DE69601273T2

DE69601273T2 - Verbesserungen an oder bezüglich Rohrverbindungen

Info

Publication number: DE69601273T2
Application number: DE1996601273
Authority: DE
Inventors: Alan Lloyd Headford
Original assignee: Victaulic Co PLC
Current assignee: Victaulic Co PLC
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: NO960697D0; GB2298254A; GB2298254A8; GB2298254B; DE69601273D1; GB2323145B; GB9812357D0; EP0728976A1; NO960697L; NO316943B1; GB9503494D0; EP0728976B1; GB2323145A

Description

Die Erfindung betrifft verbesserte Rohrverbinder, insbesondere Rohrverbindungen der Art, die für Hochdruckrohrleitungen geeignet sind, wie solche Rohrleitungen, die bei Unterwasser-Anwendungen gebraucht werden.
Unterseerohrleitungen, solche die zum Pumpen von Öl und Gas von Bohrinseln und Endstellen an Land gebraucht werden, sind typischerweise so konstruiert, daß sie sehr hohe innere Drücke aushalten. Beispielsweise ist es selten, daß bei einer bestimmten Rohrleitung der Maximaldruck geringer ist als 13,79 · 10&sup6; N/m² (2000 psi), und häufig sind die Drücke wesentlich höher. Dies steht im Gegensatz zu den intern erzeugten Drücken in Rohrleitungen, die bei privaten Haushalten eingesetzt sind, wie Hausgas- und Hauswasser- Leitungen, bei denen die internen Drücke selten Drücke von 1,38 · 10&sup6; N/m² bis 2,07 · 10&sup6; N/m² (200 bis 300 psi) überschreiten.
Die hohen Drücke, die bei Unterseerohrleitungen berücksichtigt werden, stammen zum Teil von den hohen Quelldrücken, die bei Gas- und Ölquellen zu berücksichtigen sind, und zum Teil als Folge der Tatsache, daß es notwendig ist, den Inhalt der Rohre über lange Entfernungen pumpen zu müssen, wobei nur eine Pumpstation benutzt wird und folglich hohe Drücke benötigt werden.
Die Rohrleitungen, die in solchen Unterwasserfällen gebraucht werden, müssen fest und dauerhaft sein und sind deshalb üblicherweise aus Stahl hergestellt. Längenabschnitte von Stahlrohren werden durch Schweißungen und/oder mechanische Verbindungen zusammengefügt, die typisch von der Art "Stift und Kasten" sind. Bei "Stift und Kasten" Kupplungen besteht der Kasten aus einer Sockelstruktur, die eine parallelwandige oder aufgeweitete innere Bohrung hat, und der Stift ist so gestaltet, daß er dort hinein paßt und in dem Sockel festgehalten ist. Die Berührungsflächen des "Stiftes" und "Kastens" können mit Gewinde versehen sein oder z. B. eine Schnapp-Paß- Konstruktion haben. Metall-Metall-Dichtungen, die zwischen dem Stift und dem Kasten ausgebildet sind, können Drücke von vielen tausend psi aushalten. Metall-Metall-Verbindungen dieser Art sind sehr bekannt und Gegenstand umfangreicher Forschung und Entwicklung.
Ein Problem, das mit Metallrohrleitungen allgemein verbunden ist, und mit Unterwasserleitungen im besonderen, ist das Korrosionsproblem. Es ist vom wirtschaftlichen Standpunkt unerwünscht Rohrleitungen aus Edelstahl zu erstellen, und deshalb werden oft die etwas billigeren Kohlenstoffstähle zum Bau von Rohren benutzt. Daher ist es notwendig, einen Zuschlag zur Wandstärke für die Korrosion hinzuzufügen oder die Rohre gegen Korrosion auf die eine oder andere Weise zu schützen, und z. B. kann die äußere Rohroberfläche durch eine geeignete Oberflächenbehandlung oder -beschichtung geschützt werden. Um die innere Bohrungswandung des Rohres vor Korrosionseffekten hervorgerufen durch die durchfließenden Materialien zu schützen, besteht die Möglichkeit, einen Schutz aus polymerem Material, wie aus Polyolefin, vorzusehen.
Ein weiteres Problem, welches bei solchen Rohrleitungen auftritt, ist, sicherzustellen, daß die Verbindungen zwischen benachbarten Abschnitten des Innenrohres den im Gebrauch auftretenden hohen inneren Drücken und Zugspanungen widerstehen können werden. Bei Einsatz von mechanischen Verbindern für Innenrohre, kann es schwierig sein, die Beständigkeit der Verbindung über einen längeren Zeitraum sicherzustellen. Dies kommt daher, daß die Innenrohre periodischen Dehnungsbelastungen von erheblicher Größe unterworfen sind. Derartige Belastungen resultieren aus einer Vielzahl von Ursachen, wie flußinduzierten Schwingungen, das Quellen des Rohrmaterials infolge der Beschaffenheiten des durchfließenden Produktes und thermische Ausdehnung sowie Kontraktion. Außerdem fördern die Arten der Installation der Innenrohre, die üblicherweise in einem Ziehen des Innenrohres durch das Rohr bestehen, Zugsspannungen im Rohr vom Anfang an. Die sich ergebenden Effekte dieser verschiedenen periodischen Zugbelastungen des inneren Rohres bestehen darin, daß ein Innenrohrteil aus seiner Verbindung mit einem benachbarten Innenrohrteil herausgezogen und axial entlang der Rohrleitung versetzt werden kann.
Es wurden verschiedene Versuche gemacht, um diese Probleme zu überwinden, aber derzeit besteht weiterhin Bedarf an einem Rohrleitungsverbinder der vorbezeichneten Art, der ein Mittel bereitstellt, das Innenrohr fest am Platz zu verankern, um einen Verlust der Geschlossenheit der Innenrohrverbindung zu verhindern und demzufolge auch ein Austreten des Inhalts des Innenrohres in den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem äußeren Stahlrohr zu verhindern. Bestehende bekannte mechanische Verankerungen oder Verbindungen von Innenrohren basieren auf einer Reibungswirkung, deren Wirksamkeit mit der Zeit und durch Schwankungen der Innenrohrtemperatur abnimmt.
Die EP-A-0 441 619 offenbart eine Rohrverbindung zwischen zwei mit Flanschstutzen aufweisenden Kunststoffrohren, bei denen die Flanschstutzen der Rohre mit verstärkenden Ringen versehen sind. Jedoch gibt es in diesem Dokument keine Offenbarung oder Vorschläge für Mittel zur Überwindung der erwähnten Probleme, die mit Unterwasser-Rohrleitungen verbunden sind.
Die US-A-3 650 550 offenbart den Einsatz eines perforierten Versteifungsringes zur Verstärkung des Flansches an einem Innenrohr gegen Kaltfluß. Jedoch auch dieses Dokument befaßt sich nicht mit den erwähnten Problemen, die bei Unterwasser- Rohrleitungen zu berücksichtigen sind.
In einer ersten Hinsicht stellt die Erfindung eine Rohrverbindung zur Verfügung, die erste und zweite, äußere Rohrleitungsteile umfaßt; Mittel zum Verbinden der ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile in einer End-zu End- Weise, um dazwischen eine mediendichte Dichtung herzustellen; die mediendichte Dichtung ist in der Lage, einem inneren Druck von mindestens 6,895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) zu widerstehen; und mindestens innerhalb des ersten äußeren Rohrleitungsteiles ist ein erstes inneres Leitungsrohrteil aus polymerem Material angeordnet; das innere Leitungsrohrteil hat an seinem Ende einen radial nach außen sich erstreckenden ringförmigen Flanschstumpf; ein ringförmiges Stützflacheisen ist in einer ringförmigen Nut in der Stirnseite des Flanschstumpfes eingelagert; die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile bilden zusammen an ihren jeweiligen radial inneren Oberflächen eine ringförmige Aufnahme zur Aufnahme des Flanschstumpfes des Leitungsrohrstückes und zum Einklemmen des Flanschstumpfes an diesem Platz, um gegen eine axiale Verschiebung zu sichern, wobei die ringförmige Aufnahme ein Paar von sich im wesentlichen radial erstreckenden gegeneinander gerichteten Oberflächen und sich im wesentlichen axial erstreckenden Oberflächen besitzt, die die genannten sich in wesentlichen radial erstreckenden Oberflächen verbinden.
Der Ausdruck "Rohrleitungsteile" ist hier so verstehen, daß er nicht nur die Rohre als solche bezeichnet, sondern auch Rohrkupplungen, Rohrverbinder und Rohrformstücke, wie T- Stücke, Bögen, Adapter, Ventilgehäuse usw..
Die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile sind im allgemeinen aus einem geeigneten Metall geformt, wie einem geeignet dotierten Kohlenstoffstahl. Der Verbinder zwischen den äußeren Rohrteilen ist üblicherweise derart konstruiert, daß er in der Lage ist, inneren Drücken von 34,47 · 10&sup6; N/m² (5000 psi) oder mehr zu widerstehen.
Die Mittel zur Verbindung der ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile können die Gestalt eines Gewindes auf einer radial äußeren Oberfläche eines der äußeren Rohrleitungsteile haben, welches ein Gewinde auf einer radial inneren Oberfläche des anderen Rohrleitungsteils aufnimmt. Jedoch können als eine Alternative das erste und zweite äußere Rohrleitungsteil mit ringförmigen Vorsprüngen, Vertiefungen oder anderen Ausformungen versehen sein, die ermöglichen, daß die Rohrleitungsteile in einer Schnapp-Paß- Verbindung verbunden werden. Als weitere Alternative können das erste und zweite Rohrleitungsteil mit Flanschen oder anderen ähnlichen Konstruktionen versehen sein, die es erlauben, daß die Rohrleitungsteile mit externen Sicherungsmitteln, wie Flanschbolzen und Klemmmitteln, gesichert verbunden werden.
In einer Ausführung sind die beiden ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile von Rohren gebildet, wobei in dem zweiten äußeren Rohrleitungsteil ein inneres Innenrohrteil angeordnet ist, wie weiter oben definiert ist.
Entsprechend sieht die Erfindung einen Rohrverbinder vor, der ein erstes und ein zweites äußeres Rohrleitungsteil umfaßt; Mittel zum Verbinden des ersten und zweiten Rohrleitungsteiles in einer Ende-zu-Ende-Version umfaßt, um dazwischen eine fluiddichte Abdichtung bereitzustellen; die fluiddichte Dichtung ist in der Lage, internen Drücken von mindestens 6,895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) zu widerstehen; und innerhalb der äußeren Rohrleitungsteile sind erste und zweite innere Leitungsrohrteile angeordnet, die aus einem Polymermaterial geformt sind; die inneren Leitungsrohrteile sind an ihren sich gegenüberstehenden Enden mit radial nach außen sich erstreckenden ringförmigen Flanschstümpfen versehen, die einander berührende Oberflächen zwischen den zwei Innenrohrteilen aufweisen, die im wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung der Innenrohrteile liegen; ein ringförmiges Stützflacheisen oder Flacheisen sind in einer ringförmigen Nut der Paßflächen jedes Flanschstumpfes angeordnet; die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile bilden zusammen auf ihrer jeweils radial inneren Oberfläche eine Ringaufnahme zur Aufnahme der Flanschstümpfe der Leitungsrohrteile und zum Zusammenklemmen der Flanschstümpfe, um dazwischen eine mediendichte Dichtung zu bilden, wobei die Ringaufnahme ein Paar sich im wesentlichen radial erstreckender gegeneinander gerichteter Oberflächen aufweist, die die gesamten sich im wesentlichen radial erstreckenden wesentlichen axial erstreckenden Oberflächen verbindet.
Das innere Leitungsrohrteil ist oder die inneren Leitungsrohrteile sind aus einem geeigneten Polymermaterial hergestellt, und Beispiele solcher Materialien umfassen Polyolefinhomopolymere und Copolymere davon. Beispiele von geeigneten Polyolefinen zum Konstruieren von den Leitungsrohrteilen umfassen Polypropylen und Polyethylen, z. B. HDPE, LDPE, MDPE usw. Andere Materialien, die alternativ gebraucht werden können, umfassen Polyvinylidenedifluorid (PVDF).
Die Leitungsrohrteile können ein- oder mehrschichtige Rohrwandungen aufweisen. Beispielsweise können die Leitungsrohrteile zusätzlich zu einer Polyolefinschicht eine oder mehrere Sperrschichten haben, die von einem Sperrmaterial, wie Polyamid, gebildet sind. Die Sperrschichten dienen dazu, die Permeation von Kohlenwasserstoffen durch die Leitungswand zu verhindern oder zu reduzieren.
Die aneinanderstoßenden Enden der Leitungsrohrteile haben Flanschstümpfe; der Ausdruck "Flanschstümpfe" ist ein allgemein bekannter Fachausdruck. Die Flanschsttimpfe werden durch Wände einer ringförmigen Aufnahmenut, die an der inneren Seite der äußeren Rohrleitungsteile angeordnet sind, zusammengepreßt, wenn die äußeren Rohrleitungsteile zusammengezogen werden, so daß eine Dichtung zwischen den aneinanderliegenden Flanschstümpfen ausgebildet ist. Die Flanschstümpfe haben vorzugsweise eine Anfangsaxialabmessung, die größer als die axiale Länge der ringförmingen Aufnahmenut ist, damit der Grad der Kompression der Flanschstümpfe erhöht wird, wenn die äußeren Rohre dicht zusammengezogen werden.
Die Flanschstümpfe sind jeweils an ihren Stirnseiten mit einer ringförmigen Nut versehen, in denen Verstärkungen angeordnet sind, die aus einem metallischen Werkstoff, wie Stahl, gebildet sind. Die Verstärkungs-Flacheisen (Reifen) der entsprechenden Flanschstrümpfe dienen als Verstärkungsstützen, zur Stärkung des Flanschstumpfes sowie zur Verhinderung, daß der Flanschstumpf von der Verbindung durch periodische Zugspannungen verschoben wird, denen die Leitungsrohrteile im Gebrauch ausgesetzt sind.
Die ringförmigen Nuten, die durch die äußeren Rohrleistungsteile festgelegt sind, werden an oder nahe dem Stoß zwischen den äußeren Rohrleitungsteilen angeordnet. Wie oben angegeben, umfassen die ringförmigen Nuten ein Paar von überwiegend sich radial erstreckenen, einander gegenüberliegenden Oberflächen und eine überwiegend sich axial erstreckende, die die genannten sich im wesentlichen radial erstreckenden Oberflächen verbindet. Die Anordnung ist üblicherweise derart, daß eine sich radial erstreckende Oberfläche an einem Rohrteil ausgebildet ist und die andere sich radial erstreckende Oberfläche an dem anderen Rohrteil vorgesehen ist. Die im allgemeinen sich axial erstreckende Oberfläche kann an einem der Rohrteile oder an beiden Rohrteilen vorgesehen sein.
Bei einer Ausführungsform kann der Flanschstumpf von dem oder beiden inneren Leitungsrohrteilen aus einem vernetzten Material gebildet sein, um den Stumpf zu stärken und ihn elastischer zu machen. Dies bewirkt eine Erhöhung des Widerstandes gegen ein Herausziehen aus der Verbindung durch Axialkräfte. Außerdem soll die Elastizität, die die Quervernetzung erbringt, dabei helfen, die Relaxation durch Drucklast zu reduzieren oder zu beseitigen; es handelt sich um ein Problem, das ansonsten zu einer Verminderung des Zusammenhalts der Dichtung zwischen den Flanschen nach einer Gebrauchsperiode führen würde.
Damit die Fähigkeit der Flanschstümpfe, axialen Bewegungen des Leitungsrohres zu widerstehen, erhöht wird und auch zur Verbesserung der Dichtung zwischen den Enden der polymeren Leitungsrohrteile, können die entsprechenden Flanschstümpfe der Leitungsrohrteile während der Installation zusammengeschweißt werden. In dieser Ausführung können die betreffenden Flanschstrümpfe mit einer Reibschweißung verbunden werden. Somit kann, wenn eine Schraubgewindeverbindung der äußeren Metallrohre vorgesehen ist, die Reibung zwischen den Flanschstümpfen, die wirkt, wenn ein Flanschstumpf relativ zu dem anderen gedreht wird, wenn die äußeren Rohrteile zusammengeschraubt werden, genügend Wärme erzeugen, um eine Verschweißung des polymeren Materials an den Oberflächen der Flanschstümpfe zu bewirken.
Als eine Alternative oder ergänzend zu einer Reibschweißung der Flanschstumpfenden kann eine Induktionsheizwicklung entlang dem Strang der Rohre, die verbunden werden, eingebracht werden; die Wicklungen werden benutzt, um die Verstärkungseisen an den Stumpfanschlüssen mit Energie und Wärme zu versehen, um das polymere Material der Flanschstümpfe zu schmelzen und zusammenzuschweißen.
In einer weiteren Ausführung sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um die Rohrverbindung der vorgenannten Art zu schaffen, wobei der eisenverstärkte Flanschstumpf in situ gebildet wird, indem eine Heißformtechnik genutzt wird. Beispielsweise kann eine induktionsgeheizte Manschette um das Ende eines eben endenden polymeren Rohres gelegt werden, um dieses Ende zu erweichen oder zu schmelzen, und ein Muffenkopf, auf dem ein Verstärkungseisen montiert ist, wird gegen das erweichte oder geschmolzene Ende gepreßt, so daß es radial nach außen zur Form eines Flanschstumpfes deformiert wird, wobei das Verstärkungseisen in den Flanschstumpf bei dessen Bildung eingebettet wird.
Einer von vielen Vorteilen vom Formen des Flanschstumpfes in situ auf diese Weise ist, daß der Prozeß das Verstärkungseisen zurückhaltende Lippen erzeugt, die unterstützen, das Verstärkungseisen in seiner Lage zu halten.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die einzelnen Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen erklärt, von denen:
Fig. 1 ist eine Ausschnittsvergrößerung eines Längsschnittes durch eine Rohrverbindung entsprechend einer Ausführung der Erfindung,
Fig. 2 ist eine vergrößerte Aussicht eines Teiles des Schnittes von Fig. 1,
Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer zweiten Ausführung der Erfindung,
Fig. 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer dritten Ausführung der Erfindung,
Fig. 5 ist ein partieller Längsschnitt einer vierten Ausführung der Erfindung,
Fig. 6 ist ein partieller Längsschnitt einer fünften Ausführung der Erfindung,
Fig. 7 ist ein Längsschnitt, der schematisch eine Vorrichtung zur Bildung eines Flanschstumpfes in situ zeigt,
Fig. 8a bis 8d zeigen schematisch die Bildung eines Flanschstumpfes in situ,
Fig. 9 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Erweichen der Enden eines geraden Rohrendes für eine Flanschstumpfbildung.
Bezugnehmend auf Fig. 1 kann man sehen, daß eine Rohrverbindung als eine Ausführung der Erfindung ein Paar von äußeren stählernen Rohrleitungsteilen 1 und 2 umfaßt, die miteinander verbunden sind; das Rohrstück 1 dient als Sockel oder "Kasten" und das Rohrstück 2 dient als Einsatz oder "Stift". Das Rohrstück 1 oder der "Kasten" hat eine aufgeweitete innere Oberfläche 3, die mit einem Gewinde versehen ist, um ein passendes Gewinde aufzunehmen, das sich auf einer verjüngten Oberfläche 4 des "Stift"-stückes 2 befindet. An radial inneren und radial äußeren Bereichen haben die Rohrteile 1, 2 axial voreinanderstehende Wandbereiche 1a, 1b, 2a, 2b, die in einen Dichtkontakt gedrückt werden, wenn das "Stift"-stück 2 in das "Kasten"- stück 1 geschraubt wird. Die Metall-zu-Metall-Dichtungen, die bei 1a, 2a und 1b, 2b gebildet werden, sind in der Lage, Drücken über 6.895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) und gewöhnlicherweise über 34,47 · 106 N/m² (5000 psi) zu widerstehen.
Um die Dichtfähigkeit der Verbindung zu erhöhen, können Dichtmittel zwischen die mit Gewinde versehenen Oberflächen 3, 4 eingesetzt werden. Solche Dichtmittel sind wohlbekannt und müssen hier nicht besprochen werden.
Radial innen in den Stahlrohrteilen 1 und 2 sind Auskleidungsrohrteile 6 und 7 angeordnet, die aus polymerem Material, wie Polyethylen, bestehen. Die inneren Leitungsrohrstücke 6, 7 haben jeweils Flanschstümpfe 8, 9, die in eine ringförmige Nut 5, die sich um den inneren Durchmesser der Stahlrohre 1 und 2 im Bereich der dazwischenliegenden Verbindung eingebettet sind, erstreckt.
Die Ausgestaltung der Ringnut 6 ist in weiteren Einzelheiten in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt.
Die Flanschstümpfe der inneren, polymeren Leitungsrohrteile 6, 7 haben jeweils Ringnuten 10, 11 auf ihren Stirnseiten. In jeder Ringnut 10, 11 sind Verstärkungs-Flachmetallteile 12, 13 (Reifen, Ringe) angeordnet, die aus Stahl bestehen. Es wird empfohlen, daß statt jedes Stumpfende mit seinem eigenen Verstärkungseisen zu versehen, ein einziges Verstärkungseisen der geeigneten axialen Dicke verwendet wird.
Bei dieser Ausführungsform sind die Flanschstümfpe 8, 9 der polymeren Rohre 6, 7 aus einem nicht vernetzten Polyethylen hergestellt, aber sie können vorteilhaft vor den Gebrauch, z. B. durch eine Bestrahlung mit einer geeigneten Quelle wie Kobalt 60, vernetzt werden. Typisch wird die Bestrahlung so ausgeführt, daß die absorbierte Strahlung in dem Bereich zwischen 0-300 k Gray, vorzugsweise 50-250 k Gray, oder mehr, vorzugsweise 150-200 k Gray, fällt.
Die Bildung der Ringnut (Aufnahme) 5 ist detailierter in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher jedes der Stahlrohrteile 1 und 2 an einer radial inneren Stelle seiner Stirnseite mit ringförmigen Nuten 21, 22 versehen ist. Die Ringstufe des Rohrteils 1 ist durch eine radiale Endseite 21a und eine sich axial erstreckende Wandung 21b bestimmt. Ähnlich ist die Ringstufe des Rohrelementes 2 durch die radial erstreckte Wandung 22a und die axial erstreckte Wandung 22b bestimmt. Radial nach außen von der Nut 5 sind die sich berührenden Endflächen 1b und 2b angeordnet, wie oben beschrieben. In dieser Ausführung überspannt die Aufnahmenut 5 den Stoß zwischen den zwei Rohrleitungsteilen 1 und 2.
In den Fig. 3 und 4 ist die Aufnahmenut 5 etwas gegenüber dem Stoß zwischen den Rohrteilen 1 und 2 versetzt. In Fig. 3 ist die Aufnahmenut festgelegt durch die sich radial erstreckende Wandung 31a und die sich axial estreckende Wandung 31b des "Kasten"-Rohrteils 1 sowie durch die sich radial erstreckende Wandung 32a des "Stift"-Rohrteils 2. In Fig. 4 ist die umgekehrte Anordnung gegeben, wobei die Aufnahmenut durch die radial erstreckte Wandung 42a und die axial erstreckte Wandung 42b des "Stift"-Rohrteils 2 sowie die radial erstreckte Wandung 41a des "Kasten"-Rohrteils 1 bestimmt ist.
Im Gebrauch sind Innenrohr 6, 7 in ihren zugehörigen Metallrohrteilen 1, 2 angeordnet, und die Rohrleitungsteile 1, 2 sind nach Verfahren zusammengeschraubt, die allgemein bekannt sind. Wenn die Rohrleitungsteile 1, 2 zusammengeschraubt werden, sind die Flanschstümpfe 8, 9 gegeneinander gepreßt, um eine Dichtung zu bilden. Außerdem kann, weil einer der Flanschstümpfe relativ zum anderen rotiert, wenn die Rohrleitungsteile 1, 2 zusammengezogen werden, die resultierende Reibung zwischen den Oberflächen der Flansche 8, 9 abhängig von dem Drehmoment, das auf die Verbindung angewandt wird, und vom Ausmaß der Kompression der Flansche dazu führen, daß eine ausreichende Wärme erzeugt wird, um die Oberflächen der Flansche zu schmelzen oder zu erweichen, um sie zusammenzuschweißen. Auf diese Weise wird eine sehr feste Dichtung zwischen den Flanschen 8, 9 erzeugt.
Die verstärkende Armierung 12, 13 dient als eine Stütze und verhindert, daß die Flansche 8, 9 radial nach innen deformiert werden und aus der Aufnahme 5 infolge periodischer hoher Zugkräfte herausgezogen werden, denen Innenrohre als Folge von flußinduzierten Schwingungen, thermischer Kontraktion sowie Expansion oder einem Quellen der Rohrwandung, das auftreten kann, wenn gewisse Materialien durch die Rohre befördert werden, unterworfen sind.
Zum Zwecke, eine noch festere Verbindung zu schaffen, kann eine Induktionsheizspule an einen geeigneten Rohrmaulwurf montiert werden und in eine Stellung in den Leitungsrohrteilen 6, 7 im Bereich ihres Zusammenstoßes gebracht werden und eine Stahlverstärkung 12, 13 induktionsbeheizt werden, um ein Schmelzen und Verschweißen der Oberflächen der Flansche 8, 9 zu bewirken, wenn die nicht vorher durch Reibwärme stattgefunden hat.
Rohrverbindungen der Art, wie in Fig. 3 gezeigt ist, wurden hergestellt und geprüft. So wurde ein Paar äußere Stahlrohre von 168, 275 mm (6 5/8") Außendurchmesser und 19,05 mm (3/4") Wandstärke bereitgestellt, das ein Normschraubgewinde eingearbeitet enthielt und eine Ringausnehmung an der radial inneren Oberfläche des gemeinsamen Verbindungsbereiches enthielt, wobei die Ringausnehmung eine axiale Länge von 15,6 ± 0,4 mm und eine radial Abmessung von 40 ± 0,5 mm aufwies. Polyehtylen-Innenrohre mit einem Außendurchmesser von 129,2 ± 0,2 mm, einer 5 mm Normal-Wandstärke und Flanschstümpfe mit einer Schulterhöhe von 3,5 mm, einer Schulterdicke von 8 mm und einem Verstärkungsring von 121,0 0,1 mm Innendurchmesser 4,0 ± 0,2 mm radialer Dicke und 2,0 ± 0,1 mm axialer Dicke werden in die äußeren Stahlrohre eingesetzt, wie in der Figur gezeigt, und einem hydrostatischen Druck erfolgt von einer Zuglast unterworfen. Die Prüfungen zeigten, daß bis mindestens 10,34 · 106 N/m² (1500 psi) kein Leck auftrat, bei welchem Punkt die Prüfung abgebrochen wurde, und daß eine Trennung der Flanschstümpfe noch nicht auftrat, als das Polyehtylen-Innenrohr axial bis mindestens 3 t belastet war.
Die Rohrverbinder nach der Erfindung müssen nicht notwendigerweise vom "Stift-Kasten"-Typ sein, und alternative Gestaltungen sind in Fig. 5 und 6 gezeigt. Zu jeder der Fig. 5 und 6 sind die radial äußeren Metallrohrteile 51, 52 und 61, 62 mit Flanschen 51a, 62a, 61a, 62a versehen, die aneinandergrenzende Stirnseiten 51b, 52b, 61b, 62b haben, die im wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung der Rohrleitung stehen. Die Flansche 51a, 52a, 61a, 62a sind mit üblichen Flanschverbindungsmitteln verbunden, die nicht dargestellt sind.
Somit haben mit den Ausführungen in Fig. 1 bis 4 die radial äußeren Metallrohrteile von Fig. 5 und 6 zugeordnete innere Leitungsrohrteile 53, 54 und 63, 64, die aus geeignetem Polymermaterial, wie Polyethylen, gebildet sind. Die Leitungsrohrteile haben Flanschstümpfe 53a, 54a, 63a, 64a, die jeweils mit einem eingebetteten Verstärkungseisen 55, 56, 65, 66 versehen sind, dessen Zweck derselbe ist wie der der Verstärkungseisen, die in Bezug auf Fig. 1 bis 4 oben beschrieben sind. Wie in Fig. 1 bis 4 legen die radial inneren Oberflächen der äußeren Metallrohre 51, 52, 61, 62 zusammen eine Ringausnehmnung 57, 67 fest, in die die Stumpfenden der Leitungsrohre hineinpassen. Wie zu sehen ist, kann die Ringausnehmung den Stoß zwischen den beiden äußeren Metallrohren überspannen, wie in Fig. 5 gezeigt ist, oder relativ zum Rohrstoß versetzt sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Die äußeren Rohrteile können Rohre als solche sein oder sie können irgendein Teil einer Anzahl von Kupplungen und Verbindern sein. Bevorzugt kann ein Rohr mit je einer integrierten "Stift"- und "Kasten"-Konfiguration ausgebildet sein, oder ein Rohr kann mit zwei "Stift"-Enden versehen sein; ein gesonderter mit Koppel-"Kasten"-Enden versehener Verbinder wird benutzt, um benachbarte Rohrabschnitte zu verbinden. Ebenso kann, zumindest prinzipiell, ein Rohr mit zwei integralen Doppel-"Kasten"-Enden versehen sein, die mit einem Verbinder mit "Stift"-Enden verbunden war. Außerdem können "Stift"- oder "Kasten"-Adapter an die planen Enden von Rohren angeschweißt werden. Es ist selbstverständlich, daß die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten zahlreich sind, und die vorstehenden Ausführungen als Beispiele angeführt sind.
Die Montage der Leitungsrohrteile in den äußeren Stahlrohren kann leichter erfolgen, wenn die Leitungsrohrteile als glatt endende Elemente eingesetzt werden und dann in situ die Flanschstümpfe ausgebildet werden. Die Bildung der Flanschstümfpe in situ ist in Fig. 7 bis 9 gezeigt.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung, bei der in einem äußeren Stahlrohrteil 71 ein Innenrohrteil 72 angeordnet ist, das aus einem geeigneten Polymermaterial, wie Polyethylen, gebildet ist. Das Leitungsrohrstück 72 hat gerade Enden. Das äußere Rohrleitungsteil 71 hat eine Ringausnehmung 73, die in der inneren Oberfläche seines Stirnendes umläuft.
Die Vorrichtung zur Verformung des geraden Endes 72a des Leitungsrohrstückes 72 in einen Flanschstumpf umfaßt ein rotierbares Kern- oder Formwerkzeug 74, das ein spreizbares Ende 75 hat, das einen Anfangs-Außendurchmesser hat, der etwa dem Innendurchmesser des Leitungsrohrstückes 72 entspricht. Auf dem Werkzeug 74 ist ein Muffenkopf 76 verschieblich angeordnet, der mit einer Reihe von Tragstiften 77 zur Montage eines Metallverstärkungsringes versehen ist.
Bevor der Muffenkopf und der Verstärkungsring mit der Stirnseite 72a des Leitungsrohrstückes 72 in Kontakt gebracht wird, wird zuerst eine induktionsbeheizte Manschette 91, wie in Fig. 9 gezeigt, über das Ende 72a geschoben. Die induktionsbeheizte Manschette dient zum Aufheizen des Leitungsrohrstückes 72 auf eine Temperatur, bei der es für eine Verformung ausreichend erweicht ist. Die Manschette wird dann fortbewegt; das expandierbare Ende 75 des Formwerkzeuges 74 wird erweitert, um das Rohrstück 72 mit dem äußeren Stahlrohrstück 71 in Eingriff zu bringen, und der Muffelkopf wird entlang der äußeren Oberfläche des Kerns bewegt, so daß der Verstärkungsring 78 in Kontakt mit dem Ende 72a des Leitungsrohrstückes gequetscht wird. Durch Anwendung einer ausreichenden Kraft auf den Muffenkopf verformt der Verstärkungsring 78 das erweichte Ende 72a des Leitungsrohrstückes radial nach außen und in die Ringnut 73 des äußeren Metallrohrstückes. Die verschiedenen Zustände der Entwicklung des Flanschstumpfes sind schematisch in den Fig. 8a bis 8d gezeigt. Zur Unterstützung des Verformprozesses, bei welchem das Polymermaterial des Endes 72a von dem Rohrstück 72 ausreichend weich gehalten wird, kann der Verstärkungsringe 78 erwärmt werden, z. B. durch Induktionsheizung, oder kann während des Flanschformzykluses durch Ultraschall aktiviert werden. Durch dieses Verfahren wird auch der Verstärkungsring in den neu geformten Flanschstumpf eingebettet.
Der Muffenkopf wird dann zusammen mit dem Kern weggezogen und der Flanschstumpf wird geglättet, um jeglichen Grat oder Ungleichheiten, die beim Formprozeß entstanden sind, zu beseitigen.
Es ist sehr vorteilhaft, daß zahlreiche Abwandlungen und Änderungen an den Rohrverbindern vorgenommen werden können, die on den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, ohne vom Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.
Zum Beispiel sind, obgleich die Zeichnungen eine Verbindung zwischen den Flanschstummeln zweier Leitungsteile zeigen, die Verbindungen gemäß der Erfindung ebenso auf Verbindungen anzuwenden, in denen die ringförmige Aufnahmenut eine solche Größe hat, daß sie nur einen einzigen Flanschstumpf aufnehmen kann. So eine Anordnung kann verwendet werden, wenn ein Rohrabschnitt mit einem Paßstück, wie einer Pumpe oder einem Ventil, verbunden wird. Darüberhinaus zeigen die Zeichnungen Anordnungen, in denen die Flanschstümpfe ihre eigenen Verstärkungsringe haben. Als eine Alternative kann jedoch ein einziger Verstärkungsring doppelter Stärke benutzt werden, um die beiden einzelnen Verstärkungseinlagen zu ersetzen.
Die Natur der Metall-zu-Metall-Verbindungen zwischen den äußeren Rohrstücken kann auch verändert werden. Beispielsweise kann der "Stift" oder Zapfen einen insgesamt gleichmäßigen Durchmesser haben anstatt eine Verjüngung, wie in den Figuren gezeigt, und der "Kasten" oder Sockel würde dann entsprechend geformt.

Claims

1. Rohrleitungsverbinder mit ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteilen (1, 2), Verbindungsmitteln (3, 4) zum Verbinden der ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) in einer End-zu End-Weise, um dazwischen eine mediendichte Dichtung herzustellen; die mediendichte Dichtung ist in der Lage, einem internen Druck von mindestens 6, 895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) zu widerstehen; und mindestens innerhalb des ersten äußeren Rohrleitungsteiles (1) ist ein erstes inneres Leitungsrohrteil (6), das aus polymerem Material hergestellt ist, angeordnet; das innere Leitungsrohrteil (6) ist an seinem Ende mit einem radial nach außen sich erstreckenden ringförmigen Flanschstumpf (8) versehen; ein ringförmiges Stützflacheisen (12) ist in einer ringförmigen Nut (10) in der Stirnseite des Flanschstumpfes (8) eingelagert; die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) bilden zusammen an ihren jeweiligen radial inneren Oberflächen eine ringförmige Aufnahme (5) zur Aufnahme des Flanschstumpfes des Leitungsrohrstückes und zum Einklemmen des Flanschstumpfes (8) an diesem Platz, nun gegen eine axiale Verschiebung zu sichern, wobei die ringförmige Aufnahme (5) ein Paar von sich im wesentlichen radial erstreckenden gegeneinander gerichteten Oberflächen (21a, 22a) und sich im wesentlichen axial erstreckenden Oberflächen (21b, 22b) besitzt, die die genannten sich in wesentlichen radial erstreckenden Oberflächen (21a, 22a) verbinden.

2. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 1, wobei die mediendichte Dichtung zwischen den ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteilen (1, 2) in der Lage ist, einem inneren Druck von 34, 47 · 10&sup6; N/m² (5000 psi) oder mehr zu widerstehen.

3. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsmittel (3, 4) zum Verbinden der ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile die Form eines Gewindes an einer radial außen gelegenen Oberfläche auf einem der äußeren Leitungsteile (4) hat, wobei jenes Gewinde mit einem Gewinde auf einer radial inneren Oberfläche des äußeren Leitungsteiles (3) verbunden ist.

4. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) mit ringförmigen Rippen, Ausnehmungen oder anderen Gestaltungen versehen sind, die es ermöglichen, daß die Rohrstücke zusammengekuppelt werden können, oder mit Flanschen mit einem Schnappverschluß oder anderen derartigen Konstruktionen versehen sind, die es ermöglichen, daß die Rohrteile mit externen Sicherungsstücken sicher zusammengefügt werden können.

5. Rohrleitungsverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) Rohre sind, in dessen zweiten, äußeren Rohrleitungsteil (2) ein inneres Leitungsrohrteil (7) angeordnet ist.

6. Rohrleitungsverbinder mit ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteilen (1, 2); Verbindungsmitteln zum Verbinden der ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) in einer End-zu End-Weise, um eine mediendichte Dichtung dazwischen herzustellen; die mediendichte Dichtung ist in der Lage, einem inneren Druck von mindestens 6, 895 · 10&sup6; N/m² (1000 psi) zu widerstehen; und innerhalb der äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) sind erste und zweite innere Leitungsrohrteile (6, 7) angeordnet, die aus einem Polymermaterial hergestellt sind; die inneren Leitungsrohrteile (6, 7) sind an ihren Stirnseiten mit sich radial nach außen erstreckenden ringförmigen Flanschstümpfen (8, 9) versehen, die zwischen den zwei Leitungsrohren (6, 7) im wesentlichen zur Achsrichtung der Leitungsrohre Paßoberflächen tragen; ein ringförmiges Stützflacheisen oder Flacheisen (12, 13) sind in einer ringförmigen Nut (10, 11) der Paßflächen jedes Flanschstumpfes (8, 9) angeordnet; die ersten und zweiten äußeren Rohrleitungsteile (1, 2) bilden zusammen auf ihrer jeweils radial inneren Oberfläche eine Ringaufnahme (5) zur Aufnahme der Flanschstümpfe (8, 9) der Leitungsrohrteile (6, 7) und zum Zusammenklemmen der Flanschstümpfe (8, 9), um dazwischen eine mediendichte Dichtung zu bilden, wobei die Ringaufnahme (5) ein Paar sich im wesentlichen radial erstreckender gegeneinander gerichtete Oberflächen (21a, 22a) aufweist, die die gesamten sich im wesentlichen radial erstreckenden wesentlichen axial erstreckenden Oberflächen (21b, 22b) verbindet.

7. Rohrleitungsverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das oder jedes innere Leitungsrohrteil (6, 7) aus einem Polymermaterial geformt ist, das aus Polyolefin-Homopolymeren und Copolymeren davon oder aus Polyvinylidendifluorid ausgewählt ist.

8. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 7, wobei das oder jedes innere Leitungsrohrteil (6, 7) aus Polypropylen oder Polyethylen geformt ist.

9. Rohrleitungsverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das oder jedes innere Leitungsrohrteil (6, 7) eine einschichtige Rohrwandung hat.

10. Rohrleitungsverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das oder jedes innere Leitungsrohrteil (6, 7) eine vielschichtige Rohrwandung hat.

11. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 10, wobei das oder jedes innere Rohrleitungsteil (6, 7) eine oder mehrere Sperrschichten aufweist, die von einem Sperrmaterial geformt sind, das ein Durchdringen von Kohlenwasserstoffen durch die Leitungsrohrwandung verhindert oder vermindert.

12. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 11, wobei sich eine radial erstreckende Oberfläche (21a) auf einem äußeren Rohrleitungsteil (1) befindet und sich die andere radial erstreckende Oberfläche (22a) auf dem anderen äußeren Rohrleitungsteil (2) befindet.

13. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 11 oder 12, wobei die sich im wesentlichen axial erstreckende Oberfläche durch eines der Rohrleitungsteile (1) bereitgestellt ist.

14. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 11 oder 12, wobei die sich im wesentlichen axial erstreckende Oberfläche durch beide Rohrleitungsstücke (1, 2) bereitgestellt ist.

15. Rohrleitungsverbinder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flanschstumpf (8, 9) des oder jedes inneren Leitungsrohrteiles (6, 7) aus einem kreuzvernetztem Material geformt ist.

16. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 6 oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die betreffenden Flanschstümpfe (8, 9) der inneren Leitungsrohrteile (6, 7) zusammengeschweißt sind.

17. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 16, wobei die betreffenden Flanschstümpfe (8, 9) miteinander reibverschweißt sind.

18. Rohrleitungsverbinder nach Anspruch 16, wobei die betreffenden Flanschstümpfe (8, 9) durch Induktionsleitungen miteinander verschweißt sind.

19. Verfahren zur Bildung eines Rohrverbinders, wobei ein mit einem Stützflacheisen verstärkter, wie in einem der vorstehenden Ansprüche festgelegter Flanschstumpf (8, 9) in sich geformt wird, wobei eine Heißformtechnik benutzt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine, beispielsweise induktiv, geheizte Manschette um das Ende eines glatt endenden polymeren Rohrteiles gelegt ist, um dieses Ende zu erweichen oder zu schmelzen, und ein Umschließungskopf, der ein Stützflacheisen trägt, wird gegen das erweichte oder geschmolzene Ende gepreßt, daß dieses radial nach außen in die Gestalt eines Flanschstumpfes (8, 9) verformt wird; das Stützflacheisen (12, 13) wird bei der Formung des Flanschstumpfes (8, 9) in diesen eingebettet.