DE4428871A1 - Rohrverbinder - Google Patents
RohrverbinderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrverbinder gemäß dem Gattungsbegriff des
Hauptanspruches.
Rohrverbinder dienen zum Verbinden rohrförmiger Elemente, beispielsweise
von Rohrleitungen, die insbesondere unter Druck stehende Fluide, wie
beispielsweise Gas oder Öl befördern. Bei der Suche nach Öl oder Gas
werden diese Rohre als Futter- oder Förderrohre eingesetzt.
Die hier betrachteten Rohrverbindungen erfolgen üblicherweise mit
Gewinden, einem Außengewinde auf einem Zapfenelement und einem
Innengewinde in einem Muffenelement, die miteinander verschraubt werden.
Bezüglich der nach dem Verschrauben eindeutigen Positionierung
unterscheidet man Rohrverbinder mit einer aufgebrachten Markierung und
solche, die ein zusätzliches Stoßelement als Innen- oder Außenschulter
aufweisen. Dieses Schulterelement kann zusätzlich die Funktion einer
Dichtung übernehmen. Die Schulter besteht im wesentlichen aus
ringförmigen Flächen, die beispielsweise am freien Ende des
Zapfenelementes und der Innenseite des Muffenelementes angeordnet sind
und durch das Zusammenschrauben fest aufeinandergepreßt werden. Bei
einer Innenschulter wird das Zapfenelement zwischen der Schulter und
dem Gewinde zusammengedrückt und das Muffenelement zwischen der Schulter
und dem Gewinde gedehnt. Bei einer Außenschulter wird das Zapfenelement
zwischen der Schulter und dem Gewinde gedehnt und das Muffenende
zwischen der Schulter und dem Gewinde zusammengedrückt. Die durch die
Flächenpressung in der Schulter bewirkten Spannungen in Muffe und Zapfen
werden überwiegend nur durch die wenigen letzten Gewindezähne des
Gewindes aufgenommen, die benachbart zu den Schulterflächen liegen.
Die übrigen Gewindegänge sind nur äußerst gering belastet.
Dementsprechend sind die belasteten Gewindezähne hoch beansprucht. Diese
hohen Spannungen im Gewinde werden durch äußere Belastung der
Verbindung, insbesondere durch axialen Zug bzw. Druck, aber auch durch
Innen- und Außendruck sowie durch Biegung erhöht, so daß die
Gesamtspannung einen Wert erreichen kann, der größer ist als die
zulässige Streckgrenze. Axialer Zug kann die Vorspannung im Stoß und
damit seine Wirkung der Positionierung und Dichtung aufheben, axialer
Druck kann zur plastischen Verformung im Schulterbereich führen und bei
nachfolgender Zugbelastung die Funktion der Dichtung durch Abheben des
Stoßes unwirksam machen.
Um die auf die Abdichtflächen (Stoß) einwirkenden Kräfte als
Reaktionskräfte auf eine möglichst große Anzahl von Gewindezähnen
aufzuteilen, ist in DE 34 31 808 A1 ein speziell ausgebildeter
Rohrverbinder offenbart. Bei diesem Vorschlag weist der Rohrverbinder
einen Zwischenabschnitt des Gewindes zwischen den Enden des Zapfen- und
Muffengewindes auf, in dem beide Elemente die gleiche Steigung haben.
In den Endenabschnitten sind die Steigungen zwischen Zapfen- und
Muffengewinde verschieden, und zwar in Abhängigkeit von der Lage des
Stoßes:
Wenn die ringförmigen Abdichtflächen (Stoß) auf der Rohrinnenseite
liegen, dann weist das Gewinde des Zapfenelementes gegenüber dem Gewinde
des Muffenelementes eine größere Steigung auf; wenn die Abdichtfläche
an der Rohraußenseite liegt, ist es umgekehrt. Durch die vorgeschlagene
Anordnung soll die vom Stoß herrührende Reaktionskraft gleichmäßig auf
die Gewindezähne übertragen werden. Dabei werden jedoch Belastungen,
wie axiale Kompression und Biegung, weiterhin zum großen Teil in den
bereits durch die Verschraubung erheblich vorgespannten Stoß
eingeleitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrverbinder anzugeben, der einfach
herstellbar ist und mit dem eine Lastaufnahme für alle äußeren
Belastungen der Verbindung überwiegend über das Gewinde erreicht wird.
Dabei sollen Belastungen, die bekannte Rohrverbinder mit Stoßschulter
besonders gefährden, wie axiale Kompression, Biegung und überhöhte
Verschraubmomente, nicht mehr allein vom Stoß, sondern zum
überwiegenden Teil vom Gewinde aufgenommen werden. Darüber hinaus ist
eine gleichmäßige Verteilung aller Lasten auf das Gewinde angestrebt.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und
Anspruches 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind Bestandteil von Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Rohrverbinder zeichnet sich dadurch aus, daß ein
Element, vorzugsweise das Zapfenelement, wie bekannt eine
Gewindeflankenlinie mit einer konstanten Kegelsteigung im üblichen
Bereich von 1 : 6 bis 1 : 16 aufweist. Das andere Element, d. h. im
Regelfall das Muffenelement, weist eine im Hinblick auf die
Kegelneigung und die Konturen davon abweichende Gewindeflankenlinie
auf. Bei der Verbindung beider Elemente ergibt sich in
Verschraubposition mindestens in einem bestimmten Bereich, sei es der
Gewindemittenbereich oder mehr die Randbereiche ein Übermaß der
Gewindeflankendurchmesser. Durch diese Gewindeüberdeckung wird neben
der radialen Verspannung im wesentlichen eine axiale Verspannung
aufgrund des Poisson-Effektes im Gewinde erzeugt. Die axiale
Verspannung entsteht bei geeigneter Auslegung durch lokale Aufweitung
infolge Überdeckung und durch bedingte axiale Kontraktion der Muffe
sowie entsprechend durch die lokale Einschnürung und damit verbundene
Querdehnung des Zapfenelementes.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bedingen Gewindeformen die
axiale Verspannung aufgrund ihrer Profilgestaltung mit negativer
Lastflanke in Kombination mit der von der Gewindeflankenlinie des
Zapfens abweichenden Flankenlinie des Muffengewindes. Die vorgeschlagene
konventionelle Gestaltung des Zapfenelementes hat den großen Vorteil,
daß mit den üblichen einfachen Mitteln ein beschädigtes Zapfengewinde
nachgeschnitten werden kann. Das mit größerem technischen Aufwand
hergestellte Muffenelement ist bei Beschädigung auszutauschen. Vom
Erfindungsgedanken her ist aber eine besondere Ausgestaltung der
Gewindeflankenlinie auch im Zapfenelement möglich. Der Erfindungsgedanke
läßt sich ebenfalls auf Integralverbinder übertragen.
Die konstruktive Ausbildung des Muffenelementes kann in verschiedener
Art und Weise erfolgen, aber immer mit dem Ziel, daß in
Verschraubposition eine axiale Verspannung im Gewinde erzeugt wird. Als
wesentliche Varianten sind zu nennen; die konvexe Kontur der
Gewindeflankenlinie, sowie in Kombination mit deutlich ausgeprägter
negativer Lastflanke ein steilerer oder flacherer Muffenkegel im
Vergleich zum Zapfenkegel. Üblich sind etwa 3° positive Flankenneigung,
erfindungsgemäß wird aber eine Flankenneigung im Bereich von -7° bis
-12° gewählt.
Eine Besonderheit stellt die frei gestaltete Muffen-Gewindeflankenlinie
dar, z. B. in Form einer flach verlaufenden Sinuskurve. Diese Kontur
weist Durchmesser für die Muffen-Gewindeflankenlinie auf, die teilweise
größer und teilweise kleiner und an bestimmten Orten gleich den in
Verschraubposition entsprechenden Orten der Zapfenflankenlinie ist.
Dadurch lassen sich an mehreren Orten, über der gesamten Gewindelänge
verteilt, unterschiedlich Verspannungen erzielen.
Die Konstruktion schließt einen Stoß als Positionierungselement oder als
zusätzliches Stützelement zur Aufnahme extremer Axialdruckbelastungen
oder Biegung nicht aus. Axiale Kompression und die Druckkomponente der
Biegung werden aber auch in diesem Fall vom Gewinde übernommen und
dadurch eine Überlastung der Stoßschulter verhindert.
Die zuvor geschilderten Kombinationsmöglichkeiten sind auch auf ein
zweistufiges Gewinde mit vorzugsweise mittig angeordneten metallischen
Dichtsitz, eventuell in Kombination mit einer Schulter anwendbar. Als
besonders vorteilhaft auch in bezug auf die Herstellbarkeit hat sich die
Kombination verschiedener jeweils konstanter Kegelneigungen
herausgestellt.
Durch gleichmäßige Belastung der Gewindebereiche kann die Zahnhöhe des
Gewindes, verglichen mit herkömmlichen Verbindern, reduziert werden. In
gleichem Maße wird der Rohrverbinder in seiner Bauhöhe kleiner, was zur
Vergrößerung der Ringraumquerschnitte in Bohrungen führt bzw. schlankere
Verrohrung erlaubt. Andererseits kann im Fall der Beibehaltung der
Zahnhöhe die Axialdruck- oder Biegebelastbarkeit der Verbindung erhöht
werden, ebenso das Verschraubmoment. Erhöhte Biegebelastbarkeit und
erhöhtes Verschraubmoment sind von besonderem Vorteil z. B. bei
rotierendem Einbau oder Zementieren von Futterrohren,
bei abgelenkten oder Horizontalbohrungen. Dadurch kann der hohe
Reibungswiderstand der Bohrlochwand oder des Zementes überwunden werden,
ohne die Verbindung zu überlasten bzw. zu schädigen.
In der Zeichnung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäße Rohrverbinder näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rohrverbinder mit Muffe,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rohrverbinder als
Integralverbindung,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einem
Gewinde mit konvexer Muffen-Gewindeflankenlinie in
Verschraubposition,
Fig. 3a das Gewinde des Muffenelementes,
Fig. 3b das Gewinde des Zapfenelementes,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einem
Gewinde mit in Muffe und Zapfen verschiedener Kegelneigung
kombiniert mit negativer Lastflanke,
Fig. 4a,
4b, 4c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 4,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einer frei
geformten Muffen-Gewindeflankenlinie in Verschraubposition,
Fig. 5a das Gewinde des Muffenelementes,
Fig. 5b das Gewinde des Zapfenelementes,
Fig. 6 ein zweistufiges Gewinde mit verschiedenen Kegelneigungen in
Kombination mit einer negativen Lastflanke,
Fig. 6a,
6b, 6c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 6.
Zur Verdeutlichung der Formulierungen und Genauigkeit der
Beschreibungen sind im folgenden einige Erläuterungen von Fachbegriffen
für Gewinde niedergelegt, die zur Beschreibung der Erfindung verwendet
worden sind.
Diejenige Fläche des Gewindes, die axialen
Zug formschlüssig vom Zapfen auf die Muffe
überträgt.
Die der Lastflanke gegenüberliegende Flanke
desselben Gewindezahnes. Die Führungsflanke
ist bei verschraubten Gewinden unter Zug
üblicherweise nicht belastet.
Anmerkung: Axiale Kompression führt zu
einer Belastung der Führungsflanke und
Entlastung der Lastflanke. Die Bezeichnungen
bleiben jedoch auch für diesen Lastfall
erhalten.
Der Winkel, den die Flanke mit einer Normalen
zur Gewindeachse im Gewindeprofil
einschließt. Ein Flankenwinkel wird als
positiv bezeichnet, wenn der Winkel in der
Gewindelücke zwischen der Flanke und dem an
die Flanke anschließenden Gewindegrund größer
ist als der Winkel in der Gewindelücke
zwischen der Normalen zur Gewindeachse und
demselben Gewindegrund, ist dieser Winkel
kleiner als der Winkel zwischen der Normalen
zur Gewindeachse und dem Gewindegrund, wird
der Flankenwinkel als negativ bezeichnet.
Mantellinie eines imaginären, koaxial zum
Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise
eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes, der
die Flanken derart schneidet, daß die zum
Gewindekopf und Gewindegrund gebildeten
Abschnitte gleich groß sind.
Mantellinie eines imaginären, koaxial zum
Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise
eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes,
dessen Mantellinie die Gewindeköpfe des
Außengewindes bzw. die Gewindegründe des
Innengewindes berührt.
Mantellinie eines imaginären, koaxial zum
Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise
eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes,
dessen Mantellinie die Gewindegründe des
Außengewindes bzw. die Gewindespitzen des
Innengewindes berührt.
Überdeckungen sind Übermaße zugeordneter
Maße, z. B. Längen oder Durchmesser zweier zu
verbindender Teile, wobei der Körper mit
größerem Maß durch Aufbringen einer äußeren
Kraft innerhalb des Körpers mit kleinerem Maß
montiert wird. Man spricht z. B. von
Überdeckung, wenn der Zapfen-Außendurchmesser
örtlich größer ist als der korrespondierende
Muffen-Außendurchmesser. Überdeckungen können
ebenso in axialer Richtung vorliegen.
Zeichnerisch führen Überdeckungen zu
Durchdringungen zweier ineinander montierter
Teile. Da Durchdringungen fester Körper
mechanisch nicht möglich sind, müssen beim
Zusammenfügen der Teile die Maßunterschiede
durch Verformungen ausgeglichen werden, die
Verspannungen innerhalb der montierten Teile
bedingen.
In den Fig. 1 und 2 sind in einem Längsschnitt Rohrverbinder
dargestellt, und zwar in Fig. 1 mit einer Muffe und in Fig. 2 als
Integralverbindung. Der erstgenannte Rohrverbinder besteht aus einer
Muffe 1, die mit zwei konisch ausgebildeten Gewindeabschnitten 2, 3
versehen und im mittleren Bereich beidseitig je einen Dichtsitz und
einen Stoß aufweist. Auf die Darstellung der Einzelheiten von Dichtsitz
und Stoß wird hier verzichtet, da diese nicht erfindungswesentlich
sind. Die beiden zu verbindenden Rohre 4, 5 sind im Endbereich als
Zapfenelement 6, 7 ausgebildet und weisen komplementär zum Gewinde der
Muffe 1 ebenfalls konisch ausgebildete Gewindeabschnitte 8, 9 auf. Im
Unterschied zu Fig. 1 entfällt bei der in Fig. 2 dargestellten
Integralverbindung die Muffe. Die beiden zu verbindenden Rohre 10, 11
sind in ihren Endbereichen zum einen als Zapfenelement 12 und zum
anderen als Muffenelement 13 ausgebildet. Die beiden Elemente 12, 13
weisen je einen komplementär zueinander konisch ausgebildeten
Gewindeabschnitt 14, 15 auf. Auf die Darstellung von Stoß und Dichtsitz
ist verzichtet worden.
In Fig. 3 ist der Längsschnitt eines Gewindebereichs in verschraubter
Position mit einer konvexen Muffen-Gewindeflankenlinie 16
(Einzeldarstellung Fig. 3a), kombiniert mit einem Zapfengewinde mit
konischer Gewindeflankenlinie 17 (Einzeldarstellung Fig. 3b)
dargestellt. Die Überdeckung ist hier als Durchdringung im mittleren
Bereich 18 des Gewindes zu sehen. In den Randbereichen 19, 20 liegt
aufgrund der konvexen Ausformung der Muffen-Gewindeflankenlinie 16 keine
Überdeckung und damit auch keine axiale Verspannung vor.
In Fig. 4 ist in einem Längsschnitt ein Gewindebereich mit einem
Zapfen- 21 und einem Muffengewinde 22 in verschraubter Position
dargestellt. Die Gewindeflankenlinien 23, 24 verfügen über verschiedene
Kegelneigungen. Beide Gewinde verfügen über eine negative Lastflanke
25. Die Fig. 4a, 4b, 4c zeigen Ausschnittsvergrößerungen der Fig. 4.
Dabei sind Überdeckungen wiederum als Durchdringungen dargestellt. In
Fig. 4c ist das Prinzip der Verspannung der Lastflanke 26 gegen die
Führungsflanke 27 in Fig. 4b des Gewindes zu erkennen.
In Fig. 5 ist in einem Längsschnitt schematisch das Gewinde mit einer
freigeformten Muffenflankenlinie in Verschraubposition dargestellt. Zur
Vereinfachung erfolgt keine detaillierte Gewindedarstellung, sondern
nur eine Darstellung mit Verlauf der Gewinde-Außendurchmesserlinien
28, 29, der Gewinde-Flankendurchmesserlinien 30, 31 und der
Gewinde-Kerndurchmesserlinien 32, 33. Fig. 5a zeigt das Gewinde des
Muffenelementes 1 in Einzeldarstellung, 5b das Gewinde des
Zapfenelementes 6. Die beispielhafte Darstellung zeigt Bereiche 34
mit radialer Überdeckung, Bereiche 35 mit radialem Spiel, die axiale
Verspannung (analog Fig. 4) bedingen, und spiel- und spannungsfreie
Bereiche 36.
In Fig. 6 ist an einem Beispiel verdeutlicht, wie der erfindungsgemäße
Gedanke in verschiedener Ausprägung auf zwei Gewindestufen 37, 38
aufgeteilt ist. In diesem Gewinde verfügen beide Stufen über
verschiedene Kegelneigungen, wobei im Beispiel die Kegelneigungen 39, 40
des Zapfengewindes 43 in beiden Stufen 37, 38 gleich sind, die
Kegelneigung 41 in der äußeren Gewindestufe 37 des Muffengewindes 44
flacher ist als die Neigung 39 des komplementären Zapfengewindes 43,
wohingegen die Neigung 42 in der inneren Gewindestufe 38 des
Muffengewindes 44 steiler ist als die des komplementären Zapfengewindes
43. Die Fig. 6a, 6b und 6c zeigen Ausschnittsvergrößerungen analog zu
den Ausschnittsvergrößerungen der Fig. 4, wobei zur Verspannung
führende Überdeckungen wiederum als Durchdringungen dargestellt sind.
Claims (12)
1. Rohrverbinder mit einem Muffenelement, das ein konisch
ausgebildetes Innengewinde und mit einem Zapfenelement, das ein
damit verschraubbares konisch ausgebildetes Außengewinde aufweist,
wobei sich an die Gewindeabschnitte ein gewindefreier Abschnitt
anschließen kann, der gegebenenfalls als metallischer Dichtsitz
ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Element (6, 21, 43) eine bekannte Gewindeflankenlinie
konstanter Neigung (17, 24, 31, 39, 40) und das andere Element
(1, 22, 44) im Hinblick auf die Kontur und/oder den Kegel davon
abweichende Gewindeflankenlinie (16, 23, 30, 41, 42) aufweist.
2. Rohrverbinder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Muffenelement (1) eine konvex ausgebildete
Gewindeflankenlinie (16) aufweist, wobei sich in Verschraubposition
in mindestens einem Bereich eine Gewindeüberdeckung ergibt.
3. Rohrverbinder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zapfenelement (21) eine durchgehend gerade
Gewindeflankenlinie (24) und das Muffenelement (22) eine im
Hinblick auf die Kontur und/oder den Kegel davon abweichende
Gewindeflankenlinie aufweist und das Gewinde zusätzlich eine
deutlich ausgeprägte negative Lastflanke (25) aufweist.
4. Rohrverbinder nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Elemente (21, 22) eine Gewindeflankenlinie konstanter
Neigung (23, 24) mit einer stark ausgeprägten negativen Lastflanke
(25) aufweisen, wobei die Neigungen der beiden
Gewindeflankenlinien (23, 24) unterschiedlich sind.
5. Rohrverbinder nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Unterschied in der Kegelneigung mindestens 0,01 mm/Zoll und
maximal eine halbe Zahnhöhe pro Zoll beträgt.
6. Rohrverbinder nach den Ansprüchen 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Anordnung eines Innendichtsitzes die Neigung der
Muffengewindeflankenlinie flacher als die des Zapfens ist und bei
einem Außendichtsitz die Neigung der Muffengewindeflankenlinie
steiler ist als die des Zapfens.
7. Rohrverbinder nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zapfenelement (6) eine Gewindeflankenlinie (31) konstanter
Neigung aufweist und das Muffenelement (1) eine frei geformte
Gewindeflankenlinie (30) aufweist, wobei die Durchmesser der
Muffen-Gewindeflankenlinie (30) teilweise größer, teilweise
kleiner und teilweise gleich ist dem Durchmesser der
korrespondierenden Zapfen-Gewindeflankenlinie (31).
8. Rohrverbinder nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewinde beider Elemente (1, 6) eine deutlich ausgeprägte
negative Lastflanke aufweist.
9. Rohrverbinder mit einem Muffenelement, das ein zweistufiges
konisch ausgebildetes Innengewinde und mit einem Zapfenelement, das
ein damit verschraubbares zweistufiges konisch ausgebildetes
Außengewinde aufweist und gegebenenfalls mit einem zwischen den
beiden Stufen angeordneten metallischen Dichtsitz und
gegebenenfalls einer Schulter,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Stufen (37, 38) eines Elementes (43) bekannte
Gewindeflankenlinien konstanter Neigung und mindestens eine Stufe
(37, 38) des anderen Elementes (44) eine im Hinblick auf die Kontur
und/oder den Kegel (41, 42) davon abweichende Gewindeflankenlinie
aufweist.
10. Rohrverbinder nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß beide Elemente (43, 44) in beiden Stufen (37, 38)
Gewindeflankenlinien konstanter Neigung mit einer deutlich
ausgeprägten negativen Flanke aufweisen, wobei die Neigung der
jeweiligen Gewindeflankenlinien von Muffe (44) und Zapfen (43) in
mindestens einer Stufe (37, 39) voneinander abweichen.
11. Rohrverbinder nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewindeflankenlinie (41) der Muffe (44) der außenliegenden
ersten Stufe (37) flacher ist als die des Zapfens (43) und die
Gewindeflankenlinie (42) der Muffe (44) der innen liegenden zweiten
Stufe (38) des zweistufigen Gewindes steiler ist als die des
Zapfens (43).
12. Rohrverbinder nach Anspruch 3 bis 6, 8, 10 und 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die negative Flanke einen Winkel im Bereich von -7° bis -12°
aufweist.
Priority Applications (2)
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DE19944428871 DE4428871C2 (de) | 1994-08-08 | 1994-08-08 | Rohrverbinder |
PCT/DE1995/001040 WO1996005462A1 (de) | 1994-08-08 | 1995-07-27 | Rohrverbinder |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=6525714
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