DE2309238C3

DE2309238C3 - Muffenverbindung für Bohrlochrohre

Info

Publication number: DE2309238C3
Application number: DE2309238A
Authority: DE
Inventors: Jean Aulnoye-Aymeries Duret
Original assignee: Vallourec SA
Current assignee: Vallourec SA
Priority date: 1972-02-25
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1981-06-19
Also published as: ES411930A1; IT979381B; DE2309238B2; NO143234C; JPS567554B2; NL7302505A; GB1404717A; BR7301358D0; NL161839B; NO143234B; AR206592A1; DE2309238A1; JPS4898426A; CA969577A; FR2173460A5; NL161839C; SU1012807A3; US3854760A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Muffenverbindung für Bohrlochrohre, bestehend aus einem Bolzenelement mit Außengewinde und einem Mutterelement, welches aus einer Muffe und einem mit der Muffe ständig verschraubten Scheinbolzenelemeni besteht, wobei das Bolzenelement und das Mutterelement lösbar miteinander verschraubbar sind und das Scheinbolzenelement an seinem Ende eine Schulter aufweist, gegen die ein entsprechender Anschlag des Bolzenelements dichtend anlegbar ist

Bei derartigen bekannten Rohrverbindungen weisen sowohl das Scheinbolzenelement als auch das ßolzenelemenl in dem Bereich, in welchem diese Elemente in einer gemeinsamen Muffe eingeschraubt sind, einen verminderten Außendurchmesser gegenüber dem Normalaußendurchmesser auf, wobei sowohl das Scheinbolzenelemenl als auch das Boizenelement mittels eines zylindrischen Gewindes mit einem entsprechenden zylindrischen Gewinde der Muffe verschraubt sind. Die ständige Verbindung des Scheinbolzenelements mit der Muffe erfolgt hierbei durch einen Schrumpfvorgang.

Eine Aufgabenstellung dieser bekannten Verbindungen besteht darin, auch im Bereich der VerbindungsmuN fe in etwa denselben Durchmesser des Gestänges zu erreichen wie im übrigen Teil desselben. Die Dichtung erfolgt einerseits durch Iippenförmig auslaufende Enden der Muffen, die sich dichtend gegen die Schrägflächen der sich verjüngenden Übergangsbereiche der Bolzenelemente anlegen, sowie durch die abgeschrägten Stirnflächen der in der Muffe zusammenstoßenden Bolzenelemente. Es ergeben sich somit drei Dichtbereiche, was zu Undefinierten Dichtverhältnissen führt Nicht nur aus dichtungstechnischer, sondern auch aus verformungstechnischer Sicht weist eine derartige

·»■> Verbindung Nachteile auf. Die ununterbrochene abgeschrägte Stirnfläche des Bolzenelements und die entsprechend ausgebildete Stirnfläche des Scheinbolzenelements können bei starken Drehmomenten auf das Bolzenrohr zu einem Abgleiten der Stirnflächen aufeinander führen, so daß je nach der Orientierung der Stirnflächenschräge das Ende des Scheinbolzenelements oder des Bolzenelements nach innen gestaucht wird, wodurch die Funktionsfähigkeit und die Festigkeit der Verbindung beeinträchtigt werden kann.

Es ist zwar auch schon bei konischen Verbindungen versucht worden, Scheinbolzenelemente, die in sogenannte Verbinder eingeschraubt wurden, ständig mit dem muffenförmigsn Verbinder zusammengeschraubt zu halten, während am anderen Ende der Muffe dann der Bolzenansatz eines anderen Verbinders eingeschraubt wird. Bei einer dieser Ausfuhrungsformen wird das -Seheinbolzenelement mit einem relativ kleingin« gigen Gewinde mit der Verbindermuffe dauernd verschraubt, während das am anderen Ende der Muffe e^:ngeschraubte lösbare Bolzenelement über ein grobgängiges Gewinde mit der Muffe verbunden wird. Hierbei wird die Unlösbarkeit dieser Elemente insbesondere dadurch bewirkt, daß die Muffenelemente auf

die Scheinbolzenelemenie aufgeschrumpft werden. Hierdurch soll anscheinend auch die Dichtung in den aufgeschrumpften Bereichen erzielt werden. Ein Aneinanderstoßen der Stirnfläche des Scheinbolzenelements mit dem Bolzenelement soll nicht stattfinden, weil die Einschraubbarkeit des Bolzenelements durch einen Anschlag am Ende seines Außengewindes begrenzt wird, der gegen eine Schulter der Muffe zum Anliegen kommt. Hierbei soll diese Einschraubbegrenzungsfläche oder das grobgängige konische Dreieckgewinde die m Dichtung der lösbaren Verbindung bewirken. Beide Dichtmöglichkeiten sind wenig befriedigend so daß eine solche Verbindung allenfalls für Bohrgestänge aber nicht für die Dichteanforderungen genügen kann, wie sie bei Futterrohren oder Steigrohren gestellt werden. ι -,

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Dichteigenschaften der Verbindung unabhängig von Dichtungen zwischen der Muffe und dem Scheinbolzenelement einerseits sowie dem Bolzenelement andererseits zu machen und einen einzigen 2» zuverlässigen Dichtbereich zwischen Bolzenelement und Scheinbolzenelement zu schaffen, wobei Fertigungsungenauigkeiten und Beschädigungen durch definierte Verformungsmöglichkeiten im Kontatctbereich der Bolzenelemente ausgeglichen werden können, ohne daß die Qualität der Dichtung beeinträchtigt wird.

Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß einerseits das Gewinde des Bolzenelements und das diesem zugeordnete Gewinde der Muffe sowie andererseits das Gewinde des Scheinbolzenelements und das diesem jo zugeordnete Gewinde der Muffe konisch ausgebildet sind, daß die Schulter am Ende des Scheinbolzenelements in eine innere, konisch-konvexe Fläche und eine äußere, axiale Fläche von konisch-konkavem Verlauf unterteilt ist, denen am Ende des Bolzenelements eine js innere, konisch-konkave Fläche und eine äußere, axiale, konisch-konvexe Fläche zugeordnet sind, und daß ein radiales Spiel zwischen dem Bolzenelement und dem Mutterelement längs eines Bereichs, der zwischen der konisch-konvexen Räche und dem Gewindeanfang des Bolzenelements verläuft, sowie am Mutterelement zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements und der Muffe vorgesehen ist.

Die Vorteile der Erfindung liegen darm, daß sich neben einer einzigen definierten und ausgezeichneten Dichtung auch im Falle von Beschädigungen und relativ großer Abmessungstoleranzen eine Austauschbarkeit von Bolzenelementen mit verschiedenen Mutterelementen nach der Erfindung und umgekehrt ergibt. Ein weiterer Vortel der Erfindung liegt darin, daß Fluchtungsfehler beseitigt werden, die sich infolge der Verschiedenheit der beiden Muffengewinde ergibt

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann sich das kegelstumpfförmige Gewinde der Muffe über eine Schnittebene der beiden konischen Gewinde hinaus in. das andere konische Gewinde der Muffe erstrecken und sich dabei mit dem Gewinde überlappen. Hierbei befinden sich in dem überlappenden Bereich der beiden Gewinde der Muffe Ausnehmungen für die Flanken des Gewindes, die in die rückwärtigen Flanken des Gewindes eingeschnitten sind

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die Ausbildung der Verbindung so, daß das seitliche Spiel, welches radial zwischen dem Ende des Scheinbolzcnelements und dem entsprechenden Teil der mit dem Gewinde versehenen Muffe besteht, die Fertigungstoleranzen der Gewinde der Muffe ausgleichend und bleibende Deformationen des Endes des Scheinbolzenelements vermeidend bemessen ist. Hierbei kann das seitliche Spiel durch eine stärkere Konizität des Endes des Scheinelementes oder eine stärkere Verminderung seines Durchmessers gegenüber seinen anderen Bereichen gebildet werden. Andererseits kann das Spiel aber auch eine vergrößerte Konizität oder einen verringerten Durchmesser der Muffe in dem Bereich des Endes des Scheinbolzenelementes erzielen.

In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, daß die Muffe aus einem anderen Stahl besteht als das Bolzen- und Scheinbolzenelement

Zwecks besserer Veranschaulichung der Erfindung ist diese anhand einiger Beispiele veranschaulicht In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Muffenverbindung;

F i g. 2 einen Längsschnitt in wesentlich vergrößertem Maßstab, und zwar durch den Bereich, wo das wirkliche Bolzenelement und das Scheinbolzenelement miteinander verbunden sind,

Fig.3 einen Schnitt in vergrößeo«m Maßstab, der das Spiel veranschaulicht, welches zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements und der Muffe besteht,

F i g. 4 einen teilweisen Schnitt, der die Überlappung der zwei Muttergewinde der Muffe zeigt

In deu Zeichnungen ist das Bolzenelement mit 1 und das Mutterelement mit 2 bezeichnet worden. Mutterelement 2 besteht aus einem scheinbaren Bolzenelement 3, auf welches bleibend eine Gewindemuffe 4 aufmontiert ist Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform weist die Muffe 4 zwei Muttergewinde 5 und 6 auf, die auf zwei kegelstumpfförmigen Flächen angeordnet sind, beispielsweise in der Ebene I, in welcher sich die Oberschneidung der zwei Gewindekonen der Muffe befindet

Die relative Lage der Gewinde 5 und 6 wird im folgenden noch im einzelnen beschrieben.

Das scheinbare Bolzenelement 3 ist an seinem Ende mit einer Schulter versehen, die das Einschrauben des Bolzenelements I in das Mutterelement begrenzt und die Dichtigkeit dieser Verbindung sicherstellt Diese Schulter weist auf ihrem inneren Umfang eine konvexe kegelstumpfförmige Zone 7 auf, deren Spitze zur Innenseite des Mutterelements 2 gerichtet ist. Die Fläche dieser kegelstumpfförmigen Zone 7 bildet mit einem Schnitt durch die Achse der Verbindung einen Winkel der wenigstens dem Reibungswinkel entspricht, der beim Festschrauben dieser Fläche und der entsprechenden Zone 8 des Endes des Bolzenelements 1 besteht. Dieser Winkel liegt meistens zwischen 10^c und 30°, vorzugsweise zwischen 15° und 20°.

Die Schulter, die am Ende des scheinbaren Bolzenelements 3 angeordnet ist, besitzt ebenfalls eine geneigte jedorh Uonkave periphere Zone. 9, und zwar umgekehrt in bezug auf die Neigung der kegelstumpfförmigen Zone 7.

Das Bolzenelement 1 ist mit einem konischen Gewinde 11 versehen, welches dem Gewinde 5 der Muffe entspricht, während das Scheinbolzenelement 3 ein kegelstumpfföj miges Gewinde 12 aufweist, das dem Gewinde 6 entspricht,

In F i g. 2 sind drei Schnittebenen I, II, IM eingezeichnet, die senkrecht zur Achse der Verbindung verlaufen. Der Schnitt I entspricht derjenigen Ebene, in welcher die zwei kegelstumpfförmigen Flächen der Muffe 4 zusammenlaufen, auf denen die Gewinde 5 und 6 angeordnet sind. In dem Fall der beschriebenen

Ausführungsform ist die Ebene I im gleichen Abstand von den beiden Enden der Muffe angeordnet. Der Schnitt Il entspricht der Grenze der Zone wo das Gewinde 11 des Bolzenelements 1 zur Zeit der Verbindung mit dem Gewinde 5 der Muffe 4 zusammenwirkt. Das Gewinde 5 der Muffe 4 ist /wischen den Ebenen I und Il jenseits der Ebene I verlängert Das Gewinde 5 ist in diesem Bereich bis auf einen kleinen Teil überhaupt nicht vorhanden, so daß diese Zone überwiegend das Gewinde 6 der Muffe 4 aufweist. Gemäß Schnitt III ist von der Stelle an. wo er beginnt, ein seitliches Spiel 12a. 126 zwischen dem Scheinbolzenelement 3 und dem entsprechenden Element der Muffe 4 vorhanden.

In F i g. 4 ist schematisch dargestellt, wie die Gewindegänge des Muttergewindes 5 und 6 der Muffe 4 relativ zueinander angeordnet sind. Diese beiden Gewinde verlaufen im gleichen schraubenlinienförmig gen Sinn. In der F i g. 4 sind die strichpunktierten Linien 5h. 5^>spwin fia fi/iHip l.inipn Her Böden und Kämme der Gewinde bzw. der beiden Gewinde 5 und 6. Die unterbrochenen Linien veranschaulichen die theoretischen Konturen der Gewinde, die mit Rücksicht darauf, daß die Verbindung der zwei Gewinde im Raum angeordnet ist, nicht geschnitten sind. Schließlich zeigen die punktierten Linien die Konturen der Gewinde, die in ein Gewinde eingeschnitten sind, um die Gewindegänge des anderen Gewindes zu erzeugen. Daher verlängert sich das Gewinde 6 des rechten Teiles der Fig.4 links des Schnittes I gemäß der vermeintlichen Linie 15, die entweder in der Vertiefung des Gewindes 5 oder im Innern der Muffe angeordnet ist. und zwar bis zum Punkt 16, wo das Gewinde 6 den Einschnitt 17 hinter dem Gewindegang 18 des Gewindes 5 schneidet. Ebenso verlängert sich das Gewinde 5 rechts der Schnittebene I gemäß einer vermeintlichen Linie 19. wobei Einschnitte 20 und 21 in den Gewindegängen 22 und 23 des Gewindes 6 geschnitten werden.

Es ist also festzustellen, daß die Einschnitte 17, 20 und 21 sowie diejenigen, die auf den Gewinden existieren können, die in der Fig.4 nicht dargestellt sind, sich immer auf der hinteren Seite der Gewinde befinden, d. h. der Gewindeseite, die beim Zusammenschrauben nicht unter Druck stent. Das erreicht mau tiurc'n die Anordnung von zwei Gewinden 5 und 6 relativ zueinander. Die zwei Flächen auf welchen die Gewinde 5 und 6 hergestellt sind (und folglich die konischen Flächen 5a und 5b einerseits sowie 6a und %b andererseits die die Gewinde 5 und 6 bilden) sind in bezug auf die Schnittebene I der Muffe symmetrisch angeordnet. Das Gewinde 6 ist bezüglich einer vollkommenen Symmetrie gegen die rechte Seite eines Teiles der Gewinaehöhe versetzt. Daraus ergibt sich (während das Gewinde 6 vollkommen symmetrisch zum Gewinde 5 ist wenn es ein Teil der Schnittebene I wäre), daß das Gewinde 6 Teil der Schnittebene Ia ist. welche gegenüber der Schnittlinie I leicht versetzt ist. was aus F i g. 4 hervorgeht.

Bei einer derartigen Wirkungsweise erhält man eine Verbindung der beiden Gewinde 5 und 6, wobei die Seiten der Gewindegänge eines gegebenen Gewindes in die hinteren Ranken der Gewindegänge des anderen Gewindes eingreifen.

In Fig.3 ist eine Ausführungsform des Spiels zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements 3 und der Muffe 4 dargestellt. Der äußere Teil des Scheinboizenelements 3 kommt während des Einschraubens dieses Elements in der Muffe 4 jenseits der Schnittebene Ml, wobei das Gewinde 12 des Scheinbolzcnclcmcnts 3 links der Schnittebene III verläuft, und /war mit einer etwas größer ausgeprägten Konizität als in dem Teil rechts der Schnitlebene IM (was aus F i g. J zu ersehen ist). Die Mantellinie des Bodens des Gewindeganges 12b des Gewindes 12 entspricht dem Teil des Gewindes, welcher auf der rechten Seite der Schnitlebene IM angeordnet ist. während die Linie mit der Bezugszahl 12;i dem Gewindeteil links der .Schnittebene III entspricht. Das ist dehalb der Fall, um ein progressives Spiel zwischen dem Scheinbolzenelemcnt 3 und der Muffe, also zwischen den Schnittebenen Il und III. zu gewahrleisten, was man besonders deutlich in der F i g. i erkennen kann.

Zwecks besserer Verdeutlichung der Erfindung wird diese im folgenden durch ein Herstellungsbeispiel beschrieben, und zwar durch Zahlenangaben, die sich auf relative Abmessungen verschiedener Teile bezichen, die im folgenden beschrieben werden.

Bei den zusammengefüeten Rohren handelt es sich um Stahlrohre, die für die Erdölindustrie bestimmt sind und einen Außendurchmesser von 127.4 mm und eine Dicke von 9.19 mm haben. Die Gewinde, mit denen diese Rohre mit der Muffe verbunden werden, haben ein unsymmetrisches, trapezförmiges Profil mit sehr abgerundeten Winkeln. Die Seiten der Gewindegänge haben bezüglich einer Ebene, die senkrecht zur Rohrachse verläuft, eine Neigung von 3". Die Teilung des Gewindes beträgt 5.08 mm. was einer Gewindebreite von 2.54 mm entspricht. Die Muffe hat eine Gesamtlänge von 231 mm und an ihren Enden eine Dicke von 7 mm. Die Konizität der mit Gewinde versehenen Zonen entspricht einer Durchmesservergrößerung von 6.25% der Längsverschiebung.

Das Gewinde, welches das Scheinbolzenelement aufnimmt, ist in bezug auf die Symmc'.rieebene um eine Entfernung von 1.5 mm verschoben (diese Entfernung entspricht dem Abstand zwischen den Schnittebenen I und la der F i g. 4). Die Fläche 7 und die Fläche 8 des Bolzenelements sind bezüglich einer Ebene, die senkrecht zur Rohrachse verläuft, um 15° geneigt. Die Breite dieser Fläche beträgt 4 mm. Die Neigung der Flächen 9 und 10 beträgt in bezug auf eine senkrecht zur

·. · von 10% entspricht, wenn man diese auf die Durchmesser berechnet. Der Abstand zwischen den Ebenen I und Il beträgt 10 mm. zwischen den Ebenen Il und III 17 mm. Die Änderung der Konizität des Gewindes, welches am Ende des Scheinbolzenelements

Vi jenseits der Schnittebene III angeordnet ist, ist so groß, daß das maximale Spiel zwischen der Muffe und dem Ende des Scheinbolzenelements 3 0,25 mm beträgt. Dieses Spiel verbietet es. daß das Ende des Scheinbolzenelements Deformationen aushalten muß, die jenseits

γ, seiner elastischen Grenze liegen.

Es versteht sich von selbst daß die hier beschriebene Ausführungsform keine charakteristischen, begrenzenden Merkmale aufweist, sondern jede gewünschte Abänderung erfahren kann. Der Rahmen der Erfindung

w) wird nicht verlassen, wenn die Zone 9 der Schulter sowie die entsprechende Zone 10 des Bolzenelements Formen und Neigungen aufweist die wesentlich verschieden von denjenigen sind, welche in den Zeichnungen dargestellt sind. Das Spiel, welches gemäß

>-i der Erfindung zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements und der entsprechenden Fläche der Muffe bestehen muß. kann auch dadurch erhalten werden, daß man die Konizität des Gewindes ändert. Es ist allerdings

notwendig, daß das Spiel groß genug ist, um den Ausgleich der Hcrsicllungstoleranzen der beiden Gewinde in der Muffe zu ermöglichen. Andererseits muß es klein genug sein, daß bei der Verbindung am F.nde des Seheinbolzenelements keine nachteiligen bleibenden Deformationen bestehen. Die Abschrägungcn 13 und 14. die am Inneren der Rohre auf der Ebene

der Schulter angeordnet sind, sind keine charakteristischen Merkmale der Erfindung. Genauso könnte man in bestimmten Fällen die Anschläge zwischen dem wirklichen und dem scheinbaren Bolzenelement so ändern, daß der Anschlag des Mutterelements innen konkav und außen konvex ausgebildet sein kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Muffenverbindung für Bohrlochrohre, bestehend aus einem Bolzenelement mit Außengewinde und einem Mutterelement, welches aus einer Muffe '■> und einem mit der Muffe ständig verschraubten Scheinbolzenelement besteht, wobei das Bolzenelement und das Mutterelement lösbar miteinander verschraubbar sind und das Scheinbolzenelement an seinem Ende eine Schulter aufweist, gegen die ein w> envsprechender Anschlag des Bolzenelements dichtend anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits das Gewinde (11) des Bolzenelements (1) und das diesem zugeordnete Gewinde (5) der Muffe (4) sowie andererseits das Gewinde (12) π des Scheinbolzenelements (3) und das diesem zugeordnete Gewinde (6) der Muffe (4) konisch ausgebildet sind, daß die Schulter am Ende des Scheinbolzenelements (3) in eine innere, konischkonvexe Fläche (7) und eine äußere, axiale Fläche (9). ia von konisch-konkavem Verlauf unterteilt ist, denen am Ende des Bolzenelements (1) eine innere, konisch-konkave Fläche (8) und eine äußere, axiale, konisch-konvexe Fläche (10) zugeordnet sind, und daß ein radiales Spiel zwischen dem Boizenelement -¹¹"» (1) und dem Mutterelement (2) längs eines Bereichs, der zwischen der konisch-konvexen Räche (10) und dem Gewindeanfang des Bovzenelements (1) verläuft, sowie am Mutterelement (2) zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements (3) und der Muffe >'>

(4) vorgesehen ist.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab sich das kegelstumpfförmige Gewinde

(5) der Muffe (4) über eine Schnittebene (I) der

beiden konischen Gewinde der Muffe (4) hinaus in das andere konische Gewinde (6) der Muffe (4) erstreckt und sich dabei mit dem Gewinde (6) überlappt, wobei in dem sich überlappenden Bereich, der beiden Gewinde (5,6) der Muffe (4) Ausnehmungen für die Flanken des Gewindes (5) in die rückwärtigen Flanken des Gewindes (6) eingeschnitten sind.

3. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das seitliche Spiel (12a, 12ZjJI welches radial zwischen dem Ende des Scheinbolzenelements (3) und dem entsprechenden Tei! der mit dem Gewinde (6) versehenen Muffe (4) besteht, die Fertigungstoleranzen der Gewinde (5, 6) der Muffe (4) ausgleichend und bleibende Deformationen des Endes des Scheinbolzenelements (3) vermeidend bemessen ist

4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel (12a, 12i>Jdurch eine stärkere Konizität des Endes des Scheinbolzenelements (3) oder eine stärkere Verminderung seines Durchmessers gegenüber seinen anderen Bereichen gebildet ist

5. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel (12a, 126,) durch eine vergrößerte Kpnizität oder einert verringerten Durchmesser der Muffe (4) in dem Bereich des Endes des Scheinbolzenelements (3) gebildet ist.

6. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (4) aus einem anderen Stahl besteht als das Bo'zen- und das Scheinbolzenelement (1; 3).