DE2817910C2

DE2817910C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verschraubung von zwei Elementen

Info

Publication number: DE2817910C2
Application number: DE2817910A
Authority: DE
Inventors: Charles W. Calhoun; Gary Lynn Houston Tex. Mee; Peter Douglas Woodlands Tex. Weiner
Original assignee: Weatherford Lamb Inc
Current assignee: Weatherford Lamb Inc
Priority date: 1977-04-26
Filing date: 1978-04-24
Publication date: 1981-11-19
Also published as: CA1107847A; SU1050554A3; ATA296778A; GB1569092A; JPS6124154B2; RO80869A; GR60307B; IN149810B; ES469038A1; NO151253B; NO151253C; US4091451A; AU3463978A; BR7802563A; MX145991A; FR2388644B1; NL7803085A; AU513791B2; AT357499B; NO781316L

Description

NX

vorbestimmtes Drehmoment„„„ - Drehmoment,,,.,,^ vorbestimmte Drehzahl,,,,,,

j + Drehmomenl_Bt._/ug

oder kleiner ist als

' vorbestimmtes Drehmoment,,,,,, - Drehmoment„_tvui,

NX

vorbestimmte Drehzahl,,,,,,

Drehmoment_Bt._/u„

wobei N die Anzahl der Umdrehungen des einen Elements gegenüber dem anderen Element darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festgestellte Anzahl der Umdrehungen gelöscht wird, wenn das gemessene Drehmoment niedriger ausfällt als das Bezugsdrehmoment, und die Zählung der Umdrehungen wieder aufgenommen wird, wenn das gemessene Drehmoment dem Bezugsdrehmoment zumindest gleich ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, mit einer Einrichtung zum Drehen des einen mit Gewinde versehenen Elements gegenüber dem anderen mit Gewinde versehenen Element, Einrichtungen zum Messen des bei der Verschraubung aufgewandten Drehmoments und der Drehzahl ab Erreichen eines vorbestimmten Bezugsdrehmoments, einer Verarbeitungseinrich-

3(1

3> tung für die Meßwerte von Drehmoment und Drehzahl und mit an die Verarbeitungseinrichtung angeschlossenen Einrichtungen zum Eingeben zumindest der Werte einer niedrigeren und einer maximalen Drehzahl sowie der Werte des Bezugsdrehmoments, eines Mindestdrehmoments und eines maximalen Drehmoments und zur Anzeige einer mangelhaften Verschraubung der beiden Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verarbeitungseinrichtung (60) zusätzlich eine Einrichtung (72) zum Eingeben einer Mindestdrehzahl angeschlossen und die Einrichtung (91, 93, 95, 97) zur Anzeige einer mangelhaften Verschraubung als die mangelhafte Verschraubung dann bevorstehend anzeigend ausgebildet ist, wenn das für die Verschraubung notwendige Drehmoment größer ist als

NX

vorbestimmtes Drehmoment,,,^ - Drehmoment_Bc/UB vorbestimmte Drehzahl,,,,,,

+ Drehmoment_Bc/U!,

oder kleiner ist als

' vorbestimmtes Drehmoment,,,,,, - Drehmoment_Bc/ue

NX

vorbestimmte Drehzahl„„_u

+ Drehmoment_Bc,_ug

wobei N die Anzahl der Umdrehungen des einen Elements gegenüber dem anderen Element darstellt. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Löschen der Anzeige der gezählten Umdrehungen, wenn das gemessene Drehmoment niedriger ausfällt als das Bezugsdrehmoment, und Einrichtungen für die Wiederaufnahme der Zählung der Umdrehungen, wenn das gemessene Drehmoment dem Bezugsdrehmoment zumindest gleich ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschraubung von zwei an ihren Enden mit Gewinde versehenen Elementen, bei dem die Elemente zunächst miteinander in Eingriff gebracht und dann so lange miteinander verschraubt werden, bis ein vorbestimmtes Bezugsdrehmoment zum Weiterschrauben erforderlich ist, woraufhin die Verschraubung fortgesetzt und danach wieder unterbrochen wird, wenn die Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, wobei das Drehmoment von Beginn der Verschraubung an und die Drehzahl ab Erreichen des vorbestimmten Bezugsdrehmoments gemessen werden. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 3 im einzelnen bezeichnet ist.

Um eine Schraubverbindung zwischen zwei an ihren Enden mit Gewinde versehenen Elementen herzustellen, beispielsweise bei Bohrrohrleiuingen, Futterrohrverbindungen und Gewindebolzen, ist es bekannt, eine bestimmte Anzahl von Gewindegängen in gegenseitigen Eingriff zu bringen und ein bestimmtes Drehmoment anzuwenden, insbesondere bei Rohren, von denen Lecksicherheit verlangt wird. Die US-Patentschriften 33 68 396; 36 06 664; 37 45 820 erläutern Vorrichtungen für die Drehmomentmessung und die Zählung ion Drehungen, mit welchen Schraubverbindungen hergestellt werden. Die Vorrichtungen bisheriger Bauart geben nur dann eine Anzeige, daß eine »mangelhafte Verschraubung« hergestellt worden ist, wenn erkennbar wird, daß gewisse, vorbestimmte Bedingungen bestehen. Es ist wünschenswert, ein Versagen einer hergestellten Verbindung so schnell wie möglich vorherzusagen und anzuzeigen, um zu verhindern, daß Schaden an den Gewinden entsteht und um die kontinuierliche Drehmomentanwendung an defekten Rohrverbindungen zu vermeiden, da es sehr schwierig und zeitraubend ist, defekte Schraubverbindungen zu lösen. Wenn Schraubgewinde beginnen, sich miteinander zu verbinden, wird ein stärkeres Drehmoment erforderlich, um eines der Elemente im Verhältnis zum anderen zu drehen. Wenn das angewendete Drehmoment einen vorbestimmten Punkt erreicht, wird es als Bezugsdrehmoment bezeichnet und stellt den Ausgangspunkt für die Zählung der Anzahl der Umdrehungen eines Elementes im Verhältnis zu dem anderen dar, um das Ineinandergreifen der Gewinde zu messen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß während des eigentlichen Zusammenfügen der Schraubverbindung die Verkantung eines der mit Gewinde versehenen Elemente im Verhältnis zu dem anderen Schraubelement, wie es z. B. auf einer Ölförderinsel bei einem querschwingenden rotierenden Rohr vorkommt, zu einer falschen Angabe des ) Bezugsdrehmoments während des anfänglichen Zusammenfügens führt, bevor mit der korrekten eigentlichen Zusammenschraubung der Gewinde begonnen wird. Bei den Vorrichtungen bisheriger Bauart wurden, jedes Mal wenn das Drehmoment überschritten wurde, Drehungs-

K) Zählungen vorgenommen und die Zählungen unterbrochen, wenn das Drehmoment unterhalb des Bezugsdrehmoments fiel. Die falschen Drehungen wurden in die endgültigen Drehungen mit einbezogen und ergaben einen Fehler, der zu einer unzureichenden Verschrau-"> bung führte.

Die Drehungen wurden fortgesetzt, bis entweder ein Maximaldrehmoment oder die Höchstzahl der Drehungen erreicht waren, wie beispielsweise der US-PS 37 45 820 zu entnehmen ist. Das führte häufig zu

:o Beschädigungen der Gewinde der Verschraubungsteile. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, wodurch es möglich ist, mit hinreichender Sicherheit vor dem Verschraubungsende

j", vorauszusagen, ob die angestrebte Schraubverbindung gut oder unzureichend sein wird und um dadurch eine Beschädigung der Schraubgewinde zu vermeiden.

Die erfindungsgemi'ße Lösung zeichnet sich verfahrensmäßig dadurch aus, daß die Verschraubung nach

ίο Erreichen des vorbestimmten Bezugsdrehmoments unterbrochen wird, wenn das erforderliche Drehmoment größer ist als

vorbestimmtes Drehmoment,,,,,, - Drehmoment^,,,,,; vorbeslimmte Drehzahl,,,,,,

j + Drehmomente,.,_Ul.

oder kleiner ist als

vorbe&timmtes Drehmoment,,,,,, - Drehmoment_Be/ug vorbestimmte Drehzahl„„_n

+ Drehmoment_B„„„

wobei N die Anzahl der Umdrehungen des einen Elementes gegenüber dem anderen Element darstellt.

Besonders vorteilhaft ist es, das erfindungsgemäße Verfahren so zu gestalten, daß alle angesammelten, gemessenen Drehungen automatisch gelöst werden, wenn das gemessene Drehmoment unterhalb des Bezugsdrehmoments fallen sollte und eine neue Messung der Drehungen vorgenommen wird, wenn das Drehmoment wiederum den Bezugsdrehmoment übersteigt. Diese besondere Eigenart verhütet Fehler in Drehungszählungen, die durch einen Biegungsausschlag des einen Schraubelements im Verhältnis zu dem anderen Schraubelement während des Verschraubungsbeginns verursacht werden.

Die vorrichtungsmäßige Lösung der gestellten Aufgabe besteht aus den im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmalen. Weitere Merkmale der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung sind im Anspruch 4 gekennzeichnet.

In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem erläuternden Diagramm und mit Blockschaltbildern dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaubild der Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm, das die Verhältnisse zwischen Drehmoment und Drehungen bei einer Verschraubung darstellt, und die

F i g. 3A, 3B, 3C das Programm des in der vorliegenden Erfindung benutzten Prozessors.

Obwohl die vorliegende Erfindung auch für das Zusammenschrauben von Gewindebolzen, Gewindestiften und dergleichen anwendbar ist, wird sie hier in Verbindung mit dem Zusammenfügen von Rohren, wie zum Beispiel von Bohrrohren, beschrieben.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, schließen kraftangetriebene Rohrzangen, allgemein mit der Bezugsnummer 10 angegeben, ein drehbares Klemmbackenelement 12 ein, welches zum Greifen und Drehen eines Schachtrohrzug-Abschnittes, wie z. B. Rohrabschnitt 14, dient. Das untere Ende des Rohrabschnitts 14 wird bei dem Einschrauben in eine Rohrverbindung 16 gezeigt, in welche das obere Ende eines zweiten Rohrabschnittes 18 ebenfalls eingeschraubt wird. Ein Zangenantriebsmotor 20, wie z. B. ein hydraulischer Motor, ist mit dem drehbaren Klemmbackenelement 12 mittels eines nicht gezeigten Antriebsmechanismus in einer herkömmlichen Weise verbunden. Eine Versorgungsleitung 22. die mit einem Ventil 24 versehen ist, ist

mit dem hydraulischen Motor 20 verbunden, um ihm die notwendige Antriebsenergie zu liefern. Ein Erregerrelais 26 betätigt das Ventil 24. Jedes zweckdienliche Gerät kann zur Messung des von dem drehbaren Klemmbackenelement ausgeübten Drehmoments auf das Bohrrohr 14 Anwendung finden. Zum Beispiel kann ein elektrisches )ehnungsmeßgerät 30 in eine mit der kraftangetriebenen Rohrzange 10 verbundene Stützleitung 33 eingebaut werden, das ein elektrisches Signal abgibt, welches das durch das drehbare Klemmbackenelement 12 ausgeübte Drehmoment anzeigt. Dieses Drehmoment ist proportional zu der Beanspruchung der Stützleitung 33.

Passende Mittel sind für die Messung der Drehungen des drehbaren Klemmbackenelements 12 und somit des Rohrabschnittes 14 vorgesehen. Zum Beispie! kann das drehbare Klemmbackenelement 12 mit einer Mehrzahl von Ansätzen oder Vorsprüngen 32 versehen werden, welche wiederum einen mit einem Betätigungsraum 36 versehenen Mikroschalter 34 betätigen, während das drehbare Klemmbackenelement 12 durch den Motor 20 angetrieben wird. Das Ergebnis ist, daß eine Reihe von Impulsen oder Zählungen über die Leitung 38 übermittelt werden. Hierdurch kann die Verschraubung des Rohrabschnittes 14 mit der Muffe 16 (falls die Muffe stationär ist) gemessen werden, indem die Anzahl der Schalterbetätigungen gezählt werden, während sich der Rohrabschnitt 14 dreht. Normalerweise betätigen die Ansätze 32 den Schalter 34 zehnmal im Laufe einer Umdrehung des Rohres 14.

Es ist selbstverständlich, daß, wenn die Muffe 16 bereits fest auf dem Rohrabschnitt 18 aufgeschraubt ist, es nur noch von Bedeutung ist, eine flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen Rohrabschnitt 14 und der Muffe 16 herzustellen. Sollte jedoch die Muffe 16 lediglich auf dem Rohrabschnitt 18 lose aufgesetzt sein, dann wird die kraftangetriebene Rohrzange 10 eine beidseitige Zusammenschraubung vornehmen. Das heißt, die Rohrzange 10 wird sowohl die Verschraubung zwischen dem Rohrabschnitt 14 und der Muffe 16 herstellen als auch zwischen einer Muffe 16 und dem Rohrabschnitt 18. Im Falle einer beidseitigen Verschraubung muß die Anzahl der Umdrehungen der Rohrverbindungen 16 gleichfalls gemessen werden. Zum Beispiel ist ein unteres Rad 40 vorgesehen, welches auf der Außenfläche der Muffe 16 abrollt, so daß die Rotation der Muffe 16 zu einer Drehung des Rades 40 und eines Verbindungs- Antriebsrades 42, das auf einer gemeinsamen Welle mit dem Rad 40 aufgezogen ist, führt. Eine Mehrzahl von Ansätzen oder Vorsprüngen 44 ist auf dem Antriebsrad 42 zum Einrasten des Betätigungsarmes 45 eines zweiten Mikroschalters 46 vorgesehen. Der Mikroschalter 46 gibt eine Reihe von Zählimpulsen an die Leitung 48 zur Angabe der Rotationsdrehungen der Muffe 16 ab.

Der Ausgang des Dehnungsmeßgeräts 30, der dem Drehmoment entspricht, das die Rohrzange 10 auf den Rohrabschnitt 14 ausübt, wird über Leitungen 50 und 52 gemessen, im Umformer 54 in Spannung umgewandelt, an ein Steigungsumwandlungs-Untersystem 56 übermittelt und daraufhin an den Mikroprozessor 60 weiterübermittelt, welcher einen Mikroprogrammspeicher 62 und einen Direktzugriff speicher 64 enthält

Die Drehungszählungen des oberen Rohrabschnittes 14 werden über die Leitung 38 an den Mikroprozessor 60 übermittelt, und die Drehungszählungen der Muffe 16 werden über die Leitung 48 an den Mikroprozessor 60 übermittelt Ein Rückstellschalter 66 ist vorgesehen, um

die Systeme auf Anfangswerte zurückzustellen bevor eine Verschraubung beginnt.

Auf einer Bedienungstafel 68 sind verschiedene Werte in Abhängigkeit von dem Zusammensehraubungstyp, der verbunden wird, voreinstellbar, wie z. B. bestimmte Größe, Gewicht, Gütestufe und Typ der Rohrverbindung. Zur Einstellung niedriger Drehwerte bzw. Minimaldrehungen und Maximaldrehungen sind Einstellschalter 70, 72 und 74 vorgesehen. Die Schalter 76, 78 und 80 sind vorgesehen für die Eingabe der Werte von Maximaldrehmoment, Minimaldrehmoment und Bezugsdrehmoment. Ferner sind verschiedene manuell betätigbare Schalter, welche in größerer Einzelheit beschrieben werden, wir zum Beispiel ein automatischer Drehungskorrekturschalter82, ein automatisch-manueller Schalter 84 sowie ein Einzel-Doppelt-Verschraubungsschalter 86 vorgesehen, um die Betriebsart des Systems einzustellen.

Verschiedene Anzeigen sind vorgesehen, um die Bedienungsperson mit blitzschnellen Wertangaben betreffs der Anzahl der Drehungen und des angewendeten Drehmoments während des Verlaufes des Verschraubungsvorganges zu versehen. So liefert die Anzeige 88 eine Angabe der Drehungen des oberen Rohrelementes 14, die Anzeige 90 eine Angabe der Anzahl der Drehungen des unteren Elementes 16, die Anzeige 92 liefert eine Angabe des von der kraftangetriebenen Rohrzange 10 ausgeübten Drehmomentes, und die Anzeige 94 liefert eine Angabe über das von der Rohrzange ausgeübte Maximaldrehmoment. Ein Aufzeichnungsgerät 96, das eine Meßstreifeneinrichtung sein kann, ist zur Erfassung des während der Drehungen angewendeten Drehmomentes und der in das System eingegebenen Werte vorgesehen, um hierdurch eine Aufzeichnung der Zusammenschraubung einer jeden Verbindung zu erstellen.

Die Einlaß-Auslaß-Öffnung 98 schafft eine Grenzfläche zwischen dem Prozessor 60 und dem Bedienungsfeld 68 und dem Aufzeichnungsgerät 96. Die Anzeigeleuchten 95 und 97 zeigen an, ob die Verbindung, die gerade hergestellt wird, gut oder mangelhaft ist; eine Hupe 91 und eine Sirene 93 sind vorgesehen, um ein hörbares Signal abzugeben, das andeutet ob die Verschraubung gut oder mangelhaft ausgefallen ist.

Es ist allgemein bekannt, daß, wenn eine bestimmte Anzahl von Gewindegängen in Eingriff gebracht worden ist und ein bestimmtes Drehmoment angewendet wird, nach korrekter Säuberung und Aufbringen bestimmter Rohrdichtungsmittel, eine Schraubverbindung lecksicher ist In der Fig.2 wird ein Diagramm gezeigt welches die Drehmomente in Abhängigkeit von für ein bestimmtes Rohr ausgeübten Drehungen veranschaulicht nämlich für ein 11430 mm, 5,72 kg Gütestufe J-55-Futterrohr. Falls das gemessene Drehmoment und die gemessenen Zählungen in das Quadrat 100 am Ende einer Verschraubung fallen, wird die hergestellte Verbindung allgemein als gut betrachtet Das Quadrat 100 wird durch einen Minimaldrehmomentwert 102, einen Maximaldrehmomentwert 104, eine Minimaldrehanzahl 106 und eine Maximaldrehanzahl 108 begrenzt Sollten jedoch das Drehmoment und die Drehmessung bei Beendigung der Verschraubung außerhalb des Quadrates 100 Gegen, wird die hergestellte Schraubverbindung als fehlerhaft betrachtet

Wenn ein Element einer Schraubverbindung verschraubt d. h. mit einem anderen verbanden wird, wird das Element, z. B. der Rohrabschnitt 14 im Verhältnis zu dem anderen Element, z. B. die Rohrmuffe 16, gedreht

Wenn die zusammenwirkenden Gewinde zwischen Rohrabschnitt 14 und Rohrverbindung 16 beginnen, ineinander zu greifen, dann ist ein stärkeres Drehmoment erforderlich, um das Rohr 14 zu drehen. Wenn das aufgewendete Drehmoment einen vorbestimmten Punkt erreicht, wird es als Bezugsdrehmoment 110 bezeichnet und stellt den Ausgangspunkt für den Anfang der Messungen der Drehungszählungen der Rohrdrehungen dar. Wenn eine Schraubverbindung hergestellt wird, bestehen Beziehungen zwischen dem aufgewendeten Drehmoment und der Anzahl der in Eingriff miteinander gebrachten Gewindegänge. Wenn das Aufbringen der Dichtungsmittel vorschriftsmäßig durchgeführt wird, ist das Verhältnis zwischen dem aufgewendeten Drehmoment und den miteinander in Eingriff kommenden Verschraubungsdrehungen voraussehbar, vorausgesetzt, daß die Gewindegänge nicht beschädigt wurden, beginnend mit dem Bezugsdrehmoment 112 bis zur vollständigen Dichtheit, dem Abschluß einer erfolgreichen Verschraubung innerhalb des guten Verbindungsbereichs 100. In der Vergangenheit wurde dieses Verhältnis bis zum Ende des Zusammenschraubungsvorganges nicht berücksichtigt, sondern erst anschließend, ob eine Verbindung gut oder fehlerhaft ausgefällten war. Es galt z. B. als eine mangelhafte Verbindung, wenn das Drehmoment zu groß war und mit unzureichenden Gewindegängen im Eingriff stand oder wenn eine übermäßige Anzahl von Drehungen angewendet wurden.

Falls der Verschraubungsverlauf mit einer Anzeige des Drehmoment/Drehungs-Verhältnisses entlang der Linie 114 vonstatten gehen würde, wäre dies eine ideale Verschraubung und eine gute Verbindung.

Es ist jedoch wünschenswert, daß irgendein voraus-

Gleichung 1

sehbares Versagen so schnell wie möglich angezeigt wird, damit zusätzlicher Schaden an der Muffe 16, an den Rohrabschnitte 14 bzw. 18 nicht angerichtet werden kann. Um ein Beispiel zu zitieren: Sollte die Rohrmuffe 16 einen defekten Gewindegang aufweisen, dann könnte eine fortgesetzte Anwendung des Drehmomentes die zusammenwirkenden Gewinde beschädigen. Ein weiterer Nachteil einer fortgesetzten Anwendung des Drehmomentes liegt darin, daß eine übermäßige Beschädigung der Gewinde es sehr schwierig und zeitraubend gestaltet, die defekten Teile voneinander zu lösen, wodurch ein erheblicher Zeitverlust entsteht.

Die vorliegende Erfindung hat als Zielsetzung ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die Drehungszählung mit dem angewendeten, gemessenen Drehmoment verglichen wird sobald das Bezugsdrehmoment 110 erreicht wird, wobei die Ergebnisse während der fortgesetzten Verschraubung der Schraubverbindung innerhalb gewisser, spezifizierter Parameter liegen müssen. Andernfalls muß der Verschraubungsvorgang unterbrochen werden. Das heißt, die vorliegende Vorrichtung und das vorliegende Verfahren haben als Zielsetzung, das Auftreten einer defekten Verbindung vorauszusagen, ohne den Abschluß des Verschraubungsvorganges abzuwarten.

Der Parameterkontrollteil dieser Erfindung bezieht sich auf die festgelegten Maximal- und Minimalsteigungen. Während der Verschraubung muß das wirkliche Steigungsverhältnis von Drehmoment/Drehung fortwährend innerhalb der Grenzen bleiben oder es wird vorausgesagt, daß entweder ein mechanisches Problem oder ein Undichtigkeitsproblem auftreten wird.

In F i g. 2 ist die maximale, zulässige Steigung 116 mit »M_max« bezeichnet und entspricht Gleichung 1.

„ _ Maximaldrehmomenteinstellung - Bezugsdrehmomenteinstellung

Minimaldrehungseinstellung Gleichung 2

μ _ Minimaldrehmomenteinstellung - Bezugsdrehmomenteinstellung Maximaldrehungseinstellung

Wobei:

Minimaldrehmomenteinstellung

= ein von bestimmten Beanspruchungsberechnungen abgeleiteter Wert ist, der im Betriebsversuch für jede Bohrrohr-Gütestufe, -typ und -größe überprüft wurde.

Maximaldrehmomenteinstellung

= i2ö — 2öö% der Minimaidrehmomenteinsteilung.

Bezugsdrehmomenteinstellung

= 10% Minimaldrehmomenteinstellung (handstramm).

Minimaldrehungseinstellung

= ein von bestimmten Beanspruchungsberechmm- gen abgeleiteter Wert ist, der im Betriebsversuch für jede Bohrrohr-Gütestufe, -typ und -größe überprüft wurde.

Maximaldrehungseinstellung

= 120—200% der Minimaldrehungsemstellung.

Niedrige Drehungsemstellung

= 25% der Minimaldrehungseinstellung.

Es sollte beachtet werden, daß sowohl veränderliche Prozentwerte des Minimaldrehmoments als auch veränderliche Prozentwerte der Minimaldrehungen für die anderen Einstellungspunkte verwendet werden können. Die drei Drehmomenteinstellungen (Bezugsso drehmoment 110, Minimaldrehmoment 102 und Maximaldrehmoment 104) sowie die drei Drehungseinstellungen (niedrige Drehungen 122, Minimaldrehungen 106 und Maximaidrehungen iöS) werden durch die Bedienungsperson in digitale Schalter 80,78,76,70,72 und 74 eingegeben; diese Schalter befinden sich auf dem Bedienungsfeld 68 (Fig. 1). Die Einstellwerte werden der Bedienungsperson für jeden Bohrrohrtyp, -gütestufe und -größe vorgegeben. Wenn der Prozessor 60 unter Spannung gesetzt wird, werden die Einstellpunkte in die elektrischen Schaltkreise eingeführt und die Werte von »Mmin« und »M_mai« in den Mikroprogrammspeicher eingespeist

Wenn die Verschraubung beginnt und die Gewindegänge ineinander greifen, steigt das notwendige Drehmoment an, bis das Beanspruchungs-Meßgerät 30 einen »handstrammen« Zustand (Bezugsmoment 110) anzeigt Wenn der Bezugsdrehmomentpunkt 112 erreicht

10

wird, werden Zählimpulse, die normalerweise 0,1 oder 0,01% einer Drehung darstellen, in den Prozessor 60 eingegeben; es ist gleicherweise möglich, andere Drehungsfaktoren abhängig von den Zählwertgeber-Mitteln zu verwenden.

Wenn der Impulswert 106 erreicht wird, der »niedrige« Drehungen darstellt, werden alle Parameterschaltkreise betätigt und zwei Gleichungen berechnet.

Hohe Annahme (HA) = N(M₁₁₁₁₁J + Bezugsdrehmoment Niedrige Annahme (NA) = N(M_1111n) - Bezugsdrehmomenl Wirklicher Wert (WW) = Drehmoment.

Wobei:

N = Drehungszahl in 0,1 oder 0,01 Drehungszunahmen (oder andere verwendete Zuwachsraten).
Drehmoment = Gemessenes Drehmoment in mkg.

Wenn WW niedriger als HA ist und höher als NA, ist eine gute Verbindung voraussehbar. Sollte jedoch WW sich als höher als HA erweisen, oder niedriger als NA, wird eine mangelhafte Verbindung erwartet.

Es ist möglich, daß, bevor der niedrige Drehungspunkt erreicht ist, gewisse Defekte bestehen. Defekte Gewinde können ein übermäßiges Drehmoment verursachen, bevor wenige Drehungen erreicht werden. Sollte in diesem Falle das Drehmoment 102 vor den niedrigen Drehungszahlen 122 erreicht werden, wird die Verbindung als fehlerhaft vorausgesagt.

Zum besseren Verständnis dieser Erfindung werden nachstehend ein bestimmter Typ und eine bestimmte Gütestufe gewählt, für welche die nachstehenden Einstellungen der Drehmomente und Drehungen zur Herstellung einer lecksicheren Verbindung ermittelt wurden:

HA = N(M_max) + Bezugsdrehmoment

Rohr: 41/2", 5,72 kp.

Gütestufe J-55-Futterrohr.

Das Datenbuch zeigt:

Minimale Drehmomenteinst.
Minimale Drehungseinst.
Bezugsdrehmoment
Maximale Drehmomenteinst.
Maximale Drehungseinst.
Niedrige Drehungseinst.

207.38 Kpm
1,4 Drehungen
20,74 Kpm
414,75 Kpm
4,2 Drehungen
0,4 Drehungen

25 Die obenangeführten Einstellungspunkte werden über die Schalter 70, 72, 74, 76 und 80 in das Bedienungsfeld 68 eingegeben.

Der Prozessor 60 wird unter Spannung gesetzt, die Verschraubung beginnt, die Gewinde werden in Eingriff gebracht. Man nehme an, daß das Bezugsmoment 110 erreicht ist und die Zählimpulse beginnen. Wenn die Drehungszahlen die niedrige Drehungseinstellung 112 (in diesem Falle 0,4 Drehungen) erreicht, ergibt sich ein Drehmoment = 74,66 Kpm. Dieser Drehmomentwert wird dann elektronisch verglichen:

_n . / Maximale Drehmomenteinstellung - Bezugsdrehmoment \ , „ . ,

= 0,4 ( £ ξ ] + Bezugsdrehmoment

\ Minimale Drehungseinstellung /

= 0,4 (414,75-20,74 ) ₊ 20,74

= 0,4 (281,44) + 20,74
= 112,58 + 20,74
= 133,32 Kpm

Da das Drehmoment (WW) = 74,66 Kpm ist, ist die maximal zulässige Steigung M_mm nicht überstiegen worden. Vergleiche von WW mit NA

NA = N(M_mi„) + Bezugsdrehmoment

= 0,4 ( Minimale Drehmomenteinstellung - Bezugsdrehmoment λ _{+ Bezugsdrehmoinent} \ Maximale Drehungseinstellung /

_{= 04} (207^-20,74 ^₊₂₀₇₄

= 0,4 (44,44) + 20,74
= 3842 Kpm

Da WW = 74 ist, ist M_mia nicht unterschritten worden.

Die Verschraubung geht einwandfrei innerhalb der maximalen und minimalen Grenzen vonstatten.

Wenn der Drehmomentwert bei 0,4 Drehungen 152,08 Kpm (1100 fübs) wäre, dann würde M,,,._n 116 überstiegen werden. Wenn der Drehmomentwert bei 0,4 Drehungen 220 fübs. wäre, dann würde M„„„118 überstiegen werden und in beiden Fällen würde dies einen Verbindungsalarm auslösen.

Unter Bezugnahme auf Fig.2 wird ersichtlich, daß, solange sich das Drehmoment innerhalb der Maximum/ Minimumwerte von 116 und 118 bewegt, eine einwandfreie Verbindung erreicht wird.

Es hat sich jedoch in den früheren Systemen gezeigt, daß während der eigentlichen Verschraubung des Rohrabschnittes 14 mit der Rohrmuffe 16, ein Querschwingen des rotierenden Rohrabschnittes 14 zu einer falschen Drehmomentanzeige während der anfänglichen Verschraubung führte, und daß das Bezugsdrehmoment erreicht wurde, bevor die eigentliche Verschraubung mit den Gewinden stattfand. Es wurde auch festgestellt, daß das Bezugsdrehmoment das irrtümlicherweise überstiegen wurde, in Einklang mit den Querschwingungen unter das Bezugsdrehmoment fiel. Dadurch, daß die Drehungen zu dem gleichen Zeitpunkt gezählt wurden, als das Bezugsdrehmoment überstiegen wurde, wurde ein Fehler beim Messen der Drehungen erzeugt Eine ausreichende Verschraubung wurde nicht erreicht Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Einrichtung von automatischen Mitteln zur Beseitigung falscher Drehungszählungen. Aus diesem Grunde überwacht der Mikroprozessor 60 die Drehungseingabesignale und, wenn das gemessene Drehmoment das Bezugsdrehmoment übersteigt gestattet er die Drehungszählungsimpuise zu akzeptieren. Wenn jedoch das gemesssene Drehmoment aus irgendwelchen Gründen zu irgendeinem Zeitpunkt unter das Bezugsdrehmoment 110 fällt, bevor das Minimaldrehmoment 102 erreicht wird, werden alle in der Zwischenzeit gezählten Drehungen automatisch im Speicher gelöscht Wenn das gemessene Drehmoment wiederum das Bezugsdrehmoment 110 übersteigt, werden neue Drehungen gezählt.

Die im Mikroprozessor gespeicherten Kontrollprogramme sind am besten aus den F i g. 3A, 3B und 3C ersichtlich. Vorteilhaft ist ein Mikroprozessor Modell RCA 1802.

In Stufe Pl ist die Hauptprogrammkontrolle eingestellt um eins zu registrieren, in Stufe P 2 wird das gesamte System auf den Anfangswert zurückgestellt, in Stufe P 3 werden der RAM 62 Mikroprogrammspeicher auf Null und die Arbeitsregister eingestellt In Stufe P 4 werden die Eingabedaten, die in die Handschalter 70,72, 74, 78, 78 und SO eingegeben sind und das Bezugsdrehmoment Minimaldrehmoment Maximaldrehmoment niedrige Drehungen, Minimaldrehungen und Maximaldrehungen umfassen, empfangen. In Stufe P 5 werden die in Stufe P4 empfangenen Eingabedaten, die in binär kodierter, dezimaler Form vorliegen, in Binärform umgewandelt und daraufhin in Stufe P6 in dem RAM 64 für zukünftige Tests gespeichert

In Stufe P 7 werden alle empfangenen Daten überprüft, um festzustellen, ob sie fehlerhaft sind; sollte dies der Fall sein, schreitet der Prozessor weiter zu den Stufen P8 und P9 und zurück zur Ausgangsposition, wobei eine fehlerhafte Verbindung und damit ein Fehler in den empfangenen Daten angezeigt wird. Andererseits, falls in der Stufe Pl die empfangenen Daten numerisch sind, schreitet der Prozessor weiter zur Stufe PlO, indem er die angezeigten Nummern in den Anzeigen 88, 90, 92 und 94 löscht und auf Null stellt. In der Stufe Pll wird die automatische Überprüfung für die Programmierung vorbereitet. Die Bedienungsfeld-

-, Eingangsschalter 82, 84 und 86 sind von Hand betätigbar, um anzuzeigen, ob die automatische Drehungskorrektur-Einrichtung (ATC) angewendet und das Verschrauben im Falle einer Anzeige mit Fehler-Voraussage automatisch beendet oder lediglich ein

κι Alarm auto-manuell ausgelöst werden soll, oder aber anzugeben, ob nicht eine einzelne Schraubverbindung herzustellen ist, beispielsweise eine Schraubverbindung zwischen dem Rohrabschnitt 14 und der Rohrmuffe 16 bzw. eine doppelte Schraubverbindung zwischen dem

ι -, Rohrabschnitt 14, der Rohrmuffe 16 und dem unteren Rohrabschnitt 18 (einfach-doppelt). Die von den Schaltern 82, 84 und 86 empfangene Information wird daraufhin in RAM 64 gespeichert, RAM 64 bestimmt die Verfahrensweise. Die Stufe P3 stellt die Angabe von

2i\ Anzeigen ein. Wenn die positiven und die negativen Anzeigen abgeschaltet sind, müssen die letzten Drehmoment- sowie Drehungswerte auf den Anzeigen 88, 90,82 und 94 erscheinen.

In der Stufe P14 werden, falls das gemessene

2> Drehmoment höher oder größer ist als das besagte Bezugsdrehmoment, die Einstellungsdrehungen der oberen und der unteren Zähler wirksam gemacht, in der Stufe P15 oder in anderer Weise wird die Anzeige von einwandfreien Drehungen bewirkt.

«ι Wenn das gemessene Drehmoment unterhalb des Bezugsdrehmomentes liegt und der Rückstellungsschalter 66 abgeschaltet ist, wird der Programmablauf wiederholt. Liegt das gemessene Drehmoment unterhalb des Bezugsdrehmomentes und der Rückstellschal-

j-> ter 66 ist angeschaltet, fängt das Programm wieder bei der Stufe Pl an. Falls das gemessene Drehmoment unterhalb des Bezugsdrehmomentes liegt und der Drehkorrekturschalter 82 eingeschaltet ist, werden etwaige gespeicherte, gemessene Drehungen auf Null zurückgestellt. Falls das gemessene Drehmoment größer ist als das Bezugsdrehmoment, spricht die Drehungsspeicherung in Stufe P15 an. Die Stufe P16 wird ebenfalls betätigt, um das Aufzeichnungsgerät 96 in Gang zu setzen.

4-, In den Stufen P!7, P18, P20 und P21 werden die binären Drehmoment-Messungen, die binären, oberen Meßwerte sowie die binären, unteren Meßwerte in binär kodierte Anzeigenmeßwerte umgewandelt und in den Anzeigen 88, 90, 92 und 94 angezeigt. In der Stufe P22 wird das gemessene Drehmoment mit dem Maximaleinstellungs-Drehmoment verglichen, um festzustellen, ob das gemessene Drehmoment größer ist als das Maximaidrehmoment; soiite dies zutreffen, wird die Stufe P23 dies mit der Anzeige 94 melden, und in der Stufe P24 werden die oberen und die unteren Zählungen sowie das Aufzeichnungsgerät abgeschaltet Die Stufen P2, P26, P27 und P28 bewirken jedes

Mal die automatische Korrektur der Drehungszählung, wennn das gemessene Drehmoment geringer als das

bo Bezugsdrehmoment ist indem die oberen und unteren gemessenen Zählungen nullgesetzt werden.

In den Stufen P29, P30 und P31 wird das Programm auf die Stufe P 2 zurückgeführt, falls das gemessene Drehmoment kleiner als das Bezugsdrehmoment sein

b5 sollte. Falls jedoch das gemessene Drehmoment höher als das Bezugsdrehmoment sein sollte, schreitet das Programm weiter zur Stufe P33, die mittels des auto-manuellen Schalters 84 gesteuert wird Rpi

Betätigung des Handschalters wird der darauffolgende Test lediglich eine sieht- und hörbare Anzeige für das Bedienungspersonal abgeben, welches daraufhin die Fortsetzung manuell steuert oder die Verschraubung unierbricht Bei Wahl der Automatikstellung wird der ■-, darauffolgende Test mit der Verschraubung der Verbindung fortfahren oder in Abhängigkeit von den Prüfungsergebnissen automatisch unterbrechen.

Die Stufe /"34 vergleicht die gemessenen oberen und unteren Zählungen mit den eingestellten niedrigen

1. Wenn das gemessene Drehmoment weniger als das Drehungen, um festzustellen, wann der Parameter fü niedrige Drehungen erreicht worden ist Die Stufen PV. und P 44 überprüfen das gemessene Drehmoment sowi< gemessene Drehungszählungen, um sicherzustellen, da£ sie innerhalb der Kontrollparameter liegen. Eine Fehleranzeige erfolgt im RAM 64, die den Fehl« anzeigende Leuchte 97 und die Sirene 93 werdei angeschaltet und das Rücklaufventil 24 betätigt, um die Verschraubung der Verbindung bei folgenden Anzeiger zu unterbrechen:

M₁₁,

(Anzahl der oberen Drehungen \ „ , ,
-— 1 - Bezugsdrehmoment maximale Drehungsanzahl J

2. Wenn das gemessene Drehmoment weniger als das

M,„,„

Anzahl der gemessenen unteren Drehungen maximale Anzahl der unteren Drehungen

wobei Λ/,,,,,, = Minimaldrehmoment
3. Wenn das gemessene Drehmoment größer ist als das

Anzahl der gemessenen oberen Drehungen minimale Anzahl der oberen Drehungen - Bezugsdrehmoment

- Bezugsdrehmoment

4. Wenn das gemessene Drehmoment größer ist als das Anzahl der gemessenen unteren Drehungen

M_n,

minimale Anzahl der unteren Drehungen - Bezugsdrehmoment

wobei M_max = Maximaldrehmoment

5. Wenn das gemessene Drehmoment größer ist als das Minimaldrehmoment und entweder die oberen Drehun gen weniger sind als die niedrigen oberen Drehungen, oder wenn die unteren Drehungen weniger sind als di niedrigen unteren Drehungen.

6. Wenn entweder die unten gemessenen Drehungen größer sind als die maximalen unteren Drehungen oder di gemessenen oberen Drehungen größer sind als die maximalen Drehungen.

7. Wenn das gemessene Drehmoment größer als das Maximaldrehmoment ist.

Andererseits, wenn das gemessene Drehmoment geringer als das Minimaldrehmoment und die Anzahl der oben gemessenen Drehungen geringer ist als die Minimalanzahl der oberen Drehungen und die Anzahl der unteren gemessenen Drehungen geringer als die Minimalanzahl der unteren Drehungen ist, so ist dies eine Anzeige, daß der Verlauf der Zusammenschraubung zufriedenstellend ist, dann wird eine Anzeige »gut« eingestellt und das Programm auf die Stufe P14 zurückgeführt.

Geht man davon aus, daß die Verschraubung der Verbindung zufriedenstellend verläuft und kein Versagen angezeigt wird, wird ein guter Prüfungszustand angezeigt, das grüne Licht 95 und die Hupe 91 werden eingeschaltet und das Rücklaufventil 24 betätigt, um die

55 Verschraubung zu unterbrechen, wenn das gemessen Drehmoment größer als das Minimaldi ehmoment is beide gemessenen unteren Drehungen größer sind al die minimale Anzahl der unteren Drehungen, und di Anzahl der gemessenen oberen Drehungen größer is als die der minimalen oberen Drehungen. Den Aufzeichnungsgerät 96 wird ein Druckbefehl erteilt, all Daten, die sich in den Schaltern 70,72,74,76,78 und 8( sowie in den Anzeigen 88, 90, 92 und 94 befinden aufzuzeichnen und zu speichern.

Aus diesen Gründen ist die vorliegende Erfindun, sehr gut dazu geeignet, diese gestellten Aufgaben ζ verwirklichen, auszuführen und die aufgezählten Ziel und Vorteile zu erreichen.

60

Hierzu 5 Blatt Zcichnuimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verschraubung von zwei an ihren Enden mit Gewinde versehenen Elementen, bei dem "> die Elemente zunächst miteinander in Eingriff gebracht und dann so lange miteinander verschraubt werden, bis ein vorbestimmtes Bezugsdrehmoment zum Weiterschrauben erforderlich ist, woraufhin die Verschraubung fortgesetzt und danach wieder in unterbrochen wird, wenn die Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, wobei das Drehmoment von Beginn der Verschraubung an und die Drehzahl ab Erreichen des vorbestimmten Bezugsdrehmoments gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschraubung nach Erreichen des vorbestimmten Bezugsdrehmoments unterbrochen wird, wenn das erforderliche Drehmoment größer ist als