DE3426725A1 - Gestaengeverbindung - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine schraubbare Gestängeverbindung zum Verbinden von Rohren untereinander, insbesondere eine Gestängeverbindung mit geringen Spannungen und einer verminderten Anfälligkeit gegenüber Ermüdungsbrüchen und überdrehung bei Gebrauch.

Mit Gewinde versehene Gestängeverbindungen zum Verbinden von Rohren untereinander werden allgemein beim Bohren in der Erdölindustrie verwendet. Solche Gestängeverbindungen weisen ein "männliches" Bolzenelement auf, welches in ein "weibliches" Muffenelement paßt. Eines der größten Probleme bei Gestängeverbindungen ist ein Bruch der Verbindung aufgrund von Ermüdungen nach längerem Gebrauch.

Unter den Begriff "Gestängeverbindung" fallen in diesem Zusammenhang alle Schraubverbindungen in einem bei der Ölsuche oder im Bergbau verwendeten Bohrgestänge, die beispielsweise mit Verbindungselementen, Schwerstangen bzw. Meißelstangen, Stabilisatoren, Bohrwerkzeugen o.a. ein Teil bilden oder mit diesen verschweißt sind.

Bekannte Verfahren zur Lösung des Problems der Ermüdungsbrüche bei verschraubten Gewindeverbindungen befassen sich im wesentlichen mit der Oberflächenbearbeitung durch Hämmern und mit in der Nähe der Schulter des Bolzenelementes eingebrachten Entlastungsrinnen. Diese

Verfahren haben einen begrenzten Erfolg, befassen sich aber im allgemeinen mit der Wirkung höherer Belastungskonzentrationen in Bereichen wie dem Gewindegrund und der Übergangsstelle zwischen Schulter und Anschlag.

In der US-PS 658 087 ist eine konische Schraubverbindung gezeigt, die bei Verbindung mit anderen Schraubeelementen eine festsitzende (jamming union) Verbindung bildet.

Die US-PS 3 050 318 zeigt eine mit einem Muffen- und einem Bolzenelement versehene Schraubverbindung, bei der die Tragflächen der Gewindegänge sich entlang der Schraubverbindung ändern.

In der US-PS 3 388 935 ist ein Schraubelement für ein Bohrgestänge gezeigt, das ein flaches Gewinde aufweist, bei dem die auf die Gewindegänge wirkende Kraft entlang dem Schraubelement variiert.

Eine Schraubverbindung für Bohrrohre großen Durchmessers ist in der US-PS 4 113 290 beschrieben, bei dem das Gewinde konisch ist und bei dessen Gewindeprofil die Stelle der Druckbelastung entlang der Länge des Gewindes variiert.

Eine weitere Schraubverbindung ist in dem US-PS 4 295 751 gezeigt, bei dem das Gewinde so ausgelegt ist, daß die auf die einzelnen Gewindegänge wirkende Kraft verschieden ist. Die Schraubverbindung ist für Schlagbohrer ausgelegt.

Bei einigen Gestängeverbindungen tritt bei Gebrauch das Problem des Überdrehens auf. Es ist bekannt, ein zweites Paar Schultern vorzusehen, die aneinander stoßen,

wenn die Verbindung fast ganz zusammengeschraubt ist, so daß die zum Überdrehen der Verbindung notwendige Kraft wesentlich erhöht wird. Dies ist in der US-PS 2 532 632 gezeigt. Hierfür ist eine sorgfältige, innerhalb enger Grenzen liegende spanabhebende Bearbeitung der zweiten Schultern notwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Gestängeverbindung zu schaffen, bei der geringe Spannungen auftreten und die im fest verschraubten Zustand unanfällig gegenüber Ermüdungsbrüchen ist.

Ziel der Erfindung ist auch die Schaffung einer verbesserten Gestängeverbindung mit einem konischen Bolzenelement, dessen Gewindegrund entlastet ist, so daß geringere örtliche Spannungen auftreten und die Anfälligkeit gegenüber Ermüdungsbrüchen reduziert ist.

Es ist außerdem Ziel der Erfindung, eine verbesserte schraubbare Gestängeverbindung mit einem konischen Gewinde zu schaffen, bei dem die Belastung über eine größere Anzahl von Gewindegängen verteilt wird.

Darüber hinaus ist es auch Ziel der Erfindung, eine verbesserte Gestängeverbindung mit einem konischen, ein Gewinde aufweisenden Bolzenelement zu schaffen, dessen Gewinde so ausgebildet ist, daß Belastungen gleichmäßiger verteilt werden, das weniger anfällig gegenüber Ermüdungsbrüchen ist und das schließlich in eine Standard-API-Gewindemuffe paßt.

Schließlich ist es Ziel der Erfindung, eine verbesserte, mit einem Gewinde versehene Gestängeverbindung zu schaffen, bei dem im Gebrauch ein Überdrehen verhindert wird, indem beim Zusammenschrauben der Verbindung eine

radiale Beeinflussung des Bolzengewindes auf das Muffengewinde erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Gestängeverbindung der oben genannten Art mit Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine typische, bekannte Gestängeverbindung;

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht der Schraub- -| 5 verbindung der bekannten Gestängeverbindung

gemäß Figur 1;

Figur 3 eine Reproduktion einer Photographie eines Ermüdungsbruches bei einer bekannten Gestängeverbindung in Seitenansicht;

Figur 4 eine Reproduktion einer Photographie des Ermüdungsbruches bei der Gestängeverbindung gemäß Figur 3 von vorne gesehen;

Figur 5 eine Teilansicht im Schnitt einer bekannten, mit einem Gewinde versehenen Gestängeverbindung, bei der übertrieben die Neigung zur Belastung der Vorderkante und zur Entlastung der Hinterkante des Gewindeganges im zusammengeschraubten Zustand dargestellt ist;

Figur 6 eine vergrößerte Ansicht des Bolzengewindes gemäß Figur 5 mit einer Zeichnung der Belastungsverteilung linear entlang der Gewindegänge ;

Figur 7 einen Schnitt durch eine Grundform eines API-Gewindes zur Verdeutlichung der Nomenklatur;

Figur 8 eine theoretische Zeichnung der Lastverteilungskurve, welche die Verteilung der Bela

stung über der Anzahl der Gewindegänge beginnend an der Schulter des Bolzenelements wiedergibt ;

Figur 9 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Bolzengewinde, das zur Entlastung im Gewindegrund geändert ist?

Figur 10 einen Schnitt durch ein Bolzengewinde im wesentlichen wie in Figur 9, bei dem die maxima

le Entlastung am Gewindegrund dargestellt ist;

Figur 11 einen Schnitt durch eine eiin Muffen- und

Bolzenelement aufweisende Schraubverbindung,

aus dem sich der Eingriff der Gewindegänge

bei Beginn des Belastungszustands ergibt;

Figur 12 eine theoretische Zeichnung der Belastungsverteilungskurve, die die Belastungsverteilung über der Anzahl der Gewindegänge des Bolzenelements wiedergibt, die ausgehend von der Schulter des Bolzenelements gemessen wurde, wobei die durchgezogene Kurve für ein API-Gewinde und die punktierte Kuve für ein erfindungsgemäßes Gewinde gilt;

Figur 13 eine Ansicht eines Bolzen-Rohlings und ein Teil eines Muffen-Rohlings, aus der sich die verschiedenen Steigungen der Gewinde ergeben; und

Figur 14 einen Schnitt durch ein mit einem Gewinde versehenes Bolzenelement, aus dem sich sowohl die Steigung als auch der Aufbau des entlasteten Gewindegrundes ergibt.

Figur 1 zeigt eine bekannte, aus einem rohrförmigen Bolzenelement 11 und einem rohrförmigen Muffenelement 12 bestehende Gestängeverbindung 10. Das Bolzenelement 11 hat ein sich verjüngendes Außengewinde 13, welches in ein konisch verlaufendes Innengewinde 14 des Muffenelements 12 paßt. Die schraubbare Gestängeverbindung 10 wird gewöhnlich fest angezogen, so daß eine Schulter 15 des Bolzenelements 11 in festem Eingriff mit einer Endfläche 16 des Muffenelements 12 steht. Weitere Einzelheiten der bekannten Rohr-Gestängeverbindung 10 sind in den Figuren 2 bis 8 dargestellt.

Bei fest angezogenen Gestängeverbindungen 10 gemäß Figur 1 treten die meisten Ermüdungsbrüche am letzten in Eingriff stehenden Gewindegang des Bolzenelements 11 etwa 2 cm von der Schulter 15 entfernt auf. In Figur 1 würde der Ermüdungsbruch etwa am Gewindegang 17 des Außengewindes 13 des Bolzenelements 11 anfangen.

In den Figuren 3 und 4 ist ein Bolzenelement 11 mit einem Ermüdungsbruch 18 dargestellt, der etwa am Gewindegang 17 beginnt. Üblicherweise beginnt der Ermüdungsbruch 18 am Grund- bzw. Kernradius des letzten in Ein- griff stehenden Gewindegangs. Von diesem Kernbereich aus verläuft, je nach Einsatzhärte, ein Riß in Richtung auf die Bohrung 19 im Bolzenelement 11 zu, bis ein Bruch auftritt. In den Figuren 3 und 4 ist die Photographie eines Ermüdungsbruchs und einer Bruchlinie eines Bolzenelements 11 dargestellt.

Nach heutigen Theorien über Ermüdungsbrüche, beruhen solche Brüche auf einem wiederholten, plastischen Fliessen. In dem hoch belasteten Gewinde entstehen Haarrisse in einem stark belasteten Bereich an der Wurzel bzw. dem Grund der Gewindegänge, die sich aufgrund periodischer Belastungen während des normalen Betriebs des Gestänges in Bereiche geringerer Belastung fortsetzen. Daraus folgt, daß die Anfälligkeit für Ermüdungsbrüche dadurch reduziert werden könnte, daß die lokale Belastungsintensität am ersten Gewindegrund 20 des Außengewindes 13 des Bolzenelements 11 vermindert wird. Bekannte Verfahren zur Vermeidung von Ermüdungsbrüchen in Gestängeverbindungen haben sehr verschiedene Lösungswege beschritten. Bei bekannten Verfahren wurde die Oberfläche durch Hämmern kaltgehärtet, beispielsweise bei Hi-Flex-Gewinden, oder Entlastungsrinnen nahe der Schulter 15 des Bolzenelements 11 vorgesehen. Diese Lösungen hatten nur einen begrenzten Erfolg, da sie sich im wesentlichen mit den Wirkungen hoher Belastungen in Bereichen wie am ersten Gewindegrund 20 und an der Übergangsstelle zwischen der Schulter 15 und der Endkante 16 befaßten. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dient dazu, den Grund der Belastungskonzentration zu beseitigen und vermindert durch spezifische geometrische Änderungen des Gewindeaufbaus sowie des Eingriffs der Gewindegänge wesentlich die Belastungekonzentrationen, wodurch außerdem ein Überdrehen des Gewindes bei Gebrauch verhindert wird.

In den Bestimmungen für Dreh-Bohreinrichtungen des American Petroleum Institute (§ 7 API, 33. Ausgabe, Dezember 1981, herausgegeben vom API, Production Department, 211, North Ervay, Suite 1700, Dallas, Texas 75201, V.St.A. sind Industrienormen sowie Bestimmungen für Dreh-Bohreinrichtungen und deren verschiedenen

Teile festgelegt. § 9, Seiten 23 bis 25 der API-Bestimmungen betreffen Schultern aufweisende Drehverbindungen. §9 betrifft auch die Beschreibung von Schraubverbindungen, wie sie bei Gestängeverbindungen von Bohrrohren verwendet werden. Die §§ 10 bis 12, Seiten 26 bis 32, betreffen die Meßpraxis, MaßbeStimmung und den Meßschein für Schultern aufweisende Drehverbindungen. In § 9 der API-Bestimmungen werden im einzelnen die Maße für die Gewindegröße und -Steigung für Drehverbindungen -\0 mit API-Gewinde angegeben.

Figur 2 zeigt die Form einer typischen Ölbohr-Gestängeverbindung einer API-Verbindung mit einem V.O38R-Gewinde, das eine Steigung von etwa 5,08 cm pro 0,305 m. und

-| 5 1,57 Gewindegänge pro cm aufweist. Beim Standard-API-Gewinde verläuft die Form des Gewindes gleichmäßig zu beiden Seiten einer durch den Gewindegrund verlaufenden, senkrecht auf der Gewindeachse stehenden Gewindemittelachse; auf der Belastungsseite des Gewindes befindet sich gemäß Figur 2 kein Ausgleich. Bei der in Figur 2 dargestellten Gewindeform eines Standard-API-Gewindes vom Typ V.038R ist ein Bolzenelement 11 mit einem Außengewinde 13 dargestellt, das in das Innengewinde 14 eines Muffenelements 12 eingreift, dessen Gewindegrund bzw. Scheitel strichpunktiert dargestellt sind. Der erste Gewindegrund 2 0 zwischen den Gewindegängen des Außengewindes 13 befindet sich an der Basis eines Winkels von 60° zwischen benachbarten Gewindeflanken. Die Gewindeflanken schließen beide einen Winkel von 30° auf beiden Seiten einer senkrechten Linie, der Gewinde-Mittellinie 40, ein, die durch die Mitte des Gewindes verläuft. Der Grund des Außengewindes 13 hat einen Radius von 0,038 in oder etwa 0,1 cm, der von einem Punkt auf der Gewinde-Mittellinie 40 aus gemessen wird. Der erste Gewindegrund 20 ist also mit einem

Radius von 0,1 cm abgestumpft. Der Radius des zweiten Gewindegrunds 21 des Innengewindes 14 des Muffenelements 12 ist im wesentlichen gleich. Das Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 ist an der Stelle 22 mit einem Radius 23 von etwa 0,015 in bzw. 0,038 cm abgestumpft.

Wenn dieses Standard-API-Gewinde durch Festziehen der Gestängeverbindung 10 belastet wird, wird die Belastungsflanke 24 gegen die Flanke 25 des Innengewindes 14 gedrückt, und die unbelastete Flanke 26 des Außengewindes 13 wird entlastet. Dies ist etwas übertrieben in Figur 5 dargestellt, die einen Zwischenraum zwischen der unbelasteten Flanke 26 und der benachbarten unbelasteten Flanke des Innengewindes 14 des Muffehelements 12 zeigt.

Aus Figur 6 werden die berechneten Folgen der ungleichmäßigen Belastungen des Querschnitts der ersten beiden Gewindegänge des Außengewindes 13 des Bolzenelements 11 deutlich. Im oberen Teil von Figur 6 tritt entlang den eingezeichneten Belastungspfeilen 27 die Belastung an der Belastungsflanke 24 des Bolzenelements 11 auf. In der Belastungsverteilungskurve unten in Figur 6 ist für verschiedene Punkte der Oberfläche des Außengewindes 13 die maximale berechnete Oberflächenbelastung eingetragen. Aus der Kurve ergibt sich, daß die Belastung in einem Bereich von Null und darunter an der unbelasteten Flanke 26 und einem Maximum am ersten Gewindegrund 2 0 des Außengewindes 13 liegt. Aus der Belastung des GewindequerSchnitts ergibt sich, daß die Belastungsverteilung am ersten Gewindegrund 20 sehr unsymmetrisch ist. Diese Asymmetrie führt bei zyklischer Krafteinwirkung auf die Schraubverbindung im normalen Gebrauch des Bohrgestänges schließlich dazu, daß Risse vom ersten Gewindegrund 20 ausgehen und sich von dort aus fortpflanzen.

Dies führt schließlich zum in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ermüdungsbruch 18.

Die Untersuchung der Belastungsverteilungen im Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 und die Tatsache, daß die Belastungsflanke 24 des Außengewindes 13 im wesentlichen belastet wird, während die unbelastete Flanke 26 unbelastet bleibt, führten zu dem Ergebnis, daß gewisse Änderungen an der Gewindeform zu einer gleichmäßigeren Belastungsverteilung und Gewindebelastung führen müßten.

Bei einem Standard-API-Gewinde gemäß Figur 7 hat das Bolzenelement 11 ein Außengewinde 13 mit einem gestrichelt dargestellten Scheitel- oder Außendurchmesser 28 und einen gestrichelt dargestellten Wurzel- oder Kerndurchmesser 29. Der Flankendurchmesser 30 ist ebenfalls gestrichelt dargestellt. Eine Linie bezeichnet den Grundradiusses 31 des ersten Gewindegrunds 20 des Außengewindes 13. Die Mitte des Grundradius 31 liegt auf der Gewinde-Mittellinie 40, die senkrecht auf der Gewindeachse und der Mittelachse des Bolzenelements 11 steht. Die den Außendurchmesser 28, den Flankendurchmesser 30 und den Kerndurchmesser 29 darstellenden Linien sind parallel und zeigen die Neigung des Außengewindes 13 an. Der erste Gewindegrund 20 ist um den Abstand des Kerndurchmessers 29 bis zum Schnittpunkt 42 abgerundet. Wenn dieses Standard-Gewinde gänzlich zusammengeschraubt ist, wobei die Schulter 15 des Bolzenelements 11 in Eingriff mit der Endfläche 16 des Muffenelements 12 steht, ist die Kraftverteilung auf die Gewindegänge des Außengewindes 13 extrem asymmetrisch.

In Figur 8 ist die von den Gewindegängen theoretisch getragene Last in Prozent über der Anzahl der von der Schulter 15 aus gezählten Gewindegänge des Außengewin-

des 13 aufgetragen. Die Belastung der Gewindegänge ist nicht linear; fast 60 % der Last wird von den ersten drei Gewindegängen getragen, während der Rest der Last sich auf die folgenden elf Gewindegänge verteilt. Aufgrund der außergewöhnlich hohen Belastung nahe der Schulter 15 ist es nicht überraschend, daß im Bereich des ersten und zweiten Gewindegangs die meisten Ermüdungsbrüche auftreten.

Bei der Änderung des API-Gewindes zur Erzeugung eines Niederbelastungs-Gewindes sind einige Änderungen vorzugsweise durchzuführen. Erstens soll das abgewandelte Außengewinde 13 auf dem Bolzenelement 11 mit einem Standard-API-Muffengewinde kämmen, da das abgewandelte BoI-zenelement 11 vorzugsweise mit den vorhandenen Muffengewinden der schon auf dem Bohrfeld vorhandenen Einrichtungen kompatibel sein soll. Zweitens soll der Radius der Gewindegänge des Bolzenelements 11 geändert werden, um die Belastung am Grund des Gewindes zu vermindern.

Drittens soll vorzugsweise die Gewindessteigung modifiziert werden, um einen künstlichen Gewindesteigungsunterschied zwischen dem Bolzenelement 11 und dem Muffenelement 12 herzustellen und eine gleichmäßigere Belastungsverteilung am Gewinde zu erreichen, wenn dieses ganz zusammengeschraubt ist. Viertens wird durch die erfindungsgemäße Geometrie eine radiale Beeinflussung erzeugt, die an den von der Schulter 15 entfernten Gewindegängen beginnt, um ein überdrehen des Gewindes zu vermeiden.

Die erste Änderung des Gewindeaufbaus ist die Änderung des Grundradiusses 31. Dies ist in den Figuren 9 und 10 und teilweise in Figur 14 dargestellt. Bei dem veränderten Gewindeaufbau ist der Grundradius 31 am ersten Gewindegrund 2 0 der Gewindegänge des Außengewindes 13 um

etwa 50 % vergrößert. Während bei einem Standard-API-Gewinde mit 1,57 Gewindegängen pro cm und einer Steigung von etwa 5,1 cm pro 0,305 m die Länge des Grundradiusses 0,038 in bzw. etwa 0,1 cm beträgt, hat der Grundradius 31 des geänderten Gewindeaufbaus gemäß Figur 9 eine Länge von vorzugsweise 0,057 in bzw. 0,14 cm. Die größere und flacher verlaufende erste Kurve 32 im ersten Gewindegrund 20 geht weich in eine zweite Kurve 33 mit wesentlich kürzerem Radius 34 über. In diesem Fall geht der Grundradius 31 mit einer Länge von 0,14 cm in einen Radius 34 mit 0,08 cm Länge über. Die einen kürzeren und nur einen einzigen Radius aufweisende zweite Kurve 33 endet in einer ebenen Fläche 35, die unter einem Winkel von etwa 5 gegenüber einer senkrecht auf der Gewindeachse stehenden Ebene nach außen divergiert, bis sie die normalerweise schräg verlaufende Wand des unbelasteten Gewindes trifft.

Der Radius 34 verläuft gemäß Figur 9 vorzugsweise nicht über eine Ebene 41 hinaus, die parallel zur Gewinde-Mittellinie 40 verläuft und die unbelastete Flanke 26 an einer Stelle unterhalb des Flankendurchmessers 30 der unbelasteten Flanke 26 schneidet. Als Vorsorge für die Abnutzung der Gestängeverbindung 10, divergiert die zwisehen dem ersten Gewindegrund 20 und der unbelasteten Flanke verlaufende ebene Fläche 35 vorzugsweise in einem Winkel von etwa 5° gegenüber der Gewinde-Mittellinie 40 nach außen.

Es ist festzuhalten, daß jede wesentliche Steigerung des Grundradiusses 31 des ersten Gewindegrunds 20 eines API-Gewindes dazu führt, daß die Konzentration der Kräfte oder Belastungen auf die Wurzel des Gewinde reduziert wird.

Bei einem herkömmlichen API-Gewinde schneiden sich die die gegenüberliegenden Flanken bildenden Ebenen in der Gewinde-Mittellinie 40 gemäß Figur 7 im Schnittpunkt 42. Die API-Bestimmungen fordern eine Abrundung des ersten Gewindegrundes 20, indem die Länge des Grundradiusses 31 dem Abstand zwischen dem Kerndurchmesser 29 und dem Schnittpunkt 42 entspricht. Mit anderen Worten sind der ausgewählte Grundradius 31 und die Grundabrundung gleich, und das Zentrum des Grundradiusses 31 liegt auf der Gewinde-Mittellinie 40. Beispielsweise sind bei einem V.O38R-Gewinde sowohl die Grundabrundung als auch der Grundradius 31 etwa 0,1 cm lang.

Erfindungsgemäß ist der Grundradius 31 größer und vorzugsweise wesentlich größer als die Grundabrundung. Damit die Belastungsflanke 24 den Grundradius 31 tangiert, liegt dessen Zentraum bezüglich der Gewinde-Mittellinie 4 0 auf der Seite der unbelasteten Flanke 26. Jede Vergrößerung des Grundradiusses über die Grundabrundung hinaus führt dazu, daß die maximale Belastung abnimmt. Eine wesentliche Vergrößerung, beispielsweise auf 0,145 cm bei einem V.O38R-Gewinde wird zur Erreichung einer wesentlichen Verminderung der maximalen Belastung bevorzugt. Dieser größere Grundradius 31 sollte sich zumindest bis zur Gewinde-Mittellinie 40 erstrekken und reicht vorzugsweise bis zum Kerndurchmesser 29 des in Figur 10 dargestellten Außengewindes 13.

Die beschriebe Gewindeform kann nur für den letzten in Eingriff stehenden Gewindegang des Bolzenelements 11 oder für einen oder mehrere komplette Gewindegänge verwendet werden. Vorzugsweise hat das gesamte Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 diese Form. Die mögliche Vergrößerung des Grundradiusses 31 ist jedoch begrenzt.

Der Grundradius 31 kann nicht soweit vergrößert werden, daß der Abstand des ersten Gewindegrunds 2 0 zur Bohrung 19 der Gestängeverbindung 10 wesentlich vermindert wird, weil dadurch aufgrund des Metallverlusts die Gestängeverbindung 10 wesentlich geschwächt wird. Unter Verwendung der Merkmale der Erfindung wird der Querschnitt des Bolzenelements 11 unter dem letzten in Eingriff stehenden Gewindegang des Außengewindes 13 um nicht mehr als 10 % reduziert. Dies ist akzeptabel. Der Grundradius 31 sollte auch nicht soweit vergrößert werden, daß er den Flankendurchmesser 30 schneidet oder über ihn hinausgeht. Dieser Zustand ist in Figur 10 dargestellt; er stellt den Grenzwert für eine Vergrößerung des Grundradiusses 31 dar. Der in Figur 10 dargestellte Grenzwert der Vergrößerung des Grundradiusses 31 ist in der Praxis schwerlich verwendbar, da ein Unterschnittbereich 36 entsteht, wodurch der Einsatz von Standard-Schneidwerkzeugen erschwert wird, die sich in einer senkrecht auf der Gewindeachse stehenden Ebene bewegen. Natürlich könnte dieser Grenzradius bei Einsatz von Standard-Werkzeugen verwendet werden, wenn der Unterschnittbereich 36 beseitigt und eine ebene Oberfläche 37 eingeführt würde. Es ist festzuhalten, daß der Grundradius 31 nicht größer werden sollte, als der halbe entlang einer von der Belastungsflanke 24 ausgehenden und den Flankendurchmesser 30 an der unbelasteten Flanke 26 schneidenden Linie gemessene Abstand, da eine weitere Vergrößerung des Grundradiusses 31 die Gewindeform oberhalb des Flankendurchmessers 30 verändern würde, so daß das Außengewinde 13 inkompatibel mit einem Standard-API-Innengewinde 14 eines Muffenelements 12 wäre. Der Flankendurchmesser 30 stellt die Eindringtiefe eines Standard-API-Gewindemaßes dar; solange die Gewindeform oberhalb des Flankendurchmessers 30 mit den API-Maßen übereinstimmt, kämmt das Gewinde mit

einem Standard-API-Innengewinde 14 eines Muffenelements 12. Die ursprüngliche Gewindescherfläche (Basisweite der Gewindeform) wird vorzugsweise um weniger als 25 % vermindert. Wenn die unbelastete Flanke 26 mittels der ebenen Fläche 35 mit dem ersten Gewindegrund 2 0 verbunden wird, ist dieses Ziel erreicht. Die Veränderung des Außengewindes 13 unterhalb des Flankendurchmessers 30 führt zur Verminderung der Belastungskonzentrationen am ersten Gewindegrund 20 ohne daß verhindert wird/ daß das Außengewinde 13 in' ein Standard-API-Innengewinde 14 eines Muffenelements 12 paßt.

Die erfindungsgemäße Gewindeform kann an jeder beliebigen Stelle des Außengewindes 13 des Bolzenelements 11 eingesetzt werden. Jeder ganze oder vollständige, erfindungsgemäß geformte Gewindegang führt zu besseren Ergebnissen. Da Belastungsbrüche normalerweise in den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen auftreten, haben vorzugsweise diese die erfindungsgemäße Gewindeform. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das gesamte Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 die neue, erfindungsgemäße Gewindeform, da dadurch die im ersten Gewindegrund 20 auftretenden maximalen Belastungen entlang des gesamten Bolzenelements 11 reduziert werden. Da die Basisweite der Gewindeform reduziert ist, sind die Gewindegänge nicht so steif wie die Standard-API-Gewindegänge. Dies ermöglicht eine Entlastung der höher belasteten Gewindegänge und eine Umgliederung der Belastung entlang mehrere Gewindegänge.

Auf diese Weise kann die hohe Belastung der ersten Gewindegänge reduziert werden.

Eine weitere Änderung der Gewindeform hängt mit der linearen Verteilung der Belastung entlang der Gewindegänge zusammen. Wie oben gesagt, verteilt sich bei

einem ganz zusammengeschraubten Gewinde mit API-Gewindeform 60 % der Belastung auf die ersten drei Gewindegänge. Gerade in diesem Bereich treten die meisten Ermüdungsbrüche auf. Erfindungsgemäß ist gemäß Figur 13 die Steigung des Bolzenkonusses 113, auf dem sich das Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 befindet, gegenüber dem Muffenelement 12 vermindert. Die Steigung des Bolzenkonusses 113 ist geringer als die Steigung 114 des Muffenelements 12. Dies führt zu einer künstlichen

-|q Änderung der Gewindesteigung, die dazu führt, daß die von der Schulter 15 entfernten Gewindegänge vor den nahe der Schulter 15 angeordneten Gewindegängen belastet werden, wenn die Verbindung ganz zusammengeschraubt wird. Bei einem als Beispiel verwendeten Stan-

-|₅ dard-API-Gewinde (NC46) beträgt die Steigung des Bolzenelements 11 5,080 cm (+0,076 cm, -0,000 cm) pro 0,3 m. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gewindes beträgt die Steigung 4,890 cm (+0,015 cm, -0,000 cm) pro 0,305 Meter. Bei dieser abgewandelten Steigung werden die am konisch zulaufenden Ende angeordneten Gewindegänge des Bolzenelements 11 vor den an der Schulter 15 angeordneten Gewindegängen belastet, wenn die Gestängeverbindung 10 zusammengeschraubt wird. Der Zustand anfänglicher Belastung ist in Figur 11 dargestellt, in der die am von der Schulter 15 abgewandten Ende liegenden Gewindegänge belastet sind während die etwas in Richtung zur Schulter 15 des Bolzenelements 11 gelegenen Gewindegänge eine geringere Belastung aufnehmen. Der Abstand zwischen dem Außengewinde 13 des Bolzenelements 11 und dem Innengewinde 14 des Muffenelements 12 am linken Rand der Figur 11 ist zur Veranschaulichung übertrieben. Der wirkliche Abstand ist so klein, daß er in Zeichnungen dieser Art nicht deutlich würde; er ist aber groß genug um in den entsprechenden Gewindegängen zu einer geringeren

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Belastung zu führen. Die Neigung des Bolzenelements 11 könnte so weit reduziert werden, daß eine plastische Strömung gerade nicht mehr eintritt, jedoch wird eine Reduktion um weniger als 10 %, d.h. auf eine Steigung von 4,572 cm pro 0,305 m zur Erreichung der erfindungsgemäßen Ziele für ausreichend gehalten.

In Figur 12 ist eine berechnete Belastungsverteilungskurve für das geänderte, erfindungsgemäße Gewinde dargestellt, wobei die Belastungskurve für ein Standard-API-Gewinde überlagert ist. Die Kurve des Standard-API-Gewindes ist durchgezogen, während die Kurve des erfindungsgemäßen Gewindes punktiert ist. Es ist ersichtlich, daß die ersten sechs Gewindegänge der erfindungsgemäßen Gewindeform eine geringere Belastung aufnehmen als entsprechende Gewindegänge der API-Gewindeform. Die Gewindegänge vom siebten Gewindegang bis zum Ende des Bolzenelements 11 tragen eine wesentlich höhere Belastung als die entsprechenden API-Gewindegänge. Dies führt offensichtlich zu einer sehr viel gleichmäßigeren Belastungsverteilung entlang der Länge des Außengewindes 13. Das veränderte Gewinde ist in Figur 14 dargestellt, die sowohl den entlasteten Gewindegrund-Aufbau des Außengewindes 13 als auch die Neigung des Bolzenelements 14 wiedergibt.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die veränderte Geometrie der Figuren 9 und 10 mit und ohne die Verwendung verschiedener Steigungen im Bolzenelement 11 und im Muffenelement 12 verwendet werden kann. Verschiedene Steigungen können auch ohne abgewandelte Gewindeprofile eingesetzt werden. Die Verwendung abgewandelter Steigungen ist besonders bei Vorrichtungen nützlich, bei denen die Gefahr des Überdrehens besteht. Es wurden Versuche mit einer Standard-API-Verbindung und der dargestellten

erfindungsgemäßen Verbindung durchgeführt, wobei ein

Muffenelement 12 mit einer Steigung von 5,08 cm pro 0,305 m. verwendet wurde. Es wurde ein Bolzenelement 11 mit einer Steigung von 5,08 cm pro 0,305 m mit einem Bolzenelement 11 mit einer Steigung von 4,890 cm pro 0,305 m verglichen. Dabei stellte sich heraus, daß bei einem Bolzenelement 11 mit verminderter Steigung mindestens eine Torsionskraft von 552 mkg nötig war, um die Schulter 15 in Eingriff mit der Endfläche 16 zu bringen, während dazu bei dem Bolzenelement 11 mit einer Steigung von 5,08 cm pro 0,305 m eine Torsionskraft von 138 mkg nötig war. Die erfindungsgemäße Verbindung hält also, ohne zu überdrehen, härteren Bedingungen stand, da diese Kraft zusätzlich zu den Kräften

-| 5 aufzubringen ist, die zur Herstellung einer schulterschlüssigen Verbindung notwendig sind. Beispielsweise kann eine Standard-Verbindung unter Aufbringung einer Kraft von 2350 mkg hergestellt werden. Bei einem Bolzenelement 11 mit einer Steigung von 4,890 cm pro 0,305 m muß zur Erzeugung der gleichen Verbindung eine um etwa 415 mkg größere Kraft aufgebracht werden. Darüber hinaus ist diese Verbindung dadurch verbessert, daß die Belastung über die Gewindegänge umverteilt wird und die Belastung an den letzten in Eingriff stehenden Gewindegangen des Bolzenelements 11 vermindert wird.

Theoretische Untersuchungen haben ergeben, daß die maximale Belastung an den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen um 30 % vermindert ist, wovon mindestens 12 % auf der neuen Gewindeprofilform beruhen. Ein Test mit dem eine Steigung von 4,890 cm pro 0,305 m und einen Grundradius 31 von 0,145 cm aufweisenden Bolzenelement 11 gemäß Figur 9 unter Aufwendung einer Torsionskraft von 2350 mkg ergab eine Abnahme der maximalen Belastung von etwa 20 % gegenüber der Standard-

API-V.038-Gewindeform. Dieser Test wurde mit Dehnungsmeßstreifen durchgeführt, wobei ein Durchschnittswert im kleinen vom Dehnungsmeßstreifen bedeckten Gewindegrundbereich gemessen wurde. Dies bestätigte die berechneten Werte.

Die beschriebene abgewandelte Gewindeform wurde zur Veranschaulichung bei einem Standard-API-Gewinde verwendet. Für einen Fachmann ist klar, daß das Prinzip der Abwandlung der Gewindegänge bei anderen standardisierten und nicht standardisierten Gewindeformen verwendet werden kann. Die Grundelemente der Gewindeform, die zu geringeren Belastungen am Gewindegrund und zu einer gleichmäßigeren Belastungsverteilung führen, sind die Vergrößerung des Grundradiusses 31 und die Verminderung der Steigung des Bolzenelements 11, um eine künstliche Änderung der Gewindesteigung und eine an den von der Schulter 15 entfernten Gewindegängen beginnende radiale Beeinflussung zu erzeugen. In jedem einzelnen Fall wird der Grundradius 31 so weit wie möglich vergrößert, ohne daß so viel Metall entfernt wird, daß das Bolzenelement 11 geschwächt wird, und ohne den Grundradiusses 31 so weit zu vergrößern, daß die Gewindeform oberhalb des Flankendurchmessers 30 verändert wird. Die Steigung des Außengewindes 13 wird etwas vermindert, um den gewünschten Belastungseffekt hervorzurufen. Wenn die Grundsätze der oben beschriebenen Gewindeform auf andere Gewindetypen übertragen werden sollen, so müssen diese Grundsätze lediglich bei der Auslegung der Gewindeschneidvorrichtungen berücksichtigt werden.

Claims (13)

1. Patentansprüche

   Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein konisches Bolzenelement (11) mit einem V-förmig abgerundeten Außengwinde (13), dessen letzter in Eingriff stehender Gewindegang mit einem Gewinde-Grundschnitt versehen ist, dessen Grundradius (31) größer ist als die Abrundung des Gewindegrundes und der kleiner ist als der halbe, entlang einer senkrecht von einer Belastungsflanke (24) ausgehenden und zum Flankendurchmesser (30) der gegenüberliegenden unbelasteten Flanke (26) verlaufenden Linie gemessene Abstand ist, wobei die Belastungsflanke (24) den Gewindegrunc¹ (20) an der gemeinsamen Verbindungsstelle tangiert.

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2. 2. Gestängeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundradius (31) bezüglich einer Gewinde-Mittellinie (40) auf der Seite der unbelasteten Flanke (26) und kurz vor einer parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) angeordneten Ebene (41) endet und durch den Flankendurchmesser (30) der unbelasteten Flanke (26) verläuft, und daß das Ende des Grundradiusses (31) mit der unbelasteten Flanke (26) über eine Fläche (35) verbunden ist, die von einer durch das Ende des Grundradiusses (31) und parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) verlaufenden Ebene (41) aus nach außen divergiert.
3. 3. Gestängeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn- -| 5 zeichnet durch ein Muffenelement (12) mit einem kompatiblen Innengewinde (14), wobei das Bolzenelement (11) und das Muffenelement (12) zur Begrenzung der Verschraubung der Gestängeverbindung (10) ineinandergreifende Schulter (15, 16) aufweisen und das Außengewinde (13) des Bolzenelements (11) eine geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch der Prozentsatz der von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen des Bolzenelements (11) getragenen Gesamtbelastung reduziert wird.
4. 4. Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein konisches Bolzenelement (11) mit einem V-förmig abgerundeten Außengewinde (13), dessen Gewindegrund-Schnitt einen Gewindegrundradius (31) aufweist, der größer als die Abrundung des Gewindegrunds (20) und kleiner als der halbe, entlang einer senkrecht von der Belastungsflanke (24) ausgehenden und zum Flankendurchmesser (30) der gegenüberliegenden unbelasteten Flanke (26) verlaufenden

   Linie gemessene Abstand ist, wobei die Belastungsflanke (24) den Gewindegrund (20) an der gemeinsamen Verbindungsstelle tangiert.
5. 5. Gestängeverbindung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundradius (31) bezüglich einer Gewinde-Mittellinie (40) auf der Seite der unbelasteten Flanke (26) kurz vor einer parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) angeordneten Ebene (41)

   -10 endet und durch den Flankendurchmesser (30) der unbelasteten Flanke (26) verläuft, und daß das Ende des Grundradiusses (31) mit der unbelasteten Flanke (26) über eine Fläche (35) verbunden ist, die von einer durch das Ende des Grundradiusses

   -} 5 (31) und parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) verlaufenden Ebene (41) aus nach außen divergiert.
6. 6. Gestängeverbindung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein Muffenelement (12) mit einem kompatiblen Innengwinde (14), wobei das Bolzenelement (11) und das Muffenelement (12) ineinandergreifende, die Verschraubung der Gestängeverbindung (10) begrenzende Schultern (15, 16) aufweisen und wobei das Außengewinde (13) des Bolzenelements (11) eine geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch der Prozentsatz der von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen des Bolzenelements (11) getragenen Gesamtbelastung reduziert wird.
7. 7. Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein Bolzenelement (11) mit einem V-förmig abgerundeten Außengewinde (13) mit zumindest einem vollständigen Gewindegang, der mit einem Gewindegrund-Schnitt versehen ist, dessen Grundradius (31)

   größer als die Abrundung des Gewindegrunds (20) und der kleiner als der halbe, entlang einer senkrecht von der Belastungsflanke (24) ausgehenden und zum Flankendurchmesser (30) der gegenüberliegenden unbelasteten Flanke (26) verlaufenden Linie gemessene Abstand ist, wobei die Belastungsflanke (24) den Gewindegrund (20) an ihrer gemeinsamen Verbindungsstelle tangiert.
8. 8. Gestängeverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundradius (31) von der Gewinde-Mittellinie (40) aus gesehen auf der Seite der unbelasteten Flanke (26) und in einem kurzen Abstand vor einer parallel zur Gewinde-Mittellinie

   (40) und durch den Flankendurchmesser (30) der unbelasteten Flanke (26) verlaufenden Ebene (41) endet, wobei das Ende des Grundradiusses (31) mit der unbelasteten Flanke (26) über eine ebene Fläche (35) verbunden ist, die von einer durch das Ende des Grundradiusses (31) und parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) verlaufenden Ebene (41) aus nach außen divergiert.
9. 9. Gestängeverbindung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Muffenelement (12) mit einem kompatiblen Innengewinde (14), wobei das Bolzenelement (14) und das Muffenelement (12) ineinandergreifende, die Verschraubung der Gestängeverbindung (10) begrenzende Schultern (15, 16) aufweisen, und wobei das Außengewinde (13) des Bolzenelements (11) eine geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch der Prozentsatz der von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen des Außengewindes (13) des Bolzenelements (11) getragenen Gesamtbelastung reduziert wird.
10. 10. Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein Bolzenelement (11) mit einem V-förmig abgerundeten Außengewinde (13), wobei die Flanken des Außengewindes (13) jeweils einen Winkel von etwa 30 mit der Gewinde-Mittellinie (40) einschließen, der Gewindegrund (20) mit einem Grundradius (31) von etwa 0,145 cm geschnitten ist, die Belastungsflanke (24) des Außengewindes (13) an der Berührungsstelle zwischen der belasteten Flanke (24) und dem Gewindegrund (20) tangential zum Gewindegrund (20) verläuft, der Grungradius (31) von der Belastungsflanke (24) zur unbelasteten Flanke (26) verläuft und kurz vor einer Ebene (41) endet, die durch den Flankendurchmesser (30) der unbelasteten Flanke

    (26) und parallel zur Gewinde-Mittellinie (40) verläuft, und wobei eine Fläche (35) von der parallelen Ebene (41), die den Gewindegrund (20) und die unbelastete Flanke (26) verbindet, aus etwa 5
    nach außen divergiert.
11. 11. Gestängeverbindung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Muffenelement (12) mit einem kompatiblen Innengewinde (14), wobei das Bolzenelement (11) und das Muffenelement (14) ineinander eingreifende, die Verschraubung der Gestängeverbindung

    (10) begrenzende Schultern (15, 16) aufweisen und wobei das Außengewinde (13) des Bolzenelements

    (11) eine um ca. 0,191 cm pro 0,305 m geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch die von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen des Bolzenelements (11) getragene Belastung reduziert wird.
12. 12. Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein BoI-zenelement (11) und ein Muffenelement (12) mit

    kompatiblen Gewinden (13, 14) und ineinandergreifende Schultern (15, 16) auf dem Bolzenelement (11) und dem Muffenelement (12), die die Verschraubung der Gestängeverbindung (10) begrenzen, wobei das Außengewinde (13) des Bolzenelements (11) eine geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch der Prozentsatz der von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegängen des Bolzenelements (11) getragenen Gesamtbelastung reduziert wird.
13. 13. Gestängeverbindung, gekennzeichnet durch ein Bolzenelement (11) und ein Muffenelement (12) mit kompatiblen, V-förmigen Gewinden (13, 14), wobei die Flanken der Gewinde (13, 14) etwa einen Winkel von 30° mit der Gewinde-Mittellinie (40) einschließen, wobei das Bolzenelement (11) und das Muffenelement (12) ineinandergreifende, die Verschraubung der Gestängeverbindung (10) begrenzende Schultern (15, 16) aufweisen, und wobei das Außengewinde

    (13) des Bolzenelements (11) eine um etwa 0,191 cm pro 0,305 m geringere Steigung als das Innengewinde (14) des Muffenelements (12) aufweist, wodurch die von den letzten in Eingriff stehenden Gewindegangen des Bolzenelements (11) getragene Gesamtbelastung reduziert und beim Verschrauben eine radiale Beeinflussung der von der Schulter (15) entfernten Gewindegänge des Bolzenelements (11) und des Muffenelements (12) erzeugt wird, so daß ein Überdrehen der Gestängeverbindung (10) bei Gebrauch vermieden wird.