DE3131904A1

DE3131904A1 - Hoch gasdichte schraubverbvindung fuer oel- und gasbohrungsrohre

Info

Publication number: DE3131904A1
Application number: DE19813131904
Authority: DE
Inventors: Sigeyuki Sagamihara Kanagawa Akase; Yasusuke Inoue; Fuzimasa Kitakyusyu Fukuokaken Koyama
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-08-12
Publication date: 1982-12-02
Also published as: IT8149098A0; JPS57186690A; DE3131904C2; GB2098689B; JPS5944552B2; CA1161883A; FR2505975B1; GB2098689A; IT1171458B; US4377302A; FR2505975A1

Description

* β β· _ββ

β * ο · · ο β· «ο

Hoch, gasdielite Schraubverbindung für öl- und Gasbohrungsrohre

Seit einigen Jahren werden Gasbohrungen in immer größere Tiefen vorgetrieben, in denen immer höhere Gasdrücke herrschen, so daß ein Bedarf an einer Schraubverbindung für Bohrungsrohre besteht, welche eine höhere Zugfestigkeit, eine höhere Gasdichtigkeit sowie eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion aufweist als ein herkömmliches API-Bund- oder Trapeζgewinde. Unter den von einer solchen Schraubverbindung geforderten Eigenschaften spielt die Gasdichtigkeit eine besonders wichtige Rolle, da der Austritt von brennbaren Gasen brand oder Explosion verursachen kann und der Austritt von giftigen Gasen, z.B. Schwefelwasserstoff, zu schweren Unfällen führen kann.

Zur Erzielung einer gasdichten Schraubverbindung ist es bekannt, das Spiel des Gewindes durch Einhaltung engster Toleranzen bei der Fertigung möglichst -klein zu halten, das Gewinde mit einem plastisch verformbaren, weichen Metall, z.B. Zinn, zu beschichten und/oder das Gewinde mit einem Verbund-Schmierstoff zu versehen,· z.B. mit einem mit Kalziumstearat oder Lithiumstearat angedickten und mit einem feinen· Metallpulver versetzten Mineralöl. Von Wichtigkeit ist darüber hinaus die Einhaltung eines bestimmten Drehmoments bei einer gegebenen Anzahl von Umdrehungen beim Anziehen der Schraubverbindung. Selbst bei Anwendung dieser Vorkehrungen läßt sich der Austritt von Gasen bei den derzeit in Gas- und Ölbohrungen angetroffenen hohen Temperaturen und Drücken nicht vollständig verhindern. Aus diesem Grund werden zur Verbesserung der Gasdichtigkeit besonders entwickelte

3Ί319-04

Arten von Schraubverbindungen verwendet. Bei einer solchen Art einer Schraubverbindung erfolgt die Abdichtung durch Metall-zu-Metallkontakt zwischen einem Hippelteil z.B. eines Stahlrohrs und einem Fassungsteil, z.B. einer Muffe. Bei einer anderen Art von Schraubverbindungen ist ein Ring aus Polytetrafluoräthylen in eine Ringnut eingelegt.

Von der vorstehend zuerst genannten Art sind verschiedene Ausführungsformen bekannt. In einer derartigen, in der japanischen veröffentlichten Patentanmeldung 18096/70 beschriebenen Ausführung ist am inneren Endbereich des Fassungsteils eine konvexe konische Innenfläche mit einer in ümfangsrichtung verlaufenden Schulter geformt, von welcher sich eine nicht mit Gewinde versehene Innenfläche zum Ende des Gewindebereichs erstreckt, und das Endstück des Hippelteils hat eine konkave konische Innenfläche sowie eine sich vom Ende des Gewindes zum Ende des Nippelteils erstreckende, kein Gewinde aufweisende Außenfläche. Bei dieser Schraubverbindung erfolgt die Abdichtung dadurch, daß die konkave konische Fläche des Außengewindes in Metall-zu-Metallkontakt mit der konvexen konischen Fläche des Innengewindes kommt.

Die offengelegte japanische Patentanmeldung 17125/73 beschreibt eine ähnliche Schraubverbindung,,, bei welcher eine konvexe konische Innenfläche im inneren Endbereich des Fassungsteils sowie eine sich vom inneren Ende' des Gewindes des Fassungsteils einwärts erstreckende Schrägfläche geformt sind, während das Hippelteil eine derjenigen des Fassungsteils komplementäre Form hat. Bei dieser Schraubverbindung ist ein erster Dichtungsbereich wie in der vorstehend beschriebenen Ausführung zwischen den konkaven und konvexen Schulterflächen gebildet. Ein zweiter Dichtungsbereich ist durch Metall-zu-Metallkontakt zwischen der verlängerten Schrägfläche des Fassungsteils und derjenigen des Kippelteils gebildet.

• »· Οβ »Ι »_β φ

)> O β O C

Bei den beschriebenen Schraubverbindungen ist durch den Metall-zu-Metallkontakt eine gute Abdichtung erzielbar, wobei jedoch noch gewisse Schwierigkeiten auftreten: In der zuerst beschriebenen Ausführung bildet das Ende des Hippelteils die einzige Abdichtung. Um einen sicher abdichtenden Metall-zu-Metallkontakt zu erzielen, ist daher beim Festziehen der Verbindung ein hohes Drehmoment notwendig, damit das durch Ungleichmäßigkeiten der Bearbeitung hervorgerufene Gewindespiel beseitigt wird. Durch das Festziehen der Verbindung mit sehr hohem Drehmoment kann, jedoch eine ungleichmäßige plastische Verformung im Eontaktbereich entstehen. Bei wiederholtem Festziehen und Lösen der Verbindung kann, daher die ursprünglich vorhandene Dichtwirkung verloren gehen, und durch Fressen des Gewindes kann es· zur Rißbildung kommen. Dies stellt einen schwerwiegenden Mangel dar, da die Schraubverbindungen bei Futterrohren bis zu dreimal und bei Bohrgestängen bis zu zehnmal angezogen und gelöst werden müssen, wobei keine Eisse auftreten dürfen und eine, sichere Dichtwirkung erhalten bleiben muß.

Unter den bei einer Bohrung auftretenden Arbeitsbedingungen spielt die Aufrechterhaltung der Diohtwirkung unter Einfluß von Zug-, Schub- und Biegekräften eine erhebliche Rolle. Unter dem Einflß von hohem Innendruck und starken Zugkräften kann sich der "die komplementären Metallflächen zur Abdichtung in gegenseitiger Anlage haltende Druck soweit verringern, daß ein gewisses Spiel zwischen den Dichtungsflächen entsteht. Da ferner die äußerst genau bearbeitete Dichtfläche am Ende des Nippelteils ungeschützt freiliegt, kann sie selbst bei Anwendung äußerster Sorgfalt im Betrieb verletzt werden, wodurch dann die Abdichtung durch Anlage der Metallflächen aneinander in Frage gestellt ist.

Bei der vorstehend an zweiter Stelle beschriebenen

Schraubverbindung ergibt sich zwar im Bereich der nicht mit Gewinde versehenen Schrägflächen ein höherer Anlagedruck zwischen dem Fassungsteil und dem Hippelteil, so daß beim Festziehen der Verbindung eine vergleichbare Dichtwirkung mit einem erheblich kleineren Drehmoment erzielbar ist als in der vorstehend beschriebenen Ausführung, der Kontaktbereich zwischen den abgeschrägten Metallflächen verläuft jedoch nahezu linear, was eine äußerst genaue Bearbeitung des Kontaktbereichs erforderlich macht. Die Dichtwirkung wird bereits durch das geringste Spiel an irgend einem Teil des Umfangs beeinträchtigt. Darüber hinaus kommt es unter hoher Belastung zu einer Verschiebung des Kontaktbereichs, wodurch sich der Kontaktdruck verringert und die Dichtwirkung beeinträchtigt wird.

Die Erfindung schafft eine Schraubverbindung für Gas- und Ölbohrungsrohre, welche eine hervorragende Gasdichtigkeit aufweist und frei von den Mangeln bekannter Schraubverbindungen mit Metall~zu-Metällkontakt ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung mit einem · ein Innengewinde aufweisenden Fassungsteil "und einem mit diesem verschraubbaren, ein Außengewinde aufweisenden STippelteil weist ein nicht mit Gewinde versehenes Endstück des Hippelteüs zwei Schultern und einen sich dazwischen erstreckenden konischen Abschnitt auf, und das Fassungsteil hat zwei Schultern und einen sich dazwischen erstreckenden konischen Abschnitt von den Schultern bzw. dem konischen Abschnitt des Mippelteils komplementärer Form. Beim Festziehen der Verbindung bilden die konischen Abschnitte durch Metall-zu-Metallkontakt einen ersten Dichtungsbereich. Anschließend kommt dann die näher dem Außengewinde des Nippelteils geformte Schulter in Anlage an der komplementären Schulter des Fassungsteils, wodurch der Endzustand beim Festzi hen der Verbindung bestimmt und ein zweiter Dichtungs-

* β β«

bereich gebildet ist. Das nicht mit Gewinde versehene äußerste Endstück des Nippels und die innere Schulter des Fassungsteils üben dagegen keine Dichtwirkung aus. Bei der erfindungsgemäßen Schraubverbindung sind also eine konische Fläche für eine erste Abdichtung und eine Schulter zum Ergänzen der Abdichtung· und zum Begrenzen der Verschraubung nahe beeinander derart ausgebildet, daß eine sichere Abdichtung erzielbar ist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht einer Schraubverbindung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 2a eine grafische Darstellung der beim Festziehen der erfindungsgemäßen Schraubverbindung an der Innenseite des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Hippelteils und an der Außenseite des Fassungsteils auftretenden Spannungen,

Fig. 2b eine schematisierte Darstellung eines Prüfverfahrens für die Erstellung der Grafik" nach Fig. 2a,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen • dem Anzugsdrehmoment und' der Anzahl der Umdrehungen beim Festziehen der Verbindung, *

Fig. 4- bis 7 Teil-Schnittansichten von gasdicht η Schraubverbindungen in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. ;

In Fig. 1 erkennt man das Endstück eines Rohrs 1 mit einem konischen Außengewinde 3j zwei rechtwinklig zur Achse des Rohrs geformten Schultern 6, 7 und- einem sich zwischen den beiden Schultern erstreckenden konischen

Abschnitt 8. Ein Fassungsteil 2 hat ein dem Außengewinde 3 komplementäres Innengewinde 3' und zwei Schultern 6', 7' zwischen denen sich ein konischer Abschnitt 8' erstreckt.

Die einander paarweise komplementären Schultern sind so ausgebildet und angeordnet, daß die Schultern 7 und 7' beim Festziehen der Sehraubverbindung in gegenseitige Anlage kommen und eine Abdichtung bilden, während die beiden anderen Schultern 6 und 6" durch einen kleinen Abstand c voneinander getrennt bleiben oder nur in leichte Berührung miteinander kommen, ohne eine wesentliche Abdichtung zu bilden. Die konischen Abschnitte 8, 8' des Rohrs 1 und des Fassungsteils 2 werden dabei durch Metall-zu-Metallkontakt als Dichtungsflächen gleicher Neigung wirksam.

Beim Festziehen der Schraubverbindung kommen zunächst die konischen Abschnitte 8, 8' des Rohrendes Λ und des Fassungsteils 2 in gegenseitige Anlage und bilden einen ersten Dichtungsbereich. Beim weiteren Festziehen der Verbindung' ergibt sich zwischen den konischen Abschnitten eine Keilwirkung, durch welche die Dichtwirkung noch gesteigert wird. Zur Erzielung der bestmöglichen Gasdichtigkeit ohne plastische Verformung des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Rohrs ist "die radiale Kompression desselben dadurch begrenzt, daß' die Stufen 7 und 7' in gegenseitige Anlage kommen und beim weiteren Festziehen der Schraubverbindung einen zweiten Dichtungsbereich bilden. In diesem Zustand verbleibt zwischen den beiden anderen Schultern 6 und6' ein gewisser Abstand. Es ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung, ob die Schultern am nicht mit Gewindeversehenen Endstück des Rohrs im rechten Winkel oder in einem anderen Winkel zur Achse des Rohrs geformt sind, da dieser Winkel keinen Einfluß auf die Gasdichtigkeit hat.

no

4 ί

Die vorstehend beschriebene Schraubverbindung weist im Hinblick auf die Gasdichtigkeit die folgenden Merkmale auf:

1.) Durch die Ausbildung des ersten und des zweiten Dichtungsbereichs erhöhen sich die Flächendrücke und damit die Dichtwirkung.

2.) Durch die Festlegung des Endzustands beim Festziehen der Verbindung ist der plastischen Verformung und einem Fressen im ersten Dichtungsbereich und an den Gewinden vorgebeugt. Die Verbindung kann daher ohne Verlust der ursprünglich vorhandenen Dichtwirkung mehrfach gelöst und festgezogen werden.

3.) Durch die Ausbildung des Rohrendes mit der konischen Diehtungsfläche 8 und den diese an beiden Enden begrenzenden Stufen 6 und 7 ergeben sich zwei Dichtungsbereiche am Rohrende. Die Schulter 7 bildet zusammen mit dem konischen Abschnitt 8 eine Unterschneidung, bei welcher die Gefahr einer Beschädigung verringert ist. Unter gleichzeitiger Einwirkung von hohem Innendruck und starken Zugkräften auf die Schraubverbindung kann zwar der Flächendruck im zweiten Dichtungsbereich durch die Zugkräfte verringert werden, aufgrund des beim Festziehen der Schraubverbindung erzielten hohen Radialdrucks im ersten Dichtungsbereich üben die" Zugkräfte jedoch keinen abträglichen Einfluß auf die Abdichtung in diesem Bereich aus. Dadurch bleibt die Abdichtung gegenüber hohem Innendruck erhalten. 4-.) Um Erosion und Korrosion vorzubeugen, bleibt nach dem Festziehen der Verbindung ein kleiner Abstand c zwischen der Endschulter 6 des Rohrendes und der Schulter 6' des Fassungsteils vorhanden. Durch diesen Abstand ist auch einer übermäßigen Verformung vorgebeugt, falls beispielsweise die Endschulter 6 des Rohrendes auf der Schulter 6' des Fassungsteils aufsetzt, so daß die Dichtwirkung nicht beeinträchtigt ist, selbst wenn das äußerste Ende des Rohrs durch Stoß oder Schlag verformt sein sollte.

5·) der konische Abschnitt des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Rohrs oder Mppelteils ist relativ dünnwandig, so daß seine "Verformung, wie man in Pig. 2a erkennt, etwa das Vierfache der Verformung des Fassungsteils beträgt. Dadurch ist im ersten Dichtungsbereich ein ausreichender Anlagedruck mit einem geringeren Drehmoment erzielbar als bei bekannten Schraubverbindungen.

Fig. 2b zeigt eine schematisierte Darstellung des Prüf- -' Verfahrens zum Erstellen der Daten für Fig. 2a. In Fig. 2b erkennt man einen Dehnungsmeßstreifen P für das Rohrende bzw. Nippelteil, einen Dehnungsmeßstreifen B für das Fassungsteil und einen konischen Abschnitt T (7"O.D. χ 321bs/ft.L8O).

Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Anzugsdrehmoment und der Anzahl der Umdrehungen beim Festziehen der erfindungsgemäßen Schraubverbindung. Bei einer Schraubverbindung mit konischem Gewinde steigt das Anzugsdrehmoment stetig an, wie durch die Linie OA in Fig. 3 angedeutet. An dem mit A bezeichneten Punkt kommen-die Oberflächen der konischen Abschnitte 8, 8¹ des Fippelteils bzw. des Fassungsteils in gegenseitige Anlage. Durch weiteres Anziehen der Verbindung entsprechend dem Abschnitt A-B wird der für die Gasdichtigkeit notwendige Flächendrück im . ersten Dichtungsbereich zwischen den konischen Abschnitten 8 und 8' erzielt. An dem mit B bezeichneten Punkt kommt die vordere Stufe 7 des ÜTippelteils in Anlage an der komplementären Schulter 7¹ des Fassungsteils, um den zweiten Dichtungsbereich zu bilden. Von diesem Punkt an steigt das Drehmoment steil bis zu einem Punkt C an, wodurch der für die Abdichtung notwendige Flächendruck zwischen den Schultern 7 und 7' erzielt wird. Der Abstand zwischen den Punkten B und G ist hier größer als

bei einer bekannten Schraubverbindung, so daß die Begrenzung des Drehmoments auf einfache Weise bewerkstelligbar ist. ■

Zusammengenommen stellen die vorstehend beschriebenen Einzelwirkungen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Bekannten dar.

Während im Vorstehenden das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schraubverbindung erläutert wurde, seien nachstehend einige praktische Ausführungsbeispiele beschrieben.

S¹Ig.■ 4 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Rohrenden oderMppelteilen 42 und einer Muffe 43. Die eingekreisten Bereiche 41 an den Enden der Nippelteile 42 stellen jeweils eine hoch gasdichte Schraubverbindung mit zweifach abgestuften Schultern gemäß der Erfindung dar.

In Fig. 5 erkennt man eine Schraubverbindung mit einem Nippelteil 52 und. einem verstärkten Fassungsteil 53'· Der eingekreiste Bereich 51 am Ende des Nippelteils 52 stellt einen zweistufigen Dichtungsabschnitt gemäß der Erfindung dar, mittels dessen eine hohe Gasdichtigkeit gegenüber hohen Innendrücken erzielbar ist.

Fig. 6 zeigt eine mit den anschließenden Rohren einstückige Schraubverbindung, bei welcher sowohl das Nippelteil 62 als auch das Fassungsteil 63 verstärkt sind. In dieser Ausführungsform ist an den auslaufenden Enden sowohl des Nippelteils 62 als auch des Fassungsteils 63 ein innerer bzw. ein äußerer, jeweils zweistufiger Dichtungsabschnitt 61 bzw. 61' gemäß der Erfindung geformt. Diese Schraubverbindung weist daher eine hohe Gasdichtigkeit sowohl gegenüber Innen- als auch gegenüber Außendrücken auf und hat glatt durch-

gehende Innen- und Außenflächen, welche ihr eine hohe Korrosionsbeständigkeit verleihen.

Pig. 7 zeigt eine mit den jeweiligen Rohren einstückige Schraubverbindung mit einem Nxppelteil 72 und einem Fassungsteil 73? bei welchem das Nippelteil 72 in einem geringeren Maße verstärkt ist und an seinem inneren Ende ein zweistufiger Dichtungsabschnitt 71 gebildet ist. An der Außenseite der Verbindung ist ein weiterer Dichtungsabschnitt 71' ^i^ in Metall-zu-Metallkontakt befindlichen konischen Flächen nach Art einer Hydril-Dreifachabdichtung geformt. Diese Schraubverbindung verbindet eine hohe Gasdichtigkeit gegenüber inneren und äußeren Drücken von Gas oder Öl mit einer hohen Festigkeit.

Für eine praktische Untersuchung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung wurde eine Muffenverbindung' der in Fig. 4- gezeigten Art gefertigt. An einem API 5-A-, L80-Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 177?6 mm bei " einer Wandstärke von 11,51 ram und einem API 5B-Trapezgewinde wurde ein von Gewinde freies Endstück mit einer Endschulter 6 mit einer Höhe h^ von 2,5 n^r einer vorderen Schulter 7 mit einer Höhe hp von 5₅5 ™n und einem konischen Abschnitt 8 mit einer Länge 1 von 6 mm geformt. Die Verbindung wurde mehrere Male angezogen" und gelöst

und anschließend einem Innengasdruck von 637 kp/cm (gleich 80% der Innendruckfestigkeit) und einer Zugbelastung von 338 to (gleich 80% der Zugfestigkeit) unterworfen. In diesem Zustand wurde die Verbindung einhundert Erwärmungszyklen zwischen 163 ⁰C und 67°C 'unterworfen. Dabei wurde kein Verlust der Gasdichtigkeit der Verbindung festgestellt und somit erwiesen, daß die Verbindung im praktischen Gebrauch eine ausgezeichnete Gasdichtigkeit aufweist.·

Claims

'' Postfach860245·8000München86 : . . ^; Anwaltsakte 31 744 ,-.. ..- U. Aug.. Nippon Steel Corporation No. 6-3, 2-chome, Otemachi, Chiyodaku, Tokyo, Japan Hoch Gasdichte Schraubverbindung für öl-! und Gas bohrung sr öhre

1. Hoch gasdichte Schraubverbindung für öl- und Gasbohrungsrohre, dadurch g e k e η n.z eic h η e t, daß sie ein 3?as.sungsteil (2) mit einetn Innengewinde ; (5'.· und ein im Gebrauch damit verschraubbares Mppelteil:'., (1) mit einem Außengewinde (J) aufweist,- daßein nicht mit Gewinde versehenes Endstück (4) des ITippelteils ".. eine vordere Schulter (7) und eine dieser gegenüber. ^; stufenartig versetzte Endschulter (6) sowie einen sich

Bankkonten: Hypo-Bank Manchen 4410122 850 (BLZ 70020011) SwiU Code: HYPO DE MM Bayer Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270) Postscheck München 65343-808(BLZ 70010080)

if (089)988272 Telegramme: 988273 -.,jv. -:■ BERGSTAPFPATENT München 988274 TELEX: no μ in (W M «Kl BERO d

von der vorderen Schulter zur Endschulter verjüngenden konischen Abschnitt (8) hat und daß ein dem nicht mit Gewinde versehenen Endstück des Nippelteils entsprechender, nicht mit Gewinde versehener Bereich (5) des Fassungsteils zwei der vorderen bzw. der Endschulter des Nippelteils entsprechende Schultern (7' bzw. 6') sowie einen dem konischen Abschnitt des Hippelteils entsprechenden konischen Abschnitt (8') aufweist, wobei beim Verschrauben des Kippeis mit dem !Fassungsteil ein erster Dichtungsbereich durch direkten Metallzu-Metallkontakt zwischen den konischen Abschnitten und in der Endphase der Verschraubung ein zweiter Dichtungsbereich durch Anlage der vorderen Schulter des Nippelteils an der entsprechenden Schulter des Fassungsteils herstellbar ist, während die Endschulter des Mppelteils und die entsprechende Schulter des Fassungsteils bei Fertigstellung der Verschraubung im wesentlichen keinen Dichtungsbereich bilden.

2. Hoch gasdichte Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Muffen-Schraubverbindung (4-1 bis 4-3) handelt.

3. Hoch gasdichte Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine mit den Rohren einstückige Schraubverbindung (51 bis 53, 61 bis 63, 71 bis 73) handelt. ·,-"".