DE102008002926B3

DE102008002926B3 - Vorrichtung zum Verbinden von axialen Längenänderungen unterworfenen Rohrleitungen

Info

Publication number: DE102008002926B3
Application number: DE200810002926
Authority: DE
Inventors: Karl Weinhold
Original assignee: Weinhold Karl Dipl-Ing (fh)
Current assignee: Weinhold Karl Dipl-Ing (fh)
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: WO2010000563A1; US8991873B2; AU2009265919B2; RU2451862C1; PL393599A1; US20110198844A1; AU2009265919A1; ZA201009024B; PL212450B1; AU2009265919B9

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Vorrichtung zum Verbinden von axialen Längenänderungen unterworfenen Rohrleitungen, insbesondere Hochdruck-Rohrleitungen, die beispielsweise in Schächten von Bergwerken verlegt sind. Um solche Vorrichtungen auch bei sehr hohen Drücken einsetzen zu können, wobei diese einen einfachen Aufbau besitzen und dennoch zu Wartungs- und Reinigungszwecken zerlegbar sein sollen, ist eine gattungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, gekennzeichnet durch ein Rohrelement (1) mit einem eine stirnseitige Ringfläche (F1) aufweisenden Flansch (2) sowie einem das Rohrelement (1) umspannenden Ring (3), eine Schiebemuffe (4), deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Flansches (2) entspricht und deren eines Ende eine Öffnung zur Aufnahme des Rohrelements (1) aufweist, wobei der Flansch (2) in der Schiebemuffe (4) axial verschiebbar angeordnet ist, und durch eine an der Schiebemuffe (4) befestigte und um das Rohrelement (1) und den Ring (3) herum angeordnete Außenhülse (5), deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rings (3) entspricht, deren Innenraum über wenigstens eine Öffnung im Rohrelement (1) mit dem Leitungsinneren in Verbindung steht und in dem der Ring (3) eine druckbeaufschlagte Ringfläche (F2) bildet, die im Wesentlichen gleich groß wie die Ringfläche (F1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von axialen Längenänderungen unterworfenen Rohrleitungen, insbesondere Hochdruck-Rohrleitungen, die beispielsweise in Schächten von Bergwerken verlegt sind.
Solche Leitungen werden auch als 'Schachtleitungen' bezeichnet. Schachtleitungen werden nicht nur im deutschen, sondern auch im ausländischen Steinkohlenbergbau eingesetzt, über sie müssen Fluide über viele hundert Meter zu den entsprechenden untertägigen Abbaubetrieben gefördert werden. Dabei gibt es oft ein Problem hinsichtlich der Längenausdehnung solcher eingebauten Schachtleitungen. Eine solche Längenausdehnung kann man in Form von Schläuchen, die man etwa alle 100 m einbaut, kompensieren oder mittels bekannter Dehnspiralen, welche eine Längenausdehnung von 40 bis 50 mm je einhundert Meter kompensieren können.
Werden Schachtleitungen mit größeren Durchmessern und sehr hohen Drücken eingesetzt, so gestaltet sich das Ausdehnungsproblem noch komplizierter, da mit dickwandigen Rohren keine kleinen Spiraldurchmesser gebogen werden können und es für Druckbereiche größer 40 MPa keine Schläuche gibt, um ein flexibles Element in der Schachtleitung zu verlegen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verbinden von axialen Längenänderungen unterworfenen Rohrleitungen zur Verfügung zu stellen, welche auch für sehr hohe Drücke eingesetzt werden kann, einen einfachen Aufbau besitzt und dennoch zu Wartungs- und Reinigungszwecken zerlegbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch ein Rohrelement mit einem eine stirnseitige Ringfläche aufweisenden Flansch sowie einem das Rohrelement umspannenden Ring, eine Schiebemuffe, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Flansches entspricht und deren eines Ende eine Öffnung zur Aufnahme des Rohrelements aufweist, wobei der Flansch in der Schiebemuffe axial verschiebbar angeordnet ist, und durch eine an der Schiebemuffe befestigte und um das Rohrelement und den Ring herum angeordnete Außenhülse, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rings entspricht, deren Innenraum über wenigstens eine Öffnung im Rohrelement mit dem Leitungsinneren in Verbindung steht und in dem der Ring eine druckbeaufschlagte Ringfläche bildet, die im wesentlichen gleich groß wie die Ringfläche ist.
Die Erfindung hat erkannt, dass es möglich ist, die bei teleskopartigen Verbindungen stets dem Rohrinndendruck ausgesetzten stirnseitigen Ringflächen jeweils mit einem entsprechenden Ausgleichselement zu versehen, welches wiederum eine druckbeaufschlagte stirnseitige Ringfläche aufweist, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Auf diese Weise verhalten sich die einzelnen Vorrichtungen neutral, so dass eine Addition einzelner kleinerer Druckbelastungen in eine bestimmte Richtung zuverlässig ausgeschlossen ist.
Durch die – besonders im Steinkohlebergbau – großen Teufen, haben Schachtleitungen oft Längen von deutlich mehr als 1.000 Metern, so dass Längenänderungen ohne entsprechende Ausgleichselemente zu einer Längenausdehnung der Leitung führen würde, welche die Leitung wellenförmig verformen, so dass Ausknickungen entstehen könnten, welche sogar Halterungen aus der Schachtwand herausreißen könnten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenhülse mit der Schiebemuffe und/oder der Ring mit dem Rohrelement verschraubt. Es versteht sich, dass am Ende der Verschraubungen entsprechende Dichtelemente vorhanden sind. Die Verschraubung hat den Vorteil einer definierten Lage, da die beiden miteinander zu verbindenden Teile beim Montieren der Vorrichtung in die gewünschte Stellung (als Endstellung) gebracht werden können.
Eine weitere Lehre der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche zwischen zwei Rohrkupplungen aufweisenden Leitungsenden einsetzbar ist und damit endseitig entsprechende Kupplungselemente aufweist. Eine Verbindung mit Rohrkupplungen und Schellen ist zweckmäßig, damit die einzelnen Elemente leicht montiert und auch demontiert werden können, beispielsweise um Dichtringe auswechseln zu können. Dazu weist das Rohrelement an seinem dem Flansch entgegengesetzten Ende ein Rohrkupplungselement auf.
Um dem Rohrelement einen besonders guten Halt zu verschaffen, weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Rohrkupplungselement einen längeren Rohrkupplungsflansch auf, in dem das Ende des Rohrelements verschraubt ist. Dieser Rohrkupplungsflansch kann, genau wie die Außenhülse und/oder der Ring, gleichmäßig über den äußeren Umfang verteilt angeordnete Sackbohrungen aufweisen, um das Verschrauben und insbesondere das Aufschrauben zu Wartungszwecken zu erleichtern.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Schiebemuffe an ihrem offenen Ende ein Adapterelement auf, dessen Innendurchmesser dem der Rohrleitung entspricht und das in die Schiebemuffe hineinragt. Bevorzugt können sowohl das Adapterelement als auch die Schiebemuffe jeweils einen Flansch aufweisen, so dass das Adapterelement mit der Schiebemuffe über eine Rohrkupplungsschelle oder Schraubrohrkupplung miteinander verbunden werden kann.
Im Falle, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Rohrleitung mit Rohrkupplungen aufweisenden Leitungsenden verwendet werden soll, weist bevorzugt auch das Adapterelement an seinem der Schiebemuffe entgegengesetzten Ende ein Rohrkupplungselement auf, welches gleichfalls als Rohrkupplungsschelle oder als Schraubohrkupplung ausgtebildet sein kann.
Damit nun der nicht vom Medium in der Leitung beaufschlagte Teil der Außenhülse druckfrei bleibt, weist die Außenhülse nach einer weiteren Lehre der Erfindung mehrere über ihren Umfang verteilt angeordnete Öffnungen auf, durch die die Luft bei Längenänderungen des Rohrelements entweichen kann. Die Öffnungen sind zweckmäßiger Weise als Bohrungen ausgebildet.
Es versteht sich, dass zwischen jeweils zwei ineinandergreifenden Teilen jeweils wenigstens eine Dichtung in entsprechenden Nuten angeordnet ist, wobei bevorzugt O-Ringe als Dichtungen verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die für die Dichtringe vorgesehenen Nuten eine entsprechende Oberflächenvergütung auf.
Schließlich sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise alle Schiebesitze und Oberflächen mit einer Schmutz abweisenden Beschichtung versehen. Eine solche Beschichtung ist von erheblicher Bedeutung, da sich auf diese Weise die Bildung von sog. Zinkschwamm, der durch die Feuerverzinkung der Rohre entsteht, zuverlässig vermeiden lässt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Mittelstellung,
2 den Gegenstand aus 1 in seiner ersten Endstellung und
3 den Gegenstand aus 1 in seiner zweiten Endstellung.
Die Figuren zeigen denselben Gegenstand, nämlich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Mittelstellung (1), in ausgefahrener Endstellung (2) und in eingefahrener Endstellung (3).
Dabei besteht die Vorrichtung zunächst aus einem ersten Rohrelement 1, dessen eines Ende mit einem Flansch 2 verstärkt ist und um dessen Umfang etwa mittig ein Ring 3 angeordnet ist. Der Ring 3 ist im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel auf das Rohrelement 1 aufgeschraubt, dazu sieht das Rohrelement 1 an der gewünschten Stelle ein entsprechendes Außengewinde vor (nicht näher bezeichnet). Dementsprechend weist der Ring 3 ein korrespondierendes Innengewinde auf.
Das Rohrelement 1 ist nun mit seinem den Flansch 2 aufweisenden Ende in einer Schiebemuffe 4 angeordnet, welche wiederum mit einer Außenhülse 5 verbunden ist, deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rings 3 entspricht und deren der Schiebemuffe 4 abgewandtes Ende eine Öffnung zur Aufnahme des Rohrelements 1 aufweist. Der zwischen Ring 3 und oberen Ende der Außenhülse 5 gebildete Ringraum steht über Bohrungen 6, die gleichmäßig über den Umfang des Rohrelements 1 verteilt angeordnet sind, mit dem in der Rohrleitung befindlichen Fluid in Verbindung.
Da nun einerseits die stirnseitige Ringfläche des Flansches 2 innerhalb der Schiebemuffe 4 eine erste Fläche F₁ aufweist, ist die Geometrie von Ring 3 und Außenhülse 5 so gewählt, dass die druckbeaufschlagte Ringfläche des Rings 3, welche als Fläche F₂ bezeichnet ist, im wesentlichen genauso groß sein soll wie die Ringfläche F₁, um – für jede beliebige Position von Rohrelement 1 zu Schiebemuffe 4 – einen Druckausgleich in axialer Richtung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann ein Aufbau von sich einseitig addierendem axialen Druck zuverlässig verhindert werden.
Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Schachtleitungsenden, welche oben mit E₁ und unten mit E₂ bezeichnet sind, Rohrkupplungselemente auf. Dementsprechend ist auf das obere Ende des Rohrelements 1 ein Rohrkupplungselement 7 aufgeschraubt, welches im dargestellten Fall als Steckteil ausgebildet ist und mit dem als Muffenteil ausgebildeten Ende der Schachtleitung E₁ korrespondiert. Das Rohrkupplungselement 7 weist dabei einen längeren Rohrkupplungsflansch 8 auf, in dem die Verschraubung mit dem Ende des Rohrelements 1 über ein nicht näher bezeichnetes Gewinde erfolgt. Die beiden Rohrkupplungselemente 7 und E₁ werden dabei im dargestellten Fall mittels einer Schellenkupplung 9 zusammengehalten.
Unterhalb der Schiebemuffe 4 befindet sich ein Adapterelement 10, dessen Innendurchmesser dem der Rohrleitung entspricht und das an seinem Ende einen Durchmesser aufweist, der dem Innendurchmesser der Schiebemuffe 4 entspricht und in diese hineinragt. Das Adapterelement 10 weist an seinem oberen Ende einen Flansch 11 und die Schiebemuffe 4 an ihrem unteren Ende einen Flansch 12 auf, welche mit einer Schelle 13 miteinander verbunden sind. Am unteren Ende ist das Adapterelement 10 ebenfalls mit einem Rohrkupplungselement, im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Muffe 14 versehen, in die das als Steckteil ausgeführte Ende E₂ des unteren Rohrleitungsstranges eingeführt ist, wobei die beiden Flansche dieser Teile mit einer Schelle 15 verbunden sind.
Damit der Ringraum unterhalb des Rings 3 auch bei Axialbewegungen der Vorrichtung in jedem Fall druckfrei bleibt, sind mehrere über den Umfang der Außenhülse 5 verteilt angeordnete Bohrungen 16 vorgesehen, um einen entsprechenden Lufteinlass bzw. -auslass zu gewährleisten.
Zur Vereinfachung der Montage und Demontage weisen die mit einem Innengewinde versehenen Flansche der Außenhülse 5 und der Rohrkupplungsflansch 8 genau wie der Ring 3 an seiner Außenseite über den Umfang verteilt angeordnete Sackbohrungen 17 auf, in welche geeignete Werkzeuge eingreifen können, um das notwendige Drehmoment aufzubringen.
Schließlich sind überall zwischen zwei ineinander greifenden Teilen jeweils wenigstens eine Dichtung in entsprechenden Nuten angeordnet. Diese Dichtungen sind zweckmäßiger Weise als O-Ringe ausgebildet, die zugehörigen Nuten zweckmäßiger Weise oberflächenvergütet.
Die Schachtleitung selbst kann an einer Konsole K aufgehängt sein und dann ca. 100 m frei hängen, um dann in eine nächste Vorrichtung zum Ausgleich der Längenänderung zu münden, die auf einem Standrohr befestigt wiederum an einer entsprechenden Konsole angekuppelt wird. Die Länge von 100 m dient hier nur als Beispiel, sie kann auch nur 50 m oder gar noch weniger oder vielleicht auch 110 m betragen. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt zudem, dass eine Schachtleitung nicht mehr mit jedem oder jedem zweiten Rohr an der Wand befestigt werden muss, da bei axialem Druck, der entsprechend kompensiert wird, ein Ausknicken der Leitung verhindert werden kann.
Anstelle der gezeigten Rohrkupplungen mit Schellen können natürlich auch andere Hochdruckverschraubungen verwendet werden, beispielsweise Hochdruckverschraubungen gemäß dem deutschen Patent 10 2005 019 644 des Anmelders dieser Patentanmeldung. Theoretisch ist es auch möglich, die Vorrichtung unmittelbar an die Rohrleitungen anzuschweißen und auf die Rohrkupplungen zu verzichten. Dies erscheint jedoch aufgrund von Wartungsintervallen nicht sinnvoll, da insbesondere die in der Vorrichtung enthaltenen Dichtringe 18 durch den hohen Druck des transportierten Fluids einem Verschleiß ausgesetzt sein können und daher austauschbar sein müssen.
2 zeigt nun die erfindungsgemäße Vorrichtung in ausgefahrenem Zustand, dies entspricht einem verkürzten oberen Rohrleitungsstrang. Auch in dieser Endstellung werden beide Ringflächen F₁ und F₂ mit Medium druckbeaufschlagt, so dass eine Ausdehnung der oberen Rohrleitung problemlos und druckfrei erfolgen kann.
3 zeigt schließlich die entgegengesetzte Endstellung, wie sie im Normalbetrieb niemals auftreten darf, da hier die untere Ringfläche F₁ mit der entsprechenden Ringfläche des Adapterelements 10 in Kontakt steht und somit nicht mehr druckbeaufschlagt ist. Daher ist bei der Konzeption der Dimensionen für die erfindungsgemäße Vorrichtung stets eine ausreichende ”Reserve” vorzusehen. Alternativ wäre es auch möglich, die obere Ringfläche des Adapterelements 10 kegelförmig zu gestalten, so dass die Ringfläche F₁ auch in ihrer Endstellung druckbeaufschlagt ist.

Claims

Vorrichtung zum Verbinden von axialen Längenänderungen unterworfenen Rohrleitungen, insbesondere Hochdruck-Rohrleitungen, gekennzeichnet durch ein Rohrelement (1) mit einem eine stirnseitige Ringfläche (F₁) aufweisenden Flansch (2) sowie einem das Rohrelement (1) umspannenden Ring (3), eine Schiebemuffe (4), deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Flansches (2) entspricht und deren eines Ende eine Öffnung zur Aufnahme des Rohrelements (1) aufweist, wobei der Flansch (2) in der Schiebemuffe (4) axial verschiebbar angeordnet ist, und durch eine an der Schiebemuffe (4) befestigte und um das Rohrelement (1) und den Ring (3) herum angeordnete Außenhülse (5), deren Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Rings (3) entspricht, deren Innenraum über wenigstens eine Öffnung im Rohrelement (1) mit dem Leitungsinneren in Verbindung steht und in dem der Ring (3) eine druckbeaufschlagte Ringfläche (F₂) bildet, die im wesentlichen gleich groß wie die Ringfläche (F₁) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Öffnung im Rohrelement (1) als mehrere über den Umfang verteilt angeordnete Bohrungen (6) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (5) mit der Schiebemuffe (4) verschraubt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (3) mit dem Rohrelement (1) verschraubt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung zwischen zwei Rohrkupplungen aufweisenden Leitungsenden (E₁, E₂) einsetzbar ist und endseitig entsprechende Kupplungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) an seinem dem Flansch (2) entgegengesetzten Ende ein Rohrkupplungselement (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrkupplungselement (7) einen längeren Rohrkupplungsflansch (8) aufweist und dort mit dem Ende des Rohrelements (1) verschraubt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (5), der Ring (3) und/oder der Rohrkupplungsflansch (8) gleichmäßig über ihren äußeren Umfang verteilt angeordnete Sackbohrungen (17) zur Vereinfachung des Auf- bzw. Abschraubens aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiebemuffe (4) an ihrem offenen Ende ein Adapterelement (10) aufweist, dessen Innendurchmesser dem der Rohrleitung entspricht und das in die Schiebemuffe (4) hineinragt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (10) einen Flansch (11) und die Schiebemuffe (4) einen Flansch (12) aufweist und dass das Adapterelement (10) mit der Schiebemuffe (4) über eine Rohrkupplungsschelle (13) miteinander verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vorrichtung zwischen zwei Rohrkupplungen aufweisenden Leitungsenden (E₁, E₂) einsetzbar ist und endseitig entsprechende Kupplungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterelement (10) an seinem der Schiebemuffe (4) entgegengesetzten Ende ein Rohrkupplungselement (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (5) mehrere über ihren Umfang verteilt angeordnete Öffnungen aufweist, damit der Innenraum druckfrei bleibt und die Luft bei Längenänderungen des Rohrelements (1) entweichen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung als Bohrungen (16) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei ineinander greifenden Teilen jeweils wenigstens eine Dichtung in entsprechenden Nuten angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen als O-Ringe (18) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten oberflächenvergütet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schiebesitze und Oberflächen mit einer Schmutz abweisenden Beschichtung versehen sind.