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Schnellkupphing, insbesondere für Bohrgestängerohre Die Erfindung
betrifft Kupplungen für Rohre und insbesondere Schnellkupplungen, die ein schnelles
Verbinden und Lösen gestatten.
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Beim Tiefbohren werden Rohrstränge aus Rohren von kleinem Durchmesser
bis zu Rohren von sehr großem Durchmesser verwendet. Diese Rohrstränge werden dadurch
hergestellt, daß man fortlaufend Rohrabschnitte beim Einführen des Rohrstranges
oder der Rohrtour in das Bohrloch an den Strang anschraubt oder bei dem oft erforderlichen
Ziehen des Strangs von dessen oberem Ende abschraubt. Bei diesem Vorgang werden
an den zu verbindenden Rohrenden angeordnete Gewindezapfen bzw. mit Innengewinde
versehene Gewindemuffen miteinander verschraubt. Dabei werden verschiedene Gewindearten
verwendet, darunter auch grobere Gewindearten, wobei aber stets eine erhebliche
Anzahl von Umdrehungen erforderlich ist, um eine flüssigkeitsdichte Verbindung zu
erzielen. Die Verwendung der üblichen Gewindeverbindungen verringert die Geschwindigkeit
erheblich, mit der ein Rohrstrang aus den einzelnen Rohren zusammengesetzt oder
wieder in einzelne Rohre zerlegt werden kann. Insbesondere werden die Gewindegänge
bei dem Einführen der mit Außengewinde versehenen Gewindezapfen eines Rohres in
die Gewindebohrung des anderen Rohres und beim Beginn des Schraubvorgangs stark
beansprucht und oft so beschädigt, daß die Rohrverbindungen nicht mehr flüssigkeitsdicht
sind.
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Die Verwendung üblicher Gewindekupplungen ist vor allem dann schwierig,
wenn Rohre mit großem Durchmesser für Verrohrungen oder für sogenannte »Riserrohre«,
die beim Bohren von Bohrinseln verwendet werden, miteinander verbunden werden. Als
Riserrohr bezeichnet man einen Rohrstrang großen Durchmessers, der sich von einer
Bohrinsel zum Meeresboden erstreckt und durch den hindurch das Bohrgestänge abgesenkt
wird. Das Zusammensetzen der einzelnen Rohrtouren eines »Riserrohrs« wird dadurch
erschwert, daß die Plattform der Insel durch Wind und Wellen bewegt wird, so daß
die aufgehängte, jeweils an den Strang anzuschließende Rohrtour erhebliche Schwingungen
ausführt und schwer in ihre richtig ausgerichtete Lage zum oberen Ende des Rohrstrangs
zu bringen ist, in der sie ohne Beschädigung des Gewindes an diesen angeschraubt
werden kann. Diese Schwierigkeit ist nicht nur beim Zusammensetzen eines Riserrohrstrangs,
sondern auch beim Zusammensetzen anderer Rohrstränge auf schwimmend angeordneten
Plattformen vorhanden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht vor allem darin, eine zur Vermeidung
dieser Schwierigkeiten geeignete Rohrkupplung zu schaffen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine Kupplungsanordnung erreicht,
die im wesentlichen aus folgenden Teilen besteht: Einem Stutzen mit einer Axialbohrung,
deren oberer Teil an seinem unteren Ende eine nach innen vorspringende ringförmige
Sitzfläche aufweist; einem in dieser Bohrung bis zur dichten Anlage an der Sitzfläche
einführbaren Zapfenteil, der mit Abstand von seinem unteren Ende eine Umfangsnut
aufweist und der innerhalb des oberen Teils der Statzenbohrung mit so viel Spiel
angeordnet ist, daß zwischen ihm und der Stutzeninnenwand ein Ringraum verbleibt;
einem innerhalb des Stutzens angeordneten geschlitzten Verriegelungsring, der den
Zapfenteil umgibt und axial an diesem gleiten kann; eine mit dem Stutzen durch eine
Gewindeverbindung mit verhältnismäßig grobem Gewinde verbundene Muffe, die mit einer
bei ihrer Verschraubung wirksam werdenden Einrichtung versehen ist, welche den Verriegelungsring
durch den Ringraum hindurch in die Nut und gegen deren untere Seitenwand drückt
und dadurch den Zapfenteil in seiner dicht an der Sitzfläche anliegenden Stellung
hält.
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Vorzugsweise sind dabei zwischen einer Stirnseite des Ringes und einer
im wesentlichen radial gerichteten Fläche ringförmige, beim Betätigen der Kupplung
die
Reibung vermindernde Lagereinrichtungen angeordnet.
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Es empfiehlt sich ferner, am Stutzen und am Zapfenteil Einrichtungen
anzubringen, durch deren Zusammenwirken eine Drehbewegung zwischen dem Stutzen und
dem auf der Sitzfläche aufliegenden Zapfenteil verhindert wird.
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In den Zeichnungen ist bzw. sind F i g. 1 eine halb im Schnitt
gezeigte Längsansicht der neuen Schnellkupplung, in der die Kupplungsteile in ihrer
unmittelbar vor dem Kupplungsvorgang eingenommenen Stellung gezeigt sind, F i
g. 2 und 3 ähnliche Ansichten wie F i g. 1, in denen die Kupplungsteile
in einer Zwischenstellung und im endgültig gekuppelten Zustand gezeigt sind, F i
g. 4 ein Querschnitt gemäß der Linie 4-4 der F i g. 3,
F i
g. 5 eine im vergrößerten Maßstab gezeig -C gte An sieht ähnlich F i
g. 3,
F i g. 6 eine halb im Schnitt gezeigte Längsansicht von aus einem
Stück mit den Rohrabschnitten bestehenden Kupplungsteilen, F i g. 7 eine
der F i g. 3 im wesentlichen ähnliche Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform
einer Kupplung, die mit Einrichtungen versehen ist, die eine relative Bewegung zwischen
den eingerückten Kupplungselementen verhüten, F i g. 8 eine Ansicht einer
weiteren Ausführungsform, die zusätzliche Dichtungselemente aufweist, und F i
g. 9, 10 und 11 den F i g. 1, 2 und 3 ähnliche Ansichten
einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Kupplung.
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Die in den F i 1-. 1 bis 5 gezeigte Kupplungsvorrichtung
besteht aus einem als Ganzes mit 10 bezeichneten rohrförmigen Aufnahmeteil,
der einen Rohrstutzen 11 aufweist und aus einem in den Aufnahmeteil einführbaren
rohrförmigen Zapfenteil 12, dessen Außendurchmesser um soviel kleiner als der Innendurchmesser
des Stutzens 11 ist, daß zwischen diesen Teilen ein zum leichten Einführen
des Zapfenteiles ausreichend großer Ringraum vorhanden ist.
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Auf dem äußeren Ende des Stutzens 11 ist eine Verriegelungsmuffe
13 drehbar angeordnet, deren Bohrung 16 eine solche Größe hat, daß
der Zapfenteil 12 durch sie hindurch in den Stutzen 11 hinein und aus diesem
heraus bewegt werden kann. Die Muffe 13 hat eine Ausbohrung, durch die eine
Ringschulter 17 gebildet wird, die in axialer Richtung Abstand vom äußeren
Ende des Stutzens hat und greift. Zwischen ihren Enden weist dieses Ende überg die
Muffe 13 an ihrer Innenseite einen Gewindeabschnitt mit verhältnismäßig groben
Gewindegängen 14 auf, die mit entsprechenden Außengewindegängen 15 an der
Außenseite des Stutzens 11 im Eingriff sind. Mittels dieser Gewindeabschnitte
kann die Muffe 13 bei entsprechender Drehung axial am Stutzen 11 vor-
und zurückbewegt werden.
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Ein Anschlagring 30 ist auf das untere Ende der Muffe
13 unterhalb des Gewindes 14 aufgeschraubt und verhindert, daß die Muffe
beim Kupplungsvorgang vollständig vom Stutzen 11 abgeschraubt wird.
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Die Bohrung des Stutzens hat abgesetzte Ab-
schnitte, nämlich
einen äußeren Abschnitt 18 von größerem Durchmesser und einen inneren Abschnitt
von etwas kleinerem Durchmesser. Beide Abschnitte haben zylindrische Wandungen,
die durch eine nach innen geneigte Schulter 20 verbunden sind. Das innere Ende des
Abschnitts 19 endet in einer nach innen geneigten Fläche 21, die als Sitz
für die entsprechend geneigte Endfläche 22 des Zapfenteils 12 dient. Der Zapfenteil
hat in geringem Abstand von seiner Endfläche 22 eine zylindrische Umfangsnut
23, deren Seitenkanten 24 und 25 abgeschrägt sind. Das äußere Ende
des Stutzens 11 ist als eine schräg nach innen geneigte Ringfläche
26 ausgebildet. Die Nut 23 ist so weit von der Endfläche 22 des Zapfenteils
12 angeordnet, daß sie sich gegenüber dem äußeren Ab-
schnitt 18 der
Bohrung des Stutzens befindet, wenn die Endfläche 22 auf der Fläche 21 aufsitzt.
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Ein federnder geschlitzter Verriegelungsring 27 ist in der
Bohrung der Muffe 13 so angeordnet, daß er in seiner normalen aufgeweiteten
Stellung zwischen dem äußeren Ende des Stutzens 11 und der Schulter
17 liegt und an der Ringfläche 26 anliegt. Das an dieser Ringfläche
anliegende Ende des Rings 27 weist in Richtung aufeinander zu verlaufende
Schrägflächen 28 und 28 a auf. An seinem anderen Ende ist der Ring
27 mit einer flachen Stirnfläche 29 versehen. Zwischen dieser Fläche
29 und der Schulter 17 sind zwei Lagerringe 31 und
32 mit gehärteter Oberfläche angeordnet, die ein zwischen der Schulter
17 und dem Ring 27 liegendes Lager bilden. Die innere und die äußere
Umfangsfläche des Rings 27 sind zylindrisch und parallel. Der Ring
27 hat eine solche Dicke, daß er den Raum zwischen der Nut 23 und
dem äußeren Bohrun-Sabschnitt 18 im wesentlichen ausfüllt, wenn der Zapfenteil
vollständig in den Stutzen 11 eingeführt ist (s. F i g. 3 und 5) und
die Nut 23 dem Abschnitt 18 im wesentlichen gegenüberliegt.
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Der Aufnahmeteil 10 und der Zapfenteil 12 sind mittels an ihren
Enden vorgesehenen Gewindeabschnitten 33 und 34 üblicher Bauart mit benachbarten
Rohren verbunden. Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, können die beiden Kupplungsteile
auch aus einem Stück mit den Rohren bestehen, wobei jedes Rohr an einem Ende einen
Aufnahmeteil 10 und am anderen Ende einen Zapfenteil hat und jeder Aufnahmeteil
mit einem Verriegelungsring, einer Verriegelungsmuffe und Lagerringen versehen ist.
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Im Betrieb wird der in F i g. 1 in ausgekuppeltem Zustand gezeigte
Zapfenteil 12 axial durch die Bollrung 16 der Muffe und durch die Lagerringe
31 und 32 sowie den Verriegelungsring 27 hindurch so weit in
den Stutzen 11 eingeführt, daß seine Endfläche 22 auf der Fläche 21 des Stutzens
aufsitzt. Die Verriegelungsmuffe 13 befindet sich dabei in ihrer zurückgezogenen
Stellung, in der der Verriegelungsring 27 zwischen der Ringfläche
26 und den an der Schulter 17 anliegenden Lagerungen 31 und
32 angeordnet ist. Der Ring 27 wird normalerweise auf Grund seiner
Federung in dieser aufgeweiteten Stellung gehalten werden, solange sich die Muffe
13 in ihrer in F i g. 1 gezeigten ausgerückten Stellung befindet.
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Wenn der Zapfenteil 12 an der Fläche 22 anliegt, wird die Muffe
13 nach rechts gedreht, so daß sie sich am Gewinde des Stutzens entlangbewegt.
Bei dieser Bewegung der Muffe drückt die Schulter 17
gegen die Lagerringe
31 und 32 und über diese gegen den Ring 27. Die auf diesen
Ring einwirkende Axialkraft ruft eine Reaktion zwischen den abgeschrägten Endflächen
des Ringes und der Ringfläche 26 hervor, durch die der Ring zusammengedrückt
und von der Ringfläche 26 weg in den ringförmigen Raum zwischen der Nut
23 und dem Bohrungsabschnitt
18 gedrückt wird. Bei
der weiteren Drehung der Muffe wird dann der Ring 27 - en die Cleg komplementäre
Seitenkante 24 der Nut gedrückt, wodurch die Endfläche 22 des Zapfenteiles fest
an die Sitzfläche 21 angedrückt und eine dichte Metallauf-Metall-Berührung zwischen
diesen Flächen erzielt wird. Durch die Verwendung des verhältnismäßig groben Gewindes
14 und 15 werden nur sehr wenige Umdrehungen, in manchen Fällen
je nach der verwendeten Steigung nur eine oder zwei Umdrehungen der Muffe
13 benötigt, um den Ring 27
C, in seine die Kupplungsteile fest zusammenhaltende,
in den F i g. 3 und 5 gezeigte Stellung zu bringen. Zum Lösen der
Kupplung braucht die Muffe nur in der entgegengesetzten Richtung eine entsprechende
Anzahl von Umdrehungen auszuführen, um die Schulter 17 von der Ringfläche
26 so weit weg zu bewegen, daß der Ring 27 in seine aufgeweitete Stellung
zurückkehren kann. Wenn die Muffe 13 eine ausreichende Strecke zurückgedreht
ist, kann der Zapfenteil 12 aus dem Stutzen 11 herausgezogen werden. Bei
der Auswärtsbewegung des Zapfenteiles wird der Ring 27 durch die Schrägflächen
24 in seine oberhalb der Ringfläche 26 liegende Stellung gedrückt, in der
er durch seine Federung nach außen gedrückt wird und seine Ausgangsstellung wieder
einnimmt, in der der Zapfenteil aus der Muffe vollständig herausgezogen werden kann.
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Durch die zwischen Schulter 17 und Ring 27 vorgesehenen
Lager 31 und 32 kann die Muffe 13 fast ohne Reibung gedreht
werden, wodurch das Verbinden und Lösen der Kupplungsteile erheblich beschleunigt
wird. Es ist ersichtlich, daß auch andere Arten von reibungsvermindemden Lagern
zwischen der Schulter 17, der Muffe 13 und dem Verriegelungsring verwendet
werden können. Es wurde aber gefunden, daß die Verwendung von einem oder von zwei
Lagerringen mit gehärteten Oberflächen eine äußerst einfache, billige und zufriedenstellende
Lat' Crerung abgibt.
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Als Beispiel für Gewindearten, die bei der Erfindung Verwendung finden
können, seien Trapezer "ewinde mit einem bis vier Gewindegängen je Zoll erwähnt.
Im ersten Fall, bei einem Gewindegang, ist etwa eine Dreivierteldrehung der Muffe
zum Kuppeln und Entkuppeln erforderlich, während bei vier Gewindegängen etwa drei
Umdrehungen benötigt werden. Es ist ferner ersichtlich, daß durch die zwischen Zapfenteil
und Stutzen vorhandene teleskopische Verbindung die Gefahr einer Beschädigung des
Gewindes völlig beseitigt und ein schnelles und leichtes Verbinden der Kupplungsteile
auch bei den eingangs erwähnten ungünstigen Bedingungen ermöglicht wird.
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Bei der in F i g. 7 gezeigten abgewandelten Ausführungsform
können Zapfenteil und Aufnahmeteil gegen eine Relativbewegung gesichert werden,
wenn diese Teile sich in ihrer gektippelten Stellung trotz ihrer Metall-auf-Metall-Berührung
an den Flächen 21 und 22 gegenseitig verdrehen sollten.
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Bei dieser Abwandlung ist am äußeren Ende des Zapfenteiles 12 ein
an seiner unteren Stirnseite mit Zähnen 35 versehener Ansatz vorgesehen,
während der Stutzen entsprechend nach oben gerichtete Zähne 36 aufweist,
die mit den Zähnen 35 in Eingriff gelangen. In anderer Hinsicht entspricht
die in F i g. 7 gezeigte Kupplung in allen Einzelheiten der an Hand der F
i g. 1 bis 4 beschriebenen Kupplung.
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AD
Bei der in F i g. 8 gezeigten Ausführungsform weist
die in anderer Hinsicht der zuerst beschriebenen Ausführungsform entsprechende Kupplung
eine zusätzliche nichtmetallische Dichtung in Form eines üblichen elastomeren 0-Ringes
37 auf, der in eine zwischen der Nut 23 und der Endfläche 22 des Zapfenteils
12 angeordnete Ringnut 38 eingesetzt ist, so daß zusätzlich zu der Metall-auf-Metall-Abdichtung
zwischen den Flächen 21 und 22 im eingekuppelten Zustand noch eine elastische Abdichtung
zwischen dem Zapfenteil 12 und dem Bohrungsabschnitt 12 des Stutzens 11 vorhanden
ist.
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Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen in den Fig. 1, 2
und 3 ähnlichen Ansichten eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Kupplung.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Stutzen lla am oberen Ende seiner
Bohrung mit einem Grobgewindeabschnitt 15a versehen, während die Verriegelungsmuffe
13a als eine mit entsprechendem Außengewinde 14a versehene Buchse ausgebildet ist,
durch deren Bohrung 16 a der Zapfenteil 12 in den Stutzen lla eingeführt
wird. Die Stutzenbohrung hat unterhalb des Gewindeabschnitts 15a eine Reihe von
abgesetzten Abschnitten 18 a, 18 b und 19
a. Der Ab-
schnitt 19 a endet in einer nach innen geneigten
Sitzfläche 21a. Die Bohrungsabschnitte 18a und 18b
sind durch eine nach innen
geneigte Schrägfläche 20 a
und die Abschnitte 18 b und 19 a
durch eine Schrägfläche 20 b verbunden. Der geschlitzte Verriegelungsring
27a liegt in seiner aufgeweiteten Anfangsstellung im Bohrungsabschnitt18a auf der
Schrägfläche20a auf und entspricht dem weiter oben beschriebenen Ring
27. Zwischen dem einen Ende des Rings 27 und der Stimfläche
17 b am Ende der Muffe 13 a sind zwei Lagerringe
31 a und 32 a eingesetzt. Die Muffe hat eine sich oberhalb des oberen
Endes des Stutzens lla radial nach außen erstreckende Schulter 17a, die die Bewegung
der Muffe 13 a beim Kuppeln be-2,renzt.
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Aus den F i g. 10 und 11 ist ersichtlich, daß, nachdem
der in den Stutzen 11 a eingeführte Zapfenteil 12 auf der Sitzfläche 21 a
aufliegt, die Muffe 13 a gedreht und über die Ringe 31a und 32a auf
das äußere Ende des Verriegelungsrings 27a drückt und diesen von der Schrägfläche
20a in den zwischen Bohrungsabschnitt 18 a und der Nut 23 vorhandenen
Ringraum drückt, wobei das untere Ende des Rings 27a an die Seitenfläche 24 der
Nut angepreßt wird und dadurch die Endfläche 22 des Zapfenteiles 12 in dichter Metall-auf-Metaff-Berührung
mit der Sitzfläche 21a hält.
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Aus dieser Ausführungsform läßt sich ersehen, daß das Gewinde zwischen
Muffe und Stutzen sowohl ein Innen- als auch ein Außengewinde sein kann und daß
beide Gewindeanordnungen ein schnelles Kuppeln und Entkuppeln der Kupplungsteile
ermöglichen.