DE8008576U1 - Innen- oder aussendruckbelasteter gelenkkompensator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. R. LEMCKE

DR.-ING. H. J. BROMMER

AMALIENSTRASSE 28

KARLSRUHE 1

Witzenmann GmbH Metallschlauch-Fabrik Pforzheim Östliche Karl-Friedrich-Straße 134, 7530 Pforzheim

Innen- oder außendruckbelasteter Gelenkkompensator

Die Erfindung betrifft einen innen- oder außsndruckbelasteten, in einer Ebene oder allseits beweglichen Gelenkkompensator für rohrförmige Durchtritte, beispielsweise Rohrleitungen, wobei der Kompensator auf beiden Seiten endständig rohrförmige Anschlußflanschen aufweist, die durch innerhalb oder außerhalb des Kompensators angeordnete Mittel gelenkig, ggf. kardanisch miteinander verbunden sind, und wobei zwischen den Anschlußflanschen ein mit diesen dicht verbundenes, allseits bewegungselastisches Element angeordnet ist.

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Bei derartigen bekannten Kompensatoren ist das bewegungselastische Element ein ringgewellter Balg aus Metall, Gummi oder Kunststoff, wobei die Materialwahl von der Höhe des Druckes, den auftretenden Temperaturen, eventuell chemischen Einflüssen des anstehenden Mediums etc. abhängig ist. Hat man es mit hohen Innen- oder Außendrücken zu tun, womit sich die Erfindung nachfolgend befassen wird, so kommen lediglich Metallbälge in Frage.

Derartige Metallbälge sind verhältnismäßig teure und relativ steife Bauelemente. Aus Kostengründen versucht man, sie so kurz wie möglich zu halten, wobei sie jedoch nur eine sehr geringe Winkelbeweglichkeit zulassen. Ist eine größere Winkelbeweglichkeit gefordert, so müssen die Metallbälge entsprechend lang ausgebildet werden, wodurch die Kosten des Kompensators in ganz erheblichem Maße beeinflußt werden. Diese Beeinflussung ist vor allem auch durch den jeweils erforderlichen Balgdurchmesser gegeben, indem Bälge größeren Durchmessers verhältnismäßig weniger Winkelbeweglichkeit zulassen und relativ teurer sind.

Aufgabe der Erfindung 1st es, einen Kompensator der vorstehend umrissenen Art so weiter auszubilden, daß er insbesondere auch bei großen Durchmessern erhebliche Schwenkwinkel, beispielsweise von - 20°, ggf. in alle Richtungen zuläßt und trotzdem auch bei hoher Innen- oder Außendruckbelastung vollständig sicher abgedichtet ist. Dies soll zusätzlich in einer Form

geschehen, die bei eventuell auftretendem Verschleiß auch in verhältnismäßig einfacher Weise einen Austausch des Dichtungselementes ermöglicht. Außerdem soll das erfindungsgemäße Dichtungselement selbst und hinsichtlich der für seine Anbringung erforderlichen Maßnahmen einfach und damit kostengünstig sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich an die Anschlußflanschen je ein axial nach außen gewölbter, zum Gelenk des Korapensators konzentrischer Kugelring anschließt, daß die Kugelringe sich mit Abstand äquidistant um einen Winkelbetrag übergreifen, der wenigstens gleich dem maximalen Auslenkwinkel des Kompensators gegenüber seiner gestreckten Stellung ist, daß im Raum zwischen den Kugelringen ein U-förmiger Balg aus elastischem Material umlaufend und sich bis in den Bereich der Hälfte der gegenseitigen Uberdeckung der Kugelringe erstreckend sowie mit seinen Schenkeln am jeweils benachbarten Kugelring anliegend angeordnet ist, und daß der Balg mit den freien Enden seiner Schenkel an den Kugelringen festgelegt ist, wobei der Innenquerschnitt des Balgprofils der Druckbelastung zugewandt ist.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es auch für einen hohem Druck ausgesetzten Kompensator möglich, für das bewegungselastische Element nicht metallische Werkstoffe, insbesondere Gummi oder Kunststoff, zu verwanden. Denn bezüglich der Druckaufnahme

liegt nunmehr eine Aufgabentei?ung vor zwischen dem bewegungselastischen Element einerseits und den Kugelringen andererseits, indem das bewegungselastische Element zum größten Teil an den Kugelringen bzw. sonstigen Wandungsteilen des Kompensator anliegt und nur in dem kurzen Bereich der bogenförmigeH Verbindung der beiden U-Schenkel unabgestützt dem Druck j ausgesetzt ist, der jedoch ganz erheblichen Druckbeanspruchungen standhält. Andererseits schaffen die erfindungsgemäßen Maßnahmen einen Kompensator, der außerordentliche hohe Winkelbeweglichkeit hat, da das bewegungselastische Element entlang den durch die Kugelringe gegebenen Wangen abrollen kann, ohne daß sich die Verhältnisse der Beanspruchung des bewegungselastischen Elementes in irgendeiner Weise ändern würden.

Zweckmäßigerweise kann der Balg mit den freien Enden seines U-Profils bis über die freien Enden der Flansche aus dem Kompensator herausgeführt und dort festgelegt sein. Diese Festlegung würde für einen Rohrleitungskompensator durch das Aneinanderschrauben der Kompensatorflanschen und der Rohrflanschen gegeben sein.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der Balg mit dem freien Ende eines seiner Schenkel an der freien Kante des benachbarten Kugelringes und mit dem freien Ende des anderen Schenkels in bezogen auf die Kompensatorachse etwa gleicher Höhe an dem diesem

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Schenkel zugehörenden Kugelring festgelegt ist. Hier ist also das bewegungselastische Element so klein wie möglich ausgebildet. Mit der freien Kante welches der beiden Kugelringe das zugehörende freie Ende des bewegungselastischen Elementes verbunden wird, hängt davon ab, ob ein innen- oder außendruckbelasteter Kompensator vorliegt.

Ein besonderer Anwendungsfall des Gegenstandes der Erfindung ergibt sich bei der Öl- und Erdgasförderung in Seegebieten. Hier ist es bekannt, auf einem am Meeresboden angeordneten Fundamentkörper einen die Wasseroberfläche überragenden Turm zu errichten, der gegenüber dem Fundamentkörper über ein Kugelgelenk abgestützt ist. Dabei dient die Kugelgelenkabstützung in erster Linie dazu, den Turm mit den Meeresbewegungen allseitig frei schwanken zu lassen, wobei Jedoch erhebliche Schwankungswinkel zugelassen sein müssen. Außerdem hat das Kugelgelenk einen erheblichen Durchmesser von mehreren Metern, da es gleichzeitig der Durchführung der Förderleitungen dient und im übrigen den Durchstieg von Personen zum Fundament für Vartungsarbeiten etc. gestatten muß. Auf dieses an sich in bekannter Weise durch Gleitdichtungen abgedichtete Kugelgelenk wirken erhebliche äußere Drücke, die trotz der geforderten hohen Schwenkwinkel sicher abgedichtet sein müssen, insbesondere in der Weise, daß eine doppelte Abdichtung vorliegt, damit beim Ausfall einer Dichtung die Sicherheit durch die andere Dichtung gewährleistet ist.

Dieser Fall betrifft also einen Kompensator der eingangs genannten Art in Ausbildung als außendruckbelastetes Kugelgelenk mit einer Kugelschale und einer gegenständig auf diese aufgesetzten, die Kugelschale weitgehend überfangenen Kugelhalbschale, deren Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser der Kugelschale ist zur Belassung des Raumes für zwischen den Kugelschalen im Überdeckungsbereich angeordnetes Dichtungsmaterial, wobei die Kugelschalen im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Scheitel eine Öffnung mit je dem sich daran anschließenden rohrförmigen Flansch aufweisen und wobei die Kugelschalen durch innen oder außen angeordnete Mittel kardanisch miteinander verbunden und gegeneinander gedrückt sind.

Für diesen Fall ist es nach der Erfindung'zweckmäßig, daß mit dem Außenmantel der Kugelschale in einem Abstand von der Vorderkante der Kugelhalbschale, der mindestens dem Überdeckungsbereich von Kugelschale und Kugelhalbschale entspricht, ein die Kugelhalbschale mit Abstand und äquidistant bis über die Hälfte des Uberdeckungsbereiches von Kugelschale und Kugelhalbschale überfangender erster Kugelring verbunden ist, daß mit dem Außenmantel der Kugelhalbschale jenseits des Überdeckungsbereiches von Kugelschale und Kugelhalbschale ein den ersten Kugelring mit Abstand und äquidistant bis zur Höhe dessen Verbindung mit der Kugelschale überfangender zweiter Kugelring verbunden ist, daß einerseits mit der freien Kante des

zweiten Kugelringes, andererseits mit der Befestigungsstelle des ersten Kugelringes an der Kugelhalbschale der U-förmige Balg aus elastischem Material mit den freien Enden seiner Schenkel befestigt ist und daß der Balg sich um ias Kugelgelenk umlaufend in den Raum zwischen erstem und zweitem Kugelring bis in den Bereich der Hälfte deren gegenseitiger Uberdeckung erstreckt sowie mit seinen Schenkeln an dem jeweils benachbarten Kugelrrng anliegt.

Für die Ausbildung des Balges ist es vorteilhaft, ihn als gewebeverstärkten Kunststoffbalg vorzusehen, wobei zweckmäßigerweise das Gewebe auf der der Druckbeaufschlagung abgewandten Seite des Balges angeord- \ net ist oder in das Kunststoffmaterial des Balges \ eingebettet ist. '

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die auf der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

j Fig. 1 einen allseits beweglichen, innendruck-

belasteten Gelenkkompensator für eine Rohrleitung, teilweise geschnitten;

Fig. 2 den Gelenkkompensator gemäß Fig. 1 mit

verschiedenen Ausbildungen und Anordnungen des U-förmigen Balges gemäß der Erfindung und

Fig. 3 ein doppelt abgedichtetes Kugelgelenk nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen allseits beweglichen Gelenkkompensator mit auf beiden Seiten endständigen Anschlußstutzen 1 und 2, die über Jeweils um 180° versetzt angeordnete Anker 3, 4 bzw. 5, 6 und einen zwischen diesen in der Längsmitte des !Compensators drehbar angeordneten Ring 7 in bekannter Weise kardanisch allseits schwenkbar miteinander verbunden sind..

Zwischen die Rohrstutzen 1 und 2 sind über Flansche bzw. 9 nach außen gewölbte Kugelringe 10 bzw. 11 eingesetzt, die zum auf der Kompensatorachse 12 liegenden Schwenkpunkt konzentrisch sind und sich äquidistant übergreifen, wobei zwischen ihnen ein Spalt 13 einer gewissen Breite gebildet ist. Die Kugelringe und 11 übergreifen sich um einen Betrag, der wenigstens den maximalen Winkelbetrag betrifft, um den der Kompensator auslenkbar sein soll.

In den Spalt 13 ist umlaufend als Dichtungselement ein ü*-förmiger Balg 14 eingesetzt, der mit seinen Profilschenkeln an den durch die Ringe 10 bzw. 11 gebildeten Wandungen anliegt und in den Spalt 13 sich um einen Betrag hineinerstreckt, der größer ist als der halbe Auslenkwinkel des Kompensators. Bei diesem Fall eines innendruckbelasteten Kompensators ist der Balg mit seinem einen freien Schenkel an der freien Kante des Kugelringes 11 befestigt, während er mit seinem anderen freien Schenkel an der Innenwand des

Kugelringes 10 etwa in radial gleicher Höhe festgelegt ist.

Fig. 2 zeigt einen Kompensator ähnlich Fig. 1 ohne die Gelenkverbindung der die Kugelringe 15, 16 einstückig verbunden tragenden Anschlußflansche 17, 18 im Schnitt. Dabei ist der Balg 19 auf der rechten Seite ähnlich Fig. 1 befestigt, wobei nur zur leichteren Befestigung des mit dem Kugelring 15 verbundenen Schenkels des Balges 19 dort der Kugelring 15 eine frei nach innen vorstehende Verlängerung 20 aufweist.

Die linke Hälfte von Fig. 2 zeigt einen Balg 21, der mit seinen Schenkeln bis aus den Rohrstutzen 17, 18 heraus auf die Anschlußflansche 22, 23 geführt ist, wo er beim Anschluß der nicht dargestellten Rohrenden festgeklemmt und damit festgelegt wird. Auch hier liegt ein Kompensator mit Innendruckbelastung vor.

Die anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Kompensatoren erlauben eine sehr große Winkelbeweglichkeit, ohne daß über den Winkelbewegungsbereich eine Änderung der Belastung des Balges 14 bzw. 21 stattfindet. Der Balg liegt mit seinen Schenkeln an den Kugelringen an und ist dadurch gegen den auf ihn einwirkenden Druck dort abgestützt. Lediglich der kurze, bogenförmige Übergang zwischen den Schenkeln muß dem Innendruck allein standhalten, wobei Jedoch wegen der Kürze dieses bogenförmigen Überganges eine erhebliche Druckbelastung auch bei gummielastischem Material möglich ist.

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Fig. 3 zeigt ein Kugelgelenk mit einer Kugelschale 30, auf die eine Kugelhalbschale 31 aufgesetzt ist. Zwischen den beiden Kugelschalen bleibt im Überdeckungsbereich ein freier Spalt, der mit einer Dichtung 32 gefüllt ist.

Die Kugelschalen 30 und 31 haben im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Scheitel eine Öffnung 33 bzw. 34, an die sich je ein Flansch 35 bzw. 36 anschließt. Die Kugelschalen sind kardanisch über ein Kugelgelenk 37 miteinander verbunden, an dem einerseits eine Stange 38 und andererseits Stützen 39 angelenkt sind, die ihrerseits gegen jeweils benachbarte Bauteile 40, 41 in nicht dargestellter Weise abestützt sind und dadurch die Kugelschalen 30 und 31 gegeneinander drücken. Im dargestellten Beispiel sind die benachbarten Bauteile ein Sockel 40 und ein über das Kugelgelenk darauf abgestützter Fuß 41 eines Arbeitsturmes zur ErOd- bzw. Erdgasgewinnung.

Mit dem Außenmantel der Kugelschale 30 ist ein Kugelring 42 verbunden, wobei der Abstand von der Unterkante der Kugelhalbschale 31 so gewählt ist, daß er mindestens dem halben Überdeckungsbereich zwischen Kugelschale 30 und Kugelhalbschale 31 entspricht und somit der Kugelhalbschale 31 die genügende Schwenkbewegungsfreiheit läßt.

Mit der Kugelhalbschale 31 ist ein Kugelring 43 verbunden, wobei dessen Verbindungsstelle mit der Kugel-

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halbschale 31 oberhalb des Uberdeckungsbereich.es zwischen Kugelschale 30 und Kugelhalbschale 31 liegt. Auch die in Verbindung mit der vertikalen Bemessung des Kugelringes 42 zu dem Zweck, dem Gelenk die erforderliche Bewegungsfreiheit zu lassen.

Die Kugelringe 42 und 43 überfangen die Kugelschalen äquidistant und haben zwischen sich einen größeren Abstand. Dieser erlaubt die Anordnung eines U-förmigen Dichtungsbalges 44, der in den Raum zwischen Kugelring 42 und Kugelring 43 eingesetzt ist. Seine freien Enden sind einerseits mit der Befestigungsstelle des Kugelringes 42 an der Kugelschalge 30 und andererseits mit dem freien Ende des Kugelringes 43 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über umlaufende Befstigungsringe 45 und 46 gegeben sein, die an den angegebenen Stellen einerseits mit dem Kugelring und andererseits mit dem Kugelring 43 unter Zwischenlage des Dichtungsbalges 44 verschraubt sind.

Der Dichtungsbalg 44 stützt sich im wesentlichen, nämlich mit den Schenkeln seines U-förmigen Profils, unter der Wirkung des in diesem Falle anstehenden Auflendruckes gegen die Kugelringe 42 und 43 ab, so daß nur der die Schenkel verbindende, bogenförmig verlaufende Teil allein den Außendruck zu tragen hat. Bei Schwenkbewegungen des Kugelgelenkes kann der Dichtungsbalg 44 sich zwischen den Kugelringen 42 und abrollen, ohne die Schwenkbewegungen des Kugelgelenkes zu behindern oder durch die Schwenkbewegungen eine nennenswerte zusätzliche Beanspruchung zu erfahren.

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Zweckmäßigerweise ist bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Dichtungsbalg aus gewebeverstärktem Kunststoff hergestellt, wobei das Gewebe auf der außandruckabgewandten Seite des Balges angeordnet sein kann oder aber in das Balgmaterial eingebettet ist.

Bei einem Defekt des Dichtungsbalges 44 läßt sich dieser von außerhalb des Kugelgelenkes lediglich durch Fortnahme der Ringe 46 und 46 in einfacher Weise entfernen und durch einen neuen Dichtungsbalg ersetzen, der vor dem Aufbau des im Zusammenhang mit Fig. 3 erwähnten Arbeitsturmes um den Flansch 6 in Reserve gelegt worden ist. Damit sind weitere Montagearbeiten am Kugelgelenk oder im Bereich des Kugelgelenkes nicht erforderlich.

Claims (7)

I · ·ι I I · • ι IPATENTANWÄLTEi,DIPL-INQ. R. LEMCKEIl Ii , , , ,DR.-ING. H. J. BROMMERAMALiENSTRASSE 287500 KARLSRUHE 1 Schutzansprüche

1. Innen- oder außendruckbelasteter, in einer Ebene oder allseits beweglicher Gelenkkompensator für rohrförraige Durchtritte, beispielsweise Rohrleitungen, wobei der Kompensator auf beiden Seiten endständig rohr- förmige Anschlußflansche od. dgl. aufweist, die durch innerhalb oder außerhalb des Kompensators angeordnete Mittel gelenkig, ggf. kardanisch miteinander verbunden sind, und wobei zwischen den Anschlußflanschen ein mit diesen dicht verbundenes, allseits bewegungselastisches Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß sich an die Anschlußflansche (1, 2; 17, 22, 18, 23; 35, 36) je ein axial nach außen gewölbter, zum Gelenk des Kompensators konzentrischer Kugelring (10, 11; 15, 16; 42, 43) anschließt, daß die Kugelringe sich mit Abstand äquidistant um einen Winkelbetrag übergreifen, der wenigstens gleich dem maximalen Auslenkwinkel des Kompensators gegenüber seiner gestreckten Stellung ist, daß im Raum (13) zwischen den Kugelringen ein U-förmiger Balg (14, 19, 21, 44) aus elastischem Material umlaufend und sich bis in den Bereich der Hälfte der gegenseitigen Uberdeckung der Kugelringe erstreckend sowie mit seinen Schenkeln am Jeweils benachbarten Kugelring anliegend angeordnet ist, und daß der Balg mit den freien Enden seiner Schenkel an

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den Kugelringen festgelegt ist, wobei der Innenquerschnitt des Balgprofils der Druckbelastung zugewandt ist.

2. Kompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (21) mit den freien Enden seines U-Profils bis über die freien Enden der Flansche (17, 22, 18, 23) aus dem Kompensator herausgeführt und dort festgelegt ist.

3. Kompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (14, 19, 44) mit dem freien Ende eines seiner Schenkel an der freien Kante des benachbarten Kugelringes (11, 16) und mit dem freien Ende des anderen Schenkels in bezogen auf die Kompensatorachse etwa gleicher Höhe an dem diesem Schenkel zugehörenden Kugelring (10, 15) festgelegt ist.

4. Kompensator nach Anspruch 1 in Ausbildung als außendruckbelastetes Kugelgelenk mit einer Kugelschale und einer gegenständig auf diese aufgesetzten, die Kugelschale weitgehend überfangenden Kugelhalbschale, deren Innendurchmesser geringfügig gröer als der Außendurchmesser der Kugelschale ist größer als der Außendurchmesser der Kugelschale ist zur Belassung des Raumes für zwischen den Kugelschalen im Überdeckungsbereich angeordnetes Dichtungsmaterial, wobei die Kugelschalen im Bereich ihrer einander gegenüberliegenden Scheitel eine Öffnung mit je dem sich daran anschließenden, rohrförmigen Flansch aufweisen und wobei die Kugelschalen durch innen oder außen angeordnete Mittel kardanisch miteinander verbunden und gegeneinander gedrückt sind, dadurch gekennzeichnet,

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daß mit dem Außenmantel der Kugelschale (30) in einem f

Abstand von der Vorderkante der Kugelhalbschale (31), j

der mindestens dem Überdeckungsbereich von Kugelschale \

und Kugenhalbschale entspricht, eindie Kugelhalbschale j

mit Abstand äquidistant bi " über die Hälfte des Über- |

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überfangender ersten Kugelring (42) verbunden ist, Ϊ

daß mit dem Außenmantel der Kugelhalbschale (31) Jen- \

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verbunden ist, daß einerseits mit der freien Kante I

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ring bis in den Bereich der Hälfte deren gegensei- ■

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kein an dem jeweils benachrten Kugelring anliegt. |

5. Kompensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- \

net, daß der U-förmige Balg ein gewebeverstärkter \

Kunststoffbalg ist. \

6. Kompensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe auf der der Druckbeaufschlagung

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abgewandten Seite des Balges angeordnet ist.

7. Kompensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe in das Kunststoffmaterial des Balges eingebettet ist.

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