DE2802383A1

DE2802383A1 - Rohrverbindungsvorrichtung und verfahren zum zusammenfuegen und trennen derselben

Info

Publication number: DE2802383A1
Application number: DE19782802383
Authority: DE
Inventors: John Drummond Mcgugan
Original assignee: Hunting Oilfield Services Ltd
Current assignee: Huntin Oilfield Equipment Holdings Ltd London G
Priority date: 1977-01-26
Filing date: 1978-01-20
Publication date: 1978-07-27
Also published as: JPS53114521A; JPS5733478B2; FR2379011A1; NO151633B; NO151633C; FR2379011B1; DE7723698U1; CA1095553A; DE2802383C2; NO780172L

Description

Hunting Oilfield Services Limited, Main Cross Road, Great Yarmouth, Norfolk, England

Rohrverbindungsvorrichtung und Verfahren zum Zusammenfügen und Trennen derselben

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rohrverbindungsvorrichtung, bestehend aus einem hohlen Zapfenteil und einem teleskopartig auf dieses aufschiebbaren Muffenteil, bei denen im zusammengefügten Zustand eine kegelstumpfartige Innenoberfläche des Muffenteils eine kegelstumpfartige Außenoberfläche des Zapfenteils überdeckt.

Die erfindungsgemäße Rohrverbindungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfartigen Oberflächen mit ringförmigen Nuten und Vorsprüngen versehen sind, die miteinander in Eingriff bringbar sind und dabei Zapfen- und Muffenteil axial miteinander verriegeln.

Die Verfahrensmerkmale sind den anliegenden Ansprüchen 13 und 15 zu entnehmen.

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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt in Längsrichtung durch eine zweiteilige, aus Zapfenteil und Muffenteil bestehende Rohrverbindungsvorrichtung,

Fig. 2 und 3 je eine separate Teilschnitt-Darstellung des Zapfenteils bzw. des Muffenteils von Fig. 1,

Fig. 4 und 5 Einzeldarstellungen des Zapfenteils bzw. Muffenteils während und nach der Montage,

Fig. 6 einen Axialschnitt durch die Rohrverbindungsvorrichtung von Fig. 1 mit Einrichtungen zur Erzeugung einer axialen Vereinigungskraft, und

Fig. 7 eine Stirnansicht der Krafterzeugungsvorrichtung von Fig. 6.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, besteht die Rohrverbindungsvorrichtung aus einem mit einem Rohr 2 beispielsweise durch Schweißen verbundenen Zaofenteil 1 und einem mit einem anderen Rohr 4 ebenfalls beispielsweise durch Schweißen verbundenen Muffenteil 3. Zapfenteil und Muffenteil sind teleskopartig ineinanderfügbar und besitzen jeweils eine der anderen zugekehrte äußere Paßfläche 5 bzw. innere Paßfläche 6, die sich im fertig montierten Zustand (siehe Fig. 1), wenn das Zapfenteil 1 vollständig in das Huffenteil 3 eingesetzt ist, gegenseitig überdecken.

Zur Axialverriegelung des Zapfenteils 1 relativ zu dem Muffenteil 3 besitzt letzteres auf seiner inneren Paßfläche mehrere in Axialrichtung hintereinander angeordnete Ringnuten 7a, 7b ... 7g, 7h, die jeweils auf einer Radialebene angeordnet, durch Axialflächen 8 und 9 begrenzt und durch dazwischenliegende Ringflächen 10a, 10b ... 10g, 10h voneinander getrennt sind. In ähnlicher Weise befinden sich

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auf der äußeren PäSfläche 5 des Zapfenteils 1 in Axialrichtung mit Abständen hintereinander angeordnete Ringvorsprünge 11a, 11b ... 11g, 11h, in gleicher Verteilung wie die zuvor beschriebenen Ringnuten 7. Die Ringnuten 7 und die Ringvorsprünge 11 sind relativ zueinander so geformt und dimensioniert, daß sich Zapfenteil und Muffenteil einerseits zusammenfügen lassen, andererseits aber Axialkräften widerstehen, welche eine Trennung der beiden Teile bewirken könnten. Somit besteht ein Metall-Metall-Kontakt zwischen den Axialflächen 8 sämtlicher Ringnuten und den gegenüberliegenden Axialflächen sämtlicher Ringvorsprünge 11, welche sich allen Axialkräften widersetzen, welche die beiden Teile der Rohrverbindungsvorrichtung trennen möchten. Die Ringnuten und die RingvorSprünge können sich, wie dargestellt, im wesentlichen über die Gesamtlänge der Paßflächen 5 und 6 erstrecken, aber auch über eine kürzere Strecke.

Gemäß Fig. 3 mündet ein Radialkanal 12 in eine Axialnut 13, die innenseitig im Muffenteil 3 einige Ringnuten 7 schneidet, über diesen Radialkanal 12 kann die aus hochfestem Stahl hergestellte zweiteilige Rohrverbindungsvorrichtung an eine Druckölquelle von etwa 350 bis 500 atü angeschlossen werden.

Beim Zusammenbau wird zunächst das Zapfenteil 1 soweit in das Muffenteil 3 eingeführt, bis sich die Paßflächen 5 und 6 metallisch berühren. Aufgrund der vorhandenen Konizität erfolgt die erste metallische Berührung der Vorsprünge, beispielsweise Ringvorsprung 11g des Zapfenteils 1 an Ringfläche 10g unmittelbar vor der betreffenden Ringnut, d.h. Ringnut 7g, in die der Ringvorsprung eingeführt werden soll. Anschließend werden Zapfenteil 1 und Muffenteil 3 durch eine außen angelegte Axialkraft progressiv weiter zusammengeschoben, bis sämtliche RingvorSprünge in ihre vorgesehenen Ringnuten eingreifen. Während der Wirksamkeit dieser Axialkraft dehnt sich das Muffenteil etwas und das Zapfenteil

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wird etwas zusammengedrückt, so daß beispielsweise der Ringvorsprung 11g über die Ringfläche 10g hinweggleiten und anschließend in Ringnut 7g einrasten kann. Die Tiefe der Ringvorsprünge und Ringnuten ist so gewählt, daß die Material-Elastizitätsgrenzen von Zapfenteil und Muffenteil nicht überschritten werden.

Gemäß Fig. 6 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Aufbringen der Axialkraft eine Kaliberspannvorrichtung 14 benutzt. Um das Zapfenteil und das Muffenteil wird je ein diametral geteilter und mittels eines. Scharniers 17 aufklappbarer erster Ring 15 bzw. zweiter Ring 16 herumgelegt. Beide Ringe 15 und 16 sind durch über ihren Umfang verteilte Hydraulik-Zylindereinheiten 18 verbunden. Die Ringe 15 und 16 greifen in je eine Ringnut 19 im Zapfenteil bzw. Ringnut 20 im Muffenteil ein.

Während der Axialkraft-Übertragung durch die Kaliberspannvorrichtung 14 ist es nützlich, wenn man in den Überlappungsbereich zwischen Zapfenteil 1 und Muffenteil 3 Drucköl einführt. Dieses Drucköl fließt über den Radialkanal 12 in die Axialnut 13 und verteilt sich dann in den Ringnuten 7 innerhalb des Bereiches, der durch den Metallkontakt zwischen den Ringvorsprüngen 11 und den Ringflächen 10 eingegrenzt wird. Der Druck dieses eingeführten Öls ist so bemessen, daß die elastische Dehnung des Muffenteils 3 und die elastische Schrumpfung des Zapfenteils 1 unterstützt werden, während die Axialkräfte die beiden Teile zusammenfügen. Das öl hat außerdem einen gewissen Schmiereffekt auf die sich berührenden Metalloberflächen, so daß der Metall-Metall-Kontakt durch eine Art hydrostatisches Lager ersetzt wird. Zwar wird ein bestimmter Leckstrom auftreten, doch dieser reicht nicht aus, um die ölzufuhr unwirksam zu machen. Die Schmierung der sich berührenden Flächen von Zapfenteil und Muffenteil vermeidet eventuelle Beschädigungen an den Ringvorsprüngen und Ringnuten beim Zusammenpressen.

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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Rohrverbindungsvorrichtung sind die Toleranzen der Paßflächen 5 und 6 so klein gehalten, daß das Zapfenteil 1 schließlich mit einem Schrumpfsitz im Muffenteil 3 sitzt, wobei die Axialflächen der Ringnuten 7 im Metallkontakt mit den entsprechenden Axialflächen der RingvorSprünge 11 stehen. Dabei hat es sich als wichtig herausgestellt, daß im vollständig eingerückten Zustand von Zapfenteil und Muffenteil keine ölreste in den Ringnuten 7 verbleiben. Verbleibende eingeschlossene ölreste würden nämlich den vollständigen Eingriff eines RingvorSprungs in der Ringnut verhindern, und damit bliebe immer die Gefahr eines unbeabsichtigten Lösens. Um dieses Risiko auszuschließen, reicht die Axialnut 13 bis zu den beiden Ringnuten 7b und 7g in der Nähe jeder Endnut 7a bzw. 7h. Dadurch wird in den Ringnuten 7b - 7g verbliebenes öldurch den Radialkanal 12 herausgespült, und das in den Endnuten 7a und 7h verbleibende öl kann an den Enden von Zapfenteil und Muffenteil entweichen. Sofern das Zapfenteil nicht in das Muffenteil eingeschrumpft ist, muß man lediglich für restlose ölabfuhr zwischen den sich überdeckenden Paßflächen von Zapfenteil und Muffenteil sorgen; das genaue Eingriffsmaß ist nicht so kritisch, es muß aber für alle Dehn- bzw. Schrumpfbewegungen von Zapfenteil und Muffenteil ausreichen.

Will man die Rohrverbindungsvorrichtung später wieder trennen, dann benutzt man hierfür den Radialkanal 12 mit Axialnut 13, um Drucköl zwischen die Paßflächen 5 und 6 zu bringen. Das Einbringen des Drucköls erfolgt zunächst nur bis zu den Metallkontakt-Grenzen zwischen den Ringnuten und Ringvorsprüngen an den Enden der Axialnut 13. Dann legt man, beispielsweise wieder durch entsprechende Verwendung der Kaliberspannvorrichtung 14, eine axiale Trennkraft an. Das Drucköl verursacht eine Dehnung des Muffenteils 3 und eine Schrumpfung des Zapfenteils 1, und dadurch wird das Lösen der Ringvorsprünge 11 aus den Ringnuten 7 unterstützt. Die Axialflächen der Ringnuten verbleiben aber noch im Metallkontakt mit ent-

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sprechenden AxialElächen der Ringflächen 10, so daß größere Leckverluste des Örucköls vermieden werden. Durch weiteres leichtes Anlegen der Axialkraft gelangt das Zapfenteil schließlich in eine Relativposition zum Muffenteil, welches Fig. 4 entspricht, Die Position in Fig. 4 entspricht eigentlich dem ersten metallischen Kontakt beim Zusammenfügen der beiden Teile.

An der einen oder an beiden Paßflächen 5 und 6 können endseitig Dichtungen angeordnet sein, welche den Leckfluß von Drucköl beim Zusammenbau oder beim Trennen verhindern. Sind solche Dichtungen vorhanden, dann können ein oder mehrere Ringnuten und Ringvorsprünge an den Enden der Teile entfallen. Sind jedoch Zapfenteil und Muffenteil gut relativ dimensioniert und toleriert, dann reichen die metallischen Kontakte zwischen beiden Teilen vollständig aus, und man braucht keine zusätzlichen Dichtungen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 befindet sich eine O-Ringdichtung 21 auf der Oberfläche des Zapfenteils 1 nahe dem Ende von Ringvorsprung 11a; diese Dichtung dient als zusätzliche Gebrauchsdichtung der Rohrverbindungsvorrichtung.

Sind Zapfenteil und Muffenteil zueinander so dimensioniert, daß sie mit Schrumpfsitz zusammenpassen, dann kann die Rohrverbindungsvorrichtung Drehmomente in gewissen Grenzen übertraaen. Zur übertragung größerer Drehmomente kann man am inneren Ende der Kegelstumpffläche des Muffenteils 3 einen Stift einsetzen, welcher in einen Vorsprung am Frontende des Zapfenteils 1 eingreift, wobei die Endringnut 7a und der Endringvorsprung 11a entfallen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Zapfenteil und Muffenteil aus hochfestem Stahl hergestellt, und der Außen- bzw. Innendurchmesser beträgt etwa 28". Die Konizität der konischen Oberflächen beträgt 2°, und jeder Ringvorsprung hat eine Höhe von 0,048" bei einer Basislänge

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von 0,80". Die Tiefe jeder Ringnut beträgt 0,044" bei einer OberflächenlMhge von 0,84". Auf jeder konischen Oberfläche sind acht Ringnuten bzw. RingvorSprünge angeordnet, in Abständen von 1,5" in Axialrichtung. Die Axialfläche 8 jeder Ringnut und die entsprechende Axialfläche jedes Ringvorsprungε besitzt eine Abschrägung von 12° gegenüber einer Ebene, die senkrecht zur Rotationsachse von Zapfenteil und Muffenteil verläuft. Die Axialfläche 9 jeder Ringnut und die entsprechende Axialfläche jedes Ringvorsprunges hat eine Abschrägung von 60°. Die vorgenannte Abschrägung wird bestimmt durch Herstell-Toleranzen und entspricht dem für einen engen Sitz zwischen gegenüberliegenden Oberflächen notwendigen Winkel. Dazu ist zu bemerken, daß bei Verwendung anderer Materialien für Zapfenteil und Muffenteil sowie anderer Winkel für die Konizität der konischen Oberflächen die vorher genannten Dimensionen und Anzahlen von Ringnuten und Ringvorsprüngen anders aussehen können.

Ferner ist es durchaus möglich, abweichend von der hier beschriebenen Rohrverbindungsvorrichtung, wo die Ringvorsprünge am Zapfenteil und die Ringnuten im Muffenteil angeordnet sind, diese Elemente zu vertauschen.

Das Ganze ergibt eine einfach konstruierte, leicht zusammenfügbare und keine bewealichen Teile aufweisende zweiteilige Rohrverbindungseinrichtung. Sie ist besonders konstruiert und geeignet für Rohre und andere fohrförmige Gebilde, wie sie für das Bohren und/oder die Ausstattung von küstenfernen öl- und/oder Gasquellen benutzt werden.

Claims

Artsprüche

Rohrverbindungsvorrichtung, bestehend aus einem hohlen Zapfenteil und einem teleskopartig auf dieses aufschiebbaren Muffenteil, bei denen im zusammengefügten Zustand eine kegelstumpfartige Innenoberfläche des Muffenteils eine kegelstumpfartige Außenoberfläche des Zapfenteils überdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelstumpfartigen Oberflächen (5, 6) mit ringförmigen Nuten (7 ...) und Vorsprüngen (11 ...) versehen sind, die miteinander in Eingriff bringbar sind und dabei Zapfen- und Muffenteil (1, 3) axial miteinander verriegeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorsprünge und Nuten mit dazwischenliegenden Axialabständen im wesentlichen über die gesamte Axiallänge der kegelstumpfartigen Oberflächen (5, 6) des Zapfenteil (1) und des Muffenteils (3) erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von den Axial-Dimensionen und Abständen der Konizitätswinkel der kegelstumpfartigen Oberflächen (5, 6) so gewählt ist, daß beim Zusammenfügen von Zapfen- und Muffenteil (1, 3) der metallische Anfangskontakt zwischen einem bestimmten Vorsprung (11 ...) und einer bestimmten Oberfläche (10) zwischen den Nuten (7) neben der Nut (7 ...) stattfindet, in welche dieser Vorsprung schließlich eingreifen wird, und daß VorSprünge und Nuten so dimensioniert sind, daß die beim Hineindrücken jedes VorSprungs in seine zugeordnete Nut auftretende

ORlGiNAL INSPECTED

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Muffenteil-Dehnung und/oder Zapfenteil-Schrumpfung nicht die Elastizitätsgrenzen des Materials von Zapfen- und Muffenteil überschreitet.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konizitätswinkel in der Größenordnung von 2° liegt.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß im vollständig zusammengefügten Zustand der Rohrverbindungseinrichtung das Zapfenteil (1) mit einem Preßsitz in das Muffenteil (3) eingreift.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die VorSprünge (11) und die Nuten (7) so dimensioniert sind, daß im vollständig zusammengefügten Zustand von Zapfen- und Muffenteil (1, 3) ein metallischer Kontakt zwischen sich gegenüberliegenden radialen Endflächen sämtlicher Vorsprünge bzw. Nuten (7,11) vorhanden ist, und daß diese Endflächen-Kontakte Kräften widerstehen, welche auf Trennung zwischen Zapfen- und Muffenteil gerichtet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radial verlaufenden Endflächen einen in der Größenordnung von 13° liegenden Winkel gegenüber einer Ebene aufweisen, welche senkrecht zur Längsachse der Rohrverbindungseinrichtung verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden radial verlaufenden Endflächen der Vorsprünge und Nuten gegenüber der letztgenannten Ebene einen in der Größenordnung von 60° liegenden Winkel aufweisen.

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9. vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen anderen Paaren von radial verlaufenden Endflächen der Vorsprünge und Nuten ein Abstand vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radialkanal (12) mit einer in die kegelstumpfartige Oberfläche (6) des Muffenteils (3) eingearbeiteten, den Zentralbereich des im zusammengefügten Zustand von Zapfen- und Muffenteil (1, 3) gebildeten VorSprünge- und Nuten-Systems (11, 7) erfassenden Axialnut (13) in Verbindung steht; und daß durch den Radialkanal von außen her ein Druckmedium einführbar ist, durch das unter Aufweitung des Muffenteils und/oder Schrumpfung des Zapfenteils das Zusammenfügen und/oder Trennen der Rohrverbindungseinrichtung unterstützbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialnut (13) axial so weit geführt ist, daß sie jeweils mit der Nut (7b, 7g) in Verbindung steht, welche der jeweils letzten Nut (7a, 7h) an jedem Ende der kegelstumpf artigen Oberfläche (6) benachbart ist.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil (1) und das Muffenteil (3) mit Anschlußeinrichtungen (19, 20) für eine Vorrichtung (14) zum Aufbringen von Axialkräften beim Zusammenfügen oder Trennen der Rohrverbindungseinrichtung versehen sind.
13. Verfahren zum Zusammenfügen einer Rohrverbindungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil und das Muffenteil axial ausgerichtet und in Axialrichtung miteinander in Kontakt gebracht werden, daß durch den Radialkanal ein Medium mit einem Druck zugeführt wird, der ausreicht, um das Muffenteil zu dehnen

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und/oder das Zapfetlteil schrumpfen zu lassen, bis sich Zapfen- und Muffenteil zusammenschieben lassen, und daß dann der Druck deä Mediums aufgehoben wird, damit sich das Zapfenteil erweitern und/oder das Muffenteil zusammenziehen kann, wobei die ringförmigen Nuten und Vorsprünge miteinander in Eingriff gelangen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium eine Flüssigkeit ist und eine Schmierwirkung auf die gegenüberliegenden Oberflächen von Zapfen- und Muffenteil ausübt, während sie zusammengeschoben werden.
15. Verfahren zum Trennen einer Rohrverbindungseinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Radialkanal ein Medium mit einem Druck zugeführt wird, der ausreicht, um das Muffenteil zu dehnen und/oder das Zapfenteil schrumpfen zu lassen, so daß die Vorsprünge und Nuten außer gegenseitigem Eingriff gelangen und Zapfen- und Muffenteil sich axial auseinanderbewegen lassen.

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