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Die
Erfindung betrifft eine dichte Gewindeverbindung für Erdölrohre
mit einem Innenpass- und einem Außenpassrohr mit Kegelgewinden
und Dicht- und Stützflächen, wobei die Dichtflächen
untereinander in der Radialrichtung kontaktieren, wobei die Dicht-
und Stützflächen dementsprechend auf der Außenfläche
des Stirnabschnitts des Innenpassrohrs und auf der Innenkegelfläche
des Außenpassrohrs auf dem Abschnitt zwischen dem Kegelgewinde
und dem Rohrkörper ausgebildet sind, wobei die Stützflächen
ebenfalls miteinander kontaktieren und dementsprechend auf dem Innenpassrohr
in Form einer Stirnkegelfläche mit einem Kegelwinkel in
der Richtung der Achse des Kegelgewindes und von einer Gegen-Stirnkegelfläche
auf dem Außenpassrohr ausgeführt sind, und wobei
diese Gegen-Stirnkegelfläche auf dem Übergangsabschnitt
einer ersten Kegelfläche dieses Rohrs zum Rohrkörper
ausgebildet ist.
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Die
Erfindung kann bei der Errichtung von Erdöl- und Erdgassonden
und auch für verfahrenstechnische Futterrohre eingesetzt
werden.
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Die
dichte Gewindeverbindung der Rohre ist für den Einsatz
in Sonden mit einer hohen Bohrlochkrümmungsrate und/oder
mit schwierigen Betriebsbedingungen vorgesehen. Die schwierigen
Betriebsbedingungen umfassen z. B. hohe Zug- und Druckbelastungen,
Innen- und Außenüberdrücke und das Vorhandensein
von aggressiven Medien.
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Es
ist eine dichte Gewindeverbindung von Erdölrohren bekannt,
welche Innenpass- und Außenpassrohre mit Kegelgewinden
und kegelförmigen Dicht- und Stützflächen
umfasst. Die Dichtflächen kontaktieren untereinander. Die
Dichtflächen sind dementsprechend an der Außenfläche
des Stirnflächenabschnitts des Innenpassrohrs in Form einer Kegelfläche
mit Kegelverjüngung zur Seite der Achse dieses Rohrs und
an der Innenfläche des Außenpassrohrs auf dem
Abschnitt zwischen dem Kegelgewinde und dem Rohrkörper
ausgeführt. Die Stützflächen kontaktieren
miteinander und sind dementsprechend auf dem Innenpassrohr in Form
einer Stirnkegelfläche mit Kegelverjüngung in
der Richtung des Kegelgewindes auf diesem Rohr und von einer Gegen-Stirnkegelfläche
auf dem Außenpassrohr ausgeführt, wobei diese
Kegelfläche auf dem Übergangsabschnitt der ersten
Kegelfläche dieses Rohrs zum Rohrkörper ausgebildet
ist (Patent
FR 2798716 , E16L
15/00, veröffentlicht am 23.03.2001).
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Die
genannte Gewindeverbindung weist eine ungenügende Dichtheit
auf, weil ihre Konstruktion mit einem geringen Kegelwinkel der Stützkegelflächen ausgeführt
ist. Das ermöglicht nicht, eine vorgegebene Verspannungsgröße
bei geringen Axialbewegungen des Innenpassrohrs zu erreichen. Dies
vergrößert seinerseits den Zeitraum zwischen dem
ersten Kontakt der Dichtflächen bis zur Sicherstellung
der vor gegebenen Verspannung. Außerdem entstehen unter
komplizierten Betriebsbedingungen (hohe Zug- und Druckbelastungen,
Innen- und Außenüberdrücke und aggressive
Medien) Biegeverformungen, welche den Kontakt der Kegelflächen
verletzen. Dies verursacht ein Undichtwerden der Gewindeverbindung.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Radialverspannung im Gewinde zu verringern
und die Dichtheit der Dichtung zusätzlich zu erhöhen.
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Die
gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
erreichte technische Ergebnis besteht in der Erhöhung der
Zuverlässigkeit und der Dichtheit der Verbindung unter
der Wirkung von Biegungsverformungen, in der Vergrößerung
der Verbindungsfestigkeit und in der Vereinfachung des Zusammenbaus und
der Auseinandernahme der Verbindung.
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Das
genannte technische Ergebnis wird folgenderweise erreicht:
Die
dichte Gewindeverbindung der Erdölrohre umfasst ein Innenpass-
und ein Außenpassrohr mit Kegelgewinden und Dicht- und
Stützflächen. Die Dichtflächen kontaktieren
untereinander in Radialrichtung. Sie sind dementsprechend auf der
Außenfläche des Stirnabschnitts des Innenpassrohrs
und auf der Innenkegelfläche des Außenpassrohrs
auf einem Abschnitt zwischen dem Kegelgewinde und dem Rohrkörper
ausgebildet. Die Stützflächen kontaktieren ebenfalls
miteinander. Sie sind dementsprechend auf dem Innenpassrohr in Form
einer Stirnkegelfläche mit einem Kegelwinkel in Richtung
der Achse des Kegelgewindes und in Form einer Gegen-Stirnkegelfläche
auf dem Außenpassrohr ausgeführt. Diese Gegen-Stirnkegelfläche ist
auf einem Übergangsabschnitt einer ersten Kegelfläche
dieses Rohrs zum Rohrkörper ausgebildet. Das Profil des
Kegelgewindes weist einen Negativwinkel in Bezug auf die Tragfläche
auf. Die Höhe des Gewindeprofils des Innenpassrohrs ist
kleiner als die Höhe des Gewindeprofils des Außenpassrohrs
ausgeführt. Dabei weist die Dichtungsfläche des
Stirnabschnitts des Innenpassrohrs am Anfang und am Ende des Bereichs
der Radialkegeldichtung eine Kugelform auf. Der Kegelwinkel liegt
im Bereich von 5° ≤ β ≤ 25°.
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Die
Erfindung wird anhand eines in der 1 dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt
die dichte Gewindeverbindung der Erdölrohre.
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Die
Verbindung enthält ein Innenpassrohr 1 und ein
Außenpassrohr 2, die mittels eines Kegelgewindes 3 ineinander
greifen.
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Der
Stirnabschnitt der Verbindung enthält eine Stützstirnfläche 4 des
Innenpassrohrs 1 und einen Stützabsatz 5 des
Außenpassrohrs 2. Die Stirnfläche und
der Absatz sind als Stützkegelflächen ausgeführt.
Die Verbindung umfasst auch einen Bereich einer Radialkegeldichtung
an Außen- und Innenkegeldichtflächen 6 und 7.
Dabei weist die Außenfläche 6 am Anfang 8 und
am Ende 9 des Bereichs der Radialkegeldichtung eine Kugelform
auf.
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Die
Stirnseite 4 und der Absatz 5 sowie die Dichtflächen 6 und 7 wirken
mit einer bestimmten Verspannung miteinander zusammen. Sie dienen
als Elemente einer Hauptdichtung, welche die Dichtheit der Verbindung
sicherstellt.
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Um
eine hohe Zuverlässigkeit der Verbindungsdichtheit sicherzustellen,
werden die Dichtflächen 6 und 7 mit einer
hohen Präzision und Bearbeitungsgüte ihrer Oberflächen
ausgeführt.
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Die
Ausführung der kugelförmigen Außenfläche 6 am
Anfang 8 und am Ende 9 des Bereichs der Radialkegeldichtung
ermöglicht eine Beanspruchung der Verbindung auf Biegung.
Das stellt eine zusätzliche Dichtheit der Verbindung unter
den Bedingungen der Biegungsverformungen sicher.
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In
der Verbindung wird ein kegelförmiges Gewinde angewendet.
Das Profil des Gewindes hat einen Negativwinkel α der Tragfläche.
Die Höhe des Gewindeprofils des Innenpassrohrs 1 ist
kleiner als die Höhe des Gewindeprofils des Außenpassrohrs 2. Das
Gewinde selbst stellt keine Dichtheit sicher. Die Hauptfunktion
des Gewindes ist die Aufnahme der Zugbelastung und der Biegung sowie
teilweise der Druckbelastung.
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Die
Dichtheit wird durch eine ”Metall-zu-Metall”-Verbindung
sichergestellt. Diese Dichtung ist vor dem Gewinde des Innenpassrohrs 1 an
der Seite der kleinsten Mantellinie des Gewindekegels angeordnet.
Die Dichtung ist konstruktionsmäßig keilförmig mit
einem stumpfen Winkel zwischen den Mantellinien (Stützstirnfläche 4)
ausgeführt. Dieser Keil stützt sich auf die keilförmige
Gegenrille des Außenpassrohrs 2 ab (Stützabsatz 5).
Dank der Dichtung bekommt die Gewindeverbindung die Eigenschaften
einer erdöl- und gasdichten Verbindung, welche unter der
Einwirkung von kombinierten Beanspruchungen in Aggressivmedien funktionieren
kann.
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Der
Kegelwinkel 5° ≤ β ≤ 25° gemäß der Stirnmantellinie
des Keils stellt ein ”Anpressen” der Radialkegeldichtung
sicher. Das ermöglicht, die Radialverspannung zu vermindern.
Das verringert einerseits die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung der Dichtflächen
und der Bildung von Fressern auf diesen Oberflächen. Wenn
der genannte Winkel den Wert von 25 Grad überschreitet,
entstehen bei der Zusammendrückung oder bei der Verdrehung
der Verbindung beachtliche Verformungen des Innendurchmessers des
Außenpassrohrs 2. Wenn der Winkel den Wert von
5 Grad unterschreitet, dann geht der Keileffekt verloren, weil die
Keilrille des Außenpassrohrs 2 in Axialrichtung
fester wird. Der Negativwinkel der Tragfläche des Gewindeprofils
verhindert, dass das Gewinde des Innenpassrohrs 1 aus dem
Eingriff mit dem Gewinde des Außenpassrohrs 2 bei
wesentlichen Zügen ausrückt. Die Radialkomponenten
der Reaktionen im Gewinde streben danach, das Innenpassrohr 1 an
das Außenpassrohr 2 anzupressen. Dadurch kann
die Größe der Radialverspannung im Gewinde im
Vergleich mit den Konstruktionen der Gewinde mit Positivwinkeln
der Tragfläche verringert werden. Das stellt eine hohe
Verschleißfestigkeit der Verbindung beim Zusammenschrauben
sicher und verbessert die Funktionsfähigkeit der Verbindung
bei Außen- und Innenüberdruck.
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Die
Höhe des Gewindeprofils des Innenpassrohrs ist kleiner
als die Höhe des Gewindeprofils des Außenpassrohrs 2.
Das ermöglicht, die Verschraubbarkeit der Verbindung zu
verbessern und ihre Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
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Die
Funktionsweise der dichten Verbindung des Erdölrohrs ist
wie folgt: Beim Zusammenschrauben oder Lockern der Verbindung erfolgt
zuerst eine Zusammenwirkung des Innenpassrohrs 1 und des Außenpassrohrs 2 mittels
des Gewindes 3. Während der Verschraubung kommt
eine Zusammenwirkung der Außendichtfläche 6 mit
der Dichtfläche 7 zustande. Durch Diametralverformungen
dieser Flächen wird eine Dichtbaugruppe ”Metall-zu-Metall” hergestellt.
Dabei ermöglicht die kegelförmige Ausführung der
Außendichtfläche 6 am Anfang 8 und
am Ende 9 des Kontaktbereichs mit ihrer Innenfläche 7,
die Verschraubung und die Lockerung der Verbindung zu vereinfachen.
Unter den Bedingungen der Biegungsverformungen stellt diese kugelförmige
Ausführung eine zusätzliche Dichtheit der Verbindung
sicher. Bei einer weiteren Verschiebung der Rohre 1 und 2 kommt
ein Kraftkontakt der Stirnfläche 4 des Innenpassrohrs 1 und
des Absatzes 5 des Außenpassrohrs 2 zustande.
Dadurch entstehen auf ihren Oberflächen Flächenpressungen,
deren Größe im Bereich der elastischen Deformationen
liegt. Das Niveau der Flächenpressungen wird (alle anderen
Bedingungen gleichgestellt) durch die Größe der
Kontaktflächen der Stirnseite 4 und des Absatzes 5 festgelegt.
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Die
Erhöhung der Betriebssicherheit der Verbindung wird durch
eine Vergrößerung der Kontaktflächen
der Stirnseite und des Absatzes sichergestellt. Das ermöglicht,
das Drehmoment der Verschraubung zu erhöhen. Dabei werden
die Flächenpressungen auf einem erforderlichen Niveau innerhalb
des Bereichs der elastischen Deformation aufrechterhalten. Am Ende
wird der Verschraubungsvorgang des Innenpassrohrs 1 und
des Außenpassrohrs 2 durch die Zusammenwirkung
ihrer Stützstirnseiten 4 und des Stützabsatzes 5 begleitet.
Die Kegelflächen der Stützstirnseite 4 und
des Stützabsatzes 5 sind so ausgeführt,
dass bei ihren axialen Beanspruchungen die Querkomponente dieser
Kraft zur Verbindungsachse gerichtet ist. Die Axialbeanspruchung entsteht
beim Verschrauben der Gewinde. Das schließt die Querverformung
mit einer Vergrößerung des Durchmessers im Bereich
der Stützstirnseite und des Stützabsatzes aus
und macht die Verbindung weniger empfindlich gegenüber
der Überschreitung des Verschraubungsdrehmoments und erhöht
damit die Betriebssicherheit.
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Die
Gewindeverbindung ist gewerblich anwendbar, da sie unter Einsatz
von bekannten Verfahren zur Herstellung von Gewinderohrenden nach
einem grundsätzlich neuen Prinzip der Zusammenwirkung der
Kontaktflächen ausgeführt werden kann. Dieses
Prinzip unterscheidet sich von den bekannten Konstruktionen.
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Zu
den Vorteilen der neuen Gewindeverbindung im Vergleich zum Prototyp
zählen eine Erhöhung der Dichtheit und der Verbindungsfestigkeit.
Die Arbeiten beim Zusammenbau und bei der Auseinandernahme der Gewindeverbindung
werden vereinfacht.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine dichte Gewindeverbindung für Erdölrohre
mit einem Innenpass- und einem Außenpassrohr (1 und 2)
mit Kegelgewinden (3) und Dicht- und Stützflächen,
wobei die Dichtflächen (6 und 7) untereinander
in der Radialrichtung kontaktieren, wobei die Dicht- und Stützflächen
(6 und 7) dementsprechend auf der Außenfläche
des Stirnabschnitts des Innenpassrohrs (1) und auf der Innenkegelfläche
des Außenpassrohrs (2) auf dem Abschnitt zwischen
dem Kegelgewinde (3) und dem Rohrkörper ausgebildet
sind, wobei die Stützflächen (6 und 7)
ebenfalls miteinander kontaktieren und dementsprechend auf dem Innenpassrohr
(1) in Form einer Stirnkegelfläche (Stirnseite 4)
mit einem Kegelwinkel (β) in der Richtung der Achse des
Kegelgewindes (3) und von einer Gegen-Stirnkegelfläche (Stützabschnitt 5)
auf dem Außenpassrohr (2) ausgeführt
sind, und wobei diese Gegen-Stirnkegelfläche (Stützabschnitt 5)
auf dem Übergangsabschnitt einer ersten Kegelfläche
dieses Rohrs zum Rohrkörper ausgebildet ist. Ist dabei
vorgesehen, dass das Profil des Kegelgewindes (3) einen
Negativwinkel (β) in Bezug auf die Tragfläche
aufweist, dass die Höhe des Gewindeprofils des Innenpassrohrs
(1) kleiner als die Höhe des Gewindeprofils des
Außenpassrohrs (2) ist, wobei die Dichtungsfläche
(6) des Stirnabschnitts des Innenpassrohrs (1)
am Anfang (8) und am Ende (9) des Bereichs einer
Radialkegeldichtung eine Kugelform aufweist, und der Kegelwinkel
(β) im Bereich von 5° ≤ β ≤ 25° liegt,
dann wird die Radialverspannung im Gewinde verringert und dabei
die Dichtheit der Dichtung zusätzlich erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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