DE3131904C2

DE3131904C2 - Hoch gasdichte Schraubverbindung für Öl- und Gasfeldrohre

Info

Publication number: DE3131904C2
Application number: DE3131904A
Authority: DE
Inventors: Sigeyuki Sagamihara Kanagawa Akase; Yasusuke Inoue; Fuzimasa Kitakyusyu Fukuokaken Koyama
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1981-08-12
Publication date: 1984-05-10
Also published as: DE3131904A1; JPS57186690A; GB2098689B; CA1161883A; JPS5944552B2; IT8149098A0; IT8149098A1; IT1171458B; GB2098689A; FR2505975B1; US4377302A; FR2505975A1

Abstract

Eine hoch gasdichte Schraubverbindung für Öl- und Gasbohrungsrohre setzt sich zusammen aus einem ein Innengewinde aufweisenden Fassungsteil und einem mit diesem verschraubbaren, ein Außengewinde aufweisenden Nippelteil. An einem nicht mit Gewinde versehenen Endstück des Nippelteils sind eine vordere Schulter und eine gegenüber dieser abgestufte Endschulter geformt, zwischen denen sich ein sich zur Endschulter verjüngender konischer Abschnitt erstreckt. Das Fassungsteil hat in einem dem nicht mit Gewinde versehenen Bereich des Nippelteils entsprechenden, nicht mit Gewinde versehenen Bereich zwei den Schultern des Nippelteils komplementäre Schultern, zwischen denen sich ein demjenigen des Nippelteils entsprechender konischer Abschnitt erstreckt. Beim Zusammenschrauben des Nippelteils mit dem Fassungsteil bilden die dabei in Metall-zu-Metallkontakt kommenden, konischen Abschnitte einen ersten Dichtungsbereich, und beim endgültigen Festziehen der Verbindung kommt die vordere Schulter des Nippelteils in Anlage an der entsprechenden Schulter des Fassungsteils, um einen zweiten Dichtungsbereich zu bilden, wobei die Endschulter des Nippelteils und die entsprechende Schulter des Fassungsteils bei Fertigstellung der Verschraubung im wesentlichen keine Dichtwirkung ausüben.

Description

Die Erfindung betrifft eine hoch gasdichte Schraubverbindung für öl- und Gasfeldrohre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Seit einigen Jahren werden Bohrungen in immer größere Tiefen vorgetrieben, in denen immer höhere Drükke herrschen, so daß ein Bedarf an einer Schraubverbindung für Bohrungsrohre besteht, die eine besonders hohe Zugfestigkeit, Gasdichtigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und Erosion aufweist. Unier den von einer solchen Schraubverbindung geforderten Eigenschaften spielt die Gasdiehiigkcit eine besonders wichtige Rolle, da der Austritt von brennbaren Gasen Brand oder F.xplosion verursachen kann und der Austritt von giftigen (inscn. /B. Schwefelwasserstoff, zu schweren Schilden führen kann.

Ferner müssen solche .Schraubverbindungen mehrfach gelöst und wieder festgezogen werden können, ohne daß es /u Schäden oder /u einem Verlust der ursprünglichen Dichtwirkung kommt. Außerdem muß eine solche Schraubverbindung den bei einer Bohrung auftretenden Arbeitsbedingungen standhalten, und insbesondere die Dichtwirkung unter Einfluß von Zug-, Schub- und Biegekräften aufrechterhalten, zusätzlich zu den aus dem hohen Innendruck resultierenden Belastungen.

Um diesen Erfordernissen zu genügen, wurden Schraubverbindungen der eingangs genannten Art geschaffen (DE-AS 24 46 783, DE-OS 27 17 79J, US-PS 33 36 054, Hydril-Katalog 1960-61. S. 2796), bei welchen die Abdichtung durch Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen einem Nippelteil, z. B. eines Stahlrohres, und einem Fassungsteil, z. B. einer Muffe erfolgt. Hierbei

ti weist das Nippelteil an seinem Ende eine Endschulter auf, hinter dieser liegt ein konischer Abschnitt, und das Gewinde des Nippelteils ist in der Mitte durch eine weitere, sich auswärts erstreckende Anlageschulter unterbrochen. Das Fassungsteil ist komplementär ausgebildet, so daß bei festge2Ogenem Gewinde Endschulter, konischer Abschnitt und Anlageschulter jeweils in dichtendem Metall-zu-Metall-Koniakt mit der jeweiligen Gegenfläche stehen, so daß diese bekannten Schraubverbindungen zum Erzielen einer möglichst sauberen Andichtung drei wirksame Dichtungsflächen vorsehen.

Durch die Anordnung der Anlagcschulter inmitten des konischen Gewindes kommt es im Bereich von Gewindeabschnitten 2u verhältnismäßig geringen Wandstärken, was bei hohen Belastungen nachteilig ist. Infol-

jo ge der Vielzahl dichtender Eingriffsflächen müssen engste Toleranzen bei der Herstellung gewahrt werden. Besonders nachteilig aber ist der Umstand, daß die Endschulter und der konische Abschnitt praktisch einander entgegenwirken: Wird eine bekannte Schraubverbin-

J5 dung festgezogen, dann ergibt sich am konischen Abschnitt ein strammer Klemmsitz, gleichzeitig aber wird die Endschulter in dichtende Anlage mit der Gegenfläche gepreßt, wobei die hierbei entstehende Gegenkraft danach trachtet, den Klemmsitz, am konischen Abschnitt wieder zu lockern. Außerdem wire dis Anzugsdrehmoment durch den gleichzeitigen Eingriff an der Endschulter und am konischen Abschnitt verfälscht, so daß kleinste Toleranzen dazu führen können, daß das an sich noch zulässige Anzugsdrehmoment bereits zu einem Fressen im Bereich des konischen Abschnitts führt. Wirken hohe Zugkräfte auf die Schraubverbindung ein. dann wirken sie mit den Druckkräften im Bereich der Endschulter zusammen, um den Klemmsitz im konischen Abschnitt zu lockern. Außerdem führen hohe Andruckbelastungen im Bereich der schmalen Endschulter zu einer Tendenz, daß diese zur Rohrmitte hin ausweicht: die hieraus resultierende Verformung betrifft dann auch den konischen Abschnitt, so daß die Schraubverbindung schlagartig undicht wird.

Außerdem bildet die äußerste Endfläche des Nippelstücks, etwa eines Bohrrohres, eine höchst empfindliche und präzise bearbeitete Eingriffsfläche, deren Beschädigung trotz sorgsamster und somit entsprechend mühsamer Handhabung nicht immer "ermieden werden kann.

no liine solche Beschädigung betrifft aber πκΐιΐ nur die Dichtigkeit der von der Endschulicr gebildeten Abdichtung, sondern infolge der oben erwähnten, cnpen Toleranzen gleichzeitig auch die Dichtigkeit im Ht-reich des konischen Abschnitts.

h'i Ausgehend von diesem Slaiu.1 der Tcrhnik lie^'l der !-!ründiing die Aulgabe zugrunde, die bekannten Schraiibcnvcrbindiingen dahingehend zu verbessern, daß sie bei vereinfachter Herstellung und Handhabum:

fine iiishcM imlerc bei Belastungen verbesserte und defiiiicrharerc Abdichtung liefert.

Diese Aufgabe wird durch die gemäß Kennzeichen des Anspruchs I gelöst, wobei die Anlagesehultcr zwischen dem konischen Abschnitt und dein Gewinde angeordnet ist und der Abstand zwischen der lüidsehultcr und ihrem Gegenstück des Fassungsteils derart bemessen ist, daß es zwischen diesen nicht zu einer dichtenden Anlage kommt

Durch das Verlegen der Anlageschulter aus dem Gewinde heraus nach vorne wird die obenerwähnte, bei den bekannten Schraubverbindungen unvermeidliche Schwächung des Gewindeabschnitts vermieden; gleichzeitig lassen sich infolge seines kurzen Abstandes zum konischen Abschnitt die erforderlichen Toleranzen besser einhalten. Wesentlich aber ist der Verzicht auf den Dichtungseingriff der Endschulter: Das Anzugsdrehmoment der Schraubverbindung gibt nunmehr unmittelbaren Aufschluß über den Klemmsitz am konischen Abschnitt, so daß dieser möglichst fest angezogen werden kann, ohne daß man gleichzeitig ein Fressen riskiert. Außerdem wird dieser Klemmsitz nicht, wie bisher, durch die aus dem Eingriff der Endschulter mit einer Gegenfläche entstehenden Kräfte und Span'- ungen beeinträchtigt Schließlich ist das äußerste Ende des Nippelteils nicht mehr gegenüber Beschädigungen anfällig, wie dies bisher der Fall war, und kleine Beschädigungen, wie sie etwa durch das unvorsichtige Absetzen eines Bohrrohres auftreten können, beeinträchtigen in keiner Weise die Dichtungswirkung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung.

Die zwangsläufig schmale Endschulter kann auch nicht mehr, wie bisher, etwa beim Auftreten einer Biegebelastung von der Gegenfläche abrutschen und zu einer Verformung des Nippelteils führen, die schmale Endschulter in der zusammengebauten Schraubverbindung unbelastet ist.

Die Erfindung schafft somit eine Schraubverbindung für Gas- und ölfeldrohre, welche eine hervorragende Gasdichtigkeit aufweist und praktisch frei von den Mangeln bekannter Schraubverbindungen mit Metall-zu-Meiall-Kon' akt ist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht einer Schraubverbindung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

F i g. 2a eine grafische Darstellung der beim Festziehen der eifindungsgemäßen Schraubverbindung an der Innenseite des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Nippelteils und an der Außenseite des Fassurrgsteils auftretenden Spannungen,

Fig.2b eine schematisierte Darstellung eines Prüfverfahrens für die Erstellung der Grafik nach F i g. 2a,

Fig. 3 iiine grafische Darstellung der Beziehungen zwischen dem Anzugsdrehmoment und der Anzahl der Umdrehungen beim Festziehen der Verbindung.

Fig.4 bis 7 Teil-Schnittansichten von gasdichten Schraubverbindungen in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.

In Fig. 1 erkennt man das Endstück eines Rohres 1 mit einem konischen Außengewinde 3, zwei rechtwinklig zur Achse des Rohrs geformten Schultern 6, 7 und einem sich zwischen den beiden Schultern erstreckenden konischen Abschnitt 8. Ein Fassungsteil 2 hat ein dem Außengewinde 3 komplementäres Innengewinde 3' und zwei Schultern 6', 7' zwischen denen sich ein konischer Abschnitt 8' erstreckt.

Die einander paarweise komplementären Schultern sind so ausgebildet und angeordnet, dad die Schullern 7 und T beim Festziehen der Schraubverbindung in gegenseitige Anlage kommen und eine Abdichtung bilden, während die beiden anderen Schultern 6 und 6' durch einen kleinen Abstand c voneinander getrennt bleiben oder nur in leichte Berührung miteinander kommen, ohne eine wesentliche Abdichtung zu bilden. Die konischen Abschnitte 8,8' des Rohrs 1 und des Fassungsteils 2 werden dabei durch Metall-zu-Metallkontakt als

ίο Dichtungsflächen gleicher Neigung wirksam.

Beim Festziehen der Schraubverbindung kommen zunächst die konischen Abschnitte 8,8' des Rohrendes 1 und des Fassungsteils 2 in gegenseitige Anlage und bilden einen ersten Dichtungsbereich. Beim weiteren Festziehen der Verbindung ergibt sich zwischen den konischen Abschnitten eine Keilwirkung, durch weiche die Dichtwirkung noch gesteigert wird. Zur Erzielung der bestmöglichen Gasdichtigkeit ohne plastische Verformung des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Rohrs ist die radiale Kompression desselben dadurch begrenzt, daß die Stufen 7 und 7' in gegenseitige Anlage kommen und beim weiteren Festziehen der Schraubverbindung einen zweiten Dichtungsberefch bilden. In diesem Zustand verbleibt zwischen den beiden anderen Schultern 6 und 6' ein gewisser Abstand. Es ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung, ob die Schultern am nicht mit Gewinde versehenen Endstück des Rohrs im rechten Winkel oder in einem anderen Winkel zur Achse des Rohrs geformt sind, da dieser Winkel keinen Einfluß auf die Gasdichtigkeit hat

Die vorstehend beschriebene Schraubverbindung weist im Hinblick auf die Gasdichtigkeit die folgenden Merkmale auf:

1. Durch die Ausbildung des ersten und des zweiten Dichtungsbereichs erhöhen sich die Flächendrücke und damit die Dichtwirkung.

2. Durch die Festlegung des Endzustands beim Festziehen der Verbindung ist der plastischen Verformung und einem Fressen im ersten Dichtungsbereich und an den Gewinden vorgebeugt. Die Verbindung kann daher ohne Verlust der ursprünglich vorhandenen Dichtwirkung mehrfach gelöst und festgezogen werden.

3. Durch die Ausbildung des Rohrendes mit der konischen Dichtungsfläche 8 und den diese an beiden Enden begrenzenden Stufen 6 und 7 ergeben sich zwei Dichtungsbereiche am Rohrende. Die Schulter 7 bildet zusammen mit dem konischen Abschnitt 8 eine Unterschneidung, bei welcher die Gefahr einer Beschädigung verringert ist. Unter gleichzeitiger Einwirkung von hohem Innendruck und starken Zugkräften auf die Schraubverbindung kaum zwar der Flächendruck im zweiten Dicht'ingsbereich durch die Zugkräfte verringert werden, aufgrund des beim Festziehen der Schraubverbindung erziehen hohen Radialdruck.¹; im ersten Dichtungsbereich üben die Zugkräfte jedoch keinen abträglichen Einfluß auf die Abdichtung in diesem Bereich aus. Dadurch bleibt die Abdichtung

gegenüber ho.iem Innendruck erhalten.
4. Um Erosion und Korrosion vorzubeugen, bleibt nach dem Festziehen der Verbindung ein kleiner Abstand c zwischen der Endschulter ύ des Rohrendes und der Schulter 6' des Fassungsteils vorhanden. Durch diesen Abstand ist auch einer übermäßigen Verformung vorgebeugt, falls beispielsweise die Endschulter 6 des Rohrendes auf der Schulter fi'

des Fassungsteils aufsetzt, so daß die Dichtwirkung nicht beeinträchtigt ist, selbst wenn das äußerste Ende des Rohrs durch Stoß oder Schlag verformt sein sollte.

5. Der konische Abschnitt des nicht mit Gewinde versehenen Endstücks des Rohrs oder Nippelteils ist relativ dünnwandig, so daß seine Verformung, wie man in Fig.2a erkennt, etwa das Vierfache der Verformung des Fassungsteils beträgt. Dadurch ist im ersten Dichtungsbereich ein ausreichender Anlagedruck mit einem geringeren Drehmoment erzielbar als bei bekannten Schraubverbindungen.

Fig. 2b zeigt eine schematisierte Darstellung des Prüfverfahrens zum Erstellen der Daten für F i g. 2a. In Fig.2b erkennt man einen Dehnungsmeßstreifen Pfür das Rohrende bzw. Nippelteil, einen Dehnungsmeßstreifen B für das Fassungsteil und einen konischen Abschnitt 7"(7" O.D. · 32 lbs/ft. L 80).

zwischen dem Anzugsdrehmoment und der Anzahl der Umdrehungen beim Festziehender erfindungsgemäßen Schraubverbindung. Bei einer Schraubverbindung mit konischem Gewinde steigt das Anzugsdrehmoment stetig an, wie durch die Linie OA in F i g. 3 angedeutet. An dem mit A bezeichneten Punkt kommen die Oberflächen der konischen Abschnitte 8,8' des Nippelteils bzw. des Fassungsteils in gegenseitige Anlage. Durch weiteres Anziehen der Verbindung entsprechend dem Abschnitt A-B wird der für die Gasdichtigkeit notwendige Flächendruck im ersten Dichtungsbereich zwischen den konischen Abschnitten 8 und 8' erzielt. An dem mit B bezeichneten Punkt kommt die vordere Stufe 7 des Nippelteils in Anlage an der komplementären Schulter T des Fassungsteils, um den zweiten Dichtungsbereich zu bilden. Von diesem Punkt an steigt das Drehmoment steil bis zu einem Punkt Can, wodurch der für die Abdichtung notwendige Flächendruck zwischen den Schultern 7 und T erzielt wird. Der Abstand zwischen den Punkten ßund Cist hier größer als bei einer bekannten Schraubverbindung, so daß die Begrenzung des Drehmoments auf einfache Weise bewerkstelligbar ist.

Zusammengenommen stellen die vorstehend beschriebenen Einzelwirkungen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Bekannten dar.

Während im vorstehenden das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schraubverbindung erläutert wurde, seien nachstehend einige praktische Ausführungsbeispiele beschrieben.

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Rohrenden oder Nippelteilen 42 und einer Muffe 43. Die eingekreisten Berek.he 41 an den Enden der Nippelteile 42 stellen jeweils eine hoch gasdichte Schraubverbindung mit zweifach abgestuften Schultern gemäß der Erfindung dar.

In Fig.5 erkennt man eine Schraubverbindung mit einem Nippelteil 52 und einem verstärkten Fassungsteil 53. Der eingekreiste Bereich 51 am Ende des Nippelteils 52 stellt einen zweistufigen Dichtungsabschnitt gemäß der Erfindung dar, mittels dessen eine hohe Gasdichtigkeit gegenüber hohen Innendrücken erzielbar ist.

F i g. 6 zeigt eine mit den anschließenden Rohren einstückige Schraubverbindung, bei welcher sowohl das Nippeltei! 62 als auch das Fassungsteil 63 verstärkt sind. In dieser Ausführungsform ist an den auslaufenden Enden sowohl des Nippelteils 62 als auch des Fassungsteils 63 ein innerer bzw. ein äußerer, jeweils rweistufiger Dichtungsabschnitt 61 bzw. 61' gemäß der Erfindung geformt. Diese Schraubverbindung weist daher eine hohe Gasdichiigkeit sowohl gegenüber Innen- als auch gegenüber Außendrücken auf und hat glatt durchgehende Innen- und Außenflächen, welche ihr eine hohe Korrosionsbeständigkeit verleihen.

F i g. 7 zeigt eine mit den jeweiligen Rohren cinstückige Schraubverbindung mit einem Nippelteil 72 und einem Fassungsteil 73. bei welchem das Nippelteil 72 in einem geringeren Maße verstärkt ist und an seinem inneren Ende ein zweistufiger Dichtungsabschnitt 71 gebildet ist. An der Außenseite der Verbindung ist ein weiterer Dichtungsabschnitt 71' mit in Metall-zu-Metallkontakt befindlichen konischen Flächen nach Art einer Hydril-Dreifachabdichtung geformt. Diese Schraubverbindung verbindet eine hohe Gasdichtigkeit gegenüber inneren und äußeren Drücken von Gas oder öl mit einer hohen Festigkeit.

Für eine praktische Untersuchung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung wurde eine Muffenverbindung der in Fig. 4 gezeigten Art gefertigt. An einem API 5A. L80-Stahlrohr mit einem AußendurchniessiM· von 177.6 mm bei einer Wandstärke von 11.51 mm und einem API 5B-Trapezgewinde wurde ein von Gewinde freies Endstück mit einer Endschulter 6 mil einer Höhe

>5 h\ von 2,5 mm. einer vorderen Schulter 7 mit einer Höhe bi von 5,5 mm und einem konischen Abschnitt 8 mit einer Länge /von 6 mm geformt. Die Verbindung wurde mehrere Male angezogen und gelöst und anschließend einem Innengasdruck von 637 kp/cm- (gleich 80% der Innendruckfestigkeit) und einer Zugbelastung von 338 to (gleich 80% der Zugfestigkeit) unterworfen. In diesem Zustand wurde die Verbindung einhundert Erwärmungszyklen zwischen 163° C und 67°C unterworfen. Dabei wurde kein Verlust der Gasdichtigkeit der Verbindung festgestellt und somit erwiesen, daß die Verbindung im praktischen Gebrauch eine ausgezeichnete Gasdichtigkeit aufweist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hoch gasdichte Schraubverbindung für öl- und Gasfeldrohre, die von einem Fassungsteil mit Innengewinde und einem Nippelteil mit Außengewinde gebildet ist, der eine nach vorwärts gerichtete Anlageschulter und am vorderen Ende ein gewindefreies Endstück aufweist, das mit einer zusätzlichen, gegenüber der Anlageschulter stufenförmig abgesetzten Eiidschulter abschließt und einen sich nach vorn hin verjüngenden konischen Abschnitt besitzt, wobei den Schultern und dem Endstück des Nippelteils entsprechende Gegenschultern und ein entsprechendes Gegenstück am Fassungsteil zugeordnet sind, beim Yerschrauben der Verbindung zunächst der konische Abschnitt des gewindefreien Nippel-Endstükkes unter Metall-zu-Metall-Kontakt am entsprechenden Gegenstück des Fassungsteils dichtend zur Anlage kommt und danach eine der Schultern des Nippeltei'-s an der entsprechenden Gegenschulter des Fassürtgsteils dichtend anlegbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageschulter (7) am gewindefreien Endstück (4) des Nippelteils (1) und die entsprechende Gegenschulter am gewindefreien Endstück des Fassungsteils (2) ausgebildet sind, wobei der konische Abschnitt (8) des Endstücks (4) bzw. dessen Gegenabschnitt am Fassungsteil (2) zwischen der End- und der Anlageschulter (6; 7) verläuft, und daß beim Verschrauben der Verbindung nach der gegenseitigen dichtenden Anlage der beiden konisciien Abschnitte (8) von Nippel- und Fassungsteil (1; 2) die nach vorn gerichtete Anlageschuiter (7) des Nippelteiis (1) ah die entsprechende Gegenschulter des. Fassungsteils 12) dichtend anlegbar ist, wobei die Endschulter (6) ö.s Nippelteils (1) nach Verschraubung der Verbindung im wesentlichen abdichtungsfrei gegenüber ihrer Gegenschulter an ihrem Fassungsteil (2) gehalten ist.

2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Muffen-Schraubverbindung (41 bis 43) ausgebildet ist.

3. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nippel- bzw. Zapfenteil (51 bis 53; 61 bis 63; 71 bis 73) mit den einzelnen Rohrlängen einstückig ausgebildet ist.