DE2930625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehringverbinder gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung soll mit besonderem Bezug auf die vorgenannte Anwendung beschrieben werden, obwohl der Verbinder nach der Erfindung besonders geeignet für die Lösung des Problems ist, das sich durch die Verbindung einer Steigleitung (oder eines Verlängerungsrohrs) der angegebenen Art stellt, wobei eine solche Kolonne oder Steigleitung oft mit dem englischen Ausdruck "riser" bezeichnet wird.

Die am meisten auf diesem Gebiet verwendeten Verbinder sind von der Bauart mit Radialverspannung.

Der große Fehler solcher Verbinder ist darin zu sehen, daß sehr erhebliche Radialkräfte auftreten und daß die vertikale Last auf dem Umfang des Verbinders schlecht verteilt wird.

Die Erfindung geht aus von Drehringverbindern, welche röhren­ förmige Elemente umfassen, die sich ineinander stecken lassen und die eine Axialschulter aufweisen, wobei ein Verriegelungs­ ring in ein erstes dieser röhrenförmigen Elemente greift, um einen Bajonettverschluß zu bilden, in welchem Zapfen dieses Ringes mit entsprechendem Zapfen des ersten röhrenförmigen Elementes zusammenwirken, und mit Einrichtungen, die sich gegen das zweite röhrenförmige Element abstützen und in der Axialrichtung eine Vorspannung zwischen den beiden Elementen über Zapfen dieses Verriegelungsrings herbeiführen.

Verbinder dieser Art sind beispielsweise durch die FR-PS 22 49 280 und 23 22 323 bekannt und weisen eine gewisse An­ zahl von Nachteilen auf, die insbesondere darauf zurückzu­ führen sind, daß die Verbindung zweier röhrenförmiger Ele­ mente unter Kontakt der Zapfen über einen Winkelgesamt­ bereich erfolgt, der um die Achse des Verbinders von der Konstruktion her kleiner als 180° ist. Somit werden Axial­ beanspruchungen nicht in ausreichend gleichförmiger Weise um diese Achse verteilt.

Im übrigen führt bei den bekannten Verbindern jede Erhöhung der Vorspannung zweier röhrenförmiger Elemente zu einer Verminderung des oben definierten Winkelkontaktbereichs.

Der erste dieser Nachteile kann dadurch überwunden werden, daß man einen Drehverbinder realisiert, bei dem das erste röhrenförmige Element und dieser Verriegelungsring wenigstens zwei Kränze von Zapfen aufweisen, die im Winkel von einem Kranz zum nächsten versetzt sind.

Hierdurch wird ein Verbinder möglich, bei dem die Zapfen des ersten röhrenförmigen Elementes und die des Verriegelungs­ rings über einen Winkelgesamtbereich in Kontakt stehen, dessen Wert bei weitem größer als die Werte sind, die sich mit den zur Zeit üblichen Bajonettverbindern erreichen lassen. Dieser Winkelbereich kann in der Größenordnung von 350° liegen, wenn das erste röhrenförmige Element des Verbinders sowie dieser Verriegelungsring jeder nur zwei Zapfenkränze (diese Zahl ist nicht als begrenzend anzusehen) aufweisen, was eine vollkommene Verteilung der auf den Verbinder wirkenden Axial­ beanspruchungen sicherstellt.

Durch die FR-PS 13 01 318 (GUYOT) ist bereits ein Rohrver­ binder mit versetzt angeordneten Zapfen bekanntgeworden.

Eine erste Ausführungsform dieses Verbinders weist den Nachteil auf, daß eine Folge von Axialverschiebungen, kombi­ niert mit einer Aufeinanderfolge von Drehverschiebungen zur Durchführung der Verbindung notwendig ist, was schwierig für den beabsichtigten Zweck in die Tat umzusetzen ist.

Nach einer zweiten Ausführungsform tritt dieser Nachteil zwar nicht auf, indem Reihen von Zapfen unterschiedlicher Dicke vorgesehen werden, von denen die erste Reihe (aus­ gehend von dem Ende des Verbinders) überwunden werden kann durch eine Axialkraft zwischen den beiden röhrenförmigen Elementen, was zu einer radialen Verformung der Wandung der Muffe des Verbinders führt. Diese letztgenannte Aus­ führungsform läßt sich nur verwirklichen, wenn man die Muffe aus einem nachgiebigen oder halbsteifen Material herstellt, was für den betrachteten Zweck aber ausscheidet.

Die bekannten Drehringverbinder sollen nun erfindungsgemäß dahingehend gestaltet werden, daß die Verteilung der Axial­ spannungen am Umfang des Verbinders verbessert wird, und das Winkelintervall, über welches die Verbindungszapfen verteilt sind, erhöht wird, d. h. die Anzahl der Zapfen in einem Verbinder mit einem Drehring vergrößert wird, ohne dabei etwa die Ausführung des Verriegelungsvorgangs schwieriger zu machen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung läßt sich auch der zweite oben erwähnte Nachteil der zur Zeit bekannten Ringverbinder überwinden, indem Spanneinrichtungen verwendet werden, die sich vom Verriegelungsring unter­ scheiden. Hierdurch wird es möglich, den Wert der Vor­ spannung ohne Veränderung des Gesamtwerts des Winkel­ kontaktsektors der Zapfen einzustellen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher er­ läutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 perspektivisch eine Gesamtdarstellung eines Ver­ binders nach der Erfindung für ein Verlängerungs­ rohr für das Bohren im Meer;

Fig. 2 eine Teildarstellung der Elemente des Verbinders im Längsschnitt in Entriegelungsstellung;

Fig. 2A eine erste Modifikation der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform;

Fig. 2B eine zweite Modifikation;

Fig. 3A und 3B in der Abwicklung sowie im Längsschnitt den Eingriff der Elemente des Verbinders sowie ihre Verriegelung;

Fig. 4A und 4B Schnitte durch den Verbinder der Fig. 2 längs A-A, wobei die Verriegelung des Verbinders erläutert wird; die

Fig. 5A bis 5D im Längsschnitt vier aufeinanderfolgende Phasen im Verbinden der Verbinderelemente; die

Fig. 6 und 7A das Spannen des Verbinders; und

Fig. 7B das Entspannen des Verbinders.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel eines Verbinders nach der Erfindung für eine Steigleitung oder Standleitung dargestellt, wie sie bei der Exploration oder Produktion von Erdöl im Meer verwendet wird; die Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnen jeweils das erste und zweite röhrenförmige Ele­ ment des Verbinders, die einander eingesteckt werden; das Einstecken ist durch eine Axialschulter 3 begrenzt; die Dichtung durch die Dichtungsanordnungen 4 (Fig. 2) sichergestellt. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Element des unteren Teils der Steigleitung; das Bezugszeichen 6 ein Element des oberen Teils dieser Steigleitung. Die Elemente 5 und 6 sind mit den Elementen 1 und 2 des Verbinders jeweils vermittels irgend einer zweckmäßigen Einrichtung, beispielsweise durch Verschweißen, verbunden.

Flansche 7 und 8 ermöglichen es, am unteren Teil bzw. am oberen Teil der Steigleitung jeweils Umfangsleitungen zu befestigen, die im angelsächsischen Sprachgebrauch "kill line, choke line und booster line" genannt werden und die in üblicher Weise in der Erdölindustrie verwendete Steigleitungen ausstatten. Diese Leitungen sind aus Ab­ schnitten wie 9 a, 9 b, 10 a und 10 b zusammengesetzt, die durch Einstecken in Buchsen wie 12 und 13 in Höhe des Verbinders miteinander verbunden sind. Dieser Verbinder umfaßt einen Verriegelungsring 15, der die Enden der Elemente 1 und 2 in ihrer Einsteckstellung umgibt. Ver­ riegelung und Entriegelung des Verbinders werden durch eine Drehung des Ringes 15 über einen Teil der Umdrehung (Ver­ riegelung vom Bajonett-Typ) sichergestellt. Die Drehung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem man eine Betäti­ gungsstange 14 (Fig. 4A und 4B) verwendet.

Der Ring 15 umfaßt ein Auge 16, welches beliebig über eine Steckachse 19 entweder mit einer fest mit dem Abschnitt der Umfangsleitung 9 a verbundenen Pratze (in Fig. 1 dargestellte Entriegelungsstellung) oder mit einer Pratze verbindbar ist, die fest mit dem Umfangsabschnitt der Leitung 10 a (Verriegelungsstellung) ist. Der Verbinder umfaßt auch einen Spannring 20, der nach der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sich in den Verriegelungsring 15 (Gewinde 21 und 22) schrauben läßt und vermittels eines Absatzes 23 auf einer Schulter 24 des Elementes 2 sich abstützt, um in Axialrichtung eine Vorspannung zwischen den röhren­ förmigen Elementen 1 und 2 des Verbinders herbeizuführen, sobald der Ring 15 sich in Verriegelungsstellung befindet.

Nach der in Fig. 2A dargestellten Ausführungsform ver­ schraubt sich der Spannring 20 gegen das röhrenförmige Element 2 (Gewinde 25 und 26). Im übrigen fassen zwei Ringschultern 27 und 28 zwischen sich den Verriegelungs­ ring 15 sowie den Spannring 20.

Fig. 2B zeigt eine andere Ausführungsform, nach der der Spannring 20 durch Verschrauben gleichzeitig mit dem Verriegelungsring 15 und mit dem röhrenförmigen Element 2 sich verbindet, wobei der Anschluß an den Ring 15 vermittels Gewinden 36 und 37 erfolgt, die einen Gewindegang unter­ schiedlich oder entgegengesetzt zu dem der Gewindepaare 25 und 26 aufweisen.

Die in den Fig. 2A und 2B dargestellte Ausführungsform bietet den Vorteil, daß eine Demontage des Rings 20 möglich ist.

Beim Verbinder nach der Erfindung umfassen das röhrenförmige Element 1 sowie der Verriegelungsring 15 je eine gleiche Zahl von Zapfenkränzen, wobei diese Zahl wenigstens gleich zwei ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen sie je einen ersten und einen zweiten Kranz von Zapfen, ausgehend von ihren Enden, die ineinander greifen: einen ersten durch die Zapfen 1 A ₁, 1 A ₂ . . . gebildeten Kranz und einen zweiten durch die Zapfen 1 B ₁, 1 B ₂ . . . für das röhren­ förmige Element 1, wobei der erste Kranz durch die Zapfen 15 A ₁, 15 A ₂ . . . gebildet ist und der zweite Kranz durch die Zapfen 15 B ₁, 15 B ₂ . . . für den Verriegelungsring 15 (Fig. 3A) gebildet ist.

Diese Zapfen sind im Winkel von einem Kranz zum anderen ver­ setzt und in zylindrische Flächen unterschiedlicher Radien einbeschrieben (Radien r und R für den ersten und den zweiten Kranz von Zapfen des röhrenförmigen Elementes 1, Radien R′ und r′ für den ersten und zweiten Kranz von Zapfen des Ver­ riegelungsrings 15, Fig. 2). Der Radius R′ ist geringfügig größer als der Radius r, derart, daß die Zapfen 15 A ₁, 15 A ₂ . . . des ersten Kranzes des Verriegelungsrings 15 gleiten können und gegebenenfalls sich frei auf den Zapfen 1 A ₁, 1 A ₂ . . . des ersten Kranzes des röhrenförmigen Elements 1 (Fig. 3A und 5A) sich drehen können.

Im übrigen wirken die Zapfen 15 A ₁, 15 A ₂ . . . 15 A des ersten Verriegelungskranzes 15 mit den Zapfen 1 B ₁, 1 B ₂ . . . 1 B . . . des zweiten Kranzes des Elementes 1 zusammen und bilden ein erstes Bajonettverschlußsystem und die Zapfen 15 B ₁, 15 B ₂ . . . 15 B . . . des zweiten Kranzes des Verriegelungsrings 15 arbei­ ten mit den Zapfen 1 A ₁, 1 A ₂ . . . 1 A des ersten Kranzes des Elementes 1 zusammen und bilden ein zweites Bajonettverschluß­ system.

Jedes der beiden Bajonettverschluß- oder -montagesysteme ermöglicht es, zwischen den Zapfen des röhrenförmigen Elementes 1 und den Zapfen des Verriegelungsrings 15 einen Kontakt über einen Winkelgesamtbereich in der Größenordnung von 175° herzustellen. Diese beiden Gruppierungssysteme sind im Winkel zueinander um die Achse des Verbinders versetzt; der Verbinder nach der Erfindung ermöglicht es so, die axialen Lasten über etwa 350° um seine Achse zu verteilen.

Die Vorgänge beim Eingriff der Elemente des Verbinders, der Verriegelung des Ringes 15 und der Herstellung der Vorspannung mittels des Ringes 20 sollen nun beschrieben werden.

Fig. 3A zeigt, teilweise in der Abwicklung und teilweise im Längsschnitt, den Verriegelungsring 15 sowie das röhren­ förmige Element 1 des Verbinders vor der Anbringung des Rings auf diesem Element.

Der Eingriff des Ringes 15 ist in Fig. 5A dargestellt, wobei Zapfen 15 A ₁, 15 A ₂ . . . des ersten Kranzes von Zapfen des Ringes über denen des ersten Kranzes von Zapfen des Elementes 1 hinweggehen bzw. passieren (Radius R′ ist geringfügig größer als der Radius r, Fig. 2).

Fig. 5B zeigt, wie die Zapfen 15 A ₁, 15 A ₂ . . . des ersten Kranzes des Verriegelungsringes 15 sich zwischen die des zweiten Kranzes von Zapfen 1 B ₁, 1 B ₂ . . . des röhrenförmigen Elementes 1 setzen und gleichzeitig wie die Zapfen 15 B ₁, 15 B ₂ . . . des zweiten Ringkranzes zwischen die Zapfen 1 A ₁, 1 A ₂ . . . des ersten Kranzes des röhrenförmigen Elementes in der Winkelstellung des Auges 16 gehen, wie in den Fig. 1, 2 und 4A dargestellt.

Dieser Vorgang endet in der Stellung der Fig. 5C; es genügt dann, den Ring 15 um den Bruchteil einer Umdrehung zu drehen um zu der in den Fig. 4B und 5D gezeigten Verriegelungsstellung zu gelangen.

Diese Drehung des Rings 15 bis in die Stellung der Fig. 4B kann mittels der Stange 14 (Fig. 4B) vorgenommen werden; der Ring 15 ist dann in dieser Verriegelungsstellung mittels der Steckachse 19 festgelegt und durchsetzt das Auge 16 des Ringes 15 sowie die an der Umfangsleitung 10 a feste Pratze 18.

Das Anspannen des Ringes 20 bis in die Stellung der in den Fig. 3B und 6 dargestellten Zapfen und seine Ver­ riegelung in dieser Stellung lassen sich durch irgend eine geeignete Einrichtung realisieren, beispielsweise durch die Spann- und Verriegelungseinrichtungen der Fig. 7A.

Nach diesem Beispiel umfaßt der Ring 20 an seinem Umfang auf der Oberseite eine gewisse Anzahl von Bohrungen, in die lösbare Zapfen 30 greifen können (alternativ kann man den Ring 20 mit festen Zapfen ausstatten). Ein Zylin­ der 31, von dem eines seiner Enden 31 a so ausgebildet ist, daß es sich gegen die Umfangsleitung 10 a abstützt und dabei auf einer Ringschulter 35 dieser Leitung ruht, sowie das andere Ende 31 b ist so ausgelegt, daß es sich auf einen Zapfen 30 abstützt und ermöglicht es, den Spannring 20 zu verschrauben, indem er ihn, wie durch die Pfeile der Fig. 7A gezeigt, in Drehung mitnimmt. Der Stellzylinder 31 der nach Fig. 7A einen Griff 32 aufweist, wird über eine Druckfluidleitung 33 gespeist.

Ist der Ring 20 bis zum Ende gespannt, so befindet er sich in der in Fig. 6 dargestellten Lage, wo der Ringabsatz 23 sich gegen die Schulter 24 des röhrenförmigen Elementes 2 abstützt und in der Axialrichtung über Zapfen des Ver­ riegelungsrings 15 und die des röhrenförmigen Elementes 1 eine Vorspannung dieses Elementes 1 gegen das röhrenförmige Element 2 hervorruft, wobei die Elemente 1 und 2 in Höhe der Schulter 3 in Kontakt stehen.

Der Ring 20 ist mit Einrichtungen zu seiner Festlegung in dieser Spannstellung des Ringes 15 sowie in der unten definierten Entspannungsstellung versehen.

Bei dem in den Fig. 6, 7A und 7B dargestellten Beispiel umfassen diese Einrichtungen eine mit dem Ring 20 feste Nocke 41, auf der sich ein vom Ring 15 getragenes Spann­ organ abstützt, wobei dieses Organ eine einen Träger 42 durchsetzende Schraube 43 mit Selbstverriegelung aufweist.

In Spannstellung des Ringes 20 stützt sich die Schraube 43 gegen die Rampe 41 b der Nocke 41 ab und verhindert jedes Entspannen der Ringscheibe 20 gegenüber dem Ring 15, wobei letzterer, wie in Fig. 4A dargestellt, mittels einer das Auge 16 und die fest mit der Umfangsleitung 9 a verbundene Pratze 17 durchsetzenden Steckachse 19 festgelegt ist.

Zum Lösen des Ringes 20 beginnt man die Mutter 43 zu lösen; man ordnet dann den Stellzylinder 31 in der in Fig. 7B dargestellten Lage an, in der dieser Stellzylinder sich gegen die Umfangsleitung 9 a abstützt; ihr Ende 31 wird dann auf der diese Leitung tragenden Ringschulter 34 an­ geordnet.

Der Ring 20 wird dann gelöst, indem man den Stellzylinder 31 in Richtung des Pfeiles der Fig. 7B betätigt, bis dieser Ring in die Stellung gebracht ist, in der die Schraube 43 in ein Lager 41 a der Nocke 41 greifen kann.

Die Festlegung des Ringes 20 in dieser gelösten Stellung erhält man durch Anziehen der sich selbst verriegelnden Schraube 43.

Das Entkuppeln erfolgt dann mittels Drehen des Rings 15.

Selbstverständlich kann der durch die Ringscheibe 20 her­ beigeführte Spannvorgang durch andere Mittel, als die in den Fig. 7A und 7B gezeigten, herbeigeführt werden. Insbe­ sondere kann er nach den Ausführungsformen der Fig. 2A und 2B erhalten werden durch die Wirkung einer zum Ring 20 unterschiedlichen Einrichtung, die die Vorspannung zwischen Element 2 und Verriegelungsring 15 auf den gewünschten Wert einstellt und ihn auf diesem vorübergehend hält. Der Ring 20 kann dann ohne Kraft bis in Kontakt mit der Axialschulter 24 aufgeschraubt werden. Es genügt dann, die Wirkung der Vorrich­ tung, die die Vorspannung auf den gewünschten Wert gebracht hat, aufzuheben, damit diese Vorspannung vom Ring 20 aufge­ nommen wird.

Allgemein umfaßt der Verbinder Einrichtungen zur Festlegung der Spannringscheibe 20 und des Ringes 15 bezüglich der Elemente 1 und 2; eine in den Fig. 6, 7A und 7B gezeigte Ausführungsvariante besteht darin, den Spannring 20 direkt bezüglich des röhrenförmigen Elementes 2 festzulegen.

Claims (11)

1. Drehringverbinder mit zwei röhrenförmigen ineinander steck­ baren Elementen und einer Axialschulter, wobei ein Verriegelungs­ ring in ein erstes dieser röhrenförmigen Elemente zur Bildung einer Bajonettanordnung greift, bei dem Zapfen des Ringes mit entsprechenden Zapfen des ersten röhrenförmigen Elementes zusammenwirken und Einrichtungen, die sich gegen das zweite röhrenförmige Element abstützen und in Axialrichtung eine Vor­ spannung der beiden röhrenförmigen Elemente über Zapfen dieses Verriegelungsrings herbeiführen, wobei das erste röhrenförmige Element und der Verriegelungsring jeweils wenigstens zwei Zapfen­ kränze umfassen, die im Winkel von einem Kranz zum anderen ver­ setzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Zapfen in zylindrische Flächen unterschiedlichen Radius ein­ beschrieben sind, derart, daß in Eingriffstellung des Rings und des ersten röhrenförmigen Elementes ihre Zapfen ohne Kraft aufeinander bis in eine Stellung gleiten können, in der die Zapfen jedes Zapfenkranzes des Rings zwischen die eines ent­ sprechenden Zapfenkranzes des ersten röhrenförmigen Elementes zur Bildung einer Vielzahl von Bajonettanordnungen mit gleich­ zeitiger Verriegelung greifen.

2. Drehringverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Vorspannung ausübenden Einrich­ tungen sich vom Verriegelungsring unterscheiden.

3. Drehringverbinder nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Einrichtungen einen Spannring umfassen.

4. Drehringverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser Spannring über ein Gewinde mit dem Verriegelungsring verbunden ist und sich gegen eine Ringschulter des zweiten röhrenförmigen Elementes abstützt.

5. Drehringverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser Spannring über ein Gewinde mit dem zweiten röhrenförmigen Element verbunden ist und eine Ringanlageschulter für eine entsprechende Ringschulter des Verriegelungsrings umfaßt.

6. Drehringverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser Spannscheibenring über ein erstes Gewinde mit dem zweiten röhrenförmigen Element und über ein zweites Gewinde mit dem Verriegelungsring ver­ bunden ist.

7. Drehringverbinder nach Anspruch 3, gekennzeich­ net durch Einrichtungen zum Festlegen des Spannrings und des Verriegelungsrings gegenüber den röhrenförmigen Elementen.

8. Drehringverbinder nach Anspruch 7 für eine Steigleitung zur Exploration und Produktion von Erdöl im Meer, mit fest mit den röhrenförmigen Elementen verbundenen Umfangslei­ tungen, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Festlegen des Verriegelungsrings in Verriegelungsstellung durch Verbinden dieses Rings mit einer ersten der Umfangs­ leitungen und Einrichtungen zur Festlegung des Rings in Ent­ riegelungsstellung durch Verbindung des Rings mit einer zweiten der Umfangsleitungen.

9. Drehringverbinder nach Anspruch 8, gekennzeich­ net durch Einrichtungen zur relativen Festlegung des Spannrings und des Verriegelungsrings.

10. Drehringverbinder nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Einrichtungen zum relativen Fest­ legen zwei Organe umfassen, die jeweils fest mit dem Ring und der Ringscheibe sind, wobei eines dieser Organe eine Blockierungsschraube ist und das andere eine Nocke bildet, gegen die die Schraube angezogen werden kann.

11. Drehringverbinder nach Anspruch 9, gekennzeich­ net durch Einrichtungen zur festen Verbindung von Spann­ ring und zweitem röhrenförmigen Element.