[0001] Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für Unterwasser-Verankerung eines
Offshore-Bauwerks zur Abdichtung eines ringförmigen Hohlraums zwischen einem Rohr
und einem Pfahl, umfassend ein umlaufendes Dichtelement aus einem Elastomerwerkstoff
mit einem Dichtabschnitt zum dichtenden Anliegen an dem Pfahl und einem Befestigungsabschnitt
zum Befestigen des Dichtelements an dem Rohr.
[0002] Für die Verankerung von Offshore-Windenergieanlagen in küstennahen Gewässern sind
Träger beispielsweise in der Form von Dreibeinen (Tripoden) bekannt, bei denen für
jedes Standbein jeweils zunächst ein innenliegender Pfahl (sog. pile) im Boden verankert
und dann ein äußeres Rohr über den Pfahl geschoben wird. Der Zwischenraum zwischen
dem Pfahl und dem Rohr wird mit einem stabilisierenden Material, insbesondere mit
einer zementhaltigen betonartigen Masse (sog. Grout), verfüllt.
[0003] Damit das Grout nicht unkontrolliert in das Gewässer austritt, wird der Zwischenraum
zwischen dem Pfahl und dem Rohr mit einer umlaufenden Dichtung abgedichtet. Aus der
JP 08 041922 A ist eine solche Grout-Dichtung aus einem elastomeren Material bekannt, die einen
zylindrischen Befestigungsabschnitt zum Befestigen der Dichtung an der Innenseite
des Rohrs und einen relativ zu dem Befestigungsabschnitt biegbaren Dichtabschnitt
aufweist. Mit dieser Konstruktion kann ein erheblicher Mittenversatz zwischen dem
Pfahl und dem Rohr ausgeglichen werden. Beim Einsetzen des Rohrs trifft jedoch die
Oberkante des Pfahls auf den Dichtabschnitt des Dichtelements, was zu einem Versatz
des Dichtelements und infolgedessen zu einer Beeinträchtigung der Dichtfunktion führen
kann. Die Beanspruchung des Dichtelements durch den Pfahl ist dabei bei umso höher,
je größer der genannte Mittenversatz ist.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Dichtungsanordnung bereitzustellen,
die unter allen praktisch auftretenden Umständen, insbesondere auch im Falle eines
erheblichen Mittenversatzes zwischen dem Pfahl und dem Rohr, eine zuverlässige Abdichtung
ermöglicht, wobei die Gefahr einer Beschädigung des Dichtelements und einer damit
einhergehenden funktionellen Beeinträchtigung erheblich reduziert ist.
[0005] Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße verstärkungselement hat zwei wesentliche Funktionen. (1) Es bewirkt
die seitliche Nachführung des Dichtelements bei einem Mittenversatz zwischen Rohr
und Pfahl während des Montagevorgangs. Die dabei von dem Pfahl auf das Dichtelement
ausgeübten Kräfte werden zu einem erheblichen Teil von dem verstärkungselement aufgenommen,
über den gesamten Umfang des Dichtelements verteilt und an dieses abgeleitet, so dass
Kraftspitzen an einzelnen Umfangsstellen des Dichtelements vermieden werden und die
Gefahr der Beschädigung des Dichtelements beim Einsetzen des Rohrs signifikant reduziert
werden. (2) Wenn das Dichtelement dennoch an seinem freien Ende einreißt, verhindert
das verstärkungselement, dass sich der Riss über das verstärkungselement hinweg fortsetzen
kann. Eine Beschädigung des Dichtelements bleibt also lokal eng begrenzt und führt
nicht zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Dichtungsfunktionalität.
[0006] Im Hinblick auf die zuvor genannten Funktionen des Verstärkungselements besteht dieses
vorzugsweise aus einem festeren Material als das Dichtelement. In einer bevorzugten
Ausführungsform besteht das verstärkungselement im Wesentlichen aus Metall, beispielsweise
aus Stahldraht.
[0007] Das Verstärkungselement ist vorzugsweise ringförmig in sich geschlossen. Bevorzugt
im Hinblick auf das Nachführen des Dichtelements bei Mittenversatz sind starre Verstärkungselemente.
Denkbar ist aber auch ein elastisches Verstärkungselement beispielsweise in Form einer
metallischen Ringwendelfeder.
[0008] vorzugsweise ist der Umfang des Verstärkungselements nur geringfügig, d.h. um maximal
10%, vorzugsweise maximal 5% größer als der Umfang der abzudichtenden Oberfläche.
Auch dadurch wird die Nachführung des Dichtelements bei Mittenversatz begünstigt.
[0009] In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Dichtungsanordnung eine
Scharniervorrichtung mit einer Mehrzahl über den Umfang der Dichtungsanordnung verteilt
angeordneter Scharnierelementen auf. In dieser Ausführungsform überdecken die Scharnierelemente
den Dichtabschnitt vorzugsweise mindestens bis zu dem Verstärkungselement hin, und
zwar mindestens in der vormontierten Stellung und über einen erheblichen Betriebsbereich,
vorzugsweise den gesamten Betriebsbereich der Scharnierelemente zumindest bei fehlendem
Mittenversatz. Die Scharnierelemente greifen dann im Wesentlichen an dem verstärkungselement
an, um das Dichtelement sicher in die Betriebsposition zu versetzen. Die Gefahr einer
Beschädigung des Dichtelements durch Einwirkung der Scharnierelemente kann erheblich
reduziert werden.
[0010] Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine Querschnittsansicht einer montierten Dichtungsanordnung vor dem Einsetzen des
Rohrs; und
- Fig. 2
- einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 im Bereich der Dichtungsanordnung.
[0011] Eine nicht gezeigte Windenergieanlage wird über einen Träger im Meeresboden verankert.
Der Träger ist beispielsweise ein Dreibein (tripod) und umfasst im Allgemeinen ein
oder eine Mehrzahl von Beinen 11. In Figur 1 ist ein Bein im Ausschnitt im unteren
Bereich gezeigt. Das Bein 11 umfasst einen Pfahl 12 (pile), der an seinem unteren
Ende im Meeresboden verankert ist, und ein Rohr 13, das an seinem oberen Ende die
Windenergieanlage trägt. Der Pfahl 12 kann insbesondere auch rohrförmig sein. Bei
der Montage wird das Rohr 13 von oben über den im Meeresboden verankerten Pfahl 12
geschoben; es wird auch als Hüllrohr (sheath pipe) bezeichnet. Dabei kann es beispielsweise
aufgrund von Seegang zu erheblichen Mittenversätzen zwischen dem Pfahl 12 und dem
Rohr 13 kommen. Wenn das Rohr 13 endgültig positioniert ist, wird der ringförmige
Spalt 14 zwischen dem Rohr 13 und dem Pfahl 12 mit einer nicht gezeigten zementhaltigen,
betonartigen Masse (sog. Grout) verfüllt, um das Rohr 13 dauerhaft und stabil mit
dem Pfahl 12 zu verbinden.
[0012] Damit das Grout nicht unkontrolliert austritt, ist zwischen dem Rohr 13 an dessen
unterem Ende und dem Pfahl 12 eine umlaufende, insbesondere konusförmige Dichtungsanordnung
15 zur Abdichtung des Ringspalts 14 vorgesehen. Die Dichtungsanordnung 15 ist hier
an der Innenseite des Rohrs 13 befestigt und umfasst zu diesem Zweck einen insbesondere
zylindrischen Befestigungsbereich 16, dessen Außendurchmesser daher an den Innendurchmesser
des Rohrs 13 angepasst ist. Zum Schutz der Dichtungsvorrichtung 15 beim Einsetzen
über den Pfahl 12 sind vorzugsweise Abstandshalter 40 an der Innenseite des Rohrs
13 vorgesehen, und zwar vorzugsweise jeweils oberhalb und unterhalb der Dichtungsvorrichtung
15 jeweils ein Kranz gleichmäßig über den Umfang des Rohrs 13 verteilter Abstandhalter
40. Die Abstandshalter 40 weisen vorzugsweise abgeschrägte oder abgerundete untere
Kanten 41 auf.
[0013] Die Dichtungsanordnung 15 umfasst ein Dichtelement 17 aus einem geeigneten Elastomerwerkstoff,
das einen Befestigungsabschnitt 18 und einen Dichtabschnitt 19 umfasst. Der Befestigungsabschnitt
18 des Dichtelements 17 wird mittels einer Klemmleiste 20 und Verbindungsmitteln 21
wie Setzbolzen oder Schrauben an der Innenwand des Rohrs 13 befestigt. Über den Umfang
des Rohrs 13 können abschnittsweise mehrere Klemmleisten 20 vorgesehen sein. Die Länge
des Dichtabschnitts 19 ist ausreichend groß, so dass der Dichtabschnitt 19 im montierten
Zustand mit seinem freien Ende 24 um den gesamten Umfang dichtend auf der Außenseite
des Pfahls 12 aufliegt, siehe beispielsweise Figuren 4 und 5, und zwar selbst für
einen maximalen Mittenversatz zwischen Pfahl 12 und Rohr 13. In diesem Zustand dichtet
die Dichtungsanordnung 15 den Ringspalt 14 nach unten ab, so dass kein Grout nach
unten auslaufen kann.
[0014] Im Bereich des freien Endes 24 des Dichtabschnitts 19 ist ein vollständig um den
Umfang des Dichtelements 17 umlaufendes, ringförmig in sich geschlossenes Verstärkungselement
50, hier in Form eines Stahldrahtrings, vorgesehen. Das Verstärkungselement 50 ist
auf der der abzudichtenden Oberfläche 36 des Pfahls 12 abgewandten Seite des Dichtelements
17 angeordnet. Über das verstärkungselement 50 ist eine streifenförmige Abdeckung
51 gelegt und beidseitig an dem Dichtabschnitt 19 befestigt, bspw. durch vulkanisieren,
so dass das Verstärkungselement 50 unverlierbar zwischen der Abdeckung 51 und dem
Dichtabschnitt 19 gehalten ist. Die Abdeckung kann vorteilhaft aus dem gleichen Elastomermaterial
bestehen wie das Dichtelement 17.
[0015] In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann das Verstärkungselement 50 auch vollständig
in den Dichtabschnitt 19 eingebettet sein. Die streifenförmige Abdeckung 51 ist dann
entbehrlich.
[0016] Die Dichtungsanordnung 15 umfasst in der in den Figuren gezeigten Ausführungsform
zwei separate umlaufende, auf der der abzudichtenden Oberfläche 36 zugewandten Seite
des Dichtelements 17 angeordnete Schutzvorrichtungen, nämlich eine Scharniervorrichtung
26 und ein vorzugsweise zwischen dem Dichtelement 17 und der Scharniervorrichtung
26 angeordnetes flexibles Gewebe- und/oder Folienteil 30.
[0017] Die Scharniervorrichtung 26 umfasst eine Mehrzahl vorzugsweise gleichmäßig über den
Umfang des Rohrs 13 angeordneter Scharnierelemente 25. vorzugsweise sind mindestens
vier, oder ein Vielfaches von vier, Scharnierelemente 25 vorgesehen. Jedes Scharnierelement
25 umfasst zwei plattenförmige Scharnierteile 22, 23. Das Befestigungsscharnierteil
22 ist an der Innenwand des Rohrs 13 befestigt, vorzugsweise im Bereich des Befestigungsabschnitts
18 des Dichtelements 17, insbesondere an der Klemmleiste 20 wie in den Figuren 2 und
5 gezeigt, wobei die Befestigungsmittel 21 vorteilhaft zur Befestigung des Befestigungsscharnierteils
22 verwendet werden können.
[0018] Das bewegliche Scharnierteil 23 ist um eine im Wesentlichen senkrecht zur Achse des
Rohrs 13 und tangential zum Umfang des Rohrs 13 angeordnete Scharnierachse 27 relativ
zu dem Befestigungsscharnierteil 22 schwenkbar. An dem beweglichen Scharnierteil 23
ist beispielsweise eine streifenförmige Platte 28 angeheftet. Das bewegliche Scharnierteil
23 und die streifenförmige Platte 28 bilden den freien streifenförmigen Scharnierarm
29. Der bewegliche Scharnierarm 29 kann in einer anderen Ausführungsform auch durch
ein verlängertes, streifenförmiges bewegliches Scharnierteil 23 gebildet sein. Auf
eine separate Platte 28 kann dann verzichtet werden. Der bewegliche Scharnierarm 29,
bzw. die Platte 28, besteht aus einem harten, sich unter Einwirkung des Pfahls 12
nicht verformenden Werkstoff, insbesondere einem Metall, beispielsweise Stahl. Es
ist aber beispielsweise auch ein fester Kunststoff denkbar.
[0019] Die Scharnierelemente 25 weisen vorzugsweise ein nicht gezeigtes Anschlagmittel auf,
das ein Schwenken des beweglichen Scharnierteils 23 relativ zu dem befestigten Scharnierteil
22 bzw. zu der Achse des Rohrs 13 um mehr als 90° verhindert. Das Anschlagmittel kann
insbesondere zwischen den Scharnierteilen 22, 23 gebildet sein. Mithilfe des Anschlagmittels
kann ein Verkanten der Scharnierelemente 25 beim Montieren des Rohrs 13 verhindert
werden.
[0020] Das freie Ende 24 des Dichtelements 17 überragt das freie Ende 35 des beweglichen
Scharnierarms 29 nur um so viel, wie für die Ausübung der Dichtfunktion des an der
abzudichtenden Oberfläche 36 des Pfahls 12 anliegenden freien Endes 24 des Dichtelements
17 erforderlich ist. Der weit überwiegende Teil des Dichtabschnitts 19 des Dichtelements
17 wird von dem Scharnierarm 29 abgedeckt, wie aus Figur 2 ersichtlich ist. Dadurch
schützt der Scharnierarm 29 den Dichtabschnitt 19 des Dichtelements 17 im Wesentlichen
über den gesamten Montagevorgang des Rohrs 13 vor einer mechanischen Einwirkung durch
die Oberkante des Pfahls 12. Erst wenn der Dichtabschnitt 19 relativ zu dem Pfahl
12 richtig positioniert ist, kommt das freie Ende 24 des Dichtelements 17 an der Mantelfläche
des Pfahls 12 (über das freie Ende 34 des Gewebe- und/oder Folienteils 30) dichtend
zur Anlage, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird.
[0021] Das Gewebe- und/oder Folienteil 30 umfasst einen Befestigungsabschnitt 31 und eine
Mehrzahl vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Rohrs 13 angeordneter Streifen
32, die vorzugsweise den gesamten Umfang vollständig überdecken, so dass im Wesentlichen
keine Spalte zwischen den Streifen 32 existieren. Der Befestigungsabschnitt 31 ist
vorzugsweise aus einem Stück gefertigt. Die Streifen 32 können insbesondere durch
Einschneidungen in ein einheitliches rechteckiges Gewebeund/oder Folienteil 30 gebildet
sein. Vorzugsweise ist jeweils ein Streifen 32 korrespondierend über jeweils einem
beweglichen Scharnierarm 29 angeordnet und überdeckt diesen vollständig. Die zahl
der Streifen 32 ist daher vorzugsweise mindestens so groß wie die zahl der Scharnierelemente
25. Die Breite der Streifen 32 ist vorzugsweise größer als die Breite der beweglichen
Scharnierarme 29. Jeweils ein Streifen 32 ist vorzugsweise etwa mittig über jeweils
einem beweglichen Scharnierarm 29 angeordnet.
[0022] Der Befestigungsabschnitt 31 des Gewebe- und/oder Folienteils 30 ist an der Innenwand
des Rohrs 13 befestigt, vorzugsweise im Bereich des Befestigungsabschnitts 18 des
Dichtelements 17. Insbesondere kann die Klemmleiste 20 wie in Figur 2 gezeigt zum
Festklemmen des Befestigungsabschnitts 31 des Gewebeund/oder Folienteils 30 auf dem
Befestigungsabschnitt 18 des Dichtelements 17 dienen. Die freien Enden 34 der Streifen
32 überragen das freie Ende 24 des Dichtabschnitts 19 des Dichtelements 17, wie insbesondere
in Figur 2 erkennbar ist. Dadurch schützt das Gewebe- und/oder Folienteil 30 den Dichtabschnitt
19 des Dichtelements 17 in allen möglichen Betriebszuständen vor einer direkten Einwirkung
durch den Pfahl 12 und den Scharnierarm 29.
[0023] Im Folgenden wird die Montage des Rohrs 13 erläutert. Im vormontierten Zustand des
Rohrs 13 liegen die Scharnierarme 29 und der Dichtabschnitt 19 des Dichtelements 17
jeweils in einer senkrecht zu der Achse des Rohrs 13 verlaufenden, hier horizontalen
Ebene. Der Dichtabschnitt 19 des Dichtelements 17 befindet sich in einem relativ entspannten
Zustand. Ausgehend von diesem Zustand wird das Rohr 13 in Pfeilrichtung über dem Pfahl
12 abgelassen, bis die Oberkante des Pfahls 12 auf die Unterseite der beweglichen
Scharnierarme 29 trifft, siehe Figur 1. Die Länge der beweglichen Scharnierarme 29
ist ausreichend groß bemessen, sodass zu keinem Zeitpunkt und selbst nicht bei maximalem
Mittenversatz zwischen Pfahl 12 und Rohr 13, d.h. wenn der Pfahl an den unteren Abstandhaltern
40 seitlich anschlägt, die Oberkante des Pfahls 12 zuerst mit dem Dichtelement 17
bzw. dem Gewebe- und/oder Folienteil 30 in Kontakt kommt.
[0024] Die Oberkante des Pfahls 12 beginnt dann die beweglichen Scharnierarme 29 anzuheben.
Die Scharnierarme 29 heben den Dichtabschnitt 19 des Dichtelements 17 an, wobei aufgrund
der flächigen Einwirkung der Scharnierarme 29 auf das Dichtelement 17 und das dazwischen
angeordnete Gewebe- und/oder Folienteil 30 die Gefahr einer Beschädigung des Dichtelements
17 äußerst gering ist. Bei einem Mittenversatz zwischen Rohr 13 und Pfahl 12 führen
die Scharnierarme 29 entsprechend den Dichtabschnitt 19 des Dichtelements 17 seitlich
nach.
[0025] Wie insbesondere in Figur 2 zu sehen ist, überdecken die Scharnierelemente 25 den
Dichtabschnitt 19 mindestens bis zu dem verstärkungselement 50 hin. D.h. die Länge
der Scharnierarme 29 ist mindestens so groß wie die Länge des Dichtabschnitts 19 bis
zu dem Verstärkungselement 50. Dies gilt im gezeigten Ausführungsbeispiel bei fehlendem
Mittenversatz über den gesamten Betriebsbereich der Scharnierelemente 26, also auch
noch in der endgültigen Betriebsposition (siehe Figur 2); im Falle eines Mittenversatzes
mindestens über einen erheblichen Teil des Betriebsbereichs der Scharnierelemente
26.
[0026] Die zuvor genannte Überdeckung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das verstärkungselement
50 nicht am äußersten Ende des Dichtabschnitts 19 angeordnet ist, sondern um eine
definiert Länge, vorzugsweise mindestens 10% der Länge des Dichtabschnitts 19, von
dem äußersten Ende zurückversetzt ist.
[0027] Aufgrund der genannten Überdeckung greifen die Scharnierarme 29 beim Einsetzen des
Rohrs 13 über den Pfahl 12 im Wesentlichen an dem verstärkungselement 50 an, wodurch
die Gefahr einer Beschädigung des Dichtabschnitts 19 durch Einwirkung der Scharnierarme
29 erheblich reduziert werden kann.
[0028] Schließlich ist der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Zustand erreicht, in dem das
freie Ende 24 des Dichtelements 17 (über das Gewebe- und/oder Folienteil 30) dichtend
an der abzudichtenden Außenseite 36 des Pfahls 12 anliegt. In Figur 1 ist dabei ohne
Beschränkung der Allgemeinheit ein Zustand ohne Mittenversatz zwischen Pfahl 12 und
Rohr 13 gezeigt. Im Falle eines Mittenversatzes wäre einer der beiden in Figur 1 gezeigten
beweglichen Scharnierarme 29 steiler geneigt (bis hin zu fast parallel zur Achse des
Rohrs 13) und der andere entsprechend weniger steil, wobei die Ringebene der Dichtungsanordnung
15 gegenüber der Horizontalen geneigt wäre.
[0029] Abschließend wird Grout von oben in den abgedichteten ringförmigen Spalt zwischen
dem Pfahl 12 und dem Rohr 13 gefüllt.
[0030] In der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist der Pfahl 12 innenliegend und
des Rohr 13 außenliegend angeordnet. Die gezeigte Dichtungsanordnung kann aber auf
den umgekehrten Fall mit außenliegendem Pfahl 12, in den das Rohr 13 eingesetzt wird,
entsprechend übertragen werden.
[0031] In Bezug auf Eigenschaften der Scharniervorrichtung 26 und/oder des Gewebe- und/oder
Folienteils 30 wird noch auf die am gleichen Tage eingereichte Patentanmeldung Nr.
EP11189743.5 der Anmelder verwiesen, die insoweit durch Inbezugnahme in die vorliegende Anmeldung
aufgenommen wird.
1. Dichtungsanordnung (15) für Unterwasser-Verankerung eines Offshore-Bauwerks zur Abdichtung
eines ringförmigen Hohlraums (14) zwischen einem Rohr (13) und einem Pfahl (12), umfassend
ein umlaufendes Dichtelement (17) aus einem Elastomerwerkstoff mit einem Dichtabschnitt
(19) zum dichtenden Anliegen an dem Pfahl (12) und einem Befestigungsabschnitt (18)
zum Befestigen des Dichtelements (17) an dem Rohr (13), dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines freien Endes (34) des Dichtabschnitts (19) ein um den Umfang des
Dichtelements (17) umlaufendes Verstärkungselement (50) vorgesehen ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkungselement (50) aus einem festeren Material als das Dichtelement (17)
besteht.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkungselement (50) im Wesentlichen aus Metall besteht.
4. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkungselement (50) ringförmig ist.
5. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang des Verstärkungselements (50) um maximal 10%, vorzugsweise maximal 5%
größer ist als der Umfang der abzudichtenden Oberfläche (36).
6. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstärkungselement (50) auf der der abzudichtenden Oberfläche (36) abgewandten
Seite des Dichtelements (17) angeordnet ist.
7. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine streifenförmige Abdeckung (51) für das Verstärkungselement (50) vorgesehen ist.
8. Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (51) aus dem gleichen Material besteht wie das Dichtelement (17).
9. Dichtungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsanordnung eine Scharniervorrichtung (26) mit einer Mehrzahl über den
Umfang der Dichtungsanordnung (15) verteilt angeordneter Scharnierelemente (25) aufweist.
10. Dichtungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scharnierelemente (25) den Dichtabschnitt (19) mindestens bis zu dem verstärkungselement
(50) hin überdeckt.