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Die Erfindung betrifft einen Gestängeschuss eines Erdbohrgestänges, ein Antriebselement zum Eintreiben eines Erdbohrgestänges in das Erdreich, ein Gestängeschusssystem sowie eine Erdbohrvorrichtung.
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Beim gestängebasierten Bohren im Erdreich, insbesondere zur Herstellung von sogenannten Horizontalbohrungen, die im Wesentlichen parallel oder in einem relativ geringen Neigungswinkel zur Erdoberfläche verlaufen können, wird ein Bohrkopf mittels eines Bohrgestänges von einer an der Erdoberfläche oder in einer Baugrube angeordneten Antriebsvorrichtung vorgetrieben. Die dabei eingesetzten Bohrgestänge bestehen üblicherweise aus einzelnen miteinander verbundenen Gestängeschüssen, die - dem Bohrverlauf entsprechend - nach und nach an das hintere Ende des bereits verbohrten Bohrgestänges angesetzt und mit diesem verbunden werden.
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Zur Verbindung der Gestängeschüsse miteinander sind unterschiedliche Ausgestaltungen bekannt. So können die Gestängeschüsse mittels einer Gewindeverbindung und/oder einer Steckverbindung verbunden werden.
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Aus
DE 10 2011 010 958 A1 ist es bekannt, zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges eine Möglichkeit anzugeben, die die Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Gewindeverbindungen und der Axialsteckverbindungen miteinander kombiniert. Dabei wird eine Steckverbindung beschrieben, die - ähnlich wie eine Gewindeverbindung - auf spiralförmige auf einem im Querschnitt kreisförmigen Gewindestecker bzw. in einer entsprechenden Gewindebuchse verlaufenden Vorsprüngen/Nuten beruht, wobei die Vorsprünge/Nuten so ausgelegt sind, dass die für eine Gewindeverbindung charakteristische Selbsthemmung nicht auftritt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ausbildung einer Steckverbindung betreffend ein Erdbohrgestänge, insbesondere einer Komponente der Steckverbindung an einem Gestängeschuss und/oder an einem Antriebselement, anzugeben, welches insbesondere einfacher aufgebaut ist, einfacher gehandhabt und/oder einfacher konstruiert werden kann, wobei zudem oder alternativ eine höhere Belastung bezogen auf den Durchmesser erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Antriebselement, das zum Eintreiben eines Erdbohrgestänges in das Erdreich und zum Ineingriffbringen mit einem Gestängeschuss ausgestaltet ist, ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 8. Ein Gestängeschusssystem und eine Erdbohrvorrichtung sind Gegenstand des Patentanspruchs 9 bzw. 10. Vorteilhafte Ausführungsformen des Gestängeschusses, des Antriebselements, des Gestängeschusssytems und der Erdbohrvorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Möglichkeit zur Verbindung von zwei Gestängeschüssen eines Bohrgestänges und/oder eines Gestängeschusses mit einem Antriebselement und/oder einem weiteren Element des Bohrgestänges anzugeben, welche hinsichtlich der Kontur, d.h. einer Außenkontur für einen Verbindungsstecker bzw. einer Innenkontur für eine Verbindungsbuchse, im Querschnitt sinuswellenförmig ausgestaltet sind. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, dass ein insbesondere zwischen einem Berg und einem benachbarten Tal angeordneter Abschnitt der Kontur ausgebildet werden kann, der eine zum am Gegenelement der Steckverbindung unterschiedliche Lage bzw. Form aufweisen kann. Durch die Ausbildung von Bergen und Tälern können aufgrund der dadurch geschaffenen Niveauunterschiede als Anlageflächen ausgestaltete Abschnitte ermöglicht werden. In diesem Zusammenhang wird darauf abgestellt, dass zwar innerhalb des Querschnitts eine Anlagelinie vorliegt, aber die Erstreckung in Längsrichtung des Querschnitts berücksichtigt werden kann, so dass eine Anlagefläche ausgebildet wird, insbesondere, wenn sich die Kontur über einen Bereich erstreckt, der in Längsrichtung verläuft. Insbesondere kann mittels der Übergänge zwischen den Niveaus ein Abschnitt gebildet werden, der für eine Übertragung eines Drehmoments genutzt werden kann. Eine derartige Ausgestaltung für den Querschnitt einer Kontur ist einfach zu konstruieren und kann auch einfach hergestellt werden. Zudem kann mittels einer derartigen Ausgestaltung eine Flächenpressung unter Drehmomentbelastung stark reduziert werden, so dass auch unter dieser Belastung eine axiale Verschiebung zwischen Verbindungsstecker und Verbindungsbuchse leicht möglich ist, wodurch sich eine vereinfachte Handhabung ergeben kann. Eine reduzierte Flächenpressung kann dafür sorgen, dass der Verschleiß der Steckverbindung gering ausfallen kann. Zudem oder alternativ kann eine auf Torsionsfestigkeit optimierte Geometrie hohe Drehmomente auch in dem durch die Längentoleranz freien Bereich des Steckers, d.h. des Teil des Verbindungssteckers, der sich durch die sich ergebenden und/oder notwendigen Toleranzen nicht in der Verbindungsbuchse befindet, erlauben. Es kann eine geringere Verschiebekraft bei gleicher Querschnittsfläche zu anderen Steckverbindungen erforderlich sein, um das gewünschte Drehmoment zu übertragen. Zudem kann die Steckverbindung eine deutliche Kerbwirkung im Vergleich zu herkömmlichen Keilwelle-/Keilnabenverbindungen aufweisen, da die Steckverbindung große Radien ermöglichen kann und auftretetende Kräfte unter einem günstigen, flachen Winkel (sehr viel kleiner als 90°) eingeleitet werden können. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass dies keine der vorgenannten Vorteile bei technisch ähnlichen Welle-Naben-Verbindungen in dieser Weise möglich ist.
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Die Erfindung schafft einen Gestängeschuss eines Erdbohrgestänges, wobei der Gestängeschuss endseitig zur Ausbildung mindestens einer Steckverbindung ausgestaltet ist. An einem Ende des Gestängeschusses ist (a) ein Verbindungsstecker mit Außenkontur oder (b) eine Verbindungsbuchse mit Innenkontur vorgesehen. Die Außenkontur bzw. die Innenkontur ist im Querschnitt im Wesentlichen sinuswellenförmig.
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Der Begriff „Gestängeschuss“ im Sinne der Erfindung umfasst ein sich entlang einer Längsachse erstreckendes Element, welches Teil eines Erdbohrgestänges bzw. eines Bohrstrangs für das Erdreich sein kann. Der Gestängeschuss kann als vorderseitig im Bohrstrang angeordnetes Element mit zugeordneter Funktion (Sendergehäuse, Bohrwerkzeug oder ähnliches) ausgebildet sein oder als ein lediglich den Bohrstrang als „normaler“ Gestängeschuss verlängerndes Element ausgebildet sein. Der Gestängeschuss kann mechanische Kanäle, beispielsweise für Bohrfluid, elektrische Leitungen, elektrische Elemente und/oder elektronische Elemente umfassen. Der Gestängeschuss kann eine spezielle Funktion im Erdbohrgestänge haben, beispielsweise als Sendergehäuse ausgestaltet sein.
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Ein Gestängeschuss kann ein erstes Ende mit einem beschriebenen Verbindungsstecker oder einer Verbindungsbuchse aufweisen. Der Gestängeschuss kann ferner ein zweites, von dem ersten Ende beabstandetes Ende aufweisen, welches üblicherweise das andere Element des Paares der Steckverbindung aufweist. Der Gestängeschuss kann ferner eine sich von dem ersten Ende zum zweiten Ende erstreckende Mittellinie aufweisen. Bei dem betrachteten Querschnitt des Verbindungssteckers bzw. der Verbindungsbuchse kann es sich insbesondere um einen Querschnitt senkrecht zur Mittellinie des Gestängeschusses handeln.
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Bei dem hier beschriebenen Gestängeschuss kann es sich im Sinne der Beschreibung insbesondere um einen Doppelrohrgestängeschuss handeln, bei dem sowohl ein sogenanntes Innengestänge als auch ein sogenanntes Außengestänge vorhanden sind. Bei einem derartigen Doppelrohrgestänge kann ein Bohrkopf über das Innengestänge von der an der Erdoberfläche oder in einer Baugrube angeordneten Antriebsvorrichtung, die auch für den Vortrieb des Bohrkopfes sorgt, zusätzlich rotierend angetrieben werden. Das Innengestänge kann dazu drehbar innerhalb des Außengestänges des Doppelrohrgestänges gelagert sein. Das Außengestänge muss bei einem Doppelrohrgestänge entweder gar nicht oder nur mit einer geringen Drehzahl rotiert werden. Die Drehungen von Außengestänge und Innengestänge können unabhängig voneinander durchgeführt werden. Ein Doppelrohrgestänge eignet sich insbesondere für eine Felsbohrvorrichtung, wobei sich der Verschleiß des Bohrgestänges in Grenzen hält, denn das mit der felsigen Bohrungswand in Kontakt stehende Außengestänge kann ohne Drehung oder nur mit geringer Drehzahl entlang der felsigen Bohrungswand vorangetrieben werden, während das mit einer höheren Drehzahl angetriebene Innengestänge verschleißmindernd in dem Außengestänge gelagert sein kann. Insbesondere kann für mindestens einen, insbesondere alle, Innengestängeschuss des Doppelrohrgestänges eine Ausgestaltung, wie die beschriebene, für einen Verbindungsstecker bzw. für eine Verbindungsbuchse gewählt werden. Zwei Innengestängeschüsse können somit mittels einer beschriebenen Steckverbindung verbunden werden. Für das Außengestänge bzw. die Außengestängeschüsse, innerhalb der jeweilige Innengestängeschuss angeordnet ist, kann eine andere Art der Verbindung gewählt werden; insbesondere kann der Außengestängeschuss mit einem benachbarten Außengestängeschuss verschraubt werden. Insbesondere kann ein Innengestängeschuss axial verschieblich in einem Außengestängeschuss gelagert sein.
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Der Begriff „Erdbohrwerkzeug“ umfasst einen am vorderseitigen Ende des Erdbohrgestänges bzw. Bohrstrangs angeordneten Bohrkopf, bei dem bewegliche Teile vorgesehen sein können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Erdbohrwerkzeug eine unbewegliche bzw. starre oder weitestgehend unbewegliche bzw. starre Außenkontur aufweist.
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Der Begriff „Erdbohrvorrichtung“ umfasst im Sinne der Beschreibung jedwede Vorrichtung, die insbesondere ein aus Gestängeschüssen bestehendes Gestänge in einem bestehenden oder zu erstellenden Kanal im Erdreich bewegt, um eine Bohrung, insbesondere eine Horizontalbohrung, zu erstellen oder aufzuweiten, oder um Leitungen oder andere lange Körper in das Erdreich einzuziehen. Eine Erdbohrvorrichtung kann eine ein Erdbohrgestänge ziehend und/oder drückend antreibende Antriebsvorrichtung umfassen. Es kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die Antriebsvorrichtung das Bohrgestänge rotatorisch antreibt.
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Der Begriff „Horizontalbohrung“ (horizontal drilling) im Sinne der vorliegenden Beschreibung umfasst insbesondere jede Art von bestehenden oder zu erstellenden, vorzugsweise horizontalen, Kanälen in einem Körper, insbesondere Erdkanäle einschließlich Erdbohrungen, Felsbohrungen oder Erdleitungen sowie unterirdische oder oberirdische Rohrleitungen und Wasserkanäle, die sich durch Einsatz einer entsprechenden Erdbohrvorrichtung herstellen oder einziehen lassen.
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Die Begriffe „Verbindungsstecker“ und „Verbindungsbuchse“ umfassen im Sinne der Beschreibung eine Ausgestaltung als ein Element eines Paares von mechanischen Kupplungselementen, von denen das eine („Verbindungsstecker“) zumindest teilweise in das andere („Verbindungsbuchse“) eingeführt werden kann, um die Verbindung auszubilden.
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Der Begriff „sinuswellenförmig“ umfasst im Sinne der Beschreibung eine Wellenform, die „(Wellen-)Berge“ und „(Wellen-)Täler“ aufweist. Die Wellenform folgt dabei im Wesentlichen dem Außen- bzw. Innenumfang der Außen- bzw. Innenkontur. Die Sinuswellenform ist in sich geschlossen bezogen auf den Querschnitt. Die Wellenform kann sich damit durch eine entlang einer Kreisform in einer Ebene quer zur Längserstreckung des Gestängeschusses ergeben, wobei die Kreisform beispielsweise die „Ausbreitungsrichtung der Welle“ betreffen kann. Eine Sinuswelle ist für die Innenkontur bzw. die Außenkontur möglich. Abweichungen von einer strengen Sinuswelle sind möglich, wobei sich mögliche Abweichungen von der Sinuswelle durch die Beschreibung ergeben können. Neben den in der Beschreibung konkret genannten Modifikationen ist von einer Sinuswelle auch eine wellenförmige Ausgestaltung erfasst, die aufgrund leichter Abweichungen, die beispielsweise fertigungstechnisch bedingt sind, gesprochen wird.
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Der Begriff „sinuswellenförmig“ kann synonym dafür verwendet werden, dass die Außenkontur bzw. die Innenkontur nach innen gewölbte (konkave) Abschnitte und nach außen gewölbte (konvexe) Abschnitte aufweist. Insoweit kann eine Ersetzung des Begriffs „sinuswellenförmig“ derart durchgeführt werden, dass die Außenkontur bzw. die Innenkontur im Querschnitt nach außen gewölbte Abschnitte und nach innen gewölbte Abschnitte aufweist. Die Wölbung der Abschnitte kann von einer sinusförmigen Ausgestaltung abweichen, insbesondere gemäß der in der Beschreibung genannten Ausgestaltung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Außenkontur kreissegmentförmige nach innen gewölbte Abschnitte bzw. die Innenkontur kreissegmentförmige nach außen gewölbte Abschnitte auf. Das Wellental des Verbindungssteckers bzw. der Wellenberg der Verbindungsbuchse ist in Abweichung zur Sinuswellenform als Kreissegment bzw. als Teil eines Kreissegments ausgebildet. Im Wesentlichen ist damit ein Segment eines Kreises zu verstehen, wobei der Begriff „kreissegmentförmig“ auch Abweichungen von der Kreisform im Hinblick auf eine stehende oder liegende Ellipse oder eine Abplattung der Kreisform beinhalten kann. Durch eine derartige Ausgestaltung können einige in Bezug auf die Aufgabe genannte Vorteile zumindest teilweise einfach umgesetzt und effizient erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Außenkontur kreissegmentförmige nach außen gewölbte Abschnitte bzw. die Innenkontur kreissegmentförmige nach innen gewölbte Abschnitte auf, d.h. die Wellenberge der Außenkontur bzw. die Wellentäler der Innenkontur weisen jeweils eine Kreissegmentform auf, wodurch eine simple Konstruktion des Verbindungssteckers bzw. der Verbindungsbuchse möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Außenkontur des Verbindungssteckers bzw. die Innenkontur der Verbindungsbuchse im Querschnitt eine Anzahl von nach innen gewölbten bzw. nach außen gewölbten Abschnitten auf, die zwei, drei, vier, fünf oder mehr beträgt, wobei eine geradzahlige Anzahl bevorzugt sein kann. Insbesondere bevorzugt ist die Anzahl der nach innen gewölbten Abschnitte des Verbindungssteckers im Querschnitt größer gleich sechs. Insbesondere bevorzugt ist die Anzahl der nach außen gewölbten Abschnitte der Verbindungsbuchse im Querschnitt größer gleich sechs. Die Anzahl der nach außen bzw. innen gewölbten Abschnitte der Außenkontur des Verbindungssteckers bzw. der Innenkontur der Verbindungsbuchse im Querschnitt kann zwei, drei, vier, fünf oder mehr betragen. Insbesondere bevorzugt ist die Anzahl der nach innen gewölbten Abschnitte der Verbindungsbuchse im Querschnitt größer gleich sechs. Insbesondere bevorzugt ist die Anzahl der nach außen gewölbten Abschnitte des Verbindungssteckers im Querschnitt größer gleich sechs. Bevorzugt ist die Anzahl der gewölbten Abschnitte, die nach innen gewölbt sind, und die Anzahl der gewölbten Abschnitte, die nach außen gewölbt sind, für die Innenkontur der Verbindungsbuchse und für die Außenkontur des Verbindungssteckers gleich. Hierdurch kann ein symmetrisch gebildeter Querschnitt erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser variiert werden, insbesondere kann die Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser erhöht werden, wodurch größere Anlageflächen und demzufolge geringere Flächenpressungen erzielt werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die kreissegmentförmigen nach innen gewölbten Abschnitte der Außenkontur einen Radius R1 bzw. die kreissegmentförmigen nach außen gewölbten Abschnitte der Innenkontur einen Radius R1' auf und/oder die kreissegmentförmigen nach außen gewölbten Abschnitte der Außenkontur weisen einen Radius R2 bzw. die kreissegmentförmigen nach innen gewölbten Abschnitte der Innenkontur weisen einen Radius R2' auf. Hierdurch kann vereinfacht eine effizient hergestellte Ausgestaltung geschaffen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die jeweiligen Abschnitte gleicher Wölbung der Innenkontur und/oder der Außenkontur alle den gleichen Radius auf. Bei entsprechender Gestaltung der die gewölbten Abschnitte verbindenden Abschnitte kann eine symmetrische Innenkontur für die Verbindungsbuchse und/oder eine symmetrische Außenkontur für den Verbindungsstecker erreicht werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Radien für die nach außen gewölbten Abschnitte und die nach innen gewölbten Abschnitte der Innenkontur gleich sind, so dass R1'=R2' ist.
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Für ein vereinfachtes Einführen und/oder ein Ausbilden der verbindenden Abschnitte als Geraden, von denen insbesondere jeweils eine mit einer anderen Geraden am anderen Element zusammenwirken kann, kann der nach außen gewölbte Abschnitt der Außenkontur einen kleineren Radius als der nach außen gewölbte Abschnitt der Innenkontur besitzen. In analoger Weise kann der nach innen gewölbte Abschnitt der Außenkontur einen größeren Radius als der nach innen gewölbte Abschnitt der Innenkontur besitzen. Beispielsweise kann die Innenkontur derart ausgestaltet sein, dass alle Radien der Innenkontur gleich sind; bspw. kann der Radius der Abschnitte im Bereich von 4,5mm bis 6mm, insbesondere von 4,5mm bis 5,5mm, ganz besonders bevorzugt 5,1 mm, betragen, welches im Bereich von 15% bis 20%, ganz besonders bevorzugt 17% oder etwas weniger als 1/6 des mittleren Durchmessers der Konturen (bspw. ungefähr 30mm) sein kann.
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Der nach außen gewölbte Abschnitt der Außenkontur kann einen Radius im Bereich von 3,5mm bis 5,5mm, insbesondere von 4mm bis 5mm, ganz besonders bevorzugt von 4,5mm, aufweisen, welches im Bereich von 10% bis 20%, ganz besonders bevorzugt 15% oder etwas weniger als 1/6,67 des mittleren Durchmessers der Konturen von ungefähr 30mm, betragen kann. Der Radius des nach innen gewölbten Abschnitts der Außenkontur kann im Bereich von 4,5mm bis 6,5mm, insbesondere bevorzugt 5mm bis 6mm, liegen und ganz besonders bevorzugt 5,3mm sein, was 15% bis 20%, ganz besonders bevorzugt 17,67% oder 1/5,66 des mittleres Durchmessers der Konturen von ungefähr 30mm betragen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Außenkontur bzw. die Innenkontur Geraden auf, die insbesondere im Anschluss an einen nach außen gewölbten Abschnitt bzw. einen nach innen gewölbten Abschnitt ausgebildet sein können. Insbesondere kann eine Gerade einen nach innen gewölbten Abschnitt mit einem benachbarten nach außen gewölbten Abschnitt verbinden. Eine Gerade liefert die Möglichkeit einer einfachen und effizienten Ausgestaltung, wobei andere Formen auch möglich sein können. Insbesondere ist mittels der Ausgestaltung einer Geraden eine einfache Konstruktion für die Ausbildung einer Anlagefläche möglich. Die als Geraden (im Querschnitt) bzw. als Flächen (entlang der Längsrichtung) ausgestalteten Anlagen zum Zusammenwirken mit einer am anderen Steckelelement ausgebildeten entsprechenden Anlage, bieten die Möglichkeit großer flächiger Bereiche, deren Ausrichtung und Lage im Raum simpel bei der Konstruktion berücksichtigt und einfach hergestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Außenkontur bzw. die Innenkontur im Wesentlichen symmetrisch bezüglich einer Mittelachse oder zweier zueinander senkrecht angeordneter Mittelachsen ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders einfach ausgestaltete Geometrie geschaffen werden. Eine einfache Konstruktion ist möglich, wobei fertigungsbedingte Abweichungen der Symmetrie umfasst sein sollen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es zur Vergrößerung der flächigen Berührung vorgesehen, dass sich die sinuswellenförmige Ausgestaltung der Innenkontur bzw. der Außenkontur über eine Länge von 10mm bis 120mm, insbesondere bevorzugt 20mm bis 120mm, insbesondere bevorzugt 30mm bis 110mm, insbesondere bevorzugt 40mm bis 100mm, ganz besonders bevorzugt 40mm bis 90mm, ganz besonders bevorzugt 50mm bis 90mm, in longitudinaler Erstreckung des Gestängeschusses erstreckt, wobei die Ausbildung des Querschnitts in longitudinaler Erstreckung des Gestängeschusses gleich oder identisch ausgestaltet sein kann, insbesondere über die gesamte vorgenannte Länge.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gestängeschuss endseitig eine Schräge auf, die die Funktion einer Einführschräge haben kann. Eine Einführschräge kann für eine vereinfachte Ausbildung der Steckverbindung verwendet werden, indem bei im Wesentlichen vorliegender Deckungsgleichheit der Konturen des Verbindungssteckers und der Verbindungsbuchse der Verbindungsstecker in die Verbindungsbuchse hineinrutschen kann. Die Verbindungsbuchse kann auf dem Verbindungsstecker zunächst gleiten, bis beispielsweise ein Verschraubungsvorgang eines Außenrohrs bei einem Doppelbohrgestänge beendet ist.
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Die Erfindung schafft auch ein Antriebselement zum Eintreiben eines Erdbohrgestänges in das Erdreich. Das Antriebselement ist zum Ineingriffbringen mit einem Gestängeschuss ausgestaltet. Das Antriebselement ist als Verbindungsstecker oder als Verbindungsbuchse ausgestaltet. Der Verbindungsstecker weist eine Außenkontur bzw. die Verbindungsbuchse weist eine Innenkontur im Querschnitt auf, die sinuswellenförmig ausgestaltet ist.
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Hierdurch kann ein Antriebselement einer Antriebsvorrichtung verwendet werden, welches auf die spezielle Geometrie der Gestängeschüsse zugeschnitten ist, wobei sich ein hohes Drehmoment bezogen auf den Durchmesser übertragen lässt. Eine flächige Berührung des Antriebselements mit dem Gestängeschuss kann erreicht werden und damit eine deutlich verringerte Flächenpressung.
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Der Begriff „Antriebselement“ im Sinne der Beschreibung umfasst ein Element einer Antriebsvorrichtung, die für den Vortrieb eines Erdbohrgestänges in das Erdreich sorgen kann, wobei der Antrieb insbesondere als drückender und/oder ziehender Antrieb ausgebildet sein kann, wobei die Antriebsvorrichtung zusätzlich ausgestaltet sein kann, das Erdbohrgestänge rotierend anzutreiben. Bei dem Antriebselement kann es sich um ein an einem Schlitten angeordnetes Element handeln. Der Schlitten kann in/an einem Rahmen hin- und herbewegt werden, insbesondere parallel in Richtung der einzubringenden Erdbohrung.
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Die Erfindung schafft auch ein Gestängeschusssystem, welches zwei oder mehr Gestängeschüsse der vorgeschriebenen Ausgestaltung umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verbindungsbuchse eine von dem Verbindungsstecker sich unterscheidende Form auf, die insbesondere den Bereich des Querschnitts betreffen kann, der einen Wellenberg mit einem benachbarten Wellental verbinden kann. Im Falle von einer Geraden, die den nach außen gewölbten Abschnitt (Wellenberg) mit einem benachbarten nach innen gewölbten Abschnitt (Wellental) der Kontur verbindet, kann beispielsweise für die Gerade eines der beiden Steckelemente ein Winkel gewählt werden, der sich von dem Winkel für die Gerade des anderen der beiden Steckelemente, mit dem die Gerade in Anlage kommen kann, unterscheiden kann. Insbesondere können für die Anlage der beiden Steckelemente zueinander die als Geraden ausgestalteten Abschnitte zwischen Wellenberg und Wellental genutzt werden, was zu einer vereinfachten Konstruktion der Steckelemente führen kann. Insbesondere kann der Winkel einer Geraden für die Kontur der Verbindungsbuchse geringer gegenüber einer Mittellinie bzw. Mittelachse des Querschnitts sein, als der Winkel einer Geraden für die Kontur des Verbindungssteckers gegenüber der Mittellinie. Es kann zu einer relativen Drehung von Verbindungsstecker und Verbindungsbuchse kommen, wobei sich der Winkel aus einer Subtraktion der beiden Winkel für die Geraden ergeben kann, vorzugsweise ist der Winkel im Bereich von einigen Grad, insbesondere im Bereich von 1° bis 10°, insbesondere von 1° bis 5°, insbesondere von 1° bis 4°, insbesondere 1° bis 3°, insbesondere 1,5° bis 2,5°.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Winkel einer Geraden des Querschnitts des Verbindungssteckers gegenüber der Mittellinie des Querschnitts zu beiden Seiten eines Wellenbergs im Bereich von 30° bis 60°, bevorzugt 40° bis 55°, bevorzugt 40° bis 50°, betragen kann; der Winkel einer Geraden der Verbindungsbuchse kann zu beiden Seiten eines Wellentals im Bereich von 30° bis 60°, bevorzugt 40° bis 55°, bevorzugt 40° bis 50°, betragen, wobei eine Differenz der Winkel zueinander im Bereich von einigen Grad, insbesondere 1° bis 10°, insbesondere 1° bis 8°, insbesondere 1° bis 7°, insbesondere 1° bis 6°, insbesondere 1° bis 5°, insbesondere 1° bis 4°, insbesondere 1° bis 3°, insbesondere 2°, eingestellt werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt eine Gerade des Verbindungssteckers zu beiden Seiten eines Wellenbergs mit der Mittellinie des Querschnitts einen Winkel von etwa 45° ein; eine Gerade der Verbindungsbuchse zu beiden Seiten eines Wellentals kann mit der Mittellinie des Querschnitts einen Winkel von etwa 43° einschließen. Die Differenz zwischen dem Verbindungsstecker und der Verbindungsbuchse kann in beiden Drehrichtungen etwa 2° betragen. Der Begriff „Mittellinie“ umfasst eine Linie bezogen auf den Querschnitt eines Steckelements. Die Mittellinie kann durch den Mittelpunkt des Querschnitts verlaufen und mit einem Radius zusammenfallen. Insbesondere kann die Mittelinie eine Linie sein, die durch den Mittelpunkt des Querschnitts und das Maximum bzw. Minimum eines angrenzenden Wellentals bzw. Wellenbergs der betrachteten Geraden verläuft.
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Ferner umfasst die Erfindung eine Erdbohrvorrichtung, welche ein Antriebselement der vorgeschriebenen Ausgestaltung aufweist.
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Die Ausführungen in der Beschreibung hinsichtlich der möglichen Ausgestaltung des Gestängeschusses gelten ebenso für eine mögliche Ausgestaltung des Antriebselements. Entsprechend ergänzen die Ausführungen bzw. die Beschreibung des Gestängeschusses die Ausführungen zum Antriebselement.
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Zahlenangaben im Sinne der Beschreibung sind Angaben, die mit einer Toleranz von +/-10%, insbesondere +/-5%, behaftet sein können, sodass die Zahlenangaben nicht nur den einen angegebenen Wert bezeichnen, sondern einen Wertebereich beschreiben, um insbesondere Toleranzbereichen, die herstellungsbedingt sein können, Rechnung zu tragen.
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Die vorstehenden Ausführungen stellen ebenso wie die nachfolgende Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform keinen Verzicht auf bestimmte Ausführungsformen oder Merkmale dar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Erdbohrvorrichtung mit einem Bohrgestänge;
- 2 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Erdbohrgestänges, insbesondere eines Gestängeschusses in einer Schnittdarstellung von der Seite;
- 3 einen (Innen-)Gestängeschuss eines Doppelrohrgestänges;
- 4 einen Querschnitt A-A durch einen Verbindungsstecker des Gestängeschusses gemäß 3;
- 5 einen Querschnitt B-B einer Verbindungsbuchse des Gestängeschusses gemäß 3;
- 6 einen Querschnitt durch eine verbundene Steckverbindung von Verbindungsbuchse und Verbindungsstecker ohne Drehmomentbelastung; und
- 7 einen Querschnitt durch eine verbundene Steckverbindung von Verbindungsbuchse und Verbindungstecker mit Drehmomentbelastung.
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1 zeigt schematisch eine Erdbohrvorrichtung 1 zur grabenlosen Verlegung von Leitungen wie Wasser-, Abwasser-, Strom- oder Datenleitungen während einer Pilotbohrung. Die Erdbohrvorrichtung 1 ist mit einem Drehantrieb 2 und einem Vorschubantrieb 3 ausgerüstet, um einen Bohrkopf 4 oder ein nicht dargestelltes Aufweitwerkzeug schiebend oder ziehend durchs Erdreich 5 zu bewegen.
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Der zum Ausführen gesteuerter Bohrungsverläufe unsymmetrisch ausgestaltete Bohrkopf 4 befindet sich an einem vorderen Ende eines aus einzelnen Bohrgestängeabschnitten 6 bzw. Bohrgestängeschüssen zusammengesetzten Bohrstrangs 7.
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In 2 ist ein Bohrgestängeabschnitt 6 bzw. Gestängeschuss in Form eines Doppelrohrgestängeabschnitts bzw. Doppelrohrgestängeschusses dargestellt. Der Bohrgestängeabschnitt 6 weist ein Außenrohr 8 bzw. einen (Außen-)Gestängeschuss auf. Das Außenrohr 8 weist an einem Ende ein konisches Außengewinde und am anderen Ende ein konisches Innengewinde auf, sodass jeweils zwei Außenrohre 8 eines Bohrgestängeabschnitts 6 miteinander verschraubt werden können. Innerhalb des Außenrohrs 8 eines Bohrgestängeabschnitts 6 bzw. Doppelrohrgestängeschusses ist ein Innenrohr 9 bzw. (Innen-)Gestängeschuss verschieblich gelagert. Das Innenrohr 9 ist an dem Außenrohr 8 befestigt, wobei die Befestigung des Innenrohrs 9 in dem Außenrohr 8 mittels eines in dem Außenrohr 8 eingeschraubten Gewinderinges 10 erfolgt. In dem Gewindering 10 ist das Innenrohr 9 längs verschiebbar aufgenommen. Zur Sicherung des Innenrohrs 9 gegen Herausgleiten aus dem Außenrohr 8 ist ein Anschlagring 11 auf das Innenrohr 9 aufgeschoben. Der Anschlagring 11 ist mit einem Sicherungsring 12 gegen axiales Verschieben gesichert.
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3 zeigt ein Innenrohr 9 in ausgebautem Zustand, d.h. ohne das Außenrohr 8 des Doppelrohrgestängeabschnitts 6 bzw. Doppelrohrgestängeschusses. Das Innenrohr 9 weist eine Bohrung 13 zur Durchleitung von Bohrfluid auf, durch die, hier nicht dargestellt, auch Daten- oder andere Energieleitungen hindurchgeführt werden können. Um axiales Spiel des Innenrohrs 9 in dem Außenrohr 8 zu gewährleisten, besitzt jedes Innenrohr 9 eine Gleitfläche 14, die durch eine Nut 15 für den Sicherungsring 12 abgeschlossen wird. Auf der der Nut 15 gegenüberliegenden Seite der Gleitfläche 14 befindet sich zur Begrenzung der axialen Bewegungsmöglichkeit der Innenrohre 9 gegenüber dem Außenrohr 8 eine Anschlagkante 16. Die Verbindung unter den Innenrohren 9 ist als Steckverbindung ausgeführt, welche sich beim Verschrauben der Außenrohre 8 ineinander schieben.
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4 zeigt einen Schnitt A-A durch einen Verbindungsstecker 17 des Innenrohrs 9 der 3. 4 zeigt die Außenkontur 30 des Verbindungssteckers 17 im Querschnitt. 5 zeigt die Innenkontur 31 der Verbindungsbuchse 18 im Querschnitt.
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5 zeigt einen Schnitt B-B durch eine Verbindungsbuchse 18 eines Innenrohrs 9 gemäß 3. Die Außen- und Innenkonturen 30, 31 im Querschnitt von Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 sind in 6 und 7 als Schnitt zweier verbundener Innenrohre 9 dargestellt. Die Verbindung zweier benachbarter Bohrgestängeabschnitte 6 geschieht dabei wie folgt: Außenrohre 8 und Innenrohre 9 eines neu zu verbindenden Doppelrohrgestängeabschnitts 6 bzw. Doppelrohrgestängeschusses werden durch den, in diesem Fall doppelten, Drehantrieb 2 unabhängig voneinander in Drehbewegung versetzt. Nun wird dieser neue Doppelrohrgestängeabschnitt 6 an einen davor befindlichen, weiteren Doppelrohrgestängeabschnitt 6 herangeführt. Die Steckverbindung der Innenrohre 9 weist jeweils am Verbindungsstecker 17 und an der Verbindungsbuchse 18 eine (Einführ-)Schräge 19, 20 auf. Sobald die Innenkontur 31 der Verbindungsbuchse 18 eines Innenrohrs 9, welches in Drehung versetzt wurde, mehr oder weniger deckungsgleich mit der Außenkontur 30 eines Verbindungssteckers 17 eines benachbarten bzw. vorderen Innenrohrs 9 ist, rutscht das hintere bzw. zu verbindende Innenrohr 9 in das davorliegende Innenrohr 9 hinein, welches nun mitdreht. Während des weiteren Verschraubens der Außenrohre 8 gleitet die Verbindungsbuchse 18 weiter auf den Verbindungsstecker 17, bis dass der Verschraubungsvorgang der Außenrohre 8 beendet ist. Zum Ausgleich von Längentoleranzen in der Innenrohre 9 sowie der Außenrohre 8 sind die Innenrohre 9 über Gleitflächen 14 in den Gewinderingen 10 axial verschiebbar.
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In den 4 bis 7 ist eine mögliche Ausführungsform der Außenkontur 30 des Querschnitts des Verbindungssteckers 17 bzw. der Innenkontur 31 des Querschnitts der Verbindungsbuchse 18 detailliert dargestellt.
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6 zeigt einen Schnitt durch die verbundene Steckverbindung ohne Drehmomentbelastung. Die Außenkontur 30 des Verbindungssteckers 17 und die Innenkontur 31 der Verbindungbuchse 18 setzen sich jeweils aus nach innen und nach außen gewölbten Abschnitten 21, 22 bzw. aus nach innen und nach außen gewölbten Abschnitten 21', 22' zusammen. Die nach außen gewölbten Abschnitte 22' der Innenkontur 31 weisen einen Radius R1' und die nach innen gewölbten Abschnitte 21' der Innenkontur 31 weisen einen Radius R2' auf. Die nach innen gewölbten Abschnitte 22 der Außenkontur 30 weisen einen Radius R1 und die nach außen gewölbten Abschnitte 21 der Außenkontur 30 weisen einen Radius R2 auf. Es gilt R1' = R2'; R2 < R1' und R1 > R1'.
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Zwischen einem nach außen gewölbten Abschnitten 21 der Außenkontur 30 und einem benachbarten nach innen gewölbten Abschnitt 22 der Außenkontur 30 liegt ein Abschnitt vor, der in Form einer Geraden 23 ausgestaltet ist. Die Außenkontur 30 weist doppelt soviele Geraden 23 wie nach außen bzw. innen gewölbte Abschnitte 21, 22 auf. Zwischen einem nach innen gewölbten Abschnitt 21' der Innenkontur 31 und einem benachbarten nach außen gewölbten Abschnitt 22' der Innenkontur 31 liegt ein Abschnitt vor, der in Form einer Geraden 24 ausgestaltet ist. Die Innenkontur 31 weist doppelt soviele Geraden 24 wie nach außen bzw. innen gewölbte Abschnitte 21', 22' auf.
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Im drehmomentlosen Zustand, wie er in 6 dargestellt ist, sind Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 mehr oder weniger konzentrisch ausgerichtet, wobei zwischen Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 ein geringes Spiel vorhanden ist. Die Geraden 23, 24 der Konturen von Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 weisen unterschiedliche Winkel zur beispielhaft dargestellten Mittellinie X-X bzw. S1 auf; wobei zusätzlich zur Mittellinie S1 auch die senkrecht hierzu verlaufende Mittellinie S2 angegeben ist.
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Die Geraden 23 des Verbindungssteckers 17 sind mit dem Winkel β zur Mittellinie X-X ausgeführt. Die Geraden 24 der Verbindungsbuchse 18 sind mit dem Winkel α zur Mittellinie X-X ausgeführt. Der Winkel β ist größer als der Winkel α. Für alle Geraden der jeweiligen Konturen gilt eine gleiche bzw. identische Ausgestaltung bzgl. des Winkels zu einer entsprechenden Mittelachse, die einen Wellenberg oder ein Wellental symmetrisch teilt.
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Wird auf die Verbindungsbuchse 18 oder auf den Verbindungsstecker 17 ein Drehmoment aufgebracht, wie es in 7 dargestellt ist, so kommt es zu einer relativen Drehung zwischen Verbindungsbuchse 18 und Verbindungsstecker 17 um den Winkel Y, wobei sich der Winkel Y aus einer Subtraktion des Winkels α vom Winkel β ergibt: Y= β - α.
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In der in 7 dargestellten Position kommt es zur Flächenberührung der je nach Drehrichtung belasteten Geraden 23, 24 von Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18. Somit wird die Flächenpressung zwischen Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 sehr gering gehalten, sodass auch unter hoher Drehmomentbelastung leicht eine Axialverschiebung zwischen Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 möglich ist. Aufgrund der großen Längen, die beispielsweise 3 bis 6 m betragen können, für die Doppelrohrgestängeabschnitte 6 und der damit verbundenen Längentoleranzen von Außenrohren 8 und Innenrohren 9 des Doppelrohrgestängeabschnitts 6 ist eine relative Axialverschiebung der Innenrohre 9 zueinander erforderlich. Dazu sind die Positionen sowie auch die Längen der Verbindungsstecker 17 und Verbindungsbuchse 18 entsprechend ausgestaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011010958 A1 [0004]
