Die Erfindung betrifft Rohre gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1, aus zumindest zwei gemeinsam eine Rohrwand bildenden koaxialen Schichten aus
thermoplastischen Polyolefinen gleicher Art, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften,
die untereinander untrennbar verbunden sind.
Bekannt sind bereits verschiedene mehrschichtige Rohre, die gegenüber
einschichtigen Rohren Vorteile aufweisen.
Aus der EP 0 869 304 B1
sind mehrschichtige Rohre bekannt, die aus einem Grundrohr aus Polyethylen einem
PE100 und einer Außenschicht aus vernetztem Polyethylen (PE-X) bestehen, sowie in
einer weiteren Ausführungsform eine Diffusionssperrschicht gegenüber Schadstoffen
aufweisen.
Diese Rohre sollen auf ökonomische Weise eine besondere Widerstandsfähigkeit
gegen äußere mechanische Belastungen aufweisen. Die dünne und damit kostenreduzierte
Außenschicht aus PE-X soll für erheblich verbessertes Abriebverhalten und höhere
Punktlastbeständigkeiten sorgen, wodurch grabenlose Verlegetechniken und sandbettfreie
Verlegungen mit der damit verbundenen Gefahr von Punktbelastungen ermöglicht werden
sollen.
Bei einem bekannten gattungsgemäßen Rohr gemäß der DE
296 22 788 U1 besteht die Innenschicht aus einem Polyethylen hoher Dichte
und die Außenschicht aus einem vernetzten Polyethylen. Durch die Vernetzung des
Materials der Außenschicht soll die Kerbempfindlichkeit herabgesetzt werden, um
auf diese Weise die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und dadurch die Eignung für
die grabenlose Verlegetechnik zu verbessern.
Solche Rohre sind zwar durch Verschweißen mittels Elektroschweißmuffen
verbindbar, wenn auch die Schweißqualität nicht unbedenklich ist, jedoch ist ein
Stumpfschweißen dieser Rohre nicht möglich.
Die DE 200 10 111 U1
beschreibt mehrschichtige Rohre mit insgesamt drei Schichten, bei denen das Grundrohr
ebenfalls aus PE100 und sowohl die Innen- als auch die Außenschicht aus einem Polyethylen
mit erhöhter Spannungsrißbeständigkeit bestehen – mit der gleichen Zielsetzung
wie beim vorbeschriebenen Rohr.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Rohr aufzuzeigen,
das gegenüber dem Stand der Technik ein nochmals verbessertes mechanisches Verhalten,
insbesondere ein erheblich verbessertes Abriebverhalten und höhere Punktlastbeständigkeiten
aufweist, dabei den gleichen Herstellaufwand erfordert und zusätzlich die Möglichkeit
der Sperrwirkung gegenüber Bodenschadstoffen aufweist.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Rohr mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Es wird ein mehrschichtiges Rohr vorgeschlagen, mit einer Außenschicht
aus einem Standard- Polyethylen wie z.B. PE 80 oder PE 100, welches einen FNCT-
Wert eines einschichtigen Standarddruckrohres aufweist und an dessen innerem Umfang
eine Innenschicht aus einem Polyethylen mit einem zumindest um etwa den Faktor 4
höheren FNCT- Wert angeordnet ist.
Als Ergebnis umfangreicher Untersuchungen wurde festgestellt, dass
entgegen der Lehre der EP 0 869 304 B1
bei äußeren Punktlasten die Materialeigenschaften der Innenschicht und nicht die
der Außenschicht die Punktlastbeständigkeit bestimmen.
Es ist demnach überraschend nur notwendig und völlig ausreichend,
dass das Material der Innenschichten der Rohre um zumindest etwa den Faktor 4 spannungsrißbeständiger
ausgebildet ist, als die Außenschicht.
Da die Ergebnisse des sogenannten FNCT- Tests (Full Notch Creep Test)
sehr gut mit der Spannungsrißbeständigkeit des Materiales korrelieren, ist das erfindungsgemäße
mehrschichtige Rohr dadurch charakterisiert, dass der FNCT- Wert des Materials der
Innenschicht einen zumindest um etwa den Faktor 4 höheren FNCT- Wert als der des
Materials der Außenschicht des Rohres aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist bei dem erfindungsgemäßen
Rohr die Außenschicht einen genormten Außendurchmesser und ein genormtes Verhältnis
von Außendurchmesser zu Gesamtwanddicke (SDR) von etwa 10 bis 20 auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das erfindungsgemäße
Rohr eine Gesamtwanddicke der Innenschicht und der Außenschicht auf, die zumindest
um etwa 1% größer ist, als die Wanddicke eines Standardrohres nach EN 12201.
Das erfindungsgemäße Rohr weist weiterhin eine Wanddicke der Innenschicht
auf die zumindest 5 %, vorzugsweise 10 % bis 20 % der Gesamtwanddicke des Rohres
beträgt.
Als besonders vorteilhaft sind mit Hexen copolymerisierte Polyethylene
mit bimodaler Molekulargewichtsverteilung, die erfindungsgemäßen Rohre sind
somit bevorzugt mit Innenschichten aus diesen Materialien hergestellt.
Ebenso vorteilhaft für die Innenschichten der erfindungsgemäßen Rohre
sind Polyethylene wie zum Beispiel Polyethylen- RT (raised temperature). Aufgrund
deren amorpher bzw. kristalliner Strukturen sowie der Seitenketten werden die Bewegungen
der PE- Makromoleküle gegeneinander behindert.
Da bereits vergleichsweise geringe Wanddicken der Innenschicht ausreichen,
um damit ausgestattete mehrschichtige Rohre als sehr gut punktlastbeständig auszurüsten,
hat ein solches erfindungsgemäßes Rohr hinsichtlich der Beständigkeit praktisch
die Eigenschaften eines Rohres, welches vollständig aus einem vernetztem Polyethylen
besteht; es kann somit wie diese Rohre für die gesamte Dauer der normgerechten Lebenserwartung
einer Punktbelastung ausgesetzt werden, ohne zu versagen, kann also ebenso wie diese
kostengünstig ohne Sandbettung verlegt werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der erhöhten
Beständigkeit gegenüber langsamer Rißfortpflanzung nach Beschädigung der Außenschicht
bei Lagerung, Transport oder bei – insbesondere grabenloser – Verlegung.
Die Kombination von leicht erhöhter Wanddicke und einem Material der Innenschicht
mit einem zumindest um etwa den Faktor 4 höheren FNCT- Wert, das gegenüber Rißfortpflanzung
ganz besonders widerstandsfähig ist, erlaubt die Fertigung eines Rohres, dessen
Empfindlichkeit gegenüber der Fortpflanzung von äußeren Kerben nur noch von den
kostenintensivern Rohren, die vollständig aus vernetztem Polyethylen hergestellt
sind, übertroffen wird.
Auch hinsichtlich schneller Rißfortpflanzung bietet das erfindungsgemäße
Rohr erhöhten Widerstand gegenüber herkömmlichen einschichtigen und mehrschichtigen
Rohren aus unvernetzten Polyethylenen, da bei dieser Versagensform der Bruch des
Rohres ebenfalls von der Innenschicht ausgeht.
Bei den erfindungsgemäßen Rohren wurde dies erkannt und das Material
der äußerst widerstandsfähigen Innenschicht weist einen zumindest etwa um den Faktor
4 höheren FNCT- Wert auf.
Die Ausbildung der Innenschicht ermöglicht es zudem, ein mehrschichtiges
Rohr mit einer Außenschicht, deren Abmessungen einschlägigen Normen wie z.B. der
EN 12201 entspricht, mit einer zusätzlichen Innenschicht auszustatten, ohne dass
der Innendurchmesser dieses Rohres mehr als unwesentlich verringert ist.
Bei optimaler Prozessführung ist es möglich, mit der Gesamtwanddicke
des Rohres weitgehend in der Normtoleranz zu bleiben, wenn die Dickenschwankungen
der Außenschicht des Rohres nur wenig über dessen Nennmaß hinausgehen und die Dicke
der Innenschicht in etwa der Normtoleranz, d.h. ca. 5 bis 15 % der Normwanddicke
entspricht.
Neben diesen technischen Vorteilen hat diese erfindungsgemäße Ausführungsform
noch ein weiteren Vorteil; die Zulassung von Druckrohren in verschiedensten Ländern
ist trotz internationaler Harmonisierung und Normung immer noch zeit- und kostenaufwendig.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Rohr und die bevorzugten Ausführungsformen
auf einem an sich genormten Rohr basieren, welches eine zusätzliche Innenschicht
aufweist, entfallen diese Aufwendungen für die Zulassung von Druckrohren.
Gegenüber Vollwandrohren aus vernetztem Polyethylen (PE-X) bietet
die erfindungsgemäße Ausführung mit nur einer Innenschicht neben dem Vorteil der
weitaus kostengünstigeren Herstellung noch die Möglichkeit, diese erfindungsgemäßen
Rohre mittels Stumpfschweißung zu verbinden.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Innenschicht auf vorbeschriebene
Weise so aufgebaut ist, dass sie Sperrwirkung gegenüber Kohlenwasserstoffen aufweist.
Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann es nötig sein,
zwischen den vorgenannten Rohrschichten Haftvermittlerschichten einzubringen.
Auch eine zusätzliche optischen Gestaltung der Oberfläche, gehört
zum Umfang der Erfindung, ebenso wie Rohre, die am äußeren Umfang Farbstreifen aufweisen.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Rohre ist die
Innenschicht und / oder die Außenschicht antistatisch bzw. elektrisch leitfähig
ausgerüstet.
Dies ist insbesondere bei Rohren, die für den Transport von Schüttgütern
vorgesehen sind, vorteilhaft, um einen störungsfreien Transport zu ermöglichen.
Dazu genügt in der Regel die antistatische Ausrüstung der Schichten des Rohres mit
einem Oberflächenwiderstand von wenigstens 10–10 Ohm/cm.
Um den Aufbau elektrostatischer Felder, die z.B. Staubexplosionen
auslösen können, zu verhindern, ist eine elektrisch leitfähige Einstellung der Schichten
des Rohres mit einem Oberflächenwiderstand von wenigstens 10–6
Ohm/cm erforderlich.
In jedem Fall hat die Innenschicht des erfindungsgemäßen mehrschichtigen
Rohres einen zumindest um etwa den Faktor 4 höheren FNCT- Wert als die Außenschicht,
die den FNCT- Wert eines einschichtigen Standard-Druckrohres hat.
Hinsichtlich der Durchführung des Tests für die Ermittlung der FNCT-
Werte wird auf den Aufsatz von S.H. Beech, S.J. Palmer und R.W. Burbidge mit dem
Titel "Accelerated Laboratory Tests to Predict the Resistance to Slow Crack Growth
of High Performance Polyethylene Pipe Resins" 1997, International Plastic Pipe Symposium
Seite 205 ff verwiesen.
Weiterhin wird auf den Aufsatz von M. Fleissner verwiesen mit dem
Titel "Experience With a Full Notch Creep Test in Determining the Stress Crack Performance
of Polyethylenes" in Polymer Engineering and Science, Februar 1998, Vol. 38, Nr.
2.
Basierend auf den beschriebenen Testbedingungen beträgt bei 80°C,
4,0 MPa und bei Anwesenheit von 2% Netzmittel Arkopal der FNCT- Wert des Materials
für die Außenschicht des Rohres aus Polyethylen PE100 gemäß EN 12201 mit einem Außendurchmesser
von 110 + 0,6 mm sowie einer Wanddicke von 10,0 + 0,3 mm etwa 200 bis 500 h und
der FNCT- Wert des Materials der Innenschicht aus einem Polyethylen mit einer Wanddicke
von etwa 1,5 mm etwa 3.000 h.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist dieses mehrschichtige
Rohr eine Innenschicht aus einem Polyethylen mit einer Wanddicke von etwa 0,7 mm
auf, mit einem FNCT-Wert von etwa 6.000 h, bei 80°C, 4,0 MPa und bei Anwesenheit
von 2% Netzmittel Arkopal.
Dieses erfindungsgemäße mehrschichtige Rohr erlaubt aufgrund seiner
Beständigkeit gegenüber Punktlasten die Verlegung in Aushubmaterial ohne Sandbettung,
ohne innerhalb der normgerechten Lebenserwartung aufgrund von Spannungsrissen zu
versagen.
Zusätzlich weist dieses erfindungsgemäße mehrschichtige Rohr erhöhte
Widerstandsfähigkeit gegenüber langsamer Rißausbreitung von an der Außenschicht
entstandenen Riefen bzw. Kerben aus.
Bei einer Riefentiefe von etwa 2 mm werden damit bei einem Innendruck
von 9 bar bei 80°C Standzeiten für dieses erfindungsgemäße mehrschichtige Rohr
von mehr als 360 h erreicht.
Im Vergleich dazu versagt ein Vollwandrohr nach EN 12201 aus PE 100
bei diesem Test bereits nach 8 h und ein Dreischichtrohr nach der DE
200 10 111 U1 mit einem Außendurchmesser von 110,2 + 0,5 mm und einer Wanddicke
von 10,1 + 0,4 mm nach 180 h. Auch hinsichtlich schneller Rißausbreitung ist dieses
Rohr entschieden widerstandsfähiger.