DE3532451A1

DE3532451A1 - Verfahren zum oberflaechenhaerten eines stirnbandes eines kupplungsteils mit innengewinde fuer stahlbohrstangen

Info

Publication number: DE3532451A1
Application number: DE19853532451
Authority: DE
Inventors: Nicolangelo Amprodoco Rieti Signori
Original assignee: Saipem SpA
Current assignee: Saipem SpA
Priority date: 1984-09-13
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1986-03-20
Also published as: ES8609491A1; AU4690685A; DE3532451C2; BE903227A; NO853543L; DK413185D0; NZ213327A; PT81120A; GB8521740D0; JPS6179725A; IT1176705B; ES547703A0; BR8504550A; PT81120B; GB2164358A; FR2570084A1; DK413185A; IT8422647A0; AU576383B2; NL8502505A

Description

Verfahren zum Oberflächenhärten eines Stirnbandes eines Kupplungsteils mit Innengewinde für Stahlbohrstangen

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren, das eine wirkungsvolle Oberflächenhärtung der Kupplungen von Bohrstangen erlaubt, ohne daß eine Schleifrauhigkeit erzeugt wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine in dieser Weise erhaltene Bohrstange.

Es ist bekannt, beim Bohren von Brunnen Bohrer zu verwenden, die am unteren Ende einer Reihe von Bohrstangen angebracht sind, die der Reihe nach miteinander verbunden sind, so daß sich eine gegebene Länge ergibt.

Jede Bohrstange besteht folglich aus einem zylindrischen Stahlkörper, der an seinen jeweiligen Enden mit einem Kupplungsteil mit Außengewinde und einem Kupplungsteil mit einem entsprechenden Innengewinde versehen ist.

Da die Außenflächen der Stangenkupplungen notwendigerweise vom Stangenkörper vorstehen, mit dem sie über konische Verbindungteile verbunden sind, kommen diese Außenflächen zuerst mit der Innenfläche des Bohrloches oder Brunnens in Berührung, so daß sie an der Erde oder an der Auskleidung reiben, falls sich diese im Brunnen oder Bohrloch befindet.

Eine lang dauernde Drehung des Bohrers im Inneren des Brunnens oder Bohrloches führt daher zu einem fortlaufenden Verschleiß der Stangenkupplungen durch Abrieb, was in nicht hinnehmbarer Weise die Lebensdauer der Stangen verkürzt und aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten beträchtlich die gesamte

Wirtschaftlichkeit des Bohrbetriebes beeinflußt.

Gegenwärtig wird der oben beschriebene Nachteil im allgemeinen dadurch vermieden, daß der Stangenkupplungsteil mit Innengewinde oberflächengehärtet wird, was im Hinblick auf die Abnahme der Stärke durch Abrieb umso bedenklicher ist. Insbesondere wird nur ein Stirnband der Kupplung im Bereich zwischen dem Gewindeteil und dem konischen Teil mit einer Breite von etwa 60 bis 80 mm gehärtet, da der Gewindeteil nicht berührt werden darf, weil eine gewisse Weichheit beibehalten werden muß, damit ein zuverlässiges Ergreifen durch die Bedienungsschlüssel möglich ist, und der konische Teil keine Härtung benötigt.

Das gegenwärtig benutzte Härtungsverfahren besteht darin, ein Härtungsmittel wie beispielsweise Wolframcarbid in kleinen Teilchen unregelmäßiger Form oder in Kugelform durch Schmelzen auf das fragliche Stirnband aufzubringen. Infolge des Schmelzvorganges wird dabei das Trägermaterial, mit dem das Wolfram gemischt ist, mit dem geschmolzenen Stahl der Kupplungsfläche amalgamieren, so daß das Härtungsmaterial in die Außenfläche der Kupplung eingeschlossen bleibt.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch ernste Nachteile insofern, als trotz der Tatsache, daß die Härtungselemente eine sehr geringe Größe haben, die in dieser Weise erhaltene Oberfläche zwar tatsächlich eine größere Härte hat, jedoch starke Reibwirkung zeigt und die Auskleidung eines gebohrten Brunnens beschädigt, gegen die sie wirkt.

Da nur ein sehr kleiner Teil der gebohrten Brunnen keine Auskleidung hat, und somit die meisten Brunnen tatsächlich ausgekleidet sind und einer Beschädigung durch die gehärtete Kupplung ausgesetzt sind, ergibt sich, daß dieser

zuletzt genannte Nachteil von noch größerer Bedeutung als der vorher angegebene Nachteil ist, da der zuerst genannte Nachteil der übermäßige Verschleiß der Stangen ist, die nach sehr kurzer Lebensdauer nicht mehr benutzt werden können, ohne den Brunnen zu beschädigen, während andererseits die Kupplungen nun in ausreichendem Maße geschützt sind, so daß sich eine relativ lange Lebensdauer der Bohrstangen ergibt, die Brunnenauskleidungen jedoch irreparabel beschädigt werden. Da diese Auskleidungen dauerhafte Bauteile des Brunnens sind, kann eine Beschädigung oder ein Verschleiß irgendeiner Art nicht hingenommen werden.

Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Mängel beseitigt werden und soll ein Verfahren zur Oberflächenhärtung des Stirnbandes einer Kupplung mit Innengewinde für Bohrstangen geschaffen werden, das keine Reibrauhigkeit erzeugt und daher die Auskleidung eines gebohrten Brunnens nicht beschädigt. Das wird im wesentlichen dadurch erzielt, daß eine kohärente Strahlung von einem COp-Generator, d.h. eine Laserstrahlung, verwandt wird, um einen Energiestrom über das zu härtende Band der Kupplung zu erzeugen, derart, daß dieses nicht auf die Schmelztemperatur erwärmt wird, sondern nur eine dünne Oberflächenschicht mit einer Stärke in der Größenordnung von 1mm des Bandes auf die Austenitisierungstemperatur erwärmt wird. Aufgrund der begrenzten Wärmemenge, die für diesen Zweck benötigt wird, wird diesbezüglich diese Wärme durch Wärmeleitung auf die darunterliegenden kälteren Schichten so schnell übertragen, daß die in dieser Weise behandelte Oberflächenschicht des Bandes von der Austenitstruktur auf die Martensitstruktur übergeht und daher sehr hart wird (gehärteter Stahl). Der Vorteil einer derartigen Härtung ergibt sich unmittelbar im Hinblick auf das erhaltene Ergebnis, die Praktikabi 1itat der Durchführung und im Hinblick auf die Kosten. Diesbezüglich wird eine außerordentliche Härte genau an den speziell benötigten Stellen erzielt, da

der Laserstrahl aus einer elektromagnetischen Strahlung besteht, die leicht steuerbar und nach den optischen Gesetzen lenkbar ist. Andererseits besteht keine Notwendigkeit teure Härtungsmaterialien, wie beispielsweise Wolframcarbid,oder komplizierte Anlagen zu verwenden, die zum Schleifen, Schmelzen und Aufbringen der Materialien notwendig wären, da die Behandlung nun über eine einfache Drehbewegung zwischen der Kupplung und dem gebündelten Lichtstrahl bewirkt wird, da mit dem Laserstrahl nicht im Vakuum gearbeitet wird und der Laserstrahl keine Verbrennungsprodukte oder Gase erzeugt, wie es der Fall ist, wenn Wolframcarbid aufgebracht wird.

Es hat sich gleichfalls herausgestellt, daß die Behandlung am wirkungsvollsten ist, wenn das Stirnband des Stangenkupplungsteils mit Innengewinde, das der Oberflächenhärtung zu unterwerfen ist, durch Bürsten oder Sandstrahlen vor der Behandlung gereinigt wird, um die Absorption der Laserstrahl energie zu erleichtern, und gleichfalls induktiv vorgeheizt wird, um die Bildung von Rissen, von denen Brüche ausgehen können, im Übergangsbereich zwischen der behandelten Oberflächenschicht und dem Inneren der Kupplungsfläche zu vermeiden, die eine im wesentlichen unveränderte Struktur hat.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Oberflächenhärten eines Stirnbandes des Kupplungsteils mit Innengewinde von Stahlbohrstangen, welches Band zwischen dem Bereich mit Innengewinde der Kupplung und dem konischen Bereich liegt, das die Kupplung mit dem zylindrischen Stangenkörper verbindet, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Band durch Bürsten und/oder Sandstrahlen gereinigt wird, das Band induktiv vorgeheizt wird und schließlich eine dünne Oberflächenschicht des Bandes mit einer Stärke in der Größenordnung von 1 mm auf die Austenitisierungstemperatur über einen auftreffenden

Energiestrom erwärmt wird, der von der kohärenten Strahlung eines C0₂-Lasergenerators erzeugt wird.

Da weiterhin das in dieser Weise gehärtete Stirnband des Bohrstangenkupplungsteils mit Innengewinde nicht nur sehr hart sondern auch sehr brüchig ist, wird zur Verringerung der Gefahr einer Rißbildung und zur Erzielung einer größeren Beständigkeit der Kupplung gegenüber verschiedenen Betriebs- oder Arbeitsspannungen bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Härtung des Bandes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht über das gesamte Band, sondern über abwechselnde parallele Streifen ausgeführt, um die sehr niedrige Elastizität der gehärteten Bereiche oder Streifen durch die gleichbleibende Elastizität der nicht gehärteten Zwischenstreifen zu kompensieren.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung eine besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Die einzige Figure zeigt eine Teilschnittansicht einer Bohrstange gemäß des Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In der Zeichnung ist ein zylindrischer Stahlkörper 1 einer Bohrstange dargestelIt,dessen unteres Ende über einen konischen Bereich 2 mit einem Kupplungsteil 3 mit Außengewinde 4 verbunden ist und dessen oberes Ende über einen konischen Bereich 5 mit einem Kupplungsteil 6 mit Innengewinde 7 verbunden ist.

Das Stirnband F des Kupplungsteils 6 mit Innengewinde, das zwischen dem Teil mit Innengewinde 7 und dem konischen Verbindungsteil 5 liegt, ist entlang abwechselnder paralleler Streifen 8i, von denen in der Zeichnung drei Streifen dargestellt sind, über einen Laserstrahl gehärtet, der die

Temperatur einer dünnen Schicht der Streifen 8i mit einer Stärke in der Größenordnung von 1 mm auf die Austenitisierungstemperatur anhebt.

Vor der Lasereinwirkung sind die Streifen durch Bürsten und/oder Sandstrahlen gereinigt und anschließend induktiv vorgeheizt, wobei die Laserbehandlung der Streifen mit einer Relativbewegung zwischen der Kupplung und dem Laserstrahl über geeignete Einrichtungen ausgeführt wird, die es erlauben, die Kupplung in geeigneter Weise zu drehen und entlang ihrer Achse zu verschieben, während der Laserstrahl ortsfest bleibt, oder die Kupplung ortsfest zu halten und den Laserstrahl entsprechende Bewegungen, d.h. geeignete Dreh- und Längsbewegungen seiner reflektierenden Flächen ausführen zu lassen.

Claims

Case 2081 3/40/my SAIPEM S-p.A. - Italien Verfahren zum Oberflächenhärten eines Stirnbandes eines Kupplungsteils mit Innengewinde für Stahlbohrstangen PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Oberflächenhärten eines Stirnbandes des Kupplungsteils mit Innengewinde von Stahlbohrstangen, wobei dieses Band zwischen dem Bereich mit Innengewinde der Kupplung und dem konischen Bereich liegt, der die Kupplung mit dem zylindrischen Stangenkörper verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnbandfläche durch Bürsten und/oder Sandstrahlen gereinigt wird, das Stirnband induktiv vorgeheizt wird und schließlich eine dünne Oberflächenschicht des Stirnbandes mit einer Stärke in der Größenordnung von 1 mm über einen auftreffenden Energiestrom auf die Austenitisierungstemperatur gebracht wird, der von einer kohärenten Strahlung eines COp-Lasergenerators erzeugt wird.

Stahlbohrstange mit einem zylindrischen Körper, der an seinen Enden jeweils mit einem Kupplungsteil mit Außengewinde und einem Kupplungsteil mit entsprechendem Innengewinde versehen ist, wobei die Kupplungsteile mit dem Körper über konische Verbindungsbereiche verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß das Stirnband des Kupplungsteils mit Innengewinde zwischen dem Bereich mit Innengewinde und dem konischen Verbindungsbereich abwechselnde parallele Streifen umfaßt, die nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gehärtet sind.