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Die vorliegende Erfindung betrifft rohrförmige Verbindungen und
insbesondere hochwertige Verbindungen, die als Premium-
Verbindungen bekannt sind, die unabhängig von der
Materialstreckgrenze der Verbindungselemente auswechselbar sind,
deren Dichtungsbreite sich jedoch abhängig von der Streckgrenze
verändert.
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Rohrförmige Erzeugnisse, wie etwa Rohrleitungen und
Ummantelungen, die aus hochwertigen Werkstoffen hergestellt und
unter Hochdruckbedingungen betrieben werden, wie sie etwa bei
Tieflochanwendungen existieren, sind an beiden Elementen ihrer
Verbindungen hohen Auflagerspannungen ausgesetzt, sowie
entsprechend hohen Kompressionsumfangsspannungen an den
Stiftelementen ihrer Verbindungen. Jede Verbindung umfaßt
mindestens eine konische Metall-auf-Metall-Dichtungsoberfläche
zwischen ihrem Kastenelement und ihrem Stiftelement, die sich
normalerweise an dem vorderen Ende des Stiftelements kurz vor der
Gewindeanordnung bzw. der vordersten Gewindeanordnung befindet,
wenn die Verbindung zwei oder mehrere Gewindeanordnungen mit
unterschiedlichen Durchmessern umfaßt.
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In WO-A-8402948 ist eine rohrförmige Kopplung mit verbesserter
Metall-auf-Metall-Abdichtung offenbart, mit einer gleichmäßigen
Lastverteilung über der Dichtung, wobei eine Tendenz zur
Vermeidung eines Abriebs vorhanden ist. Die Kopplung sieht eine
Abdichtung an dem Ende des Stifts vor. An dem Kastenelement ist
eine entsprechende Dichtung mit einer Oberfläche vorgesehen, die
einen größeren Winkel als den Winkel der Oberfläche der Dichtung
an dem Stiftelement aufweist.
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Die Oberflächen, an denen die Abdichtung auftritt, müssen im
allgemeinen glatt sein, d.h. normalerweise weniger als 63 Ra
(wenn sie von Montagebeanspruchungen glattgewalzt sind) in
kreisförmiger Struktur bzw. Oberflächenbeschaffenheit, da eine
grobere Struktur als diese dazu neigt, unter bestehenden, sehr
hohen Druckzuständen, Gase durchzulassen.
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Bei Hochdruckverbindungen sind sowohl das Kastenelement als auch
das Stiftelement radialen bzw. Auflagerspannungen ausgesetzt. Es
ist natürlich möglich Verbindungen mit hochwertigeren Werkstoffen
(d.h. einer höheren Streckgrenze) größeren Beanspruchungen
auszusetzen als Verbindungen mit niederwertigeren Werkstoffen, so
daß gewährleistet werden kann, daß die Dichtung den
Druckbedingungen während dem Betrieb widerstehen kann, denen die
Verbindung ausgesetzt wird. Gemäß dem Stand der Technik werden
das Kastenelement und das Stiftelement nach Kundenwünschen
angepaßt, um den erwarteten Bedingungen präzise gerecht zu
werden. Zu der kundengerechten Anpassung der Verbindung gehört
die Länge der Dichtungsfläche sowie die genaue Positionierung
dieser relativ zu dem distalen Ende des Stiftelements.
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Gemäß dem Stand der Technik war es nach der Berechnung bzw.
anderweitigen Bestimmung der Auflagerspannungen und
Druckbeanspruchungen möglich, die Güte des Werkstoffes für die
Verbindungselemente, die Dichtungsflächenposition und die Länge
der Dichtungsfläche auszuwählen, um die Kräfte der Dichtung zu
maximieren, wobei die Elemente nicht überbeansprucht werden. Die
Betriebsbedingungen variieren stark, obwohl sie bestimmt
zufriedenstellend sind. Das heißt, das die hochwertigsten
Werkstoffe und die höchste Druckdichtung nicht für jede Anwendung
erforderlich sind. Folglich ist es im allgemeinen üblich,
röhrförmige Produkte mit unterschiedlicher Güte für die
jeweiligen Anforderungen zur Auswahl zur Verfügung zu haben.
Ferner haben viele rohrförmige Stränge, die in Öl- und Gasquellen
installiert werden, eine Vielzahl von Werkstoffgüteklassen in
ihren Strängen und somit sind die Überkreuzungsverbindungen von
Güteklasse zu Güteklasse von Bedeutung. Jedoch unterscheidet sich
die Dichtungsflächenlänge und Position für eine Verbindung mit
einer bestimmten Werkstoffqualität im Idealfall von der einer
Verbindung mit einer anderen Werkstoffqualität. Zur Optimierung
der Auflagerkontaktbeanspruchungen an der Metall-auf-Metall-
Dichtung während nicht alle Membranabschnitte der Verbindung den
nachgiebigen Bedingungen ausgesetzt werden, ist somit bei einer
Verbindung mit verschiedenen Werkstoffqualitäten für jeden
Werkstoff mit einer bestimmten Qualität eine spezifische
Dichtungsflächenlänge und eine radiale Interferenz erforderlich,
um ein Nachgeben der schwächsten Verbindung zu vermeiden. Der
Versuch der Positionierung aller Verbindungen mit der gleichen
Geometrie und den gleichen physikalischen Dimensionen in einem
gemeinsamen Zusammenbau unter maximaler Belastung, kann zu einer
Beschädigung der schwächsten Verbindung (d.h. der Verbindung mit
dem niederwertigsten Werkstoff) führen. Wenn es ferner erwünscht
ist, durch einen Übergang von Rohrqualitäten zu schreiten, von
niedrigeren bis größeren umweltbedingten Druckzuständen, so muß
eine falsche Anpassung berücksichtigt und auf bestimmt Weise
ausgeglichen werden, wie etwa durch eine Überkreuzungsverbindung
bzw. eine Kopplung. Diese Übergangsverbindung kann auch
auftreten, wenn Rohrabschnitte mit leichteren Werkstoffklassen
verwendet worden sind und alternativ nur noch ein Wechsel zu
einem Rohr aus einem hochwertigeren Werkstoff übergegangen werden
kann.
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Demgemäß ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, ein
verbessertes Verfahren zur Gewährleistung wirksamer rohrförmiger
Verbindungen vorzusehen, welche die Dichtungskräfte maximieren,
ohne dabei die Verbindungselemente überzubeanspruchen.
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Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte universelle Verbindung für verschiedene Güteklassen
der rohrförmigen Produkte vorzusehen, wobei dafür gesorgt wird,
daß die Größen der Dichtungsflächen der Produkte für jede
Güteklasse bzw. jeden Güteklassenbereich des Werkstoffes
maximiert und optimal angeordnet werden.
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Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Verbindung vorzusehen, bei der verschiedene
Güteklassen (d.h. Materialstreckgrenzen) von Verbindungen die
gleiche dimensionale radiale Interferenz aufweisen (gemessen
durch das mit dem Begriff Meßziehen bezeichnete Merkmal), und
wobei die Verbindungsbeanspruchungen durch die Dichtungslänge an
den Metall-auf-Metall-Dichtungen geregelt werden.
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Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung somit ein
Verfahren zur Erzeugung von Metall-auf-Metall-Dichtungsflächen
zum Abdichten von Rohrelementen in
Universalverbindungsaufmachung, und zwar ungeachtet der
Materialstreckgrenze der Rohrelemente, gekennzeichnet durch die
Schritte der Vorbereitung aller Verbindungskastenelemente,
ungeachtet der Materialstreckgrenze, mit einer Dichtungsfläche
mit einem universellen konischen Neigungswinkel und den Schritt
der Vorbereitung entsprechender Stiftelemente mit einer
anfänglichen konischen Kontaktfläche mit einem Neigungswinkel,
der in etwa dem konischen Neigungswinel der Dichtungsfläche der
Kastenelemente entspricht und mit einer abschließenden konischen
Dichtungsfläche mit einem Winkel, der kleiner ist als der Winkel
der Kontaktfläche, wobei sich die Kontaktfläche von der
Dichtungsfläche in Richtung des fernen Endes der entsprechenden
Stiftelemente befindet, wobei die Longitudinallängen der
Dichtungsfläche und der Kontaktfläche bei Stiftelementen mit
mittlerer Materialstreckgrenze von etwa 5625 kg/cm² (80.000 PSI)
ungefähr gleich sind, wobei die Longitudinallänge der
Dichtungsfläche bei Stiftelementen mit höherer
Materialstreckgrenze von etwa 10,546 kg/cm² (150.000 PSI) größer
ist als die Longitudinallänge der Kontaktfläche, und wobei die
Longitudinallänge der Dichtungsfläche bei Stiftelementen mit
niedrigerer Materialstreckgrenze von etwa 3867 kg/cm² (55.000
PSI) kleiner ist als die Longitudinallänge der Kontaktfläche,
wobei der Druck an beiden Elementen und die
Kompressionsumfangsspannungen der Stiftelemente einer Verbindung
bei den Stiftelementen mit der höchsten Materialstreckgrenze am
größten sind, während sie bei den Stiftelementen mit der
niedrigsten Materialstreckgrenze am niedrigsten und am weitesten
von dem fernen Ende entfernt sind.
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Hiermit wird festgestellt, daß 1 kg/cm² 0,98¹ x 10&sup5; Pa entspricht.
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Wie dies nachstehend in Verbindung mit den bevorzugten
Ausführungsbeispielen der Erfindung beschrieben ist, sind die
Stiftelemente, die aus einem Werkstoff in der Mitte des Bereichs
der in Frage kommenden Verbindungswerkstoffe für die rohrförmigen
Elemente hergestellt sind, so gestaltet, daß sie einen konisch
abgeschrägten Dichtungflächenbereich mit einem geringen
Längswinkel aufweisen sowie einen konisch abgeschrägten
Kontaktflächenbereich vor dem Dichtungsbereich an dem vorderen
Ende des Stiftelements. Der Dichtungsbereich weist eine
Longitudinallänge auf, die es ermöglicht, daß die
Auflagerspannungen in beiden Elementen sowie die
Kompressionsumfangsspannungen in dem Stiftelement geringer sind
als die Streckgrenze für die Elemente und dabei jedoch groß genug
sind, um die Abdichtung der Verbindung relativ zu den erwartenden
Druckzuständen beizubehalten. Die Longitudinallänge der
Kontaktfläche für die aus einem mittelwertigen Werkstoff
gestalteten Stiftelemente entspricht ungefähr der des
Dichtungsbereichs.
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Der Dichtungsbereich aller Kastenelemente weist vorzugsweise den
gleichen Winkel auf und der Dichtungsbereich ist so angeordnet,
daß er zuerst die Kontaktfläche des Dichtungsbereichs des gerade
beschriebenen Kastenelements berührt. Nach der Herstellung der
Verbindung paßt sich der Bereich im Winkel an und drückt
gleichmäßig im 90 Grad Winkel gegen den Dichtungsbereich des
Stiftelements. Damit dieses gewünschte Ergebnis erreicht werden
kann, tritt eine gewisse Expansion des Kastenelements sowie eine
gewisse Kompression des Stiftelements auf. Alle Kastenelemente
sind ungeachtet der Materialstreckgrenze vorzugsweise mit
Dichtungsflächenbereichen mit dem gleichen Winkel und der
gleichen Dichtungslänge versehen, um die obigen Ergebnisse zu
erzielen, wohingegen die Dichtungslänge der Stifte in einem
Verhältnis veränderlich ist, so daß die niederwertigen Werkstoffe
kürzere Dichtungslängen aufweisen, die sich von dem Ende des
Stiftes entfernt befinden, wohingegen die höherwertigen
Werkstoffe längere Dichtungslängen aufweisen, die sich näher an
dem Ende des Stifts befinden.
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Die Stiftelemente einer Materialqualität am oberen Ende des
Qualitätsbereichs in Frage kommender Verbindungswerkstoffe sind
vorzugsweise so gestaltet, daß sie einen Dichtungsflächenbereich
aufweisen, der sich ungefähr an der gleichen Position befindet
wie der Dichtungsflächenbereich für das Stiftelement aus einem
mittelwertigen Werkstoff, mit der Ausnahme, daß es sich um einen
größeren Bereich handelt, bei dem sich die Länge im Vergleich zu
einem Stiftelement eines mittelwertigen Werkstoffs nach vorne
erstreckt. In bezug auf die Gesamtlängendimension der
Dichtungsflächen- und der Kontaktflächenbereiche, beträgt die
Länge des Dichtungsflächenbereichs vorzugsweise ungefähr 75% der
Gesamtlänge des Dichtungsbereichs plus dem Kontaktbereich. Somit
ist ein größerer Bereich zum Tragen der Auflager- und
Kompressionsumfangsspannungen vorgesehen, und die effektiven
Mitten der Spannungen werden relativ zu den Kräften des
mittelwertigen Stiftelements zu dem distalen Ende des
Stiftelements bewegt.
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In ähnlicher Weise sind die aus einer Materialqualität an dem
unteren Ende des Qualitätsbereichs der in Frage kommenden
Verbindungswerkstoffe gestalteten Stiftelemente so gestaltet, daß
sie einen Dichtungsflächenbereich aufweisen, der sich ungefähr an
der gleichen Position wie der Dichtungsflächenbereich der
mittelwertigen Stiftelemente befindet, mit der Ausnahme, daß er
im Verhältnis zu diesem verkürzt bzw. verringert ist, wodurch
eine Verringerung der Größe des Kontaktflächenbereichs bewirkt
wird. Bezüglich der Gesamtlängendimension der
Dichtungsflächen- und der Kontaktflächenbereiche, beträgt die Länge des
Dichtungsflächenbereichs vorzugsweise ungefähr 25% der
Gesamtlänge. Dadurch wird ein geringerer Bereich zum Tragen der
Auflager- und Kompressionsumfangsbeanspruchungen vorgesehen (da
die aus einem niederwertigeren Werkstoff hergestellten Elemente
weniger Belastungen tragen können), und wobei die effektive Mitte
der Beanspruchungen von dem distalen Ende des Stiftelements weg
bewegt wird, wodurch die Steifheit des Stiftelements gemäß der
nachstehenden Beschreibung in wünschenswerter Weise wirksam
erhöht wird.
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Durch diesen Vorgang passen Kastenelemente und Stiftelemente
beliebiger Materialqualitäten zusammen, und der Dichtungsbereich
und die radialen Beanspruchungen werden gemäß den Parametern der
Materialqualität des Stiftelements optimiert, um ein Nachgeben
der dünnen Stiftendstücke zu vermeiden. Diese Verhältnisse sind
möglich, da die Kontaktauflagerspannungen an den Metall-auf-
Metall-Dichtungen notwendigerweise wesentlich höher sind als die
abzudichtenden Fluid- bzw. Gasdruckzustände. Die
Dichtungsauflagerspannungen können auf sichere Weise in einen
Bereich verlegt werden, der für Dichtungszwecke und die
zulässigen Materialkompressionsspannungen geeignet ist, wobei der
Bereich auch dazu geeignet ist, einen Abrieb bzw. Verschleiß der
Dichtungsflächen zu vermeiden, ohne daß dabei eine Nachgiebigkeit
der dünnen Stiftabschnitte der Dichtung verursacht wird.
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In den bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Kontaktfläche
entweder an die Dichtungsfläche angrenzen, jedoch mit einem
geringfügig größeren bzw. steileren Winkel, oder sie kann eine
Stufe zu einem Teil mit geringerem Durchmesser mit der in etwa
gleichen bzw. geringfügig steileren Konizität als der des
Dichtungsflächenbereichs aufweisen.
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Durch diesen Vorgang können die Dichtungskontaktspannungen für
eine verbesserte Dichtungsintegrität verbessert werden, ohne daß
dabei die auf Lager gehaltenen Einheiten erhöht werden, so daß
alle Werkstoffklassen für die erforderliche Anwendung in Öl- und
Gasquellen durch den Endanwender sicher vermischt werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der
Erfindung in Verbindung mit den anhängigen Zeichnungen deutlich.
Es zeigen:
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Figur 1 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und des
benachbarten Kontaktflächenbereichs einer mittelwertigen
rohrförmigen Verbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei das Kastenelement und das
Stiftelement während dem Zusammensetzen Aufmachung in ersten
Kontakt gebracht werden;
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Figur 2 ein Längsprofil der rohrförmigen Verbindung aus Figur 1
nachdem die Verbindung vollständig hergestellt und der Stift in
das Kastenelement gedrückt worden ist;
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Figur 3 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und des
benachbarten Kontaktflächenbereichs einer niederwertigeren
rohrförmigen Verbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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Figur 4 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und
eines benachbarten Kontaktflächenbereichs einer höherwertigen
rohrförmigen Verbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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Figur 5 ein Diagramm der relativen Winkelbeziehungen der
Dichtungs- und Kontaktflächen der in den Figuren 1-4
dargestellten Ausführungsbeispiele;
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Figur 6 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und des
benachbarten Kontaktflächenbereichs einer mittelwertigen
rohrförmigen Verbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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Figur 7 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und des
benachbarten Kontaktflächenbereichs einer niederwertigen
rohrförmigen Verbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; und
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Figur 8 ein Längsprofil eines konischen Dichtungsbereichs und des
benachbarten Kontaktflächenbereichs einer höherwertigen
rohrförmigen Verbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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In bezug auf die Zeichnungen und zuerst auf Figur 1, ist ein
Profil eines Metall-auf-Metall-Dichtungsendes des Stiftelements
10 und der zusammenpassenden Oberfläche eines verwandten
Kastenelements 12 für eine kennzeichnende rohrförmige Verbindung
dargestellt, die bei Öl- und Gas-Tieflochanwendungen verwendet
wird. Das Profil ist schematisch dargestellt und zeigt nicht alle
Kompliziertheiten der Elemente einer tatsächlichen Verbindung,
wie etwa die abgerundeten oder schrägen Kanten an dem distalen
Ende des Stiftelements. Das Profil offenbart jedoch einen konisch
zulaufenden Kontaktbereich 14 nahe bzw. in Nachbarschaft zu dem
distalen Ende 15 des Stiftelements. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel des Obeflächenbereichs 14
relativ zu der Längsachse der Verbindung ungefähr 5º.
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Neben dem Kontaktbereich 14 und von dem distalen Ende 15
entfernt, befindet sich der Dichtungsflächenbereich 16, der
ebenfalls eine konisch zulauf ende Oberfläche darstellt, die
jedoch einen geringeren Längswinkel aufweist. Der dargestellte
Winkel beträgt ungefähr 3º, wobei dieser Winkel bis zu 15º groß
sein kann. Die in bezug auf die Figur 5 genauer ausgeführten
Anforderungen, setzen normalerweise voraus, daß die Kontaktfläche
einen Längswinkel aufweist, der etwa halb so groß bis fünf Grad
größer ist als die Dichtungsfläche. Aus praktischen Gründen ist
die Longitudinallänge des Dichtungsflächenbereichs 16 mit "Y"
bezeichnet, während die Longitudinallänge des
Kontaktflächenbereichs 14 mit "Z" bezeichnet ist.
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Das Kastenelement weist einen entsprechenden, konisch geneigten
Oberflächenbereich 18 auf, der bei vollständiger Verbindung den
gleichen Winkel wie die Dichtungsfläche 16 des Stiftelements
aufweist. Die Dichtungsfläche des Stiftelements und das Teilstück
des Oberflächenbereichs 18 des Kastenelements, das mit diesem in
Kontakt steht, bilden die Dichtungsflächenbereiche, die den
Metall-auf-Metall-Kontakt gemäß den im Fach allgemein bekannten
Grundsätzen bilden.
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Bei der physikalischen Zusammensetzung passiert kurz
zusammengefaßt folgendes: wenn das Stiftelement 10 und das
Kastenelement 12 das erste mal zusammenkommen, gelangt der
Stiftelementoberflächenbereich 14 in Kontakt mit dem
Kastenelementoberflächenbereich 18, wobei eine geringfügige
Kompression des Stiftelements sowie eine geringfügige Ausdehnung
des Kastenelements verursacht werden. Wenn die Verbindung
progressiv durch Drehen und Gleiten fester wird, so belastet ein
Oberflächenbereich des Bereichs 18, der an dem gesamten
Oberflächenbereich 16 anliegt, den Bereich 16. Nach vollständiger
Zusammensetzung weisen die Verbindungsoberflächen das in der
Figur 2 dargestellte Erscheinungsbild auf. Die gestrichelten
Linien stellen die Zustände dar, die gemäß der Darstellung aus
Figur 1 vor der Zusammensetzung existierten. Die durchgezogenen
Linien zeigen eine übertriebene Darstellung der Zustände der
Elemente bei vollständiger Zusammensetzung. Daraus wird deutlich,
daß das Stiftelement mehr zusammengedrückt wird als wie sich das
Kastenelement ausdehnt. Die Belastung des Stiftelements ist eine
Funktion der auf dieses Element ausgeübten absoluten
Einwärtskraft sowie des Bereichs, auf den die Kraft ausgeübt
wird. In Figur 2 handelt es sich bei dem in der Berechnung
enthaltenen Bereich um den Dichtungsbereich 16. Ferner wird
deutlich, daß dieser Dichtungsbereich 16 eine Longitudinallänge Y
aufweist, die ungefähr der Longitudinallänge des Kontaktbereichs
Z entspricht. Ferner wird hiermit festgestellt, daß der Bereich
14 zwar als "Kontakt"-Bereich bezeichnet wird, wobei die
Oberfläche bzw. Kante des Kastenelements, die in Kontakt mit der
Obrfläche 14 gelangt, jedoch nicht unbedingt den ganzen Bereich
14 berührt. Somit umfaßt der hier verwendete Begriff "Kontakt"-
Bereich nicht nur den Bereich, der bei der Zusammensetzung
tatsächlich einen Kontakt aufweist, sondern den gesamen Bereich
vor dem Dichtungsbereich an dem Stiftelement. Somit entspricht
die Longitudinallänge Z in den Figuren 1 und 2 ungefähr der
Longitudinallänge Y, wobei die Längen jeweils ungefähr 50% ihrer
gemeinsamen Gesamtlänge betragen.
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Die Belastung des Stiftelements kann dadurch reduziert werden,
daß die Länge Y proportional zu der Länge Z verringert wird, oder
daß der durch die Länge Y dargestellte Bereich absolut verringert
wird. Somit gilt für den niederwertigsten Werkstoff des
Werkstoffbereichs für die Stiftelemente, daß der in der Figur 3
dargestellte Dichtungsflächenbereich 20 für das niederwertige
Stiftelement 11 eine Longitudinallänge Y' aufweist, die
wesentlich kürzer ist als die Länge Y. Der benachbarte
Kontaktbereich 22 weist im Gegensatz dazu eine Länge Z' auf, die
wesentlich länger ist als die Länge Z. Jedoch sind die
Neigungswinkel dieser entsprechenden Dichtungs- und
Kontaktflächen für ihre Gegenstücke für das mittelwertige
Stiftelement aus den Figuren 1 und 2 entsprechend gleich. Die
Funktionsweise entspricht ferner der für die Herstellung der
Verbindung aus den Figuren 1 und 2, wobei das Stiftelement jedoch
weniger belastet wird. Vorstehend wurde beschrieben, daß die
Größe des Bereichs geringer ist, jedoch wird hiermit
festgestellt, daß sich die Position des Bereichs nun weiter von
dem distalen Ende des Stiftelements 11 entfernt befindet als die
Position des Bereichs 16 aus Figur 2. Somit wird das Stiftelement
versteift, wodurch die Konstruktion der niederwertigen
Stiftelemente ferner optimiert wird, wie dies nachstehend genauer
beschrieben ist.
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In Figur 4 ist die Gestalt der Dichtungsfläche und der
Kontaktfläche für das hochwertigste Stiftelement 23 aus dem
Bereich veranschaulicht. Die Longitudinallänge Y'' der
Dichtungsfläche 25 ist dabei länger als die Longitudinallänge Y
der Dichtungsfläche 16 aus den Figuren 1 und 2, und die
Longitudinallänge Z'' der Kontaktfläche 27 ist kürzer als die
Longitudinallänge Z der Kontaktfläche 14. Die Winkel der
entsprechend konisch geneigten Oberflächen entsprechen wiederum
denen ihrer Gegenstücke. Da Y'' jedoch größer ist als Z'', ist
die Druckkraft auf das Stiftelement größer als auf das
Stiftelement aus Figur 1.
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Bei kennzeichnenden Werkstoffen der Stiftelemente bei
rohrförmigen Erzeugnissen mit Premium Qualität, kann ein
mittelwertiger Werkstoff eine Streckgrenze von 5625 kg/cm²
(80.000 PSI) aufweisen. Für Werkstoffe dieser Wertigkeit sollten
die Längen Y und Z ungefähr gleich sein. Bei Werkstoffen mit
einer Streckgrenze vvon 3867 kg/cm² (55.000 PSI) (eine
kennzeichnende Wertigkeit im unteren Bereich zulässiger harter
Werkstoffe), sollten die Längen Y' und Z' so bemessen sein, daß
Y' ungefähr 25% der Gesamtlänge und Z' ungefähr 75% der
Gesamtlänge betragen. Bei Werksbof fen mit einer Streckgrenze von
10.546 kg/cm² (150.000 PSI) (eine kennzeichnende Wertigkeit in
dem höchsten Bereich zulässiger Werkstoffe) sollten die Längen
Y'' und Z'' so bemessen sein, daß Y'' ungefähr 75% der
Gesamtlänge und Z'' ungefähr 25% der Gesamtlänge betragen. Die
Wertigkeiten der obengenannten Werkstoffe sind repräsentativ,
doch können reale Bedingungen Wertigkeiten erforderlich machen,
die wesentlich von denen der obigen Beispielen abweichen.
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Die Geometrie des Kastenelements ist bei allen Werkstoffklassen
in dem Bereich gleich und so gestaltet, daß das Element nicht
nachgiebt bzw. sich streckt, bzw. ein Nachgeben bzw. ein Strecken
verursacht, wenn es in einer beliebigen Konstruktion verwendet
wird. Die Kombination, die die größte Auflagerspannung auf das
Kastenelement ausübt, ist gegeben, wenn ein Kastenelement
beliebiger Wertigkeit mit dem höchstwertigen Stiftelement
verwendet wird. Das Stiftelement stellt immer die entscheidende
Komponente der Verbindung dar.
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Wie dies nachstehend genauer beschrieben ist, sind die
Oberflächen der Kontaktbereiche gröber als die entsprechenden
Dichtungsbereiche, und wobei eine geeignete
Schmiermittelzusammensetzung aufgetragen wird. Wenn die
Verbindung festgezogen wird, wird die
Schmiermittelzusammensetzung von der Angriffsoberfläche zu der
Dichtungsfläche gedrückt und dadurch in einem dünnen Film über
die Dichtungsfläche verteilt, um die Verbindung weiter gegen ein
Nachgeben zu schützen.
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In bezug auf Figur 5 sind die relativen Winkelverhältnisse der in
den Figuren 1-4 offenbarten Ausführungsbeispiele dargestellt. Der
Winkel der Dichtungsfläche des Kastenelements beträgt θB, der
Winkel der Kontakfläche des Stiftelements lautet θP und der
Winkel der Dichtungsfläche des Stiftelements lautet θS. Bei dem
Winkel θP handelt es sich genauer um den Winkel der Kontaktfläche
des Stiftelements beim ersten Kontakt und vor der Ablenkung des
Elements. Bei dem Winkel θS handelt es sich um den letztendlichen
Winkel der Dichtungskontaktfläche des Stiftelements, der sich aus
der Stiftablenkung ergibt. Die Verhältnisse dieser Winkel
zueinander gemäß der vorliegenden Erfindung sind durch die
Ausführungsbeispiele der Figuren 1-4 dargestellt und lauten wie
folgt: θP ≥ θB; θS < θP.
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In den Figuren 6-8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der
Verbindung dargestellt. In Figur 6 ist ein Stiftelement aus einem
mittelwertigen Werkstoff dargestellt, wie etwa mit einer
Streckgrenze von 5625 kg/cm² (80.000 PSI); in Figur 7 ist ein
Stiftelement aus dem niederwertigsten Werkstoff des
Anwendungsbereichs dargestellt, wie etwa mit einer Streckgrenze
von 3867 kg/cm² (55.000 PSI); und in Figur 8 ist ein Stiftelement
aus dem höchstwertigsten Werkstoff des Anwendungsbereichs
dargestellt, wie etwa mit einer Streckgrenze von 10.546 kg/cm²
(150.000 PSI). Diese Wertigkeiten sind wiederum nur beispielhaft
angegeben und können somit nicht als einschränkend ausgelegt
werden.
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Das Stiftelement 30 und das Kastenelement 32 passen so zusammen,
daß der Dichtungsbereich 34 an dem Stiftelement mit Metall-auf-
Metall-Abdichtung mit dem Dichtungsbereich 36 an dem
Kastenelement eingreift. Der Bereich 38 weist einen Zwischenraum
zu dem Bereich 36 auf, so daß der Endbereich 38 das Stiftende
versteift. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel befinden sich
all diese Bereiche vor dem ersten Gewinde (nicht abgebildet) an
dem Stiftelement. Im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen aus den Figuren 1-4, handelt es sich bei
dem Bereich vor dem Dichtungsbereich um keinen Kontaktbereich, so
daß eine große Konstante möglich ist. In dem optischen
Erscheinungsbild liegt der Hauptunterschied zwischen diesem
Ausführungsbeispiel und dem in den Figuren 1-4 offenbarten
Ausführungsbeispiel darin, daß zwischen dem
Dichtungsoberflächenbereich und dem benachbarten
Oberflächenbereich eine Stufe existiert, wobei der
Oberflächenbereich am unteren Ende der Stufe einen geringeren
Durchmesser der konischen Neigung aufweist. Der Neigungswinkel
der Oberfläche 38 kann sehr nahe an dem Winkel der
Dichtungsfläche 34 liegen. Die konische Längsneigung des Bereichs
34 beträgt normalerweise zum Beispiel etwa 3º, wobei die konische
Neigung des Bereichs 38 kennzeichnenderweise nur geringfügig
darüber liegt. Die Stufe weist bei der Herstellung den Vorteil
auf, daß die Bereich vor und nach der Stufe jeweils einfacher
meßbar sind, als wenn sie sich progressiv von einem Bereich zu
dem anderen verändern.
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Wenn das Kastenelement und das Stiftelement vor der Herstellung
der Verbindung zusammengeführt werden, so befinden sich die in
Kontakt tretenden Oberflächen nur in geringfügigem Kontakt. Auf
der Oberfläche 38 befindet sich eine
Schmiermittelzusammensetzung, die bei einem Festziehen der
Verbindung nach vorne und über die Stufe gedrückt wird, so daß
die Dichtungsflächen geschmiert und geschützt werden. Wenn die
Verbindung vollständig festgezogen ist, befindet sich die gesamte
Dichtungsfläche 34 in festem Druckkontakt mit einem Teilstück der
Dichtungsfläche 36 des Kastenelements. Die Belastungszustände
entsprechen denen aus dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die
Konstruktion des Kastenelements bei allen Werkstoffwertigkeiten
in dem Bereich die gleiche. Die Stiftelemente unterscheiden sich
jedoch. In Figur 6 ist dargestellt, daß die Longitudinallängen Y
und Z für mittelwertige Werkstoffe ungefähr gleich sind. Gemäß
der Darstellung aus Figur 7 beträgt die Länge Y' für
niederwertigere Werkstoffe etwa 25% der Gesamtlänge der
Dichtungs- und Kontaktbereiche, während die Länge Z' etwa 75%
ausmacht. Gemäß der Darstellung aus Figur 8 beträgt die Länge Y''
für Werkstoffe höchster Wertigkeit etwa 75% der Gesamtlänge,
wobei Z'' etwa 25% ausmacht.
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Allgemein ist bei beiden Ausführungsbeispielen bei höherwertigen
Werkstoffen eine "breitere" Dichtungskontaktfläche vorgesehen.
Bei niederwertigeren Werkstoffen verringert sich nicht nur die
Breite der Dichtungskontaktfläche, sondern die Kontaktflächen
sind dabei auch weiter von dem distalen Ende des Stiftelements
entfernt. Folglich ist das Stiftelement bei niederwertigeren
Werkstoffen bei schmaleren Dichtungen steifer und somit gegen
eine Teilnachgiebigkeit widerstandsfähiger. Die
Verbindungsverträglichkeit wird dadurch aufrechterhalten, daß bei
allen Qualitäten mit gegebener Größe und gegebenem Gewicht
rohrförmiger Produkte, die gleiche radiale Interferenz verwendet
wird.