen) Ende der Rohrverbindung mit den kleineren Durchmesser und hinter dem Ende des Einpassstückes liegen. Dies ordnet die O-Ringnuten in einem des Rohres an, wo es in Längsrichtung sehr geringe Beanspruchungen gibt.
Ein in 2 bis 4 dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel einer Rohrverbindung wird beschrieben, bevor die Funktionsweise der Rohrverbindung erläutert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel verfügt das faserverstärkte Verbundrohr ebenfalls über eine Vielzahl von spiralförmig gewundenen Stahlbändern, die in der gewundenen Faserverstärkung eingebettet sind. Das Ende eines derartigen Rohres mit einer Rohrverbindung ist in 2 mit einem Abschnitt im Längsschnitt dargestellt. 3 ist ein ausschnittsweiser, zum Darstellen von Details erheblich vergrößerter Längsschnitt der Wand des Rohres. 4 stellt das Ende des Rohres in einem Zwischenzustand bei seiner Herstellung dar. Die Zeichnung ist so, als ob einige der äußeren Schichten des Rohres entfernt worden wären.
Diese Hälfte der Rohrverbindung passt mit einer (nicht dargestellten) Verbindung zusammen, die über einen inneren Konus verfügt, der im wesentlichen ähnlich der in 1 dargestellten Rohrkupplung ist, außer dass die Abmessungen und die Geometrie an die Dimensionen der in 2 dargestellten Rohrverbindungshälfte angepasst sind.
Der Hauptteil der Länge des Rohres, das heißt weg von der Rohrverbindung, verfügt über vier Stahlbänder 31. Die Stahlbänder sind zu dünn, als dass sie im Schnitt in 2 dargestellt werden könnten, aber sie sind in dem ausschnittsweisen Quer schnitt in 3 gezeigt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel des Rohres mit einem nominalen Durchmesser von 25 cm gibt es vier Stahlbänder, die spiralförmig innerhalb des faserverstärkten Verbundmateriales gewunden sind. Jedes Band ist zwischen 10 und 15 cm breit und weist eine Dicke von etwa 0,5 mm auf. Die Bänder sind mit den Rändern in unmittelbarer Nachbarschaft, typischerweise 2 mm oder weniger, spiralförmig gewunden. Aufeinanderfolgende Bänder sind versetzt angeordnet, so dass die zwischen den Rändern der Bänder ausgebildeten Lücken 30 nicht ausgerichtet sind. Zwischen jedem benachbarten Paar von Stahlbändern ist eine dünne Lage 32 eines Epoxidharzes (etwa 50 μm) angeordnet. Innenseitig des am meisten innen gelegenen Stahlbandes ist eine Lage 33 eines glasfaserverstärkten Epoxids mit einer Dicke von etwa 2,5 mm vorgesehen. An der äußeren Wand des Rohres außenseitig der Stahlbänder ist eine weitere Lage 34 eines glasfaserverstärkten Epoxids mit einer Dicke von etwa 1,5 mm vorhanden. Somit sind die Stahlbänder vollständig in dem faserverstärkten Verbundmaterial eingebettet.
4 zeigt ein Ende eines Rohres mit abgenommenen äußeren Schichten, die im wesentlichen die am meisten innen liegende Lage 33 des faserverstärkten Verbundmateriales und die am meisten innen liegende Lage des spiralförmig gewundenen Stahlbandes 31 zeigt. Das Ende des Stahlbandes ist unter dem Helixwinkel der Bandwindung abgetrennt, so dass die Schnittkante parallel zu dem Ende 36 des Rohres ist. Der ansonsten scharfe Bereich an dem Ende des Bandes ist ähnlich abgetrennt. Nahe der Mittellinie im Bereich des Endes des Bandes ist ein Loch 37 vorhanden, um einen (nicht dargestellten) Werkzeugstift aufzunehmen, um das Ende des Bandes während des Wickelns zu halten. Nachdem die Lage von Stahlbändern gewickelt worden ist, wird eine umfängliche Windung eines Glasfaserstranges 38 über den Endbereich des Bandes gewickelt, um es an Ort und Stelle zu halten, während nachfolgende Stahlbän der und die äußere Schicht von faserverstärktem Harz hinzugefügt wird.
Das nächste darüberliegende Stahlband wird mit dem gleichen Helixwinkel und der gleichen Wickelrichtung gelegt. Das Ende des darüberliegenden Stahlbandes jedoch wird in einem größeren Abstand von dem Ende des Rohres als die am meisten innen liegende Lage abgetrennt. Jede nachfolgende Lage wird entsprechend in allmählich größer werdenden Abständen von dem Ende des Rohres abgetrennt. Dies ist in 2 durch eine verbreitete schwarze Linie dargestellt, die mit zunehmend größer werdenden Abständen von dem Ende des Rohres in der Stärke zunimmt. Der Maßstab der Zeichnungen ist zu klein, als dass die Bänder einzeln und im Schnitt dargestellt werden könnten. Durch versetztes Anordnen der Enden aufeinanderfolgender Stahlbänder wird eine Belastung auf die Verbindung an dem Ende des Rohres über einen merklichen Strecke anstatt an einer einzelnen Stelle verteilt, wo Beanspruchungskonzentrationen das Rohr beschädigen könnten, wenn es mit Druck oder auf andere Art und Weise belastet wird.
Es sei weiterhin festgestellt, dass alle Stahlbänder in einem Abstand von dem Ende des Rohres enden, so dass die Stahlbänder vollständig in dem faserverstärkten Harz eingebettet sind. Das umgebende Epoxid schirmt den Stahl von korrosiven Medien ab, die innerhalb oder außerhalb des Rohres vorhanden sein können.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel, bei dem die Stahlbänder etwa 10 cm breit sind, liegt das Ende des am meisten innenliegenden Bandes etwa 2,5 cm von dem Ende des Rohres entfernt. Jedes nachfolgende Stahlband endet etwa 5 cm oder der Hälfte der Breite des Bandes entfernt von dem Ende des Rohres.
Nachdem die inneren und äußeren Lagen von faserverstärktem Harz und den eingebetteten Stahlbändern gewickelt worden sind, wird die Hälfte der Rohrverbindung an dem Ende des Rohres über diese Lagen zugefügt. Weitere Lagen von mit Epoxid getränkten Glasfasersträngen werden über die Außenseite des Rohres gewickelt, um eine ausreichende Dicke auszubilden, um letztlich die endgültige Geometrie der Rohrverbindung herzustellen. Typischerweise werden die Fasern mit einem Helixwinkel von etwa 70° bis 80° mit einigen äußeren, im wesentlichen umfänglichen Umschlägen gewickelt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel mit einem Rohr mit einem nominalen Durchmesser von 25 cm ist der Durchmesser des dicksten Bereiches der aufgebauten Windungen, aus denen die Verbindung aufgebaut ist, bis zu 34 cm. Das Ende 41 des hinzugefügten faserverstärkten Verbundmateriales läuft nach und nach zu dem kleineren Durchmesser im Bereich der hauptsächlichen Längserstreckung des Rohres entweder bei dem Vorgang des Wickelns oder durch Nachbearbeiten nach Abschluss des Wickelns aus. Ein Auslaufen des Endes minimiert die Beanspruchungskonzentrationen im Bereich der Verbindung.
Die Rohrverbindung hat eine äußere konische Oberfläche 42 mit einer halb umlaufenden Nut 43, die sich spiralförmig über ihre Länge erstreckt. Der Konus hat einen eingeschlossenen Halbwinkel von vier Grad. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel mit einem Rohr mit einem nominalen Durchmesser von 25 Zentimeter beträgt die Länge des Konus, der bei einer Verbindung mit einem inneren Konus in Eingriff kommen würde, wenigstens 25 Zentimeter und vorzugsweise 26 bis 27 Zentimeter. Die Steigung der Nut ist etwa 3 Zentimeter, was zu einer ausreichenden Länge der Nut führt, um sechs volle Windungen eines verformbaren Einpassstückes aufzunehmen. Ein typisches Einpassstückdurchmesser ist etwa 9,5 Millimeter.
Wie vorangehend bei dem Ausführungsbeispiel eines faserverstärkten Verbundrohres ohne die eingebetteten Stahlbänder erläutert gibt es nahe des Endes des Rohres hinter dem Ende der Einpassstücknut eine Abdichtfläche 46. Die Abdichtfläche liegt zwischen den O-Ringnuten 47 zum Zurückhalten des Abdichtmateriales, wenn es in den den Abdichtflächen benachbarten Raum gepumpt wird.
Es gibt eine Reihe von Merkmalen der Rohrverbindung, die zum Überführen einer großen Belastung in Längsrichtung in die Verbindung von Bedeutung sind. Dies umfasst die Verwendung eines verformbaren Einpassstückes zum Umverteilen der Belastung in Längsrichtung der Verbindung in das spröde faserverstärkte Verbundmaterial, Anordnen des Einpassstückes entlang einer konischen Fläche, so dass es einzelne Verschiebelagen gibt, anstatt die gesamte Verschiebebelastung in eine einzelne Lage in dem spröden Material zu leiten, ein rundes Einpassstück und Einpassstückverlegenut, um die Beanspruchungskonzentrationen in dem spröden Material zu minimieren, Reibungsaktivierung der Rohrverbindung, was die durch das Einpassstück bereitgestellte Belastbarkeit erheblich verstärkt und Mittel zum Abdichten der Verbindung unabhängig von den mechanischen belastungsaufnehmenden Strukturen sind.
Ein glasfaserverstärktes Epoxidrohr weist eine sehr geringe Verformbarkeit auf. Wenn eine Muffenverbindung zwischen Teilen eines mit einem Klebstoff zusammengehaltenen Glasfaserrohres hergestellt wird, wird eine Verschiebebelastung ungleichmäßig von dem steifen Klebstoff auf das verformbare Klebemittel übertragen. Es wurde gezeigt, dass es eine sehr hohe Verschiebebelastung an dem Ende des Klebemittels gibt, die mit dem Abstand deutlich abnimmt. Die hohe Verschiebebelastung kann zunehmendes Versagen des Klebemittels und Versagen der Verbindung verursachen. Die konischen Verbindung mit einem verformbaren Einpassstück vermeidet dies durch Umverteilung der Belastung in der Länge der Rohrverbindung.
Der Anteil der Verschiebebelastung an dem Ende der Verbindung hängt von der Länge der Verbindung ab. Eine lange Verbindung weist eine Endbelastung auf, die erheblich größer als die mittlere Belastung in Längsrichtung der Verbindung ist. Eine kurze Verbindung hat eine gleichmäßigere Verschiebebelastung. Es ist vorstellbar, dass das verformbare spiralförmige Einpassstück die lange Verbindung in eine Anzahl von kurzen Verbindungen unterteilt, von denen jede an dem Ende eine kleinere Belastungskonzentration aufweist. Weiterhin setzt sich ein plastisches Verschiebebelastungsversagen eines Teiles des Einpassstückes nicht auf nachfolgende Windungen des Einpassstückes fort.
Wenn auf die Rohrverbindung in Längsrichtung eine zunehmende Belastung ausgeübt wird, beeinflusst dies die erste Windung des Einpassstückes mit einem gegenüber den nachfolgenden Windungen des Einpassstückes deutlich größeren Anteil. Wenn die Belastung die Verschiebebelastbarkeit des Einpassstückes in der ersten Windung übersteigt, verformt er sich bei Verschiebung, und eine zusätzliche Belastung beaufschlagt die nächste Windungen des Einpassstückes. Es gibt eine zunehmende Verformung des verformbaren Einpassstückes in Längsrichtung der Verbindung, wobei hierdurch die Belastung in Längsrichtung der Verbindung umverteilt wird. In der Tat erhält man den Vorteil einer verformbaren Verbindung für ein nicht verformbares Rohr.
Bei einem Test wurde eine Rohrverbindung unter Druck gesetzt, bis der Beginn eines Versagens festgestellt wurde. Die ersten Windungen des Einpassstückes zeigen bezüglich Verschiebung eine plastische Verformung mit einer nach und nach abnehmenden Verformung in Längsrichtung des Einpassstückes. Eine derartige Verformung verteilt die Beanspruchung um, um eine vertretbare gleichmäßige Belastung über die gesamte oder den größten Teil der Länge des Einpassstückes zu erzielen. Somit verteilt das verformbare Einpassstück in dem nicht verformbaren faserverstärkten Verbundmaterial die Belastung in Längsrichtung über die gesamte Länge der Verbindung um. Eine hohe Belastung an der ersten Windung des Einpassstückes wird vermieden, da der Verschiebebereich der aufeinanderfolgenden Windungen des Einpassstückes sich zum Aufnehmen der Belastung aufaddiert. Bei einer überlappenden verformbaren Verbindung kann die Verschiebebelastung an dem Ende einer Verbindung mehr als dreimal höher als die mittlere Verschiebebelastung sein. Ein wie hier beschriebenes spiralförmiges Nyloneinpassstück hat an der ersten Windung eine Verschiebebelastung, die lediglich etwa 30% größer ist als die mittlere Verschiebebelastung des Einpassstückes. Das faserverstärkte Verbundmaterial ist erheblich steifer als das verformbare Einpassstück. Somit wird ein Teil der Belastung in Längsrichtung auf jede Windung oder wenigstens auf die meisten der Windungen des spiralförmigen Einpassstückes übertragen.
Die sehr hohen Beanspruchungen an dem belasteten Ende wurden bei mit einem Gewinde versehenen Verbindungen durch Einsatz eines sogenannten Gewindes mit variabler Steigung minimiert. Jede Windung des Gewindes hat eine gegenüber der vorangehenden Windung geringfügig andere Steigung, so dass, wenn eine vorbestimmte Belastung in Längsrichtung das mit einem Gewinde versehene Teil verformt, die Gewindegänge gleichmäßig in Eingriff kommen und die Beanspruchung über einen verhältnismäßig großen Teil des Gewindes verteilt wird, anstatt an dem Ende konzentriert zu sein. Eine derartige Anordnung wird beispielsweise bei den Verschlüssen von Geschützen verwendet.
Das verformbare „Gewinde" bei der glasfaserverstärkten Verbundrohrverbindung beeinflusst eine Belastungsumverteilung in gewisser Weise analog zu einem Gewinde mit variabler Steigung, jedoch ohne die mit dem genauen Herstellen eines Gewindes mit variabler Steigung verbundenen hohen Kosten. Die Steigung der Nuten in der Rohrverbindung ist über die Länge der Verbindung gleichmäßig, allerdings verformt sich das verformbare Einpassstück ungleichmäßig und verteilt dadurch die Belastung über einen relativ großen Bereich in Längsrichtung der Verbindung um. Daher nimmt im wesentlichen der gesamten Verschiebebereich des Einpassstückes (der Querschnittsbereich des Einpassstückes an der Schnittstelle der sich konisch verjüngenden Bereiche) Belastung auf. Die Druckbelastbarkeit der Verbindung kann daher durch Kenntnis der Stärke des Einpassstückmateriales und des verfügbaren Verschiebebereiches bestimmt werden.
Die Beanspruchung einer Rohrverbindung in Längsrichtung kann gemessen werden, wenn Druck beaufschlagt wird. Es hat sich herausgestellt, dass es mit zunehmendem Druck bis zu einer gewissen Grenze eine lineare Zunahme der Verbindungslänge gibt und dass oberhalb dieser Grenze eine nichtlineare Zunahme erfolgt. Wenn jedoch innerhalb des linearen Bereiches Druck abgebaut wird, nimmt die Ausdehnung der Verbindung in Längsrichtung lediglich teilweise auf ihre ursprüngliche Länge ab.
Es ist möglich, dass die erforderliche „Verformbarkeit" eine Kombination von Geschmeidigkeit oder eines niedrigen Elastizitätsmoduls relativ zu dem starren faserverstärkten Verbundmaterial ist, um eine merkliche elastische Verformung als auch eine üblicherweise mit dem Begriff „verformbar" verknüpfte plastische Verformung aufzunehmen. Somit umfasst der Begriff „verformbar" in der hiermit geübten Verwendung weiche, flexible Materialien wie Nylon, hochreines Aluminium oder deren Äquivalente.
Zusätzlich zu der Belastbarkeit des Einpassstückes wird die Belastbarkeit der Verbindung in Längsrichtung durch Reibung zwischen den Konen aufgrund der über die rohrverbindende Zwischenfläche übertragenen Belastung erhöht. Dies kann ein erheblicher Anteil der gesamten Belastbarkeit der Verbindung sein. Tatsächlich kann die Reibungsaktivierung der Verbindung zu der Belastbarkeit so viel wie oder mehr als das verformbare Einpassstück beitragen. Um die Reibungsaktivierung zu verbessern, wird die umfängliche oder Umfangssteifigkeit der äußeren Kupplung wenigstens so groß wie die Steifigkeit der Verbindungshälfte auf dem in die Kupplung eingefügten Rohr gemacht. Vorzugsweise ist die Umfangssteifigkeit der Kupplung wenigstens doppelt so groß wie die Umfangssteifigkeit des Rohres.
Die Umfangssteifigkeit der Kupplung kann durch Ausführen derselben aus einem Material wie Stahl groß gemacht werden, das einen erheblich größeren Elastizitätsmodul als glasverstärktes Epoxid aufweist. Das Modul von Stahl ist bei 20 × 10⁵ kg/cm², während das Modul von glasfaserverstärktem Epoxid bei 2,5 × 10⁵ kg/cm² liegt. Im allgemeinen wird es jedoch bevorzugt, Kupplungen mit Stahl zu vermeiden und eine Kupplung einzusetzen, die aus einem faserverstärkten Verbundmaterial ist.
Die Steifigkeit der Kupplung kann durch Vergrößern der Wandstärke erhöht werden. Die Steifigkeit ist eine Funktion der Wandstärke und des Umfangs- oder umfänglichen Elastizitätsmoduls des zum Herstellen der Kupplung verwendeten Materiales. Es wird jedoch bevorzugt, die Kupplungen durch den Einsatz eines Materiales mit einem größeren Elastizitätsmodul als der von üblicherweise bei einem faserverstärkten Verbundrohr eingesetzten glasverstärkten Epoxid klein zu halten.
Eine Kupplung mit hoher Steifigkeit kann durch Umwickeln der Kupplung mit Kohlenstoff- oder Grafitfasern erhalten werden. Ein derartiger Verbund von Kohlenstofftasern in Epoxid hat ein Modul im Bereich von 7 × 10⁵. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird eine Kupplung mit Glas- oder Kohlenstofffasern näher dem inneren Teil der Kupplung mit üblichen Helixwinkeln zum Erhalt eines gewünschten Verhältnisses der Belastbarkeit in Längs- und Umfangsrichtung umwickelt. Sobald in Längsrichtung eine ausreichende Belastbarkeit erhalten ist, können Kohlenstoff- oder Glasfasern in Epoxidharzes mit einem Helixwinkel von 70° bis 90° gewickelt werden, um eine zusätzliche Umfangssteifigkeit zu erzeugen.
Weiterhin kann die Umfangssteifigkeit der Kupplung durch Wickeln von hochgradig zugfestem Stahl anstatt von Kohlenstofffasern erhöht werden. Auch wenn das Modul von Stahl etwas unter dem Modul der am wenigsten kostspieligen Kohlenstofffasern liegt, kann die Gesamtsteifigkeit der Kupplung mit geringen Kosten durch Stahlwindungen erhöht werden. Derartige Windungen können Stahlbänder (entsprechend denen in der Rohrwand) als auch Stahl"fasern" umfassen. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist der Stahl vollständig innerhalb des faserverstärkten Harzes eingebettet und somit vor Korrosion geschützt.
Reibungsaktivierung der Rohrverbindung kann durch die Vorstellung, dass die Kupplung unendlich steif ist, verbildlicht werden. In diesem Fall wird der gesamte innere Druck in der Leitung durch die Kupplung aufgenommen, und der gesamte Druck wird über die konische Schnittstelle Rohr-Kupplung übertragen. Dies würde 100% der verfügbaren Reibung schaffen, um zu der Belastbarkeit des Einpassstückes hinzuzukommen, um eine Ausdehnung der Verbindung in Längsrichtung zu verhindern.
Auf der anderen Seite sei angenommen, dass die Steifigkeit der Kupplung exakt gleich der Steifigkeit des Rohres ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Hälfte der Druckbelastung durch die Kupplung und eine Hälfte durch das Rohr aufgenommen. Somit wird die Hälfte des inneren Druckes über die Schnittstelle Rohr-Kupplung geleitet. Die Ergänzung zu der Belastbarkeit der Rohrverbindung in Längsrichtung ist somit 50% der gesamten verfügbaren Reibung.
Wenn die Kupplungssteifigkeit das Zweifache der des Rohres ist, wird zwei Drittel der Belastung durch die Kupplung und ein Drittel durch das Rohr aufgenommen. Da zwei Drittel der Druckbelastung durch die Schnittstelle Rohr-Kupplung geleitet wird, ist das Hinzufügen von Reibung zu der Belastbarkeit des Einpassstückes 66% des insgesamt für eine unendlich steife Kupplung theoretisch Möglichen.
Zusätzlich zu dem Erhöhen der Steifigkeit der Kupplung kann der Anteil an durch Reibung aufgenommenen Belastungen in Längsrichtung durch Erhöhen der Länge der Kupplung erhöht werden. Normalerweise würde man nicht in Betracht ziehen, dass bei gegebener Belastung die Reibung durch Vergrößern der Fläche zunimmt. Dieses Prinzip ist jedoch bei einer zunehmenden Länge dieser Rohrkupplung nicht anwendbar, da die gesamte radiale Belastung nicht konstant ist. Bei der Rohrverbindung ist die an der Reibungsfläche anliegende Belastung direkt proportional der Fläche und dem Druck innerhalb der Rohrverbindung (als auch die Steifigkeit). Somit steigt bei einer länger werdenden Rohrverbindung der Reibungsanteil zu der Belastbarkeit exponenziell an.
Falls man beispielsweise die Länge der Verbindung und die Länge des Einpassstückes in der Verbindung verdoppelt, werden die Reibungsfläche (und -belastung) wie auch der Verschiebebereich des Einpassstückes verdoppelt. Dies bedeutet, dass es das Doppelte an Belastung in Längsrichtung braucht, um das Einpassstück zu verschieben, und die (auf die Einpassstückverschiebung zurückgehende) Druckabschätzung der Rohrverbindung kann auch verdoppelt werden. Das Verdoppeln der Druckabschätzung erhöht natürlich die radiale Belastung und den Beitrag zur Reibung. Somit erhöht ein Verdoppeln der Reibungsfläche und der Druckabschätzung die Reibungskomponente um ein Vierfaches.
Die Abdichtung zwischen dem Rohr und der Kupplung hat einen bestimmten Vorteil beim Zusammenbau beispielsweise einer Rohrleitung, da die Abdichtung untersucht werden kann, um sicherzustellen, dass eine gute Abdichtung vorliegt. Nachdem die Rohrverbindung mit den Konen im Eingriff zusammengebaut ist, wird der Raum zwischen den O-Ringen mit Gas unter Druck gesetzt, um festzustellen, ob die O-Ringe eine Abdichtung ausgebildet haben. Dies kann schnell überprüft werden. Dann wird ein aushärtendes Abdichtmaterial in einen der Durchlässe gepumpt, wobei der gegenüberliegende Durchlass als ein Ablassloch dient, um zu überprüfen, ob der abgedichtete Raum zwischen den O-Ringen gefüllt ist. In dem Abdichtmaterial ist ein strahlungsundurchlässiges Material wie eine Bariumverbindung enthalten. Die Abdichtung kann dann mit Röntgenstrahlung beaufschlagt werden, um irgendwelche Blasen oder Hohlräume in dem Abdichtmaterial festzustellen. Es kann ein Abdichtmaterial mit einer verhältnismäßig langen Verfestigungszeit eingesetzt werden, so dass die Untersuchung durchgeführt werden kann, bevor das Abdichtmaterial verfestigt ist, und eine fehlerhafte Abdichtung kann in einfacher Art und Weise nachbearbeitet werden, während das Abdichtmaterial noch flüssig ist.
Die Abdichtungsanordnung ist ebenso zum Verlegen von Unterwasserrohrleitungen oder zum Installieren von Rohren an anderen Stellen unter Wasser besonders gut geeignet. Eine Verbindung kann auf Deck eines Schiffes zusammengebaut, abgedich tet sowie überprüft und dann über Bord gebracht werden, bevor sich das Abdichtmaterial verfestigt hat. Die O-Ringe schützen das Abdichtmaterial vor Wasser, während sich das Abdichtmaterial verfestigt.
Eine beispielhafte Abdichtung hat zwischen den O-Ringen eine Länge von etwa 2,5 cm. Die Dicke des Abdichtmateriales zwischen den aufeinander zu weisenden Flächen ist etwa 0,75 mm. Die Größe des Raumes zwischen den O-Ringen soll so ausreichend sein, dass es möglich ist, das Abdichtmaterial ohne einen zu großen Unterstützungsdruck zu fördern. Sie sollte ebenfalls ausreichend sein, dass das verfestigte Abdichtmaterial der Belastung einer Verformung der Rohrverbindung widersteht, wenn die Verbindung unter Druck gesetzt ist. In der Tat verformt sich ein „Rechteck" eines Abdichtmateriales in ein Parallelogramm, und die Dicke muss ausreichend sein, um diese Belastung aufzunehmen, ohne die Verschiebebelastung des Abdichtmateriales oder des adhäsiven Klebstoffes zwischen dem Abdichtmateriales und dem Klebemittel zu überschreiten. Die Anwesenheit der elastomeren O-Ringe an jedem Ende des Abdichtmateriales minimiert die hohen Beanspruchungen an den Enden und verbessert die Eignung des Abdichtmateriales, Verschiebebelastung aufzunehmen. Die relative radiale Steifigkeit des Rohres und der Kupplung trägt auch zu der adhäsiven Abdichtstärke bei, da die Radialbeanspruchung hilft, in dem Klebstoff ein Versagen durch Ablösen aufgrund inneren Druckes zu verhindern.
Auf der anderen Seite darf das Abdichtmateriales auch nicht zu dick sein, oder es wird durch den inneren Druck des Fluides in der Leitung von der Abdichtung extrudiert. Es hat sich herausgestellt, dass ein maßgeblicher Anteil der Belastung auf das Abdichtmaterial auf den Druck auf die projizierte Fläche am Ende des Abdichtmateriales zurückzuführen ist. Somit sollte das Abdichtmaterial eine ausreichende Länge zwischen den O- Ringen haben, um dem inneren Druck in der Leitung zu widerstehen. Bei einem Abdichtmaterial mit einer Überlappverschiebebelastbarkeit von etwa 20 kg/cm² und einer radialen Dicke von etwa 0,75 Millimeter ist die Länge eines Klebstoffes von lediglich etwa 15 mm ausreichend, um einem inneren Druck von 630 bar (9.000 psi) standzuhalten. Eine geringe Abdichtlänge ist bevorzugt, so dass die Verbindung in einfacher Art und Weise auseinandergebaut werden kann.
Für den Feldzusammenbau von Rohrleitungen wird bevorzugt, eine kurze Kupplung an einem Ende jedes Langstückes eines Rohres an der Bearbeitungsseite zusammenzubauen. Dies gestattet es, die Abdichtung und das jeweils in langen Stücken (typischerweise etwa 12 Meter) bereitgestellte Rohr entsprechend einem Wert bei einem an einem Ende aufgeschraubten männlichen Teil und einem an dem anderen Ende aufgeschraubten weiblichen Teil zu überprüfen. Somit muss bei einem Feldzusammenbau zwischen benachbarten Langstücken eines Rohres lediglich eine Verbindung bereitgestellt werden.
Die neue Rohrverbindung macht ein glasfaserverstärktes Epoxidrohr für Ummantelungen bei Ölquellen geeignet. Es hat eine gute Belastbarkeit in Längsrichtung, um eine Ummantelung im Bereich einer Quelle anzuordnen. Die Verbindung kann schnell unter Verwendung von üblichen, bei Bohrtürmen oder dergleichen üblichen Werkzeugen bereitgestellt werden. Bei einem derartigen Einsatz kann ein Abdichten mit einem Abdichtmaterial zwischen den O-Ringen nicht erforderlich sein, und in den meisten Fällen sollte die Abdichtung allein durch die O-Ringe ausreichend sein.
Auch wenn eine begrenzte Anzahl von Ausführungsbeispielen einer gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung aufgebauten Rohrverbindung hiermit beschrieben und dargestellt sind, versteht es sich, dass von Fachleuten viele Modifikationen und Abwandlungen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann bei einer verhältnismäßig dünnen Rohrwand mit in das faserverstärkte Harz eingebetteten Stahlbändern ein zusätzliches Band von glasfaserverstärktem Harz jenseits des Endes des Konus mit dem größeren Durchmesser aufgewickelt sein. Dieser vergrößerte Bereich kann mit einem Werkzeug bearbeitet werden, um die Verbindung ohne Gefahr einer Beschädigung des dünnwandigen Bereiches des Rohres zusammenzubauen.
Es ist weiterhin ersichtlich, dass bei einer derartigen Rohrverbindung ein verformbares Einpassstück mit einer Anzahl von spiralförmigen Windungen eingesetzt werden kann, bei der die Rohrverbindung nicht den beschriebenen Konus aufweist. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann das verformbare Einpassstück eine ausreichende Eignung zum Verformen bei Verschiebung und Umverteilen der Belastung in Längsrichtung des Rohres aufweisen. Bei einer derartigen Verbindung ist jedoch ein Konus bevorzugt, so dass die Verschiebebelastung bei jeder Windung der Helix bei einem anderen radialen Abstand ist und die Verschiebelagen sich nicht aufreihen. Dies verbessert die Verschiebebelastbarkeit der Rohrverbindung.
Auch wenn der Aufbau der Rohrverbindung für ein Rohr und eine Kupplung beschrieben worden ist, versteht es sich, dass ein ähnlicher Aufbau bei einem Rohr mit einem äußeren Konus an einem Ende und einem inneren Konus an dem anderen Ende vorgesehen sein kann. Die Verbindung ist auch für einen Hochdruckübergang zwischen einem faserverstärkten Verbundrohr und einer Stahlkupplung, einem Ventil oder einer anderen Verbindung besonders geeignet. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, bei einer faserverstärkten Verbundrohrleitung eine Stahlkupplung vorzusehen, wo es gewünscht ist, einen Zugang in die Rohrleitung zu haben.
Stahl hat einen deutlich anderen Elastizitätsmodul als glasfaserverstärktes Harz. Wenn derartige Materialien miteinander verschraubt werden und sich unter Belastung verlängern, ist die Ausdehnung sehr verschieden, und die sich ergebende Gewindesteigung ist bei den beiden Materialien verschieden. Das verformbare Einpassstück in der Verbindung passt sich an die Unterschiede in den Modulen ohne Herabsetzen der Belastbarkeit der Verbindung an. Die Abdichtanordnung bei der Verbindung ist auch dann vorteilhaft, wenn die Materialien des Rohres und der Kupplung verschieden sind.

Claims

Verbundrohr mit einem faserverstärkten Verbundrohr, das eine Anzahl von spiralförmig gewundenen Stahlbändern (31) aufweist und an wenigstens einem Ende des Rohres eine äußere Verbindungshälfte aufweist, die sich mit ihrem äußeren Durchmesser im Bereich des Endes des Rohres auf einen kleineren Durchmesser verjüngt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Stahlbandenden von dem Ende des Rohres beabstandet vollständig in einem faserverstärkten Harz (32–34) eingebettet ist und dass jedes der Stahlbänder in einem unterschiedlichen Abstand von dem Ende des Rohres und innerhalb der sich verjüngenden äußeren Verbindungshälfte endet.
Verbundrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Körper aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, der über die Endbereiche aller Stahlbänder gewickelt ist, wobei der Durchmesser des Körpers in Bezug auf den äußeren Durchmesser des Rohres entfernt von der Verbindung vergrößert ist, und wobei in dem äußeren Konus eine Anzahl von Windungen spiralförmiger Nuten vorhanden ist, um darin ein Einpassstückteil zu halten.
Verbundrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine um den äußeren Konus angeordnete Abdichtfläche, um daran einen O-Ring zu halten.
Verbundrohr nach Anspruch 1, in einer Richtung radial nach innen an einer von dem Ende des Rohres entfernten Stelle gekennzeichnet durch eine äußere Rohrfläche, die aus einem glasfaserverstärkten Epoxidmaterial gebildet ist, eine sich wiederholende Anordnung aus spiralförmig gewundenen Stahlbändern und zwischen den Stahlbändern angeordneten Epoxidharz, wobei die äußere Rohrfläche in Kontakt mit einem spiralförmig gewundenen Stahlband ist, und eine innere Rohrfläche, die aus einem glasfaserverstärkten Epoxidmaterial gebildet ist und die in Kontakt mit einem spiralförmig gewundenen Stahlband ist.
Verbundrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlbänder in Längsrichtung des Rohres in Bezug aufeinander versetzt angeordnet sind, so dass die Enden der Stahlbänder nicht miteinander ausgerichtet sind.
Rohrverbindung mit einem Verbundrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kupplung (13) mit einer inneren Rohrverbindungshälfte, die an die äußere Rohrverbindungshälfte angepasst ist, ein Mittel zum Kuppeln der äußeren Rohrverbindungshälfte und der inneren Rohrverbindungshälfte in einer Längsrichtung und ein Mittel zum Abdichten der Verbindung, das von dem Mittel zum Verbinden der Rohrverbindungshälften beabstandet ist, wobei das Abdichtmittel außerhalb des Rohres eine erste Abdichtfläche (22), innerhalb der Kupplung eine zweite Abdichtfläche (23), die der ersten Abdichtfläche (22) gegenüberliegt, ein Paar von voneinander beabstandeten umfänglichen Elastomerdichtungen, die jeweils zwischen den ersten und zweiten Flächen angeordnet sind, und ein Abdichtmaterial umfasst, das zwischen den Elastomerdichtungen angeordnet ist und an den ersten und zweiten Abdichtflächen anhaftet, wobei das Abdichtmaterial ausreichend elastisch ist, um sich an eine maximale Verschiebebelastung der Rohrverbindung in Längsrichtung anzupassen.
Rohrverbindung mit einem Rohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl von spiralförmig gewundenen Stahlbändern, die zwischen glasfaserverstärkten Innen- und Außenflächen des Rohres angeordnet sind, eine Kupplung (13) mit einer sich verjüngenden inneren Oberfläche (14), die komplementär ergänzend ist und über der Rohrverbindungshälfte angeordnet ist, ein Mittel zum Kuppeln des Rohres und der Kupplungsflächen in einer Längsrichtung und ein Mittel zum gegenseitigen Abdichten des Rohres und der Kupplung, das von dem Verbindungsmittel beabstandet ist, wobei das Abdichtmittel außerhalb des Rohres eine erste Abdichtfläche (22), innerhalb der Kupplung (13) eine zweite Abdichtfläche (23), die der ersten Abdichtfläche (22) gegenüberliegt, ein Paar von voneinander beabstandeten umfänglichen Elastomerdichtungen, die jeweils zwischen den ersten und zweiten Flächen angeordnet sind, und ein Abdichtmaterial umfasst, das zwischen den Elastomerdichtungen angeordnet ist und an der ersten Abdichtfläche und der zweiten Abdichtfläche anhaftet, wobei das Abdichtmaterial ausreichend elastisch ist, um sich an eine maximale Verschiebebelastung der Rohrverbindung anzupassen.
Rohrverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in einer Richtung radial nach innen an einer von dem Ende des Rohres entfernten Stelle eine äußere Rohrfläche, die aus einem glasfaserverstärkten Epoxidmaterial gebildet ist, eine sich wiederholende Anordnung aus spiralförmig gewundenen Stahlbändern (31) und zwischen den Stahlbändern angeordneten Epoxidharz (32–34), wobei die äußere Rohrfläche in Kontakt mit einem spiralförmig gewundenen Stahlband (31) ist, und eine innere Rohrfläche umfasst, die aus einem glasfaserverstärkten Epoxidmaterial gebildet ist und die in Kontakt mit einem spiralförmig gewundenen Stahlband (31) ist.
Rohrverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlbänder (31) in Längsrichtung des Rohres in Bezug aufeinander versetzt angeordnet sind, so dass die Enden der Stahlbänder (31) nicht miteinander ausgerichtet sind.