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Hintergrund der Erfindung
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit Rohrverbindungen mit Gewinde, die bei der Bohrung und Erzeugung
von Öl-
oder Gasbohrlöchern verwendet
werden können,
wie z.B. für
Rohre, Ummantelungen, Leitungsrohre und Bohrgestänge, was zusammen gesehen im
Allgemeinen unter der Bezeichnung Ölfeldrohre bekannt ist. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine Rohrverbindung zum Verbinden
von steckerförmigen
Zapfenteilen und buchsenartigen Muffenteilen.
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Technischer
Hintergrund
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Die
Verwendung von Rohrverbindungen mit Gewinde zum endseitigen Verbinden
von Durchflussrohren zur Bildung eines kontinuierlichen Strömungswegs
zum Transport von mit Druck beaufschlagtem Fluid ist hinreichend
bekannt. Sämtliche Ölfeldrohre verwenden
Verbindungen mit Gewinde zum Verbinden benachbarter Leitungs- oder Rohrabschnitte. Beispiele
derartiger zur Verwendung mit Ölfeldrohren ausgelegter,
Endverbindungen mit Gewinde werden in den US-Patenten mit den Nummern
US 2,239,942 ,
US 2,992,019 ,
US 3,359,013 , US RE 30,647 und US RE
34,467 offenbart, die alle dem Anmelder der vorliegenden Erfindung
zuzuordnen sind.
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Im
US Patent mit der Nummer US RE 30,467 von Blose wird eine besondere
Gewindeform oder -struktur für
eine Rohrvebindung beschrieben, die eine außergewöhnlich starke Verbindung schafft,
wobei die Belastung und die Beanspruchung in den verbundenen Zapfen-
und Muffenteilen innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten wird. Das
Zapfenteil ist mit wenigstens einem im wesentlichen schwalbenschwanzförmigen Außengewinde
versehen, dessen Breite in einer axialen Richtung entlang des Zapfens zunimmt,
während
das Muffenteil mit wenigstens einem passenden, im Wesentlichen schwalbenschwanzförmigen Innengewinde
versehen ist, dessen Breite in der anderen axialen Richtung zunimmt. Auf
diese Weise bewirkt der zusammenpassende Satz schraubenförmiger Gewinde
ein keilartiges Eingreifen der sich entge genstehenden Flanken des Zapfens
und der Muffe, die das Ausmaß der
relativen Drehbewegung zwischen dem Zapfenteil und dem Muffenteil
begrenzen, und bildet einen zwangsläufigen Zustand des Zusammenbaus,
der die Verbindung vervollständigt.
Bei dieser Gewindestruktur können
der Winkel der Schulter der Flanken sowie die Breite des Gewindes
zum Steuern der auf das Zapfen- und Muffenteil bei einem vorgegebenen Drehmoment
des Zusammenbauens im vorgespannten Zustand aufgebrachten Belastung
und Beanspruchung verwendet werden. Indem die Gewindestruktur einer
besonderen Anwendung oder Verwendung angepasst wird, wird die Rohrverbindung
bzw. das Rohranschlussstück
folglich nur durch die Eigenschaften der verwendeten Materialien
eingeschränkt.
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In
dem deutschen Patent 44 46 806 wird eine Rohrverbindung mit Gewinde
geschaffen, die ein Muffenteil und ein Zapfenteil beinhaltet. Einige
Ausführungsformen
umfassen eine begrenzende Schulter auf der Zapfennase sowie zwei
vorspringende Dichtflächen
zur Verbesserung der Dichtwirkung der Verbindung. Die vorspringenden
Dichtflächen
können
auf dem Muffenteil oder auf dem Zapfenteil angeordnet sein. Die
begrenzende Schulter wirkt mit einer begrenzenden Schulter des Muffenteils
zusammen, hat eine sehr geringe Neigung und dient dazu, ein Biegen
des Zapfenteils nach innen zu vermeiden.
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Wie
in 1 dargestellt, umfasst eine Verbindung 10 nach
dem Stand der Technik ein Zapfenteil 11 und ein Muffenteil 12.
Auf dem Muffenteil 12 ist eine konische, innen liegende
und im Wesentlichen schwalbenschwanzförmige Gewindestruktur 14 ausgebildet,
die dazu ausgelegt ist, in eine komplementär konische, außen liegende,
im Wesentlichen schwalbenschwanzförmige und auf dem Zapfenteil 11 ausgebildete
Gewindestruktur 15 einzugreifen, um das Zapfenteil und
das Muffenteil auf lösbare Weise
mechanisch aneinander zu sichern.
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Das
Innengewinde 14 des Muffenteils 12 hat Führungsflanken 18,
Lastflanken 16, Gewindegründe 20 und Gewindescheitel 24.
Die Breite des Gewindes 14 nimmt in einer axialen Richtung
fortschreitend über
im Wesentlichen die gesamte schraubenförmige Länge des Gewindes 14 gleichmäßig zu.
Das Außengewinde 15 des
Zapfen teils 11 hat Führungsflanken 19,
Lastflanken 17, Gewindegründe 21 und Gewindescheitel 25.
Die Breite des Gewindes 15 nimmt in der anderen axialen
Richtung fortschreitend über
im Wesentlichen die gesamte schraubenförmige Länge des Gewindes 15 gleichmäßig zu.
Die entgegengesetzt zunehmenden Breiten der Gewinde und die Konizität der Gewinde 14 und 15 bringen
die komplementären
Gewindegründe
und Gewindescheitel der jeweiligen Gewinde während des Zusammenbaus des
Verbindung in Eingriff woraufhin beim Beenden des Zusammenbaus der
Verbindung die komplementären
Führungsflanken
und Lastflanken in Eingriff gelangen.
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Das
Zapfenteil 11 oder das Muffenteil 12 definieren
die Längsachse 13 der
zusammengebauten Verbindung 10. Die Gewindegründe und
Gewindescheitel des Muffenteils und des Zapfenteils sind flach,
verlaufen parallel zur Längsachse
der Verbindung und weisen eine ausreichend große Breite auf, um jegliche
permanente Verformung der Gewinde beim Zusammenbau der Verbindung
zu vermeiden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Allgemein,
gemäß einer
oder mehrerer Ausführungsformen,
besteht die vorliegende Erfindung aus einer Rohrverbindung mit Gewinde
mit einem Muffenteil, das ein Innengewinde aufweist, einem Zapfenteil
mit einem Außengewinde,
das mit dem Innengewinde des Muffenteils in Eingriff bringbar ist, und
einer vorspringenden Dichtfläche,
die in dem Muffenteils derart angeordnet ist, dass sich das Zapfenteil
in radialer Richtung nach innen biegt, wenn es beim Zusammenbau
die vorspringende Dichtfläche
passiert. Die Rohrverbindung mit Gewinde umfasst weiterhin einen
in dem Muffenteil angeordneten, ausgesparten Dichtungshohlraum sowie eine
nach hinten abgewinkelte Schulter an der Zapfennase, die das Zapfenteil
dazu zwingt, sich beim endgültigen
Zusammenbau in radialer Richtung nach außen in den ausgesparten Dichtungshohlraum
des Muffenteils zu biegen.
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Allgemein,
gemäß einer
oder mehrerer Ausführungsformen,
besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren zur Bildung
einer Dichtung durch doppeltes Biegen für eine Rohrverbindung, das
ein Ineingriffbringen eines Außengewindes
eines Zap fenteils mit einem Innengewinde eines Muffenteils und ein
Biegen einer Zapfennase des Zapfenteils in radialer Richtung nach
innen, indem die Zapfennase während
des Zusammenbaus über
eine vorspringende Dichtfläche
des Muffenteils geführt
wird, umfasst. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Biegen der Zapfennase
in radialer Richtung nach außen, wenn
eine nach hinten abgewinkelte Schulter der Zapfennase mit einer
nach hinten abgewinkelten Schulter des Muffenteils während des
Zusammenbaus in Kontakt kommt und ein Vervollständigen der Dichtung durch doppeltes
Biegen, indem die Verbindung endgültig fertig gestellt wird,
so dass die Zapfennase des Zapfenteils in einem in dem Muffenteil angeordneten,
ausgesparten Dichtungshohlraum sitzt.
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Allgemein,
gemäß einer
oder mehrerer Ausführungsformen,
besteht die vorliegende Erfindung aus einer Rohrverbindung mit Gewinde
mit einem Muffenteil, das ein Innengewinde aufweist, und einem Zapfenteil
mit einem Außengewinde,
das mit dem Innengewinde des Muffenteils in Eingriff bringbar ist.
Die Rohrverbindung mit Gewinde umfasst weiterhin Mittel, um das
Zapfenteil beim Zusammenbau in radialer Richtung nach innen zu biegen,
Mittel, um das Zapfenteil und das Muffenteil derart in Eingriff zu
bringen, dass das Zapfenteil sich beim endgültigen Zusammenbau in radialer
Richtung nach außen biegt,
sowie Mittel, um zwischen dem Zapfenteil und dem Muffenteil eine
Dichtung auszubilden.
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Weitere
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es
zeigen:
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1 eine
Rohrverbindung mit Gewinde aus dem Stand der Technik;
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2 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die das Zapfenteil und das Muffenteil
in den Ausgangsstellungen im freien Zustand zeigt;
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3 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform,
die das Biegen des Zapfens in radialer Richtung nach innen zeigt;
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4 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform,
die das Biegen des Zapfens in radialer Richtung nach außen zeigt;
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5 eine
Darstellung, die die Verteilung der Belastung in einer Ausführungsform
zeigt;
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6 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform,
die einen Vorsprung des Muffenteils sowie eine zylindrische Bohrung
von dem Vorsprung zu dem ausgesparten Dichtungshohlraum zeigt;
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7 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform,
die einen abgeschrägten
Vorsprung des Muffenteils sowie eine zylindrische Bohrung von dem Vorsprung
zu dem ausgesparten Dichtungshohlraum zeigt; und
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8 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform,
die einen abgeschrägten
Vorsprung des Muffenteils sowie eine Ausnehmung zeigt, die von dem Vorsprung
zu dem ausgesparten Dichtungshohlraum hin abgeschrägt verläuft.
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Detaillierte
Beschreibung
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren, in denen in den verschiedenen Ansichten
für gleiche
Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden, zeigt 2 eine
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Allgemein,
in einer oder mehreren Ausführungsformen,
kann die Erfindung wie offenbart in einem Dichtmechanismus verwendet
werden, bei dem Metall auf Metall zu liegen kommt und bei dem eine zylindrische
oder leicht abgeschrägte
Dichtfläche
auf dem Zapfenteil, eine vorspringende Dichtfläche und ein auf der Hinterseite
ausgesparter Dichtungshohlraum auf dem Muffenteil sowie eine nach
hinten abgewinkelte Schulter auf der Zapfennase verwendet werden.
Die dichtende Kontaktfläche
wird zwischen den Gewinden und der Schulter auf der Zapfennase der
Verbindung gebildet.
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Vor
dem Eingriff in das Muffenteil befinden sich das Zapfenteil und
die Zapfennase in einer Ausgangsstellung im freien Zustand, in dem
das Zapfenteil und die Zapfennase nicht gebogen sind. Während des
Zusammenbaus greift die Dichtfläche
des Zapfenteils an der vorspringenden Fläche des Muffenteils an, wodurch
die Zapfennase dazu veranlasst wird, sich in radialer Richtung nach
innen zu biegen. Ein Fortsetzen des Zusammenbaus führt zu einem Angreifen
an der nach hinten abgewinkelten Schulter an der Zapfennase, wodurch
die Zapfennase dazu veranlasst wird, beim Gleiten über die
nach hinten abgewinkelte Schulter in der Muffe sich in radialer Richtung
nach außen
und beim endgültigen
Zusammenbau in den ausgesparten Dichtungshohlraum in dem Muffenteil
zu biegen. Der ausgesparte Dichtungshohlraum veranlasst die Zapfennase
dazu, sich in eine Stellung zu verbiegen, die höher liegt als die Ausgangsstellung
im freien Zustand, wodurch auf der Rückseite der vorspringenden
Muffendichtung ein Kontakt hergestellt wird, der einem Druckdurchschlag
widersteht.
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Bezugnehmend
auf 2 umfasst die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform
ein Keilgewinde 27 mit einem Gewindegang, eine zylindrische
Dichtfläche 38 auf
einem Zapfenteil 28, eine vorspringende Dichtfläche 36 auf
einem Muffenteil 29, die eine plötzliche Abnahme auf den Innendurchmesser
(ID) gefolgt von einer Abschrägung 39 zu dem
ausgesparten Dichtungshohlraum 48 umfasst, sowie eine nach
hinten abgewinkelte Schulter an einer Zapfennase 44 mit
einem Neigungswinkel von beispielsweise 40° sowohl auf dem Zapfenteil 28,
als auch auf dem Muffenteil 29. Sowohl das Zapfenteil 28,
als auch das Muffenteil 29 sind in ihrer Ausgangsstellung
im freien Zustand dargestellt. In einer oder mehreren Ausführungsformen
beträgt
der Winkel der Abschrägung 39 aus
Gründen
der einfachen Verarbeitung 2° oder
weniger. Für
den Fachmann ist offensichtlich, dass in Abhängigkeit von der Anwendung auch
andere Winkel verwendet werden können.
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Zwischen
dem Zapfenteil 28 und dem Muffenteil 29 besteht
zwischen dem letzten Gewindeeingriff 50 und der vorspringenden
Dichtung 36 in dem Muffenteil 29 ein radiales
Spiel. Das Zapfenteil 28 biegt sich in radialer Richtung
nach innen, wenn es über
die vorspringende Dichtung 36 in dem Muffenteil 29 gleitet.
Zwischen dem Zapfenteil 28 und dem Muffenteil 29 besteht
eine Metall-Metall-Wechselwirkung, die zu einer Druckdichtung 38 auf
der Rückseite
des Muffenvorsprungs 36 führt, wenn sich das Zapfenteil 28 beim
endgültigen
Zusammenbau in radialer Richtung nach außen biegt. Der ausgesparte Dichtungshohlraum 34 in
dem Muffenteil 29 ermöglicht
es dem Zapfenteil 28, sich über die Ausgangsstellung im
freien Zustand hinaus in radialer Richtung nach außen zu biegen.
Ein Positionieren der nach hinten abgewinkelten Schulter 40 an
der Zapfennase und der nach hinten abgewinkelten Schulter 46 auf dem
Muffenteil an der Kontaktfläche
zwischen der Zapfennase und dem Innendurchmesser des Muffenteils
verlasst die Zapfennase 44 dazu, sich beim endgültigen Zusammenbau
in radialer Richtung nach außen
in den ausgesparten Dichtungshohlraum 48 zu biegen. In
dem Keilgewinde 27 sind negative Flankenwinkel 42 vorhanden,
die einer Trennung des Zapfenteils und des Muffenteils entgegenwirken
und das Zapfenteil dazu veranlassen, sich wie ein Ausleger in radialer
Richtung nach innen zu biegen. Das Biegen des Zapfenteils 28 während des
Zusammenbaus in radialer Richtung nach innen ist in 3 dargestellt.
Das Biegen des Zapfenteils 28 während des endgültigen Zusammenbaus
in radialer Richtung nach außen
und den Eingriff der Zapfennase 44 in den ausgesparten
Dichtungshohlraum 48 ist in 4 dargestellt.
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Wie
in der Darstellung der radialen Belastung nach der Finite-Elemente-Methode
in 5 dargestellt, erzeugt das doppelte Biegen des
Zapfenteils um den Vorsprung in dem Muffenteil eine dichtende Kontaktfläche, die
gegenüber
einem Druckdurchschlag sehr widerstandsfähig ist. Die in der Finite-Elemente-Darstellung
gezeigte Verteilung der Belastung an der dichtenden Kontaktfläche zeigt
wenigstens zwei durch die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen
dem Zapfenteil 28 und dem Muffenteil 29 erzeugte
Druckdichtungen.
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Unter
Bezugnahme auf 6 umfasst eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine vorspringende Dichtfläche in dem
Muffenteil, die beispielsweise eine abrupte Abnahme auf den Innendurchmesser 60 aufweist,
auf die eine abrupte Zunahme auf eine zylindrische Fläche 62 folgt,
die sich bis zu dem ausgesparten Dichtungshohlraum 48 fortsetzt.
Bezugnehmend auf 7 umfasst eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine vorspringende Dichtfläche in dem
Muffenteil, die beispielsweise eine Abschrägung 70 auf den Innendurchmesser
aufweist, gefolgt von einer abrupten Zunahme auf eine zylindrische
Fläche 72,
die sich bis zu dem ausgesparten Dichtungshohlraum 48 fortsetzt.
Bezugnehmend auf 8 umfasst eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine vorspringende Dichtfläche in dem
Muffenteil, die beispielsweise eine Abschrägung 80 auf den Innendurchmesser,
gefolgt von einer Abschrägung 82 bis zu
dem ausgesparten Dichtungshohlraum 48, aufweist.
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Auch
können
eine oder mehrere Ausführungsformen
der Erfindung andere Geometrien des ausgesparten Dichtungshohlraums
aufweisen, solange die Ausführung
es dem Zapfenteil ermöglicht, sich
in radialer Richtung über
die Ausgangsstellung im freien Zustand hinaus nach außen zu biegen,
einen dichtenden Kontakt auf beiden Seiten des Vorsprungs in dem
Muffenteil gewährleistet
und eine Anordnung mit einer nach hinten abgewinkelten Schulter
an der Zapfennase bietet, die aufeinander abgestimmte oder nicht
aufeinander abgestimmte Winkel zwischen dem Zapfenteil und dem Muffenteil
haben kann, solange beide Winkel kleiner als 90° sind. Weiterhin können eine
oder mehrere Ausführungsformen der
Erfindung dazu ausgelegt sein, einen oder mehrere Gewindegänge, konische
und/oder zylindrische Gewindeformen mit positiven oder negativen
Lastflanken oder Gewinde mit Spiel und/oder Eingriff zu umfassen.
Für den
Fachmann ist offensichtlich, dass jede der oben genannten Ausführungsformen
als Ganzes oder als Teil in Kombination, verwendet werden kann.
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Vorteile
der vorliegenden Erfindung können einer
oder mehrere der folgenden Vorteile umfassen. In einer oder mehreren
Ausführungsformen
wird auf der Rückseite
der vorspringenden Muffendichtung Kontakt hergestellt, wenn sich
das Zapfenteil beim Gleiten über
den Vorsprung zuerst in radialer Richtung nach innen biegt. Beim
Gleiten der Zapfennase entlang der nach hinten abgewinkelten Schulter
in den ausgesparten Dichtungshohlraum des Muffenteils biegt sich
das Zapfenteil dann in radialer Richtung nach außen. Dieses doppelte Biegen
positioniert die Zapfennase höher
als in der Ausgangsstellung im freien Zustand, wodurch Kontaktbelastungen erzeugt
werden, die einem Druckdurchschlag in diesem neuen Dichtmechanismus
widerstehen. Die Kontaktbelastungen existieren sowohl in dem Kontaktbereich
der Muffen vorsprungs als auch in dem Kontaktbereich, in dem die
Zapfennase und der ausgesparte Dichtungshohlraum aufeinander treffen. Folglich
erzeugt diese Anordnung mehr als einen druckbeständigen Bereich.
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen ermöglichen
die nach hinten abgewinkelte Schulter und der ausgesparte Dichtungshohlraum
in dem Muffenteil einen größeren axialen
Hub der Verbindung im elastischen Bereich nach dem anfänglichen
Kontakt der Schultern. Dies ist besonders wichtig, falls dieser Dichtmechanismus
in Technologien mit Keilgewinde verwendet wird, in denen die axiale
Ausrichtung der Verbindung beim Zusammenbau nicht so genau kontrolliert
werden kann, wie bei einer formschlüssigen Schulter für das Anschlagdrehmoment.
Der durch diese Geometrie ermöglichte
größere axiale
Hub gewährleistet,
dass das Keilgewinde beim endgültigen Zusammenbau
sauber eingreift und nicht aufgrund exzessiven Metall-Metall-Kontakts an
der Schulter der Zapfennase vorzeitig stoppen kann. Exzessiver Metall-Metall-Kontakt
an der Schulter der Zapfennase kann auch zu einem entgegen gesetzten
Knicken des Zapfenteils führen
und die an dem Muffenvorsprung erzeugte Dichtung entlasten. Bei
Verwendung einer geringfügigen,
nach unten gerichteten Abschrägung
auf dem Zapfenteil, anstelle oder in Verbindung mit der zylindrischen
Dichtfläche,
kann das Zapfenteil beim Eingriff in den ausgesparten Dichtungshohlraum
weiter nach außen
gebogen werden, wodurch der mögliche
axiale Hub vergrößert wird.
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Wie
hier verwendet, und wie es üblicherweise
im Zusammenhang mit in einer vertikalen Stellung zu verbindenden
Rohrverbindungen, wie es beispielsweise beim Herstellen einer in
ein Bohrloch abzusenkenden Folge von Rohren der Fall ist, verstanden
wird, bezeichnet der Begriff „Lastflanke" diejenige Seitenfläche eines
Gewindes, die vom äußeren Ende
des jeweiligen Zapfenteils oder Muffenteils, auf dem das Gewinde
ausgebildet ist, wegzeigt, und die das Gewicht des in dem Bohrloch
hängenden,
unteren Rohrteils trägt.
Der Begriff „Führungsflanke" bezeichnet diejenige
Seitenfläche
des Gewindes, die auf das äußere Ende
des jeweiligen Zapfenteils oder Muffenteils zeigt und die während dem
anfänglichen Zusammenbau
der Verbindung das Gewicht des oberen Rohrteils trägt.
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Obwohl
die Erfindung bezüglich
einer beschränkten
Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es für
einen Fachmann, der Nutzen aus dieser Offenbarung ziehen kann, offensichtlich, dass
andere Ausführungsformen
ausgearbeitet werden können,
die nicht vom hier offenbarten Umfang der Erfindung abweichen. Demzufolge
sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt sein.