DE3431635A1 - Rohrverbinder - Google Patents
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Description
B e s c h reibung
Die Erfindung betrifft einen Rohrverbinder mit einem Muffenelement mit einer inneren Umfangsflache an beiden
Enden, die jeweils mit einem Gewinde versehen ist, und mit zwei Bolzenelementen mit äußeren Umfangsflachen,
die den inneren Umfangsflachen des Muffenelementes
entsprechen und mit einem Gewinde zum Zusammenschrauben
mit dem entsprechenden Gewinde des Muffenelementes versehen sind.
Diese zur Zeit üblicherweise verwendeten Rohrverbinder dienen zum Verbinden rohrförmiger Elemente, beispielsweise
von Rohrleitungen zum Befördern unter Druck stehender Fluide, wie beispielsweise Dampf, Gas oder
Öl. Sie werden unter anderem bei der Suche nach und Förderung von Öl oder Gas eingesetzt.
Zum Abdichten gegen den Innendruck wird eine axial gerichtete Endfläche am freien Ende eines jeden Bolzenelementes
in Berührung mit einer entsprechenden, innen in dem Muffenelement vorgesehenen Oberfläche gebracht. Anschließend
wird das Ende des entsprechenden Bolzenelementes gegen die Oberfläche des Muffenelementes gepresst.
Die Druckkraft entsteht durch das feste Zusammenschrauben der Elemente und wird üblicherweise
durch einen Festsitz bzw. eine Passung mit Übermaß zwischen dem Boden und dem Scheitel der Gewindegänge
aufrechterhalten. Die Dicke der auf diese Weise gewonnenen Abdichtung kann bei Einwirken einer Zugkraft
auf den Rohrverbinder oder durch unbeabsichtigtes Entschrauben der Elemente des Rohrverbinders wesentlich
COPY A
— ο —
herabgesetzt werden, beispielsweise durch einen seitlichen Schlag auf eines der Elemente. Je größer das
komprimierte Volumen der Bolzenelemente und demzufolge je größer der Winkel der relativen Drehung der Bolzen-
und Muffenelemente ist, die diese Komprimierung bewirken, desto größer ist die in der Abdichtung gespeicherte
Formänderungsenergie und desto eher ist der Rohrverbinder in der Lage, tangentialen oder axialen
Kräften oder Impulsen oder negativen Drehmomenten zu widerstehen, die ein Entschrauben bewirken könnten, das
die Güte der Abdichtung herabsetzen würde.
Zur Lösung dieses Problems wird ein Rohrverbinder gemäß dem Oberbegriff vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß jedes Bolzenelement an seinem freien Ende eine ringförmige Nase mit einer im wesentlichen axial
ausgerichteten, primären Abdichtfläche, die axial gegen
die primäre Abdichtfläche der Nase des anderen Bolzenelementes stößt, und mit einer äußeren sekundären Umfangs-Abdichtflache
aufweist, die über wenigstens einen Teil ihrer Länge in im wesentlichen radialen Kontakt
mit einer inneren, sekundären Umfangs-Abdichtflache steht, die zwischen den mit einem Gewinde versehenen Umfangsflächen
auf dem Muffenelement vorgesehen ist, daß die primären Abdichtflächen der Bolzenelemente anfangs
so ausgebildet sind, daß bei ihrem ersten Kontakt eine Lücke zumindest zwischen Teilen der Abdichtflächen besteht,
die sich radial einwärts erweitert, und daß die sekundären Abdichtflächen anfangs so ausgebildet sind,
daß zwischen ihnen zumindest im Bereich der sich berührenden primären Abdichtflächen eine Lücke besteht,
und daß die Lücken im wesentlichen geschlossen sind,
EPO COPY
wenn die Elemente vollständig miteinander verbunden sind.
Die primären Abdichtflächen der Bolzenelemente können
im wesentlichen kegelstumpfförmig oder sphärisch sein.
Die Lücke zwischen den sekundären Abdichtflächen eines
jeden Bolzenelementes und dem Muffenelement kann in ihrer radialen Breite in Richtung zum freien Ende der
Bolzenelemente zunehmen. Sie kann dadurch erhalten werden, daß das Muffenelement mit einer im wesentlichen
zylindrischen doppel-kegelstumpfförmigen oder sphärischen Abdichtfläche und jedes Bolzenelement mit einer
im wesentlichen kegelstumpfförmigen, sphärischen oder
zylindrischen Abdichtfläche versehen wird.
Der vorbeschriebene Rohrverbinder kann dadurch zusammengesetzt werden, daß zunächst ein Bolzenelement vollständig
mit dem Muffenelement zusammengesetzt wird und dann das andere Bolzenelement in das Muffenelement eingeführt
wird, bis die Nasen der Bolzenelemente in Kontakt kommen. Eine zusätzliche, axial gerichtete Kraft
wird dann zugeführt, bis die Elemente vollständig zusammengefügt sind, die beiden Bolzenelemente zusammengepresst
werden und eine Verformung ihrer Nasen bewirkt wird. Die Kraft bewirkt außerdem ein Verspannen des entsprechenden
Teils des Muffenelementes. Vorteilhafterweise
sind Schultern sowohl an jedem Bolzenelement als auch an dem Muffenelement vorgesehen, die miteinander
in Kontakt kommen, wenn die Grenze der beabsichtigten Axialbewegung des ersten erfassten Bolzenelementes erreicht
wird. Die Schultern besitzen vorzugsweise ringförmige, radiale Oberflächen, die zwischen dem Ansatz
copv /^ ·
der Nase und dem benachbarten Ende der mit einem Gewinde
versehenen Umfangsflache eines jeden Bolzenelementes
angeordnet sind. Entsprechendes gilt für das Muffenelement.
Die Gewinde auf den Bolzen- und Muffenelementen können
jede geeignete Form besitzen. Vorteilhafterweise sind sie so verändert, daß sie die effektive Länge eines
jeden zusammenzupressenden Bolzenelementes erhöhen. Dies ist beispielsweise in den britischen Patentanmeldungen
83 23 348, 83 23 349 und 83 23 858 beschrieben, deren Offenbarungen durch diese Bezugnahme hierin eingeschlossen
werden.
Im folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen Rohrverbinder, dessen Elemente vollständig zusammengesetzt
sind;
Fig. 2 einen vergrößerten schematischen Axialschnitt durch Teile der Elemente des Rohrverbinders
aus Fig. 1 vor ihrer Zusammensetzung;
Fig. 3 vergrößerte schematische Schnitte durch und 4 die Elemente des Rohrverbinders aus Fig. 1
während des Zusammensetzens und nach vollendeter Zusammensetzung;
Fig. 5 Darstellungen ähnlich denen aus Fig. 3 und und 6 4, eine Veränderung des Rohrverbinders aus
Fig. 1 darstellend; und
Fig. 7 einen Axialschnitt durch eine in dem Rohrverbinder aus Fig. 1 verwendete Ausführungsform
eines Gewindes.
Der Rohrverbinder aus den Fig. 1 und 2 weist ein Muffen-
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element 1 und zwei damit in Verbindung bringbare Bolzenelemente 2 auf. Das Muffenelement 1 besitzt die Form
einer Hülse und an jedem Ende eine innere Umfangsflache
3, die jeweils mit einem Gewinde 4 versehen ist. Jede Umfangsflache 3 ist kegelstumpfförmig. Der Scheitel
eines jeden Kegels zeigt dabei in die Hülse hinein. Die Oberfläche kann auch zylindrisch sein. Jedes Bolzenelement
2 besitzt eine äußere Umfangsflache 5, die der entsprechenden
Umfangsflache 3 des Muffenelementes entspricht und mit einem Gewinde 6 versehen ist, das in
das Gewinde des Muffenelementes eingreifen kann.
Jedes Bolzenelement 2 ist an seinem freien Ende mit einer axial erstreckten ringförmigen Nase 7 versehen,
die eine gewindefreie äußere sekundäre Umfangs-Abdichtflache
8 und eine axial erstreckte primäre Abdichtfläche 9 besitzt. Das Muffenelement 1 besitzt entsprechend
zwischen den mit einem Gewinde versehenen Umfangsflächen 3 eine gewindefreie innere sekundäre Umfangs-Abdichtflache
10.
Die Abdichtfläche 10 des Muffenelementes ist zylindrisch
und die Abdichtflächen 8 der Bolzenelemente sind
kegelstumpfförmig. Der Scheitelpunkt der entsprechenden Kegel ist aus den entsprechenden Bolzenelementen herausgerichtet.
Die Abdichtflächen 9 sind ebenfalls kegelstumpf förmig. Der Scheitelpunkt ihrer entsprechenden
Kegel ist in die entsprechenden Bolzenelemente hineingerichtet.
Um die Axialbewegung der Bolzenelemente 2 in das Muffenelement 1 zu begrenzen, sind auf dem Muffenelement und
den Bolzenelementen Schultern 11 bzw. 12 vorgesehen.
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Diese Schultern sind vorzugsweise an den Enden der Abdichtfläche 10 auf dem Muffenelement und am Ansatz der
Nase 7 eines jeden Bolzenelementes angeordnet. Die Schultern 11 werden bequemerweise durch die Ausbildung
ringförmiger Einschnitte in dem Muffenelement an jenem
Ende der Abdichtfläche 10 geschaffen, das mit der letzten Windung des jeweiligen Gewindes 4 zusammentrifft.
Die Schultern 12 werden durch das Einschneiden einer ringförmigen Oberfläche in die letzte Windung des
Gewindes 6 auf jedem Bolzenelement geschaffen. Vorteilhafterweise ist der größte Durchmesser der Abdichtflächen
8 wesentlich kleiner als der kleinste Durchmesser des Gewindes 6 der Bolzenelemente, so daß die
Nasen 7 das Gewinde des Muffenelementes während des Verbindens des Bolzenelementes mit dem Muffenelement nicht
stören können.
Beim Zusammenbau des vorbeschriebenen Rohrverbinders wird ein Bolzenelement, z. B. das Bolzenelement 2a, zunächst
in das Muffenelement in seiner größtmöglichen Ausdehnung eingesetzt. An diesem Punkt stoßen die
Schultern 11, 12 aneinander. Anschließend wird ein Drehmoment bis zu einem vorbestimmten Wert angezogen.
Das andere Bolzenelement, beispielsweise das Bolzenelement 2b, wird dann in das andere Ende des Muffenelementes
eingesetzt und das Eindrehen wird fortgesetzt, bis die Nase 7 des Bolzenelementes 2b in Kontakt mit
der Nase 7 des Bolzenelementes 2a kommt, vgl. -Fig. 3.' In diesem Moment besteht lediglich ein Linienkontakt
längs der radialen Außenkante 13 der Abdichtflächen 9 der Nasen 7. Eine Lücke 14 zwischen dem Rest der Abdichtflächen
9 erweitert sich radial nach innen. Die Durchmesser der Abdichtflächen 8 und 10 sind außer-
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dem so gewählt, daß eine Lücke 15 zwischen diesen Oberflächen entsteht und sich in Richtung von der Wurzel
der entsprechenden Nase zur Außenkante 13 erweitert. Diese Lücke kann sich über die gesamte Länge des Uberlapps
der Abdichtflächen 8, 10 erstrecken, wie dargestellt, die Oberflächen können aber auch zwischen der
Abdichtfläche 10 und den Schultern 11 in Kontakt oder einander benachbart sein.
Das Bolzenelement 2b wird dann weiter in das Muffeneiement
1 unter Anwendung eines höheren Drehmomentes geschraubt. Dadurch wird eine höhere Axialkraft zum Zusammenpressen
und Deformieren der Nasen 7 aufgebracht, um die Abdichtflächen 9, 8 und 10 in abdichtenden Kontakt
zu bringen. Während dieses Zeitraumes werden die Nasen zusammengepresst und im Ergebnis um ihre Ansätze
geschwenkt. Die Außenkante 13 spreizt sich radial nach außen, bis sie mit der Abdichtfläche 10 zusammenfällt
und mindestens Teile der Abdichtflächen 8, 10 in dem Gebiet der Abdichtflächen 9 in Kontakt und die Abdichtflächen
9 im wesentlichen vollständig gegeneinander stoßen, vgl. Fig. 4. Zu diesem Zeitpunkt kann die
Schulter 12 des Bolzenelementes 2b leicht von der Schulter 11 beabstandet sein. Das gleiche gilt für die
Schulter 12 auf dem Bolzenelement 2a.
Die Winkel der kegelstumpfförmigen Abdichtflächen 9
sind so gewählt, daß sie den gewünschten Grad an Verformung sicherstellen, der zum Erhalt der erforderlichen
gespeicherten Energie benötigt wird, abhängig von der Belastung, die von den Gewinden 4, 6 getragen werden
kann. Der Winkel der kegelstumpfförmigen Abdichtflachen
8 ist in Abhängigkeit vom Winkel der Abdichtflächen 9
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so gewählt, daß die Lücke 15 genügend groß ist, um eine ausreichende Verformung der Nasen 7 sicherzustellen und
die Abdichtflächen 9 miteinander in Kontakt zu bringen und eine sekundäre Abdichtung zwischen wenigstens
Teilen der Abdichtflächen 8 und 10 zu erzielen.
In einer Abänderung der vorbeschriebenen Ausführungsform
können die Abdichtflächen 8 und 9 auch sphärisch anstelle von kegelstumpfförmig sein, wie die gestrichelten
Linien 8a, 9a in Fig. 3 darstellen. Sie laufen dann in einem Bereich 9b mit einem verhältnismäßig
kleinen Krümmungsradius zusammen. Die Kontaktlinie 13a zwischen den Nasen 7 liegt dann radial innerhalb
der Außenkante 13 aber radial außerhalb der Achsen, um die die Nasen bei Axialdruck schwenken. Dadurch
wird sichergestellt, daß die Nasen nach außen schwenken, um die Abdichtflächen 8a, 9a und 10 in abdichtenden
Kontakt zu bringen, vgl. Fig. 4.
Beim Verformen und Komprimieren der Nasen und der benachbarten Abschnitte der Bolzenelemente während des
Gegeneinanderpressens der Abdichtflächen 9 und beim entsprechenden
Ausdehnen des Muffenelementes wird ein erheblicher Energiebetrag in den Nasen 7, den benachbarten
Abschnitten der Bolzenelemente 2 und in den entsprechenden Abschnitten des Muffenelementes 1 gespeichert.
Dies ermöglicht es dem Rohrverbinder, den Axialkräften besser zu widerstehen, die dazu neigen,
die in ihm geschaffene Güte der Abdichtung herabzusetzen. Außerdem werden die Bolzen- bzw. Muffenelemente
1, 2 um einen wesentlich größeren Winkel als bisher gedreht, um die Nasen 7 zu verformen und zusammenzupressen
und das Muffenelement zwischen den in den Fig.
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3 und 4 dargestellten Stufen auszudehnen. Auch dieses senkt die Gefahr einer wesentlichen Herabsetzung der
Güte des durch die Abdichtflächen 9 geschaffenen Abdichtung aufgrund von Winkel- oder Axialkräften, die
dazu neigen, die Bolzenelemente 2a, 2b axial auseinander zu bewegen. Da außerdem die Bolzenelemente 2a, 2b
selbst den abdichtenden Kontakt bilden, wird die gespeicherte Energie im Ergebnis verdoppelt, da die
Bolzenelemente 2a, 2b und auch das Muffenelement 1 die
gespeicherte Energie sowohl in den Nasen 7 als auch in dem entsprechenden Abschnitt des Muffenelementes zur
Verfügung stellen.
Die Lücke 15 zwischen den Abdichtflächen 8 und 10 (bzw.
8a und 10) kann auch auf andere Weise erhalten werden. Die Abdichtflächen 8 können zum Beispiel zylindrisch
(vgl. Fig. 5 und 6) und die Abdichtfläche 10 kann doppel-kegelstumpfförmig sein und zwei kegelstumpfförmige
Abdichtflächenabschnitte 10a, 10b der Bolzenelemente 2a, 2b bilden, wobei der Scheitel des Kegels
des entsprechenden Abdichtflächenabschnittes 10a, 10b
in das entsprechende Bolzenelement 2a, 2b hineingerichtet ist. In einer Abänderung kann die Abdichtfläche
10 sphärisch und symmetrisch um die Mitte der Abdichtfläche sein. Alternativ können die Abdichtflächen 8 und
10 leicht kegelstumpfförmig oder sphärisch sein.
Die Gewinde 4, 6 der Elemente können jede geeignete Form besitzen. Die Gewinde 4 und 6 können beispielsweise
die in Fig. 7 dargestellte Form über ihre gesamte Länge aufweisen. Alternativ können die Gewinde 6 benachbart
zu den von den Nasen 7 abgewandten Enden einen zurückweichenden Abschnitt aufweisen, d. h. von abnehmen-
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dem radialen Ausmaß. Die Gewindescheitel liegen dabei auf einem Zylinder. Die Gewinde 4, 6 sind so bemessen/
daß ein leichter Spielraum, ein Kontakt oder ein Preßsitz zwischen den Scheiteloberflächen des einen Gewindes
und der Bodenoberfläche der Lücke zwischen den benachbarten Gewindegängen des anderen Gewindes entsteht
und ein kleiner Spielraum zwischen der Scheiteloberfläche des anderen Gewindes und der Bodenoberfläche
der Lücke zwischen den benachbarten Gewindegängen des ersten Gewindes, wenn die Bolzen- bzw. Muffenelemente
1, 2 vollständig zusammengefügt sind. Ein Preßsitz entsteht zwischen der Scheiteloberfläche 20 des Gewindes
und der Bodenoberfläche 21 der Lücke zwischen dem Gewinde 6. Ein leichter Spielraum entsteht zwischen den
entsprechenden Scheitel- und Bodenoberflächen 22, 23 der Gewinde 6 und 4. Die führenden Flanken 24, 25 der
Gewinde sind vorzugsweise nur leicht gegenüber der Radialebene geneigt, beispielsweise um einen Winkel von
3°, während die nachlaufenden Flanken 26, 27 der Gewinde stärker geneigt sind. Die Gewinde können zum
Beispiel Steigungs- und Höhenverhältnisse entsprechend dem API-Standard-Rundgewinde haben und können entsprechend
einer der vorbeschriebenen britischen Patentanmeldungen 83 23 348, 83 23 349 und 83 23 858 verändert
sein.
Die Gewinde 4, 6 können, wie vorbeschrieben, eingängige Gewinde, aber auch mehrgängige Gewinde sein.
Die Bolzenelemente 2 können integral mit den Rohrabschnitten oder getrennt von ihnen gebildet und an den
Rohrabschnitten befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen. Insbesondere bei der Suche und Förderung von
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öl und Gas bestehen die Elemente aus Metall, beispielsweise Stahl. Das Muffenelement kann aus derselben
Stahlqualität wie die Bolzenelemente bestehen. Es kann aber auch aus einer höheren Qualität hergestellt
sein, um die Gesamtabmessungen des Muffenelementes und damit des Rohrverbinders zu verringern. Der
vorbeschriebene Rohrverbinder vermeidet die Korrosionsprobleme, die beim Verwenden von unterschiedlichen Materialien
für die Bolzen- und Muffenelemente auftreten, da die Fluide, die durch die mit den Bolzenelementen
verbundenen Rohrleitungen transportiert werden, mit dem Muffenelement nicht in Kontakt kommen.
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- Leerseite -
Claims (11)
1. Rohrverbinder mit einem Muffenelement mit einer an beiden Enden vorgesehenen inneren Umfangsflache, die
jeweils mit einem Gewinde versehen ist, und mit zwei Bolzenelementen mit äußeren Umfangsflachen, die den
inneren Umfangsflachen des Muffenelementes entsprechen
und mit einem Gewinde zum Zusammenschrauben mit dem entsprechenden Gewinde des Muffenelementes versehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Bolzenelement (2) an seinem freien Ende eine ringförmige Nase (7) mit einer
im wesentlichen axial ausgerichteten, primären Abdichtfläche (9), die axial gegen die primäre Abdichtfläche
DN/ME/em
Martinistraße 24 Telefon
Telecopierer
Telex
244020 fenatd
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Datox-P
44421040 311
44421040 311
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(9) der Nase (7) des anderen Bolzenelementes (2) stößt, und mit einer äußeren sekundären Umfangs-Abdichtflache
(8) aufweist, die über wenigstens einen Teil ihrer Länge in im wesentlichen radialen Kontakt mit einer
inneren, sekundären Umfangs-Abdichtflache (10) steht,
die zwischen den mit einem Gewinde (4) versehenen Umfangsflächen (3) auf dem Muffenelement (1) vorgesehen
ist,
daß die primären Abdichtflächen (9) der Bolzenelemente
(2) anfangs so ausgebildet sind, daß bei ihrem ersten Kontakt eine Lücke (14) zumindest zwischen Teilen der
Abdichtflächen (9) besteht, die sich radial einwärts erweitert,
und daß die sekundären Abdichtflächen (8, 10) anfangs
so ausgebildet sind, daß zwischen ihnen zumindest im Bereich der sich berührenden primären Abdichtflächen
(9) eine Lücke (15) besteht,
und daß die Lücken (14, 15) im wesentlichen geschlossen sind, wenn die Elemente (1, 2) vollständig miteinander
verbunden sind.
2. Rohrverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Abdichtflächen (9) der Bolzenelemente
(2) im wesentlichen kegelstumpfförmig sind, wobei die Scheitelpunkte der Kegel in die entsprechenden
Bolzenelemente (2) hineingerichtet sind.
3. Rohrverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primären Abdichtflächen (9) der Bolzenelemente
(2) im wesentlich sphärisch sind.
4. Rohrverbinder nach mindesten einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre
c°pv
Abdichtfläche (10) des Muffenelementes (1) im wesentlichen
zylindrisch ist.
5. Rohrverbinder nach mindestens einem der Ansprüche 1
ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abdichtflache
(10) des Muffenelementes (1) im wesentlichen sphärisch ist.
6. Rohrverbinder nach mindestens der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Abdichtfläche
(10) des Muffenelementes (1) zwei im wesentlichen kegelstumpf förmige Abschnitte aufweist, deren Scheitelpunkte
voneinander weggerichtet sind.
7. Rohrverbinder nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären
Abdichtflächen (8) der Bolzenelemente (2) im wesentlichen kegelstumpfförmig sind, wobei die Scheitelpunkte
der Kegel aus dem jeweiligen Bolzenelement (2) herausgerichtet sind.
8. Rohrverbinder nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Abdichtflächen (8) der Bolzenelemente (2) sphärisch sind,
derart, daß die Lücke (15) zwischen der sekundären Abdichtfläche (8) eines Bolzenelementes (2) und der
sekundären Abdichtfläche (10) des Muffenelmentes (1)
sich in Richtung zum freien Ende des Bolzenelementes (2) erweitert.
9. Rohrverbinder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die sekundären Abdichtflächen (8) der
Bolzenelemente (2) zylindrisch sind.
COPY J
10. Rohrverbinder nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Muffenelement
(1) im Inneren mit Schultern (11) zum Begrenzen der Axialbewegung der Bolzenelemente (2) versehen ist,
und daß jedes Bolzenelement (2) mit einer entsprechenden Schulter (12) versehen ist.
11. Rohrverbinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (11) des Muffenelementes (1)
zwischen der sekundären Abdichtfläche (10) und den mit einem Gewinde (4) versehenen Umfangsflachen (3) angeordnet
ist.
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