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Die Erfindung betrifft Rohrschraubverbindungen,
die bei Bohrungen nach Öl
und Gas und deren Förderungen
eingesetzt werden können,
wie beispielsweise Rohrleitungen, Verrohrungsummantelungen, Leitungsrohre
und Bohrgestänge,
die allgemein unter dem Oberbegriff Ölfeldrohrleitungsmaterialien
bekannt sind. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine Dichtung
für Rohrverbindungen
zum Verbinden von Einführ-
(männlicher,
Bolzen-) und Aufnahme- (weiblicher, Gehäuse-) Elemente und vorzugsweise
betrifft sie eine Dichtung vom Zusammenpress-Typ.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Rohrschraubverbindungen werden verwendet
zum Verbinden von Segmenten von Strömungsleitungen, die jeweils
mit ihren Enden zueinander angeordnet sind, um somit einen durchgängigen Strömungspfad
zum Transport eines unter Druck stehenden Fluides zu bilden. Ölfeldrohrleitungsmaterialien verwenden
im Allgemeinen solche Schraubverbindungen zum Verbinden aneinander
angrenzender Bereiche einer Leitung oder einer Röhre. Beispiele solcher Schraubendverbindungen,
die für
den Einsatz bei Ölfeldrohrleitungsmaterialien
konzipiert sind, sind in den U.S. Patentschriften mit den Nummern 2,239,942;
2,992,019; 3,359,013; RE 30 647 und RE 34 467, die alle dem Anmelder
der vorliegenden Erfindung zugeteilt wurden, offenbart.
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Die Druckschrift US-A 4,707,001 offenbart eine
Dichtung für
eine Rohrverbindung, umfassend: eine erste Dichtfläche, welche
nahe zu einem Ende eines Einführ-Bereichs
der Verbindung angeordnet ist;
eine zweite Dichtfläche, welche
nahe zu einem Ende eines Aufnahme-Bereichs der Verbindung angeordnet
ist, wobei die erste Dichtfläche
und die zweite Dichtfläche
einander im Wesentlichen gegenüber
liegen beim Verbinden des Einführ-
und des Aufnahme-Bereichs;
eine erste Abstandsfläche nahe
der ersten Dichtfläche
an dem Einführ-Bereich;
und
eine zweite Abstandsfläche
nahe der zweiten Dichtfläche
an dem Aufnahme-Bereich, wobei die erste Abstandsfläche und
die zweite Abstandsfläche
und die erste Dichtfläche
und die zweite Dichtfläche
einander kontaktieren, so dass sich ein Kontaktdruck entwickelt.
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In US-Patent Nr. RE 30,647 von Blose
ist eine besondere Gewindeform oder -struktur für eine Rohrverbindung offenbart,
welche eine starke Verbindung bereitstellt, während sie die Spannung und
die Dehnung in verbundenen "Bolzen-" (Einführgewinde) und "Gehäuse-" (Aufnahmegewinde)
Teilen derart kontrolliert, dass diese innerhalb akzeptablen Bereichen
bleiben. Das Bolzenteil ist mit wenigstens einem, im Allgemeinen
schwalbenschwanzförmigen Außengewinde
ausgestattet, dessen Breite in einer Richtung entlang des Bolzenteiles
ansteigt, wohingegen das Gehäuseteil
mit wenigstens einem dazu passenden, im Allgemeinen schwalbenschwanzförmigen Innengewinde
ausgestattet ist, dessen Breite in die andere Richtung anwächst. Das
zueinander passende Paar von spiralförmigen Gewinden stellt ein
keilartiges Ineinandergreifen von gegenüberliegenden Bolzen- und Gehäuse-Gewindeflanken
bereit, welche das Ausmaß an
Relativrotation zwischen den Gehäuse-
und Bolzenteilen begrenzt, und welche eine Zwangsherstellungsbedingung
definiert, welche die Verbindung vervollständigt. In dieser Gewindestruktur
können
sowohl die Flanken-Schulter-Winkel
als auch die Gewindebreite dazu eingesetzt werden, die Spannungs-
und Dehnungs-Vorlastbedingungen
zu steuern, welche in den Gehäuse-
und Bolzenteilen bei einem vorgegebenen Herstellungsdrehmoment induziert
werden. Dementsprechend ist durch Anpassen der Gewindestruktur für eine spezielle
Anwendung oder einen speziellen Einsatz die Rohrverbindung oder
Verbindungsstelle nur durch die Eigenschaften der ausgewählten Materialien
begrenzt.
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Wie in 1 gezeigt,
umfaßt
eine herkömmliche
Verbindung 10 ein Bolzenteil 11 und ein Gehäuseteil 12.
Das Gehäuseteil 12 weist
eine sich verjüngende,
im Allgemeinen schwalbenschwanzförmige Innengewindestruktur 14 auf,
welche daran ausgebildet ist und dazu angepaßt ist, in eine komplementäre, sich
verjüngende,
im Allgemeinen schwalbenschwanzförmige
Außengewindestruktur 15 einzugreifen,
welche an dem Bolzenteil 11 ausgebildet ist, um das Gehäuseteil 12 und
das Bolzenteil 11 in einer wieder lösbaren Weise mechanisch zu
sichern.
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Das Innengewinde 14 an dem
Gehäuseteil 12 weist
Einbringflanken 18, Lastflanken 16, Gewindefüße 20 und
Gewindescheitel 24 auf. Das Gewinde nimmt an Breite progressiv
bei einer einheitlichen Rate in einer Richtung im wesentlichen entlang
der gesamten, schraubenförmigen
Länge des
Gewindes 14 zu. Das Außengewinde 15 des
Bolzenteiles 11 weist Einbringflanken 19, Lastflanken 17,
Gewindefüße 21 und
Gewindescheitel 25 auf. Das Gewinde nimmt an Breite progressiv
bei einer einheitlichen Rate in der anderen Richtung im wesentlichen
entlang der gesamten schraubenförmigen
Länge des Gewindes 15 zu.
Die entgegengesetzt anwachsenden Gewindebreiten und die Verjüngung der
Gewinde 14 und 15 bewirken, daß die komplementären Gewindefüße und Gewindescheitel
der jeweiligen Gewinde 14 und 15 sich in Eingriff
bewegen während
einem Herstellen der Verbindung 10, wobei sich ebenfalls die komplementären Einbring-
und Lastflanken in Eingriff bewegen beim Herstellen der Verbindung.
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Das Bolzenteil 11 oder das
Gehäuseteil 12 definiert
die Längsachse 13 der
hergestellten Verbindung 10. Die Gewindefüße und Gewindescheitel
des Gehäuseteiles
und des Bolzenteiles sind eben und parallel zu der Längsachse
der Verbindung und weisen eine ausreichende Breite auf, um eine
permanente Deformation der Gewinde zu verhindern, wenn die Verbindung
hergestellt wird.
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Ein wichtiges Teil jeder Verbindung
ist eine Dichtung, um die Leitung an den Verbindungen fluid-druckdicht
zu halten. Typischerweise werden Verbindungen derart entworfen,
dass sie darin Metall-auf-Metall-Dichtungen umfassen. Metall-auf-Metall-Dichtungen
weisen den Vorteil auf, dass sie keine Gummidichtungen oder andere,
zusätzliche
Dichtungsvorrichtungen benötigen,
welche typischerweise periodisch ersetzt werden müssten, da
die Verbindungen zusammen- und entkoppelt werden. Metalldichtungen
werden gebildet, wenn ein Kontaktdruck zwischen zwei Metalloberflächen den
Fluiddruck, der abgedichtet werden soll, übersteigt. Typischerweise werden
die Kontaktdrücke
während
des Herstellens der Verbindung erzeugt.
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In letzter Zeit wurden Ölfeldrohrleitungsmaterialien
entwickelt, welche von ihren ursprünglichen Durchmessern ausgehend
radial erweitert werden können,
nachdem sie für
die angestrebte Anwendung installiert wurden. Ein Beispiel für eine Beschreibung
von radial erweiterbaren Ölfeldrohrleitungsmaterialien
ist zu sehen in R. D. Mack et al, How in situ expansion affects
casing and tubing properties, World Oil, July 1999, Gulf Publishing
Co., Houston, TX. Radial erweiterbare Rohrmaterialien haben eine
spezielle Anwendung als Verrohrungsummantelung bei Öl- und Gas-Produktions-Bohrlöchern. Es
war schwierig, radial erweiterbare Rohrverbindungen mittels aus
dem Stand der Technik bekannter Metall-auf-Metall-Dichtungen abzudichten. Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Dichtung
zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Dichtung für
eine radial erweiterbare Verbindung gemäß dem unabhängigen Anspruch bereit. Ferner
sind vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ersichtlich
aus den abhängigen
Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die Ansprüche sollen als ein erster,
nichtbeschränkender
Ansatz zum Definieren der Erfindung in allgemeiner Weise verstanden
werden.
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Die Erfindung gemäß einem speziellen Aspekt stellt
eine Dichtung für
eine radial erweiterbare Leitungsverbindung oder -kupplung bereit.
Die Dichtung umfasst vorzugsweise eine erste Dichtfläche, welche
nahe zu einem Ende eines Einführbereiches der
Verbindung angeordnet ist, und eine korrespondierende zweite Dichtfläche, welche
nahe zu einem Ende eines Aufnahmebereichs der Verbindung angeordnet
ist. Es ist bevorzugt, dass die erste und die zweite Dichtfläche beim
Verbinden der Einführ-
und der Aufnahmebereiche einander im Wesentlichen gegenüberliegen.
Die Dichtung kann eine erste Abstandsfläche nahe der ersten Dichtfläche an dem Einführbereich
und eine zweite Abstandsfläche
nahe der zweiten Dichtfläche
an dem Aufnahmebereich umfassen. Die ersten und zweiten Dichtflächen liegen
beim Verbinden der Einführ-
und Aufnahmebereiche einander vorzugsweise im Wesentlichen gegenüber. Die
ersten und zweiten Abstandsflächen und
die ersten und zweiten Dichtflächen
weisen vorteilhafterweise jede einen solchen Durchmesser auf, dass
vor dem radialen Erweitern die Abstandsflächen einander nicht kontaktieren.
Beim radialen Erweitern des Einführbereiches
und des Aufnahmebereiches nach deren Zusammenkuppeln verbleiben
die Abstandsflächen
vorzugsweise ohne Kontakt und die Dichtflächen kontaktieren einander
vorzugsweise derart, dass sich ein Kontaktdruck entwickelt.
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In einem speziellen Aspekt ist der
Abstand zwischen den Dichtflächen
vor der radialen Erweiterung der Verbindung etwa 30 bis 40 Prozent
des Betrags der radialen Erweiterung.
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In einem weiteren Aspekt ist der
Abstand zwischen den Abstandsflächen
vor der Erweiterung etwa 50 bis 55 Prozent des Betrages der radialen
Erweiterung.
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In noch einem weiteren Aspekt sind
die Dichtflächen
in Eingriffspassung vor der radialen Erweiterung der Verbindung.
Nach der radialen Erweiterung ist der Kontaktdruck zwischen den
Dichtflächen
erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Kupplung eine Gewindekupplung, welche zueinander passende
Gewinde an den Einführ-
und Aufnahmebereichen der Kupplung umfasst. Die Abstandsfläche des
Einführbereichs
ist vorzugsweise nahe dem Gewindeende und die Abstandsfläche des
Aufnahmebereichs ist vorzugsweise nahe dem Gewindeanfang in der
Ausführungsform
der Gewindekupplung.
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1 zeigt
eine Gewinderohrverbindung des Standes der Technik.
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2 zeigt
eine teilweise Ansicht einer Ausführungsform der Verbindungsdichtung
der Erfindung vor radialer Erweiterung der Rohranschlüsse und -verbindung.
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3 zeigt
eine teilweise Ansicht einer Ausführungsform der Verbindungsdichtung
der Erfindung nach radialer Expansion der Rohranschlüsse und -verbindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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2 betrifft
ein Beispiel einer Rohrverbindung 10A, wie sie in radial
erweiterbaren Rohrmaterialien eingesetzt wird. Das in 2 gezeigte Beispiel gilt
für eine
Gewindekupplung. 2 ist ein Querschnitt
durch nur eine Seite der Gewinderohrverbindung 10A und
die in 2 gezeigte Ansicht
soll daher als rotationssymmetrisch um die Achse (nicht gezeigt)
der Rohrverbindung 10A gedacht sein. Die Rohrverbindung 10A ist
gebildet durch Verbinden eines Einführ-Gewinde"Bolzen"-Teiles 30 mit
einem Aufnahme-Gewinde-"Gehäuse"-Teiles 32.
Das Bolzenteil 30 und das Gehäuseteil 32 weisen
daran jeweils korrespondierende Gewinde 36 und 34 auf, welche,
wenn sie in Eingriff gebracht werden, eine axiale Kupplungskraft,
um die Rohranschlüsse
miteinander zu verbinden, bereitstellen. Die Gewinde 34, 36 können von
jedem im Stand der Technik bekannten Typ zum Zusammenkuppeln von
Rohrmaterialen sein, und können
ein Abdichttyp oder ein Nicht-Abdichttyp sein. Der spezielle Typ
der ausgewählten
Verbindung wird, wie im Stand der Technik bekannt, von der beabsichtigten
Verwendung der Rohrmaterialien, welche durch die Verbindung 10A verbunden
werden, abhängen.
Der Gewindetyp soll die Erfindung nicht beschränken. Es soll auch angemerkt
werden, dass die Verbindung 10A derart gebildet werden
kann, dass Leitungssegmente (nicht getrennt gezeigt) ein Bolzenteil
an beiden Enden umfassen und verbunden sind durch kurze Segmente mit
Gehäuseteilen
an beiden Enden, wobei die kurzen Segmente als "Manschette" bekannt
sind. Die Verbindung 10A kann auch derart gebildet werden, dass
jedes Leitungssegment daran einen Bolzen an einem Ende und ein Gehäuse an dem
anderen umfasst. Jede Leitungsverbindung ist mit dieser Erfindung
arbeitsfähig.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel umfasst das Gehäuseteil 32 an
seinem Gewindeanfangsende eine Abstandsfläche 42 und eine Dichtfläche 44.
Das Bolzenteil 30 umfasst daran am Ende des Gewindes 36 eine
korrespondierende Abstandsfläche 38 und eine
Dichtfläche 40.
Die Abstandsflächen 38 und 42 an
jeweils dem Bolzenteil 30 und dem Gehäuseteil 32 können jede
parallel zu der Achse (nicht gezeigt) der Verbindung 10A sein,
so dass jede eine im Allgemeinen zylindrische Oberfläche definiert,
oder sie können
sich verjüngend
ausgebildet sein. In ähnlicher Weise
können
die Dichtflächen 40 und 44 parallel sein,
aber vorzugsweise sind die Dichtflächen 40, 44 sich
verjüngend
ausgebildet, wie in 2 gezeigt. Obwohl
die Dichtflächen 40, 44 wie
in 2 gezeigt sowohl
parallel zueinander sind als auch sich verjüngend ausgebildet sind, sollte
verstanden werden, dass die Dichtflächen 40, 44 nicht
parallel zueinander zu sein brauchen. In der Erfindung ist der Abstand zwischen
den Abstandsflächen 38, 42 größer als
der Abstand zwischen den Dichtflächen 40, 44 vor
dem radialen Erweitern des Bolzengliedes 30 und des Gehäusegliedes 32.
Der zusätzliche
Abstand zwischen den Abstandsflächen 38, 42 führt zu einer
radial einwärts
gerichteten Deformation des Dichtflächenbereiches (insbesondere
Dichtfläche 44)
an dem Gehäuse 32,
wenn das Gehäuse 32 radial
expandiert wird, was zu einem hohen Kontaktdruck zwischen den Dichtflächen 40, 44 führt. In
der in 2 gezeigten Ausführungsform
weist die Abstandsfläche 42 an dem
Gehäuse 32 einen
größeren Innendurchmesser auf
als die Dichtfläche 40 an
dem Gehäuse 32,
um zwischen korrespondierenden Abstandsflächen 38, 42 den
größeren Abstand
bereitzustellen als zwischen den korrespondierenden Dichtflächen 40, 44. Es
ist auch möglich,
einen größeren Abstand
zwischen den Abstandsflächen 38, 42 bereitzustellen, indem
die Abstandsfläche 42 an
dem Bolzenteil 30 mit einem kleineren Außendurchmesser
als die Dichtfläche 44 an
dem Bolzenteil 30 gefertigt wird. Jede andere Kombination
von Innendurchmessern an den Gehäuseflächen 38, 40 und
Außendurchmessern
an den Bolzenflächen 42, 44,
welche einen größeren Abstand
zwischen korrespondierenden Abstandsflächen 38, 42 bereitstellen,
ist ebenfalls mit der Erfindung arbeitsfähig.
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Obwohl 2 die
Dichtflächen 40, 44 so zeigt,
dass sie einen kleinen Abstand zwischen ihnen vor der radialen Erweiterung
des Bolzens 30 und des Gehäuses 32 aufweisen,
können
die Dichtflächen 40, 44 auch
in Eingriff-Kontakt miteinander stehen. Sofern die Dichtflächen 40, 44 in
Eingriff-Kontakt vor der radialen Erweiterung stehen, werden die
Dichtflächen 40, 44 nach
der radialen Erweiterung einander mit einem höheren Kontaktdruck als vor
der Erweiterung kontaktieren, solange die Abstandsflächen 38, 42 ohne
Kontakt nach der Erweiterung verbleiben.
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Der Betrag des Abstands zwischen
den Abstandsflächen 38, 42 vor
radialer Erweiterung wird, neben von anderen Faktoren, von dem Betrag
der radialen Erweiterung, die auf den Bolzen 30 und das Gehäuse 32 angewandt
wird, und von dem Durchmesser des Bolzens 30 und des Gehäuses 32 vor
der Erweiterung abhängen.
Im Allgemeinen ist ein großer Abstand,
wenn der Betrag der Erweiterung klein ist, oder ein kleiner Abstand,
wenn der Betrag des Abstands groß sein soll, nicht sehr wünschenswert.
Ein bevorzugter Abstandsbetrag zwischen den Dichtflächen ist
etwa 30 bis 40 Prozent des anzuwendenden Erweiterungsbetrages, obwohl
auch andere Abstände,
einschließlich
Eingriffspassung, wie zuvor dargelegt, mit der Erfindung arbeitsfähig sind.
Ein bevorzugter Abstand der Abstandsflächen vor einer Erweiterung
ist etwa 50 bis 55 Prozent des Betrages der radialen Erweiterung,
obwohl auch andere Abstände mit
der Erfindung arbeitsfähig
sind. Der wichtige Aspekt liegt darin, dass die Abstandsflächen 38, 42 zwischen
ihnen einen Abstand nach dem radialen Erweitern des Gehäuses 32 und
des Bolzens 30 aufrecht erhalten.
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3 zeigt
die Verbindung 10A nach radialer Erweiterung des Bolzens 30 und
des Gehäuses 32.
Wie in 3 gesehen werden
kann, wurden die Dichtflächen 40, 44 in
Dichtungskontakt miteinander versetzt aufgrund der radialen Erweiterung
des Bolzens 30 und des Gehäuses 32. Die Abstandsflächen 38, 42 kommen
aufgrund der radialen Erweiterung des Bolzens 30 und des
Gehäuses 32 nicht
in Kontakt miteinander.
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Obwohl die hierin beschriebene Ausführungsform
der Erfindung eine Gewindekupplung zum Verbinden von Leitungssegmenten
umfasst, ist der Einsatz von Gewindekupplungen für die Erfindung nicht nötig. Zum
Beispiel könnten
J-Schlitz-Verbinder, welche Verriegelungsbolzen an dem Bolzenende umfassen,
mit korrespondierenden Schlitzen an dem Gehäuseende, eine axiale Kupplungskraft
bereitstellen, um den Bolzen und das Gehäuse zusammenzuhalten. Andere
Kupplungstypen, welche keine zueinander passenden Gewinde einsetzen,
können
ebenfalls durch den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachmann
konstruiert werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt
der Erfindung wird eine Dichtung für eine radial erweiterbare
Leitungsverbindung bereitgestellt. Die Dichtung umfasst eine erste
Dichtfläche 40,
welche nahe zu einem Ende eines Einführbereiches 30 der
Verbindung angeordnet ist und eine korrespondierende zweite Dichtfläche 44,
welche nahe zu einem Ende eines Aufnahmebereiches 32 der
Verbindung angeordnet ist. Die ersten und die zweiten Dichtflächen 40, 44 liegen
einander im Wesentlichen gegenüber
beim Verbinden der Einführbereiche 30 und
Aufnahmebereiche 32. Die Dichtung umfasst eine erste Abstandsfläche 38 nahe
der ersten Dichtfläche 40 und
eine zweite Abstandsfläche 42 nahe
der zweiten Dichtfläche 44.
Die ersten und zweiten Abstandsflächen 38, 42 liegen
einander im Wesentlichen gegenüber
beim Verbinden der Einführbereiche 30 und
Aufnahmebereiche 32. Die ersten und zweiten Abstandsflächen 38, 42 und
die ersten und zweiten Dichtflächen 40, 44 weisen
jeweils einen Durchmesser derart auf, dass bei radialer Erweiterung
des Einführbereiches 30 und des
Aufnahmebereiches 32 nach deren Zusammenkoppeln die Abstandsflächen 38, 42 ohne
Kontakt verbleiben, wo hingegen die Dichtflächen 40, 44 einander
derart kontaktieren, dass sich ein Kontaktdruck entwickelt. In einer
Ausführungsform
beträgt
der Abstand zwischen den Dichtflächen 40, 44 vor
der Erweiterung etwa 30 bis 40 Prozent des Betrages der Erweiterung.
In einer weiteren Ausführungsform
sind die Dichtflächen 40, 44 in
Eingriff-Kontakt vor der Erweiterung. In einer Ausführungsform
weisen die Abstandsflächen 38, 42 vor
der Erweiterung einen Abstand von etwa 50 bis 55 Prozent des Betrages
der Erweiterung auf. In einer speziellen Ausführungsform ist die Leitungsverbindung
eine Gewindekupplung 34, 36.