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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Herstellung einer Muffen-Schrumpfverbindung
von Rohren oder Stangen, insbesondere von Bohrgestängen, mit hydraulisch aufweitbarem
Verbindungsspalt und kegeligen Paßflächen und einem an eine Durchtrittsbohrung der
Wandung des außenliegenden Teiles ansetzbaren Injektor für die Hydraulikflüssigkeit.
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Muffen-Schrumpfverbindungen dieser Art sind an sich bekannt, wobei
bei ihrer Herstellung die Schwierigkeit besteht, daß gleichzeitig mit der hydraulischen
Aufweitung des Verbindungsspaltes unter Aufbringung relativ hoher Kräfte die zusammenzufügenden
Teile ineinandergeschoben werden müssen.
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Hierzu ist es bekannt, Werkzeuge zu benutzen, die ähnlich den bekannten
Radabziehern arbeiten und einen Axialdruck auf die zu verbindenden Teile mit Hilfe
von entweder in die Teile eindrehbaren Schrauben oder von mittels Schrauben gegen
die Teile druckbaren, sich abstützenden Zwischengliedern ausüben.
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Nachteilig bei diesen bekannten Anordnungen ist es, daß hierzu zusätzliche
Flansche an den zu verbindenden Teile benötigt werden und daß die Herstellung der
Verbindung insbesondere bei mehreren in der gleichen Weise herzustellenden Verbindungen
zeitraubend und umständlich ist. Außerdem ist die Aufbringung großer axialer Kräfte
mit den bekannten Anordnungen nicht immer möglich bzw. erfordert klobige und damit
unwirtschaftliche Flansche, um die großen Kräfte in die Verbindung einleiten zu
können.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß große axiale Kräfte ohne spezielle Ausbildung
der zu verbindenden Teile in einfacher Weise aufgebracht werden können. Dabei soll
die notwendige Handarbeit auf ein Mindestmaß beschränkt sein, bzw. das Gerät soll
leicht automatisierbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gerät zwei
in axialem, der Muffenlänge entsprechendem Abstand voneinander befindliche Träger
mit nach einer Seite offenen Ausnehmungen aufweist, wobei die Träger über wenigstens
zwei symmetrisch zur Rohr- oder Stangenachse angeordnete hydraulische Kolben-Zylinder-Einheiten
axial und relativ zueinander verschiebbar sind, und daß in Zylinderbohrungen der
Träger als hydraulisch beaufschlagbare Kolben ausgebildete, radial verschiebbare
Backen vorgesehen sind.
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Durch die hydraulische Aufbringung der Axialkräfte wird es möglich,
diese Kräfte in relativ kurzer Zeit aufzubringen, so daß der Aufweitungsdruck mittels
des Injektors nicht über übermäßig lange Zeit aufrechtgehalten zu werden braucht.
Gleichzeitig werden die gegeneinander zu verschiebenden Teile durch die hydraulisch
beaufschlagten Backen sicher festgehalten, so daß zusätzliche Elemente, welche die
Haltekraft in die zu verschiebenden Rohre oder Stangen einleiten sollen, entfallen
können. Durch die Ausnehmungen in den Trägern wird es möglich, das Gerät auf die
jeweils verbindenden Rohre so aufzusetzen, daß die Backen beidseitig in der Muffe
an den Rohren angreifen können, wobei nach Festspannen der Backen und mit der Zuführung
der Hydraulikflüssigkeit in den Verbindungsspalt bei gleichzeitiger Axialverschiebung
wenigstens eines der Träger die Schrumpfverbindung hergestellt bzw. gelöst werden
kann. Die Betätigung der Backen kann, sowohl was ihre Radialbewegung als auch was
ihre Axialverschiebung angeht, weitgehend von manueller Arbeit befreit und damit
automatisiert werden.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß durch die nach einer Seite offenen Ausnehmungen das Gerät auch auf sich nach
beiden Richtungen sehr weit erstreckende Rohre im Muffenbereich aufgesetzt werden
kann, ohne daß die Rohre durch Durchbrüche der Träger hindurchgeführt werden müssen.
Damit kann das Gerät in vorteilhafter Weise insbesondere für die Gestänge von Ölbohrungen
verwendet werden.
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Weil es zur koaxialen Krafteinleitung für die Axialverschiebung erforderlich
ist, die hydraulischen Kolben- und Zylindereinheiten symmetrisch zur Rohr- oder
Stangenachse anzuordnen, können durch die erfindungsgemäße Bauweise des Gerätes
die Kolbenstangen der Kolben gleichzeitig die Distanzhalter zwischen den Trägern
bilden, so daß für die Axialverschiebung eines oder beider der Träger zusätzliche
Anschläge, welche den Kolbenhub begrenzen, nicht erforderlich sind. Auf diese Weise
ist der Abstand zwischen den Trägern zur Aufnahme der Muffen zusammen mit dem Injektor
sichergestellt.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht in
der einfachen und robusten Ausbildung der Backen, die direkt als Kolben ausgebildet
sind und somit von dem hydraulischen Medium direkt ohne die Zwischenschaltung von
Kolbenstangen oder Umlenkgestängen in Spannrichtung beaufschlagbar sind. Dies ermöglicht
sehr große Spannkräfte unter Vermeidung eines mechanischen Verschleißes in Führungen
und Umlenkgestängen. Damit ist die erfindungsgemäße Anordnung auch einem rauhen
und robusten Betrieb gewachsen.
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Zwar sind Vorrichtungen zur Herstellung von Schraubverbindungen zwischen
Rohren bekannt, die aus zwei Sätzen von Backen bestehen, von welchen der eine das
eine Rohrstück festhält, während der andere das andere Rohrstück in Drehung versetzt,
um es in das erste Rohrstück einzuschrauben, und wobei beide Backensätze eine durch
die Gewindesteigung bedingte Axialverschiebung durchführen.
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Jedoch ist es mit dieser Anordnung nicht möglich, axiale Druckkräfte
aufzubringen, so daß die bekannten Anordnungen zur Herstellung von Muffen-Schrumpfverbindungen
der eingangs genannten Art nicht verwendbar sind. Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe ist somit mit diesen bekannten Anordnungen nicht lösbar.
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Weiter ist eine Anordnung zum Einschieben von Rohren in Ölbohrungen
bekannt, welche aus zwei Backensätzen besteht, von denen der eine jeweils gelöst
und der andere geschlossen ist und wobei beide Backensätze gegeneinander hydraulisch
relativ verschiebbar sind. Das jeweilige Rohr wird also von einem Backensatz erfaßt
und nach unten oder oben geschoben, wobei nach Lösen dieses Backensatzes der zweiten
Backensatz das Rohr in der jeweiligen Lage festhält. Die Backensätze dieser bekannten
Anordnung sind in Kegeln geführte Greifklauen, welche ihren Spanndruck durch die
Relativverschiebung des Rohres verliehen bekommen, welches im Eingriffszustand die
Backen gegen die enge Kegelseite drückt. Das anfängliche Hinführen der Backen zum
Rohr und gegen das jeweils enge Kegelende erfolgt gleichfalls hydraulisch über ein
Umlenkgestänge. Die Kolben-und Zylindereinheiten für die Axialverschiebung sind
symmetrisch zur Rohrachse angeordnet.
Mit dieser bekannten Anordnung
sind große Axialkräfte wie zur Herstellung einer Muffen-Schrumpfverbindung gleichfalls
nicht aufbringbar, da die Backen in ihrem Kegelsitz zwar selbstverstärkend angeordnet
sind, die Größe der Selbstverstärkung aber von dem Reibungseingriff zwischen Backen
und Rohr abhängt. Bei einem Verschleiß der Eingriffszähne der Backen und einem dadurch
bedingten Rutschen des Rohres sind Axialkräfte nicht mehr aufbringbar. Auch diese
bekannte Anordnung ist also für die Herstellung einer Muffen-Schrumpfverbindung
nicht zu verwenden, und die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist damit nicht
lösbar.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung für die Hydraulikzufuhr zu
den radial verschieblichen Backen ergibt sich, wenn die Kolbenstangen mit koaxialen
Kanälen versehen sind, die in die Zylinderbohrungen des verschieblichen Trägers
durch entsprechende Querbohrungen münden.
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Eine Muffen-Schrumpfverbindung kann auch so ausgebildet sein, daß
der Verbindungsspalt zwischen Muffe und Rohr oder Stange mit Gewinde versehen ist,
durch welches das innenliegende Teil in das außenliegende Teil einschraubbar ist.
Zu diesem Zweck kann einer der Träger mit einem die Backen enthaltenden und um die
Rohrachse drehbaren Rotor versehen sein, wobei zweckmäßigerweise bei nur einem verschieblichen
Träger dieser verschiebliche Träger mit dem Rotor versehen ist. Zur Angleichung
an die übrige hydraulische Betätigung der einzelnen Geräteteile kann dieser Rotor
vorteilhafterweise ebenfalls durch einen Hydraulikmotor antreibbar sein.
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Der Injektor kann zwischen den Trägern zusammen mit dem Gerät oder
getrennt von diesem auf die Muffe aufgesetzt werden, wobei er zweckmäßigerweise
in einer auf die Muffe aufsetzbaren und gegenüber dieser justierbaren Halterung
gelagert ist. Hierbei kann die axiale Justage der Halterung durch einen den Muffenrand
übergreifenden Flansch und die radiale Justage durch einen in eine V-förmige Kerbe
des Muffenrandes eingreifenden V-förmigen Keil des Flansches gebildet sein.
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Um den Injektor in flüssigkeitsdichter Verbindung mit dem Sitz der
Durchtrittsbohrung der Muffe zu halten, ist der Injektor in vorteilhafter Weise
als ein in der Halterung verschiebbarer Kolben mit Düsenbohrung ausgebildet, dessen
der Muffe abgewandte Seite dem Hydraulikdruck der Ausweitflüssigkeit ausgesetzt
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt in Seitenansicht im Schnitt das erfindungsgemäße Gerät
zur Herstellung einer Muffen-Schrumpfverbindung; F i g. 2 ist der Schnitt II-II
nach F i g. 1; F i g. 3 ist die Ansicht III-III nach F i g. 1; F i g. 4 ist der
Schnitt IV-IV nach F i g.1; F i g. 5 ist der Schnitt V-V nach F i g. 1; F i g. 6
ist der Schnitt VI-VI nach F i g. 1; F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gerätes, bei welchem eines der Rohre relativ zur Muffe und
zum anderen Rohr drehbar ist und ist der Teilschnitt VII-VII nach F i g. 8; F i
g. 8 ist eine Draufsicht auf das Gerät nach Fig.7.
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F i g. 1. zeigt in Seitenansicht im Schnitt das erfindungsgemäße Gerät
zur Herstellung der Muffen-. Schrumpfverbindungen. Das Gerät kann beispielsweise
oberhalb einer Ölbohrung aufgestellt werden, in die Rohre 32 und 34 hinein- oder
aus dieser herausgeführt werden. Die Rohre 32 und 34 werden an ihrer Verbindungsstelle
durch eine Muffe 22 übergriffen, wobei die Rohrenden zur Verbindungsstelle
hin kegelig zulaufen, während der Innendurchmesser der Muffe 22 in entsprechender
Weise nach außen hin sich kegelig aufweitet, so daß der Verbindungsspalt zwischen
einzelnen Teilen kegelige Paßflächen aufweist. Die Außenwandung der Muffe ist mit
COffnungen 40 und 46 versehen, durch welche eine Hydraulikflüssigkeit in den Verbindungsspalt
eingedrückt werden kann. Der Injektor hierfür befindet sich in einem Halter 404,
welcher auf die Muffe aufsetzbar ist und sich auf dieser abstützt. Dieser Halter
mit dem Injektor ist in F i g. 2 im einzelnen dargestellt. Bei der Darstellung nach
F i g. 1 sitzt der Halter auf dem oberen Teil der Muffe 22, während das Unterteil
der Muffe auf das Rohr 34 bereits aufgeschrumpft ist.
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Zum Einbringen der Rohre 32 und 34 in die Muffe 22 und zum Abstützen
während des Einbringens -bzw. Aufweitvorganges sind hydraulisch bewegbare Klemmbacken
388 vorgesehen, die auf ihrer den Rohren zugewandten Seite konkave Innenflächen
(F i g. 4 und 5) haben. Die Backen 388 sind als Kolben ausgebildet und in Zylinderbohrungen
386 eines Querträgers 384 bzw. eines unterliegenden Gehäuses 356 geführt. Im Querträger
384 und im Gehäuse 356 sind nach der Seite offene Ausnehmungen 354 vorgesehen, deren
lichte Weite größer als der Außendurchmesser 22 ist, und die ein seitliches Ansetzen
des Gerätes unter Aufnahme der Rohre und der Muffe gestatten.
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Der obere Querträger 384 verbindet zwei hohle, mit Kanälen 398 versehene
Kolbenstangen 382 und wird von diesen getragen. Die Kolbenstangen 382 sind im Gehäuse
356 geführt und mit je einem Kolben 360 verbunden, der seinerseits in Zylinderbohrungen
358 des Gehäuses geführt ist. Es können auch mehr als zwei derartige Anordnungen
vorgesehen sein.
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Die Hydraulikflüssigkeit wird wahlweise den beiden Seiten der Kolben
360 über einen Steuerschieber 362 und Kanäle 366 bzw. 368 zugeführt. Die Zufuhr
der Hydraulikflüssigkeit zu den Zylindern 386 der Backen 388 erfolgt über ein Ventil
392 über eine besondere Zufuhrleitung 394 (F i g. 5 und 6), und zwar im Gehäuse
über die Kolbenstangen 382 umgebende Ringkanäle und einen Verbindungskanal
396 und im Querträger 384 über die Axialkanäle 398 der Kolbenstangen und
entsprechende Querbohrungen in den Kolbenstangen.
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Der Steuerschieber 362 ist an eine Zuflußleitung 364 und an eine Abflußleitung
370 angeschlossen und gestattet in Abhängigkeit von seiner oberen und unteren Stellung
den wahlweisen Anschluß je einer Seite der Kolben 360 an die Zuflußleitung und den
Anschluß der jeweils gegenüberliegenden Seite der Abflußleitung 370. Der Betätigung
des Steuerschiebers 362 dient ein Handhebel 376, wobei in der in F i g. 1 dargestellten
Schieberstellung die untenliegenden Seiten der Kolben 360 an die Zuflußleitung 364
und die obenliegenden Seiten an die Abflußleitung 370
angeschlossen sind.
Die Kolben werden sich also nach oben bewegen.
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F i g. 2 ist der Schnitt 11-II nach F i g. 1 in vergrößertem
Maßstab
und läßt insbesondere die kegeligen Paßflächen an den Enden der Rohre 32 und 34
sowie an den Innenflächen der Muffe 22 erkennen. Diese sind mit 42 und 44 bezeichnet.
An die Durchtrittsöffnung 46 im Muffenmantel ist ein Ringkanal 48 angeschlossen.
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In der Halterung 404 ist eine radiale Zylinderbohrung 406 zur
Aufnahme eines als Kolben ausgebildeten Injektors 408 vorgesehen, dessen Düse auf
einen Paßsitz 50 der Bohrung 46 aufsetzbar ist. Der durch die Zuflußleitung
410 zugeführte hydraulische Druck hält den Kolben 408 auf ziem Sitz. Eine Rückstellfeder
409 zieht den Injektor nach Aufhebung des Hydraulikdruckes zurück.
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Zur axialen Ausrichtung des Injektors 408 mit dem Sitz 50 liegt die
Unterkante 411 eines die Muffe übergreifenden Flansches auf dem oberen Muffenrand
auf. Der axiale Abstand zwischen der Fläche 411 und der Mittellinie des Injektors
entspricht dem axialen Abstand zwischen dem Muffenende und der Mittellinie der Bohrung
46. Zur radialen Ausrichtung ist die Oberkante der Muffe mit einer V-förmigen Kerbe
412 versehen, in welche ein entsprechend geformtes Ende eines an dem die Muffe übergreifenden
Flansch der Halterung 404 vorgesehenen Keiles 413 eingreift.
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F i g. 3 zeigt die Anordnung nach F i g. 2 in Draufsicht und läßt
insbesondere den die Oberkante der Muffe 22 teilweise übergreifenden Flansch mit
seiner gestrichelt angedeuteten Unterfläche 411 erkennen.
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F i g. 4 ist der Schnitt IV-IV nach F i g. 1 und zeigt die Form des
oberen Querträgers 384 sowie die Lage und Form der Ausnehmung 354 in diesem Träger.
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F i g. 5 ist der Schnitt V-V nach F i g. 1 und läßt die Form des Gehäuses
356 sowie die Form der Backen 388 und die Lage der die Kolbenstangen 382 umgebenden
Ringkanäle zur Zufuhr der Hydraulikflüssigkeit zu den Zylindern 386 für die als
Kolben ausgebildeten Backen 388 erkennen. Außerdem ist in F i g. 5 ein Handrad 400
zur Betätigung des Ventils 392 (F i g. 1) erkennbar. Die Zufiußleitung 394 für die
Hydraulikflüssigkeit, die zu den Backen führt, ist angedeutet und ebenso die mit
402 bezeichnete Abflußleitung.
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F i g. 6 ist der Schnitt VI-VI nach F i g. 1 und zeigt den inneren
Aufbau des Ventils 392 sowie die Führung des Verbindungskanals 396 zwischen den
Ringkanälen um die Kolbenstangen 382.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung ist folgende: In F i
g. 1 befinden sich die Bauteile in einer Lage, in welcher durch die Beaufschlagung
der unteren Seiten der Kolben 360 sich die Kolbenstangen 382 und damit der obere
Querträger 384 nach oben bewegen. Durch öffnung des Ventils 392 wird der Verbindungsleitung
396 nach F i g. 6 die hydraulische Druckflüssigkeit zugeleitet und gleichzeitig
die Abflußleitung 402 gesperrt. Damit befinden sich alle vier Backen 388
in Klemmstellung, so daß bei Aufwärtsbewegung des Querträgers 384 das Rohr 32 aus
der Muffe 22 herausgezogen wird. Vor und während des Lösevorganges wird zwischen
die Paßflächen 42 und 44 (F i g. 2) durch den Injektor 408 zur Aufweitung des Verbindungsspaltes
hydraulische Druckflüssigkeit eingeleitet. Da dieser Aufweitungsdruck gleichfalls
in öffnungsrichtung wirkt, kann der die Kolben 360 beaufschlagende Druck geringfügig
sein. Unter Umständen kann es sogar notwendig sein, die obenliegenden Flächen der
Kolben 360 durch Umschaltung des Steuerschiebers 362 zu beaufschlagen, um eine schnelle
Aufwärtsbewegung des Rohres 32 zu verzögern. Ein Lösen der Backen 388 nach beendigtem
Arbeitsgang erfolgt durch Schließen des Ventils 392, wodurch die Auslaßleitung 402
an den Kanal 396 angeschlossen wird, so daß der Spanndruck abfällt. Zusätzlich können
Rückstellfedern für die Backen 388 vorgesehen sein.
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Zur Herstellung einer Schrumpfverbindung befinden sich die Kolben
360 in Aufnahmestellung oben, wobei in dieser Lage die Backen 388 in der
beschriebenen Weise gespannt werden. Durch Beaufschlagung der Oberseite der Kolben
360 werden diese jetzt kontinuierlich nach unten bewegt, während gleichzeitig der
Einspritzdruck, der durch den Injektor 408 aufgebracht wird, kontinuierlich zunimmt.
Die Abwärtsbewegung und der Einspritzdruck müssen dabei so aufeinander abgestimmt
sein, daß jenseits des Ringkanals 48 im Bereich der Außenenden Muffe und Rohr aneinander
anliegen, um den Verbindungsspalt nach außen zu schließen, um ein Austreten der
Aufweitflüssigkeit zu verhindern.
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Die Größen der einzelnen Drücke hängen ab vom Kegelwinkel, dem Rohrdurchmesser,
der Wandstärke, der Länge der Kegeloberflächen sowie von den verwendeten Materialien
und damit vom Reibungskoeffizienten.
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F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes,
mit welchem Schrumpfverbindungen hergestellt werden können, bei Rohren, deren Enden
mit Gewinde versehen sind, die in entsprechende Innengewinde der Muffe eingreifen.
Es ist hier ein oberer Querträger 461 vorgesehen, der wie bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform die Kolbenstangen 382 verbindet. Im vorliegenden Fall trägt der
Querträger 461 jedoch eine Hülse 462, auf welcher durch Kugellager 466 und 468 ein
Rotor 464 um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Der Rotor hat einen außenliegenden
Zahnkranz 470, mit welchem er antreibbar ist. Am oberen Ende des Rotors 464
sind radial verlaufende Zylinderbohrungen 480 zur Aufnahme von kolbenartigen Backen
482 vorgesehen, die ein Festspannen des Rohrendes 32c gestatten. Backen und Rohrenden
drehen sich also mit. Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 werden die Backen
482 über die Kanäle 398 in den Kolbenstangen 382 beaufschlagt, wobei die Verbindung
über einen Kanl 486 im Querträger 461 sowie in der feststehenden Hülse 462 und über
einen Stichkanal 488 und über einen Ringkanal im Rotor 464 zu den senkrechten Kanälen
490 hergestellt ist. Wie dargestellt, kommt man hier mit einem einzigen Kanal 398
in einer der Kolbenstangen 382 aus.
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Aufbau und Wirkungsweise des Injektors 408 entsprechen dem der zuvor
beschriebenen Anordnung, jedoch zeigt hier die Halterung 492 einen etwas anderen
Aufbau, indem sie zweiteilig ausgeführt ist und um die Muffe 22c diese einschließend
herumgeklappt werden kann.
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F i g. 8 zeigt die Anordnung nach F i g. 7 in Draufsicht und läßt
insbesondere den Antrieb des Zahnkranzes 470 durch ein Ritzel 472 erkennen, das
seinerseits durch einen am Querträger 461 angeflanschten Hydraulikmotor antreibbar
sein kann. Wie in F i g. 8 dargestellt, können drei im gleichen Winkelabstand zueinander
angeordnete Backen 482 vorgesehen sein.
Die Wirkungsweise der beschriebenen
Anordnung ist folgende: Die Kolben 360 dienen bei dieser Anordnung lediglich dazu,
die Rohre 32 c und 34 c in die Muffe einzuführen, so weit, bis die ersten Gewindegänge
fassen können. Die eigentliche Einzieharbeit wird dann von den Gewindegängen übernommen,
wobei während dieser Bewegung das Ventil 362 in einer neutralen, nicht dargestellten
Stellung sein kann. Allerdings kann auf die Kolben 360 ein gewisser Druck in Einzieh-
oder Löserichtung ausgeübt werden, um das Einbringen der Gewinde unter dem Druck
der Aufweitflüssigkeit zu erleichtern.
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Nach Hinführen des oberen Rohres 32 c bei der dargestellten Lage zu
den Gewindegängen der Muffe 22c und nach einem vorzugsweise manuellem Anziehen der
Gewindegänge wird der Hydraulikmotor zur Betätigung des Ritzels 472 beaufschlagt
und der Rotor 464 in Einzugsrichtung gedreht. Gleichzeitig wird mittels des
Injektors 408 zwischen die Gewindegänge eine hydraulische Flüssigkeit gedrückt,
um den Verbindungsspalt aufzuweiten. Die Drücke sind wie bei der zuvor beschriebenen
Ausführung aufeinander abgestimmt. Das Lösen der Verbindung geschieht in entsprechender
Weise mit umgekehrter Drehrichtung.