DE3490214T1

DE3490214T1 - Rohrverbindung

Info

Publication number: DE3490214T1
Application number: DE19843490214
Authority: DE
Inventors: George G. Farmers Branch Tex. Grimmer; George M. Raulins
Original assignee: Otis Engineering Corp
Current assignee: Otis Engineering Corp
Priority date: 1983-05-19
Filing date: 1984-03-20
Publication date: 1985-05-15
Also published as: GB2149871A; EP0152406B1; JPH049956B2; SG21787G; GB8500161D0; AT391009B; IT8467509A0; WO1984004575A1; GB2149871B; EP0152406A1; EP0152406A4; ATA901684A; JPS60501322A; IT8467509A1; CA1230359A; US4458925A; IT1179922B

Description

Beschreibung

Rohrverbindung

Technisches Geb-v-i

Die Erfindung bezieht sich auf Rohrverbindungen. Allgemeiner Stand der Technik

Viele Jahre wurden Kupplungen mit an ihren Innendurchmessern ausgebildeten Gewinden benutzt, um zwei relativ

lange Rohrabschnitte miteinander zu verbinden. Beispiele / für derartige Kupplungen sind in dem US-Patent 2 980 \ 451 von W.B. Taylor et al; dem US-Patent 4 004 832 von Eugene B. Connelly; und dem US-Patent 3 497 246 von B.D. Weiner gezeigt. Das US-Patent 2 980 451 offenbart auch die Verwendung von elastomeren oder polymeren Dichtungsringen, um zwischen dem Innendurchmesser der Kupplung und dem Außendurchmesser des sich in diese erstreckenden Rohrbereiches eine Fluidbarriere zu bilden. Das US-Patent 2 980 451 wird durch Bezugnahme für alle Zwecke in die vorliegende Anmeldung eingefügt.

Eine andere Möglichkeit zur Verwendung von Kupplungen bestand darin, die Endbereiche der Rohrabschnitte zu stauchen (Vergrößerung der Wandstärke durch mechanische Mittel). An den gestauchten Enden wurden durch spanabhebende Bearbeitung entsprechende Innen- und Außengewinde hergestellt, um jeweils Zapfenmittel und Aufnahmemittel zur Verbindung von Rohrabschnitten miteinander zu bilden.

Beispiele für derartige Rohrverbindungen und zugehörige

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Gewinde sind in den US-Patenten 3 489 437 von J.L.A. Duret und 3 106 656 von M.D. MacArthur gezeigt. Das Gewinde- und Dichtungssystem gemäß der Erfindung kann zufriedenstellend entweder mit Kupplungen oder mit Rohrverbindungen des gestauchten Typs benutzt werden.

Anhängige US-Patentanmeldungen

Für die Anmelder sind die folgenden Patentanmeldungen für Erfindungen betreffend Rohrverbindungen, Kupplungen und Gewinde anhängig

Aktenzeichen Titel Anmeldetaq

324 234 Kupplung 23. Novembver 1981

367 952 Rohrverbindung 13. April 1982

456 526 Rohrverbindung 7. Januar 1983

4 57 698 Rohrverbindung 13. Januar 1983

Offenbarung der Erfindung

Der Trend zu immer tieferen Bohrungen zusammen mit höheren Drücken und strengeren Umgebungsbedingungen in diesen Tiefen hat eine Anforderung nach Rohrverbindungen mit verbesserten Fluiddichtungen hervorgerufen. Metall-Metall-Dichtungen sind besonders für Hochdruck-Bohrungen für saures Gas erwünscht. Bei Belastung mit Gas unter niedrigem Druck haben Metall-Metall-Dichtungen eine Neigung zum Lecken. Daher sind für diesen Zustand Rohrverbindungen mit polymeren Dichtungsringen erwünscht. Unglücklicherweise hat unter hohem Druck stehendes Fluid eine Neigung, polymere Dichtungsringe aus konventionellen Rohrverbindungen besonders stark zu extrudieren. Während des Betriebszyklus vieler Bohrungen.sind Rohrverbindungen sowohl hohen als auch niedrigen Drücken ausgesetzt.

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Die vorliegende Erfindung enthält eine Rohrverbindung mit Gewinden und einem neuen Dichtungssystem, um den Fluiddurchtritt zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Verbindung zu blockieren. Das Dichtungssystem enthält einen polymeren Dichtungsring in einer Ringnut mit ringförmigem Metall-Metall-Dichtungen, an deren gegenüberliegenden Seiten. Durch Einschließen des Dichtungsringes zwischen den Mecall-Metall-Dichtungen zeigt die Rohrverbindung die gewünschten Fluiddichtungseigenschaften sowohl von Metall-Metall-Dichtungen als auch von polymeren Dichtungsringen ähnlich einem üblichen Dichtungssystem mit Dichtungsring und Flansch.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,

eine Rohrverbindung mit einem Dichtungssystem zu schaffen,

das sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Drücken und Temperaturen wirksam ist.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rohrverbindung mit Metall-Metall-Dichtungen an gegenüberliegenden Seiten eines ringförmigen polymeren Dichtungsringes zu schaffen, wodurch die Metall-Metall-Dichtungen ein ungewünschtes Extrudieren des Dichtungsringes verhindern.

Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rohrverbindung zu schaffen, die wirksam gegen hohe Fluiddruckdifferenzen entweder vom Inneren oder vom Äußeren der Rohrverbindung abdichten.

Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf dem Gebiet nach Lesen der Beschreibung und der Ansprüche in Zusammenhang mit den Zeichnungen.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Ansichtszeichnung mit weggebrochenen Teilen, die die Enden der beiden Abschnitte des Rohres und eine Kupplung zeigt, die in Schraubeingriff mit jedem Abschnitt gebracht werden kann, um eine Rohrverbindung zu bilden.

Figur 2 ist eine vergrößerte Viertelschnittansicht einer Kupplung gemäß der Erfindung.

Figur 3 ist eine Ansichtszeichnung der Einsteck- oder Zapfenmittel eines Abschnittes des Rohres gemäß der Erfindung.

Figur 4 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung mit weggebrochenen Teilen, die die mehrfache Fluiddichtung zeigt, die durch Eingriff zwischen den Zapfenmitteln und den Aufnahmemitteln einer Rohrverbindung gemäß der

Erfindung gebildet sind.

Beste Form zur Ausführung der Erfindung

Die Bestandteile einer typischen Rohrverbindung, die

Kupplung 20 und Bereiche von zwei Rohrabschnitten 40, sind in Figur 1 gezeigt. Jeder Rohrabschnitt 40 hat ein identisches Zapfenmittel 41 mit Außengewinde 42 nahe seinem äußeren Ende. Passende Zapfenmittel 41 sind auch an beiden Enden jedes Rohrabschnittes 40 (nicht

gezeigt) vorgesehen. Jeder Rohrabschnitt 40 ist ein langes, hohles Rohrelement mit sich hindurch erstreckender Längsbohrung 43.

Die Kupplung 20 ist ein verhältnismäßig kurzer, hohler

Zylinder mit sich hindurch erstreckender Längsbohrung

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23. Identische Aufnahmemittel 21 mit Innengewinden sind an jedem Ende der Kupplung 20 vorgesehen. Die innere Form der Kupplung 20 ist symmetrisch bezüglich des Innenflansches 35. Innengewinde 22 und Außengewinde 42 sind so gewählt, daß sie in Eingriff miteinander bringbar sind, um eine Rohrverbindung 60 zu bilden, von der ein Teil in Figur 4 gezeigt ist. Kupplungen 20 werden zur Verbindung mehrerer Rohrabschnitte 40 miteinander benutzt, um einen langen Rohrstrang zu bilden, der sich von einem Bohrlochkopf (nicht gezeigt) zu einer lochabwärts liegenden Kohlenwasserstoff erzeugen Formation (nicht gezeigt) erstreckt. Jede Kupplung 20 hält eine Ausrichtung benachbarter Längsbohrungen 43 miteinander und mit seiner eigenen Längsbohrung 23 aufrecht. Diese Ausrichtung der Längsbohrungen 43 und 23 bildet einen Strömungspfad für eine Fluidverbindung zwischen der Bohrlochoberfläche und gewählten lochabwärts liegenden Stellen. Die vorliegende Erfindung liefert mehrfache Dichtungen innerhalb jeder Rohrverbindung 60, um eine Fluidverbindung zwischen ihrem Inneren und ihrem Äußeren zu verhindern.

In jedes Aufnahmemittel 21 ist in Längsrichtung im Abstand von inneren Ende des Innengewindes 22 eine innere Ringnut

24 spanabhebend eingearbeitet. Eine erste Ringdichtungsfläche

25 befindet sich zwischen dem inneren Ende des Innengewindes

22 und der inneren Nut 24. Eine zweite Ringdichtungsfläche 26 ist an der gegenüberliegenden Seite der inneren Nut 24 angeordnet. Die erste Dichtungsfläche 25 und die zweite Dichtungsfläche 26 verjüngen sich nach innen zur Mitte der Aufnahmemittel 21. Die Verjüngung der Dichtungsflächen 25 und 26 ist gewählt, um einen spitzen Winkel von etwa 3° mit der Mittellinie der Längsbohrung

23 zu bilden. Der kleinste Innendurchmesser 27 der ersten Dichtungsfläche 25 ist wesentlich größer als der größte

Innendurchmesser 28 der zweiten Dichtungsfläche 26.

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Die Ringnut 24 ist teilweise durch die Innendurchmesser 27 und 28 gebildet, wie dies am besten in Figur 4 gezeigt ist.

Jedes Zapfenmittel 41 hat in Längsrichtung im Abstand vom Ende des Außengewindes 42 auf seiner Außenseite eine erste Dichtungsfläche 45. Eine zweite Dichtungsfläche 46 ist auch am äußeren Ende jedes Zapfenmittels 42 in Längsrichtung im Abstand von der zugehörigen ersten Dichtungsfläche 45 vorgesehen. Die Dichtungsflächen 4 5 und 46 des Zapfenmittels 41 haben angepaßte Verjüngungen, die bei Herstellung der Rohrverbindung mit den Dichtungsflächen 25 und 26 des jeweiligen Aufnahmemittels 21 Metall-Metall-Dichtungen bilden. Der fluiddichte Eingriff der Dichtungsfläche 45 mit der Dichtungsfläche 25 und der Dichtungsfläche 46 mit der Dichtungsfläche 26 ist am besten in Figur 4 dargestellt.

Ein polymerer Dichtungsring 29 ist vorzugsweise in jeder Ringnut 24 der Aufnahmemittel 21 angeordnet. Die Schulter 49 ist am Äußeren des Zapfenmittels 41 zwischen der ersten Dichtungsfläche 45 und der zweiten Dichtungsfläche 46 vorgesehen. Die Schulter 49 wird teilweise durch den kleinsten Außendurchmesser 47 der ersten Dichtungsfläche 45 und den größten Außendurchmesser 48 der zweiten Dichtungsfläche 46 gebildet. Innerhalb der Grenzen annehmbarer Bearbeitungstoleranzen ist der Innendurchmesser 27 des Aufnahmemittels gleich dem Außendurchmesser des Zapfenmittels 41 und der Innendurchmesser 28 gleich

dem Außendurchmesser 48. Die Schulter 4 9 ist so bemessen, daß sie in Eingriff mit dem Dichtungsring 29 steht und bei der Herstellung der Rohrverbindung mit diesem eine Fluidbarriere bildet. Vorzugsweise ist die Schulter 49 bezüglich der Dichtungsflächen 45 und 46 abgeschrägt. Die vom spitzen Winkel b, der zwischen der Mittellinie

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der Längsbohrung 4 3 und der Verlängerung der Schulter 49 gemessen ist, gebildete Abschrägung beträgt etwa

30°

Die von der Schulter 49 und dem Dichtungsring 29 gebildete Fluidbarriere widersteht einer Fluidverbindung durch sie hindurch, bis der Fluiddruck den Druck oder die Kraft übersteigt, der bzw. die während der Herstellung der Rohrverbindung im Dichtungsring 29 aufgebaut wird. Der aufgebaute Druck im Dichtungsring 29 ist eine Funktion seines Volumens, des Volumens der Ringnut 24 und des Winkels b der Schulter 49. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Vorwahl jedes dieser Faktoren, um erwartete Fluidbetriebsdrucke zu halten. Ein weiter Bereich an Materialien kann zur Herstellung des Dichtungsringes 29 benutzt werden, etwa verformbarer Kunststoff, der Eigenschaften ähnlich denen von Tetrafluorethylen hat, oder Elastomere die Eigenschaften ähnlich Polybutadien/ Acrylnitril haben.

Vorzugsweise sind in dem Aufnahmemittel 31 und am äußeren Ende des Zapfenmittels 41 jeweils passende Drehmomentenschultern 31 und 51 vorgesehen. Die Drehmomentenschultern 31 und 51 bilden die Grenze des Eingriffs des Innengewindes 22 mit dem Außengewinde 42. Wie in Figur 4 gezeigt, bildet die Drehmomentenschulter 31 des Aufnahmemittels 21 einen spitzen Winkel mit dem benachbarten Inneren des Aufnahmemittels 21. Die innere Drehmomentenschulter 31 wird bevorzugt, weil ihre geneigte Fläche die Dichtungsflächen 45 und 46 des Zapfenmittels 41 in festere Berührung mit den Dichtflächen 25 und 26 des Aufnahmemittels 21 drückt.

Eingriffsfolge

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Das Zapfenmittel 41 wird bis zur Berührung der Gewinde 42 und 22 miteinander in das Aufnahmemittel 21 eingeführt. Dann wird das Zapfenmittel 42 gedreht, um einen Eingriff des Gewindes 42 mit dem Gewinde 22 zu bewirken. Diese Drehbewegung bewirkt eine Bewegung des Zapfenmittels 41 in Längsrichtung weiter in das Aufnahmemittel 21 hinein. Die Länge und der Abstand der ersten Dichtungsfläche 45 und der zweiten Dichtungsfläche 46 sind so gewählt, daß sie in Eingriff mit den benachbarten Dichtungsflächen 25 und 26 des Aufnahmemittels 21 kommen, bevor die Schulter 49 den Dichtungsring 29 berührt. Die Berührung zwischen den ersten Dichtungsflächen 45 und 25 und den zweiten Dichtungsflächen 46 und 26 bewirkt infolge der Verjüngung die Erzeugung einer Spannung oder eines Druckes im Eingriffsbereich. Dieser erzeugte Druck ist so gewählt, daß er größer ist als der zu erwartende Fluiddruck entweder an der Außenseite oder im Inneren der Rohrverbindung 60. Somit werden an gegenüberliegenden Seiten der Ringnut 24 zwei unabhängige Metall-

Metall-Dichtungen gebildet.

Eine weitere Drehung des Zapfenmittels 41 bewirkt die Berührung der abgeschrägten Schulter 49 mit dem Dichtungsring 29. Wie vorstehend erwähnt, liefert die vorliegende Erfindung eine Möglichkeit, den erzeugten Druck auf den Dichtungsring 29 oder dessen Zusammendrückung zu verändern. Vorzugsweise ist der erzeugte Druck wesentlich größer als die erwarteten Fluiddrücke. Beim ersten Bilden der Metall-Metall-Dichtungen an gegenüberliegenden Seiten der Ringnut 24 wird auch verhindert, daß der Dichtungsring 29 beim Herstellen der Rohrverbindung 60 in beiden Richtungen übermäßig extrudiert. Diese Kombination von Metall-Metall-Dichtungen und polymeren Dichtungen ermöglicht der Rohrverbindung 60 die Ausbildung der erwünschten Eigenschaften eines üblichen Dichtungssystems mit Dich-

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tungsring und Flansch, während der Innendurchmesser und der Außendurchmesser den Anforderungen im Lochtiefenbereich anpaßbar sind.

Andere Ausführungsbeispiele

Die Gewinde 22 und 42 sind in den Figuren 3 und 4 als Trapezart gezeichnet, die sich normalerweise mit 3/4 Inch pro Fuß verjüngen. Verschiedene andere bekannte Gewindeprofile können jedoch zufriedenstellend mit der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Beispiele für derartige andere Gewindeprofile sind in den US-PS 2 980 451, 4 004 832 und 3 489 437 gezeigt.

Das Aufnahmemittel 21 kann im gestauchten Bereich eines Rohrabschnittes vorgesehen sein, wie dies in der US-PS 3 100 656 oder 3 489 437 gezeigt ist. Diese Art von Rohrverbindung vermeidet das Erfordernis einer getrennten Kupplung. Die vorliegende Erfindung kann zufriedenstellend

^ mit beiden Arten von Verbindungen benutzt werden.

Die ersten Dichtungsflächen 25 und 45 und die zweiten Dichtungsflächen 26 und 46 können andere Konturen als die Abschrägungen haben, um miteinander eine Dichtberüh-

^ rung herzustellen. Beispielsweise können die Radien der ersten Dichtungsfläche 45 und der zweiten Dichtungsfläche 46 derart spanabhebend bearbeitet sein, daß benachbarte Dichtungsflächen des Aufnahmemittels 21 in Eingriff kommen. Die grundsätzliche Anforderung ist, daß an gegenüberliegenden Seiten des Dichtungsringes 29 Metall-Metall-Dichtungen vorgesehen sind.

Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung der Erfindung ist illustrativ und erläuternd, und verschiedene Änderungen ³^ in der Größe, der Form und der Materialien sowie in

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den Einzelheiten der dargestellten Konstruktion können innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche gemacht werden, ohne daß von der Idee der Erfindung abgewichen wird.

Claims

Al Ansprüche

1. Rohrverbindung zur Verbindung von Rohrabschnitten miteinander, enthaltend: ein Aufnahmemittel mit Innengewinde und ein Zapfenmittel mit Außengewinde, wobei die Gewinde zur Herstellung der Verbindung in Eingriff miteinander bringbar sind; eine innere Ringnut im Aufnahmemittel in Längsrichtung im Abstand von inneren Ende des Innengewindes; eine erste Ringdichtungsfläche zwischen dem inneren Ende des Innengewindes und der inneren Nut und eine zweite Ringdichtungsfläche an der gegenüberliegenden Seite der inneren Nut; sowohl die erste als auch die zweite Dichtungsfläche verjüngen sich nach innen zur Mitte des Aufnahmemittels, und der kleinste Innendurchmesser der ersten Dichtungsfläche ist wesentlich größer als der größte Innendurchmesser der zweiten Dichtungsfläche; Zapfenmittel mit einer ersten Dichtungsfläche an seiner Außenseite in Längsrichtung im Abstand vom Außengewinde und einer zweiten Dichtungsfläche an seiner Außenseite in Längsrichtung im Abstand von der ersten Dichtungsfläche; die ersten und zweiten Dichtungsflächen des Zapfenmittels und des Aufnahmemittels haben jeweils angepaßte Verjüngungen, die bei der Herstellung der Verbindung Metall-Metall-Dichtungen bilden; ein polymerer Dichtungsring ist in der Ringnut angeordnet; eine Schulter an der Außenseite des Zapfenmittels befindet sich zwischen der ersten und der zweiten Dichtungsfläche; und die Schulter aktiviert den Dichtungsring, um bei der Herstellung der Verbindung eine Fluidbarriere zu bilden. ". ■ ·

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2. Rohrverbindung nach Anspruch 1, bei der die ersten und zweiten Dichtungsflächen des Zapfenmittels und des Aufnahmemittels während der Herstellung der Verbindung vor dem Eingriff der Schulter mit dem Dichtungsring in Eingriff stehen.

3. Rohrverbindung nach Anspruch 2 ferner enthaltend: angepaßte Drehmomentschultern in dem Aufnahmemittel und am äußeren Ende des Zapfenmittels; und die Drehmomentschultern des Aufnahmemittels bilden einen spitzen Winkel mit dem benachbarten Inneren des Aufnahmemittels.

4. Rohrverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das Aufnahmemittel in einer Kupplung vorgesehen ist, die an jedem Ende ein identisches Aufnahmemittel aufweist.

5. Rohrverbindung nach Anspruch 2, bei der die Schulter am Zapfenmittel abgeschrägt ist.

6. Rohrverbindung nach Anspruch 5, bei der das Volumen sowohl des Dichtungsringes als auch der Ringnut und der Winkel der abgeschrägten Schulter vorgewählt sind, um während der Herstellung der Verbindung im Dichtungsring einen Druck zu erzeugen, der größer ist als der Fluiddruck, gegenüber dem abgedichtet wird.