DE102012110852A1

DE102012110852A1 - Bauelement

Info

Publication number: DE102012110852A1
Application number: DE201210110852
Authority: DE
Inventors: Jawk Willem Hendrik Tsjalling Meijer; Bernd Nussdorfer
Original assignee: Schwartz GmbH
Current assignee: Schwartz GmbH
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Um ein gattungsgemäßes Bauelement zu finden, das eine geringere Dichte als Stahl aufweist und gleichzeitig ATEX-Richtlinien-konform ist, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, ein Grundkörper aus Polyamid, in welchen Grundkörper eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff eingebettet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen. Zudem betrifft die Erfindung Verwendungen eines gattungsgemäßen Bauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Gattungsgemäße Bauelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es handelt sich hierbei um Bauelemente, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden können. Ein Bereich ist explosionsgefährdet, wenn dort beispielsweise Gase oder Stäube auftreten können, deren Zündfähigkeit über einem bestimmten Schwellwert liegt. Innerhalb der Europäischen Union sind explosionsgefährdete Bereiche im Rahmen der ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG klassifiziert. In dieser ATEX-Richtlinie sind auch die Regeln für Produkte festgelegt, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden dürfen. Ein gattungsgemäßes Bauelement kann daher auch als ATEX-94/9/EG-konform bezeichnet werden.
Aufgrund der genannten Richtlinie ist die Auswahl geeigneter Bauelemente bei einer Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen stark reglementiert und eingeschränkt. Ein dem Grunde nach hinsichtlich beispielsweise der mechanischen Eigenschaften besser geeigneter Werkstoff kann daher oftmals nicht zum Einsatz kommen, da die Anforderungen der Richtlinie nicht erfüllt werden.
Eine derartige Situation ist beispielsweise bei der Pipeline-Verlegung im Offshore-Bereich, insbesondere bei der Verlegung von Gaspipelines, gegeben. Die Pipelines werden auf einer schwimmenden Plattform aus einzelnen Pipelineabschnitten zusammengefügt und vorzugsweise von der Plattform aus in S-förmiger Krümmung auf den Meeresboden abgelegt. Zur Handhabung und Führung der Pipeline kommen vor allem Seilzüge aus Stahlseilen zum Einsatz. Die Stahlseile sind auf Umlenkrollen geführt. Die Umlenkrollen sind zur Erfüllung der ATEX-Richtlinie aus Stahl ausgebildet. Statische Aufladungen im Bereich des Seils, d. h. des Stahlseils, können so durch die elektrisch leitenden Umlenkrollen aus Stahl abgeleitet werden. In vergleichbaren Anwendungsgebieten gattungsgemäßer Bauelemente kommt ebenfalls Stahl zum Einsatz, der aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit geeignet ist, Zündungen aufgrund von statischer Aufladung zu verhindern.
Der Einsatz von Stahl bei gattungsgemäßen Bauelementen ist jedoch nicht frei von Nachteilen. Im Vergleich mit anderen, dem Grunde nach geeigneten Werkstoffen, hat Stahl eine vergleichsweise hohe Dichte. Daraus resultieren enorme Gewichte, die beim Einsatz von Werkstoffen mit niedrigerer Dichte erheblich reduziert werden könnten.
Die bislang mit anderen Werkstoffen durchgeführten Versuche waren nicht erfolgreich. Es ist bislang nicht gelungen, Stahl bei Bauelementen zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet zu ersetzen. Dies liegt zum einen daran, dass die durch die ATEX-Richtlinie geforderte hohe elektrische Leitfähigkeit bei anderen Stoffen bislang nicht realisiert werden konnte. Die ATEX-Richtlinie fordert nämlich einen Oberflächenwiderstand von weniger als 10⁹ Ohm. Zum anderen mangelt es den wenigen, unter Laborbedingungen tauglichen Werkstoffen, an der erforderlichen Langlebigkeit und somit einem wirtschaftlichen Einsatz.
Es ist daher vorrichtungsseitig die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Bauelement zu finden, das eine geringere Dichte als Stahl aufweist und gleichzeitig ATEX-Richtlinien-konform ist.
Zur Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Grundkörper aus Polyamid, in welchen Grundkörper eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff eingebettet ist.
Polyamid ist ein synthetischer, technisch verwendbarer thermoplastischer Kunststoff. Polyamid zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus. Die Dichte von Polyamid liegt ungefähr im Bereich von 1,0 bis 1,3 g/cm³. Die Dichte von Stahl liegt hingegen im Bereich von fast 8 g/cm³. Bei gleichem Volumen führt somit die Verwendung von Polyamid bei einem gattungsgemäßen Bauelement zu einem deutlich geringeren Gewicht.
Polyamid weist jedoch im Unterschied zu Stahl eine um etwa 15 Größenordnungen geringere elektrische Leitfähigkeit auf. Polyamid an sich ist somit nicht für ein Bauelement der gattungsgemäßen Art geeignet. Hier setzt nun die Erfindung an. Erfindungsgemäß ist nämlich in den Grundkörper aus Polyamid eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff eingebettet. Elektrisch leitend meint, dass die elektrische Leitfähigkeit dieses Werkstoffs in etwa der elektrischen Leitfähigkeit von Stahl entspricht. D. h., die Einlage weist einen Werkstoff mit einer elektrischen Leitfähigkeit von wenigstens 1 × 10⁶ S/m auf. Im Ergebnis weist ein erfindungsgemäßes Bauelement dann einen Oberflächenwiderstand von unter 10⁹ Ohm auf.
Durch die erfindungsgemäße Kombination zweier Werkstoffe, die sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften deutlich unterscheiden, wird eine Art Verbund-Bauelement geschaffen. Dieses Verbund-Bauelement vereint jeweils die Vorteile beider Werkstoffe in einem Bauteil. Durch die Verwendung des Polyamid wird das gesamte Bauelement vergleichsweise leichter. Hinzu kommt, dass Polyamid in Kontakt mit einem Stahlseil weniger dem Verschleiß unterliegt, als dies bei Stahlrollen der Fall ist. In synergetischer Weise führt die Erfindung also auch zu einem langlebigeren Bauelement. Auf der anderen Seite gleicht die Einlage aus dem elektrisch leitenden Werkstoff die Nachteile des Polyamid hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit aus. Die Einlage dient bildlich als „Blitzableiter”, so dass eine statische Aufladung im Bereich eines Stahlseils bei dem eingangs beschriebenen Verwendungsfall wirksam verhindert wird. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Einlage von einer Außenfläche des Bauelements ins Innere des Bauelements hinein erstreckt, beispielsweise bis zu einer, als Drehachse dienenden Bohrung im Bauelement. Mögliche Ströme können so durch das gesamte Bauelement abfließen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Einlage als Vlies, Granulat oder Gitter ausgebildet. Bei einem Vlies handelt es sich um ein textiles Flächengebilde aus einzelnen Fasern. Ein Vlies ist vergleichsweise flexibel, so dass es leicht in eine gewünschte Raumform gebracht werden kann. Ein Granulat ist ein loses Material, beispielsweise aus kleinen und/oder festen Partikeln wie Körnern oder Kugeln. Ein Granulat hat den Vorteil, dass es beispielsweise im Vergleich mit einem Vlies nicht vorproduziert werden muss, sondern vielmehr während der Herstellung des Bauelements als Rohmaterial verwendet werden kann. Ein Gitter ist ein durchlässiger Körper aus beispielsweise zwei gekreuzten Lagen von Stabelementen. Durch die Durchlässigkeit verbindet sich das Gitter gut mit dem ihn umgebenden Stoff. Hinzu kommt, dass ein Gitter vergleichsweise starr ausgebildet werden kann, so dass eine einmal konfigurierte Raumform des Gitters während der Weiterverarbeitung erhalten bleibt. Die Einlage kann auch als Geflecht ausgebildet sein. Bei einem Geflecht handelt es sich um ein Produkt, welches durch das Ineinanderschlingen mehrerer Stränge aus einem biegsamen Material gebildet ist. Es kann sich insbesondere um ein dreidimensionales Geflecht handeln. Ein solches zeichnet sich dadurch aus, dass verschiedene Stränge in allen drei Raumrichtungen miteinander verschlungen sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der elektrisch leitende Werkstoff ein metallischer Werkstoff. Es kann sich beispielsweise um Eisen, Magnesium, Aluminium, Blei, Gold und/oder dergleichen handeln. Bevorzugt kommt aber Kupfer und/oder eine Kupferlegierung zum Einsatz. Der Vorteil liegt beispielsweise in der vergleichsweise schwachen Reaktivität.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der elektrisch leitende Werkstoff inert. Als inert wird hierbei ein Werkstoff bezeichnet, der mit potenziellen Reaktionspartnern nicht oder nur in vernachlässigbar geringem Maße reagiert. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei der Herstellung von Polyamid Probleme auftauchen, wenn das Polyamid mit dem elektrisch leitenden Werkstoff reagiert. Polyamid, insbesondere Gusspolyamid, wird nämlich durch anionische Polymerisation hergestellt. Bei dieser darf das Kation nicht in Reaktion mit Zugschlagstoffen, Additiven und/oder dergleichen gehen, da es sonst zu unvollständiger Polymerisation kommt. Ein inerter Werkstoff schafft hier wirksam Abhilfe.
Theoretisch wäre denkbar, mit Stahl vergleichbare elektrische Eigenschaften durch das Einbringen von Graphit oder Kohlenstoff in das Polyamid zu erreichen. Die hierzu erforderlichen Mengen Graphit oder Kohlenstoff würden jedoch die anionische Polymerisation bei der Herstellung des Gusspolyamids behindern, was das mechanische Eigenschaftsprofil deutlich herabsetzen würde. Das Einbringen von Graphit oder Kohlenstoff in das Polyamid hat sich daher als nicht tauglich bei Bauelementen zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen herausgestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der elektrisch leitende Werkstoff nanoförmiges Graphit und/oder nanoförmigen Kohlenstoff auf. Der Vorteil derartiger nanoförmiger Werkstoffe besteht darin, dass bei diesen die vier Eigenschaften Kristallstruktur, Oberflächentextur, Partikelgröße/-form und Reinheit präziser eingestellt werden können, was die Qualität des Bauelements insgesamt deutlich erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Einlage innerhalb des Grundkörpers in herstellerseitig determinierbarer Lage angeordnet. Es handelt sich bei der Einlage nicht um einen Zusatzstoff, der homogen im Grundkörper aus Polyamid verteilt wäre. Ganz im Gegenteil handelt es sich um eine hinsichtlich ihrer Raumform individuell ausbildbare Einlage. Diese kann gemäß dieser Weiterbildung in einer ganz bestimmten Lage relativ zum Grundkörper in diesem angeordnet sein. Der Hersteller kann also bei der Produktion des Bauelements präzise vorgeben, in welcher genauen Lage die Einlage innerhalb des Grundkörpers angeordnet sein soll. Hierdurch lassen sich beispielsweise die zuvor bereits erwähnten Eigenschaften wie „Blitzableiter” und dergleichen genau bestimmen. Beispielsweise kann die Einlage als geradliniger Stab ausgebildet sein, der von einer Außenoberfläche des Grundkörpers zu einer als Drehachse dienenden Bohrung im Grundkörper verläuft. Spannnungspotenziale zwischen einer durch den Grundkörper geführten Drehachse und einem an der Außenoberfläche des Grundkörpers kontaktierenden Körper können auf diese Weise ausgeglichen werden.
Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines zuvor beschriebenen Bauelements im Offshore-Bereich, insbesondere bei der Pipeline-Verlegung im Offshore-Bereich. Offshore meint einen Einsatz in der offenen See, d. h. von der Erdoberfläche entfernt. Ein erfindungsgemäßes Bauelement eignet sich insbesondere für die Verwendung als Umlenkrolle für Stahlkabeln bei der Pipeline-Verlegung im Offshore-Bereich.
Verfahrensseitig ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Bauelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Bauelements, wobei eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff in einer geöffneten Gussform angeordnet wird, wobei die Gussform volumenmäßig mit der Einlage überfüllt wird, wobei anschließend die Gussform unter Verdichtung der Einlage verschlossen wird und daran anschließend Polyamid als Gusswerkstoff in die Gussform eingebracht wird.
Erfindungsgemäß wird eine Gussform bereitgestellt. Die Gussform kann mit einem Deckel verschlossen werden. Bei verschlossenem Deckel kann der Gusswerkstoff durch entsprechende Öffnungen/Düsen in den Innenraum der Gussform eingebracht werden.
Erfindungsgemäß wird die Einlage in die geöffnete Gussform eingebracht. Bei der Einlage kann es sich beispielsweise um ein dreidimensionales Geflecht aus Kupfer handeln. Die Gussform wird mit der Einlage überfüllt. Dies bedeutet, das von der Einlage eingeschlossene Volumen ist größer als das Volumen des Innenraums der Gussform. Anschließend wird die Gussform geschlossen. Das Schließen bewirkt, dass die in der Gussform angeordnete Einlage verdichtet wird. Das bedeutet, das Volumen der in der Gussform befindlichen Einlage wird durch Verdichtung derart reduziert, dass es bei geschlossener Gussform dem Volumen des Innenraums der Gussform entspricht. Die Einlage wird höchstens in einem solchen Maße verdichtet, dass die Einlage immer noch elastisch ist. Der Vorteil einer immer noch elastischen Einlage besteht darin, dass sich die Einlage beim Gussprozess nicht verschiebt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Einlage ortsfest verbleibt. Als Gusswerkstoff wird Polyamid in die Gussform eingebracht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Einlage spiralförmig in der Gussform angeordnet. Dies bedeutet, dass die Einlage um eine gedachte Achse herum gewickelt wird. Sofern die Gussform beispielsweise einen runden, scheibenartigen Innenraum aufweist, verläuft die Einlage entlang einer Schneckenlinie.
Die Einlage selbst kann beispielsweise aus einer Art Schlauch gebildet werden, welcher durch das spiralförmige Anordnen in seine gewünschte Raumform gebracht wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements als Umlenkrolle im Querschnitt;
2 ein beispielhafter Ablauf einer erfindungsgemäßen Verfahrensdurchführung in fünf Schritten; und
3 die Umlenkrolle gemäß 1 in einer Draufsicht mit Messanordnung.
1 offenbart eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements, nämlich eine Umlenkrolle 1. Die Umlenkrolle 1 ist ATEX-konform ausgebildet. Sie weist einen Oberflächenwiderstand von weniger als 10⁹ Ohm auf.
Zu diesem Zwecke ist die Umlenkrolle 1 aus Polyamid gegossen, wobei in dem Polyamidguss 3 ein Geflecht 2 aus Kupfer ortsfest eingebunden ist. Dieses Geflecht 2 aus Kupfer sorgt dafür, dass trotz des vergleichsweise schlecht leitenden Polyamidgusses 3 die erforderliche ATEX-Konformität erreicht ist.
2 zeigt beispielhaft die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in fünf Schritten a) bis e). In einem ersten Schritt a) wird eine Form 4 bereitgestellt. Diese dient als Gussform. Die Form 4 weist einen Innenraum 11 auf. Die Form 4 bzw. der Innenraum 11 kann mit einem Deckel 5 verschlossen werden.
Im Schritt b) wird ein Geflecht 2 in die Form 4 eingebracht. Es wird eine solche Menge Geflecht 2 verwendet, dass das Volumen des Geflechts 2 das Volumen des Innenraums 11 übersteigt. Die Form 4 wird also volumenmäßig mit dem Geflecht 2 überfüllt.
Im Schritt c) wird die Form 4 geschlossen. Hierzu wird der Deckel 5 von oben auf die Form 4 gesetzt. Eine Druckkraft 6 bewirkt, dass das Geflecht 2 in der Form 4 verdichtet wird. Das Geflecht 2 wird jedoch nur in einem solchen Maße verdichtet, dass es immer noch elastisch ist.
Im Schritt d) wird in den Innenraum 11 der Form 4 Polyamidguss 3 eingebracht. Hierzu wird der Polyamidguss 3 beispielsweise durch eine Bohrung im Deckel 5 in den Innenraum 11 eingespritzt. Aufgrund der noch vorhandenen Elastizität des Geflechts 2 verschiebt sich das Geflecht 2 während des Einbringens des Polyamidgusses 3 nicht. Das Geflecht 2 behält somit seine Raumform, bleibt mitunter ortsfest.
Anschließend wird der Deckel 5 wieder geöffnet, so dass das entstandene Bauteil 7 aus der Form 4 entnommen werden kann. Das Bauteil 7 (vgl. Schritt e)) ist ein Körper aus Polyamidguss 3 mit einem ortsfest innerhalb des Polyamidgusses 3 angeordneten Geflecht 2.
3 zeigt die Unlenkrolle 1 gemäß 1 in einer Draufsicht auf die Oberfläche 9. Wie bereits erwähnt, weist die Umlenkrolle 1 einen Oberflächenwiderstand von weniger als 10⁹ Ohm auf, insbesondere weniger als 10⁸ Ohm, besonders bevorzugt weniger als 10⁷ Ohm.
3 offenbart das Verfahren zur Messung dieses Oberflächenwiderstands. Hierzu werden zwei Prüfköpfe 8 auf der Oberfläche 9 der Umlenkrolle 1 angeordnet, nämlich auf einander gegenüberliegenden Oberflächenbereichen, wie in der Figur dargestellt. Die beiden Prüfköpfe 8 sind elektrisch mit einem Messgerät 10 verbunden. Das Messgerät 10 dient der Messung des Oberflächenwiderstands. Es handelt sich um ein an sich bekanntes Widerstandsmessgerät.
Bezugszeichenliste

1: Umlenkrolle
2: Geflecht
3: Polyamidguss
4: Form
5: Deckel
6: Druckkraft
7: Bauteil
8: Prüfkopf
9: Oberfläche
10: Messgerät
11: Innenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ATEX-Produktrichtlinie 94/9/EG [0002]

Claims

Bauelement zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, gekennzeichnet durch einen Grundkörper aus Polyamid, in welchen Grundkörper eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff eingebettet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage als Vlies ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage als Granulat ausgebildet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage als Gitter ausgebildet ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Werkstoff ein metallischer Werkstoff ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Werkstoff Kupfer und/oder eine Kupferlegierung ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Werkstoff inert ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Werkstoff nanoförmiges Graphit und/oder nanoförmigen Kohlenstoff aufweist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage innerhalb des Grundkörpers in herstellerseitig determinierbarer Lage angeordnet ist.
Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenwiderstand kleiner oder gleich 10⁹ Ohm ist.
Verwendung eines Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche im Offshore-Bereich, insbesondere bei der Pipelineverlegung im Offshore-Bereich.
Verwendung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Umlenkrolle für Stahlkabel bei der Pipeline-Verlegung im Offshore-Bereich.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Einlage aus einem elektrisch leitenden Werkstoff in einer geöffneten Gussform angeordnet wird, wobei die Gussform volumenmäßig mit der Einlage überfüllt wird, wobei anschließend die Gussform unter Verdichtung der Einlage verschlossen wird und daran anschließend Polyamid als Gusswerkstoff in die Gussform eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geflecht aus Kupfer als Einlage in der Gussform angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage spiralförmig in der Gussform angeordnet wird.