DE2316060C3 - Gewinderohr verbindung für eine Verrohrung, insbesondere für Ölbohrlochrohre - Google Patents

Description

legeschrift 1533 619, dem deutschen Gebrauchsmuster 1 906 009, der USA.-Patentschrift 2 992 019 und der britischen Patentschrift I 220 856 offenbart, beim Zusammenschrauben der Verbindung eine Metall-gegen-Metall-Abdichtung zwischen einer konischen äußeren Fläche der Lippe des mit Außengewinde versehenen Zapfenteils und der entsprechenden konischen Innenfläche des mit Innengewinde versehenen Muffentejls zu schaffen, wobei eine der zusammenwirkenden Flächen ein gerades und die andere ein bogenförmiges Profil aufweist.

Bei diesen bekannten Gewinderohrverbindungen liegen die Endfläche des mit Außengewinde versehenen Zapfenteils und die zugehörige Endfläche des mit Innengewinde versehenen Muffenteils entweder in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse 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, 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 Zapfenteils ist unzureichend, um gegen ein Durchsickern des Mediums abzudichten. Ebenso ist es in besonderem Maße erwartet worden, die festgelegte Ausrichtung der Endfläche des mit Außengewinde versehenen Zapfenteils und der zugeordneten Fläche des mit Innengewinde versehenen Muffenteils durch stärkeres Zusammenschrauben der Verbindung zu erhalten. Da ein gleichmäßiger Abdichtungsdruck über die gesamte Metall-gegen-Metall-Abdichtung nicht sichergestellt werden kann, und eine ungleichmäßige Verteilung des Abdiciitungsdruckes vorauszusehen ist, ist es sehr wahrscheinlich, daß eine Leckage in einer Zone mit geringerem Abdichtungst/ruck auftritt.

Zur Sicherung der Dichtigkeit gegen ein Durchsikkern von Öl und gegen ein Ausströmen von Erdgas bei mit Gewinde versehenen Kupplungen, die eine Metall-gegen-Metall-Abdichtung aufweisen, ist es notwendig, einen gleichmäßigen Abdichtungsdruck über die gesamte Abdichtungslinie zu erhalten, und der Abdichtungsdruck sollte wesentlich größer als der Druck des abzudichtenden Mediums sein. Daher ist es sehr wichtig, daß der Abdichtungsdruck gleichmäßig über die gesamte Abdichtungslinie verteilt und genügend hoch ist. Weiterhin ist ein übermäßig hoher lokaler Abdichtungsdruck unerwünscht, da er zu einem Festfressen der Metallflächen auf Grund der Reibung Anlaß gibt, was zu einer Leckage führt. Daher ist es erwünscht, die umfangsmäßige Verteilung des Abdichtungsdruckes ändern zu können, um ihn so gleichmäßig zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Forderungen bei einer Gewinderohrverbindung der eingangs genannten Art zu erfüllen.

Die Erfindung besteht darin, daß die Endfläche des Zapfenteils im wesentlichen ein kovexes oder konkaves Profil und die Fläche des Muffenteils ein im wesentlichen komplementäres Profil aufweist. Hierdurch wird auf Grund des Ineinandergreifens konkaver und konvexer Flächen eine Verformung des Endabschnittes des mit Außengewinde versehenen Zapfenteils gegen die Rohrachse während der Bildung der ersten Abdichtung zwischen dem balligen und geradlinigen Profil der gewindefreien Endabschnitte vermindert, wodurch die Wirkung entsteht, daß der Abdichtungsdruck über diese Abdichtungsflächo in den gewindefreien Abschnitten neu verteilt und vergleichmäßigt wird. Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Endflächen ist es möglich, nahezu eine Linienberührung herbeizuführen, die einen gleichmäßigen und hohen Kontaktdruck ermöglicht.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus

ίο den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt hauptsächlich durch die linke Hälfte einer Gewinderohrverbindung zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des in F i g. 1 durch den gestrichelten Kreis angedeuteten Bereichs, Fig. 3, 4 und 5 Darstellungen von großen Ausschnitten bzw. eine Prinz-nskizze zur Erläuterung der Wirkung des Abdichiuruckes zur Zeit des Zusammenschraubens der Rohrkupplung,

F i g. β und 7 und S vergrößerte Si_hnittdarstellungen, von denen jede eine andere Ausführungsform der Erfindung entsprechend F i g. 2 zeigt.

Wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, endet das Gewinde der Rohrkupplung bzw. Kupplungsmuffe? in einer gewindefreien konischen Fläche, welche sich in axialer Richtung entsprechend dem zwei- bis dreifachen Wert der Gewindesteigung erstreckt und den gleichen Verjüngungsgrad wie das Gewinde aufweist. Diese Fläche endet ihrerseits an einer Schulter 6, die mit der Endfläche 5 des mit Außengewinde versehenen Gliedes zusammenwirken kann. Andererseits endet der mit Gewinde versehene Abschnitt des mit Außengewinde versehenen Gliedes an seinem vorderen Ende in einem Lippenabschnitt 11, der sich ebenfalls in axialer Richtung entsprechend dem zweibis dreifachen Wert der Gewindesteigung erstreckt. Wie dies weiter unten beschrieben wird, weist die Außenfläche der Lippe 11 ein bogenförmiges Profil mit einem verhältnismäßig großen Kurvenradius Λ, auf. Wie dies ebenfalls in der gleichen Figur gezeigt ist, weist die Endfläche des mit Außengewinde versehenen Gliedes, das das Gewinde 2 trägt, ein konvexes bogenförmiges Profil mit dem Kurvenradius A₂ auf, und die zugeordnete Schulterfläche 6 der Kupplungsmuffe? bzw. des mit Innengewinde versehenen Gliedes, welches das Innengewinde 3 aufweist, ist mit einem konkaven bogenförmigen Profil mit einem Kurvenradius R_x ausgebildet. Die Mittelpunkte der konvexen und konkaven Flächen mit den Radien R₂ und /?., sind an geeigneten Stellen innerhalb des mit Innengewinde versehenen Gliedes festgelegt. Tm Fall der Aus^führungsform nach Fig. 2 ist der Mittelpunkt der konvexen Fläche mit dem Radius A₂ unterhalb demjenigen der konkaven Fläche mit dem Radius R₁ angeordnet, und R₂ ist vorzugsweise nicht größer als A₃.

Die Außenfläche 9 der Kippe 11 des Rohrabschnittes 1 und die konische innenfläche 4 der Kupplung 7 nähern sich, wenn das mit Außengewinde versehene Glied, d. h. der Rohrabschnitt 1, und das mit Innengewinde versehene Glied, d. h. die Kupplungsmuffe 7, ineinandergeschraubt werden, und gelangen zu einer Metall·gegen-Metall-Berührung, ehe die Endfläche 5 des mit Außengewinde versehenen Gliedes an der zugeordneten Schulterfläche des mit Innengewinde versehenen Gliedes aufsitzt. Hierzu ist

die Außenfläche 9 der Kippe ballig mit dem Radius R_x ausgeführt, und zwar derart, daß die höchste Erhebung ungefähr in der Mitte zynischen dem vorderen Ende des Außengewindes und dem Ende des mit Innengewinde versehenen Gliedes liegt. Hierdurch wird zuerst ein Metall-gegen-Mctall-Kantakt zwischen den gewindefreien Flächen 9 und 4 herbeigeführt, und dann wird eine zweite Metall-gegen-Mctall-Deriihrung zwischen der Endfläche 5 des mit Außengewinde versehenen Gliedes und der zugeordneten Schulterfläche 6 des mit Innengewinde versehenen Gliedes herbeigeführt. Bei einem weiteren Zusammenschrauben steigt der Metall-gegen-Metall-Abdichtungsdruck mit einer plötzlich zunehmenden Geschwindigkeit an, und die plötzliche Zunahme des Anschraubdrehmomentes kann durch einen Drehmomentmesser festgestellt werden, um automatisch die Schraubbewegung zu stoppen, nachdem ein vorbestimmtes Anzugsmoment erreicht ist, wobei ein Verbeulen und eine plastische Deformation der Lippe 11 vermieden «o wird.

Bei der neuen Gewinderohrverbindung gemäß der Erfindung sind der Teilstrich 13 des mit Außengewinde versehenen Gliedes und der Teilstrich 16 des mit Innengewinde versehenen Gliedes exakt ausge- as richtet, und zwar durch die Anwendung der Anzugskraft auf Grund des Zusammenwirkens der konvexen und konkaven Flächen, die im wesentlichen den Verlauf einer Rotationsfläche aufweisen, um einer Abweichung von der festgelegten relativen Lage zu widerstehen, so daß eine feste und kraftvolle Metall-gegen-Metall-Berührung zwischen diesen Flächen 5 und 6 sichergestellt werden kann. Insbesondere kann durch die Wahl von R₂ gleich oder kleiner als R_a eine kreisförmige Berührungslinie zwischen diesen Berührungsflächen sichergestellt werden, so daß eine Metall-gegen-Metall-Abdichtung mit einem außerordentlich hohen Dichtungsdruck erhalten werden kann. Im allgemeinen entsprechen die Radien R₂ und A₃ vorteilhafterweise dem 1,0- bis 2,5fachen der Dicke T_e des Endes des mit Außengewinde versehenen Gliedes, und der Radius A₁ beträgt vorzugsweise 50 bis 300 mm. Mit diesen Werten kann die zweite Abdichtung, das ist die Abdichtung 22, an dem Ende des mit Außengewinde versehenen Gliedes gebildet werden, wie dies in Fig.3 dargestellt ist. Darüber hinaus kann bei einer konvexen oder konkaven Rotationsfläche an der Endfläche der Lippe 5 diese Lippe hohen Anzugskräften widerstehen, ohne in Richtung auf die Rohrachse (nach unten in Fig.3) auszuweichen und den Metall-gegen-Metall-Abdichtungseffekt zu verlieren.

Darüber hinaus nimmt die Endfläche des mit Außengewinde versehenen Gliedes die Reaktionskraft der zugeordneten Fläche des mit Innengewinde versehenen Gliedes auf, wodurch die Ungleichmäßigkeit der Abdichtdruckverteilung in der Hauptabdichtung auf Grund von Fertigungsfehlern ausgeglichen wird, so daß es möglich ist, eine Gewintierohrverbindung mit doppelter Abdichtung zu erhalten, die eine festere und gleichmäßigere Abdichtung aufweist. Um diesen Punkt im einzelnen zu erläutern, sei darauf hingewiesen, daß das Gewindeschneiden und die Bearbeitung der Verdichtfläche üblicherweise mit unterschiedlichen Werkzeugen ausgeführt wird. Aus diesem Grunde besteht ein größerer oder kleinerer Fehler zwischen der Achse des Gewindes und der Achse der Abdichtfläche. Die Exzentrizität zwischen dem Gewindeteilkreis 31 und dem Weltkreis 32 der Ab dichtfläche beruht auf der Ungleichmäßigkeit dei Abdichtdruckverteilung, wie dies in Fig.4 darge stellt ist, die ein extremes Beispiel zeigt. In diesen Falle ist der effektive Abdichtdruck gleich dem Minimum des Berührungsdruckes P_mln. Die Innenflächen 4 und 6 des mit Innengewinde versehenen Gliedes jedoch sind häufig mit dem gleichen Werkzeug wegen ihrer schlechteren Bearbeitbarkeit bearbeitet In diesem Falle ist es einfach, eine gute Ausrichtung der Achsen des Oewindeteilkreises und des Wälzkreises der Abdichtfläche zu erhalten. DemgemäC bewirkt die kraftvolle zwangläufige Berührung zwischen den Flächen 5 und 6 der mit Außen- und Innengewinde versehenen Glieder auf Grund des Zusammenschraubens eine automatische Verschiebung des Endes 5 des mit Außengewinde versehenen Gliedes beispielsweise in Richtung der Pfeile in Fig. 5, wodurch der relativ geringe Abdichtungsdruck über eine mit 9' und 4' bezeichnete Fläche erhöht und relativ hohe Abdichtungsdrücke an der gegenüberliegenden Fläche, die mit 9" und 4" bezeichnet ist, vermindert werden. Hierdurch kann die Ungleichmäßigkeit der Abdichtdruckverteilung, wie sie bei 33 in F i g. 4 angezeigt ist, automatisch korrigiert werden und eine gleichmäßige Verteilung des Abdichtdrukkes kann sichergestellt werden.

Weiterhin kann durch Ausbildung eines Abdichtungsfilmes mit einer Dicke von 0,1 bis 0,33 mm an der Endfläche S des mit Außengewinde versehenen Gliedes oder an der Schulterfläche 6 des mit Innengewinde versehenen Gliedes durch Auftrages eines flüssigen Harzes, beispielsweise Tetrafluoräthylen, durch Sprühen oder mit einer geeigneten Bürste und Erwärmen der Beschichtung mit einer Infrarot-Heizung oder einer anderen Heizung auf eine Temperatur von 60 bis 80° für eine kurze Zeitspanne sowohl eine Metall-gegen-Metall-Berührung als auch eine Metall-gegen-Harz-Berührung zwischen den Flächen 5 und 6 herbeigeführt werden, wodurch die Dichtfläche vergrößert und eine bessere Abdichtwirkung erzielt wird.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, die angewendet wird, wenn der Rohrabschnitt 1 eine Dicke von 8 mm oder mehr hat. Es handelt sich hier um die gleiche Ausführungsform, die vorher beschrieben wurde, jedoch mit der Ausnahme, daß der Rohrabschnitt 1 und die Kupplungsmuffe 7 innert. Umfangsabschnitte 50 und 51 aufweisen, deren einander gegenüberliegende Flächen 52 und 53 in ebenen senkrecht zur Rohrachse oder in konischen Flächen liegen.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher die Endfläche des mit Außengewinde versehenen Gliedes und die zugeordnete Fläche des mit Innengewinde versehenen Gliedes Profile aufweisen, die durch eine Vielzahl von geraden Linien begrenzt sind, die den bogenförmigen Profilen mit den Radien R₂ und A₃ der Ausführungsform nach F i g. 2 in erster Näherung angepaßt sind.

Fig.8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher das Ende des mit Außengewinde versehenen Gliedes eine konkave Fläche und die zugeordnete Schulter des mit Innengewinde versehenen Gliedes eine konvexe Fläche aufweisen.

Die Ausführungsformen nach den Fig.6 bis8 sind ebenso wirksam wie die Ausführungsform nach Fig. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

ι 2 einer Endfläche des Endabscbnittes des Zapfenteils Patentansprüche: und einer entsprechenden Fläche des Muffenteils gebildet ist.

1. Gewinderohrverbindung für eine Verroh- Die Bedingungen, unter denen die Rohre verwenrung, insbesondere für ölbohrlochrohre, mit S det werden und die Erfordernisse, die an solche einer ersten Metall-gegen-Metall-Abdichtung bei Rohre gestellt werden, haben sich von Jahr zu Jahr verschraubter Gewinderohrverbindung zwischen immer schwieriger gestaltet. Erdöl- und Erdgasboheiner Außenfläche eines gewindefreien Endab- rungen sind häufig bis zu einer Tiefe von mehr als schnittes eines mit Außengewinde versehenen 5000 m vorgetrieben worden, und der Typ der mit Zapfenteils und einer entsprechenden Innen- io Gewinde versehenen rohrförmigen Auskleidungen, fläche eines mit Innengewinde versehenen Muf- die für solche Bohrungen verwendet wurden, ist über fenteils, wobei die Außenfläche des Zapfenleils die vielen Jahre ein^m Wandel unterzogen worden, im wesentlichen ballig ist oder ein im wesentli- tind verschiedene neue Typen von Gewinderohrverchen bogenförmiges Profil aufweist und die In- bmdungen sind vorgeschlagen und auch benutzt wornenfläche des Muffenteils mit geradlinigem Profil 15 den. Es ist einzusehen, daß bei einem Rohrstrang, ausgebildet ist und eine zweite Metall-gegen-Me- der sich in eine Tiefe von mehr als 5000 m erstreckt, tall-Abdichtung bei verschraubter Gewinderohr- die oberste Rohrverbindung das gesamte Gewicht verbindung zwischen einer Endfläche des Endab- der Verrohrung aufnehmen muß, selbst wenn keine schnittes des Zapfenteils und einer entsprechen- äußere Kraft ausgeübt wird und die Verrohrung in den Fläche des Muffenteils gebildet ist, d a - 20 einfacher Weise aufgehängt ist. Da die üblicherweise durch gekennzeichnet, daß die End- benutzten Rohre heute zwischen sechs und 50 kg/m fläche (5) des Zapfentei'.s (1) im wesentlichen ein Rohrlänge wiegen, entstehen riesige Belastungen, die konvexes oder konkaves Profil und die Fläche durch die Gewinde aufgenommen werden müssen. (6) des Muffenteils (7) ein im wesentlichen korn- Falls die Verrohrung dazu benutzt wird, das Bohrplementäres Profil aufweist. 25 loch zu bohren, muß die Kupplung zusätzlich zu der

2. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 1, Zugbelastung einer hohen Drehmomentbelastung dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (5) widerstehen können.

des Zapfenteils (1) und die zugeordnete Fläche Eine im Zusammenhang mit der Verrohrung auf-(6) des Muffeaeils Kurvenradien R₂ bzw. R₃ auf- tretende Schwierigkeit besteht darin, daß die Kuppweisen, wobei R₂ <| A₃ ist und die Radienwerte 30 lung zwischen einander zugeordneten, mit Gewinde zwischen dem einfache.i bis c;m fünffachen der versehenen Elementen beim Auftreten einer großen Dicke (T_e) des Endabscimittes (11) des Zapfen- Zugbelastung locker wird, was zu einer Beeinflusteils (1) betragen. sung der lecksicheren Eigenschaften der Kupplung

3. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 1 führt. Aus diesem Grund sind verschiedene Verbes- oder?, dadurch gekennzeichnet, daß die einander 35 serungen in Verbindung mit der Abdichtung der Gezugeordneten Flächen (5, 6) der zweiten Abdich- winderohrverbindung wünschenswert.

tung (22) mit einem Überzug aus Kunststoff, vor- _{Es ist} bekannt und beispielsweise in der USA.-Pa-

zugsweise Tetrafluoräthylen, überzogen sind. tentschrift 3 210 096 und der USA.-Patentschrift

4. Gewinderohrverbindung nach einem der 3 224 799 offenbart, gegen ein Durchsickern bzw. Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 40 _ej_ne Leckage zwischen einander zugeordneten mit der Zapfen- und Muffenteil (1, 7) innere Um- Gewinde versehenen Elementen abzudichten, d.h. fangsabschnitte (50, 51) aufweisen, zwischen de- _eine Dichtung bei der Rohrverbindung beim Zusamnen ein Spalt ausgebildet ist, und daß die einan- menschrauben der Kupplung dadurch zu schaffen, der gegenüberliegenden Flächen (52, 53) der in- daß eine Metall-gegen-Metall-Abdichtung zusamneren Umfangsabschnitte in Ebenen liegen, die 45 _mengehöriger oder zusammenwirkender Teile der senkrecht oder konisch zur Rohrachse verlaufen. mk Außen- und Innengewinde versehenen Kupp-

5. Gewinderohrverbindung nach einem der lungselemente gebildet ist. Bei dieser Gewinderohr-Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß verbindung liegt die Stirnfläche des Endteiles (oder das konkave bzw. konvexe Profil der einander Lippe) des mit Außengewinde versehenen Zapfenzugeordneten Flächen (5, 6) der zweiten Abdich- 50 teils, das die Metall-Metall-Abdichtung bildet, in tung (22) durch eine Vielzahl von geraden Linien einer Ebene senkrecht zur Rohrachse, und die zugebildet ist. geordnete Fläche des mit Innengewinde versehenen

Muffenteils liegt ebenfalls in einer Ebene senkrecht

zur Rohrachse, wobei die zugeordnete Fläche des

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gewinderohr- 55 Muffenteils als Anschlagsschulter dient, die ein Überverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für mäßiges Zusammenschrauben verhindert. Es ist auch ölbohrloehrohre, mit einer ersten Metall-gegen-Me- bekannt und beispielsweise in der deutschen Ausletall-Abdichtung bei verschraubter Gewinderohrver- geschrift 1533 619, der britischen Patentschrift bindung zwischen einer Außenfläche eines gewinde- 1 220 856, der USA.-Patentschrift 3 489 437, der freien Endabschnittes eines mit Außengewinde verse- 60 USA.-Patentschrift 3 359 013 und der USA.-Patenthenen Zapfenteils und einer entsprechenden Innen- schrift 3 050 318 offenbart, die Stirnfläche des mit fläche eines mit Innengewinde versehenen Muffen- Außengewinde versehenen Zapfenteils als kegelteils, wobei die Außenfläche des Zapfenteils im we- stumpfförmige Fläche auszubilden, die die Rohrachse sentlichen ballig ist oder ein im wesentlichen bogen- einschließt, und die zugeordnete Fläche des mit Införmiges Profil aufweist und die Innenfläche des 65 nengewinde versehenen Muffenteils als eine entspre-Muffenteils mit geradlinigem Profil ausgebildet ist chende kegelstumpfförmige Fläche auszubilden. Wei- und eine zweite Metall-gegen-Metall-Abdichtung bei terhin ist es bekannt und beispielsweise in der deutverschraubter Gewinderohrverbindung zwischen sehen Auslegeschrift 1 243 605, der deutschen Aus-