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Gewindeverbinder für ölfeldrohre Die Erfindung betrifft einen Gewindeverbinder
für Ölfeldrohre mit einem abgeflachten, kegeligen Sägezahngewinde, das auf dem Rohr
ausläuft und in der Verbindungsmuffe voll ausgeformt ist.
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Ein solcher Gewindeverbinder ist aus dem USA-Patent 2 772102 bekanntgeworden.
Bei diesem bekannten Gewindeverbinder trägt das Gewinde zwischen Gewindespitze und
dem Boden der Gewindenut des damit zusammengeschraubten Gewindes auf der ganzen
Länge des Gewindeverbinders. Zwischen den Gewindeflanken ist ein Spiel vorgesehen.
Dabei ist jedoch die Gewindesteigung in dem Gewindeverbinder ungleichmäßig, so daß
die Flanken an manchen Stellen ohne Spiel aneinander anliegen und der Gewindeverbinder
somit abgedichtet wird. Abgesehen davon, daß diese ungleichmäßige Gewindesteigung
einen unerwünschten Mehraufwand bei der Herstellung des Gewindes erfordert, führt
das Tragen der Gewindegänge zwischen Gewindespitze und Boden der Gewindenut auf
der ganzen Länge des Gewindeverbinders dazu, daß das äußere Ende der Verbindungsmuffe,
welche gegenüber dem Mittelteil der Verbindungsmuffe verjüngt ist, beim kraftangetriebenen
Anzug des Gewindeverbinders infolge der Dehnung der Verbindungsmuffe erhebliche
Spannungen aufnehmen muß. Damit die Verbindungsmuffe diese Spannungen aushalten
kann, muß sie entsprechend starkwandig ausgeführt sein. Das ist sowohl unter dem
Gesichtspunkt einer Platzersparnis als auch einer Materialersparnis unerwünscht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde,
einen Gewindeverbinder für Ölfeldrohre so zu gestalten, daß die durch den kraftangetriebenen
Anzug in der Verbindungsmuffe hervorgerufene Spannung zu deren äußerem Ende hin
abnimmt, aber trotzdem eine gute Dichtungswirkung des Gewindeverbinders gewährleistet
ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, indem man einen Gewindeverbinder
der eingangs - als bekannt vorausgesetzten Gattung erfindungsgemäß so gestaltet,
daß in an sich bekannter Weise zwischen dem Boden der Gewindenut und der Gewindespitze
ein Spiel vorgesehen ist und daß dieses Spiel beim Kraftanzug des Gewindeverbinders
im auslaufenden Gewindeteil aufgehoben wird.
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Ein Spiel zwischen dem Boden der Gewindenut und der Gewindespitze
ist an sich aus dem Gewindeverbinder nach dem französischen Patent 1215 424 bekanntgeworden.
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird das Spiel hier aber nicht für die Abdichtung
des Gewindeverbinders aufgehoben, sondern bleibt erhalten, so daß sich darin Füllmaterial
ansammeln kann. In erster Linie erfolgt die Abdichtung bei dem Gewindeverbinder
nach der französischen Patentschrift durch eine Dichtpackung, die zwischen zwei
Schultern an Rohr und Verbindungsmuffe axial eingepreßt wird. Die bei diesem Gewindeverbinder
auftretenden Ringspannungen sind gering, würden aber wegen des auf der ganzen Länge
durchgehenden vollständigen Flankeneingriffs besonders am Ende der Verbindungsmuffe
stark steigen, wenn man versuchen würde, das Spiel durch kraftangetriebenen Anzug
des Gewindeverbinders aufzuheben.
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Wenn bei der vorliegenden Erfindung das Rohr und die Verbindungsmuffe
nach dem losen Anziehen von Hand mit Kraftantrieb weiter angezogen werden, so daß
sich die Gewindekegel unter Aufhebung des genannten Spiels etwas überschneiden bzw.
ineinanderschieben, so geht die Aufhebung dieses Spiels in dem auslaufenden Abschnitt
des Gewindes ohne wesentliche Anspannung des sich verjüngenden Endteiles der ringförmigen
Verbindungsmuffe vor sich. Das liegt daran, daß der Flankeneingriff in dem auslaufenden
Gewindeteil immer kleiner wird und somit einer Annäherung von Gewindespitze und
Gewindenut der zusammengeschraubten Teile nach außen hin immer geringeren Widerstand
entgegensetzt. In dem auslaufenden Endteil des Gewindes können Gewindespitze und
Boden der Gewindenut also in abdichtende Anlage miteinander kommen, ohne daß der
Endteil der Verbindungsmuffe unter Spannung gesetzt würde.
Gemäß
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Anordnung so getroffen,
daß die Spitzenabflachung des Gewindes bei einem Gewindekegel von 1:16 um wenigstens
0,05 mm und nicht mehr als 0,1 mm größer als die Abflachung des Bodens der Gewindenut
ist.
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Vorzugsweise liegt der Winkel der Führungsflanken zwischen 30 und
50°.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand einer Zeichnung
beschrieben. Darin stellt dar F i g. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen,
verbesserten Gewindeverbinder für Ölfeldrohre, F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung
des eingekreisten Teiles der F i g. 1 mit Einzelheiten des'-Gewindeprofils, F i
g. 3 ein Schaubild zum Vergleich der Höhe der Umfangs- oder Ringspannung je Flächeneinheit,
die entlang der Länge der Verbindungsmuffe des er-* findungsgemäßen Rohrverbinders
und bei herkömmlichen Rohrverbindern nach kraftgetriebenem Anzug bis zum selben
Grad auftreten, und F i g. 4 ein Längsschnitt durch - einen herkömmlichen Rohrverbinder,
der die üblichen am Boden der Gewindenut und Gewindespitze tragenden Sägezahngewindegänge
verwendet, wobei dieser Schnitt unmittelbar unter die F i g. 3 gesetzt ist, um die
Zuordnung und den Vergleich der Kurven des Schaubildes zu erleichtern.
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Es wird nun insbesondere auf die F i g. 1 und 2 Bezug genommen, an
Hand deren die erfindungsgemäße Gewindeverbinder für ölfeldrohre erläutert ist.
Dort bezeichnet der Buchstabe P Abschnitte eines Ölfeldrohres, die durch eine Verbindungsmuffe
C miteinander verschraubt sind. Für die Verwendung in Tiefbohrungen sind letztere
aus einem geeigneten hochfesten Stahl hergestellt, beispielsweise einem Stahl mit
einer Streckgrenze von 56,2 kg je Quadratmillimeter oder mehr. Das Rohr P besitzt
ein äußeres Sägezahngewinde, welches - allgemein als Tp bezeichnet ist und gegenüber
der Achse L des Rohres P unter einem Winkel 4 geneigt ist, so daß
es auf der äußeren Zylinderfläche 1 des Rohres ausläuft. Die Verbindungsmuffe C
besitzt ein dazu passendes Innengewinde Tc, welches über seine ganze Länge voll
ausgeformt ist. Die Schraubverbindung zwischen Rohr und Kupplung umfaßt so einen
Längenabschnitt 2 mit voll ausgeformten, ganz ineinander eingreifenden Gewindegängen
und einen daran anschließenden Auslaufabschnitt 3, über welchen der Eingriff allmählich
abnimmt, bis er am Ende E der Verbindungsmuffe zu Null wird.
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Wie besser an den einzelnen Gewindegängen 5 in der vergrößerten Darstellung
der F i g. 2 zu sehen ist, sind die Gewindegänge des Rohrverbinders auf eine Höhe.
hs ausgeschnitten, die vorzugsweise der 0,4fachen Steigung p gleicht. Die Gewindegänge
haben Führungsflanken 6 mit einem Flankenwinkel a1, steile Rückflanken 7 unter einem
Flankenwinkel s2 und eine flache Gewindespitze 8 sowie einen flachen Boden 9 der
Gewindenut. Dabei sind die 17bergänge von den Flanken zur Gewindespitze und von
den Flanken zum Boden der Gewindenut abgerundet. Die Gewindespitze 8 und der Boden
9 der Gewindenut sind parallel zur Längsachse L des Rohres geschnitten.
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Die Gewindespitze 8 hat eine Spitzenabflachung f cs, die um so viel
größer als eine Abflachung frs am Boden 9 der Gewindenut ist, daß die ineinander
eingreifenden Gewindegänge 5 an ihren Flanken tragen, zwischen Gewindespitze 8 und
Boden 9 der Gewindenut jedoch einen Zwischenraum V aufweisen, wenn derGewindeverbindervonHand
angezogenwordenist.
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In diesem Stadium des Zusammenbaues stand wegen des vollständigen
Fehlens von Flanken an den Rohrgewindegängen am Auslaufende 3 die Endgewindegänge
5E der Verbindungsmuffe vollständig frei. Während die beim kraftgetriebenen Anzug
erzeugten Einheitsspannungen sich über den Längenabschnitt 2 der voll ineinander
eingreifenden Gewindegänge normal entwickeln, werden diese Spannungen als Folge
der oben dargestellten Verhältnisse entlang dem Auslaufabschnitt 3 laufend kleiner,
und am Ende der Verbindungsmuffe besteht überhaupt keine Spannung. . Das gilt so-
lange; bis,. -der, Anzug so weit fortgeschritten ist, daß ddx Betrag der Kegelüberschneidung
dem Spiel -V gleicht: An diesem Punkt trägt an den Gewindegängen 5E die Gewindespitze
am Boden der Gewindenut des Rohres, und im weiteren Verlauf, des kraftgetriebenen
Anzugs kann sich am Ende der Verbindungsmuffe Spannung aufbauen, um die Verbindung
auf ihre volle Festigkeit und Leckdichtigkeit zu bringen. Das Spiel V zwischen Gewindespitze
und Boden-der Gewindenut sorgt so für eine Spannungsentlastung, die sich entlang
der Länge des Rohrgewindeauslaufes 3 mit dem Abnehmen der Fläche der Gewindeflanken
immer mehr auswirkt. Das führt zu einem merklichen Abnehmen der am Ende der Verbindungsmuffe
entwickelten Spannung. Diese Wirkung ist durch- die Kurve B in F i g. 3 veranschaulicht.
Die Form der Kurve B ist für die erfindungsgemäßen Verbinder charakteristisch. Um
eine entsprechend niedrige Spannungshöhe zu erreichen, müßten bei einer Verbindungsmuffe
eines herkömmlichen Gewindeverbinders die Wände der Verbindungsmuffe wesentlich
stärker als die Rohrwände gemacht werden, so wie es durch die gestrichelte Linie
20 in F i g. 4 angedeutet ist. Das würde zu einer Spannungshöhe führen, wie sie
durch die Kurve D der F i g. 3 dar= gestellt ist.
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Wie sich aus der vorstehenden Darstellung ergibt, ist das Ausmaß der
Spannungsentlastung in der Verbindungsmuffe zwischen Gewindespitze und Boden der
Gewindenut abhängig. Dieses Spiel muß wenigstens 0,05 mm betragen und wird durch
Einflußgroßen begrenzt, die mit der Leckdichtigkeit zusammenhängen. Um bei hohen
Innendrücken (beispielsweise 1000 kg je Quadratzentimeter), wie sie an den Gewindeverbindern
während des Gebrauches auftreten, Leckdichtigkeit zu erreichen, muß V bei Gewindeverbindern
für den ölbohrungsbetrieb auf 0,125 mm begrenzt werden und bedarf dort, wo das verarbeitete
Strömungsmedium vorwiegend Gas ist, 0,09 mm nicht überschreiten. In der folgenden
Darstellung werden jedoch alle Erfindungsziele mit einem Spiel V von 0,075 mm erreicht.
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Ein Spiel V zwischen Boden der Gewindenut und Gewindespitze von 0,075
mm beläuft sich bei einzelnen ineinandergreifenden Gewindegängen auf ein Durchmesserspiel
von 0,150 mm. Der normalerweise bei Gewindeverbindern für Ölfeldrohre benutzte Gewindekegel
beträgt 1 cm Durchmesseränderung auf 16 cm Längenänderung und führt zu einer Kegelüberschneidung
von 0,2 mm je Umdrehung während des kraftgetriebenen Anzugs. Da der Kraftantrieb
beire
Anzug normalerweise während zweieinhalb Umdrehungen verwendet wird, beträgt die
gesamte Kegelüberschneidung höchstens 0,5 mm im Durchmesser. Sie wird aufgenommen
durch Zusammendrücken des Rohres und Ausdehnung der Verbindungsmuffe. Da die Gewindespitzen
an den Endgewindegängen im Längsabschnitt 3 der Verbindungsmuffe, wie oben auseinandergesetzt
wurde, nicht am Boden der mit ihnen ineinandergreifenden Gewindenut des Rohres zu
tragen beginnen, bis die Kegelüberschneidung dem Betrag des Spieles V (in diesem
Fall 0,075 mm) gleicht, kann an dem Längenabschnitt 3 kein Spannungsaufbau erfolgen,
ehe die erste Umdrehung beim kraftgetriebenen Zusammenbau nahezu vollendet ist.
Dementsprechend führt der 0,15 mm betragende Absatz des Durchmessers, der durch
ein zwischen Spitze und Boden der Gewindenut bestehendes Spiel in der Größe von
0,075 mm gebildet wird, zu einer wenigstens 30%igen Verminderung der am Ende der
Kupplung auftretenden Durchmesserüberschneidung.
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Die Spannwirkung des Gewindeverbinders wird bestimmt durch die Größe
des Rückflankenwinkels a2, ändert sich aber mit der Streckgrenze des verwendeten
Stahles. Im Tiefbohrungsbetrieb soll die Gewindeverbindung wenigstens 98 % der Festigkeit
des Rohres erreichen. Bei aus hochfestem Stahl (Fließgrenze 56,2 kg je Quadratmillimeter
oder größer) hergestellten Gewindeverbindern wird dieser Mindestwirkungsgrad bei
jedem Winkel a2 zwischen 0 und 8° erreicht. Wenn man jedoch normale Stahlsorten
verwendet (Fließgrenze 38,7 kg je Quadratmillimeter oder weniger), darf der Winkel
a2 nicht über 1° hinausgehen. Für die Praxis ist es vorzuziehen, den Winkel a2 auf
den Bereich von 0 bis -I-1° zu begrenzen, da dies zu einem üblichen Gewinde für
alle Stahlsorten zum gleichen Gewinde führt, daß Rohre aus verschiedenen Stahlsorten
leicht untereinander verbunden werden können.
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Um einen Verlust des wichtigen Spieles V zwischen Gewindespitze und
Boden der Gewindenut auf Grund einer Abnutzung der Strähler während der Herstellung
des Gewindes zu vermeiden, muß der Führungsflankenwinkel a1 der Gewindegänge 5 wenigstens
30° betragen. Bei einem Winkel a1 von 13° wird beispielsweise das Spiel V bei jeder
0,025 mm Verengung des Gewindes auf Grund der Strählerabnutzung um 0,11 mm vermindert.
Bei einem Winkel a1 von 45° beträgt der Verlust bei V auf jede 0,025 mm Verengung
nur 0,025 mm. Ein großer Winkel a1 erleichtert auch das Schneiden des erforderlichen
steilen Rückenwinkels a2. Bei Werten von a1 über 50° wird jedoch die Druckkraft
des Verbinders schädlich vermindert. Ein günstiger Mittelwert der verschiedenen
Einflußgrößen wird bei einem Winkel a1 von 45° erreicht, und das ist daher der bevorzugte
Wert.