DE3114651A1 - Hoch gasdichte schraubverbindung fuer oel- und gas-bohrlochrohre - Google Patents
Hoch gasdichte schraubverbindung fuer oel- und gas-bohrlochrohreInfo
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Description
_ 31U651
Die Erfindung bezieht sich auf eine hoch gasdichte Schraubverbindung für öl- und Gas-Bohrlochrohre.
Die seit einigen Jahren zu beobachtende Entwicklung, Gasbohrungen in größere Tiefen, in denen höhere Drücke
herrschen, vorzutreiben, führte zu einem Bedarf an Rohrverbindungen, welche gegenüber den bisher gebräuchlichen
Schraubverbindungen mit API-Rund- oder Sägezahn- ^ewinden verbesserte Eigenschaften, insbesondere eine
lohe Zugfestigkeit, eine hohe Gasdichtigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion aufweisen.
Unter den von solchen Schraubverbindungen geforderten Eigenschaften ist die Gasdichtigkeit besonders
wichtig. Dies darum, weil der Austritt von brennbaren Gasen Zu Brand- oder Explosionsgefahr führt, während
der Austritt giftiger Gase, z.B. Schwefelwasserstoff, schwere Unfälle herbeiführen kann.
Bekannte Verfahren, die Gasdichtigkeit einer Schraubverbindung zu verbessern, bestehen darin, das Gewindespiel
durch Einhaltung engster Toleranzen bei der spanenden Bearbeitung möglichst klein zu halten, das
Gewinde mit einem weichen, plastisch verformbaren Metall, z.B. Sn, zu beschichten und/oder das Gewinde mit einem
gemischten Schmierstoff zu versehen, welcher ein feines Metallpulver in einem mit Calcium- oder Lithiumstearat
verdickten Mineralöl enthält. Ferner wurde auch als Wichtig erkannt, die Anzahl der Umdrehungen sowie das
Anzugsmoment beim Herstellen einer Schraubverbindung zweckmäßig zu steuern. Selbst mit diesen Vorkehrungen
laßt sich jedoch der Austritt von Gasen bei den in derzeitigen
Öl- und Gasbohrungen auftretenden hohen Temperaureri
und Drücken nicht vollständig vermeiden. Aus
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diesem Grunde wurden bereits besondere Schraubverbindungen mit verbesserter Gasdichtigkeit entwickelt.
Einige dieser Schraubverbindungen arbeiten mit Abdichtungen, welche durch intermetallischen Kontakt zwischen
einem Nippel oder Stahlrohr und einer Muffe oder sonstigen
Kupplung zustande kommen. Andere Verbindungen weisen eine Hingnu-; auf, in welche ein Teflonring eingelegt
ist.
Bei den in verschiedenen Ausführungen bekannten Verbindungen mit Abdichtung durch intermetallischen Kontakt
kommt es wesentlich darauf an, daß sich die gegenseitigen metallischen Kontaktflächen auch unter Einwirkung
von erheblichen Zugkräften auf die Rohre nicht voneinander lösen.
Eine solche Verbindung erfordert daher ein sehr hohes Anzugs-Drehmoment, welches jedoch zu ungleichmäßiger
plastischer Verformung im Kontaktbereich führen kann. Insbesondere bei wiederholtem Lösen und Anziehen der
Verbindung kann diese Verformung die Gasdichtigkeit beeinträchtigen und zum Fressen des Gewindes führen.
Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, daß die Verbindungen von Bohrloch-Futterrohren höchstens dreimal
und von Bohrgestängerohren höchstens etwa zehnmal gelöst und wieder angezogen werden müssen, wobei es in
beiden Fällen darauf ankommt, Beschädigungen su vermeiden, um die Gasdichtigkeit nicht zu beeinträchtigen.
Die Erfindung schafft eine eine hohe Dichtigkeit aufweisende Verbindung für öl- und Gas-Bohrloclirohre. In
der folgenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Muffe" ein Kupplungsteil mit einem Innengewinde, und
der Ausdruck "Nippel" das Endstück eines Rohrs mit
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einem Außengewinde.
Die Erfindung löst die vorstehend angesprochenen Probleme
auf eine überraschende Weise und schafft eine Schraubverbindung, bei welcher eine hohe Gasdichtigkeit auch
bei wiederholtem Lösen und Anziehen erhalten bleibt. Dies ist durch eine besondere Ausgestaltung des Gewindes
erreicht, ausgehend von der Erkenntnis, daß bei allen bekannten Verbindungen der genannten Art eine Abdichtung
durch in gegenseitiger Anlage befindliche, metallene Kontaktflächen angestrebt wird. Bei einer solchen besonderen
Ausgestaltung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Schraubverbindung ein Verbundgewinde aus einem
abgerundeten Spitzgewinde und einem Quadrat- oder Sägezahngewinde aufweist.
Wie allgemein bekannt, weist ein konisches abgerundetes Spitz- oder Dreiecksgewinde von sich aus hervorragende
Dichtungseigenschaften auf. Derartige Gewinde sind unter JIS (Japanischer Industrie-Standard) genormt und finden
verbreitet Verwendung an Hochdruck-Rohrleitungen.
Die Dichtungseigenschaften solcher konischer Rundgewinde beruhen auf folgenden umständen:
In einer angezogenen Schraubverbindung sind gewöhnlich zwei Leckwege für Strömungsmittel möglich, von denen
der eine in Axialdichtung des Rohre verläuft, während
der andere den Gängen des Schraubgewindes folgt. Bezüglich des Leckwegs in Axialrichtung entstehend bei einem
konischen Gewinde aufgrund der Keilwirkung des dreieckigen Gewindeprofils sehr hohe Flächenkontaktdrücke,
und da in Axialrichtung eine größere Anzahl von Gewindegängen -vorhanden ist, ergibt sich in dieser Richtung
eine jeder anderen Abdichtung überlegene Dichtwirkung. Das abgerundete Spitz- oder Dreiecksgewinde hat auch
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eine überlegene Dichtwirkung in bezug auf den entlang den
Gewindegangen verlaufenden Leckweg. Beim Festziehen des konischen Gewindes beschränkt sich das Spiel zwischen
den in Eingriff befindlichen Gewindegängen auf den Bereich
zwischen ihren Graten und ihren Wurzeln. Ein Lecken kann somit dadurch verhindert werden, daß man diese
Hohlräume mit einer Schmier- oder Dichtungsmasse ausfüllt , worauf diese durch die Keilwirkung des abgerundeten
Dreiecksgewindes komprimiert wild, bis keinerlei Hohlräume mehr vorhanden sind.
Das abgerundete Dreiecksgewinde ist zwar auch unter API 5JB genormt, ist jedoch nicht ohne weiteres verwendbar,
um eine Höchstdruckabdichtung und gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit von Verbindungen zu erzielen.
Die Dichtwirkung des abgerundeten Dreiecks- oder Spitzgewindes kommt im einzelnen dadurch zustande, daß sich
aufgrund der Keilwirkung des Außengewindes im Innengewinde sehr hohe Kontaktdrücke im Bereich der Gewindeflanken,
-grate und -wurzeln ergeben. In bezug auf die Abdichtung wirkt sich die Keilwirkung des abgerundeten
Spitzgewindes somit sehr vorteilhaft aus. Da jedoch die einen Teil der Belastung tragenden Ge^indeflanken in
einem Winkel von etwa 50° zur Rohrachse geneigt sind,
werden auf das Rohr einwirkende Axialbelastungen nicht nur als reine Zugkräfte zwischen dem Nippel und der
Muffe übertragen, sondern auch in Form von Radialkräften,
welche bestrebt sind, die Muffe radial zu dehnen bzw. den Nippel radial zu komprimieren, so daß der Nippel
aus der Muffe herausspringen kann, ohne daß das Gewinde dabei bricht. Die Zugfestigkeit einer solchen Verbindung
ist daher erheblich geringer als die einer Schraubverbindung mit Sägezahngewinde, dessen Flanken im wesentlichen
lotrecht zur Rohrachse verlaufen.
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Die Erfindung schafft eine Verbindung, deren Dichtwirkung und Festigkeit auf dem Eingriff zwischen Gewinden
beruht und bei welcher die dem abgerundeten Spitzgewinde eigene Dicht- bzw. Keilwirkung ohne Beeinträchtigung
der !Festigkeit der Verbindung zweckmäßig ausgenützt wird.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. Λ eine Längsschnittansicht einer hoch gasdichten Schraubverbindung in einer Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 2 eine Längsschnittansieht eines Teils einer
Schraubverbindung mit einem am Ende eines Nippels geformten, in Eichtung auf den Ansatz
des Nippels geneigten, abgerundeten Spitzgewinde,
F; g. 3 eine vergrößerte Darstellung der Form der Flanken
und der Spitze eines eine Keilwirkung ausübenden abgerundeten Dreiecksgewindes in einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines in Eingriff
mit einem Sägezahn-Innengewinde stehenden, rückwärts
geneigten Gangs eines abgerundeten Dreiecksgewindes und
5 und 6 Längsschnittansichten von Schraubverbindungen
in anderen Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Schraubverbindung, bei welcher ein konisches Außengewinde eines Rohrkörpers 2 mit einem
konischen Innengewinde einer Muffe 2 in Eingriff steht.
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Der Rohrkörper 2 liat nahe seinem Ende ein abgerundetes
Dreiecksgewinde 3 und daran anschließend ein Sägezahngewinde 4. Das abgerundete Dreiecksgewinde 3 dient in
der Hauptsache der Abdichtung, während das Sägezahngewinde 4- die sehr hohen Axialkräfte aufnimmt. Ein wesentliches
Merkmal dieser Gewindeanordnung besteht darin, daß eine klare Aufteilung der Punktionen zwischen den
Gewinden verschiedener Form vorhanden ist, wobei das Gewinde der einen Form der Abdichtung und das der anderen
Form dazu dient, der Verbindung die notwendige Festigkeit zu verleihen. Da die Verbindung somit sowohl ein
abgerundetes Dreiecksgewinde als auch ein Sägezahngewinde aufweist, ergibt sich nicht nur eine sehr gute
Abdichtung, sondern auch eine sehr hohe Zugfestigkeit. Da das Sägezahngewinde beim Anziehen der Schraubverbindung
nicht auch für die Abdichtung derselben herangezogen wird, braucht zwischen dem Rohrkörper oder
Nippel und der Muffe keine übermäßig stramme Passung vorhanden zu sein. Dadurch läßt sich die beim Anziehen
der Schraubverbindung darin entstehende, in Umfangsrichtung wirksame Zugspannung, welche bei herkömmlichen
konischen Gewinden ein schwerwiegendes Problem darstellt, auf sehr niedrige Werte verringern.
Anders als eine herkömmliche Verbindung, welche einen metallenen Kontaktbereich am Ende des Nippels aufweist
und wegen ihrer Verformbarkeit unter der Einwirkung einer Kombination von Innendruck mit sekundären und
tertiären äußeren Kräften, z.B. Zugkräften, Biegespannungen usw., kaum eine dauerhafte Abdichtung zu
gewährleisten vermag, verwendet die Schraubverbindung gemäß der Erfindung ein abgerundetes Dreiecksgewinde
für die Abdichtung. Die damit erzielte Festigkeit und Passung zwischen den Gewindegängen gewährleisten eine
dauerhafte Abdichtung auch unter Einwirkung äußerer Kräfte.
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Selbst wenn die Passung des das abgerundete Dreiecksgewinde aufweisenden Abschnitts enger gestaltet wird,
um die Gasdichtigkeit der Verbindung zu verbessern, besteht kaum die Gefahr, daß der Schmierfilm zerrissen
wird oder das Gewinde aufgrund des hohen Drucks zwischen glatten Flächen frißt, da der Hohlraun zwischen dem
Kamm der Gewindegnngß und der Wurzel immer mit dem
Schmierstoffgemisch gefüllt bleibt.
Eine Verbindung der vorstehend beschriebenen Art, bei
welcher Gasdichtigkeit und hohe Zugfestigkeit durch eine Kombination von abgerundetem Dreiecksgewinde und
in einem Zug daran anschließendem Sägezahngewinde erzielt sind, ist allein aufgrund des bisher beschriebenen
Aufbaus hervorragend geeignet für öl- und Gas-Bohrlochrohre. Zur Erzielung einer der praktischen Verwendung
noch besser angepaßten Verbindung empfiehlt es sich jedoch, die nachstehend angeführten zusätzlichen
Maßnahmen einzuführen, um die Dichtwirkung des abgerundeten Dreiecksgewindes noch weiter zu verbessern.
Diese Maßnahmen betreffen die Ausbildung einer Stufe 8 im mittleren Bereich der Innenfläche der Muffe und eines
nicht mit einem Gewinde versehenen Abschnitts am Ende des Nippels 2, welcher eine der Stufe 8 entsprechende
Stirnfläche 11 aufweist und beim Anziehen der Verbindung mit dieser an der Stufe 8 in direkte Anlage kommt.
Bei Anwendung dieser Maßnahme kann die Passung zwischen den abgerundeten Drexecksgewinden auf einen bestimmten
Wert begrenzt werden, und die von der Stufe 8 ausgeübte Reaktionskraft kann dazu genutzt werden, das Ende des
Nippels 2 zu komprimieren, so daP das- abgerundete Dreiecksgewinde
des Nippels fest in das komplementäre Gewinde der Muffe gepreßt wird, um damit die Dichtwirkung zu
erhöhen.
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Eine weitere Maßnahme besteht darin, das abgerundete Dreiecksgewinde am Endstück des Nippels so zu formen,
daß es, wie in Fig. 2 dargestellt, rückwärts zum Ansatz des Nippels h:.n geneigt ist.
i"ür diese Rückwärtsneigung der Gewindegange gibt es
zwei Gründe. Ein Grund ist die bessere Ausnutzung der Keilwirkung des abgerundeten Dreiecksprofils unter Einwirkung
von Innendruck, Axialbelastung und Biegekräften auf die Verbindung, und der andere Grund besteht darin,
das Zusammendrücken des Nippels und das Aufweiten der Muffe im Bereich des abgerundeten Dreiecksgewindes zu
verhindern und damit einer Verschlechterung der Dichtwirkung vorzubeugen.
Wird nämlich die Verbindung gleichzeitig durch eine Zugspannung sowie durch Innendruck belastet, so übt das
Außengewinde am Ende des Nippels eine in Fig. 2 durch den Vektor 19 dargestellte Kraft auf das Innengewinde
der Muffe aus. Der Vektor 19 ist dabei die Resultierende aus dem die Innenfläche 15 beaufschlagenden Innendruck
18 und der Zugspannung 17·
Zur Erzielung einer erhöhten Keilwirkung ist der Neigungswinkel des abgerundeten Dreiecksprofils vorzugsweise
gleich dem des Vektors 19. Unter Einwirkung vor· lotrecht
an der nicht mit einem Gewinde versehenen Außenfläche am Ende des Nippels und an der nicht mit einem Gewinde
versehenen Innenfläche 12 der Muffe angreifenden Kräften weist das in 3?ig. 2 dargestellte, rückwärts
geneigte Gewinde eine größere Widerstandsfähigkeit auf als ein einfaches Rundgewinde, so daß das Endstück des
Nippels in geringerem Maße zusammengedrückt wird.
Noch eine weitere Maßnahme besteht darin, der Stufe 11 eine konvex konische Form zu verleihen und die f.tirn-
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fläche 8 des Nippels abzurunden oder konkav konisch zu
gestalten. Dadurch wird das Endstück des Nippels auf der Stufe der Muffe radial auswärts gekämmt, um das
abgerundete Gewinde mit erhöhter Kraft in Eingriff zu halten.
Die Flanken des abgerundeten Dreiecksgewindes können
gerundet oder eben sein. Im Hinblick auf eine möglichst genaue spanende Bearbeitung hat das Gewinde jedoch vorzugsweise
die in Fig. 3 gezeigte Form mit ebenen Flanken 31, welche glatt in einen kreisbogenfömnig
gerundeten Kamm 32 übergehen.
Die vorstehend beschriebene Anordnung verleiht der erfinlungsgemäßen
Schraubverbindung eine hohe Dichtwirkung.
Darüber hinaus hat die Verbindung eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen Spannungsrisse, -korrosion und -erosion, da ihre in gegenseitige Berührung kommenden Flächen,
wie u.A. in den veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen 18096/70 und 17125/73 beschrieben, glatt
sind und beim Anziehen der Verbindung Kompressionsspannungen unterworfen sind.
In der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ha ; der Nippel 2 einen nicht mit Gewinde versehenen
Abschnitt a., einen Abschnitt b_ mit abgerundetem Dreiecksgewinde
und einen Abschnitt £ mit Sägezahngewinde.
Die Stirnfläche 8 des Nippels ist so geformt, daß sie unter Druckanlage an der Stufe 11 der Muffe eine Reaktionskraft
auf den das abgerundete Dreiecksgewinde aufweisenden Abschnitt Jb ausübt, wobei jedoch die
nicht mit einem Gewinde versehene Außenfläche 9 des Nippels nicht mit der glatten Innenfläche 12 der Muffe
in Berührung kommt.
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Das abgerundete Dreiecksgewinde 10 ist rückwärts geneigt und verläuft am Endstück des Nippels über etwa drei bis
vier Gänge. Die Ganghöhe des abgerundeten Dreiecksgewindes verläuft in geradliniger Verlängerung von
derjenigen des Sägezahngewindes. Das Profil des Gewindes bestimmt sich durch Einschreiben der abgerundeten
Dreiecksform in die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Form des Sägezahngewindes. Diese Form
wird gewählt, um beim Anziehen der Verbindung die Reibung zwischen dem Innen- und dem Außengewinde auf
ein Mindestmaß herabzusetzen. Im Hinblick auf die spanende Bearbeitung beträgt der Neigungswinkel vorzugsweise
etwa 10 bis 30° gegenüber einer Lotrechten zur Eohrachse.
Das aus zwei verschiedenen Profilen zusammengesetzte, durchgehende Gewinde kann gemäß der Erfindung entweder
dadurch geformt werden, daß der Übergang _c_ zwischen den
beiden Profilen zunächst um etwa eine Ganghöhe tiefer abgedreht und anschließend das abgerundete Dreiecksprofil und das Sägezahnprofil getrennt geschnitten
werden, oder dadurch, daß das gesamte Gewinde zunächst mit Sagezahnprofil geformt wird, worauf dann, etwa drei
bis vier Gewindegänge am Endstück des Nippels zu einem abgerundeten Dreiecksgewinde nachgearbeitet werden. Wie
der Nippel 2 weist auch die Muffe einen nicht mit Gewinde
versehenen Abschnitt 7» einen Abschnitt 6 mit abgerundetem
Dreiecksgewinde, einen Abschnitt 5 mit Sägezahngewinde
und einen durch die Stufe 11 begrenzten Abschnitt 14 auf. Das abgerundete Dreiecksgewinde
und das Sägezahngewinde sind unter Einhaltung der API-Normen dem Gewinde des Nippels komplementär geformt.
Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines rückwärts geneigten, abgerundeten Dreiecks-Außengewindes in
losem Eingriff mit einem Sägezahn-Innengewinde. Der
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Winkel θ zwischen der Rohrachse 41 und der Halbierenden des Flankenwinkels beträgt 63°, entsprechend einem Neigungswinkel
von 27°, die Höhe des Gewindes beträgt etwa das Doppelte von derjenigen des AlPI-Sägezahngewindes,
und der Plankenwinkel des Gewinde.i beträgt 55°· Pig·
zeigt lediglich ein Beispiel eines rückwärts geneigten, abgerundeten Dreie;cksprofils, welches jedoch auch in
anderer Form ausgeführt sein kann. Es kommt lediglich
darauf an, daß die die Keilwirkun?; hervorrufenden Planken
und der Kamm des Gewindes rund sind und daß das Spiel zwischen Innen- und Außengewinde möglichst klein ist.
Die erfindungsgemäße Verbindung kann in verschiedener
Porra ausgeführt werden. Je nach Anordnung des abgerundeten Dreiecksgewindes am inneren oder am äußeren
Ende der Verbindung ist eine von innen nach außen bzw. von außen nach innen wirksame Abdichtung erzielbar.
Beispiele für derartige Ausführungsformen sind in Fig. 5 und 6 dargestellt
In Pig. 5 sind zwei mit Außengewinde versehene Nippel 54-mit
einer Buchse 53 verschraubt. Die durch Kreise 51 bezeichneten Bereiche weisen eine Dichtwirkung von
innen nach außen und die durch Kreise 52 bezeichneten
Bereiche eine Dichtwirkung von außen nach innen auf. Zwar ist offensichtlich auch bei Verwendung nur eines
ei izigen Abschnitts mit abgerundetem Dreiecksgewinde
ei;ie Dichtwirkung sowohl von innen nach außen als auch von außen nach innen erzielbar, die Ausbildung der
Dichtungsbereiche an beiden Enden des Gewindes bietet jedoch eine noch höhere Sicherheit. Die mittleren
Bereiche 55 der Gewinde weisen Sägezahnprofil auf
und verleihen der Verbindung die notwendige Zugfestigkeit.
Pig. 6 zeigt eine Schraubverbindung, bei welcher der Nippel 64 eines Eohrs ohne Verwendung einer Muffe in
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eine Fassung 65 eingeschraubt ist. Wie in der Ausführungsfortn
nach I1Xg. 5 sind auch hier zwei der Abdichtung dienende, jeweils ein abgerundetes
Gewinde aufweisende Abschnitte 61, 62 und ein der Verbesserung der Zugfestigkeit dienender, ein
Sägezahngewinde aufweisender mittlerer Abschnitt 65
vorhanden. Dabei kann in dem einen oder anderen Abschnitt 61 oder 62 das abgerundete Gewinde durch ein
Sägezahngewinde ersetzt sein, ohne daß sich in der Verwendung der Verbindung Schwierigkeiten ergeben.
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Claims (3)
- DR. i*ER0 \ EfP^r.-ING. STAPF DIPL.-JNGiSCHWAßii DR. UR:SANDMAIR 31 HCPATENTANWÄLTE Postfach 860245 · 8000 München 86Anwaltsakte 3" 540^^" 10. April 1981Nippon Steel Corporation Tokyo, JapanHoch gasdichte Schraubverbindung für öl- und Gas-BohrlochrohreΛ, Hoch gasdichte Schraubverbindung für Öl- und Gas-Bohrlochrohre, mit einer ein Innengewinde aufweisenden Muffe und einem mit dieser verschraubten, ein Außengewinde aufweisenden Nippel, dadurch gekennzeichnet, daß der Nippel (2) nahe seinem Ende einige Gänge eines abgerundeten Spitzgewindes (5) aufweist, welches in ein Sägezahn- oder Quadratgewinde (4) übergeht, und daß die Muffe (1) eine derjenigen»(089)988272 Telegramme. IJUUbtf/U/U't Bankkonten: Hypo-liank München 4410122850988273 BERGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM8274 TELEX: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 70020270)983310 05245(OBERGd Postscheck München 65343-808 (BLZ 70010080)31U651des Nippels entsprechende GewindeanortiJaung aufweist, so daß also sowohl am Nippel als auch in der Buchse ein in einem Zug durchgehendes Verbundgewinde vorhanden ist.
- 2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die luchse (1) in ihrem mittleren Bereich eine nicht mit einem Gewin Ie versehene Innenfläche (12) und eine Stufe (11) hat und daß der Nippel (2) nahe seinem Ende eine der glatten Innenfläche der Muffe entsprechende, nicht mit einem Gewinde versehene Außenfläche (9) und eine an der Stufe der Muffe in Anlage befindliche Stirnseite (8) aufweist.
- 3. Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelhalbierende (42) der Flanken des abgerundeten Spitzgewindes relativ, zur Anzugsrichtung des Nippels (2) in einem stumpfen Winkel geneigt ist.13006870704
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