DE2814636A1

DE2814636A1 - Verbindung fuer rohrteile

Info

Publication number: DE2814636A1
Application number: DE19782814636
Authority: DE
Inventors: James Brison Greer
Original assignee: Exxon Production Research Co
Current assignee: ExxonMobil Upstream Research Co
Priority date: 1977-04-06
Filing date: 1978-04-05
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2814636C2; FR2386763B1; US4121862A; JPS53125620A; FR2386763A1; JPS5652195B2

Description

28H636

Die Erfindung betrifft eine Verbindung für Rohrteile, die durch eine Verschraubung miteinander verbunden sind, wobei die Rohre im besonderen zur Förderung von Gas und/oder Öl eingesetzt werden. Dabei bezieht sich die Erfindung besonders auf Schraubverbindungen für Rohre, die zur Beförderung eines unter hohem Druck stehenden Mediums dienen.

Bei den meisten herkömmlichen Schraubverbindungen wird eine Abdichtung lediglich innerhalb eines äußerst kurzen Bereiches der Gewindezüge erreicht. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung für Rohrteile zu schaffen, mittels welcher ein dichter Abschluß über im wesentlichen den gesamten Gewindebereich erzielt wird.

Bei der Förderung von Öl und Gas aus unterirdischen Lagerstätten ist es erforderlich, daß die Rohrabschnitte unter dichtem Abschluß miteinander verbunden werden, um eine leckfreie Leitung für das Fördermedium sicherzustellen. Die Rohrleitung steht normalerweise unter Druck und Spannung, wodurch die Verbindungsstellen zwischen den Rohrteilen einer erheblichen Belastung ausgesetzt sind. Bei solchen Belastungen ist es schwierig, ein Austreten des Fördermediums an den Verbindungsstellen sicher zu vermeiden. Nach der Erfindung soll dementsprechend eine Schraubverbindung geschaffen werden, die an den Verbindungsstellen ein Austreten des Fördermediums auch dann nicht zuläßt, wenn dieses unter einem hohen Druck

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steht, oder die Leitung und damit die Verbindungsstellen einer beträchtlichen Spannung ausgesetzt sind.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen mit einem Außengewinde versehenen Rohrstutzen, dessen Flankenlinie gekrümmt ist, sowie eine mit einem Innengewinde versehene Rohrmuffe mit einer gekrümmten Flankenlinie, wobei die Gewinde des Stutzens und der Muffe ineinanderschraubbar sind, und die Krümmung der Flankenlinien des Stutzens sowie der Muffe derart verlaufen, daß die vorderen Gewindezüge der beiden Teile in eingeschraubtem Zustand nicht miteinander in Eingriff stehen und sich die Spannung gleichmäßig über mehrere Gewindezüge verteilt. Hierdurch werden Spannungspitzen vermieden, die dadurch entstehen, daß die ersten Gewindezüge des einen Rohrteils in diejenigen des anderen eingreifen. Bevorzugt sind die Flankendurchmesser der Gewinde des Stutzens sowie der Muffe, sich zu einem Ende verjüngend ausgebildet und so gewählt, daß bei eingeschraubtem Gewinde die Gewindeteile lediglich in einem vorbestimmten Bereich in Eingriff stehen. Zur vereinfachten Handhabung und Vermeidung einer Beschädigung des Gewindes sind die vorderen Gewindegänge mit einer Abfasung versehen, wobei die scharfen Kanten der Abfasungen abgerundet sind. Bezüglich weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

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Figur 1 einen Teil schnitt in Längsrichtung durch die mit einem Innengewinde versehene Rohrmuffe,

Figur 2 einen Längsschnitt durch den gemäß der Erfindung mit einem Außengewinde versehenen Rohrstutzen,

Figur 3 einen Schnitt durch die zusammengeschraubten Verbindungsteile,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch die Rohrmuffe und

Figur 5 eine schematische Darstellung des Längsschnittes durch den Rohrstutzen.

Die Fig. 1 zeigt eine zylindrische Rohrmuffe 10 mit einem Innengewinde 11, dessen Flankendurchmesser sich zu einem Ende hin verringert, wie durch die Schräglinie 12 angedeutet ist, und zwar in einer Richtung von rechts nach links. Die Flankenlinie des Gewindes ist in einer Weise gekrümmt, wie dies durch die Krümmungslinie 13 angedeutet ist. Die ersten Gewindezüge an der Eingancpöffnung 14 der Muffe 10 besitzen eine Abfasung 15, wobei die scharfen Kanten an den unvollständig ausgebildeten Gewindezügen abgerundet sind, um die Grate zu entfernen,

Der in Fig. 2 dargestellte Rohrstutzen 20 besitzt eine ähnliche Ausbildung, wobei das Gewinde 21 des Stutzens 20 einen sich vermindernden Flankendurchmesser besitzt, wie durch die

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Schräglinie 22 angedeutet ist, und zwar in einer Richtung von rechts nach links. Das Gewinde des Stutzens 20 besitzt eine gekrümmte Flankenlinie 23, entsprechend der Darstellung. Die Gewindezüge am vorderen Ende 24 des Stutzens besitzenebenfalls eine Abfasung 25, wobei die scharfen Kanten der unvollständig ausgebildeten Gewindezüge zur Entfernung der Grate abgerundet sind.

Wie die Fig. 3 zeigt, ist der Flankendurchmesser der Muffe 10 und der Flankendurchmesser des Rohrstutzens 20 jeweils entsprechend so ausgewählt, daß die zur vollen Höhe ausgebildeten Gewindezüge in dem gemeinsamen Bereich 33 ineinandergreifen. Es könnten sich sonst unvollständige Gewindezüge mit scharfen Kanten durch den Eingriff der Außenseite des Rohrstutzens in das Gewindeprofil ausbilden.

Die Fig. 3 zeigt den Eingriff zwischen der Muffe 10 und dem Stutzen 20. Der Eingriff der scharfen Kanten der ersten abgefasten Gewindezüge des Rohrstutzens und der Muffe wurde verhindert, indem die Flankenlinien 13 bzw. 23 der Muffe und des Stutzens gekrümmt sind (bei gleichzeitiger Abrundung der Kanten der abgefasten Gewindezüge), wodurch die auf die Gewindezüge ibertragenen Kräfte verringert werden, um damit die Neigung zur Abnutzung und zum Verklemmen der Gewindeverbindung zu vermindern. Die gekrümmten Flankenlinien vermindern die Kontaktkräfte zwischen den ersten vollausgebildeten Gewindezügen in den durch gestrichelte Linien angegebenen Bereichen 31 und 32 zwishen den in Eingriff befindlichen konischen Gewindeteilen des Rohrstutzens und der Muffe. Die gekrümmten

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Flankenlinien vermindern allmählich die gegenseitige Beeinflußung der ineinandergreifenden konischen Formen bis zur Kontaktfreiheit über geglättete, ansteigende Schrägbereiche 31 und 32, um allmählich den Druck auf die ineinandergreifenden Gewindezüge zu übertragen· Die Krümmung einer jeden Flankenlinie besitzt ein Kreisprofil. Sie kann jedoch ein beliebiges Profil haben, mittels welchem sich der Druck auf die ersten Gewindezüge in einer allmählichen Weise übertragen laßt.

Etwas höhere Kontaktkräfte werden an den vorderen Kanten des Stutzens und der Muffe übertragen. Obwohl die Krümmungen der Flankenlinien im wesentlichen zu keiner Abnutzung führen, zeigt sich die Druckveränderung über die Länge des Gewindes durch das Glätten der Überzüge der Gewindeteile des Stutzens und der Muffe. Ein derartiges Glätten zeigt, daß der höchste Druck nach wie vor am Ende des Stutzens und der Muffe auftritt in den Bereichen der Flankenlinienkrümmungen 31 und 32. Ein derartiges Profil ist von Bedeutung, da dies die wünschenswerten Stellen für einen hohen Anpreßdruck sind, um eine Abdichtung sowohl gegen einen äußeren als auch einen inneren Druck zu erreichen.

In den Fig. 1 und 2 sind auch die Abstände L- und L„ angegeben, mit welchen die Längen der Gewinde im Bereich der Krümmungskurven 13 bzw. 23 bezeichnet sind. In Fig. 3 stellt das Bezugszeichen 30 die Länge dar, um welche sich der Rohrstutzens20 in die Muffe 10 hineinerstreckt, wenn die beiden Teile ganz

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ineinander geschraubt sind. Die beiden Bereiche 31 und 32 geben die Hauptdichtungsstellen (und die Bereichades höchsten Kontaktdruckes) an beim Anstieg der Flankenlinien des Stutzens 30 bzw. der Muffe 10. Mit der Bezugsziffer 33 ist die Eingriffslänge bezeichnet, über welche die vollausgebildeten Gewindezüge miteinander in Eingriff stehen.

Die Abmessungen einer normalen Verbindung zwischen einer 8,89 mm Muffe mit einem 8£9 mm Rohrstutzen sollen anhand der Fig. 4 und 5 erläutert werden. Dabei haben die in den Zeichnungen angegebenen Buchstaben die folgenden Bedeutungen:

L* * 9,35 mm (Länge der Muffenbohrung) Lp * 8,26 mm (Länge des Muffengewindes)

L₃ » 2,032 mm ( Bogenlänge eines Radius von 42,443 mm

der Abfasung der Gewindezüge um den umfang der Muffe)

L. β 0,340 mm (Abstand des Muffenendes bis zum Schnittpunkt mit dem Flankendurchmesser)

L₅ m 9,341 mm (Länge des Stutzengewindes)

Lg « 5,504 mm (Abstand des Stutzenendes bis zum Schnittpunkt mit dem Flankendurchmesser)

L_ * 2,032 mm (Bogenlänge eines Radius von 42,443 mm, entsprechend der Abfasung um den Umfang des Stutzens)

Ό* « 7,62 mm (innendurchmesser der Muffe und des Rohrstutzens)

D_? « 8,468 mm (Durchmesser am Beginn der Abschrägung am Ende der Muffe)

D₃ « 8,5874 mm (Flankendurchmesser der Muffe in der handfest angezogenen Ebene)

D₄ « 8,9687 mm (Innendurchmesser am Ende der Abfasung

der Muffe)

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-IC-

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Dg « 10,16 mm (Außendurchmesser der Muffe) Dg m 8,280 mm (Außendurchmesser am Ende der

Abfasung des Stutzens)

D^ «= 8,385 mm (Durchmesser am Beginn der Abschrägung am Ende des Stutzens)

D„ » 8,5874 mm (Flankendurchmesser des Stutzens

in der handfest angezogenen Ebene)

Dg ■ 8,89 mm (Außendurchmesser des Stutzens)

Die Gewindeform für die oben angegebene Verbindung ist vom American Petroleum Institute (API) festgelegt mit zehn (10) Zügen pro Zoll, 3/4 Zoll pro Fuß Verjüngung, runde Gewindeform (siehe API Ftd. 5B, 9. Ausgabe, März 1974 - API Specification for Threading, Gaging, and Thread Inspection of Casing, Tubing, and Line Pipe Threads).

Bei Versuchen zur Messung der Abnutzung oder des Verschleißwiderstandes der Verbindung wurde ein gemäß der Erfindung hergestellter Rohrstutzen wiederholt in eine gemäß der Erfindung ausgebildete Muffe eingeschraubt und bei konstantem Eindreh-Drehmoment ausgedreht. Sowohl die visuelle Untersuchung als auch die Analyse der durch diese Versuche erhaltenen Daten sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt, wobei sich keine bemerkenswerte Schädigung aufgrund der Abnutzung zeigte. Eine derartige Schädigung würde sich durch eine große Abnahme zusätzlicher Drehungen nach einem Eindreh-Ausdreh-Zyklus zwischen 34 mkp und 138 mkp Drehmomentwerten zeigen (Spalte 3). Wie aufgeführt, wurde nach zehn Eindreh-Ausdreh-Vorgängen bei einem Drehmoment von 138 mkp (Zyklen 1 bis 10 in Spalte 2) das

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Drehmoment auf 276 mkp verdoppelt (Zyklus 11 in Spalte 4), ohne daß sich eine Beschädigung nach dem Ausdrehen zeigte, und bei in etwa dem gleichen Anstieg zusätzlicher Drehungen (1,5 Umdrehungen in Spalte 5) von 138 bis 276 mkp, wie vorher beobachtet, von 34,5 bis 138 mkp (1,5 durchschnittliche Um^ drehungen in Spalte 3), wodurch sich ein außerordentlicher Grad an Freiheit von Abnutzung und Verschleiß zeigt. Insgesamt wurden 6,5 Umdrehungen (Zyklus 11 in Spalte 4) von handfest bis 276 mkp ermittelt, was etwa 3mal soviel ist wie für andere ähnliche Rohrverbindungen empfohlen wird. Bei keiner Abnutzung oder Verklemmung ist das Drehmoment zum Ausdrehen der Verbindung (Zyklen 1 bis 11 in Spalte 6) etwa gleich dem Eindreh-Drehmoment (Zyklen 1 bis 10 in Spalte 2 und Zyklus 11 in Spalte 4). Geringe Unterschiede zwischen dem Eindreh-Drehmoment und dem Ausdreh-Drehmoment, wie sie sich aus der Tabelle ergeben, beruhen normalerweise auf der thermischen Expansion durch die beim Eindrehen erzeugte Wärme oder Veränderungen in den Eigenschaften des Gewindeschmiermittels. In kennzeichnender Weise betrug das Ausdreh-Drehmoment nach dem Eindrehen bis auf 276 mkp ebenfalls 276 mkp, woraus deutlich wird, daß keine Beschädigung der Verbindung gegeben ist.

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Umdrehungen bei einem Drehmoment in mkp an einem Ende der Verbindung

(1)

(2)

(4)

(5)

(6)

(7)

handfest bis
34,5

handfest bis 138 34,5 bis handfest 138 bis 138 bis 276

Ausdreh-Drehmoment

Zustand

	2
0-3	3
C5	4
*ö	5
	6
— III.. O	7
LO	8
LO	9
	10
	11

Durchschnitt

3.8

3.7

3.6

3.5

3.6

4.2

3.2

3.5

3.7

5.2

5.6

4.8

5.2

5.3

5.7

5.6

4.7

5.4

5.2

1.9 1.2 1.7 1.7 1.5 1.6 1.5 1.4 1.5 1.5

6.5

1.5

124 138	keine Beschädig ung Il
138	Il
124	It
138	It
138	It
173	Il yS>
152	Il t
138	Il
124	Il
276	Il

KJ

- 12 -

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Die erfindungsgemäße Ausbildung ist auch auf andere Gewindeformen als die dargestellte und beschriebene verwendbar. Auch kann die erfindungsgemäß ausgebildete Muffe oder der Stutzen auch mit herkömmlich ausgebildeten Muffen bzw. Stutzen zusammen Verwendung finden. Außerdem kann es sich bei der Muffe um eine Kupplung oder ein anderes Rohrstück hanfein, d.h., es kann ein Kupplungselement oder ein anderes einstückiges Rohrteil vorliegen.

Claims

DR. KARL TH. HEGEL DIPL.-IxMG. KLAUS DICKEL

2 HAMBURG 50 CJRCJBSEi BERGSTRASSE 223 8 MÜNCHEN 60 JULIUS-KREIS-STRASSB 33 POSTFACH 500662 TELEFON (0 40) 30 62 95 TELEFON (O 89) 88 52 10

Γ Π

Tclcgrnmm-Adrpssi·: IJoclhicrputcnt München

L J

Ihr Zeichen: Unser Zeichen: 80OO München, den

H 2831

Exxon Production Research Company P. 0. Box 2189 Houston, Texas 77001 V. St. A.

Verbindung für Rohrteile

Ansprüche fly Verbindung für Rohrteile, gekennzeichnet durch

einen mit einem Außengewinde (21) versehenen Rohrstutzen (20), dessen Flankenlinie (23) gekrümmt ist,

Postscheckkonto: Hamburg 2912 20-205 . Bank: Dresdner Bank AG. Hamburg, Kto.-Nr. 3 813 897

ORIGINAL INSPECTED

sowie eine mit einem Innengewinde (11) versehene Rohrmuffe (10) mit einer gekrümmten Flankenlinie (13), wobei die Gewinde (11, 21) des Stutzens (20) und der Muffe (10) ineinanderschraubbar sind,

und die Krümmungen der Flankenlinien (13, 23) des Stutzens (20) sowie der Muffe (10) derart verlaufen, daß die vorderen Gewindezüge der beiden Teile (10, 20) in eingeschraubtem Zustand nicht miteinander in Eingriff stehen und sich die Spannung gleichmäßig über mehrere Gewindezüge verteilt.
2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankendurchmesser der Gewinde (11, 21) des Stutzens (20) sowie der Muffe (10) sich zu einem Ende hin verjüngend ausgebildet und so gewählt sind, daß bei eingeschraubtem Gewinde die Gewindeteile (10, 20) lediglich in einem vorbestimmten Bereich in Eingriff stehen.
3. Verbindung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der vorderen Gewindegänge mit einer Abfasung (15, 25) versehen ist, wobei die scharfen Kanten der Abfasungen (15, 25) abgerundet sind.
4. Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zusammengeschraubten Gewinden (11, 21) der Anpreßdruck zwischen den zusammengeschraubten Verbindungsteilen (10, 20) so verteilt ist, daß eine Abdichtung am ersten Anstieg der Flankenlinien (13, 23) der Muffe (10) und des Stutzens (20) gegeben ist.

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5. Verbindung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (10) eine Kupplung ist.