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Entwicklung einer Schnellverschlusskupplung

Entwicklung einer Schnellverschlusskupplung für einen Verladearm.

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Die Herausforderung

Einer unserer Kunden, die Firma Emco Wheaton, baut Verladearme für die Öl- und Gasindustrie. Im Jahre 2006 wurden wir angefragt, ob wir es uns zutrauen, eine automatische Kupplung zu bauen, welche bei einem LNG Tanker den Entladearm automatisch mit der Landseite verbindet. Bis dato wurden die Flanschverbindungen manuell mit Schrauben hergestellt, was bei Liegegebühren eines Schiffes von damals rd. 10.000 € pro Stunde ein teures Vergnügen war.  

Die Kupplung sollte auch in der Lage sein, innerhalb von zwei Sekunden eine Nottrennung der Verladearme an Land und am Schiff zu ermöglichen, falls z.B. Taue reißen und das Schiff wegdriftet. Hier gab es schon einige Unglücke, bei denen dann Häfen in Flammen standen. 

Ein Problem war: Es gab keinen Vorgängertyp. Zudem wirken bei einem Rohrinnendurchmesser von mehr als 300 mm und einem Druck von 225 bar enorme Kräfte, die es zu bändigen galt. 

Das eigentliche Hauptproblem war aber die Zeitschiene. Nur 6 Monate vom Projektstart bis zum Test des Prototyps. Danach 2 Wochen für die Tests und dann ab zum Schiff, welches für einen Zeitraum von weiteren 2 Wochen im Dock für Umbaumaßnahmen war. Eine spätere Lieferung bzw. ein nicht bestandener Test und der Kunde hätte die Kupplung nicht abgenommen, da das Schiff für die nächsten 3 Jahre im Einsatz war. 

Insgesamt eine sportliche Herausforderung, die wir erfolgreich angenommen haben. 

Prototypen kamen aufgrund der knappen Zeitschiene nicht in Frage, 3D-CAD, Mehrkörpersimulation und FEM-Berechnung waren die einzelnen Hilfsmittel, um die Konstruktion auf Funktionalität und Lebensdauer abzusichern. 

Erschwerend kam hinzu, dass bereits nach 3 Monaten das Material bestellt werden musste, da es sich bei den Krallen um höchstbeanspruchte Teile handelt, welche entsprechend lange Lieferzeiten hatten. 

Aufgabenstellung / Berechnung

Für die Produktentwicklung und die Berechnung stellte sich das Projekt zusammengefasst wie folgt dar: 

  • Entwicklung einer Schnellverschlusskupplung für einen Verladearm 
  • Extrem kurze Zeitschiene (keine Zeit für Prototypen und Versuche) 
  • Komplette Neuentwicklung, keine Vorgängervarianten vorhanden 
  • Komplett virtuelle Produktentwicklung 
  • Hoher Druck und großer Durchmesser 
  • Nottrenneigenschaften 
  • Einhaltung geltender Normen (OCIMF) und Abnahme durch BV (Bureau Veritas) 

Das Projekt wurde von einem Konstrukteur und einem Berechnungsingenieur durchgeführt. 

Die Stunde der Wahrheit

Rechtzeitig im November wurden alle Bauteile an Emco Wheaton geliefert und in einem Teststand montiert. Der Test von BV sah vor, dass der Schnelltrennungsvorgang mit Luft an einem Blindflansch getestet wird. 

Bis auf einen zerstörten Teststand, der mit der kinetischen Energie des 100 kg schweren Blindflanschgeschosses  nicht zu recht kam, funktionierte die Kupplung einwandfrei. 

Vorgehensweise

Die Vorgehensweise war wie folgt: 

Recherche, in welchen Bereichen es ähnliche Lösungskonzepte (bei weitaus kleineren Durchmessern und Drücken) bereits gab. 

Erstellung eines Grobkonzeptes, wie die kraftschlüssige Flanschverbindung über hydraulisch bediente Krallen hergestellt werden kann. 

Grobdimensionierung der Krallen und der gesamten Konstruktion. 

Untersuchung und Bestimmung der kritischen Bereiche. 

Einholung von Angeboten bei potentiellen Fertigungsunternehmen. 

Untersuchungen des Schließverhaltens und der Kraftverläufe über Mehrkörpersimulationen (MKS). 

Optimierung der Krallen und Auswahl der Werkstoffe über automatisierte Optimierungsalgorithmen (Formoptimierung der Kerbspannungen). 

Strömungssimulationen des Verhaltens des eingeschlossenen Gasvolumens bei einer Nottrennung ergänzten die Untersuchungen. Hierbei galt es zu prüfen, ob ein explosionsfähiges Gemisch entstehen kann. 

Fertigstellung der 3D-Konstruktion und Ableitung der Fertigungszeichungen. 

Beauftragung der Teile. 

Einbau und Betrieb

Kurze Zeit später wurde die Kupplung in die Excelerate eingebaut und tut dort seitdem ihre Dienste. 

Die Tellerfedern hatten nach 2 Jahren aufgrund der Salzluft noch ein Problem, was durch ein geändertes Design behoben werden konnte. 

Zwischenzeitlich wurden eine 2-stellige Stückzahl solcher Kupplungen gebaut und sind im Einsatz. 

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