DE2330762A1

DE2330762A1 - Stossverbindung fuer stahlrohre, die gegenueber wasserstoffversproedung wenig empfindlich sind

Info

Publication number: DE2330762A1
Application number: DE2330762A
Authority: DE
Inventors: Jean Duret
Original assignee: Vallourec Usines a Tubes de Lorraine Escaut SA
Current assignee: Vallourec Usines a Tubes de Lorraine Escaut SA
Priority date: 1972-06-16
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1974-01-03
Also published as: ES415958A1; TR18168A; PL90090B1; RO64429A; CA985336A; GB1428433A; NL7308385A; DE2330762B2; AR205972A1; BR7304476D0; NO146443C; NO146443B; NL166518C; DE2330762C3; NL166518B; BE800955A; IT989191B; JPS4951622A; MY7800210A; JPS549733B2

Description

Vallourec (Usines a Tubes de Lorraine-Escaut et VaHourec Retinies)^ ? Rond Point Bup;eaud_T Paris 16e*me_t Frankreich

Stoßverbindung für Stahlrohre, die gegenüber Wasserstoffversprödung wenig empfindlich sind

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stoßverbindung für Stahlrohre, die insbesondere in der Erdölindustrie benutzt werden und gegenüber Wasserstoffversprödung wenig empfindlich sind.

Für die Verwendung in der Erdölindustrie sind bereits Stoßverbindungen für Stahlrohre bekannt. Hierbei ergibt sich die Verbindung mit Hilfe eines Gewindes, welches in eine kegelstumpfförmige Fläche am Ende des Bolzenelementes eingeschnitten ist und mit einem entsprechend ausgebildeten anderen Gewinde zusammenwirkt, welches in die kegelstumpfförmige Fläche der Innenseite des Endes des Mutterelementes eingearbeitet ist. Bei einer Ausführungsform dieser Art wird die Dichtigkeit dadurch sichergestellt, daß das Ende des Bolzenelementes an einer Schulter entsprechender Form anschlägt, die am Fuß des Gewindes des Mutterelementes angeordnet ist. Diese Schulter ist in ihrem zentralen Bereich mit Hilfe einer kegelstumpfförmigen Fläche ausgebildet, deren Gipfel gegen das Ende des Mutterelementes gerichtet ist und in ihrem umfängliehen Bereich mit Hilfe einer Anschlagfläche, beispielsweise einer kegelstumpfförmigen Ansehlagfläche gebildet ist, deren Konizität in umgekehrte Richtung verläuft, so daß, wenn das Ende des Bolzenelementes gegen die S-chulter des Mutterelementes anschlägt, der mittlere Bereich der Schulter das Bestreben hat, gegen das äußere Ende des Bolzenelementes zurückzugehen, wenn der umfängliche Bereich der schulter in umgekehrte Richtung wirkt.

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Bei dieser bekannten Stoßvervindung sind die Abmessungen der mit Gewinde versehenen kegelstumpfförmigen Teile so gewählt, daß sich während der Verbindung eine Umschnürung des mit Gewinde versehenen Bolzenteiles um das entsprechende Mutterteil ergibt, während das Ende des Bolzenelementes gegen die Schulter des Mutterelementes anschlägt, um die Dichtigkeit der Stoßverbindung sicherzustellen.

Bei den herkömmlichen Anwendungen arbeitet diese Rohrverbindung vollauf zuflieden, und sie ist in keiner Weise gegen Versprödung durch Wasserstoff empfindlich, wenn die saure, versprödende Flüssigkeit durch das Innere der Rohrverbindung fließt, wie das meistens der Fall ist.

Das Ende des Bolzenelementes, sowie der Teil des Mutterelementes, welcher der einen Anschlag bildenden Schulter benachbart ist, sind nur zwei- oder dreidimensionalen Druckbeanspruchungen ausgesetzt, welche sich Rißbildungen widersetzen, die auf Versprödung durch Wasserstoff zurückzuführen sind.

Im Gegenteil, wenn die saure, versprödende Flüssigkeit außen um eine Rohrverbindung so fließt, die noch beschrieben wird, reskiert man eine schnelle Versprödung, die zu einem Bruch des Teiles führt, welcher das Muttergewinde aufweist.

Dieses kann man dadurch erklären, daß der Teil des Mutterelementes, der das kegelstumpfförmige Gewinde aufweist, während der Montage und noch mehr unter den Bedingungen der Benutzung senkrechten Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist.

Der Teil, der das Muttergewinde aufweist, wird plötzlich einer

Längszugbeanspruchung unterworfen, um die Kraft auszugleichen,

die vom Ende des Bolzenelementes auf die innere Schulter aes

Mutterelementes ausgeübt wird. Die Umschnürung, die beim Ver-

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schrauben der beiden kegelstumpfförmigen Gewinde entsteht, übt auf den Umfang des Mutterelementes in senkrechte Richtungen zur Achse der Rohrverbindung Dehnungskräfte aus.

Die Einschnürungen infolge der Benutzung, die durch die axiale Spannung in den Rohren entstehen, und der innere Überdruck erhöhen noch die Einschnürungen, die bereits aufgrund der Montage vorhanden sind. Ferner beobachtet rr.an aufgrund von Dickenunterschieden, die bei der Herstellung notwendig sind, Zonen, in welchen Einschnürungen lokal konzentriert sind, die die bereits genannten Einschnürungen ebenfalls noch beträchtlich erhöhen können.

Diese Kombination zweier Einschnürungen, die senkrecht angeordnet sind, ist besonders günstig für eine Wasserstoffverspröuung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine solche Rohrverbindung, bei welcher dieser Nachteil vermieden ist und welche ermöglicht, einen Widerstand gegen Wasserstoffversprödung zu verwirklichen, der an der Außen- und Innenseite der Rohrverbindung, sowie zwischen den Gewindeverbindungen im Rohrkörper wirksam ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stoßverbindung für Stahlrohre, insbesondere für die Erdölindustrie, die montierbar und demontierbar ist und wobei die Dichtigkeit dadurch erreicht wird, daß das Ende des Bolzenelementes gegen eine Schulter anschlagt, die im Innern des Mutterelementes angeordnet ist, und wobei die Schulter einen mittleren Bereich in Form eines Kegelstumpfes, dessen Gipfel in Richtung auf das Ende des Mutterelementes gerichtet ist und einen umfänglichen Bereich mit analoger kegelstumpfförmiger Form aufweist, dessen Konizität sich ii umgekehrter Richtung erstreckt, wobei das Ende des Bolzenelementes eine ähnliche Form aufweist wie der mittlere Bereich, welcher den Anschlag der Schulter des Mutterelementes bildet, sowie eine identische Formgebung oder eine Formgebung, die an die Form des umfänglichen Bereiches der Schulter des Mutterelementes angepaßt ist, wobei die Verbindung des Bolzen- und

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Mutterelementes durch Gewinde von entsprechender Form gebildet wjrd, die sich auf einer kegelstumpfförrnigen Fläche im Innern des Enaes des Mutterelementes und auf einer kegelstumpfförmigen Fläche am Ende des Bolzenelementes befinden. Die Erfindung isr dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Abmessungen der kegelstumpfförmigen Gewinae des Bolzen- und Mutterelementes so gewählt sind, daß während des Anschlusses der Verbindung keine überschüssige Umschnürung des Mutterelementes auf dem Bolzenelement erfolgt.

Gemäß der Erfindung, sowie für ein ausgewähltes Metall von gewöhnlicher Qualität ouer einer Qualität, die einen besonderen Widerstand gegen Versprödung aufweist, definiert man die nicht zu überschreitende Grenze oer Einschnürungen im praktischen Einsatz sowie die Beschaffenheit der Yerbindundung so, daß an irgendeinem Punkt jedes der Bolzen- und/oder Mutterlemente diese maximalen Einschnürungen nicht überschritten werden, d.h. nicht nur nach dem Zusammenschrauben, sondern auch unter den Bedingungen aes praktischen Einsatzes.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Stoßverbindung, die eine Variante zu der Verbindung darstellt, die oben bereits beschrieben ist. Diese andere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Bolzen- oder Mutterelementes sich mit Hilfe von zylindrischem Gewinde ergibt, welches eventuell in einem Teil mit kegelstumpfförmigem Gewinde in einer Richtung zu Ende geht, die dem Ende des Bolzenelementes gegenüberliegt, oder in Richtung des Endes des Mutterelementes.

Bei dieser anderen Ausführungsform haben die zylindrischen Gewinde und eventuell auch die kegelstumpfförmigen Gewinde solche Abmessungen, daß sie während des Zusammenbaus der Verbindung keine wesentliche Umschnürung des Mutterelementes auf dem Bolzenelement erzeugen.

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Wenn sich ergibt, aaß entsprechend der Erfindung keine wesentliche Umschnürung des Mutterelementes auf dem Bolzenelement beim Zusammenbau der Verbindung stattfindet, so wird dadurch verständlich, daß beim Anliegen des Anschlages des Endes des Bolzenelementes an der Schulter des Mutterelementes die Durchmesser der Gipfel und Fußteile der Gewinde des Bolzenelementes nicht systematisch größer sind als die der Fußbereiche und Gipfel der Gewinde des Mutterelemenetes.(Die Abmessungen sind wohlverstanden Maße vor dem Zusammenbau, denn nach dem Zusammenbau kann die Einschnürung oder die Wärmedehnung des Bolzenelementes infolge des inneren Überdruckes zur Folge haben, daß diese Maße nicht mehr stimmen)

Ein weiteres Ziel besteht darin, die theoretischen Abmessungen des Gewindes des Bolzenelementes sowie des Gewindes des Mutterelementes so zu wählen, daß trotz Herstellungstoleranzen die größtmöglichen Durchmesser des Bolzenelementes geringer bleiben als die möglichen kleinsten Durchmesser des Muttereleinentes« oder trotz größtmöglicher Durchmesser des Bolzenelementes sind die kleinstmöglichen Durchmesser des Mutterelementes nur geringfügig größer.

In diesem letzten Falle erhält man eine verminderte Umschnürung, die teilweise freiwillig- begrenzt ist und die nur in dem Falle auftritt, wenn man in einem besondere betrachteten Punkt infolge des statistischen Zufalles einen maximalen Durchmesser des Bolzenelementes und einen minimalen Durchmesser des Mutterelementes verwirklicht hat.

Bei einem Beispiel für ein Rohr mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm beträgt die Differenz zwischen dem größtmöglichen und dem kleinstmöglichen Durchmesser des Bolzen- oder Muttereleir.entes - wenn man einen bestimmten Punkt betrachtet 2/10 mm. Tann kann man die Herst el lungsiraße festsetzen, damit der größtmögliche Durchmesser des Bolzenelementes größer ist als das Maximum von ungefähr 1/10 mm (z.B. einige Hundertstel Millimeter) bezogen auf den nUnimal möglichen Durchmesser des Mutterelercentes, .

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Wenn aas gemäß aer Erfindung der Fall 1st, wire vorzugsweise der minimal mögliche Durchmesser des Muttereier:.entes nur wenig (beispielsweise weniger als p/löO mm) den maximal möglichen Durchmesser das Bolzenelementes überschreiten.

Diese Unterschiede in aen Maßen können entsprecheno proportional dem Rohrdurchmesser varriert werden.

Während der Herstellung der Schraubverbindung finuet kaum oder gar keine Umschnürung aes Muttergewindes auf α err. Boizengewinde statt. Im Moment der Verbindung ist aas Widerstandsmoment irr wesentlichen aer Gruna für aas notwenaige Moment., um aas Ende des Bolzenelementes gegen aie Schulter des Mutterelementes zu αrücken.

Wenn aas Gewinde vollkommen konisch oder zylindrisch-konisch ist, kann die Konizität des Bolzenelerrentes von α err. ces Mutterelement es verschieden sein, wenn man Toleranzen aer betreffenden Bauweise in Bezug auf die Durchmesser una aie Konisehen Eereiche berücksichtigt, um aie Möglichkeiten aer Umschnürung oaer aas diametrale Spiel verschiedener Art auf der Länge des konischen Gewindes zu beherrschen.

Da die Bearbeitung konischer Gewinde auf zylindrischen. Rohren verschiedene Dicken und verschiedene Steifigkeiten erzeugt, die von aiesen Dicken abhängen, können caraus quer- una längsgerichtete verschiedenartige Druckbeanspruchungen entstehen, Geren Aufrechterhaltung unterhalb vorbestimmter Maximalwerte bei Stahl eine Differenzierung aer Spiele oder Abweichungen in den Abmessungen bei der Länge aes konischen Geviindes notwendig macht.

Auf diese V/eise kann man rr.it sehr viel Präzision das Spannmoment bestimm-en, welches bei der Verbindung aufgebracht v/erden muß.

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Dieses Moment muß so schwach wie möglich, aber genügend groß sein, damit das Bolzenelement mit einer bestimmten Kraft gegen aie Schulter des Mutterelementes angedrückt bleibt, wenn das gesamta Rohre einer Längszugbeanspruchung unterworfen wird, die von den, Gewicht herrührt, wenn eine Reihe von Rohren senkrecht in einem Schacht herunterhängt.

Entsprechend der Erfindung ist es vorzugsweise für den Fall einer anormalen Verspannung wichtig, die Verbindung so herzustellen, daß im rechten Teil der Verbindung im Bereich des Anschlages aer Teil des Mutterelementes eine Fläche hat, die ungefähr 10 bis 20 % größer ist als die Fläche des Teils des Bolzenelementes. Daraus resultiert, daß im Falle einer wichtigen Verspannung nur das Ende des Bolzenelementes und der Anschlag des Mutterelementes bleibende Deformationen erleiuen.

Das seitliche Spiel, welches gemäß der Erfindung zwischen den Gewindegängen des Bolzenelementes und denen aes Mutterelementes besteht, weist auch den Vorteil auf, daß das Ende des Bolzenelementes besser auf der Schulter des Mutterelementes zentriert werden kann, sowie daß man trotz Herstellungstoleranzen unc Fluchtungsfehlern, die dabei entstehen, in allen Fällen eine hervorragende Dichtigkeit erhält. Außerdem wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung der in dem Mutterelement erzeugten Druckbeanspruchungen durch das Zusammenstoßen von Anschlagflächen erreicht.

Es versteht sich, daß dank charakteristischer Merkmale der Verbindung gemäß der Erfindung der mit Gewinde versehene Teil des Mutterelementes keinen vergrößerten Druckbeanspruchungen in Längsrichtung unterworfen wird, welche systematisch unterhalb vorbestimmter Maximalwerte begrenzt sind, die entsprechend dem verwendeten Metall ausgewählt werden.

Im Gegenteil, wenn die Verbindung einer LängsZugbeanspruchung_ unterworfen wird, wie das beispielsweise unter den oben beschrfe benen Bedingungen der Fall ist, ruft die Dehnungskraft, die das Bolzenteil auf das Mutterteil ausübt, einen Aufbau hervor,

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welcher die Neigung hat, den Durchmesser des Mutterteiles zu vermindern, indem auf dem Umfang dieses letzten Druckkräfte entstehen (d.h. Kräfte, die im umgekehrten Sinne wie die Kräfte wirken, die durch die Umschnürung hervorgerufen sind.)

Es versteht sich unter diesen Bedingungen, daß das Mutterelement, welches keinen Dehnungsbeanspruchungen unterworfen ist, welche durch das verwendete Meteil begrenzt wird (das gilt sowohl für die Längs- als auch für die Querdehnung), auf diese Weise genügend der Wasserstoffversprodung widerstehen kann.

In bestimmten Anwendungsfällen kann ins Auge gefaßt v/erden, daß bei der Schaubverbindung (vor Indienstnahme und mit innerem Überdruck) die aus zwei Richtungen auftretenden Druckbeanspruchungen in Qets Mutterelement praktisch gleich Null sind,' vorausgesetzt, daß daraus keine wachsende Gefahr für das Bolzenelement entsteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läßt man zwischen dem Teil des Bolzenelementes, welches zwischen seinem Ende und dem Anfang seines Gewinaes liegt, sowie zwischen aem entsprechenden Teil des Mutterelementes, ein leichtes seitliches Spiel bestehen.

Auf diese Weise erhält man eine bessere Verteilung der Druckbeanspruchungen auf dem äußeren Umfang des Mutterelernentes, was später noch erläutert wird.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindung sieht man auf der äußeren Fläche des Mutterelementes eine leichte progressive Verminderung des Durchmessers im rechten Teil des Mutterelementes vor, der jenseits der Schulter angeordnet ist.

Wie später noch im einzelnen erläutert wird, erhält man auf diese Weise eine bessere Verteilung der Druckbeanspruchungen auf dem Umfang des Mutterelementes.

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Gemäß "einer v/eiteren bevorzugten Ausführungsform uer Erfindung erhält man eine gute Verteilung aer Druckbeanspruchungen, indem mein uer axialen Länge des Mutteranschlages, aer die Schulter für aas Enue aes Bolzenelementes bildet, einen Wert gibt, uer wenigstens 1,10 mal aer Dicke des Mutterrohres an ihren letzten Ende entspricht, was in aem Falle gil-t, daß es sich ui:; oine einfache Verbindung hanuelt, uie aus einem Rohr mit eine:;- Mutterende sowie mit einem Rohr mit einem Bolzenenue besteht. .

In dem Falle, daß zwei Bolzenelemente mit Hilfe einer Muffe verbunden werden, muß der Abstand zwischen den beiden Schultern uer riuffe vorzugsweise wenigstens gleich 2,2 mal der Dicke der Muffe zwischen ihren beiaen Schultern sein.

In üen beiden Fällen muß die axiale Länge des Anschlages um so größer sein als aas Rohr für einen vorgegebenen Durchmesser . dünner ist.

Gemäß einer v/eiteren besonderen Aus führung s form der Erfindung stellt man die Stoßverbindung her, indem man an der Schraubverbindung nur ein sehr schwach-es Moment aufbringt, welches nur sohr schwache Druckbeanspruchungen in der Verbindung erzeugt. Diese könnten jedoch zur Aufrechterhaltung der Verbindung ungenügend sein, wenn aie Verbindung im Einsatz einer Längszugbeanspruchung ausgesetzt wird, und zwar zu der Zeit der Anbringung der Reihe verbundener Rohre oder beim Ziehen nach der Demontage. Diesen Nachteil gleicht man aus, indem man bei der Herstellung der Verbindung ein p&ymerisierendes Schmiermittel verwendet, welches nach einer bestimmten Anwendungszeit aushärtet, indem es einen Klebstoff bildet.

Ein derartiges polymerisierendes Schmiermittel muß gegenüber der in oder um die Verbindung fließenden Medien chemisch neutral sein. Es muß außerdem einen ausreichenden Widerstand gegenüber Drücken und Temperaturen haben, die bei der Benutzung der Verbindung auftreten. Es muß außerdem ermöglichen, die Verbindung zu entschrauben, ohne die einzelnen Elemente zu beschädigen.

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Zu diesem Zweck kann man polyrr.erisierenüe dchmierruittel wie Epoxyharze oder Urethanharze, Gie nicht heißlaufen und nicht reiben sollen, plastische Produkte, welche ermöglichen, die charakteristischen mechanischen Werte einzustellen und katalytische Produkte, um die Bedingungen der gewünschten Polymerisation einzustellen.

Man kann auch ein festes Produkt erreichen, welches wenig widerstandsfähig gegen Zerstörung ist, wenn die Schraubverbindung ohne Beschädigung des Stahls der beiden verbundenen Elementes gelöst wird.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausfuhrungsform der Erfindung verwendet man das polymerisierende Schmiermittel als Füllung für das diametrale Spiel zwischen dem Bolzenelement und den. Mutterelement, damit nach aem Aushärten das Beheben dieses Spiels verhindert, daß eines der Elemente allein eine Deformation erleidet, ohne aaß das anaere Element davon betroffen ist.

Beispielsweise kann man bei einer Verbindung mit sehr kleinen Abmessungen, bei aenen der Stana der Technik bei den Werkzeugmaschinen nicht ermöglicht, genügend kleine Toleranzen herzustellen, das Risiko eines überschüssigen Spieles ehe¹ wählen als das einer übergroßen Umschnürung, weil das überschüssige Spiel dann durch ein polymerisierendes Schmiermittel ausgeglichen wird, dessen Widerstand an diesen Benutzungsfall angepaßt ist.

Die Verbindungen gemäß der Erfindung können der Art sein, bei denen das Ende eines Rohrelementes dem Bolzenelement gleichförmig ist, wä-hrend das Ende des anderen Rohrelementes dem Muttereleir.ent gleichförmig ist.

Die Erfindung ist insbesondere interessant für den Fall, daß man mit Hilfe einer Doppelmuffe mit Muttergewinde die Bolzenenden zweiter Rohrelement miteinander verbinden will.

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Zwecks besseren Verständnisses der Erfindung ist diese anhand von Zeichnungen beschrieben, welche jedoch keine Begrenzung des Erfindungsgedankens darstellen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstell-ung einer Verbindung gemäß der Erfindung, welche kegelstumpfförmig verlaufende Gewindegänge aufweist,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform der Verbindung gemäß Fig. bei welcher sich die Verbindung rr.it Hilfe zylindrischkonisch verlaufender Gewindegänge ergibt,

Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstell-ung, in welcher das Spiel dargestellt ist, welches bei einer Verbindung gemäß der Erfindung zwischen dem Gewinde des Bolzenelementes und dem Gewinde des Mutterelementes besteht,

Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen, welche veranschaulichen, wie die Aufteilung der Herstellungstoleranzen auf dem Bolzenelement und auf dem Mutterelement angeordnet werden muß,

Fig. 6 eine vergrößerte schematische Darstellung, welche die Deformationen veranschaulicht, denen das Mutterelement ausgesetzt ist, wenn eine Längszugbeanspruchung auf die Verbindung ausgeübt wird,

Fig. 7 schematisch eine andere Ausführungsform gemäß der Erfindung, welche es möglich macht, die Einschnürungen auf den äußeren Umfang des Mutterelementes besser zu verteilen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Schnitt durch eine Verbindung gemäß c.er Erfindung dargestellt, welche ein Bolzenelement 1 aufweist, über welches eine rohrförmige i/uff e 2 festgeschraubt j st. Der rechte Teil der rohrförmigen Muffe weist kein Bolzen-

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element auf, welches gegebenenfalls hier eingreifen müßte.

Wie bereits bekannt ist, besitzt das Ende des Bolzenelementes eine kegeis tumpf form ige Fläche J>, welche sich an eier Schulter 4 aer Muffe 2 abstützt, welche ebenfalls eine entsprechende Form aufweist. Auf diese V/eise soll das Zusammenschrauben begrenzt weraen.

Auf der äußeren Fläche des Ende des Elementes 1 befindet sich eine Fläche 5, die beispielsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist und welche sich bein Verspannen an einer Fläche 6 der Muffe 2 abstützt, welche eine entsprechende oder im wesentlichen entsprechende Form auf\\^Teist.

In Fig. 1 sieht man ebenfalls, wie das kegelstumpfförrrige Gewinde 7 c.es Bolzenelerr.entes in aas kegelstumpfförrr.ige Gewinde von entsprechender Form eingreift, welches auf dem Mutterteil angeordnet ist.

In Fig. 1 sieht man außerdem wie die Flächen 9 und 10, die das Ende des Gewinaes einerseits mit aera Ende des Bolzenelementes und andererseits rrit der Schulter der als Mutterelement ausgebildeten Muffe verbinden, zx^ischen sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein leichtes Spiel aufweisen.

Beim Zusammenschrauben der Verbindung ist der Schraubvorgang daaurch festgelegt,daß sich das Ende des Bolzenelementes an den Flächen 4 und 6 des Mutterelementes abstützt.

Die Wirkung der Fläche 3 des Bolzeneleraentes auf aen Bereich 4 der Schulter des Mutterelementes hat zum Zweck, das Ende des Eolzenelementes nach außen zurückzustoßen, wobei die Fläche 5 sich an der Fläche 6 aes Mutterelementes abstützt, um die Dichtigkeit der Verbindung sicherzustellen.

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Der Winkel der Erzeugenden der Fläche 4 bezogen auf eine Senkrechte zur Achse der Verbindung muß größer sein als der Gleitwinkel des Endes des Bolzenelementes auf der Schulter oes Mutterelernentes. Dieser Winkel liegt beispielsweise zwischen 10 und 30°, vorzugsweise zwischen 15 uno 20°.

Die Neigung una die Form der Flächen 5 und 6 kann innerhalb breiter Grenzen streuen. Es muß lediglich als einzige Bedingung eingehalten werden, die Dichtigkeit der Verbindung durch eine elastische und/oder plastische Verformung cter Fläche 5 gegen die Fläche 6 zu verwirklichen.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform aer Verbindung gemäß Fig. 1 dargestellt.

Bei uieser Ausführungsform sind aie Gewinde 7 und 8 des Bolzen- und Mutterelementes statt auf einem Kegelstumpf auf dem größeren Teil einer zylindrischen Fläche I angeordnet und bei aer dargestellten Ausführungsform noch zusätzlich auf einer kegelstumpfförmigen Fläche II, die sich am Ende des mutterförmigen Muffenteiles befindet.

Wie K.an aus Fig. 2 ersteht, ist der zylindrische Teil der Gewinde der wichtigste. Bei einer anderen Ausführungsform könnte der kegelstumpfförmige Teil eventuell entfallen, obgleich dieser kegelstumpfförmige Teil eine zweckmäßigere Benutzung von Metall ermöglicht, wobei die Gewinde in ihrer Höhe progressiv gegen das Rohr vermindert sind, welches das Bolzenelement darstellt.

In Fig. 3 ist schematisch ein Schnitt in vergrößertem Maßstab dargestellt, welcher ein Teil des Gewindes des Bolzenelementes 7 und des Mutterelementes 8 darstellt.

Um die Notwendigkeit des radialen Spieles zu beachten, welches eines der grundlegenden Merkmale der vorliegenden Erfindung ist, ist die kegelstumpfförmige Erzeugende 11 des Gewindes 7 des Bolzenelementes unterhalb der kegelstuir.pfförrrigen Erzeugenden 12 des Gewindes 8 des Mutterelementes angeordnet, um

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zwischen den beiden Gewinden ein Spiel zu haben, welches der Entfernung der Erzeugenden 11 und 12 entspricht.

Man sieht, daß die Gipfel der Gewindegänge 13 ües Bolzenelementes 7 einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Vertiefung der Gewinaegänge 14 des Mutterelerr.entes δ. Das ist bei den Vertiefungen der Gewinaegänge 15 des Bolzenelementes 7 sowie den Gipfeln der Gewinde des Mutterelerr.entes 8 genau das gleiche.

Ebenso belassen die hinteren Flanken 17 und IS zwischen sich selbst, der Schraubverbindung und der Verbindung ein Spiel. Sie sind nur durch die Wirkung der vorderen Flanken 19 und 20 der Bolzen- und Muttergewinde gesichert.

Man sieht, daß unter diesen Bedingungen die Verbindung keinerlei Umschnürung des Muttereleir.entes δ auf dem Bolzeneler.ent hervorruft.

Um besser zu verstehen wie das Spiel zwischen den Bolzen- und Muttergewinden sein muß, sind in den Fig. 4 und 5 zwei mögliche Fälle für die Aufteilung der Herstellungstoleranzen schematisch dargestellt.

In diesen beiden Figuren ist 11 die kegelstumpfförn.ige Erzeugende des Gewindes des Bolzenelententes und 12 aie kegeistumpffö'rmige Erzeugende des Gewindes des Mutterelerr.entes.

Die Linien Ii und 12 entsprechen theoretischen Lagen der Bolzen- und Muttergewinde.

In der Praxis ist es unmöglich, die Gewinde so genau herzustellen wie sie eigentlich sein sollen.

Zwischen den Linien 11 mini und 11 maxi sind daher Abstände für die Lage der Erzeugenden 11 unter Berücksichtigung von Herstellungstoleranzen dargestellt.

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Während theoretisch das Bolzengewinäe durch die Erzeugende bestimmt wird, liegt dieses in aer Praxis infolge der Herstellungsgenauigkeit zwischen der Erzeugenden 11 mini und der Erzeugenden 11 maxi. Das gleiche gilt für o.ie Erzeugende 12.

Im Falle der Fig. 4 sind die theoretischen Lagen der Erzeugenden so gewählt, daß die Maße 12 mini immer größer sind als die Maße 11 maxi. Daraus ergibt sich, daß man auf diese Weise im gesamten Eereich des Bolzen- und Muttergewindes das übliche Spiel erhält. Die kleinste Größe dieses Spiels ist durch den Abstand 21 veranschaulicht.

Entsprechend der Erfindung sollte dieses Spiel 21 vorzugsweise kleingehalten werden, wenn möglich in der Nähe von Null.

Fic« 5 veranschaulicht den Fall, bei dem die Maße der Erzeugenden 11 maxi größer sind als die Maße der Erzeugenden 12 mini Daraus resultiert ein gegenseitiges Eindringen in den Bereich der Herstellungstoleranzen, und zwar mit einem kleinen Betrag, was in der Fig. 5 mit der Bezugszahl 22 im einzelnen veranschaulicht ist.

Es versteht sich, daß bei der Darstellung in Fig. 5 zwischen dem Bolzengewinde und den; Muttergewinde ein Spiel besteht, und zwar an allen Stellen, welche so eine große Mehrheit Stellen bilden, an denen die tatsächliche Herstellung der Erzeugenden 11 unterhalb der tatsächlichen Herstellung der Erzeugenden 12 liegt.

Wenn man in der Praxis ein leichtes gegenseitiges Eindringen aer Bereiche der Herstellungetoleranzen zuläßt, erhält man eine Gewindeverbindung ohne wesentliche Umschnürung oder nur rrit einer sehr geringen Umschnürung, aie dem gemäß der vorliegenden Erfindung beabsichtigten Zweck nicht widerspricht.

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Wenn beispielsweise die Herstellungstoleranzen in der Größenordnung 1/10 mm liegen (Abstand zwischen 11 rrini und 11 naxl oder zwischen 12 mini und 12 maxi) beträgt das gegenseitige Eindringen der Herstellungstoleranzen, die den: Abotand 22 entsprechen, einige hundertstel Millimeter.

In Fig. 6 sind die Zugbeanspruchungen veranschaulicht, Vielehe ausgeübt werden, wenn zwei Bolzenelemente 1 durch eine rohrförmige Muffe 2 miteinander verbunden sind una eine axiale Zugkraft auf die gesamte Verbindung ausgeübt wird, beispielsweise durch Ziehen der Bolzenelemente in Längsrichtung. Eine derartige Beanspruchung tritt in der Praxis durch Abhängen des Rohres in einem Schacht auf.

Man sieht, daß beim Zusammenschrauben der Verbindung im mittleren Bereich 3 der Muffe einerseits Kräfte F 1 auftreten, wobei es sich um Druckkräfte handelt, die auf dem inneren Umfang der Muffe verteilt sind, sowie andererseits Kräfte F 2, bei denen es sich um Zugkräfte handelt, die am äußeren Umfang der Muffe auftreten.

Das Gleichgewicht dieser Kräfte gewährleistet das Zusammenhalten der Rohrverbindung.

Wenn diese Verbindung axialen Zugkräften unterworfen wird, die auf das Bolzenelement ausgeübt werden, versteht sich, daß die Kräfte F 1 progressiv abnehmen, während die Kräfte F 2 so wachsen, daß sie sich Längszugkräften entgegenstellen können.

Entsprechend der Erfindung ist es grundsätzlich vorzuziehen, daß die Kräfte F 1 immer vorhanden sind, um die Dichtigkeit zu gewährleisten.

Die Existenz der Kräfte F 2, die auf der gesamten Länge der Muffe und insbesondere an ihrem linken Ende auftreten (s.Fig. 6), haben zur Folge, daß sich die Muffe leicht zusammenzieht, d.h., daß eine Verminderung ihres Durchmessers erfolgt, die um so leichter eintritt, wenn entsprechend der Erfindung zwischen dem Gewinae des Bolzenelementes und dem des Mutterelementes ein Spiel vorhanden ist. 309881/0970

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Diese Zusammenziehung des Metalles hat zum Zier, daß auf dem Umfang der Muffe leichte Druckkräfte auftreten, die senkrecht zur Rohrachse angeordnet sind.

Mit unterbrochen-en Strichen ist im äußeren Bereich der Muffe öle Verformung dargestellt, die aus diesem Zusammenziehen herrührt. Diese Deformation ist allerdings stark übertrieben aargestellt, um auf diese V/eise ein besseres Verständnis zu erreichen.

Es ist festzustellen, daß an den Enden der Muffe und einer genügend weiten Entfernung eine Verminderung des Durchmessers eintritt, welche, wie durch die Linie 23 angedeutet, im wesentlichen constant bleibt.

Im Gegensatz dazu ist die Verminderung des Durchmessers im Bereich der mittleren Zone 3 der Muffe, die durch die Linie 24 angedeutet ist, von viel kleinerer Bedeutung, weil dieser Teil der Muffe viel dicker ist und durch das Abstützen des Anschlages (Kräfte P 1) verdichtet ist und wirksam Zusammenziehungskräfte aufnehmen kann.

Schließlich ist festzustellen, daß die Linie 23 mit der Linie 24 über eine Linie 25 verbunden ist, die einen Wendepunkt besitzt.

Auf der Höhe dieser Linie 25 könnten sich eventuell im Wendepunkt auf dem Umfang der Muffe Stellen ergeben, an welchen leichte Dehnungsbeanspruchungen in Richtung senkrecht zur Achse der Verbindung auftreten können.

Um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens derartiger Dehnungsbeanspruchungen, die für einen guten Widerstand gegen die Versprödung durch Wasserstoff schädlich sind, zu vermindern, ist es entsprechend einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorzuziehen, zwischen den Flächen 9 und 10 ein Spiel vorzusehen, so daß eine gute Verteilung der Beanspruchungen zwischen der Zone 3 der Muffe und jen-er Zone erfolgt, die die Gewinde aufweist. Man erleichtert auf diese Weise die Schaffung einer

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OfHGlNAL INSPECTS*

Art Abrundung auf dem äußeren Umfang der Muffe, und zwar dank einer möglichen Schwenkung des Mäalls runa um die äußere Kante des Bolzenelementes.

Außerdem ist festzustellen, daß diese .gute Verteilung der Be--" anspruchungen auf der äußeren Fläche des Mutterelementes um so leichter ist, wenn die Kräfte F 1 vermindert sind. Das ist auch der Grund dafür, das Schraubmoir.ent auf ein Minimum herabzusetzen.

In Fig. 7 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, welche ermöglicht, in großem Maße der Krümmung 25 im Wendepunkt auf der äußeren Fläche de~ Muffe auszuweichen, cie einer Längszugbeanspruchung unterworfen ist.

Zu diesem Zweck ist auf der äußeren Fläche der Zone 5 der Muffe eine kleine Rille 26 angeordnet, die progressiv nit der äußeren Fläche der Muffe verbunden ist.

Bei dieser Abschwächung des mittleren Teiles cer Muffe hält man die Deformation, die auf die Überaieke aieses mittleren Teiles der Muffe zurückzuführen ist, ausgeglichen.

Aus diesem "Grunde kann man Beformationslinien 23, 24 und 25 aufrechterhalten, die im wesentlichen fluchtend verlaufen, wenn auf die Rohre, die so verbunden sind, LängsZugbeanspruchungen ausgeübt werden.

Auf diese Weise vermeidet man, daß auf irgendeinem Punkt aer äußeren Fläche der Muffe Überkonzentrationen durch Wechsel der Form auftreten. Wichtiger ist, daß man die Einschnürungen infolge Dehnungen in dem betreffenden Dickenabschnitt durch Anordn-ungen gemäß der Erfindung beherrscht.

Gegiäß einer bevorzugten Ausführungsforrr. der Erfindung stellt man die in Fig. 1 dargestellte Muffe so her, aaß aer Abstand zwischen den beiden Schultern 4 der Muffe gleich oder kleiner 2,2 mal der Dicke der Muffe 2 zwischen den Schultern 4 ist. Auf diese Weise erhält man eine sehr vorteilhafte Verteilung der Einschnürungen in der Muffe. 309 8 81 /0970

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Im Falle einsr Verbindung ohne Muffe weist 'das MutteieLement vorteilhafterweise eine Schulter 4 auf, die entsprechend einer zylindrischen Fläche axial verlängert ist. Dabei ist diese Länge wenigstens gleich 1,1 mal der Gesamt-dicke des Mutterelen.entes im Bereich der Schulter.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Verteilung der Einschnürungen auf der äußeren Fläche des Mutterelementes zu verbes-sern, indem man für die Verbindung ein sehr vermindertes Schraubmoment verwendet, welches nicht genügend groß sein würde, allein die Dichtigkeit der Verbindung zu gewährleisten, wenn diese einer Längszugbeanspruchung unterworfen würde. In diesem Falle verwendet man für die Herstellung der Verbindung ein polymerisierendes Schmiermittel, welches durch Aushärten ein Verkleben der Verbindung sicherstellt, wobei vermieden wird, daß sie sieh im Betrieb losschrauben kann und gleichzeitig die Dichtigkeit verstärkt wird. Vorzugsweise muß dieses Schmiermittel ermöglichen, daß die Verbindung ohne Beschädigung des Metalles wiecer losgeschraubt werden kann.

Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen keine charakteristische Begrenzung des Erfindungsgedankens darstellen, sondern im Gegenteil alle gewünschten Änderungen annehmen können, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Ansprüche 309881/0970

Claims

to

Ansp.rüche

l.yStoßverbindung für Stahlrohre, insbesondere für die Erdölindustrie, - die zusammen- und wieder auseinandergebaut werden können und wobei die Dichtigkeit dadurch erreicht wird, daß das Ende des Bolzenelementes gegen eine Schulter anschlägt, die sich im Innern des Mutterelementes befindet, und wobei die Schulter einen mittleren Bereich in Form eines Kegelstumpfes, dessen Gipfel gegen das Ende des Mutterelementes gerichtet ist, sowie einen umfänglichen Bereich von analoger kegelstumpfförmiger Form aufweist, dessen Konizität sich in umgekehrter Richtung erstreckt, wobei das Bolzenelement eine ähnliche Form aufweist wie der mittlere Bereich, welcher den Anschlag der schulter des Mutterelementes bildet sowie eine identische Formgebung oder eine Formgebung, die an die Form des umfänglichen Bereiches der Schulter des Mutterelementes angepaßt ist, wobei die Verbindung des Bolzen- und Mutterelementes durch Gewinde von entsprechender Form gebildet wird, die im Innern des Endes des Mutterelementes und außen auf dem Bolzenelement angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Abmessungen der Gewinde des Bolzen- und Mutterelementes so beschaffen sind, daß während des Anschlusses der Verbindung keine überschüssige Umschnürung des Mutterelementes auf dem Bolzenelement erfolgt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. Gewinde des Bolzen- und Mutterelementes kegelstumpfartige Gewinde sind.

5. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde des Bolzen- und Mutterelementes zylindrisch ausgebildete Gewinde sind.

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4. Verbindung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Gewinde in einem Teil mit kegelstumpfförmigem Gewinde zu Ende gehen, welches gegen das Ende des, Mutterelementes gerichtet ist.

5. Verbindung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die theoretischen Abmessungen des Gewindes des Bolzenelementes und des Gewindes des Mutterelementes so beschaffen sind, daß, trotz Herstellungstoleranzen, die größtmöglichen Durchmesser des Bolzenelementes unterhalb der kleinstmöglichen Durchmesser des Mutterelementes bleiben.

6. Verbindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die theoretischen Abmessungen des Gewindes des Bolzenelementes sowie des Gewindes des Mutterelementes so gewählt sind, daß trotz Herstellungstoleranzen . ■ die größtmöglichen Durchmesser des Bolzenelementes äwas größer sind als die kleinstmöglichen Durchmesser des Mutterelementes.

7. Verbindung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Moment der schraubverbindung, welches das Zusammenhalten der Verbindung sicherstellt, das Ende des Bolzenelementes gegen die Schulter des Mutterelementes drückt, und zwar mit einer genügenden Kraft, darr.it das Ende des Bolzenelernentes trotz axialer Kräfte, die bei der Benutzung auf die Verbindung ausgeübt werden, gegen die genannte Schulter gedrückt bleibt.

8. Verbindung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch Gekennzeichnet, ca3 zwischen derr. Teil des Bolzenelernentes, welches zwischen seinem Ende und dem Anfang seines Gewindes sowie dem entsprechenden Teil des Mutterelementes angeordnet ist, ein leichtes seitliches Spiel vorgesehen ist.

BAD ORIGINAL

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9. Verbindung nach irgendeinen] der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man an der äußeren Fläche des Mutterelementes eine leichte pgrogressive Verminderung des Durchmessers zur rechten Seite des mit Überdicke ausgebildeten Teiles des Mutterelementes herstellt, welcher jenseits der Schulter angeordnet ist.

10. Verbindung nach irgendeinem aer vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Zusammenschrauben der Verbindung ein polymerisierendes Schmiermittel verwendet wird, welches danach aushärtet.

11. Verbindung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende eines Rohrelementes als Bolzenelement und das Ende eines anderen Rohrelementes als Mutterelement ausgebildet ist.

12. Verbindung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei als Bolzenelerr.ent ausgebildete Rohrenden aufweist, die durch eine rohrförmige Muffe miteinander verbunden sina, welche zwei Mutterelemente bilaet.

13. Verbindung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Bolzenelementes der rechte Teil des Mutterelementes eine Oberfläche aufweist, die ungefähr 10 bis 20 % größer ist als die aes Bolzenelementes.

14. Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter des Mutterelementes in axialer Richtung verlängert ist, wobei die Länge wenigstens 1,1 rr.al der Gesamtdicke des Kutterelementes entspricht.

15. Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Schultern der Muffe wenigstens gleich 2,2 mal der Dicke der Muffe zwischen den Schultern entspricht.

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