DE69115391T2 - Vorrichtung zur Aufwendung eines Drehmomentes auf ein rohrförmiges Element - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Aufbringen von Drehmoment auf rohrförmige Elemente, wie zum Beispiel Rohre und Bunde, und sie hat eine besonders nützliche aber keinesfalls exklusive Anwendung bei der Verbindung von Rohren&sub1; die für die Exploration und Produktion von Öl und Gas verwendet werden.
• Die meisten Rohre, die heutzutage bei der Exploration und Produktion von Öl und Gas verwendet werden, sind zu ihrer Verbindung mit Außen- und Innengewindeenden versehen. Die zum Zusammenschrauben der Rohre erforderliche Drehbewegung bzw. das Drehmoment, wird gewöhnlich mit kraftbetriebenen Zangen aufgebracht, die sich auf einer Seite der mit Schraubengewinde versehenen Verbindung befinden und die mit einem stationären Einspannsystem des Reaktionstyps auf der anderen Seite der Schraubverbindung zusammenarbeiten. Die kraftbetriebenen Zangen beziehen Greifbacken ein, die in einer drehbaren Baugruppe untergebracht sind und radial nach innen zum Eingriff mit dem Rohrorgan gezwungen werden, während sie gleichzeitig mit der Drehbaugruppe rotieren. Das Einrücken der Greifbacken relativ zur Drehbaugruppe wird gewöhnlich mit einem
• Nocken- und Nockenstößelmechanismus erzielt. Die Greifbacken weisen gezackte Matrizen zum Durchdringen der Oberfläche des Rohrs auf, um für den erforderlichen Griff zu sorgen. Die Bewegung der Greifbacken relativ zur Drehbaugruppe um die Achse des Rohrs, die notwendig ist um die relative Bewegung des Nocken- und Nockenstößelmechanismus in Gang zu bringen, wird typisch mittels einer Bremse erzielt, die sich an den kraftbetriebenen Zangen befindet, wird aber in einigen Fällen durch Verwendung des Reibungswiderstandes zwischen der Backenbaugruppe und der drehenden Antriebsbaugruppe erreicht.
• Mit dem Aufkommen von Rohren hohen Chromgehalts wurde die, durch die Greifermatrizen verursachte, Oberflächenbeschädigung unerwünscht weil sie zu unakzeptablen Spannungskonzentrationen und Spanungskorrosion in sauren Bohrlochbedingungen führen kann. Es besteht deshalb eine Notwendigkeit für ein Greifsystem, das das Rohr greifen wird ohne die Rohroberfläche signifikant zu beschädigen. Das kann durch Verwendung von Greifermatrizen geschehen, die eine modifizierte Zahnform aufweisen, doch ist die radiale nach innen gerichtete Belastung der Matrizen zum Eingriff mit der Rohroberfläche unter Betätigung des Nocken- und Nockenstößelmechanismus häufig unzureichend, um das Schlüpfen der Backen auf der Rohroberfläche zu verhindern während Drehmoment, durch die drehende Antriebsbaugruppe, darauf aufgebracht wird. Deshalb bestimmt die Schlupfneigung das maximale Drehmoment, das durch die drehende Antriebsbaugruppe auf das Rohr aufgebracht werden kann.
• US-A-4445403, die den Stand der Technik darstellt, auf den im vorkennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 Bezug genommen wird, offenbart eine kraftbetriebene Zangenvorrichtung in der die Drehung der Greiferbacken relativ zur drehenden Baugruppe durch eine Bandbremse eingeschränkt wird, die am Außenrahmen der Zange angebracht ist, um zu bewirken, daß die Greifbacken in greifenden Eingriff mit dem Rohr bewegt werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Aufbringen von Drehmoment auf ein rohrförmiges Organ vorgesehen, die umfaßt, eine primäre Stütze zur Anordnung um das rohrförmige Organ, ein Antriebsorgan, das an der Stütze montiert ist, um für relative Drehung dazu um die Achse des rohrförmigen Organs zu sorgen, eine sekundäre Stütze, die koaxial mit dem Antriebsorgan angeordnet ist, wobei das Antriebsorgan in der Lage ist sich relativ zur sekundären Stütze zu drehen, Greifelemente, die drehgelenkig an der sekundären Stütze zum Einrücken in und Ausrücken aus der Greifverbindung mit dem rohrförmigen Organ montiert ist, Nockenmittel und Nockenstößelmittel wovon ein Mittel vom Antriebsorgan und das andere Mittel von den Greiferelementen getragen wird, wodurch das Antriebsorgan die Greiferelemente durch die Nocken- und Nockenstößelmittel betätigt, so daß Drehung des Antriebsorgans relativ zur sekundären Stütze in einer Richtung die Drehbewegung der Greiferelemente in die besagte Greifverbindung mit dem rohrförmigen Organ bewirkt und in die entgegengesetzte Richtung verursacht, daß die Greiferelemente ihren Griff am rohrförmigen Organ lösen, durch lösbare Mittel gekennzeichnet, die angeordnet sind, um das rohrförmige Organ lösbar einzuspannen und die mit der sekundären Stütze verbunden sind, wodurch die sekundäre Stütze relativ zum rohrförmigen Organ drehbar befestigt ist. In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Merkmal der Erfindung umfaßt das besagte lösbare Mittel ein Einspannmittel, das so angeordnet ist, daß es lösbar um das und eine Verbindung zwischen dem Einspannmittel und der sekundären Stütze, wodurch relative Drehbewegung der sekundären Stütze und des rohrförmigen Organs verhindert wird.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jetzt als Beispiel mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Bild 1 eine teilweise auseinandergezogene Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
• Bild 2 eine Draufsicht der Vorrichtung von Bild 1 und
• Bild 3 eine Schnittansicht auf der Linie 3-3 von Bild 2 ist.
• Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen wird darin eine kraftbetriebene Zangenvorrichtung zum Aufbringen eines Drehmoments auf ein Rohr 12 gezeigt, um ein mit Schraubengewinde versehenes Ende des Rohrs mit dem komplementären Gewindeende eines anderen Rohrs (nicht gezeigt) zu verbinden. Die beweglichen Teile der Vorrichtung sind auf einer primären Stütze 10 in Form eines Körperteils mit zwei Armen 11 aus U-Formstahl montiert, die sich um entgegengesetzte Seiten des Rohrs erstrecken. Zwischen den Armen 11 ist eine Lücke belassen, damit die Arme um das Rohr positioniert werden können. Die U-Formstahlarme 11 unterstützen zusammen ein teilweise kreisförmiges drehbares Antriebsorgan 13, das sich um das Rohr erstreckt und das eine Lücke in seiner Peripherie aufweist, damit das Organ um das Rohr plaziert werden kann. Die oberen und unteren Flächen des Antriebsorgans weisen sich peripher erstreckende Schlitze 13a auf, in die mit Abstand angeordnete Walzen (nicht gezeigt), die an den oberen und unteren Innenflächen der Stütze 10 montiert sind, eingreifen um ein Lager für die Drehung des Antriebsorgans bereitzustellen. Das drehende Antriebsorgan weist externe Getriebezähne 13b auf in die zwei Antriebszahnräder 14 eingreifen, die in der primären Stütze drehbar montiert sind und so um die Achse des drehenden Antriebsorgans verteilt sind, daß letzteres, trotz der Lücke in seiner Peripherie, in permanentem angetriebenen Eingriff mit dem einen oder anderen oder beiden der Antriebszahnräder ist.
• Ein Käfig, der eine sekundäre Stütze konstituiert, umfaßt
• obere und untere Käfigplatten 16, die oberhalb bzw. unterhalb der primären Stütze 10 angeordnet und in Position mit Zwischenraum durch Bolzen 18 miteinander verbunden sind. Die Käfigplatten, die von Bild 2 weggelassen sind, damit die Anordnung deutlicher zu sehen ist, weisen radiale Schlitze auf, die gestatten, daß sie um das Rohr plaziert werden können. Der Käfig ist koaxial mit dem Zahnkranz 13a zentriert und, in Betrieb, auf der Längsachse des Rohrs und ist relativ zur primären Stütze 10 drehbar. Eine Schelle 20 ist lösbar um das Rohr 12 befestigt und weist obere und untere Nasen 21 auf, in die axial ausgerichtete Löcher gebohrt sind. Ein Bolzen 22 erstreckt sich durch diese Löcher und in ein fluchtendes Loch in der oberen Käfigplatte 16 des Käfigs, so daß der Käfig mit der Schelle 20 und dem Rohr 12 verankert ist.
• Zwei Greiferbacken 24 sind zwischen den Käfigplatten und in der mittigen Öffnung des drehenden Antriebsorgans 13 angeordnet. Die Bolzen 18 erstrecken sich durch Löcher in den Backen und formen Drehpunkte um die sich die Backen relativ zu den Käfigplatten 16 schwenken können. In einem Abstand von ihren Drehpunktstützen tragen die Greiferbacken 24 Drehbolzen und stellen Achsen für entsprechende Walzen 27 bereit, die in entsprechende Nockenoberflächen 28 eingreifen, die an der radialen Innenfläche des drehenden Antriebsorgans geformt sind. Jede der zwei Nockenoberflächen 28 besteht aus zwei Teilen, die Spiegelbilder voneinander sind und sich neben der Schnittlinie 3-3 vereinigen, wo ihr Radius relativ zur Mittelachse des drehenden Antriebsorgans ein Maximum beträgt, dieser Radius verringert sich mit dem Abstand von der Schnittlinie 3-3. Die Walzen sind damit in ihrer neutralen oder inoperativen Position in Bild 2 gezeigt, in welcher Position die Walzen für Fixierungszwecke in flachen Aussparungen sitzen. Die Greiferbacken sind mit passend profilierten, gekrümmten Oberflächen 29 versehen, die zum Eingriff mit entgegengesetzten Seiten des Rohrs Reibbeläge tragen.
• Beim Betrieb der Vorrichtung bewirkt Drehbewegung der Antriebszahnräder 14 in die eine oder andere Richtung durch einen geeigneten Motor (nicht gezeigt), daß das drehende Antriebsorgan 13 um die Rohrachse rotiert. Der Käfig wird anfänglich, aufgrund seiner Verbindung mit der Schelle 20 am Rohr, daran gehindert sich mit dem drehenden Antriebsorgan zu drehen, und die resultierende Bewegung der Nockenoberflächen 28 relativ zu den Nockenstößeln 27 bewirkt, daß sich die Greiferbacken fortschreitend nach innen in Eingriff mit der Außenfläche des Rohrs bewegen. Die Einspannkraft auf das Rohr erhöht sich auf diese Weise bis sie einen Wert erreicht bei dem die auf das Rohr aufgebracht Reibungskraft ausreichend ist um zu bewirken, daß sich das Rohr mit dem drehenden Antriebsorgan dreht. Eine Rückwirkungskraft wird auf eine Verbindsungsstelle 30 an der primären Stütze aufgebracht, um Drehbewegung der Stütze um das Rohr zu verhindern. Wenn die Schraubverbindung angemessen festgezogen ist oder je nachdem gelöst wird, wird der Motorantrieb zu den Antriebszahnrädern 14 gestoppt und eine Paß- und Ausbrechstift (nicht gezeigt) bekannter Konstruktion wird betätigt, um die Nockenbelastung auf den Walzen 27 der Backen zu entlasten und somit den Griff der Backen auf das Rohr lösen. Diese Stifte verhindern Umkehrbewegung der Backen nach ihnen. Der Klemmbolzen 22 wird dann entkuppelt und die Schelle vom Rohr entfernt. Die Paßund Ausbrechstifte werden dann entkuppelt, damit die Drehung des Käfigs umgekehrt werden kann, um die Walzen 27 in ihre neutrale Stellung zurückzubringen.
• Die gezeigte Vorrichtung hat große Vorteile gegenüber bekannten Vorrichtungen bei denen der Reibwiderstand zwischen dem drehenden Antriebsorgan und dem Käfig dafür verwendet wird die relative Bewegung dieser zwei Elemente zu bewirken, die notwendig ist den Nocken- und Walzeneingriff zu verursachen, um die Greifbewegung der Backen zu betätigen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen, wenn die Radialkraft zwischen den Nocken und Walzen einen Wert erreicht bei dem der Käfig mit und mit derselben Geschwindigkeit wie das drehende Antriebsorgan zu rotieren beginnt, hat die Reibungskraft zwischen den Backen und dem Rohr ihren maximalen Wert erreicht, und dieser Wert kann unzureichend sein zu bewirken daß sich das Rohr dreht, wenn man sich auf die Reibung allein zwischen dem Rohr und den Backen verläßt um eine Drehung des Rohrs hervorzubringen. Außerdem wird ein Anteil des aufgebrachten Drehmoments beim Aufbringen der Einspannkraft auf das Rohr vernichtet. Bei der vorliegenden Erfindung dauert relative Drehbewegung des drehenden Antriebsorgans und des Käfigs und demzufolge die nach innen gerichtete Festklemmbewegung der Backen auf das Rohr, die durch die Nocken- und Nockenstößel bewirkt wird, fort bis die Drehung des Rohrs beginnt. Kein Teil des aufgebrachten Drehmoments geht bei der Aufbringung der Einspannkraft auf das Rohr verloren und selbst potentielle Energie im Rohr aufgrund des aufgebrachten Drehmoments kann möglicherweise wiedergewonnen werden.

Claims (5)

1. Eine Vorrichtung zum Aufbringen von Drehmoment auf ein rohrförmiges Organ (12), umfaßt eine primäre Stütze (10) zur Anordnung um das rohrförmige Organ, ein Antriebsorgan (13), das an der Stütze montiert ist, zwecks Rotation relativ dazu um die Achse des rohrförmigen Organs, eine sekundäre Stütze (16), die koaxial mit dem Antriebsorgan angeordnet ist, das Antriebsorgan ist in der Lage relativ zur sekundären Stütze zu rotieren, Greifelemente (24), die drehgelenkig an der sekundären Stütze zum Einrücken in und Ausrücken aus der Greifverbindung mit dem rohrförmigen Organ montiert ist, Nockenmittel (28) und Nockenstößelmittel (27) wovon ein Mittel vom Antriebsorgan und das andere Mittel von den Greiferelementen getragen wird, wodurch das Antriebsorgan die Greiferelemente durch die Nocken- und Nockenstößelmittel (28, 27) betätigt, so daß Drehung des Antriebsorgans (13) relativ zur sekundären Stütze (16) in einer Richtung die Drehbewegung der Greiferelemente in die besagte Greifverbindung mit dem rohrförmigen Organ (12) bewirkt und in die entgegengesetzte Richtung verursacht, daß die Greiferelemente ihren Griff am rohrförmigen Organ lösen, durch lösbare Mittel (20, 21) gekennzeichnet, die angeordnet sind, um das rohrförmige Organ auslösbar einzuspannen und mit der sekundären Stütze (16) verbunden sind, wodurch die sekundäre Stütze (16) relativ zum rohrförmigen Organ drehbar befestigt ist.

2. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das besagte lösbare Mittel, ein Einspannmittel (20) umfaßt, das so angeordnet ist, daß es lösbar um das rohrförmige Organ gespannt werden kann und eine Verbindung (21) zwischen dem Einspannmittel und der sekundären Stütze umfaßt, wodurch relative Drehbewegung der sekundären Stütze und des rohrförmigen Organs verhindert wird.

3. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, worin das Nocken- und Nockenstößelmittel Nachfolger (27) umfaßt, die auf Greifelementen (24) montiert sind und Nockenoberflächen (28) am Antriebsorgan (13), und worin sich die jedem Nachfolger zugehörige Nockenoberfläche peripher ab dem Antriebsorgan erstreckt und um einen Mittelpunkt seiner Länge symmetrisch ist, wodurch eine Bewegung des Nachfolgers in die eine oder andere Richtung ab dem besagten Mittelpunkt das, den Nachfolger (27) tragende, Greifelement (24) in eine radial nach innen gerichtete Richtung dreht.

4. Eine Vorrichtung wie in Anspruch 3 beansprucht, worin eine flache Fixieraussparung für den Nachfolger (27) an besagtem Mittelpunkt jeder Nockenoberfläche (28) geformt ist.

5. Eine Vorrichtung wie in einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, worin die Greifelemente (24) Reibbeläge zum Ergreifen des rohrförmigen Organs aufweisen.