DE3727538A1 - Schutz von schraubengewinden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Schutz von Schraubengewinden.

Es ist übliche Praxis, in Rohrleitungs(Pipeline)kupplungen eine Paste oder ein Dichtmittel zu verwenden, das zwecks Schmierung der Gewinde und Minimierung der Gefahr von Leckage auf zusammenpassende Schraubengewinde aufgebracht wird. Solche Pasten können ohne Schwierigkeiten verwendet werden, wenn der Innendruck in der Pipeline gering und die Umgebungstemperatur mäßig ist (z. B. Raumtemperatur). Jedoch kann man auf erheblich größere Schwierigkeiten stoßen, wenn hohe Drücke und Temperaturen, wie etwa bei der Herstellung und beim Spritzgießen (reinjection) von Rohrleitungssträngen für Erdöl- und Erdgasquellen, auftreten.

Die Schwierigkeiten infolge hoher Drücke in Erdgas- und Erdölquellen haben zur Entwicklung von Schmiermitteln (oder Pasten) mit einer Kohlenwasserstoff-Schmierstoffbasis und dem Zusatz vergleichsweise großer Teilchen (in der Größenordnung von 100 Mikron) aus Kupfer, Graphit, Zink, Blei oder anderen Materialien oder Gemischen derselben geführt. Diese neigen dazu, sich in den Gewindegrund- Schraubengängen der zusammenpassenden Schraubengewinde anzusammeln. Theoretisch verhindern diese Teilchen die Bildung von schraubenförmigen Leckagewegen. Jedoch bewirken hohe Temperaturen ein Absinken der Viskosität der Schmierstoffbasis und ermöglichen in Verbindung mit hohen Drücken die Bildung eines Leckageweges zwischen den vergleichsweise großen Teilchen hindurch. Der Leckageweg entlang dem Schraubengewinde hat keine ernsten Folgen, vorausgesetzt, daß die speziell vorgesehenen Dichtflächen selbst vollständig im Eingriff und somit wirksam sind. Doch besteht die mögliche Gefahr, daß die Dichtflächen in der Praxis nicht völlig wirksam sind, wenn das Anzugsdrehmoment die Gewindedichtflächen nicht vollständig zum Eingriff gebracht oder anderes endgültiges Aneinanderstoßen der zwei zusammenpassenden Gewinde bewirkt hat. Es besteht auch die Gefahr, daß die Dichtflächen selbst beschädigt werden.

Vor der Installation sind Rohrleitungsstränge (Pipelines) Prüfungen unterzogen worden, um jegliche vorhandenen undichten Stellen zu entdecken. Jedoch haben die bisher verwendeten Pasten die undichten Stellen verdeckt. Diese treten nur dann in Erscheinung, wenn die Rohrleitung im Einsatz ist. Herkömmliche und früher vorgeschlagene Pasten, die Leckage in beschädigten oder defekten Kupplungen scheinbar verhindern, verdecken infolgedessen in der Praxis lediglich diese undichten Stellen, bis die Rohrleitung in der Quelle in Betrieb genommen ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Beseitigung der undichten Stellen schwierig und kostenaufwendig.

Deshalb ist es bei der Prüfung von Rohrleitungsverbindungen auf Dichtigkeit wünschenswert, die Verwendung von Pasten mit grobkörnigen Teilchen und einem viskosen Träger, die vorübergehend eine hindurchpassierende Leckageströmung verhindern können, zu vermeiden.

Die Verwendung von flüssigen Schmiermitteln zur Verhinderung direkten körperlichen Kontakts zwischen relativ drehenden Teilen ist in der Maschinenbaupraxis seit hunderten, wenn nicht seit tausenden von Jahren derart üblich, daß eine detaillierte Diskussion überflüssig ist. In den vergangenen dreißig Jahren ist es allgemein üblich geworden, zu flüssigen Schmiermitteln als Trockenfilmschmiermittel bekannte Schmierstoffe hinzuzufügen, die Überzugsschichten auf Flächen bilden, die im Fall vorübergehender Überlastzustände gegen Fressen zu schützen sind. In allen Situationen, in denen Drehlager verwendet werden, ist es jedoch üblich gewesen, das Trockenfilmschmiermittel dem Flüssigschmiermittel zuzusetzen. Das Auftreten des Trockenfilmschmiermittels auf die zusammenpassenden Teile in einem gesonderten Verfahren bringt zusätzliche Kosten, jedoch keinen Vorteil. Daraus folgt, daß die früheren bekannten Verfahren auf dem Gebiet der Drehlager dem Fachmann wenig oder keine Anleitung geben, wenn er vor der Aufgabe steht, die Nachteile der für die Verhinderung von Lecks in Verbindungen mit Schraubgewinde für Rohrleitungen wohlbekannten "Pasten" zu überwinden.

Es ist bereits in unserer Anmeldung mit der Nr. 80 29 502, Veröffentlichungs-Nr. 20 56 091, vorgeschlagen worden, ein Verfahren zum Schützen von zusammenpassenden Schraubengewinden und zugeordneten Dichtflächen zumindest unter Anzugsdrehmomenten vorzusehen, welches Verfahren die Schritte des Aufbringens eines Trockenfilmschmiermittels auf eines der Schraubengewinde, des Aufbringens eines Flüssigschmiermittels auf das andere Schraubengewinde, des Zusammenpassens der Schraubengewinde und des Anziehens derselben bis zum erforderlichen Drehmoment umfaßt, wobei das Flüssigschmiermittel im wesentlichen keine lösende Wirkung auf das Trockenfilmschmiermittel ausübt und das Verfahren dazu dient, sowohl die zusammenpassenden Gewinde zu schützen als auch das Verdecken jeglichen Leckageweges zwischen den Schraubengewinden zu verhindern.

Während der bekannte Vorschlag einen tüchtigen Schritt auf dem Weg zur Lösung des Problems des Schützens von Schraubengewinden und des gleichzeitigen Vermeidens der Verwendung herkömmlicher Pasten mit ihren praktischen Nachteilen darstellt, hat sich der Vorschlag als ziemlich zeitaufwendig am Einsatzort erwiesen. Man muß sich daran erinnern, daß die Verhältnisse am Einsatzort oft schwierig sind und trotzdem der Zeitaufwand für den Zusammenbau von Rohreinheiten so niedrig wie möglich gehalten werden soll.

Das zu lösende Problem besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Schutz von Gewinden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen.

Vorzugsweise enthält das Trockenfilmschmiermittel Weichmetallschuppen, um die Tragfähigkeit des Films, wenn er erhärtet ist, zu erhöhen.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen unvollständigen Längsschnitt einer herkömmlichen Anordnung von Teilen mit Schraubengewinde, wie sie beispielsweise in Rohrleitungssträngen für Erdöl- und Erdgasquellen eingebaut ist,

Fig. 2 einen unvollständigen Längsschnitt einer anderen herkömmlichen, als Casing-Strang bezeichneten Anordnung von Teilen mit Schraubengewinde, ähnlich derjenigen nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, in der die Viskosität über dem %ualen Gewichtsanteil von PTFE in einem flüssigen Kohlenwasserstoff-Schmiermittel aufgetragen ist,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der das Drehmoment über der angezeigten Verformung aufgetragen ist,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, in der das Drehmoment über den Umdrehungen der Teile mit Schraubengewinde aufgetragen ist,

Fig. 6 einen Längsschnitt eines ringförmigen Kontaktreibungsprüfkörpers,

Fig. 7 (a) bis (d) typische Drehmoment-Umdrehungs-Kurven, und

Fig. 8 bis 10 graphische Darstellungen, in denen der Reibungskoeffizient über dem Berührungsdruck für verschiedene Verfahren und Materialien gemäß der Erfindung dargestellt ist.

In der Zeichnung sind die Teile mit Schraubengewinde mit einem zwecks klarem Verständnis übertriebenen Spiel dargestellt. Solche Teile weisen Gewindeformen auf, die allgemein als Sägezahngewinde bekannt sind, und sie werden in beträchtlichem Ausmaß in Kupplungsanordnungen in Rohrleitungen für die Erdöl- und Erdgasbohrungsindustrie, z. B. für Rohrleitungsstränge und Casings, benutzt.

Die Schraubengewinde 10, 12 der Teile 14, 16 der Anordnung weisen jeweils Schrägflanken 18 und 20 und Flanken 22 und 24 auf, die im wesentlichen normal zur Länge oder Längsachse der Rohrleitung verlaufen. Die Spitze 26, 28 eines Gewindes liegt im wesentlichen im Grund 30 bzw. 32 der anderen Anordnung und umgekehrt, wie dies in allen Formen von Schraubengewinden üblich ist. Es ist nicht praktisch, die Spitze 26, 28 eines Gewindes so zu formen, daß ein strammer Sitz mit dem Grund 30, 32 des anderen Gewindes erzielt wird. Deshalb sind schraubenförmige Lücken 34, 36 ausgebildet. Die Flanken 18, 20 und 22, 24 sind eng aneinanderliegend und ermöglichen normalerweise keinerlei Leckageweg.

In Gewinden mit Sägezahnform ist immer dann, wenn eine vollständige Dichtung, wie etwa die gezeigte, erforderlich ist, wenigstens eine ringförmige Metall-auf-Metall- Dichtungszone 40 eingearbeitet, wobei die Abmessungen derart sind, daß die Dichtungszonen sich in Preßkontakt befinden und somit keine Leckage auftreten kann, wenn die Gewinde vollständig im Eingriff und angezogen sind.

Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, liegen die im wesentlichen axial verlaufenden Dichtflächen 42, 44 an einem Ende des einen Teils 16 und innerhalb des Endes des anderen Teils 14. Die Flächen der Dichtungszone 40 sind gegenseitig zusammengepreßt, wenn die Gewinde völlig angezogen und damit die Schulterflächen 46, 48 in engem Kontakt sind. Die Flächen der Dichtungszone 40 sind, um sie auf das erforderliche Maß zusammenzupressen, derart relativ zueinander angeordnet, daß Kontakt etwas vor der Winkelstellung hergestellt wird, in der die Schultern 46, 48 aneinanderstoßen, so daß die Dichtflächen unter dem Kompressionsdruck etwas verformt werden, wenn die Schultern vollständig aneinanderstoßen. Zur deutlicheren Darstellung sind die Flächen, insbesondere die Flächen 42, 44, 46 und 48, als gegenseitigen Abstand aufweisend gezeigt. Jedoch sind die gegenüberliegenden Stoßflächen 46, 48, wenn völlig angezogen, in engem Kontakt und jedes Paar würde lediglich als eine einzige Linie gezeigt werden. Die Flächen 42, 44 sind nicht im Kontakt, sogar dann nicht, wenn die Teile 14, 16 dem vollen Drehmoment ausgesetzt sind.

Die in Fig. 2 gezeigten Schraubengewinde sind wiederum an zwei gegenüberliegenden Teilen 50, 52 ausgebildet, die Spitzen 54 bzw. 56 und Rinnen 58 bzw. 60 aufweisen, welche durch die schraubenförmigen Gewinde mit Trapezform definiert sind. Bei dieser herkömmlichen Gewindeform jedoch weist in einigen Fällen der letzte Gewindegang 62 des Gewindes am Teil 50 einen allgemein dreieckigen Querschnitt auf, während der entsprechende Gewindegang des Teils 52 trapezförmig bleibt. Daraus resultiert eine im wesentlichen ringförmige Lücke 64, so daß kein Kontakt an den Schraubenlinien 66 und 68 auftritt, wenn die Teile 50, 52 voll angezogen sind. Ein Endabschnitt 70 des Teils 50 weist eine Außenfläche 72 (d. h. der Längsachse des Teils abgewandt) auf, die allgemein ringförmig, jedoch im Querschnitt konvex ist. Diese Fläche 72 wirkt mit einer entsprechenden ringförmigen Innnenfläche 74 zusammen, die bei Betrachtung im Querschnitt konkav ist, deren Krümmung jedoch so abweicht, daß Kontakt zwischen den Flächen 72 und 74 nur auf einem vergleichsweise kleinen Flächenanteil jeder Fläche, wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, stattfindet. In der ringförmigen Kontaktflächenzone 76 findet eine tatsächliche Verformung statt, so daß die Abdichtung theoretisch perfekt ist. Flächen 78, 80, die den Flächen 46, 48 in Fig. 1 entsprechen, stoßen, wenn voll angezogen, aneinander an, sind jedoch als gegenseitigen Abstand aufweisend dargestellt, um die einzelnen Flächen erkennen zu können.

Es ist jedoch herkömmlicherweise üblich, die Gesamtheit der Schraubengewinde der soeben beschriebenen Arten großzügig mit einem Schmiermittel auf Kohlenwasserstoff- Schmierstoffbasis und einem Weichmetallteilchen verschiedener Größe bis zu ungefähr 100 Mikron enthaltenden sekundären Dichtmittel (üblicherweise als "Paste" bezeichnet) zu bestreichen. Diese "Paste" (dope) sammelt sich unter Beanspruchung mit vollem Drehmoment in den schraubenförmigen Lücken 34, 36 und 64 an. Die "Paste" wird auch in den Dichtungszonen 40, 76 festgehalten und kann die Dichtungswirkung dadurch beeinträchtigen, daß sie es ermöglicht, das volle Drehmoment vorzeitig auf die Flächen der Dichtungszonen 40, 76 aufzubringen, weil die Schultern 46, 48 (Fig. 1), 78, 80 (Fig. 2) nicht richtig aneinanderstoßen können. Tatsächlich spezifizieren Hersteller von Rohren und Kupplungen Drehmoment-Korrekturfaktoren, die von der einzelnen verwendeten Paste abhängen. Wenn diese Faktoren nicht berücksichtigt werden, besteht die erhebliche Gefahr, daß keine bei Drücken in der Größenordnung von 420 kg/cm² (4,12 kN/cm²), und möglicherweise höher, wirksame Dichtung gebildet werden kann. Wenn diese Faktoren nicht beachtet werden, besteht auch die Gefahr überhöhter Drehmomente, die zur Beschädigung der Dichtflächen führen.

Das Fehlen einer solchen wirksamen Abdichtung wird allgemein nicht als wichtig erachtet, insbesondere am Beginn der Lebensdauer der Quelle, da die Paste in den schraubenförmigen Lücken, 34, 36, 64 Leckage verhindert. In einigen Fällen wird die Viskosität der Kohlenwasserstoff-Trägersubstanz durch die in einigen Quellen anzutreffenden hohen Temperaturen verringert, und die metallischen Teilchen allein verhindern nicht die Leckage, da die Zwischenräume zwischen den Teilchen die Bildung eines Leckageweges, insbesondere unter hohen Drücken, ohne weiteres ermöglichen können.

Leckage dieser Art kann auf Grund der Anwesenheit der Paste nicht immer vor der Installation entdeckt werden, auch wenn eine fortgeschrittene Prüfung, wie im GB-Patent Nr. 20 56 091 beschrieben, angewendet wird. Der Grund für dieses offensichtliche Versagen des Tests, eine undichte Stelle zu entdecken, ist die Paste selbst, deren Funktion unter anderem die dauerhafte Verhinderung einer Leckage sein soll. Es wird angenommen, daß die Wirkung hoher Temperaturen durch die Weichmetallteilchen aufgefangen wird, die großen Abmessungen aber beim Fehlen des Schmierstoffs zu leicht einen Leckageweg bereitstellen.

Es ist eine bekannte Eigenschaft von Molybdändisulfid, daß es sich mit einer Stahlfläche verbindet, so daß eine Schicht MbS₂ molekularer Dicke erzeugt werden kann. Molybdändisulfid in einem ölhaltigen Träger ist als Schmiermittel für sich bewegende Teile wohlbekannt und wird dem normalen Schmieröl zugesetzt.

Das wesentliche Merkmal des bevorzugten Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß vor dem Zusammenbau zweier mit Schraubengewinde versehener Stahl(oder Stahllegierungs)- Teile, z. B. von der in Fig. 1 oder in Fig. 2 gezeigten Form, eine Trockenfilmschicht aus z. B. Molybdändisulfid oder einem kolloidalen Element, wie z. B.Graphit oder Polytetrafluoräthylen, vor dem Zusammenbau auf das Innengewinde der zusammenpassenden Schraubengewinde (Gewinde des äußeren Teils der Kupplung) aufgebracht wird. Das Molybdändisulfid oder das andere Trockenfilmschmiermittel wird von einem Träger niedriger Viskosität getragen, wie z. B. Trichloräthylen, Trichloräthan oder einem der Fluorchlorkohlenwasserstoffe, so daß eine dünne Schicht auf dem Innengewinde und insbesondere auf den sonst im Metall-zu-Metall-Kontakt stehenden Teilen der Dichtungszone 40, 76 und auf den Gewindeflanken 18 und 22 (Fig. 1), 55, 57 (Fig. 2) verbleibt. Dabei sind die Fluorchlorkohlenwasserstoffe besonders vorteilhaft, wenn der aktive Bestandteil in Aerosolform aufzubringen ist. Die Schicht, die auf die Gewindespitzen und die Gewinderinnenflächen 30, 36 (Fig. 1), 54, 56, 58, 60 (Fig. 2) aufgebracht ist, ist unwirksam, da die Aufgabe der Schicht auf den Dichtflächen und den Flanken das Verhindern des Festfressens beim Anziehen oder Lockern des Gewindes ist. Der Anteil des Molybdändisulfids in der niedrigviskosen oder leichtflüchtigen Trägersubstanz beträgt normalerweise nicht mehr als 10 Gew.-%, obwohl Anteile im Bereich von 0,5% bis 25% möglich sind. Man läßt das Molybdändisulfid, nachdem es aufgesprüht worden ist, für eine kurze Zeit vor dem Zusammenpassen der Gewinde trocknen. Vorzugsweise wird ein ketonisches Harz verwendet, um ein rasches Binden des Films an die Schraubengewinde zu erzielen.

Obwohl die Verwendung einer Verbindung wie etwa Molybdändisulfid wegen ihrer starken Affinität zu Stahl oder Stahllegierungen bevorzugt wird, können auch kolloidales Graphit oder Substanzen auf der Basis von Polytetrafluoräthylen benutzt werden. Bestimmte dieser Materialien halten Temperaturen bis wenigstens 400°C stand. Das Molybdändisulfid oder ein anderes Trockenfilmschmiermittel stellt ein Schutzmittel gemäß dem Verfahren dar.

Das Molybdändisulfid oder ein anderes Trockenschmiermittel wird vorzugsweise als Mischung des Trockenschmiermittels, eines Harzes und des niedrigviskosen Trägers aufgebracht. Jegliches Harz, das als Trockenfilm an einer Metallfläche haftet, kann verwendet werden, jedoch ist das benutzte Harz vorzugsweise ein ketonisches Harz.

Das Trockenfilmschmiermittel enthält zur Erhöhung seiner Tragfähigkeit vorzugsweise Kupfer oder andere Weichmetall-Schuppen, wie etwa Nickel, Zink oder Aluminium mit einer Dicke im Bereich von 15 bis 150 Mikron und in einer Menge im Bereich von 1 Gew.-% bis 10 Gew.-% des Trockenfilmschmiermittels in seiner Trägersubstanz, wie aufgebracht. Im Gegensatz zu den vorstehend erwähnten Problemen, die bisher mit Weichmetallteilchen enthaltenden wohlbekannten Pasten auftraten, bedingt die Verwendung von Weichmetallschuppen, nachdem sie hohen Temperaturen ausgesetzt wurden, keine Bildung von Leckagewegen, da das Trockenfilmschmiermittel gegenüber hohen Temperaturen widerstandsfähig ist, so daß es eine permanente Matrix bildet, die die Metallteilchen unbeweglich hält. Das Trockenfilmschmiermittel kann, da es bei solchen Temperaturen fest ist, durch hohe Drücke nicht verlagert werden. Die Metallschuppen gewährleisten, daß der auf das Trockenfilmschmiermittel aufgebrachte Druck nicht denjenigen übersteigt, dem der Film widerstehen kann.

Die Verwendung eines Trockenfilmschmiermittels allein, d. h. ohne jegliches Flüssigschmiermittel, hat den Nachteil, daß das angelegte Drehmoment wegen des Fehlens der hydrodynamischen (Druck)schmierung, wie bei herkömmlichen Pasten, steil ansteigt, wenn das auf die Kupplung aufgebrachte Anzugsdrehmoment die Gewinde bis auf einen geringen Winkelabstand von dem Punkt bringt, an dem die Schultern 46, 48 (Fig. 1), 78, 80 (Fig. 2) aneinanderstoßen. Hydrodynamischer Druck baut sich immer da auf, wo Kontakt herrscht. Im allgemeinen ist das für die letzte Drehung erforderliche Drehmoment größer als dasjenige, das für für herkömmliche API (American Petroleum Institute)-Gewinde modifizierte Rohrpaste notwendig ist.

Um das Drehmoment, insbesondere bei Annäherung an seinen Maximalwert, zu reduzieren, wird das Innengewinde (box thread) mit einem fluiden Reduziermittel (flüssigen Drehmoment-Reduziermittel) überzogen, das kein Lösungsmittel für das vorhergehend auf das Innengewinde aufgetragene Trockenfilmschmiermittel ist. Ein geeignetes fluides Reduziermittel ist ein niedrigviskoses Material, wie etwa ein Fluorkohlenwasserstoff, welches einen Korrosions-Verzögerer enthalten kann. Ein wirksamer Fluorkohlenwasserstoff wird durch die Minnesota Mining & Manufacturing Company unter der eingetragenen Handelsbezeichnung FLUORINERT FC-40 vertrieben. Andere geeignete Fluorkohlenwasserstoffe sind andere Sorten als FC-40 des FLUORINERT und von Montedison S.p.A. unter den Handelsbezeichnungen FOMBLIN und GALDEN hergestellte Fluorkohlenwasserstoffe. Diese Materialien sind gemeinsam als Perfluorpolyäther bekannt. Das flüssige Reduzier-Schmiermittel kann als zweites Schutzmittel angesehen werden. Wenn als Alternative das Außengewinde mit dem Trockenfilmschmiermittel überzogen wird, dann kann das "Naß"-Schmiermittel auf das Innengewinde aufgetragen werden. Vorzugsweise ist das flüssige Schmiermittel ein Fluorkohlenwasserstoff und enthält eine Dispersion von feinverteiltem Polytetrafluoräthylen (PTFE). Die Teilchengröße liegt im Bereich von 0,5 bis 50 Mikron. Vorzugsweise sind 6,5 Gew.-% des flüssigen Schmiermittels PTFE und die Größtmenge ist 20 Gew.-%; die graphische Darstellung gemäß Fig. 7 veranschaulicht die durch den Zusatz von PTFE erzielte erhebliche Reduzierung des Drehmoments.

Gemäß einer alternativen, obgleich nicht bevorzugten typischen Formel enthält das Naßschmiermittel 50% Wasser, 47,9% Methanol, 2% eines Korrosions-Verzögerers (z. B. "CRODIN"-eingetragene Handelsbezeichnung) und 0,1% eines Reibungs-Reduziermittels (z. B. FC 760), das auch eine Herabsetzung der Oberflächenspannung bewirkt und so die Benetzbarkeit verbessert. Ganz allgemein ausgedrückt, das Naßschmiermittel in dieser Alternative ist wasserhaltig und enthält sowohl ein Benetzungsmittel/oberflächenaktives Mittel als auch einen Korrosions-Verzögerer.

Als weitere Alternative zu dem "Naß"-Flüssigschmiermittel auf Wasserbasis können Silikone einschließlich fluorierter Silikone verwendet werden. Ein verallgemeinertes Erfordernis für das "Naß"schmiermittel besteht darin, daß es gute Benetzbarkeit, niedrige Viskosität aufweisen sollte, und daß es diese Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen, z. B. bis -40°C, beibehält. Es sollte auch chemisch nichtreaktiv und nichtflüchtig sein.

Unter bestimmten Umständen, insbesondere dann, wenn die Schraubengewinde nach dem Beschichten mit dem Trockenfilmschmiermittel nicht sofort zusammengepaßt werden, ist es erwünscht, daß ein Korrosions-Verzögerer entweder im Trockenfilm- oder Flüssigschmiermittel enthalten ist oder auf das eine oder das andere oder auf beide Gewinde aufgebracht wird.

Um sicherzustellen, daß der Schraubengewinde-Schutz auf der Gesamtheit jeglichen gegebenen Gewindes wirkt, ist es wünschenswert, das Gewinde zuerst gründlich zu reinigen. Eine Methode, dies durchzuführen, besteht in der Aufbringung eines auf das betreffende Gewinde aufgesprühten Aerosols aus Luft und einem Lösungsmittel für Schmierfett. Unmittelbar danach wird auf das Innengewinde das Trockenschmiermittel aufgesprüht, welches man dann völlig trocknen läßt, bevor das "Naß"schmiermittel auf das Außengewinde aufgebracht wird. Die Verdunstung des Lösungsmittels für Schmierfett kann durch einen Luftstrom unterstützt werden.

Üblicherweise können die Drehmomente zum Lockern der Gewinde in der Größenordnung von 40% größer als die Anzugsdrehmomente sein. Dies wird durch die in den erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Schutzmittel nicht wesentlich beeinflußt, unabhängig davon, ob das Trocken-Schutzmittel beim Lockern vorhanden ist, oder ob beide Schutzmittel vorhanden sind. Dieses höhere Lockerungs- oder Lösedrehmoment ist vorteilhaft, da andernfalls einige Gefahr besteht, daß die Kupplung sich unbeabsichtigt lockert.

Nachstehend sind Versuchsergebnisse dargestellt, die verschiedene Parameter der erfindungsgemäßen Schutzmittel und einer herkömmlichen API-modifizierten Paste vergleichen.

Die vorstehend im Vergleich zum Drehmoment und zum Reduziermittel genannten Zahlen beziehen sich auf das End-Anzugsdrehmoment.

Obwohl vorzugsweise das Trockenfilmschmiermittel auf das Innengewinde gesprüht und anschließend das flüssige Schmiermittel oder flüssige Drehmoment-Reduziermittel nach dem Trocknen des festen Schmiermittels auf das gleiche Gewinde aufgebracht wird, ist es, wenn die Metallschuppen im Trockenfilmschmiermittel enthalten sind, möglich, beide Schmiermittel auf das Außengewinde aufzutragen. Das Trockenfilmschmiermittel mit Metallschuppen kann auch auf das Innengewinde und das Flüssigschmiermittel auf das Außengewinde aufgetragen werden. Schließlich ist auch die umgekehrte Aufbringung des Trockenfilms mit Metallschuppen auf das Außengewinde und des Flüssigschmiermittels auf das Innengewinde möglich.

Das vorstehend beschriebene Verfahren gewährleistet, daß jegliche vor der Installation durchgeführte Prüfung von Rohrleitungssträngen zur Ermittlung undichter Stellen nach der Installation nicht als fehlerhaft als Ergebnis der Verringerung der Viskosität des Kohlenwasserstoff-Schmiermittels herkömmlicher Dichtungspasten für Kupplungen nachgewiesen wird. Der von dem Trockenfilm-Gewindeschutzmittel erzeugte dünne Film verschlechtert nicht die Dichtungswirkung der Gewindeflanken oder der speziellen Dichtungszonen an den Enden der Schraubengewinde. Jegliche Leckage an den speziellen Dichtflächen 42, 44, 76 der dargestellten Schraubengewinde wird nicht verdeckt, da der schraubenförmige Weg zwischen den schraubenförmigen Flächen nur durch das niedrigviskose wasserhaltige Material oder das andere Naßschmiermittel gesperrt ist und jegliche Leckageströmung entlang dem schraubenförmigen Weg lediglich einen Durchgang durch das Material bildet. Die Mittel dienen dazu, das Fressen der Gewinde zu verhindern (oder wenigstens die Gefahr des Fressens zu reduzieren) und auf diese Weise das Lösen und das erneute Zusammenfügen der Kupplung zu ermöglichen. Die sehr geringe Teilchengröße - in der Größenordnung von 1 Mikron - beseitigt die Gefahr der Bildung von Leckagewegen in den Dichtungszonen.

Der Zusatz eines flüssigen Reduzier-Schutzmittels bei Verwendung mit dem Trockenfilmschmiermittel dient dazu, die Anzugs- und Löse(make-up and break-out)eigenschaften (Drehmomente) gegenwärtig verwendeter herkömmlicher Schmiermittel/Dichtmittel (Pasten) zu wiederholen.

Die Fig. 4 bis 10 zeigen weiterhin die Vorteile der verschiedenen Verfahren und Materialien gemäß der Erfindung im Vergleich zu API- und API-modifizierten Pasten.

Eine ringförmige Kontaktreibungs-Versuchsvorrichtung wurde konstruiert, um die Reibungskoeffizienten des Verfahrens und Materials gemäß der Erfindung und der API-Pasten unter Schulterkontakt nachahmenden und Schraubengewinde- und Dichtwirkungen vermeidenden Bedingungen zu vergleichen. Die Versuchskörper waren zylindrische Abschnitte aus N-80 Stahl, wie in Fig. 6 gezeigt. Während des Versuchs wurden die Versuchskörper unter Verwendung eines hydraulischen Stempels und eines Längslagers zusammengeklemmt. Ein Drehmomentarm wurde an das rotierende Teil angebracht. Dehnungsmesser am Drehmomentarm und ein Umdrehungswandler wurden an einen XY-Plotter angeschlossen. Der Drehmomentarm, 15 Fuß (4,57 m) lang, wurde manuell betätigt und konnte den Versuchskörper um 1/4 einer Umdrehung drehen. Die Schleifgeschwindigkeit während des Versuches betrug ungefähr 4 U/min. Die Versuche wurden bei Berührungsdrücken zwischen 1000 und 58 000 psi (690 und 40 000 N/cm²) mit API modifiziert, mit einem erfindungsgemäßen flüssigen Drehmoment-Reduziermittel ohne PTFE und mit einem erfindungsgemäßen flüssigen Drehmoment-Reduziermittel mit PTFE durchgeführt. Das tatsächliche flüssige Drehmoment-Reduziermittel für alle Versuche war der vorstehend erwähnte Fluorkohlenwasserstoff FLUORINERT FC-40.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Rohraufbau-Daten. Für die Versuche werden Dehnungsmesser verwendet, die innerhalb der Innengewinde (boxes) angrenzend an die Schulter (siehe Fig. 1 und 2) angeordnet sind. Das Ziel dieser Versuche bestand darin, zu zeigen, daß der tatsächliche Drehmoment-Korrekturfaktor auf der Basis der in einer Rohrverbindung bei empfohlenen Drehmomenten erzeugten prozentualen Verformung für Fluorkohlenwasserstoffe, wie etwa FLUORINERT FC-40, nahe eins ist.

In Fig. 5 ist die "Vallourec-Norm" erwähnt. Vallourec ist ein Herausgeber von Daten über Pasten-Prüfungen; jedoch deuten die Feststellungen des Anmelders darauf hin, daß Vallourec einen Drehmoment-Korrekturfaktor unter Verwendung des Verhältnisses von Drehmomenten 3 und 1 extrapoliert, wie dies in Fig. 5 dargestellt und nun als unbegründet erwiesen ist.

Die Versuche gemäß den Fig. 7 bis 10 zielen grundsätzlich darauf ab, die Bedingungen zu simulieren, die bei Berührung des Bolzenendes mit der Schulter (Fig. 1 und 2) auftreten, und gleichzeitig Gewinde- und Dichtwirkungen aufzuheben. Die Versuche zeigten, daß da, wo Flüssigbestandteile einer herkömmlichen Paste von einer belasteten Fläche weggedrückt oder anderweitig entfernt werden, mit den erfindungsgemäßen Verfahren ein erheblich niedrigerer Reibungskoeffizient als mit API-modifizierten Pasten erzielt wird.

Die Fig. 7a-d zeigen die Formen der aufgezeichneten Drehmoment-Umdrehungs-Kurven. Aus Fig. 7a ergibt sich, daß mit API-modifizierter Paste das Drehmoment einen gewissen Wert erreichen muß, bevor eine Bewegung beginnt. Es folgt ein steiler Abfall des Drehmomentes bis auf typischerweise 2/3 des Ausgangswertes. Sodann zeigt sich mit fortgesetzter Bewegung ein Anstieg des Drehmomentes während des ersten Achtels einer Umdrehung. Anschließend flacht die Drehmomentkurve ab.

Fig. 7b zeigt für ein flüssiges Drehmoment-Reduziermittel gemäß der Erfindung, jedoch ohne PTFE, ein ähnliches Verhalten wie für API-Paste, jedoch ohne Abflachung der Kurve. Ein flüssiges Drehmoment-Reduziermittel gemäß der Erfindung mit PTFE (Fig. 7c, 7d) erzeugt ein sich verringerndes Drehmoment bei niedrigen Kontaktdrücken und ein leicht ansteigendes Drehmoment bei höheren Kontaktdrücken.

Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Versuchsergebnisse in Form der Darstellung des Reibungskoeffizienten über dem Kontaktdruck. In jeder graphischen Darstellung sind zwei Kurven gezeigt, die mit "Beginn" und "Fortgang" bezeichnet sind. "Beginn" ist vom Drehmoment-Schwellenwert abgeleitet, der erforderlich ist, bevor die Drehung beginnt. "Fortgang" ist aus dem Drehmoment nach 1/4 Umdrehung errechnet.

Zwei gemeinsame Merkmale ergeben sich aus diesen graphischen Darstellungen. Erstens, der Reibungskoeffizient ist bei niedrigen Kontaktdrücken höher. Zweitens, die Reibung während der Bewegung ist höher als die Ausgangsreibung, außer bei niedrigen Belastungen flüssiger Drehmoment-Reduziermittel gemäß der Erfindung und mit PTFE. Am wichtigsten ist es, daß unter diesen Versuchsbedingungen, bei denen flüssige Bestandteile von der Kontaktfläche wegströmen können, der Reibungskoeffizient von API-modifizierter Paste wenigstens 2× größer als der von flüssigen Drehmoment-Reduziermitteln gemäß der Erfindung und mit PTFE ist.

Untersuchungen der Versuchskörper nach jedem Durchgang zeigten, daß die API-modifizierte Paste einen trockenen, ölfreien Kontaktkreis aus verdichtetem Feststoff zurückließ. Bei höheren Kontaktdrücken war dieses Material schwer zu entfernen, sogar bei Benutzung eines flachen Schabeisens. Die Versuchskörper mit flüssigem Drehmoment-Reduziermittel gemäß der Erfindung erzeugten einen glänzenden Kontaktkreis, der mit flüssigem Drehmoment-Reduziermittel sichtbar feucht war.

Als diese Feuchtigkeit zuerst beobachtet wurde, nahm man an, daß sie durch überschüssiges flüssiges Drehmoment-Reduziermittel hervorgerufen wurde, das beim Trennen der Versuchskörper zurückfloß. Für nachfolgende Versuche wurde der Überschuß vor der Aufhebung des Klemmdruckes abgewischt. Sodann wurde beim Trennen der Versuchskörper der nasse Film des flüssigen Drehmoment-Reduziermittels immer wieder wahrgenommen. Eine mögliche Erklärung besteht darin, daß das flüssige Drehmoment-Reduziermittel durch den Druck in die poröse Matrix des erfindungsgemäßen Trockenschmiermittels hineingepreßt wird. Der Druck kann dann bewirken, daß die Poren geschlossen werden, so daß das flüssige Drehmoment-Reduziermittel am seitlichen Entweichen gehindert wird. Beim Entfernen der Klemmbelastung kann unter Druck gesetzte Luft in den Poren das flüssige Drehmoment-Reduziermittel zurück zur Oberfläche treiben, wo es sichtbar wird.

Insgesamt ist festzustellen, daß die Überlegenheit der erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren ohne weiteres erkennbar ist.

Claims (15)

1. Verfahren zum Schützen zusammenpassender Außen- und Innenschraubengewinde und zugeordneter Dichtflächen zumindest unter Anzugsdrehmomenten, gekennzeichnet durch die Schritte des Aufbringens eines Trockenfilmschmiermittels in einem Lösungsmittel auf das Innenschraubengewinde (12), des Aufbringens eines Flüssigschmiermittels auf das Trockenfilmschmiermittel auf dem Innenschraubengewinde (12), nachdem das Lösungsmittel des Trockenfilmschmiermittels zumindest beträchtlich verdunstet ist, des Zusammenpassens der Schraubengewinde (10, 12) und des Anziehens bis zum erforderlichen Drehmomentwert, um die Dichtflächen (42, 44, 76) zum Dichteingriff zu bringen, wobei das Flüssigschmiermittel im wesentlichen keine lösende Wirkung auf das Trockenfilmschmiermittel ausübt, gute Benetzbarkeit und niedrige Viskosität aufweist sowie nichtflüchtig und chemisch nichtreaktiv ist und das Verfahren dazu dient, sowohl die zusammenpassenden Gewinde (10, 12) zu schützen als auch jegliches nachfolgende Verdecken jedweden Leckageweges zwischen den Schraubengewinden (10, 12) zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenfilmschmiermittel Kupfer- oder andere Weichmetallschuppen enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Weichmetallschuppen im Trockenfilmschmiermittel, wie es auf das Innenschraubengewinde (12) aufgebracht ist, mit einem Anteil im Bereich von 1 bis 10 Gew.-% der Gesamtmischung vorhanden sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigschmiermittel Perfluorpolyäther oder ein anderer Fluorkohlenwasserstoff ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß feinverteiltes Polytetrafluoräthylen im Flüssigschmiermittel mit einem Anteil im Bereich bis zu 20 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 6,5 Gew.-%, enthalten ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des PTFE im Bereich von 0,5 bis 50 Mikron liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des Flüssigschmiermittels ein Korrosions-Verzögerer auf das Trockenfilmschmiermittel aufgebracht wird, oder daß das Trockenfilmschmiermittel einen Korrosions-Verzögerer enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigschmiermittel einen Korrosions-Verzögerer enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenfilmschmiermittel Molybdändisulfid enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenfilmschmiermittel kolloidales Graphit ist oder aus einem der Polytetrafluoräthylene ausgewählt ist.

11. Verfahren zum Schützen von Schraubengewinden und zugeordneten Dichtflächen zusammenpassender Teile mit Schraubengewinde zumindest unter Anzugsdrehmomenten, gekennzeichnet durch die Schritte des Aufsprühens eines Weichmetallschuppen mit einer Dicke im Bereich von 15 bis 150 Mikron enthaltenden Trockenfilmschmiermittels in einem flüchtigen Träger auf ein erstes der Schraubengewinde (10, 12), des Verdunstenlassens des Trägers und des Erhärtenlassens des Trockenfilms, des anschließenden Aufbringens eines Flüssigschmiermittels auf das zweite der Schraubengewinde (10, 12), des Zusammenpassens der Schraubengewinde (10, 12) und des Anziehens bis zum erforderlichen Drehmomentwert zur Sicherstellung des vollen Dichtkontakts zwischen den Dichtflächen (42, 44, 76), wobei das Flüssigschmiermittel gute Benetzbarkeit und niedrige Viskosität aufweist sowie nichtflüchtig und chemisch nichtreaktiv ist und das Verfahren dazu dient, die Schraubengewinde (10, 12) und die Dichtflächen (42, 44, 76) vor gegenseitige Beschädigung zu schützen und das Verdecken jeglichen Leckageweges unter Prüfbedingungen zu verhindern.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenfilmschmiermittel Molybdändisulfid enthält oder kolloidales Graphit ist oder aus einem der Polytetrafluoräthylene ausgewählt ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Trockenfilmschmiermittel, wie auf ein Schraubengewinde aufgebracht, in einem niedrigviskosen Träger, wie etwa Trichloräthylen, Trichloräthan oder einem Fluorchlorkohlenwasserstoff, enthalten ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Trockenfilmschmiermittels im Träger 0,5 bis 25% beträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigschmiermittel wasserhaltig ist.