DE60023502T2

DE60023502T2 - Schweissmuffe mit verstärkung für kunststoffrohre

Info

Publication number: DE60023502T2
Application number: DE60023502T
Authority: DE
Inventors: Geert Peter PFEIFFER
Original assignee: Total Petrochemicals Research Feluy SA
Current assignee: Total Petrochemicals Research Feluy SA
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: EP1196714B1; NO20020189D0; AU6824300A; WO2001006168A1; NO20020189L; RU2002100708A; AR024743A1; JP2003504586A; ATE308012T1; MXPA02000567A; US6406063B1; EP1196714A1; US20020109348A1; DE60023502D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Rohrformstücke, insbesondere Rohrformstücke zum Elektroschmelzen von Rohren zur Bildung einer Rohrleitung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Rohrleitung, in die ein Rohrformstück eingearbeitet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrformstücks.
Kunststoffrohre, insbesondere aus Polyethylen gefertigte Rohre, sind weithin zur Verwendung beim Bilden von Rohrleitungen zum Befördern von Fluiden, wie etwa Wasser oder Erdgas, bekannt. Solche Rohrleitungen werden durch Miteinanderverbinden einer Abfolge individueller Rohre unter Verwendung von Rohrformstücken hergestellt. In der Technik ist es bekannt, Rohrformstücke zu verwenden, in die eine Heizspule eingearbeitet ist, die die aneinanderstoßenden Enden zweier miteinander zu verbindender Rohre umgibt. Wird ein elektrischer Strom durch die Spule geleitet, so veranlasst der Strom, dass Kunststoffmaterial in dem Rohrformstück schmilzt und durch Schmelzverlagerung an das Kunststoffmaterial der zwei Rohre geschmolzen wird, wodurch eine Schweißnaht gebildet wird, die die zwei Rohrenden miteinander versiegelt. Solche bekannten Elektroschmelzrohrformstücke leiden unter dem technischen Nachteil, dass sie auf Fluiddrücke in der Rohrleitung mit einem Maximum von 25 bar begrenzt sind. Bei höheren Drücken versagt das elektrogeschmolzene Formstück, was zu Lecken von oder dem katastrophalen Versagen der Rohrleitung führt. Solche Niederdruckrohrleitungen setzen Einschicht-Polyethylenrohre ein.
EPA-0396273 offenbart einen Elektroschmelzrohrkoppler für solche Niederdruckrohrleitungen, der eine Außenhülle und eine durch eine dazwischenliegende Schicht spritzgegossenen Thermoplastematerials darin festgehaltene elektrische Widerstandsheizspule umfasst.
DE-C-3932807 offenbart eine Schweißmuffe und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Schweißmuffe einen thermoplastischen, röhrenförmigen Muffenkörper mit einer Heizdrahtwicklung an seiner Innenfläche und einer mit dem Muffenkörper verbundenen Verstärkungsschicht umfasst. Die Verstärkungsschicht ist zur Sicherstellung dessen konzipiert, dass der Schweißdruck während des Schweißens absorbiert wird und die Betriebslebensdauer verlängert ist.
CH-A-683026 offenbart eine Schweißmuffe für Kunststoffrohre, wobei ein Verstärkungsgitter aus Stahldraht oder eine perforierte Stahlröhre in der Schweißmuffe eingebettet ist.
US-A-4770442 offenbart ein Elektroschweißformstück oder -kragen, der auf zuverlässige Weise Kontaktdruck in der Schweißzone ausübt, indem er eine Verstärkung in Form einer an der Außenfläche des Körpers des Formstücks angeordneten Wicklung oder Röhre vorsieht, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient der Verstärkung kleiner als der des Körpers ist.
US-A-5364130 offenbart eine Hitzeschweißvorrichtung mit Kupplung für röhrenförmige Kunststoffrohre, wobei außer einem einstückig geformten Kupplungsteil auch eine Rohrkupplung offenbart ist, die mit einem Innenteil in Form einer Rohrmuffe oder Buchse und getrennten, verbindbaren, hüllenähnlichen Außenteilen hergestellt ist. Bei einer solchen Anordnung wird ein gewünschter äußerlicher Kraftschluss in der Umgebung der Verbindungsstelle der Rohre durch das Ineinandergreifen zwei hüllenartiger Hälften von Verstärkungshüllen zustande gebracht, um eine Kraftübertragungsbrücke zu bilden.
GB-A-2299047 offenbart die Fertigung von Elektroschmelzformstücken, wobei ein Körper aus thermoplastischem Material über einer formhaltenden Struktur, die ein elektrisches Heizelement in einer Schicht thermoplastischen polymeren Plattenmaterials umfasst, geformt wird.
GB-A-1121850 offenbart ein Verbindungsverfahren von rohrförmigen Kunststoffen und Verbindungsmaterialien, wobei ein elektrischer Heizdraht auf einen Endteil eines Kunststoffmantels eines kunststoffummantelten Kabels gewickelt wird und dann eine Kunststoffhülle überlappend an der Außenseite des elektrischen Heizdrahts plaziert wird. Danach wird dem Heizdraht elektrischer Strom zugeführt, während ein Kompressionsdruck auf den gesamten überlappten Teil angelegt wird, sodass die Kunststoffummantelung und die Kunststoffhülle durch Erhitzen zu einem integralen Körper vereint werden.
EP-A-0693652 offenbart einen Elektroschweiß-Rohranschluss, wobei zwei oder mehr Schichten eines äußeren zylindrischen, aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Elements durch aufeinanderfolgende Spritzgießschritte um ein mit Widerstandsdraht umwickeltes inneres zylindrisches Element gebildet sind. Zur Verringerung der Spritzgießzeit wird offenbart, dass aus drei Schichten bestehende innere und äußere zylindrische Elemente aufeinanderfolgend geformt werden, statt einer einzigen dickeren Schicht.
EP-A-0303909 offenbart die Fertigung eines Elektroschmelzkopplers, wobei eine röhrenförmige Kunststoff-Vorform mit einem Widerstandsheizdraht umwickelt wird und der Heizdraht vollständig in der Vorform eingebettet ist. Danach wird ein äußerer einkapselnder Mantel um die Vorform herum spritzgegossen.
Die Patentbeschreibungen, auf die hierin vorangehend verwiesen wird, leiden unter dem Problem, dass sie nicht speziell auf die Fertigung von Elektroschmelzrohrformstücken, die bei hohen Fluiddrücken in der Rohrleitung, typischerweise höher als etwa 25 bar, eingesetzt werden können, gerichtet sind.
In der Technik sind auch Hochdruckrohrleitungen bekannt, wobei verstärkte Rohre bei Fluiddrücken über 25 bar eingesetzt werden. Solche verstärkten Rohre haben Mehrschichtkonstruktionen, beispielsweise aus mehrfachen Kunststofflagen, die zusätzlich eine Verstärkungsschicht einschließlich eines Metalls umfassen können. Für solche Hochdruckrohrleitungen ist es bekannt, eine mechanische Kupplung zu verwenden, um anstoßende Enden von zwei benachbarten Rohren versiegelt miteinander zu verbinden. Solche mechanischen Kupplungen umfassen ein ringförmiges Metallelement, das versiegelt um die gegenüberliegenden anstoßenden Enden der Rohre verbolzt ist, oder, wie in 1 gezeigt, schraubbar mit den Rohrenden verbunden ist. Wie in 1 gezeigt, sind zwei, jeweilige anstoßende Enden 6, 8 zum siegelbaren Miteinanderverbinden aufweisende Rohre 2, 4 von einer ringförmigen Metallkupplung 10 mit einer mit Gewinde versehenen inneren Oberfläche 12, in die die Enden 6, 8 geschraubt sind, umgeben. Solche mechanischen Kupplungen haben das technische Problem, dass sie Korrosion des Metalls unterworfen sind, die mit der Zeit zum Versagen der Kupplung führen kann.
In der Technik besteht ein Bedarf an einem Rohrformstück, das das Elektroverschmelzen von Rohren in einer Hochdruckrohrleitung ermöglicht.
Entsprechend verschafft die vorliegende Erfindung ein Rohrformstück zum Aneinanderkuppeln gegenüberliegender Enden von zwei Kunststoffrohren durch Schmelzschweißung, wobei das Rohrformstück einen ringförmigen Körper mit einer inneren zylindrischen Oberfläche aus Kunststoffmaterial, der einen zylindrischen Hohlraum zur Aufnahme gegenüberliegender Enden von zwei aneinanderzukuppelnden Kunststoffrohren umgibt, eine elektrisch leitfähige Spule, die in besagter innerer zylindrischer Oberfläche vorgesehen ist und den zylindrischen Hohlraum umgibt, wobei die Spule entgegengesetzte Enden aufweist, ein Paar Anschlussklemmen, die jede an ein jeweiliges Ende der Spule angeschlossen und an dem Körper zum Anschluss an eine Quelle gesteuerter elektrischer Energie vorgesehen sind, und ein ringförmiges Verstärkungselement, das in dem Körper untergebracht ist und die Spule umgibt, umfasst, wobei das ringförmige Verstärkungselement eine gerillte Oberfläche aufweist, die eine Grenzfläche mit dem ringförmigen Körper bildet, wobei die gerillte Oberfläche eine Vielzahl axial gerichteter Oberflächen definiert.
Die vorliegende Erfindung verschafft weiterhin eine Rohrleitung, die zumindest zwei Polyethylenrohre beinhaltet, die gegenüberliegende Enden haben, die durch zumindest ein Rohrformstück gemäß der Erfindung aneinandergekoppelt sind, wobei die innere zylindrische Oberfläche des ringförmigen Körpers an eine äußere zylindrische Oberfläche jedes Rohrendes schmelzgeschweißt ist, wobei der ringförmige Körper aus Polyethylen zusammengesetzt ist und das ringförmige Verstärkungselement zumindest dieselbe Zugstärke in einer Umfangsrichtung hat wie die der Polyethylenrohre.
Die vorliegende Erfindung verschafft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrformstücks zum Aneinanderkuppeln gegenüberliegender Enden von zwei Kunststoffrohren durch Schmelzschweißung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst des: (a) Formens einer elektrisch leitenden Spule um einen im Wesentlichen zylindrischen Kernkörper; (b) Anformens eines ersten ringförmigen Körperteils des Rohrformstücks um die Spule und den Kernkörper und Anbringens eines ringförmigen Verstärkungselements um den ersten ringförmigen Körperteil; (c) Anformens eines zweiten ringförmigen Körperteils des Rohrformstücks um das ringförmige Verstärkungselement und den ersten ringförmigen Körperteil und den Kernkörper, um das Rohrformstück zu formen; und (d) Entfernen des Kernkörpers aus dem Rohrformstück.
Die Schritte (b) und (c) können als eine Abfolge von Schritten oder als Einzelschritt ausgeführt werden.
Es werden nun Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben, nur als Beispiel, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine bekannte Rohrleitung, in die eine bekannte mechanische Kupplung integriert ist, ist;
2 eine schematische Schnittansicht durch eine bekannte Rohrleitung, wobei ein bekanntes Rohrformstück um die zwei anstoßenden Rohrenden elektrogeschmolzen ist, ist; die
3(a), (b) und (c) aufeinanderfolgende Schritte in einem Verfahren zur Produktion eines bekannten Rohrformstücks zeigen;
4 eine schematische Schnittansicht durch eine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildete Rohrleitung ist; und die
5(a), (b), (c) und (d) alternative Konfigurationen der gerillten Oberfläche des ringförmigen Verstärkungselements der vorliegenden Erfindung zeigen.
In den Zeichnungen sind Breite oder Dicke mancher Elemente zwecks deutlicher Darstellung übertrieben dargestellt.
Bezugnehmend auf 2 ist eine Rohrleitung dargestellt, die ein bekanntes Rohrformstück 20 enthält. Die Rohrleitung enthält Kunststoffrohre, beispielsweise aus Polyethylen, mit einer Mehrschichtkonstruktion. Typischerweise haben die Rohre einen Durchmesser von 25 bis 630 mm. Ein typischster Durchmesser ist von 90 bis 315 mm. 2 zeigt zwei der Rohre 22, 24 mit gegenüberliegenden Enden 26, 28 in Stoßverhältnis, wobei die Enden 26, 28 von dem Rohrformstück 20 umgeben sind. Jedes Rohr 22, 24 hat eine Mehrschichtkonstruktion, im abgebildeten Stand der Technik eine Dreischichtkonstruktion, oder ist als Alternative verstärkt, beispielsweise durch Metalldrähte, die die Rohre 22, 24 in die Lage versetzen, einem Fluiddruck von mehr als 25 bar unterzogen werden zu können, ohne zu versagen. Das Rohrformstück 20 enthält einen ringförmigen Körper 30, der einen ersten generell radialen Innenteil 32 und einen zweiten generell radialen Außenteil 34 umfasst. Der erste Teil 32 ist aus Polyethylen zusammengesetzt und weist eine innere zylindrische Oberfläche 36 auf, die einen zylindrischen Hohlraum 38 darin definiert. Im Gebrauch ist die innere zylindrische Oberfläche 36, wie in 2 dargestellt, der äußeren zylindrischen Oberfläche 40, 42 der jeweiligen Rohrenden 26, 28 benachbart und, anschließend an das Elektroschmelzen, an diese geschweißt. Die innere zylindrische Oberfläche 36 weist eine darin angebrachte elektrisch leitende Spule 44 auf. Die elektrisch leitende Spule 44 umfasst typischerweise eine schraubenförmige Spule aus Metalldraht, die mit einer Kunststoffhülle oder -schicht, beispielsweise aus Polyethylen (nicht dargestellt) überzogen sein kann. Die elektrisch leitende Spule 44, die in der inneren zylindrischen Oberfläche 36 angebracht ist, kann an oder etwas unter der Oberfläche 36 liegen. Die elektrisch leitende Spule 44 ist mit zwei entgegengesetzten Enden 46, 48 versehen, die jeweils an ein Paar elektrischer Anschlussklemmen 50, 52 angeschlossen sind, die zum Anschluss an eine Quelle gesteuerter elektrischer Energie (nicht dargestellt) an dem ringförmigen Körper 30 vorgesehen sind.
Ein ringförmiges Verstärkungselement 54 umgibt den ersten Teil 36 und ist benachbart zu einer äußeren ringförmigen Oberfläche 55 des ersten Teils 36 angeordnet. Das ringförmige Verstärkungselement 54 umfasst einen kreisförmigen Ring aus hochzugfestem Material, wie etwa einem Metall, beispielsweise Edelstahl, und/oder faserverstärktem Kunststoff. Bei Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs kann die Faserverstärkung aus zumindest einem der Stoffe Polyamidfasern, wie etwa Kevlar(Eingetragenes Warenzeichen)-Fasern, Glasfasern und Metallfasern, wie etwa Edelstahlfasern, gewählt sein. Das ringförmige Verstärkungselement 54 ist so entworfen, dass es zumindest dieselbe Zugstärke in Umfangsrichtung hat wie die der Polyethylenrohre 22, 24, um die das Rohrformstück 20 elektrogeschmolzen werden soll, um die Rohrleitung zu bilden. Das ringförmige Verstärkungselement 54 ist typischerweise mit einer ausreichenden Zugstärke versehen, sodass die die Formstücke 20 enthaltende Rohrleitung einen Höchstdruck von mehr als 25 bar hat.
Das ringförmige Verstärkungselement 54 und der radial innere erste ringförmige Teil 32 sind von dem radial äußeren zweiten ringförmigen Teil 34 umgeben, der vorzugsweise aus demselben Kunststoffmaterial, wie etwa Polyethylen, wie das des ersten ringförmigen Teils 32 zusammengesetzt ist. In dem abgebildeten Stand der Technik hat der zweite ringförmige Teil 34 eine größere Länge in axialer Richtung als der erste ringförmige Teil 32, um dadurch entgegengesetzte ringförmige Endteile 46, 48 des zweiten ringförmigen Teils 34 zu verschaffen. Die Endteile 56, 58 erstrecken sich radial nach innen, um eine jeweilige Innenfläche 60, 62 zu haben, die radial mit der inneren zylindrischen Oberfläche 36 des ersten ringförmigen Teils 32 zusammenfällt. Auf diese Weise sind der erste ringförmige Teil 32 und das ringförmige Verstärkungselement 54 vollständig durch den zweiten ringförmigen Teil 34 verborgen, wenn das Rohrformstück 20 um die Rohre 22, 24 herum hitzeverschweißt ist.
Im Gebrauch werden die zwei Rohrenden 26, 28 in den zylindrischen Hohlraum 38 geschoben, um in einem Stoßverhältnis zu sein, wobei ein Anschlag 64 zwischen den Rohrenden 26, 28 axial zentral innerhalb des Rohrformstücks 20 gelegen ist. Der Radius der inneren zylindrischen Oberfläche 36 des Rohrformstücks 20 ist im Wesentlichen derselbe wie, oder nur etwas größer als, der Radius der äußeren zylindrischen Oberfläche 40, 42 der Rohre 22, 24. Die Anschlussklemmen 50, 52 werden dann für eine zuvor festgelegte Zeitspanne an eine Quelle gesteuerter elektrischer Energie mit der erforderlichen Spannung und Strom angeschlossen, welche Zeitspanne ausreicht, um zu veranlassen, dass die Spule 44 sich aufheizt und dadurch die innere zylindrische Oberfläche 36 des ersten ringförmigen Teils 32 schmilzt. Wenn die Spule 44 mit einer Kunststoffhülle oder -schicht überzogen ist, schmilzt auch die Kunststoffhülle oder -schicht. Das auf diese Weise Verschmelzen des Kunststoffmaterials des Rohrformstücks 20 verursacht Schmelzverlagerung und Schmelzschweißung zwischen der inneren zylindrischen Oberfläche 36 des Rohrformstücks 20 und der äußeren zylindrischen Oberflächen 42, 44 der Rohre 22, 24. Beim Kühlen verfestigt sich das geschmolzene Material, wodurch es mittels des Rohrformstücks 20 eine starke, leckfrei versiegelte Naht um die Rohre 22, 24 bildet.
Wird die resultierende Rohrleitung Fluidhochdruck darin unterworfen, beispielsweise auf Drücken von mehr als 25 bar, verleiht das Vorhandensein des ringförmigen Verstärkungselements 54 innerhalb des Rohrformstücks 20 dem den Anschlag 64 umgebenden Rohrformstück 20 eine Zugstärke in Umfangsrichtung, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die des Rests der Rohrleitung. Somit hat die Elektroschmelzschweißnaht zwischen den zwei Rohren 22, 24 zumindest dieselbe Stärke unter Fluidhochdruck wie der Rest der Rohrleitung.
Da das ringförmige Verstärkungselement 54 innerhalb des ringförmigen Kunststoffkörpers 30 des Rohrformstücks 20 eingeschlossen ist, ist es unwahrscheinlich, dass das Verstärkungselement 54 unter Korrosionsproblemen leiden wird, wie diese von den hierin voranstehend erörterten bekannten mechanischen Kupplungen des Standes der Technik erfahren werden.
Die 3(a), (b) und (c) zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Produktion eines Rohrformstücks. In dem Produktionsverfahren wird, bezugnehmend auf 3(a), ein im Wesentlichen zylindrischer Kernkörper 80 vorgesehen, um den herum durch Wickeln eine elektrisch leitende Spule 82 gebildet wird. Die elektrisch leitende Spule 82 ist vorzugsweise eine schraubenförmige Spule aus Metalldraht, der mit einer Polyethylenhülle oder -schicht (nicht dargestellt) überzogen sein kann. Die Spule 82 hat entgegengesetzte freie Enden 84, 86.
Danach, wie in 3(b) gezeigt, wird eine Spritzgussform (nicht dargestellt) um den die Spule 82 tragenden Kern 80 herum geformt und wird ein erster ringförmiger Körperteil 88 des Rohrformstücks um die Spule 82 und den Kernkörper 80 spritzgussgeformt. Der erste ringförmige Körperteil 88 besteht vorzugsweise aus Polyethylen. Ein ringförmiges Verstärkungselement 90, das die hierin voranstehend unter Verweis auf 2 erläuterte Konstruktion und Zusammensetzung aufweisen kann, wird während des Formschritts um den ersten ringförmigen Körperteil 88 angebracht. Das ringförmige Element 90 hat einen Innenradius, der im Wesentlichen derselbe wie der Außenradius des ersten ringförmigen Körperteils 88 ist.
Bezugnehmend auf 3(c) wird dann eine zweite Spritzgussform (nicht dargestellt) um die Gesamtheit herum geformt und wird ein zweiter ringförmiger Körperteil 92 des Rohrformstücks um das Verstärkungselement 90, den ersten ringförmigen Körperteil 88 und den Kernkörper 80 herum spritzgussgeformt, um das Rohrformstück zu formen. In diesem zweiten Spritzgussschritt werden die Enden 84, 86 der Spule 82 mit an dem zweiten ringförmigen Körperteil 92 angeformten Anschlussklemmen 94, 96 elektrisch verbunden. Wie für 2 umschließt der zweite ringförmige Körperteil 92 die gegenüberliegenden Längsenden 98, 100 des ersten ringförmigen Körperteils 88 durch gegenüberliegende Endwände 99, 101, sodass der erste ringförmige Körperteil 88 und das ringförmige Verstärkungselement 90 vollständig innerhalb des zweiten ringförmigen Körperteils 92 verborgen sind.
Schließlich wird der Kernkörper 80 aus dem Rohrformstück 103 entfernt.
Es ist auch möglich, das in 3 abgebildete Verfahren durch Ausführen eines einzigen Schritts des gleichzeitigen Einformens der ersten und zweiten ringförmigen Körperteile 88, 90 mit dem dazwischen befindlichen Verstärkungselement 80 zu modifizieren. In diesem modifizierten Verfahren wird ein integral eingeformter ringförmiger Körper um das ringförmige Verstärkungselement geformt, wobei dieses modifizierte Verfahren eingesetzt wird, um die hierin nachstehend beschriebene Ausführung von 4 herzustellen.
In 3 ist ersichtlich, dass der Kernkörper 80 mit einer äußeren zylindrischen Oberfläche 102 versehen ist, die einen etwas erhöhten zylindrischen Teil 104 aufweist, um den die elektrisch leitende Spule 82 gewickelt ist. Dementsprechend ist in der resultierenden Rohrleitung, in der Umgebung der elektrisch leitenden Spule 82, eine ringförmige Vertiefung 106 in der inneren zylindrischen Oberfläche 108 des Rohrformstücks 103 angebracht. Dementsprechend verschafft, wenn das Rohrformstück 103 um gegenüberliegende Enden von zwei aneinanderzuschmelzenden und aneinanderzuschweißenden Enden angeordnet ist, das Vorhandensein der Vertiefung 106 einen ringförmigen Hohlraum, in den geschmolzenes Kunststoffmaterial im Elektroschmelzprozess fließen kann, um eine erhöhte Schmelzschweißung zwischen den zwei Kunststoffrohren zu verschaffen.
Bezugnehmend auf 4 ist eine Rohrleitung dargestellt, die ein Rohrformstück 220 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthält. Wie im Stand der Technik enthält die Rohrleitung Kunststoffrohre, beispielsweise aus Polyethylen, mit einer Mehrschichtkonstruktion, und haben die Rohre typischerweise einen Durchmesser von 25 bis 630 mm. Das Rohrformstück 220 enthält einen einstückigen ringförmigen Körper 230, der aus Polyethylen besteht und vorzugsweise während eines einzigen Spritzgussschritts geformt worden ist. Der ringförmige Körper 230 hat eine innere zylindrische Oberfläche 236, die einen zylindrischen Hohlraum 238 darin definiert. In Bezug auf 2 ist bei Gebrauch die innere zylindrische Oberfläche 236 der äußeren zylindrischen Oberfläche 240, 242 jeweiliger Rohrenden 226, 228 benachbart und, nach dem Elektroschmelzen, an diese geschweißt. In der inneren zylindrischen Oberfläche 236 ist eine elektrisch leitende Spule 244 vorgesehen, die dieselbe Konfiguration haben kann wie die elektrisch leitende Spule der Ausführung von 2. Die elektrisch leitende Spule 244 kann an oder etwas unter der inneren zylindrischen Oberfläche 236 liegen. Die elektrisch leitende Spule 244 ist mit zwei entgegengesetzten Enden 246, 248 versehen, die jeweils an eine eines Paars elektrischer Anschlussklemmen 250, 252 angeschlossen sind, die zum Anschluss an eine Quelle gesteuerter elektrischer Energie (nicht dargestellt) an dem ringförmigen Körper 230 vorgesehen sind.
Ein ringförmiges Verstärkungselement 254 ist innerhalb des ringförmigen Körpers 230 angeordnet und ist vollständig von dem ringförmigen Körper 230 umgeben und umschlossen. Die ringförmige Verstärkung 254 umfasst einen kreisförmigen Ring aus hochfestem Material, wie etwa einem Metall, beispielsweise Edelstahl und/oder faserverstärktem Kunststoff, wie bei 2. Wiederum, wie bei 2, ist das ringförmige Verstärkungselement 254 entworfen, um zumindest dieselbe Zugstärke in Umfangsrichtung zu haben wie die der Polyethylenrohre 222, 224, um die das Rohrformstück 220 elektrogeschmolzen werden soll, um die Rohrleitung zu bilden. Das ringförmige Verstärkungselement 254 ist typischerweise mit einer ausreichenden Zugstärke versehen, sodass die das Formstück 220 enthaltende Rohrleitung einen Höchstdruck von mehr als 25 bar hat.
Das ringförmige Verstärkungselement 254 unterscheidet sich von dem in den in 2 gezeigten Stand der Technik enthaltenen. Insbesondere ist die innere zylindrische Oberfläche 256 des ringförmigen Verstärkungselements 254 mit einem gerillten Oberflächenprofil 260 versehen. Das gerillte Oberflächenprofil 260 wird durch eine Vielzahl ringförmiger Rillen 262, oder zumindest einer schraubenförmige Rille 262, dargestellt, die in der Innenfläche 256 des ringförmigen Verstärkungselements 254 gebildet sind. Wie deutlicher in 5 gezeigt, stellen die Rillen eine Vielzahl im Wesentlichen axial (d.h. in Längsrichtung entlang der Länge des Rohrformstücks und der letztendlichen Rohrleitung) gerichteter Rillenflächen 264, 266 auf erhöhten Teilen 268 zwischen benachbarten Rillen 262 dar, die in entgegengesetzte axiale Richtungen entlang der Achse des Rohrformstücks 220 gerichtet sind. Wie in 5(a) gezeigt, kann die Rillenform von quadratischem Querschnitt sein. Alternativ, wie in den 5(b), 5(c) und 5(d) gezeigt, kann die Rillenform jeweils von rechteckigem, abgerundet quadratischem oder abgerundet rechteckigem Querschnitt sein. Typischerweise beträgt die Rillentiefe zwischen 1,5 und 6 mm und beträgt die Rillenbreite zwischen 2 und 12 mm.
In der dargestellten Ausführung ist nur die innere zylindrische Oberfläche 256 des ringförmigen Verstärkungselements 254 mit einem gerillten Oberflächenprofil 260 versehen. In einer alternativen Ausführung ist jedoch zusätzlich die äußere zylindrische Oberfläche 270 des ringförmigen Verstärkungselements 254 mit einem gerillten Oberflächenprofil 260 versehen. Während des Spritzgussformens schrumpft das Polyethylenmaterial und wird in die Rillen 262 eingeformt. Ist die äußere zylindrische Oberfläche 270 gerillt, dann schrumpft, wenn der ringförmige Körper 230 durch Spritzgießen um das ringförmige Verstärkungselement 254 herum geformt wird, das Polyethylenmaterial des ringförmigen Körpers 230 radial nach innen in die an der äußeren zylindrischen Oberfläche 270 geformten Rillen 262. Dies verschafft den Vorteil vollständigen Ausfüllens der Rillen 262 durch das Polyethylenmaterial mit einer zuverlässigen Grenzfläche mit maximalem Oberflächengebiet zwischen den inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen 256, 270 und dem Polyethylen des ringförmigen Körpers 230. Die Rillen 262 können durch spanende Fertigung, Verpressen oder Einformen hergestellt sein.
Das Vorsehen eines gerillten Oberflächenprofils 260 an dem ringförmigen Verstärkungselement 254 erhöht die Fähigkeit des verstärkten Rohrformstücks, das das ringförmige Verstärkungselement 254 umfasst, das in den thermoplastischen ringförmigen Körper 230 eingeformt ist, längsgerichtete Kräfte zu absorbieren, wenn das Rohrformstück benutzt wird, insbesondere, wenn das Rohrformstück in einer Hochdruckrohrleitung verwendet wird. Insbesondere ist es das Vorsehen der axial gerichteten Rillenflächen 264, 266, welche der relativen Längsverschiebung des Polyethylenmaterials des ringförmigen Körpers 230 und des ringförmigen Verstärkungselements 254 widerstehen und somit die Stärke des Rohrformstücks erhöhen.
Unter Berücksichtigung des bei Gebrauch auf das Rohrformstück angelegten Beanspruchung wird das Rohrformstück als Ergebnis innerer Druckbeaufschlagung des Fluids in der Rohrleitung einer längsgerichteten (d.h. axialen) Belastung unterzogen, die eine Hälfte der ringförmigen Umfangsspannung beträgt. Die maximale Längsbelastung, der das Rohrformstück unterzogen werden kann, ist gleich der Streckspannung des Polyethylenmaterials, das den ringförmigen Körper 230 umfasst. Mit anderen Worten:
wobei
die maximale Umfangsbelastung ist und
die Streckspannung des Polyethylenmaterials ist. Wenn eine glatte Oberfläche des ringförmigen Verstärkungselements vorgesehen ist, beeinflusst die glatte Oberfläche die Längsspannung nicht. Wenn jedoch die Oberfläche des ringförmigen Verstärkungselements mit einem gerillten Profil in Übereinstimmung mit dieser Ausführung versehen ist, ist die maximale Umfangsspannung gemäß der folgenden Formel erhöht:
wobei n = L/W, wobei L die längsgerichtete Länge der Schweißzone zwischen den Rohren und dem Rohrformstück und W die Rillenbreite ist.
Dementsprechend ist ersichtlich, dass ein Anstieg in der Anzahl von Rillen (n) die maximale Umfangsspannung erhöht, der das Rohrformstück beim Gebrauch vor Versagen unterzogen werden kann.
Wiederum bezugnehmend auf die 4 und 5(a), (b), (c) und (d) ist erfindungsgemäß das ringförmige Verstärkungselement 254 auch mit einer Vielzahl überbrückender Perforationen 272 zwischen dem radial äußeren Teil 273 und dem radial inneren Teil 274 des einstückig geformten ringförmigen Polyethylenkörpers 230 versehen. Die Perforationen 272 sind vorzugsweise über das Gebiet des ringförmigen Verstärkungselements 254 verteilt. Die überbrückenden Perforationen 272 können kreisförmige Löcher umfassen, die typischerweise einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen derselbe ist wie die Breite einer Rille. Alternativ können die überbrückenden Perforationen 272 lineare Schlitze umfassen, die in einer ringförmigen Richtung um das ringförmige Verstärkungselement 254 orientiert sind. Vorzugsweise haben solche Schlitze eine Breite, die im Wesentlichen dieselbe ist wie die einer Rille 262, und eine Länge im Bereich von 2 bis 10 Mal der der Breite. Für jede der Konfigurationen von überbrückenden Perforationen 272 können die Perforationen 272 durch einen axialen Abstand getrennt werden, der 2 bis 10 Mal die Dicke des ringförmigen Polyethylenkörpers 230 beträgt.
Die überbrückenden Perforationen 272 verschaffen den Vorteil, dass, wenn das Rohrformstück bei Gebrauch beansprucht wird, sowohl durch eine Umfangsspannung als auch eine Längsspannung, die überbrückenden Perforationen 272 eine sicherere Verbindung zwischen dem radial äußeren Teil 273 und radial inneren Teil 274 des ringförmigen Körpers 230 gestatten, wodurch sie der Verformung des Polyethylens des ringförmigen Körpers widerstehen und den Verstärkungseffekt des ringförmigen Verstärkungselements 254 erhöhen.
In den abgebildeten Ausführungen ist ein lineares Rohrformstück zum Miteinanderverbinden zweier Rohre vom selben Durchmesser dargestellt. Das Rohrformstück kann zum Miteinanderverbinden von Rohren unterschiedlichen Durchmessers konfiguriert sein, entweder in einer linearen Ausrichtung oder als Rohrkrümmer oder Bogen. Die vom Elektroschmelzen des Kunststoffmaterials herrührende Schmelzverlagerung passt sich an den Durchmesserunterschied an, um eine zuverlässig versiegelte Naht sicherzustellen. Das Rohrformstück kann auch zum Miteinanderverbinden von mehr als zwei Rohren, beispielsweise drei Rohren in Form eines T-Rohrformstücks, konfiguriert sein.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Verweis auf das nachfolgende, nicht einschränkende Beispiel detaillierter erläutert.
Beispiel
Zwei Rohrformstücke mit der in 2 abgebildeten Struktur wurden spritzgussgeformt, um ein ringförmiges Verstärkungselement aus Metall aufzunehmen. Die Rohrformstücke wurden zum Aneinanderkuppeln von Polyethylenrohren geformt und dimensioniert, welche Rohre verstärkt waren, um auf hohem Innendruck betreibbar zu sein, wobei die Rohre einen Außendurchmesser von 40 mm hatten. Die Rohrformstücke wurden durch Elektroschmelzschweißen an die Rohre geschweißt. Der resultierende Rohrleitungsabschnitt wurde Drucktests auf einer Temperatur von 80 Grad Celsius unterworfen. Bei 80 Grad Celsius, unter einem Druck von 60 bar, wurde nach einem Testzeitraum von 165 Stunden kein Versagen in der Rohrleitung festgestellt. Bei einer Temperatur von 80 Grad Celsius, unter einem Druck von 80 bar, wurde für einen Testzeitraum von 165 Stunden ebenfalls kein Versagen beobachtet. Dieses letzte Resultat zeigt, dass das Elektroschmelzschweiß-Rohrformstück der Erfindung in Kombination mit einem verstärkten Polyethylenrohr einem Druck von 10 Mal höher als ein konventionelles Einschicht-Polyethylenrohrleitungssystem, das konventionelle Rohrformstücke einsetzt, widerstehen kann.

Claims

Ein Rohrformstück (220) zum Aneinanderkuppeln gegenüberliegender Enden von zwei Kunststoffrohren (222, 224) durch Schmelzschweißung, wobei das Rohrformstück einen ringförmigen Körper (230) mit einer inneren zylindrischen Oberfläche (236) aus Kunststoffmaterial, der einen zylindrischen Hohlraum (238) zur Aufnahme gegenüberliegender Enden von zwei aneinanderzukuppelnden Kunststoffrohren (222, 224) umgibt, eine elektrisch leitfähige Spule (244), die in besagter innerer zylindrischer Oberfläche (236) vorgesehen ist und den zylindrischen Hohlraum (238) umgibt, wobei die Spule entgegengesetzte Enden aufweist, ein Paar Anschlussklemmen (246, 248), die jede an ein jeweiliges Ende der Spule angeschlossen und an dem Körper zum Anschluss an eine Quelle gesteuerter elektrischer Energie (250, 252) vorgesehen sind, und ein ringförmiges Verstärkungselement (254), das in dem Körper untergebracht ist und die Spule umgibt, umfasst, dadurch gekennzeichnet dass die innere zylindrische Oberfläche (256) des ringförmigen Verstärkungselements (254) mit einer gerillten Oberfläche (260) versehen ist, die eine Grenzfläche mit dem ringförmigen Körper (230) bildet, wobei die gerillte Oberfläche eine Vielzahl axial gerichteter Oberflächen (264–266) definiert und besagtes ringförmiges Verstärkungselement eine ausreichende Zugstärke hat, sodass die Rohrleitung, in die das Rohrformstück eingearbeitet ist, einem Fluiddruck von mehr als 25 bar unterzogen werden kann, ohne zu versagen.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 1, wobei der ringförmige Körper aus eingespritzten geformten Kunststoffen zusammengesetzt ist und einen inneren ringförmigen Teil und einen den inneren ringförmigen Teil umgebenden äußeren ringförmigen Teil umfasst und das ringförmige Verstärkungselement zwischen den inneren und äußeren ringförmigen Teilen positioniert ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die gerillte Oberfläche an zumindest einer einer äußeren zylindrischen Oberfläche und einer inneren zylindrischen Oberfläche des ringförmigen Verstärkungselements vorgesehen ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 3, wobei die gerillte Oberfläche (260) eine Vielzahl ringförmiger Rillen (262) oder zumindest eine schraubenförmige Rille (262) an der jeweiligen zylindrischen Oberfläche umfasst.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei die oder jede Rille (262) zwischen einem Paar gegenüberliegender axial gerichteter Oberflächen des ringförmigen Verstärkungselements definiert ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 5, wobei die axial gerichteten Oberflächen (264–266) durch ein Rillenprofil definiert sind, das aus einer quadratischen, rechteckigen, abgerundet quadratischen oder abgerundet rechteckigen Rillenform gewählt ist.
Ein Rohrformstück gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die oder jede Rille (262) eine Tiefe von 1,5 bis 6 mm und eine Breite von 2 bis 12 mm hat.
Ein Rohrformstück gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das ringförmige Verstärkungselement (254) weiter mit einer Vielzahl von sich hierdurch erstreckenden Perforationen (272) versehen ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 8, wobei jede Perforation eine kreisförmige Fläche hat.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 9, wobei jede kreisförmige Perforation einen Durchmesser hat, der im Wesentlichen gleich der Breite einer Rille ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 8, wobei jede Perforation als ein sich in einer ringförmigen Richtung erstreckender linearer Schlitz ausgebildet ist.
Ein Rohrformstück gemäß Anspruch 11, wobei jeder Schlitz eine Breite, die im Wesentlichen gleich der Breite einer Rille ist, und eine Länge von 2 bis 10 Mal die Breite des Schlitzes hat.
Eine Rohrleitung, die zumindest zwei Polyethylenrohre beinhaltet, die gegenüberliegende Enden haben, die durch zumindest ein Rohrformstück gemäß einem der vorgenannten Ansprüche aneinandergekoppelt sind, wobei die innere zylindrische Oberfläche des ringförmigen Körpers an eine äußere zylindrische Oberfläche jedes Rohrendes schmelzgeschweißt ist, wobei der ringförmige Körper aus Polyethylen zusammengesetzt ist und das ringförmige Verstärkungselement zumindest dieselbe Zugstärke in einer Umfangsrichtung hat wie die Polyethylenrohre.
Eine Rohrleitung gemäß Anspruch 13, wobei die Rohre aus Mehrschichtrohren und verstärkten Rohren gewählt sind und die Rohrleitung einen Höchstdruck von mehr als 25 bar hat.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrformstücks zum Aneinanderkuppeln gegenüberliegender Enden von zwei Kunststoffrohren durch Schmelzschweißung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst des: (a) Formens einer elektrisch leitenden Spule um einen im Wesentlichen zylindrischen Kernkörper; (b) Anformens eines ersten ringförmigen Körperteils des Rohrformstücks um die Spule und den Kernkörper und Anbringens eines ringförmigen Verstärkungselements (254) um den ersten ringförmigen Körperteil; (c) Anformens eines zweiten ringförmigen Körperteils des Rohrformstücks um das ringförmige Verstärkungselement (254) und den ersten ringförmigen Körperteil und den Kernkörper, um das Rohrformstück zu formen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere zylindrische Oberfläche (256) des ringförmigen Verstärkungselements (254) mit einer gerillten Oberfläche (260) versehen ist, die eine Grenzfläche mit dem ringförmigen Körper (230) bildet, wobei die gerillte Oberfläche eine Vielzahl axial gerichteter Oberflächen (264–266) definiert, und wobei besagtes ringförmiges Verstärkungselement eine ausreichende Zugstärke hat, sodass die Rohrleitung, in die das Rohrformstück eingearbeitet ist, einem Fluiddruck von mehr als 25 bar unterzogen werden kann, ohne zu versagen; und (d) Entfernen des Kernkörpers aus dem Rohrformstück.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Schritte (b) und (c) als eine Abfolge von Schritten ausgeführt werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Schritte (b) und (c) in einem einzigen Schritt ausgeführt werden, wobei das erste und das zweite ringförmige Körperteil gleichzeitig geformt werden, wobei das Verstärkungselement sich zwischen diesen befindet.
Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der zweite ringförmige Körperteil während des Anformens in die gerillte Oberfläche geschrumpft wird.