DE69901308T2

DE69901308T2 - Gewindeverbindung von zwei Metallrohren mit einer Kehle im Gewinde

Info

Publication number: DE69901308T2
Application number: DE69901308T
Authority: DE
Inventors: Thierry Noel; Emmanuel Varenne
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: WO2000014442A1; JP4275861B2; CA2342715C; EP1110020A1; NO334633B1; DE69901308D1; BR9913495A; ATE216471T1; GC0000063A; NO20011171D0; CN1136409C; EP1110020B1; ID29464A; AR020883A1; CA2342715A1; EA002107B1; NO20011171L; EA200100322A1; MY121763A; UA66876C2

Description

Die Erfindung betrifft Gewindeverbindungen von zwei Metallrohren.
Solche Verbindungen sind bekannt und werden insbesondere verwendet, um Säulen von Futter- oder Förderrohren oder Säulen von Rohrstangen für Kohlenwasserstoff-Schächte zu bilden.
Der Ausdruck "Gewindeverbindung von zwei Metallrohren" wird im Folgenden so gebraucht, dass er sowohl die so genannte integrale Verbindung zwischen zwei sehr langen Rohren als auch die Verbindung zwischen einem ersten, sehr langen und einem zweiten, kurzen Rohr wie beispielsweise einer Muffe einschließt.
So definiert das American Petroleum Institute (API):
- in seiner Spezifikation API 5CT Metallrohre und Gewindeverbindungen von Metallrohren zur Nutzung und Verrohrung von Kohlenwasserstoff-Schächten und
- in seiner Spezifikation API 5B Standardanordnungen konischer Gewinde für solche Verbindungen sowie Standardformen von Gewindegängen: dreieckig, "rund" oder trapezförmig.
Dreieckige oder runde Gewinde nach API 5B weisen an jedem der Einsteck- und Aufnahmeelemente zwei Seitenflanken auf, eine Tragflanke und eine Einführflanke, die jeweils 30º von jeder Seite einer Normalebene zur Verbindungsachse liegen.
Am Ende des Schraubvorgangs befindet sich aufgrund der Konizität der Gewinde jede der, beiden Flanken unter Druckkontakt von Metall auf Metall mit ihrem Gegenstück; zwischen Scheitel und Boden der einander zugeordneten Gewinde besteht ein Spiel, wobei Gewindescheitel und -böden bei runden Gewinden stark abgerundet sind.
Trapezgewindegänge nach API 5B weisen an jedem der Einsteck- und Aufnahmeelemente zwei Seitenflanken auf, eine Tragflanke und eine Einführflanke, die bezüglich der Normalebene zur Verbindungsachse leicht geneigt sind, wobei ein Gewindeboden und ein Gewindescheitel im Allgemeinen parallel zum Gewindekegel verlaufen und die Form der Innengewinde perfekt zu derjenigen der Außengewinde passt.
Am Ende des Zusammenschraubens dieser Art von Verbindungen mit Trapezgewindegängen gemäß API 5B ist der Gewindescheitel aufgrund der Konizität der Gewinde von mindestens einem der Einsteck- oder Aufnahmeelemente unter Druckkontakt von Metall auf Metall mit dem Gewindeboden des Gegenstücks; darüber hinaus stehen auch die Tragflanken in Kontakt, während zwischen den Einführflanken ein axiales Spiel vorhanden ist, zumindest in dem am häufigsten anzutreffenden Fall, wo die Verbindungselemente beispielsweise aufgrund des Gewichts der Säule oder aufgrund der Reaktion von anliegenden Anschlägen unter Zug stehen.
Solche Verbindungen mit axialem Spiel werden als Verbindungen "mit interferierenden Gewinden" bezeichnet, weil sich dann eine radiale Interferenz zwischen einander zugeordneten Gewindeflächen entwickelt, die sich in einem Kontaktdruck von Metall auf Metall zwischen diesen Flächen und in einer Zunahme des Schraubmoments auswirkt, wobei diese Zunahme auf die zu überwindende Reibung zurückzuführen ist. Die Stärke der radialen Interferenz wird mit dem diametralen Interferenzwert gemessen.
In bekannter Weise bezeichnet der Begriff "diametrale Interferenz" den Durchmesserunterschied zwischen einem Punkt des Einsteckelements und dem entsprechenden Punkt des Aufnahmeelements, wenn die Elemente nicht miteinander verbunden sind; ein positiver diametraler Interferenzwert bedeutet, dass ein Kontaktdruck in den Kontaktbereichen der Verbindung besteht, eine diametrale Interferenz vom Wert Null bedeutet, dass ein einfacher Kontakt ohne Kontaktdruck vorliegt und ein negativer Wert der diametralen Interferenz bedeutet, dass ein radiales Spiel vorhanden ist.
Bei anderen Arten von Verbindungen wie beispielsweise der in der Patentanmeldung EP 0 454 147 beschriebenen Verbindung ist das Gewinde darauf ausgelegt, dass die beiden Seitenflanken genau am Ende des Schraubvorgangs in Kontakt kommen, dagegen kann zwischen einander zugeordneten Gewindescheiteln und -böden ein Spiel vorgesehen sein.
Solche Verbindungen werden im Folgenden Verbindungen "mit Trapezgewindegängen ohne axiales Spiel" genannt und können sowohl unter axialem Druck als auch Zug oder unter Biegung arbeiten.
Andere Verbindungen, wie in den Patenten US 2 211 179, US 4 161 332 oder US 4 537 428 beschrieben, verwenden ein zweistufiges zylindrisches Gewinde mit Trapezgewindegängen. Solche Gewinde weisen normalerweise keine radiale Interferenz auf, da der Kontakt zwischen den Gewinden nur an den Flanken besteht, insbesondere den Tragflanken, wenn axiale Zugkräfte auf die Verbindung wirken.
Das Patent US Re 30 647 beschreibt eine Variante einer Gewindeverbindung mit zweistufigen zylindrischen Gewinden und Trapegewindegängen, so genannten Winkelgewindegängen ("wedge threads"), wobei die Breite des Außen- und des Innengewindes entlang jeder Gewindestufe koordiniert variiert, sodass nach und nach mit Einschrauben des Einsteckelements in das Aufnahmeelement die axialen Abstände zwischen Einsteck- und Aufnahmeflanken, die beim Einfügen der Elemente vorhanden sind, abnehmen, bis sie nicht mehr vorhanden sind; die Seitenflanken dienen dann als Anschlag und zur Positionierung von unabhängigen Dichtungsvorsprüngen.
Im Folgenden wird mit dem Ausdruck "Winkelgewindegang" oder "Gewindegang variabler Breite" ein Gewindegang mit solchen Merkmalen bezeichnet.
Die Patentschrift US Re 34467 beschreibt eine Anpassung eines Gewindegangs variabler Breite an Verbindungen interferierender, konischer Gewinde, um Fett-Überdrücke zwischen Gewindeböden und - scheiteln zu vermeiden, die falsche Messungen des Schraubmoments an Verbindungen nach der Patentschrift US Re 30647 nach sich ziehen können.
Die Patentanmeldung WO 94/29627 beschreibt eine Anpassung eines Gewindegangs variabler Breite an eine Verbindung konischer Gewinde, wobei die Verbindung mit einem sehr hohen Schraubmoment zusammengeschraubt werden soll. Nach der WO 94/29627 wird das Schrauben eines Gewindes mit Winkelgewindegängen fortgesetzt, nachdem die seitlichen Einsteckflanken der Gewinde in Kontakt mit den Aufnahmeflanken gelangt sind, wobei die Gesamtfläche der Flanken der Gewindegänge es erlaubt, ein sehr hohes Schraubmoment auszuüben, ohne dass das Risiko der Plastifizierung besteht.
Bei den meisten Gewindeverbindungen, insbesondere bei denen mit konischen Gewinden, nimmt das Schraubmoment gleichmäßig beim Schrauben und/oder plötzlich in einem bestimmten Moment zu, darf aber in jedem Fall einen bestimmten Wert nicht überschreiten, der der Plastifizierung des Metalls entspricht, denn diese zieht eine dauerhafte Verformung des Metalls und das Risiko des Festfressens in den plastifizierten Bereichen nach mehreren Vorgängen des An- und Abschraubens nach sich.
Bei starker Neigung der Kurve des Schraubmoment in Abhängigkeit von der Anzahl der Schraubdrehungen wird das zulässige maximale Moment nach einer relativ geringfügigen Drehung eines Elements gegenüber einem anderen erreicht: So verhält es sich beispielsweise bei einer Verbindung von stark interferierenden Gewindegängen oder nach In-Kontakt-Treten der Seitenflanken bei einer Verbindung mit Trapezgewindegängen ohne axiales Spiel oder mit variabler Gewindegangbreite.
Da die Fertigungstoleranzen je nach Paarung der Außen- und Innengewinde unterschiedliche Neigungen der Kurven der Momente mit sich bringen, ist es unter diesen Bedingungen nicht möglich, die relative Endposition der Verbindungselemente für den Wert des zulässigen maximalen Moments vorherzusagen.
Diese Nachteile werden noch verstärkt, wenn jedes Einsteck- und Aufnahmeelement darüber hinaus einen Metall-Metall-Dichtungsvorsprung und einen Anschlag wie beispielsweise in EP 0 454 147 aufweisen, denn dann muss die Wirkung des Gewindes, des Dichtungsvorsprungs und des Anschlags am Ende des Schraubvorgangs für alle Fälle der Paarung von Einsteck- und Aufnahmeelementen synchronisiert werden.
Bei der Erfindung wurde versucht, eine Verbindung zwischen zwei Metallrohren mittels konischer, zylindrischer oder zylindrischkonischer Gewinde mit verschiedenen Gewindeformen und Verbindungsspielen herzustellen, bei der die oben vorgestellten Nachteile behoben sind.
Der Ausdruck "Gewinde" bezeichnet im Folgenden alle gewindeten Abschnitte eines Elements. Ein Gewinde kann also aus einem einzigen oder mehreren gewindeten Abschnitten bestehen, beispielsweise aus zwei gestuften, zylindrischen gewindeten Abschnitten oder einem konischen gewindeten Abschnitt und einem zylindrischen gewindeten Abschnitt von der im US-Patent 5 437 429 beschriebenen Art, wobei das Gewinde in diesem letzteren Fall zylindrisch-konisch genannt wird.
Die Gewindeverbindung von zwei Metallrohren, die ein Einsteckelement am Ende eines ersten Rohrs und ein Aufnahmeelement am Ende eines zweiten Rohrs aufweist, wobei das Einsteckelement ein Außengewinde und das Aufnahmeelement ein Innengewinde aufweist, dessen Gewindeflanken parallel zu den entsprechenden Flanken des Einsteckgewindes sind, wobei das Außen- und das Innengewinde ineinander geschraubt werden, ist erfindungsgemäß so beschaffen, dass mindestens eines der Gewinde, das Außen- oder das Innengewinde, eine Kehle aufweist, die im Gewindegang ausgebildet ist und sich entweder an der Einführflanke oder dem Gewindescheitel oder überlappend zwischen der Einführflanke und dem Gewindescheitel öffnet.
Die Tatsache, dass jede der Flanken des Aufnahmegewindegangs parallel zur entsprechenden Flanke des Einsteckgewindegangs verläuft, erlaubt das Verbinden der Elemente, ohne dass die eine oder andere der Flanken punktuell auf der zugeordneten Flanke ruht.
Unter dem Begriff Kehle wird eine Aushöhlung verstanden, die zwei Kehlwände und einen Kehlboden besitzt, deren entwickelte Länge am Gewinde im Verhältnis zu ihrer Breite und Tiefe groß ist, wobei die zuletzt genannten Größen in einer Schnittebene gemessen werden, die durch die Rohrachse verläuft.
Das Kehlprofil entspricht den Schnittpunkten der Kehle mit dieser Schnittebene und die Breite der Kehle wird an diesem Profil in einer bestimmten Tiefe gemessen.
Bisher wurden Gewindegänge als massives Ganzes betrachtet und die Bemühungen gingen eher dahin, sie zu verstärken. Daher wurde überrascht zur Kenntnis genommen, dass ein Interesse daran besteht, sie als eine Struktur zu betrachten, deren Starrheit verändert werden kann, indem darin eine Kehle ausgebildet wird.
Der Zweck der Kehle im erfindungsgemäßen Gewinde besteht darin, die Kontaktkräfte zwischen dem Außen- und dem Innengewinde zu reduzieren und damit insbesondere das Schraubmoment zu verringern, das zu den Kontaktkräften proportional ist.
Hierzu kann die Kehle derart im Gewindegang angeordnet werden, dass entweder die Flexibilität des Gewindegangabschnitts, der dem Kontaktdruck mit dem ihm zugeordneten Gewindegang ausgesetzt ist, erhöht wird, oder dass die Kontaktflächen verkleinert werden oder aber dass auf beide Merkmale zugleich eingewirkt wird.
Beispiele für die Anordnung einer Kehle, die diesen Zweck an erfindungsgemäßen Gewindeverbindungen erfüllt, werden später für verschiedene Gewindearten und -formen vorgestellt.
Aus US 3 882 917 und FR 2 408 061 sind Gewindeverbindungen bekannt, bei denen eines der Gewinde eine Art Kehle aufweist, die sich im Gewindescheitel öffnet, aber diese Kehlen sind eng mit den Flankenstrukturen des Gewindegangs verbunden; so kann eine selbsthemmende, also schraubfeste Verbindung erhalten werden.
Beim US-Patent 3 882 917 weist eine der Flanken des Gewindegangs eine hervorstehende Rippe mit drei Feldern auf, von denen eines an der entsprechenden Flanke des zugeordneten Gewindegangs anliegt, wobei die beiden anderen Felder eine Art Kehle festlegen, die das Biegen der Rippe ermöglicht.
Bei der FR 2 408 061, die sich auf Trapezgewindegänge bezieht, unterscheidet sich die Neigung der Gewindegangflanken mit Kehle von derjenigen der Gewindegangflanken ohne Kehle und ist derart, dass die Breite der Kehle an ihrer Öffnung beim Schrauben unter den Biegekräften sinkt, die aus den Ausrichtungsabständen der Flanken zwischen einander zugeordneten Gewindegängen resultieren.
Keine der Druckschriften offenbart die Funktion der erfindungsgemäßen Kehle und wird auf Innengewinde angewandt, bei denen jede Gewindegangflanke parallel zur entsprechenden Flanke der Außengewinde ist.
Die Kehle kann erfindungsgemäß an konischen, zylindrischen oder zylindrisch-konischen Gewinden mit einer oder mehreren Stufen, interferierenden Gewinden oder Gewinden ohne axiales Spiel und mit konstanter Gewindegangbreite oder variabler Gewindegangbreite entlang des Gewindes ausgebildet werden.
Die Kehle kann in dreieckigen, runden oder trapezförmigen Gewindegängen ausgeführt sein. Dabei umfasst der Ausdruck "Trapezgewindegänge" im Folgenden Gewinde mit negativem Tragflanken-Winkel von der in der EP 0 454 147 beschriebenen Art oder Gewinde mit positivem Tragflanken-Winkel sowie Gewinde in Form eines Schwalbenschwanzes wie in der US Re30 647 beschrieben oder in Form eines so genannten Halbschwalbenschwanzes wie in WO94/29627 beschrieben.
Die Kehle kann auf dem ganzen oder nur einem Teil des Außengewindes oder des Innengewindes oder an beiden zugleich ausgeführt sein.
Sie kann auch abwechselnd abschnittsweise am Außen- und am Innengewinde ausgeführt sein.
Weiter kann sie kontinuierlich oder mit Unterbrechungen am Außen- oder Innengewinde angeordnet sein.
Bei Gewinden mit abnehmendem Gewindegang kann die Kehle entweder nur an so genannten vollkommenen Gewindegängen, also mit vollständiger Höhe, oder auch an unvollkommenen Gewindegängen ausgeführt sein.
Die Kehle kann sehr unterschiedliche Profile aufweisen, so beispielsweise das Profil eines Halbkreises, eines Us mit parallelen oder nicht parallelen Armen, eines symmetrischen oder asymmetrischen Vs oder einer Kombination aus diesen Formen, insbesondere eines Us oder eines Vs mit abgerundetem Boden von bestimmtem Radius, oder auch ein komplexeres und asymmetrisches Profil.
Vorzugsweise ist das Profil der Kehle über ihre gesamte Länge hin konstant.
Wenn sich die Kehle am Gewindescheitel öffnet, kann die Profilachse der Kehle je nach Fall senkrecht zur Verbindungsachse oder gegenüber dieser Senkrechten geneigt sein.
Wenn sich die Kehle an der Einführflanke öffnet, kann die Achse des Kehlprofils ja nach Fall parallel zur Verbindungsachse oder gegenüber dieser geneigt sein.
Die Kehle kann eine über ihre Länge variable Tiefe und Breite oder beides besitzen.
Vorzugsweise weist der Kehlboden einen Radius von mehr als oder gleich 0,2 mm auf, um die Spannungskonzentrationen hier zu begrenzen.
Wenn sich die Kehle im Gewindescheitel öffnet, ist die an ihrer Öffnung gemessene Breite vorzugsweise kleiner als oder gleich 2/3 der Breite des Gewindegangs.
Im Folgenden wird unter der Breite des Gewindegangs die Breite von diesem verstanden, die axial auf halber Höhe des Gewindes gemessen wird, und unter der Höhe des Gewindegangs wird der Abstand verstanden, der in einer zur Verbindungsachse senkrechten Ebene zwischen den Linien des Bodens und des Gewindescheitels gemessen wird.
Wenn sich die Kehle an der Einführflanke öffnet, ist ihre Breite an der Öffnung vorzugsweise kleiner als oder gleich 2/3 der Höhe des Gewindegangs.
Wenn die Kehle an der Einführflanke des Gewindegangs angeordnet ist, ist ihre Tiefe weiter vorzugsweise kleiner als oder gleich 2/3 der Breite des Gewindegangs.
Wenn die Kehle am Gewindescheitel angeordnet ist, ist ihre Tiefe vorzugsweise Meiner oder gleich der Höhe des Gewindegangs, sodass der Kehlboden die Linie nicht überschreitet, welche die Gewindeböden verbindet.
Immer noch vorzugsweise folgen, wenn die Kehle überlappend zwischen dem Gewindescheitel und der Einführflanke ausgebildet ist, ihre Breite an der Öffnung und ihre Tiefe sowohl den Kriterien der sich am Gewindescheitel öffnenden Kehle und als auch denen der sich an der Einführflanke öffnenden Kehle. Ihre Tiefe ist daher kleiner als oder gleich dem niedrigsten Wert zwischen der Höhe des Gewindegangs und 2/3 der Breite des Gewindegangs und ihre Breite an der Öffnung ist kleiner als oder gleich 2/3 des niedrigsten Wertes zwischen der Breite und der Höhe des Gewindegangs.
Vorteilhafterweise umfassen die Einsteck- und Aufnahmeelemente der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung jeweils mindestens einen Metall-Metall-Dichtungsvorsprung, wobei jeder äußere Dichtungsvorsprung am Einsteckelement radial am Ende des Schraubvorgangs mit einem inneren Dichtungsvorsprung interferiert, der in entsprechender Weise am Aufnahmeelement sitzt, sodass mindestens ein Metall-Metall-Dichtungskontakt zwischen Einsteck- und Aufnahmeelementen besteht.
Ebenfalls vorteilhafterweise weisen die Einsteck- und Aufnahmeelemente der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung jeweils mindestens einen Anschlag auf, wobei der am Einsteckelement angeordnete Einsteckanschlag am Aufnahmeanschlag des Aufnahmeelements zur Anlage kommt, um genau die Position am Ende des Schraubvorgangs zu bestimmen und die Tragflanken der Außen- und Innengewinde unter Kontaktdruck zu setzen.
Es folgt eine Beschreibung verschiedener Ausführungsarten erfindungsgemäßer Gewindeverbindungen, die als nicht einschränkende Beispiele dienen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Muffenverbindung von zwei Rohren mithilfe konischer Gewinde nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Variante des gleichen Verbindungstyps nach dem Stand der Technik.
Fig. 3 zeigt schematisch eine integrale Verbindung von zwei Rohren mithilfe eines zweistufigen zylindrischen Gewindes nach dem Stand der Technik.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Detail eines Gewindes mit runden Gewindegängen mit Kehle gemäß der Erfindung.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen ebenfalls schematisch ein Detail eines Gewindes mit interferierenden Trapezgewindegängen mit Kehle gemäß der Erfindung, wobei in jeder Figur eine andere Anordnung der Kehle dargestellt ist.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen ebenfalls schematisch ein Detail eines Gewindes mit Trapezgewindegängen ohne axiales Spiel mit Kehle gemäß der Erfindung, wobei in jeder Figur eine andere Anordnung der Kehle dargestellt ist.
Jede der Fig. 4 bis 10 besteht aus drei Figuren, wobei das Suffix A dem Innengewinde, das Suffix B dem Außengewinde und das Suffix C der Verbindung dieser beiden entspricht.
Fig. 11 zeigt die Anordnung der Kehle an einem Gewinde von der Art des in Fig. 8 gezeigten Gewindes mit mehr Details, wobei sich die Fig. 11A auf das Innengewinde und Fig. 11B auf das Außengewinde beziehen.
Fig. 12 zeigt schematisch ein Detail des zylindrischen Gewindes mit Winkelgewindegängen variabler Breite und mit Kehle gemäß der Erfindung, wobei die Buchstaben A, B, C, D sich auf das Innengewinde, das Außengewinde, die Verbindung während des Schraubvorgangs beziehungsweise die fertige Verbindung beziehen.
Fig. 13 zeigt eine schematische Kurve des Schraubmoments T als Funktion von der Anzahl der Umdrehungen N bei einer Verbindung gewindeter Rohre gemäß Fig. 12.
Fig. 14 zeigt schematisch ein Detail eines konischen Gewindes mit Winkelgewindegängen variabler Breite und mit Kehle gemäß der Erfindung, wobei sich die Buchstaben A, B, C, D auf das Innengewinde, das Außengewinde, die Verbindung während des Schraubvorgangs beziehungsweise die fertige Verbindung beziehen.
All diese Figuren sind nur schematische Darstellungen, Konizität und vor allem Spiele sind nicht maßstabsgetreu dargestellt, sondern wurden verstärkt, um die Funktionsweise der Verbindungen besser verständlich zu machen.
Fig. 1 zeigt eine Gewindeverbindung 100 nach der Spezifikation API 5CT zwischen zwei Metallrohren 101 und 101' mittels einer Muffe 102.
Jedes Ende des Rohrs 101, 101' weist ein Einsteckelement mit konischem Außengewinde 103, 103' mit runden Gewindegängen auf.
Die Muffe 102 umfasst zwei Aufnahmeelemente, die symmetrisch zur Mittelebene der Muffe angeordnet sind, wobei jedes Aufnahmeelement ein konisches Innengewinde 104, 104' mit dem Einsteckelement zugeordneten Gewindegängen aufweist.
Die Außengewinde 103, 103' sind in die zugehörigen Innengewinde 104, 104' geschraubt.
Die Spezifikation API 5B definiert für diesen Verbindungstyp die Form der Gewindegänge, ihre Abmessungen, die Konizität der Gewinde, die Steigung usw.
Obwohl nicht dargestellt, kann auch eine so genannte "Buttress"- Gewindeverbindung nach den Spezifikationen API 5CT und 5B verwendet werden, die der von Fig. 1 gleicht, aber Trapezgewindegänge besitzt.
Fig. 2 zeigt in bekannter Weise eine gemuffte Gewindeverbindung 200 mit konischen Gewinden 203, 204 und Trapezgewindegängen, wobei die Muffe 202 in ihrem mittleren Abschnitt einen Absatz 206 aufweist, der es ermöglicht, dass der Fluidstrom in den Rohren 201, 201' nicht turbulent wird und als Sitz für die Aufnahmeanschläge 210 dient, die an den Einsteckanschlägen 209 zur Anlage kommen, welche von ringförmigen Flächen der Rohrenden gebildet werden.
Äußere und innere konische Dichtungsvorsprünge 207 und 208, die an nicht gewindeten Abschnitten angeordnet sind und radial derart interferieren, dass ein elastischer Kontaktdruck zwischen ihnen besteht, gewährleisten in ebenfalls bekannter Weise die Dichtigkeit der Verbindung von Fig. 2.
Die konische Form der Einsteck- und Aufnahmeanschläge 209, 210 erlaubt auch in bekannter Weise den Kontaktdruck an den Vorsprüngen 207, 208 und damit die Dichtigkeit der Verbindung zu erhöhen.
Fig. 3 zeigt eine integrale Gewindeverbindung 300 zwischen zwei Rohren 301 und 302 mit zweistufigen zylindrischen Gewinden.
Das Rohr 301 umfasst an seinem Ende ein Einsteckelement mit zweistufigem, zylindrischem Außengewinde 303, 303', eine konische Einsteckschulterfäche 307 in Form eines Halbschwalbenschwanzes zwischen den beiden Außengewindestufen sowie Anschläge 309, 309' an den Enden des Einsteckelements.
Das Rohr 302 weist an seinem Ende ein dem Einsteckelement zugeordnetes Aufnahmeelement mit einem zweistufigen zylindrischen Innengewinde 304, 304' auf, eine konische Aufnahmeschulterfäche 308 in Form eines Halbschwalbenschwanzes zwischen den beiden Stufen der Innengewinde sowie Anschläge 310, 310' an den Enden des Aufnahmeelements.
Die Außen- und Innengewinde der Verbindung 300 besitzen Trapezgewindegänge und weisen normalerweise keine radiale Interferenz nach dem Schraubvorgang auf.
Im verbundenen Zustand bilden die Schultern 307, 308 den Hauptanschlag, während die Anschläge 309, 309', 310, 310' nur als Sicherheitsanschlag im Fall des Eindrückens des Hauptanschlags dienen.
Die konischen Flächen 311', 312' an den Einsteck- und den Aufnahmeelementen bilden in der Nähe des Endes des Einsteckelements ein inneres Paar an Metall-Metall-Dichtungsvorsprüngen. Die konischen Flächen 311, 312 dagegen bilden in der Nähe des Endes des Aufnahmeelements ein äußeres Paar an Metall-Metall-Dichtungsvorsprüngen. Das äußere Paar 311, 312 der Dichtungsvorsprünge könnte auch zwischen den Schultern 307, 308 und der Gewindestufe mit großem Durchmesser 303, 304 angeordnet sein.
Die Fig. 4 bis 10 und 12, 14 zeigen schematisch den Einsatz einer Kehle gemäß der Erfindung an Gewindeverbindungen von der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Art. Um die Darstellung übersichtlicher zu machen, zeigen die Fig. 4 bis 10 und 12, 14 nur einige Außen- und Innengewinde.
Fig. 4 zeigt erfindungsgemäße konische Gewindeabschnitte mit runden Gewindegängen mit Kehle an einer Verbindung von der in Fig. 1 gezeigten Art.
Die Außengewinde 11 (Fig. 4B) umfassen eine Tragflanke 13 und eine Einführflanke 15, die sich jeweils 30º von jeder Seite einer zur Verbindungsachse senkrechten Ebene befinden, während der Gewindeboden 17 abgerundet ist.
Eine Kehle 21 ist radial im Außengewindescheitel mit dem Profil eines V mit abgerundetem Boden ausgeführt.
Die Breite der Kehle 21 an ihrer Öffnung liegt in der Größenordnung von 25% der Breite des Gewindegangs 11, ihre Tiefe beträgt 50% der Höhe des Gewindegangs.
Der Radius am Boden der Kehle beträgt 0,4 mm.
Die Innengewinde 12 (Fig. 4A) umfassen eine Tragflanke 14 und eine Einführflanke 16, die denen der Außengewinde zugeordnet sind, wobei der Boden des Gewindegangs abgerundet ist.
Die Tragflanken 14 und die Einführflanken 16 sind jeweils 30º von jeder Seite einer zur Verbindungsachse senkrechten Ebene gelegen und verlaufen damit parallel zu den Einführflanken 13 beziehungsweise 15.
Eine gestrichelt dargestellte Kehle 22, die in Form und Anordnung der Kehle 21 entspricht, kann radial im Innengewindescheitel anstelle oder als Ergänzung der Kehle 21 des Außengewindes ausgeführt sein.
Die Kehle 21 und/oder 22 am Gewindescheitel erhöhen die Flexibilität der Gewindegänge und verringern folglich den Kontaktdruck an deren Seitenflanken und das Schraubmoment im Vergleich zu vollen Gewinden.
Fig. 5 zeigt erfindungsgemäße Abschnitte konischer Gewinde mit interferierenden Trapezgewindegängen und einer Kehle 41, die sich in die Einführflanke öffnet, wobei die Gewinde an einer Verbindung von der in Fig. 2 gezeigten Art ausgeführt sind.
Die Außengewinde 31 (Fig. 5B) umfassen eine Tragflanke 33, die im Wesentlichen senkrecht zur Verbindungsachse ausgerichtet ist, eine Einführflanke 35, die um ungefähr 10º gegenüber der Normalebene zu dieser Achse geneigt ist, einen Gewindeboden 37 und einen Gewindescheitel 39.
Die Gewindeböden 37 und die Gewindescheitel 39 sind parallel zum Kegel des Gewindes.
Die Kehle 41 trennt das Außengewinde 31 teilweise in zwei Teile; ihr Profil ist ein V mit abgerundetem Boden, das im Wesentlichen parallel zur Verbindungsachse ausgerichtet ist.
Die Breite der Kehle 41 an ihrer Öffnung an der Einführflanke entspricht 1/3 der Höhe des Gewindegangs und ihre Tiefe entspricht 50% der Breite des Gewindegangs.
Der Winkel am Scheitel des V der Kehle 41 beträgt ungefähr 30º und der Arm 42 des V auf der Seite des Bodens des Außengewindes ist im Wesentlichen parallel zur Verbindungsachse.
Der Kehlboden ist ein Kreisbogen mit einem Radius von 0,4 mm.
Die Innengewinde 32 (Fig. 5A) besitzen eine den zugeordneten Außengewinden 31 entsprechende Form, das heißt ihre Kontur ist parallel zur Kontur der entsprechenden Außengewinde, insbesondere sind die Tragflanken 33, 34 sowie die Einführflanken 35, 36 zueinander parallel; die Höhe des Innengewindes ist jedoch etwas geringer als die der Außengewinde und die Breite des Innengewindebodens 40 ist etwas größer als die der zugeordneten Außenscheitel 39.
Die Innengewinde 32 besitzen keine Kehle.
Fig. 5C veranschaulicht schematisch die Funktionsweise der Verbindung am Ende des Schraubvorgangs.
Am Ende des Schraubvorgangs sind die einander zugeordneten Tragflanken 33 und 34 unter Druck im Kontakt, beispielsweise aufgrund der Reaktion der Anschläge oder aufgrund einer auf die Verbindung wirkenden axialen Zugkraft. Dieser Kontaktdruck ist über die gesamte Breite der Tragflanken verteilt, da die Einsteck- Tragflanken parallel zu den Aufnahme-Tragflanken sind.
Ebenso stehen die Außengewindescheitel 39 in radial interferierendem Kontakt mit den Innengewindeböden 40. Dagegen ist aufgrund der oben angegebenen Geometrie zum einen zwischen den einander zugeordneten Einführflanken 35 und 36 und zum anderen zwischen den Außengewindeböden 37 und den Innengewindescheiteln 38 ein Spiel vorhanden.
Der obere Abschnitt 43 des Außengewindes 31, der insbesondere der radialen Interferenz der Flächen 39 und 40 ausgesetzt ist, kann sich elastisch durchbiegen und den Kontaktdruck und somit das Schraubmoment verringern.
Die Flexibilität des oberen Abschnitts 43 des Außengewindes 31 lässt sich durch Verändern der Position der Kehle 41 an der Einführflanke 35 und der Tiefe der Kehle anpassen.
Da keine radiale Interferenz zwischen den Außengewindeböden 37 und dem Innengewindescheitel 38 auftritt, ist das Vorhandensein einer Kehle, die sich in der Einführflanke 36 des Innengewindes öffnet, funktional nicht erforderlich.
Eine solche Anordnung der Kehle an interferierenden Gewindegängen kann insbesondere interessant sein, um den Kontaktdruck zwischen Gewindescheiteln und -böden bei benachbarten Gewindegängen mit Metall-Metall-Dichtungsvorsprüngen zu verringern. Denn ein hoher Kontaktdruck hier bewirkt eine Entlastung des Drucks zwischen den Dichtungsvorsprüngen: Dann wird nur auf der Seite des an den Dichtungsvorsprung angrenzenden Gewindes eine Kehle ausgeführt.
Obwohl nicht dargestellt, kann auch in symmetrischer Weise eine Verbindung mit radialer Interferenz zwischen Außengewindeböden 37 und dem Innengewindescheitel 38 sowie einer Kehle im Innengewinde, die sich in die Einführflanke 36 öffnet, vorgesehen sein.
Fig. 6 zeigt erfindungsgemäße konische Gewindeabschnitte mit interferierenden Trapezgewindegängen, die denen von Fig. 5 gleichen, aber bei denen die Kehle 51 mit V-Profil mit abgerundetem Boden so in den Außengewinden ausgeführt ist, dass sie sich im Gewindescheitel 39 öffnet.
Die Kehle 51 hat insbesondere die Aufgabe, zum einen die radial interferierenden Flächen 39 und 40 zu verkleinern, um die zu den Flächen proportionale Reibungskraft zu verringern, und zum anderen die Flexibilität des tragenden Abschnitts 53 des Gewindegangs zu erhöhen, wenn die Tragflanken 33 und 34 unter Kontaktdruck stehen, was ebenfalls die Reibungskräfte und damit das Schraubmoment der Verbindung verringert.
Die Kehle 51 besitzt eine ähnliche Form wie die Kehle 41, ist aber radial angeordnet und öffnet sich im Gewindescheitel 39, eher auf der Seite der Einführflanke 35. Ihre Breite an der Öffnung beträgt so beispielsweise 60% der Breite des Außengewindes und ihre Tiefe 50% der Höhe des Gewindegangs.
Wie bei Fig. 5 ist das Vorhandensein einer Kehle im Innengewindescheitel 38 nicht erforderlich, da hier keine Reibung mit dem Außengewindeboden 37 auftritt.
Fig. 7 zeigt erfindungsgemäße Abschnitte konischer Gewinde mit interferierenden Trapezgewindegängen, die denen von Fig. 5 gleichen, aber bei denen die Kehle 56 mit V-Profil mit abgerundetem Boden so in den Außengewinden angeordnet ist, dass sie sich überlappend zwischen dem Außengewindescheitel 39 und der Einführflanke 35 öffnet.
Aufgrund der überlappenden Anordnung der Kehle 56 ist ihre Ausrichtung im Volumen des Gewindegangs schräg und die Achse des Profils der Kehle bildet beispielsweise einen Winkel von 45º mit dem Gewindescheitel 39.
Die Anordnung der Kehle 56 erlaubt sowohl eine Erhöhung der Flexibilität des Gewindegangs, dessen Flächen 33 und 39 Kontaktdrücken ausgesetzt sind, als auch eine Verkleinerung der Kontaktflächen 39, 40.
Fig. 8 zeigt erfindungsgemäß Abschnitte konischer Gewinde mit Trapezgewindegängen ohne axiales Spiel, wobei eine Kehle 61 im Scheitel 39 des Außengewindes 31 und eine weitere Kehle 62 im Scheitel 38 des Innengewindes 32 ausgebildet ist.
In der Form gleichen die Gewindegänge 31, 32 denen von Fig. 5, insbesondere ist die Kontur der Innengewinde 32 parallel zur Kontur der entsprechenden Außengewinde 31, aber die Scheitel 39 des Außengewindes 31 und die Böden 40 des Innengewindes 32, die Außengewindeböden 37 und die Innengewindescheitel 38 sind so angeordnet, dass sie beim Schraubvorgang nicht radial interferieren, während die Seitenflanken 33, 34, 35, 36 so angeordnet sind, dass sie sich genau am Ende des Schraubvorgangs in Kontakt befinden, wie Fig. 5C zeigt.
Die Kehle 61 des Außengewindes und die Kehle 62 des Innengewindes besitzen wie bei den zuvor beschriebenen Figuren ein V- Profil mit abgerundetem Boden.
Wie bei den zuvor beschriebenen Figuren beträgt der Winkel im Scheitel des V der Kehlen 61, 62 ungefähr 30º und der Radius an der Spitze des V beträgt 0,4 mm.
Die Tiefe der Kehlen 61, 62 beträgt beispielsweise 70% der Höhe des Gewindegangs und ihre Breite an ihrer Öffnung am Gewindescheitel beträgt 35% der Breite des Gewindegangs.
Die Kehlen 61, 62 schneiden in jedem Gewindegang 31, 32 Halbzähne 63, 65 im Außengewinde und 64 und 66 im Innengewinde aus.
Diese Halbzähne sind weitaus flexibler als ein massiver Zahn, wenn die einander zugeordneten Seitenflanken 33, 34, 35, 36 am Ende des Schraubvorgangs in Kontakt kommen. Dank dieser erhöhten Flexibilität lässt sich die Wirkung von Anschlägen wie 209, 210 in Fig. 2 mit dem Anlegen der einander zugeordneten Seitenflanken synchronisieren; ein vorzeitiges Anlegen dieser Flanken aufgrund schlecht gepaarter Einsteck- und Aufnahmeelemente, wie es bei einem geringen Teil der Produktion der Fall ist, führt dann lediglich zu einer leichten elastischen Verformung am Ende des Schraubvorgangs; man erreicht eine korrekte Positionierung der Anschläge 209, 210, die nötig ist, um eine ausreichende Dichtigkeit bei den Dichtungsvorsprüngen 207, 208 zu erhalten.
Folgendes Beispiel zeigt eine Anwendung einer solchen Ausführung:
- Außendurchmesser der Rohre: 177,8 mm (7")
- Rohrdicke: 10,36 mm (29 lb/ft)
- für eine minimale Elastizitätsgrenze von 551 MPa behandeltes Material
- konisches Gewinde mit 5 Trapezgewindegängen je Zoll (1 Zoll entspricht 25,4 mm) mit einer Konizität von 6,25% zum Durchmesser (also ein Winkel von 1,79º zwischen den Kegeln 45, 46 und der Richtung 47 der Verbindungsachse).
Die Fig. 11B und 11A zeigen die Form der Außengewinde 31 und Innengewinde 32 mit mehr Details als Fig. 8, wobei die Gewinde so ausgelegt sind, dass sie nach dem Verbinden kein axiales Spiel aufweisen.
In diesen Figuren besitzen die Tragflanken 33, 34 leicht negative Winkel von -3º, während die Einführflanken 35, 36 beide um 13º bezüglich der Normalen zur Verbindungsachse geneigt sind. Die Gewindescheitel 38, 39 und die Gewindeböden 37, 40 sind parallel zu den Erzeugenden der Kegel 45, 46, die um 1,79º an der Verbindungsachse geneigt sind.
Die Gewindegangbreite beträgt etwa 2,54 mm und die Höhe des Gewindegangs beträgt 1,6 mm.
Die am Außengewinde 31 beziehungsweise am Innengewinde 32 angeordneten Kehlen 61, 62 besitzen eine zur Verbindungsachse senkrechte Achse und öffnen sich im Gewindescheitel 39, 38.
Die Kehlen 61, 62 besitzen zwei geneigte Kehlwände 71, 71', 72, 72', die sich in einem Kehlboden 73, 74 derart vereinen, dass das Kehlprofil ein asymmetrisches V mit abgerundetem Boden bildet. Der Abstand zwischen den Achsen der Kehlen 61, 62 und der entsprechenden Tragflanke 33, 34 beträgt im vorliegenden Fall 1,4 mm.
Der Winkel im Scheitel des V beträgt 35%, wobei die zur Tragflanke 33, 34 geneigte Wand 71, 72 etwas stärker gegenüber der Achse des V-Profils geneigt ist als die andere Wand 71', 72'.
Der Radius am Kehlboden 73, 74 beträgt 0,4 mm.
Die Kehlen 61, 62 von Fig. 11 besitzen eine Tiefe von 1 mm, also 62,5% der Höhe des Gewindegangs. Die Breite an ihrer Öffnung beträgt dann 38% der Breite des Gewindegangs.
Obwohl nicht dargestellt, kann erfindungsgemäß auch eine Gewindeverbindung mit Trapezgewindegängen hergestellt werden, deren konische Gewinde kein axiales Spiel aufweisen, aber radial am Ende des Schraubvorgangs interferieren, wobei mindestens eines der Gewinde eine Kehle aufweist, die sich im Gewindescheitel öffnet.
Fig. 9 zeigt erfindungsgemäß Abschnitte konischer Gewinde mit Trapezgewindegängen und axialem Spiel wie in Fig. 8, bei denen aber eine Kehle 67 im Außengewinde 31 ausgeführt ist, die sich an der Einführflanke 35 öffnet und es erlaubt, die Reibflächen im Kontakt zu verkleinern.
Die Kehle 67 besitzt eine Achse, die im Wesentlichen in der Nähe der Verbindungsachse verläuft.
Beispielsweise beträgt die axial gemessene Tiefe 50% der Breite des Gewindegangs und die Breite an ihrer Öffnung 50% der Höhe des Außengewindes.
Ihr Profil ist wie bei den zuvor beschriebenen Figuren ein V mit einem Winkel von ungefähr 30º, dessen Spitze mit einem Radius von 0,4 mm endet.
Das Vorhandensein einer Kehle an der Einführflanke des Innengewindes zusätzlich zur Kehle 67 ist nicht erforderlich.
Fig. 10 zeigt den Fall einer Kehle 68, die sich überlappend am Außengewindescheitel 39 und der Einführflanke 35 des Außengewindes einer erfindungsgemäßen Verbindung mit konischen Gewinden mit Trapezgewindegängen ohne axiales Spiel von der in Fig. 8 gezeigten Art öffnet.
Wie im Fall von Fig. 7 ist die Kehle bezüglich dem Gewindescheitel und der Einführflanke geneigt und erlaubt zugleich die Kontaktdrücke an den einander zugeordneten Seitenflanken und die Reibflächen im Kontakt zu verringern.
Obwohl nicht dargestellt, kann erfindungsgemäß eine Verbindung zylindrischer Gewinde mit Trapezgewindegängen mit Kehle hergestellt werden, wobei die Kehlen beispielsweise im Gewindescheitel oder überlappend zwischen dem Gewindescheitel und der Einführflanke angeordnet sind und dazu dienen, den Kontaktdruck an den Tragflanken zu verringern.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen werden, eine Kehle im Gewindescheitel an zylindrischen, konischen oder zylindrischkonischen Gewinden mit Winkel-Trapez-Gewindegängen anzuordnen, wobei die Breite des Außen- und Innengewindes über die Länge des Gewindes hinweg variabel ist, sodass die Seitenflanken der Gewindegänge am Ende des Schraubvorgangs in Kontaktdruck gebracht werden.
Fig. 12 zeigt eine Kehle, die im Scheitel des Winkelgewindegangs mit variabler Breite an den Gewinden 303', 304' einer Verbindung zweistufiger zylindrischer Gewinde von der in Fig. 3 gezeigten Art angeordnet ist.
Die Außengewinde 331 von Fig. 12B sind trapezförmig und umfassen eine Tragflanke 333, eine Einführflanke 335, einen Gewindescheitel 339 und einen Gewindeboden 337, wobei die Gewindescheitel und -böden an mit der Verbindungsachse koaxialen zylindrischen Flächen angeordnet sind.
Die Trag- und Einführflanken bilden beide mit der Normalen zur Verbindungsachse einen Winkel, der üblicherweise negativ gezählt wird, sodass der Gewindegang 331 die Form eines Schwalbenschwanzes besitzt.
Die Breite 11 des Außengewindes steigt auf jeder Stufe von den Gewindegängen auf der Seite des freien Endes des Einsteckelements zu denen auf der gegenüberliegenden Seite kontinuierlich an.
Die Innengewinde 332 von Fig. 12A sind trapezförmig und von der Form eines Schwalbenschwanzes, die zu der der Außengewinde 331 passt, und sie besitzen eine Tragflanke 334, eine Einführflanke 336, einen Gewindescheitel 338 und einen Gewindeboden 340, wobei die Gewindescheitel und -böden an mit der Verbindungsachse koaxialen zylindrischen Flächen angeordnet sind.
Jede Flanke des Innengewindes 334, 336 ist zur entsprechenden Flanke 333 beziehungsweise 335 des Außengewindes parallel.
Die Breite 12 der Innengewinde steigt auf einer Stufe von den Gewindegängen auf der Seite des freien Endes des Aufnahmeelements zu denen auf der gegenüberliegenden Seite kontinuierlich an, abgestimmt auf die Entwicklung der Außengewindebreite.
Die Innengewinde besitzen eine Kehle 362, die sich in den Gewindescheitel 338 öffnet und in Form und Anordnung der Kehle 62 von Fig. 8A gleicht.
Fig. 12C zeigt Außen- und Innengewinde einer Stufe während des Verbindens: Es ist ein konstanter Abstand x zwischen den Tragflanken 333, 334 jedes Gewindegangs im Eingriff mit dem zugeordneten Gewindegang erkennbar.
Außerdem gibt es bei dieser Art von zylindrischem Gewinde keine radiale Interferenz zwischen Gewindescheiteln und den zugeordneten Gewindeböden 337-338, 339-340.
Mit dem Einschrauben des Einsteckelements in das Aufnahmeelement verringert sich der Abstand zwischen einander zugeordneten Seitenflanken bis auf Null, wie Fig. 12D zeigt.
Wird über diesen Punkt hinaus geschraubt, drücken sich die Einsteck-Seitenflanken 333, 335 in die zugehörigen Aufnahmeflanken 334, 336 ein, wobei der Kontaktdruck zwischen einander zugeordneten Flanken mit fortschreitendem Schrauben steigt. Daraus folgt ein sehr schnelles Ansteigen des Schraubmoments und aufgrund der entwickelten Fläche der Flanken kann das Schrauben unter einem extrem hohem Moment beendet werden.
Die Kehle 362 besitzt wie bei den zuvor beschriebenen Figuren das Profil eines V mit abgerundetem Boden, wobei der Winkel im Scheitel des V der Kehlen ungefähr 30º beträgt und der Radius der Spitze des V 0,4 mm beträgt. Ihre Tiefe beträgt beispielsweise 70% der Höhe des Gewindegangs und ihre Breite an ihrer Öffnung im Gewindescheitel beträgt 35% der Breite des Gewindegangs.
Die Kehle 362 schneidet im Innengewinde 332 Halbzähne 364 und 366 aus, die weitaus flexibler sind als ein massiver Zahn.
Das Vorhandensein einer Kehle an solchen Gewindegängen 331, 332 variabler Breite bewirkt eine geringere Neigung der Kurve des Schraubmoments T in Abhängigkeit der Drehung N der Elemente, wie der Verlauf der Kurve E von Fig. 13 gegenüber der Kurve D zeigt, die sich auf ähnliche Gewindegänge ohne Kehle bezieht, während das maximal zulässige Schraubmoment bedingt durch die Kehle etwas kleiner ist.
Das Vorhandensein einer Kehle an solchen Gewindegängen mit variabler Breite bewirkt darüber hinaus einen Effekt der Selbstbegrenzung des Drehmoments T ab einer gewissen Schwelle. Dies verlängert die mögliche Drehung N, bevor das maximal zulässige Schraubmoment erreicht wird, und erlaubt, ein oder mehrere Paare von Dichtungsvorsprüngen 307, 308 korrekt zu positionieren, die mithilfe von einem oder mehreren Paaren von Anschlägen 309, 309', 310, 310' in allen Fällen der Paarung von Einsteck- und Aufnahmeelement getrennt sind.
Fig. 14 zeigt eine Kehle, die im Scheitel des Winkelgewindegangs variabler Breite an den Gewinden 203, 204 einer Verbindung mit konischen Gewinden von der in Fig. 2 gezeigten Art angeordnet ist.
Die Außengewinde 231 von Fig. 14B sind trapezförmig und umfassen eine Tragflanke 233, eine Einführflanke 235, einen Gewindescheitel 239 und einen Gewindeboden 237, wobei die Gewindescheitel und -böden an konischen Flächen angeordnet sind, die koaxial zur Verbindungsachse verlaufen und die gleiche Konizität besitzen.
Als nicht dargestellte Alternative können die Gewindescheitel und/oder -böden parallel zur Verbindungsachse verlaufen, allerdings bei konischer Anfangsfläche.
Die Tragflanken 233 bilden mit der Normalen zur Verbindungsachse einen Winkel, der üblicherweise negativ gezählt wird, während die Einführflanken 235 mit der Normalen zur Verbindungsachse einen Winkel bilden, der konventionell positiv gezählt wird.
Der Winkel zwischen Trag- und Einführflanke eines Gewindegangs ist derart, dass die Flanken 233, 235 zum Gewindescheitel 239 hin divergieren, sodass der Gewindegang 331 die Form eines Halbschwalbenschwanzes besitzt.
Die Breite des Außengewindes steigt von den Gewindegängen auf der Seite des freien Endes des Einsteckelements zu denen auf der gegenüberliegenden Seite hin kontinuierlich an.
Die Außengewinde besitzen eine Kehle 261, die sich in Gewindescheiteln 239 öffnet und in Form und Anordnung der Kehle 61 von Fig. 8B gleicht.
Die Innengewinde 232 von Fig. 14A besitzen, passend zur Form der Außengewinde 231, die Form eines Trapezes und umfassen eine Tragflanke 234, eine Einführflanke 236, einen Gewindescheitel 238 und einen Gewindeboden 240.
Jede der Flanken 234, 236 des Innengewindes ist parallel zur entsprechenden Flanke 233, 235 des Außengewindes.
Die Breite der Innengewinde steigt von den auf der Seite des freien Endes des Aufnahmeelements gelegenen Gewindegängen zu denen auf der gegenüberliegenden Seite kontinuierlich an, abgestimmt auf die Entwicklung der Breite der Außengewinde.
Fig. 14C zeigt die Außen- und Innengewinde während des Verbindens: Es ist ein konstanter Abstand x zwischen Tragflanken 233, 234 jedes Gewindegangs in Eingriff mit seinem Gegenstück feststellbar.
Mit dem Einschrauben des Einsteckelements in das Aufnahmeelement verringert sich der Abstand x zwischen einander zugeordneten Seitenflanken bis auf Null, wie Fig. 14D zeigt. Wird über diesen Punkt hinaus geschraubt, drücken sich die Einsteck- Seitenflanken 233, 235 in die zugehörigen Aufnahmeflanken 234, 236 ein, wobei der Kontaktdruck zwischen einander zugeordneten Flanken mit fortschreitendem Schrauben steigt.
Daraus folgt ein sehr schnelles Ansteigen des Schraubmoments und aufgrund der entwickelten Fläche der Flanken kann das Schrauben unter einem extrem hohem Moment beendet werden.
Außerdem kann bei dieser Art von konischem Gewinde mit Winkelgewindegängen am Ende des Schraubvorgangs eine radiale Interferenz zwischen Gewindescheiteln und zugehörigen Gewindeböden 237-238 und/oder 239-240 erreicht werden, sodass die Außengewinde 231 die Vertiefungen zwischen den Innengewinden und/oder die Innengewinde 232 die Vertiefungen zwischen den Außengewinden vollständig ausfüllen. Fig. 14D zeigt einen Fall, bei dem Außen- und Innengewinde vollständig ausgefüllt sind, wobei das Gewinde dann in sich selbst dicht ist und das Vorhandensein von Fett zwischen Gewindescheiteln und zugehörigen Gewindeböden am Ende des Schraubvorgangs vermeiden kann, das die Ursache für eine falsche Messung des Schraubmoments ist. Vorzugsweise wird dafür gesorgt, dass die radiale Interferenz vor dem In-Kontakt-Treten der einander zugeordneten Seitenflanken erfolgt.
Die Kehle 261 des Außengewindes besitzt wie bei den zuvor beschriebenen Figuren das Profil eines V mit abgerundetem Boden, wobei der Winkel im Scheitel des V der Kehlen ungefähr 30º und der Radius der Spitze des V 0,4 mm beträgt. Ihre Tiefe beträgt beispielsweise 70% der Höhe des Gewindegangs und ihre Breite an ihrer Öffnung im Gewindescheitel beträgt 35% der Breite des Gewindegangs.
Sie schneidet im Außengewinde 231 Halbzähne 263, 265 aus, die weitaus flexibler sind als ein massiver Zahn, und erfüllt den gleichen Zweck wie die Kehle 362 in der Verbindung von Fig. 12. Diese Funktionen wurden weiter oben im Text beschrieben. Sie erlaubt auch eine bessere Synchronisation der axialen Ausdehnung der Seitenflanken mit der radialen Interferenz der Gewindescheitel und -böden zum Ende des Schraubvorgangs hin.
Die erfindungsgemäße Verbindung kann in zahlreichen Varianten ausgeführt werden, wobei die vorgestellten Ausführungsbeispiele in keiner Weise einschränkend sind.
Insbesondere kann die Erfindung auch angewandt werden auf:
- eine so genannte integrale Gewindeverbindung, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, wobei ein Einsteckelement am Ende eines ersten, sehr langen Metallrohrs und ein Aufnahmeelement am Ende eines ebenfalls sehr langen zweiten Metallrohrs angeordnet sind;
- eine gemuffte Gewindeverbindung wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, bei der die beiden sehr langen Metallrohre, die am Ende ein Einsteckelement aufweisen, über eine Metallmuffe verbunden werden, die an jedem ihrer Enden ein Aufnahmeelement aufweist, wobei eine solche gemuffte Gewindeverbindung zwei erfindungsgemäße Gewindeverbindungen verwendet.

Claims

1. Gewindeverbindung von zwei Metallrohren (101-102, 201- 202, 301-302) von der Art, die ein Einsteckelement am Ende eines ersten Rohrs und ein Aufnahmeelement am Ende eines zweiten Rohrs aufweist, wobei das Einsteckelement ein Außengewinde (103, 203, 303, 303') und das Aufnahmeelement ein Innengewinde (104, 204, 304, 304') aufweist, dessen Gewindeflanken parallel zu den entsprechenden Flanken des Außengewindes liegen, wobei das Außen- und das Innengewinde ineinandergeschraubt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Gewinde, das Außen- oder das Innengewinde, zum Zweck der Reduzierung der Kontaktkräfte zwischen dem Außen- und dem Innengewinde eine Kehle (21, 22, 41, 51, 56, 61, 62, 67, 68, 261, 362) aufweist, die zwei Kehlwände und einen Kehlboden besitzt, im Volumen des Gewindegangs ausgebildet ist und sich entweder an der Einführflanke oder dem Gewindescheitel oder überlappend zwischen der Einführflanke und dem Gewindescheitel öffnet.

2. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehle auf der entwickelten Länge des oder der Gewinde durchgehend ist.

3. Gewindeverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kehle Wände mit einem V-förmigen Profil und einen abgerundeten Kehlboden aufweist.

4. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kehlboden einen Radius von mehr als oder gleich 0,2 mm aufweist.

5. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (21, 22, 51, 61, 62) sich an dem Gewindescheitel öffnet, ihre Breite an der Öffnung kleiner als die oder gleich 2/3 der Breite des Gewindegangs ist.

6. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (41, 67) sich an der Einführflanke öffnet, ihre Breite an der Öffnung kleiner als die oder gleich 2/3 der Höhe des Gewindegangs ist.

7. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (56, 68) überlappend zwischen dem Gewindescheitel und der Einführflanke ausgebildet ist, ihre Breite an der Öffnung geringer als der oder gleich 2/3 des geringsten Werts zwischen der Breite und der Höhe des Gewindegangs ist.

8. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (21, 22, 51, 61, 62) an dem Gewindescheitel angeordnet ist, ihre Tiefe geringer als die oder gleich der Höhe des Gewindegangs ist.

9. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (41, 67) an der Einführflanke ausgebildet ist, ihre Tiefe geringer als die oder gleich 2/3 der Breite des Gewindegangs ist.

10. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Kehle (56, 68) überlappend zwischen dem Gewindescheitel und der Einführflanke ausgebildet ist, ihre Tiefe geringer als der oder gleich dem geringsten Wert zwischen der Höhe des Gewindegangs und 2/3 der Breite des Gewindegangs ist.

11. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innengewinde konische Gewinde mit Trapezgewindegängen sind, die über eine oder mehrere Stufen angeordnet sind.

12. Gewindeverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Außen- und Innengewindescheitel am Ende des Schraubvorgangs radial auf den Gewindeboden oder die einander zugeordneten Gewindeböden einwirkt.

13. Gewindeverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innengewinde von der Art mit Trapezgewindegang ohne axiales Spiel sind.

14. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innengewinde von zylindrischer Art und auf einer Stufe oder mehreren Stufen angeordnet oder von zylindrisch-konischer Art sind.

15. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Außen- und des Innengewindegangs über die ganze Länge des Gewindes oder jedes Gewindebereichs koordiniert variiert, indem sie Winkelgewindegänge bildet.

16. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innengewinde konische Gewinde mit runden Gewindegängen gemäß der Spezifikation API 5B sind.

17. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsteckelement mindestens einen äußeren Dichtungsvorsprung (207, 307) und das Aufnahmeelement mindestens einen inneren Dichtungsvorsprung (208, 308) aufweist, wobei die einander entsprechenden äußeren und inneren Dichtungsvorsprünge am Ende des Schraubvorgangs radial so wirken, daß sie mindestens einen Metall-Metall-Dichtungskontakt zwischen Einsteckelement und Aufnahmeelement herstellen.

18. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsteckelement und das Aufnahmeelement je mindestens einen Anschlag aufweisen, wobei der Anschlag oder die Anschläge (209, 309, 309') des Einsteckelements am Ende des Schraubvorgangs gegen den entsprechenden Anschlag oder die entsprechenden Anschläge (210, 310, 310') des Aufnahmeelements in Anlage gelangen.

19. Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie vom integralen Typ (300) ist.

20. Verwendung von zwei Gewindeverbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Herstellung einer gemufften Gewindeverbindung (100, 200) zwischen zwei Rohren großer Länge (101-101'; 201-201'), die je am Ende ein Einsteckelement aufweisen und mittels einer metallischen Muffe zusammengesetzt werden, die an jedem ihrer Enden mit einem Aufnahmeelement versehen ist.