DE19836088C1

DE19836088C1 - Rohrverbindung

Info

Publication number: DE19836088C1
Application number: DE19836088A
Authority: DE
Inventors: Erich Quadflieg; Gerhard Krug; Friedrich Lenze; Martin Schlueter
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2018-08-01
Also published as: NO20010508L; NO20010508D0; JP2002522713A; EP1099071A2; BR9912666A; WO2000008367A2; WO2000008367A3; AU6078199A; AR023032A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung mit einem Muffenelement, das einen vom Ende axial nach innen sich erstreckenden Innengewindeabschnitt aufweist, an den sich ein gewindefreier Abschnitt anschließt und mit einem Zapfenelement, das einen komplementär zum Muffenelement ausgebildeten Gewindeabschnitt aufweist, an den sich ein bis zum stirnseitigen Ende sich erstreckender gewindefreier Abschnitt, der auch als Lippe bezeichnet wird, anschließt und die gewindefreien Abschnitte im verschraubten Zustand zueinander in Kontakt treten und ein metallisches Dichtsystem bilden, wobei das Dichtsystem mit zwei axial voneinander beabstandeten Kontaktzonen versehen ist und wovon mindestens eine Kontaktzone geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die einen kürzeren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Schutzsitz und die einen weiteren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Dichtsitz ausgebildet sind, wobei für den Dichtsitz ein Abstand zum Gewindeeinlauf und ein Grad der Durchbiegung (1) gewählt wird, der im Dichtsitz eine Flächenpressung von mindestens dem Sechsfachen der theoretisch erforderlichen Flächenpressung, aber höchstens 90% der Streckgrenze in bezug auf den verwendeten Werkstoff erzeugt, wobei der Grad der Durchbiegung (1) immer größer ist als die Gewindeüberdeckung im Bereich des Gewindeeinlaufes und mit Gewindeeinlauf eine Ebene definiert ist, in der ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Rohrverbinder dienen zum Verbinden rohrförmiger Elemente, beispielsweise von Rohrleitungen, die insbesondere unter Druck stehende Fluide, wie beispielsweise Gas oder Öl, befördern.

Bei den für den genannten Einsatzzweck von verschiedenen Herstellern entwickelten Rohrverbindungen wird die Dichtheit der Verbindung zumeist durch eine hohe Kontaktpressung aufgrund einer Überdeckung (Übermaß) im metallischen Dichtsitz erzielt. Dabei wirkt eine im Muffenelement in einem gewindefreien Abschnitt z. B. zylindrisch ausgebildete Kontaktfläche mit einer z. B. konvex ausgebildeten Kontaktfläche des Zapfenelementes zusammen. Häufig weist eine solche Verbindung eine Stoßschulter des Muffen- und Zapfenelementes auf. Die Stoßschulter dient als Einschraubbegrenzung und soll durch entsprechende Vorspannung dafür sorgen, daß trotz steigender Zugbelastung der angrenzende metallische Dichtsitz aktiviert bleibt. Allgemein wird angenommen, daß die unter Belastung auftretenden elastischen Dehnungen bzw. Stauchungen von Muffen- und Zapfenelement dazu führen, daß der Kontaktbereich mit der höchsten Flächenpressung im Scheitelpunkt des metallischen Dichtsitzes axial soweit verschoben und die Flächenpressung geringer werden kann, daß die Dichtheit nicht mehr für den höchsten für das Rohr zulässigen Innen- oder Außendruck gewährleistet ist. Mehrere Versuchsreihen und Modellrechnungen haben gezeigt, daß dieser Effekt des axialen Wanderns des Kontaktbereiches eintritt, und zwar in einer Größenordnung, die für die Gewährleistung der Dichtfunktion von entscheidender Bedeutung ist. Vor diesem Hintergrund hat man versucht, mittels hoher Überdeckung als konstruktive Maßnahme eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten. Dieses Prinzip führt jedoch zu hohen Kontaktspannungen und birgt damit die Gefahr, daß der metallische Dichtsitz plastifiziert wird. Zur Überwindung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (DE 44 46 806 C1), eine Rohrverbindung anzugeben, die im gewindefreien Abschnitt des Muffen- und des Zapfenelementes zwei voneinander beabstandete Kontaktflächenpaare aufweist, deren Basis-Dichtwirkung durch Belastung je nach Belastungsart unabhängig voneinander unterschiedlich verstärkt wird und wovon mindestens ein Kontaktflächenpaar geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist.

Langjährige Versuchsreihen haben nun ergeben, daß der der bekannten Konstruktion zugrundeliegende Ansatz der Unabhängigkeit der Dichtwirkung der beiden Kontaktflächenpaare insbesondere unter Berücksichtigung der Herstelltoleranzen nicht immer zum gewünschten Ergebnis führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rohrverbindung anzugeben, die unter Berücksichtigung der Herstelltoleranzen sicherstellt, daß unter allen Belastungszuständen eine ausreichende Dichtwirkung des metallischen Dichtsitzes gewährleistet bleibt.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik ist die einen kürzeren Abstand zum Ende der Lippe aufweisende Kontaktzone als Schutzsitz und die einen weiteren Abstand zum Ende der Lippe aufweisende Kontaktzone als Dichtsitz ausgebildet. Der Begriff Lippe wird hierbei als Synonym für den gewindefreien Abschnitt des Zapfenelementes verwendet. Für den Dichtsitz wird ein Abstand zum Gewindeeinlauf und ein Grad der Durchbiegung gewählt, der im Dichtsitz eine Flächenpressung von mindestens dem Sechsfachen der theoretisch erforderlichen Flächenpressung, aber höchstens 90% der Streckgrenze in bezug auf den verwendeten Werkstoff erzeugt, wobei der Grad der Durchbiegung immer größer ist als die Gewindeüberdeckung im Bereich des Gewindeeinlaufes. Unter dem hier gewählten Begriff Durchbiegung soll folgendes verstanden werden: Aufgrund der geometrischen Übermaße (Überdeckungen) in den Kontaktzonen und im Gewindebereich, vornehmlich am Gewindeeinlauf, sowie durch Kräfteeinleitung durch eine Stoßschulter wird im verschraubten Zustand im Muffen- und Zapfenelement eine Biegelinie erzeugt, die örtlich unterschiedliche radiale Verschiebungen in Form von Durchbiegungen aufweist.

Für den Schutzsitz wird ein definierter Abstand zum Ende der Lippe einerseits und zum Dichtsitz andererseits sowie ein 1,15 bis 1,30-fach höherer Grad der Durchbiegung in bezug auf den Dichtsitz gewählt. In Abhängigkeit vom gewünschten Grad der Durchbiegung des Dichtsitzes wird auch unter Berücksichtigung der Überlagerung extern angreifender Lasten und Momente nach dem Verschrauben im Dichtsitz bei vollständigem Erhalt der Dichtfunktion eine Gesamtspannung erreicht, die höchstens gleich oder geringer ist als die Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes.

Der der erfindungsgemäßen Konstruktion zugrundeliegende neue Ansatz berücksichtigt im hohen Maß die Lage der Kontaktzone des metallischen Dichtsitzes und den dadurch bedingten Querkraft- und Biegemomentverlauf für die Lippe, mit der Zielsetzung, radial, tangential und möglichst auch axial negative Spannungen zu erzeugen und damit die Vergleichsspannung (von Mises) zu minimieren. Hohe schädliche Zugbiegespannungen als Folge eines ungünstigen Biegemomentverlaufes werden durch die optimierte Positionierung der Kontaktzone sowie durch kontrollierte Überlagerung von an anderer Stelle eingeleiteten Querkräften und Biegemomenten vermieden. Diese überlagernden Querkräfte und Biegemomente werden durch den Schutzsitz erzeugt, der in einem deutlich geringeren Abstand zum Ende der Lippe im Vergleich zum Dichtsitz positioniert wird. Der Schutzsitz hat zugleich die Aufgabe, den Dichtsitz durch Abschirmen gegen äußere Kräfte zu stabilisieren. Der Schutzsitz hat eine vom Grad der Durchbiegung des Dichtsitzes abhängige größere Durchbiegung im Bereich des 1,15 bis 1,30-fachen, bezogen auf den Dichtsitz. Für die Funktionsfähigkeit dieses Systems müssen neben der Festlegung des Grades der Durchbiegung auch noch bestimmte Abstände zwischen Ende der Lippe und den Kontaktzonen (Schutzsitz, Dichtsitz, Gewindeeinlauf) eingehalten werden. Im Anspruch 2 sind diese im einzelnen formelmäßig in Abhängigkeit von der jeweiligen Rohrabmessung festgelegt. Der den Abstand bestimmende Geometriefaktor ist direkt proportional zu dem Mittelwert der Querschnitte in den einzelnen Kontaktzonen.

Prinzipiell können für die Optimierung des Querkraft- und Biegemomentverlaufs konstruktiv weitere Kontaktzonen eingeführt werden.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion ist darin zu sehen, daß auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Herstelltoleranzen durch Überlagerung der im Schutzsitz erzeugbaren Querkräfte und Biegemomente sich für den Dichtsitz eine Gesamtspannung ergibt, die höchstens gleich oder geringer ist als die Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes. Somit ist sichergestellt, daß für alle Belastungszustände die Dichtfunktion des Dichtsitzes aufrechterhalten bleibt. Aus dem Stand der Technik (DE 44 46 806 C1) ist bereits bekannt, daß bei einer Rohrverbindung mit Stoßschulter alternativ das Zapfenelement im gewindefreien Abschnitt eine schrägverlaufende gerade Kontaktfläche und das Muffenelement zwei damit zusammenwirkende konvexe, ballig ausgebildete Kontaktflächen aufweist. Für eine Rohrverbindung ohne Stoßschulter wird vorgeschlagen, die Kontaktfläche des Zapfenelementes in zwei Abschnitte mit einer unterschiedlichen Kegelneigung aufzuteilen, wobei der Abschnitt mit der großen Kegelneigung mit der als Schutzsitz ausgebildeten Kontaktfläche des Muffenelementes zusammenwirkt. Die Kegelneigung am Schutzsitz soll mindestens 20% steiler als die Neigung am Dichtsitz ausgebildet sein und als Überschraubhemmung wirken. Durch den steileren Kegel des Schutzsitzes wird selbst bei zulässigem Überschrauben aufgrund der höheren Schutzsitz-Querkräfte eine negative Beeinflussung der Spannungsverhältnisse im Dichtsitz verhindert.

In den Figuren werden die zuvor erläuterten Zusammenhänge bezüglich Abstand von Kontaktebenen, Querkräfte, Biegemomente und Durchbiegung schematisch als Diagramme dargestellt sowie Ausführungsformen skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 Grundlegende Zusammenhänge des Einflusses des Abstandes der Kontaktpressung vom Ende der Lippe

Fig. 2 Durchbiegung (a), Querkräfte (b) und Biegemomente (c) für eine Lippe mit zwei Kontaktzonen bei einer optimalen Abstandswahl ohne axiale Vorspannung

Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch mit axialer Vorspannung

Fig. 4 Einfluß des Stoßwinkels bei axialer Vorspannung

Fig. 5 Einfluß der Abstandswahl zwischen Schutzsitz und Dichtsitz

Fig. 6 im Längsschnitt ein Muffen- und ein Zapfenelement mit einer Anordnung von Schutzsitz und Dichtsitz

Fig. 7 im Längsschnitt ein System aus Schutz- und Dichtsitz einer stoßfreien Verbindung

In Fig. 1 sind die Grundüberlegungen dargestellt, wobei im oberen Teil die Lippe 4 = gewindefreier Abschnitt des Zapfenelementes - als der kritischere Teil, verglichen mit dem Muffenelement, als dünnwandiger, kurzer Hohlzylinder mit geringer Wanddickenänderung angesehen wird und als Halbschnitt mit eingeleiteten Kräften dargestellt ist. Die Ergebnisse der Anwendung theoretischer Grundlagen aus der Schalentheorie für einen Hohlzylinder mit Krafteinleitung F_u an dem Ende 5 der Lippe 4 und mit der Krafteinleitung F_u' in einem vom Ende 5 der Lippe 4 bzw. von der Kraft F_u unbeeinflußten Abstand sind im unteren Teil von Fig. 1 schematisch dargestellt. Auf der Abszisse ist der Abstand vom Ende 5 der Lippe 4 und auf der Ordinate vorzeichenbehaftet die Querkraft, das Biegemoment sowie die Durchbiegung ortsabhängig abgetragen.

Die linke Seite im Diagramm zeigt beispielhaft die Positionierung einer Kontaktzone an der Lippe 4. Werden nun in dieser Ebene Umfangskräfte F_u eingeleitet, so erzeugen diese eine Durchbiegung 1 (ausgezogene Linie), Querkräfte 2 (gestrichelte Linie) und Biegemomente 3 (gepunktete Linie), die in Form von stark gedämpften Schwingungen abklingen. Die Frequenz dieser Schwingungen und damit die longitudinale Erstreckung der Belastungen und geometrischen Veränderungen werden dabei durch die Geometrie der Lippe 4 (Radius, Dicke) bestimmt.

Die Größe der Belastungen und Verformungen hängt von der Höhe der Umfangskraft ab und in welchem Abstand vom Ende 5 der Lippe 4 diese angreift. Um dieselbe Durchbiegung 1 wie bei der Belastung am Ende 5 der Lippe 4 zu erzielen, sind je nach Entfernung Kräfte bis zur vierfachen Höhe erforderlich. Im rechten Teil der Figur ist dieser Fall mit der höheren Umfangskraft F_u' kenntlich gemacht durch den längeren Pfeil F_u' im Vergleich zu F_u. Infolge der größeren Umfangskraft F_u' sind auch die Querkräfte 2' und Biegemomente 3' bedeutend höher, wobei die Biegemomente 3' in der Kontaktzone von entgegengesetztem Vorzeichen sind, verglichen mit denen am Ende 5 der Lippe 4. Diese Momente erzeugen für die Vergleichsspannung ungünstige Zugbiegespannungen anstelle der Druckbiegespannungen bei Krafteinleitung am Ende 5 der Lippe 4.

Die Umfangskräfte werden durch eine vorgegebene Durchbiegung (Überdeckung in der Kontaktzone) beim Verschrauben erzeugt. Je nach Positionierung der Kontaktzone ergeben sich für gleiche Kontaktpressungen (Hertz'sche Flächenpressung durch die auftretende Umfangskraft) folgende Auswirkungen:

a) Positionierung der Kontaktzone nahe am Ende 5 der Lippe 4
Zur Erzeugung der für die Flächenpressung erforderlichen Umfangskraft ist eine hohe Durchbiegung (Überdeckung) erforderlich. Dadurch werden jedoch auch große Tangentialspannungen verursacht, die die Fließgrenze überschreiten können. Eine Reduzierung der Durchbiegung ist nur durch eine Verkleinerung der Kontaktfläche möglich oder durch Verbindung mit einer Stoßschulter, die eine inverse Schräge d. h. eine negative Schulter aufweist (siehe Fig. 6). Im letzteren Fall werden die Umfangskräfte durch die Radialkomponente der Vorspannkraft erhöht. Abhängig von verschiedenen Faktoren kann die Höhe der "Zusatzflächenpressung" jedoch nicht ausreichend kontrolliert werden und eine Überbeanspruchung die Folge sein. Unter axialer Zuglast wird der Effekt der Vorspannkraft wieder reduziert und unter Umständen gänzlich aufgehoben. Als vorteilhaft ist das relativ geringe und negative Biegemoment 2 anzusehen.
b) Positionierung in größerer Entfernung vom Ende 5 der Lippe 4
Bei einer solchen Positionierung der Kontaktzone wird eine hohe Flächenpressung schon bei geringer Durchbiegung und kleiner Tangentialspannung erzeugt. Bei Anordnung einer Stoßschulter wird die Kontaktzone von äußeren Axialbelastungen (Vorspannung durch Stoßmoment, axiale Kompression) weniger beeinflußt. Nachteilig wirkt sich das relativ hohe, Biegemoment 2' mit daraus resultierenden Zugbiegespannungen für den Gesamtspannungszustand aus.

In Fig. 2 ist in den Teilbildern a-c für eine Lippe mit zwei Kontaktzonen (Sitze) bei einer optimalen Abstandswahl des Sitzes 1 (Schutzsitz) und des Sitzes 2 (Dichtsitz) vom Lippenende bzw. vom Stoßende einerseits und vom Gewindeeinlauf andererseits die Durchbiegung 1.2-1.2", die Querkräfte 2.2-2.2" und die Biegemomente 3.2- 3.2" aufgetragen. Die durchgezogene Linie stellt das Optimum dar, wenn erfindungsgemäß die im Sitz 1 (Schutzsitz) wirkenden Kräfte die Belastung des Sitzes 2 (Dichtsitz) beeinflussen. Die jeweils gestrichelten Linien 1.2', 2.2', 3.2' zeigen ergänzend den Verlauf, wenn nur ein Sitz 2 im weiten Abstand vom Lippenende und die gepunkteten Linien 1.2", 2.2", 3.2", bzw. wenn nur ein Sitz 1 in naher Entfernung am Lippenende positioniert ist. Im Teilbild a ist zu erkennen, daß die Durchbiegung 1.2 im Sitz 1 größer gewählt wird als im Sitz 2, und zwar erfindungsgemäß in einem Bereich des 1,15 bis 1,30-fachen. Die erfindungsgemäße Überlagerung der Kräfte und Momente in den beiden Sitzen 1, 2 ist insbesondere den Teilbildern b und c zu entnehmen. Die Anordnung eines Schutzsitzes (Sitz 1) reduziert zwar die Querkräfte 2.2 im Vergleich zu 2.2' und damit die Flächenpressung, aber der verbleibende Betrag ist noch groß genug, um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen. Die im Querkraftverlauf erkennbaren Kurvensprünge repräsentieren die in den Sitzen bzw. Kontaktzonen eingeleiteten Umfangskräfte, wobei deren Betrag durch die Sprunghöhe wiedergegeben wird. Wesentlich im Hinblick auf die Gesamtbelastung ist die erfindungsgemäße Minimierung der schädlichen Zugbiegespannungen durch die positven Biegemomente 3.2 im Vergleich zu 3.2' gemäß Teilbild c.

Fig. 3 zeigt den Einfluß einer Vorspannkraft mit der Radialkomponente 6 bei Anordnung einer Schulter mit kleinem Stoßwinkel. Die Aufteilung in die Teilbilder a-c ist die gleiche wie in Fig. 2. Die aufgebrachte Radialkomponente 6 ist im Teilbild b am Lippenende abgetragen, und zwar als positive Querkraft. Man erkennt, daß die Querkraft 2.3 im Sitz 2 (Dichtsitz) so gut wie nicht beeinflußt wird. Das als schädlich angesehene Biegemoment 3.3 im Teilbild c ist durch die Vorspannung sogar etwas geringer geworden im Vergleich zu Fig. 2. Ohne die Funktion des Schutzsitzes (Sitz 1) würden im Dichtsitz (Sitz 2) selbst bei der hier vorgegebenen kleinen Radialkomponente 6 der Vorspannkraft erheblich höhere Flächenpressungen und schädliche Biegezugspannungen auftreten (Linien 2.3', 3.3' im Vergleich zu 2.3, 3.3).

In Fig. 4 ist der Einfluß des Winkels der Stoßschulter auf Durchbiegung (a), Querkraft (b) und Biegemoment (c) dargestellt. Im Teilbild b ist gut zu erkennen, daß bei größerem Stoßwinkel als 10 Grad (im Beispiel 15°) die Querkräfte 2.4" im Vergleich zu 2.4 im Dichtsitz reduziert werden, während sie im Sitz 1 mehr als verdoppelt werden, was zu Vergleichsspannungen führt, die die Fließgrenze überschreiten. Vorzugsweise ist daher ein kleinerer Winkel als 10 Grad (im Beispiel 6°) zu wählen, der im Dichtsitz keinen Einfluß ausübt (2.4' im Vergleich zu 2.4). Auch die Veränderung des Spannungszustandes im Schutzsitz verbleibt in zulässigen Grenzen. Aus den Abbildungen b und c ist deutlich die Schutzfunktion des Sitzes 1 daran zu erkennen, daß auch bei kleinem Stoßwinkel am Lippenende eingeleitete Kräfte bis zum Gewindeeinlauf Auswirkungen zeigen, im Dichtsitz selbst jedoch keinen schädlichen Einfluß ausüben.

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäß optimierten Abstände zwischen Lippenende und Schutzsitz, Schutzsitz und Dichtsitz, Dichtsitz und Gewindeeinlauf und die daraus resultierenden Durchbiegungen, Querkräfte und Biegemomente (Linien 1.5, 2.5, 3.5). Daraus ergeben sich Werte, die in Fig. 2 schon ausführlich erörtert worden sind. Wird der Sitz 2 (Dichtsitz) näher zu Sitz 1 verlagert bei gleichzeitiger Entfernung vom Gewindeeinlauf, so ergibt sich für diese Position Sitz 2' eine Querkraft 2.5', die zu gering ist, um eine ausreichende Dichtwirkung zu gewährleisten. Eine Positionierung Sitz 2" mit zu großem Abstand von Sitz 1 und Näherung an den Gewindeeinlauf ergibt an dieser Stelle sehr hohe Querkräfte und Überschreiten der zulässigen Flächenpressung.

Fig. 6 zeigt ein Muffen- und ein Zapfenelement in erfindungsgemäß konstruktiver Ausführung. Das Muffenelement 7 weist einen innenliegenden Gewindeabschnitt 8 auf, der sich von der Stirnseite 9 bis zum gewindefreien Abschnitt 10 erstreckt. Der Bereich 10 wird durch eine Stoßschulter 11 abgeschlossen. Im gewindefreien Abschnitt 10 sind im Kontaktbereich 12 des Dichtsystems erfindungsgemäß zwei ballig konturierte Sitze 13, 14 angeordnet. Davon ist der zur Schulter 11 näherliegende Sitz 13 als Schutzsitz und der weiter entfernt liegende Sitz 14 als Dichtsitz ausgebildet. Die Radien der Ballen sind mit entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet. Die Stoßschulter 11 weist erfindungsgemäß eine schwache negative Schräge 15 von < 10 Grad auf. Zwischen Gewindeende 16 und dem Kontaktflächenbereich 12 verbleibt ein Übergangsabschnitt 17 für das Ausfahren des Gewindeschneidwerkzeugs. Das Zapfenelement 18 weist einen außenliegenden Gewindeabschnitt 19 auf, der komplementär zum Gewindeabschnitt 8 des Muffenelementes 7 ausgebildet ist. Der außenliegende Gewindeabschnitt 19 geht auslaufend dann über in die Ausgangsdicke 20 des Rohres 21. Vor dem Gewindeeinlauf 22 liegt ein gewindefreier Abschnitt 23, der dann übergeht in eine Stoßschulter 24, die mit der Stoßschulter 11 des Muffenelementes 7 zusammenwirkt.

Von der Schulter 24 aus erstreckt sich eine konische Mantelfläche 25 bis über die Position der balligen Sitze 13, 14 des Muffenelementes 7 hinaus. Die restliche Mantelfläche 26 des gewindefreien Abschnittes 23 kann mit demselben Konus fortgesetzt werden oder zur Erhöhung der Elastizität der Lippe mit einer geringeren Neigung oder zylindrisch ausgeführt werden.

Fig. 7 zeigt ausschnittsweise die erfindungsgemäße Ausführung einer stoßfreien Rohrverbindung. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird die konische Mantelfläche 25 des Zapfenelementes 18 durch eine doppelkegelige Kontur ersetzt. Dazu weist das Zapfenelement 30 im Anschluß an die restliche Mantelfläche 31 zwei unterschiedlich geneigte Kegelflächen 32, 33 auf. Dabei bildet der von der Stirnfläche 36 des Zapfenelementes 30 weiter entfernt liegende Sitz 34 den Dichtsitz und der näherliegende Sitz 35 den Schutzsitz, wobei dieser mit einer stärker geneigten Kegelfläche 33 versehen ist. Das Muffenelement 37 ist im Bereich des Schutzsitzes 38 mit einer konvex balligen Kontur versehen. Diese hat im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 6 einen größeren Radius als der Schutzsitz 13 und läuft über eine Schräge 39 zur Muffenmitte 40 aus. Alternativ kann anstelle der konvexen und abgeschrägten Kontur auch eine kegelige Mantelfläche ausgeführt werden, die dem Konus 33 des Zapfenelementes 30 entspricht.

Claims

1. Rohrverbindung mit einem Muffenelement, das einen vom Ende axial nach innen sich erstreckenden Innengewindeabschnitt aufweist, an den sich ein gewindefreier Abschnitt anschließt und mit einem Zapfenelement, das einen komplementär zum Muffenelement ausgebildeten Gewindeabschnitt aufweist, an den sich ein bis zum stirnseitigen Ende sich erstreckender gewindefreier Abschnitt, der auch als Lippe bezeichnet wird, anschließt und die gewindefreien Abschnitte im verschraubten Zustand zueinander in Kontakt treten und ein metallisches Dichtsystem bilden, wobei das Dichtsystem mit zwei axial voneinander beabstandeten Kontaktzonen versehen ist und wovon mindestens eine Kontaktzone geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die einen kürzeren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Schutzsitz und die einen weiteren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Dichtsitz ausgebildet sind, wobei für den Dichtsitz ein Abstand zum Gewindeeinlauf und ein Grad der Durchbiegung (1) gewählt wird, der im Dichtsitz eine Flächenpressung von mindestens dem Sechsfachen der theoretisch erforderlichen Flächenpressung, aber höchstens 90% der Streckgrenze in bezug auf den verwendeten Werkstoff erzeugt, wobei der Grad der Durchbiegung (1) immer größer ist als die Gewindeüberdeckung im Bereich des Gewindeeinlaufes und mit Gewindeeinlauf eine Ebene definiert ist, in der Zapfen- und Muffengewinde auf der Lippenseite den ersten Kontakt haben
und daß für den Schutzsitz ein Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) einerseits und zum Dichtsitz andererseits sowie ein 1,15 bis 1,30-fach höherer Grad der Durchbiegung (1) in bezug auf den Dichtsitz gewählt wird, der in Abhängigkeit vom gewählten Grad der Durchbiegung (1) des Dichtsitzes auch unter Berücksichtigung von Herstelltoleranzen sowie der Überlagerung extern angreifender Lasten und Momente nach dem Verschrauben im Dichtsitz bei vollem Erhalt der Dichtfunktion eine Gesamtspannung ergibt, die höchstens gleich oder kleiner ist als die Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes.

2. Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Schutzsitz und Ende (5) der Lippe (4) einerseits und zwischen Schutzsitz und Dichtsitz andererseits sowie zwischen Dichtsitz und Gewindeeinlauf den folgenden Bedingungen genügen.
Es bedeuten:
X = Abstand
A = Querschnitt
f₁, f₂, f₃ = Geometriefaktor
Indices:
L = Lippenende
S = Schutzsitz
D = Dichtsitz
G = Gewindeeinlauf

3. Rohrverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegende Stirnfläche des Muffen- (7) und die außenliegende Stirnfläche des Zapfenelementes (18) im jeweils gewindefreien Abschnitt (10, 23) so ausgebildet sind, daß sie eine Stoßschulter (11, 24) bilden, die als Schrägschulter mit einer Schräge (15) < 15 Grad versehen ist.

4. Rohrverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräge (15) < 10 Grad ist.

5. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rohrverbindung mit Stoßschulter (11, 24) das Zapfenelement (18) im gewindefreien Abschnitt (23) eine schrägverlaufende gerade Kontaktfläche (25) und das Muffenelement (7) zwei damit zusammenwirkende konvex, ballig ausgebildete Kontaktflächen (13, 14) aufweist.

6. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rohrverbindung ohne Stoßschulter die Kontaktfläche des Zapfenelementes (30) zwei Abschnitte (32, 33) mit einer unterschiedlichen Kegelneigung aufweist, wobei der Abschnitt (33) mit der größeren Kegelneigung mit der als Schutzsitz (35) ausgebildeten Kontaktfläche (38) des Muffenelementes (37) zusammenwirkt.

7. Rohrverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kegelfläche (33) am Schutzsitz (35) mindestens 20% steiler ausgebildet ist als die Kegelfläche (32) am Dichtsitz (34).

8. Rohrverbindung nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex ballige Kontur von Dicht- und Schutzsitz am gewindefreien Abschnitt des Zapfenelementes angebracht wird und der komplementäre Teil des Muffenelementes eine kegelige Mantelfläche aufweist.

9. Rohrverbindung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsystem an der Außenseite einer Rohrverbindung angeordnet ist.