DE2316059A1

DE2316059A1 - Gewinderohrverbindung fuer eine verrohrung, insbesondere fuer oelbohrlochrohre

Info

Publication number: DE2316059A1
Application number: DE2316059A
Authority: DE
Inventors: Yasuhide Fujioka; Mitami Inagaki; Wakayama Kainan; Takeshi Ryujin; Shuji Yoshida
Original assignee: KAINAN STEEL TUBE CO Ltd KAINAN WAKAYAMA; Sumitomo Metal Industries Ltd; Kainan Steel Tube Co Ltd
Current assignee: KAINAN STEEL TUBE CO Ltd KAINAN WAKAYAMA; Nippon Steel Corp; Kainan Steel Tube Co Ltd
Priority date: 1972-03-31
Filing date: 1973-03-30
Publication date: 1973-11-15
Also published as: IT986631B; FR2178947B1; DE2316059C3; FR2178947A1; GB1413230A; DE2316059B2; CA970411A; US3850461A; CS180613B2; NL7304475A; NL152956B; AR206593A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Inc. ^.

Dipping. H.Weickm^nn, D^pIm-Phys. Dr-K-Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

<98392I/22>

1) Καΐηαη Steel Tube Co., Ltd., 260 saki, Funoo, Kainan City, Wakayama Prefecture, Japan

2) Sumitomo Metal Industries Limited, 15, 5-chome, Kitahama, Higashi-ky, Osaka City, Japan

Gewinderohrverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für öl-

bohrlochrohre

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gewinderohrverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für Ölbohrlochrohre. Im allgemeinen bezieht sich die Erfindung auf Gewinderohrverbindungen für Rohre, die vielfach in der Öl- und Gasindustrie in Verbindung mit der Ausbeutung von unterirdischen Lagerstätten, insbesondere von Erdöl- und Erdgasvorkommen, verwendet werden. *

Die Bedingungen, unter denen die Rohre verwendet werden und die Erfordernisse, die an solche Rohre gestellt werden, haben* sich von Jahr zu Jahr immer schwieriger gestaltet. Erdöl- und Erdgasbohrungen sind häufig bis in eine Tiefe von mehr als 5 000 m vorgetrieben worden

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und der Typ ·, der mit Gewinde versehenen rohrförmigen Auskleidungen, die für solche Bohrungen verwendet wurden, ist über die vielen Jahre einem-Wandel unterzogen worden und verschiedene neue Typen" von Gewinderhrverbindungen sind vorgeschlagen und auch benutzt worden« Es ist einzusehen/ daß bei einem Rohrstrang, der sich in eine Tiefe von mehr als 5 000 m erstreckt, die oberste Rohrverbindung das gesamte Gewicht der Verrohrung aufnehmen muß, selbst wenn keine äußere Kraft ausgeübt wird und die Verrohrung in einfacher Heise aufgehängt ist«. Da die üblicherweise benutzten Rohre heute zwischen sechs und 50 kg/m Rohrlänge wiegen, entstehen riesige Belastungen^ die durch die Gewinde aufgenommen werden müssen. Falls die Verrohrung dazu benutzt wird, das Bohrloch zu bohren, muß die Kupplung zusätzlich' zu der Zugbelastung einer hohen Drehmomentbelastung widerstehen können.

Eine im Zusammenhang mit der Verrohrung auftretende Schwierigkeit besteht darin, daß die Kupplung zwischen einander zugeordneten, rait Gewinde versehenen Elementen beim Auftreten einer großen Zugbelastung locker wird, v/as zu einer Beeinflußung der lecksicheren Eigenschaften der Kupplung führt. Aus diesem Grund sind verschiedene Verbesserungen in Verbindung mit der Abdichtung der Gewinderohrverbindung wünschenswert.

Es ist bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 210 096 und der US-PS 3 224 799 offenbart, gegen ©in Durchsickern bzw_o eine Leckage zwischen einander zugeordneten mit Gewinde versehenen Elementen abzudichten, d.b. eine Dichtung bei der Rohrverbindung beim Zusammenschrauben der Kupplung dadurch zu schaffen, daß ein© Metail-gegeo-Hetail-Abdichtung zusammengehöriger oder zusammenwirkender Teil© der mit Außen- und Innen-

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gewinde versehenen Kupplungselemente gebildet ist. Bei dieser Gewinderohrverbindung liegt die Endfläche des Endteiles (oder Lippe) des mit Außen- oder Innengewinde versehenen, die Hetallgegen-Hetall-Abdichtung bildenden Elementes in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse und die zugeordnete Fläche an dem anderen mit Gev/inde versehenen Element liegt senkrecht zur Rohrachse, wobei die .zugehörige" Fläche des letzteren Elementes als Anschlagschulter dient, um ein übermäßiges Zusammenschrauben zu verhindern.

Es ist bekannt und beispielsweise in der US-PS 2 992 019 und der GB-PS 1 220 856 offenbart, eine Hetall-gegen-Hetall-Abdichtung beim Zusammenschrauben von Gewinderohrverbindungen zwischen einer kegelstumpf förmigen äußerenFläche der Lippe des mit Außengewinde versehenen Elemente und einer entsprechenden inneren kegelstumpfförmigen Fläche des anderen Elementes zu schaffen, wobei eine der zusammenwirkenden kegelstumpfförmigen Flächen ein geradliniges und die andere Fläche ein balliges oder bogenförmiges Profil aufweist. Weiterhin ist es bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 047 316, der US-PS % 907 589 und der US-PS 2 980 451 offenbart, eine Dichtungspackung beispielsweise aus Tetrafluoräthylen als Diclrtvglied in die Gewindeverbindung einzuschließen.

. :Bei diesen bekannten Gewinderohrverbindungen liegt die Endfläche des mit Außengewinde versehenen Gliedes und die zugehörige £ndfläche des mit Innengewinde versehenen Gliedes entweder in einer Ebene senkrecht zurFtohrachse oder in einer konischen Fläche, die die Rohrachse einschließt. Aus diesem Grunde ist der Kontaktdruck, der durch das Zusammenwirken dieser Flächen erzielbar ist, verhältnismäßig gering und

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neigt dazu, ungenügend zu sein, selbst wenn diese Flächen mit einem sehr hohen Anzugsmoment gegeneinander gedruckt werden, da die erhaltene Berührung nur eine Flächenberührung ist. Ein dermaßen-niedriger Flächendruck am Ende des mit Außengewinde versehenen Gliedes ist unzureichend, um gegen ein Durchsickern des Mediums abzudichten. Ebenso kann eine ausreichende Abdich'tungswirkung mit der bekannten Ausgestaltung unter Verwendung einer Tetrafluoräthylenpackung erzielt werden, die zwischen den mit Gewinde versehenen Gliedern an einer beliebigen Stelle eingesetzt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine lecksichere Verbindung zu schaffen, die die oben erwähnten großen Kräfte aufnehmen kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine Gewinderohrverbindung, bei der eine erste Abdichtung durch einen Metall-gegen-Metall-Kontakt zwischen einer inneren, nach außen sich erweiternden Fläche des Kupplungsgliedes, die sich von dem Innengewinde in Richtung auf das Zentrum des Kupplungsgliedes erstreckt, und einer konisch zulaufenden äußeren Fläche am vorderen Ende des mit Außengewinde versehenen Rohrabschnittes und zwar vor dem Gewindeabschnitt sowie eine zweite Abdichtung zwischen einer Tetrafluoräthylenpackung und einem vorderen Endteil des Außengewindes * geschaffen ist.

Weiterhin ist es Gegenstand der Erfindung, zusätzlich zu der ersten und zv/eiten Abdichtung eine dritte Abdichtung durch einen zwangsläufigen Metall-gegen-Hetall-Kontakt zwischen der Endfläche des vorderen End-

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teiles des Rohrabschnittes und einer Anschlagfläche an einem inneren Vorsprung oder einer Schulter des Kupplungsgliedes bzw. der Kupplungsmuffe zu schaffen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Gewinderohrverbindung mit drei Abdichtungen, von denen die erste durch einen zwangsläufigen fletallgegen-Metall-Kontakt zwischen der vorderen Seitenfläche einer inneren Ringnut in der Kupplungsmuffe zur Aufnahme der Tetrafluoräthylenpackung, wobei die vordere Seitenfläche dem Zentreum der Kupplung naheliegt, und einem vorderen Endt eil des am Rohrabschnitt vorgesehenen Außengewindes, das in den weiter oben erwähnten Endteil ausläuft, die zweite Abdichtung zwischen der Tetrafluoräthylenpackung und dem vorderen End-

teil des Außengewindes und die dritte Abdichtung durch einen zwangsläufigen Hetall-gegen-Hetall-Kontakt zwischen dem vorher erv/ähnten Endteil oder Lippe des Rohrabschnittes, wobei diese Lippe sich über eine axiale Ctrekke von nicht mehr als dem ein- bis zweifachen der Gewindesteigung erstreckt, und dem zugehörigen Teil der Kupplungsmuffe geschaffen ist.

Aus den obigen Erläuterungen der einzelnen Gegenstände der Erfindung ist ersichtlich, daß eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß die Abdichtwirkung der Tetrafluoräthylenpackung wesentlich erhöht ist, da sie unter extrem hohem Druck aufgrund einer besonders guten Abdichtung durch einen zwangsläufigen Hetall-gegen-Hetall-Kontakt gehalten ist, so daß die kombinierte Abdichtung wesentlich perfekter ist als die bisher erzielbare Abdichtung bei irgendeiner bekannten G winderohrverbindung. .,-

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Es zeigt:

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Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Gewinderohrverbindung, bei der eine Kupplungsmuffe gemäß der Erfindung vorgesehen ist, in die nur der linke Rohrabschnitt eingeschrcM bt ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teilschnittes durch einen einen zentralen Teil der Kupplungsmuffe, der durch den Kreis mit gestrichelten Linien in Figo 1 angedeutet ist;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilschnittes durch den Rohrabschnitt, der durch den Kreis mit gestrichelten Linien in Fig. 1 erfaßt ist; und ,

Fig. 4 und 5 Teilschnitte entsprechend den Fig« 2 und 3 einer abgeänderten Ausführungsform der Gewinderohrverbindung gemäß der Erfindung.

In Fig. I ist eine Kupplungsmuffe dargestellt, deren linke Seite mit einem Rohrabschnitt verbunden ist und in den Fig« 2 und 3 sind Ausschnitte aus der Kupplung und dem Rohrabschnitt in vergrößertem Maße dargestellt.

Die dargestellte Verbindung besteht aus einem mit Außengewinde versehenen Endabschnitt eines Rohrabschnittes 1 und dem zugehörigen Teil der Kupplungsmuffe 4, wobei das zuerst erwähnte Glied einen Gewindebolzen mit einem anschlaglosen Gewinde entsprechend dem API-Standard (Am. Petroleum Institut)/ das auf einem konisch zulaufenden Teil mit einem Verjüngungsgrad von l/l6 geschnitten ist und wobei das zuJetzt erwähnte Glied eine Gewindemuffe mit Innengewinde entsprechend dem API-Standard bildet,

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das auf einem entsprechend konisch zulaufenden Abschnitt mit dem gleichen Verjüngungsgrad geschnitten ist. Der Innendurchmesser der Kupplungsmuffe 4 ist im Dereich des Zentrumes dieser Kupplung verringert. Die Kupplungsmuffe 4 verjüngt sich nach innen bzw. erweitert sich nach außen und weist eine maximale Wanddicke und einen minimalen inneren Durchmesser im Zentrum bzw. in der flitte zwischen den einander gegenüberliegenden Enden auf.

Gemäß der Erfindung v/eist die Kupplungsmuffe 4 einen zentralen Teil ohne Gev/inde auf, der sich zumindest über einen axialen Bereich eines konischen Abschnittes mit einem VerjUngungsgrad von l/l6, der mit 6 bezeichnet ist, entsprechend dem ein- bis zweifachen einer Gewindesteigung zu beiden Seiten des Zentrums erstreckt, wobei der zentrale Bereich an beiden Enden in einer ringförmigen Nut 7 endet, die eine Dichtung aufnimmt und sich in axialer Richtung über einen Bereich entsprechend dem ein- bis 1,5-fachen einer Gewindesteigung erstreckt. Das anschlaglose Innengewinde gemäß dem API-Standard ist über einen nach außen sich erstreckenden, von der ringförmigen Nut ausgehenden Bereich vorgesehen. Der Rohrabschnitt 1 v/eist einen Endteil oder Lippe 9 ohne Gewinde auf und erstreckt sich in axialer Richtung mit einem Verjüngungsgrad von l/l6 über eine Strecke, die den ein- bis zweifachen einer Gewindesteigung des Außengewindes entspricht. Die äußere Fläche 8 derLippe und die zugeordnete innere Fläche 6 der Kupplungsmuffe sind so gearbeitet, daß sie den gleichen Verjüngungsgrad aufweisen, um hierdurch einen engen Fix henkontakt zwischen diesen Flächen zu erzielen. Ebenso ist zur Erzielung einer engen zwangsläufigen Berührung zwischen diesen Flächen die Dicke des zentralen Abschnittes 6 durch einen zusätzlichen Ansatz C in bezug auf die Verl'änger 10 der Linie, welche die Spitzen des I_nnengewindes der Kupplungsmuffe 4 verbindet, erhöht, d.h. in bezug auf die radiale Abmessung der konisch zulaufenden Fläche der

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Lippe 8. Nach theoretischen Bemessungen ist eine zusätzliche Dicke C von 0,05 bis 0,20 mm geeignet. Berücksichtigt man jedoch die Genauigkeit des Gewindeschneidens und die Genauigkeit bei dem Zusammensetzen und Verschrauben der Verbindung, so ist es besser diesen Wert im Bereich zwischen O₇IO bis 0,40 mm zu wählen. Wenn der Rohrabschnitt in die Kupplungsmuffe eingeschraubt wird, trifft das vordere Ende des Außengewindes Π auf die Dichtungspackung 12, die aus Tetrafluoräthylen bestehen kann und drückt diese gegen den Boden der Nut 7. Bei einem weiteren Eindringen des Rohrabschnittes 1 übergreift die Lippe 5 möglicherweise die Nut 7 und ein Reibschluß zwischen der äußeren Fläche 8 der Lippe und der inneren Fläche 6 der Kupplungsmuffe vi rd herbeigeführt. Da die radiale Abmessung der Kupplungsfläche 6 um das Haß C verringert ist, wird der Kontaktdruck zwi chen den ineinandergreifenden Flächen 6 und 8 progressiv erhöht, wenn die Lippe 9 unter Drehung durch Ausüben eines progressiv ansteigenden Drehmomentes vorgeschoben wird, das die Reibung zwischen diesen beiden Flächen übersteigt. Auf diese Weise kann ein perfekter Flächenkontakt, bei dem Metall gegen Metall liegt, mit einem Kontaktdruck der größer als der auf die Tetrafluoräthylenpackung einwirkende Druck ist, erhalten werden, wenn der.Rohrabschnitt in die beabsichtigte Endstellung am Ende des Zusammenbaus gebracht ist. Die Länge oder axiale Erstreckung der Endkontaktfläche, d.h. der Fläche des Kontaktes zwischen den Flächen 6 und 8, sollte das ein- bis zweifache der Gewindesteigung nicht überschreiten, damit sich die Lippe nicht verbiegt oder eine ständige Deformation erfährt. Außerdem sollten bei/ineinandergreifenden Teile :.„ so dick wie möglich ausgeführt werden.

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Die Gewinderohrverbindung gemäß der Erfindung v/eist noch ein anderes Merkmal auf, das in Verbindung mit der Ausführungsform nach den Fig. und 3 beschrieben wird. Es besteht darin/ daß der Kontakt zwischen der Seitenwand 27 der die Packung 12 aufnehmenden Nut 7 an der dem Zentrum 5 zugewandten Seite der Kupplungsmuffe 4 in.Fig. 2 mit dem vorderen Ende Π des Gewindes des Rohrabschnittes gemäß Fig. 3 besonders vollkommen ausgebildet ist. Dies wird durch die Anordnung eines senkrechten Fußteiles g am vorderen Ende des Gewindeabschnittes erzielt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Fußteil g, selbst wenn das vordere Ende des Gewindes unvollkommen ist, eineperfekte Flächenberührung mit der entsprechenden Eckfläche der Seitenwand 27 der Nut 7 herbeiführen und durch die Flächenberührung mit einem Metall-gegen-Metall-Kontakt an eine dichte Absperrwirkung erzielt v/erden. Hierdurch kann ein extrem höher Druck auf die Dichtungspackung ausgeübt werden und eine Leckage durch diese Fläche kann somit vollständig vermieden werden. Versuche haben bewiesen, daß die wirskamste Höhe des Fußteils g im wesentlichen unabhängig von der Größe der Verbindung ist und etwa zwischen 0,40 und 0,80 mm liegt, sofern es sich um ein Anschlaggewinde entsprechend dem API-Standard handelt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine andere Ausführungsform der Gewinderohrverbindung gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform stimmt grundsätzlich mit der weiterleben beschriebenen - mit der Ausnahme - überein, daß die Dichtungsmuffe 4 bei dieser Ausführungsform eine innere zentrale Schulter 15 aufweist, die eine dritte Abdichtung bildet, wenn an ihr die Lippe 9 des verbundenen Rohrabschnittes anliegt. Jede Seite der Schulter 15 dient als Abdichtung, wie dies bei 17 angezeigt ist, und wird durch die Stirnfläche 16 der Lippe 9 am Ende des Zusammenschraubens nach der Vollendung der v/eiter oben erwähnten ersten und zweiten Ab-

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dichtungen berührt. Auf diese Weise kann das Zusammenschrauben beendet werden durch das Feststellen eines plötzlichen Drehmomentanstiegee beim Auftreffen der Lippenstirnfläche 16 an der Anschlagfläche 17. Auf diese Weise wird nicht nur eine zusätzliche wirksame Abdichtung im Zusammenhang mit der zusätzlichen dirtten Abdichtung aufgrund eines Hetall-Hetall-Kontaktes zusätzlich zu den oben erwähnten ersten und zweiten Abdichtungen/ sondern auch ein anderer Vorzug erzielt, der darin besteht, daß man in der Lage ist, das Ende des Zuscmmenschraubens aufgrund des Anstiegs des ausgeübten Drehmomentes festzustellen, was im Hinblick auf die Rationalisierung der Geländearbeitskontrollen vorteilhaft ist. Während die dirtte Abdichtung bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 in Form der einfachsten Fläehonberührungsabdichtung mit zwei ebenen Flächen ausgebildet ist, ist es möglich, einzigartige und zusätzliche Wirkungen durch Veränderung der Abdichtflächen zu erzielen. Beispielsweise kann die Abdichtung in der Art einer Abdichtung mit verschiebbarem Kontakt mit kugelförmigen oder flachen Flächen oder einer Kombination hieraus aufgebaut sein oder sie kann aus ineinandergreifen konvexen und konkaven Flächen bestehen.

Wie dies weiter oben beschrieben wurde, ist es mit der Gewinderohrverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein zwangsläufiger Metall-gegen-Iletallflächen-Kontakt und falls notwendig ein zusätzlicher Hetall-gegen-iietall-Kontakt zwischen dem Anschlag 17, gebildet durch eine innere zentrale Schulter an der Kupplungsmuffe und einer Stirnfläche 16 der Lippe des Rohrabschnittes zur lecksicheren Abdichtung zwischen den mit Gewindeversehenen Elementen zusätzlich zu der Abdichtung durch die Dichtungspackung vorgesehen sind, möglich, eine perfektere und wirkungsvollere Abdichtung zu erhalten, als dies beiden bekannten Rohrverbindungen möglich war, Durcli die vorliegende Erfindung wird eine

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Rohrverbindung mit überlegenen lecksicheren Eigenschaften ermöglicht.

- Patentansprüche -

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Claims

P q t e η t q η s p. r U c h e

1. Gewinderohrverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für Ülbohrlochrohre, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinderohrverbindung einen konischen, mit Außengewinde (2) versehenen Rohrabschnitt (i) und eine rohrförmige Kupplungsmuffe (4) mit dem Außengewinde des Rohrabschnittes (l) pngepaßten Innengewinde (3) aufweist, das mit dem Außengewinde (2) des Rohrabschnittes (i) zusammenwirkt, daß die Kupplungsmuffe (4) einen nach außen sich erweiternden gewindefreien Abschnitt (6) aufweist, der sich um ein bestimmtes Maß (C_) gegenüber dem konischen, durch die Gewindespitzen des Innengewindes gebildeten Profils (TO) erhöht, parallel, zu diesem erstreckt, daß die Kupplungsmuffe eine ringförmige Nut (7) zwischen dem gewindefreiem Abschnitt (6) und dem Innengewinde (3) aufweist, die eine Dichtung (12) vorzugsweise aus Tetrafluoräthylen aufnimmt, daß der Rohrabschnitt (i) einen gewindefreien vorderen Abschnitt (8) mit der gleichen Konizität und den im wesentlichen, gleichen axialen Abmessungen wie der sich nach außen erweiternde Abschnitt (6) der Kupplungsmuffe (4) aufweist und daß eine erste Abdichtung durch einen erzwungenen Metall-gegen-Hetall-Kontakt zwischen den sich nach außen erweiternden Abschnitten.(6) und der äußere Fläche (8) des vorderen Endteiles (9) des Rohrabschnittes (l) beim Zusammenbau der Verbindung und eine zweite Abdichtung zwischen der Dichtungspacltung (12) und dem vorderen Endteil (11) des Außengewindes (2) gebildet ist.

2. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gewindefreie, nach außen sich erweiternde Abschnitt (.6) der Kupplungsmuffe (4) der die erste Abdichtung bildet, um ein konstantes

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Maß (C) zwischen 0,1 und 0,4 mm erhöht ist und eine axiale Erstreckung von dem ein- bis zweifachen einer Gewindesteigung aufweist.

3. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Seitenwand (27) der Nut (7), die dem Zentrum (5) der Kupplungsmuffe (4) benachbart ist und ein vorderer Endteil (11) des Außengewindes (2) des Rohrabschnittes (l) eine zwangsläufige Hetall-gegen-Hetall-Kontaktdichtung bilden.

4. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengewinde (2) im vorderen Endabschnitt (11) unvollkommen ist und einen Fußteil (g) an diesem vorderen Ende aufweist.

5. Gewinderohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmuffe (4) einen inneren Vorsprung oder eine innere Schulter (15) mit einer Anschlagfläche (17) aufv/eist und daß eine dritte Abdichtung einer zwangsläufigen Metall-gegen-Metall-Berührung zwischen der Stirnfläche (16) des Rohrabschnittes (l) und der Anschlagfläche (17) gebildet ist.

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Leersei'te