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Diese Erfindung bezieht sich auf Rohrverbindungen und insbesondere auf Rohrverbindungen
mit einer Metall-auf-Metall-Abdichtung vor den Gewindegängen des Zapfenelements der
Verbindung.
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Rohrförmige Erzeugnisse wie Rohre und Gehäuse, die aus hochfesten Materialien bzw.
Materialien hoher Qualität hergestellt sind und unter Hochdruckbedingungen eingesetzt werden,
wie sie in Tiefbohrungsanwendungen vorhanden sind, sind hohen Lagerbelastungen auf
beiden Elementen ihrer Verbindungen und dementsprechend auch hohen Ringflächen-
Druckbelastungen auf den Zapfenteilen ihrer Verbindungen ausgesetzt. Jede Verbindung
beinhaltet zumindest eine konische Metall-auf-Metall-Dichtungsfläche zwischen ihrem
Muffenelement und ihrem Zapfenelement, die sich üblicherweise auf dem vorderen Ende des
Zapfenelements knapp vor dem Gewinde oder vor dem vordersten Gewinde befindet, wenn die
Verbindung zwei oder mehr Gewinde mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist.
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Die WO-A-8402948 offenbart eine Rohrkupplung mit einer verbesserten Metall-auf-Metall-
Abdichtung, die eine gleichmäßige Lastverteilung über die Dichtung besitzt, wobei eine
Scheuerwirkung tendenziell vermieden wird. Die Kupplung ist mit einer Dichtung am Ende
des Zapfens versehen. Eine entsprechende Dichtung ist auf dem Muffenelement mit einer
Oberfläche vorhanden, deren Winkel größer ist als der der Oberfläche der Dichtung auf dem
Zapfenelement.
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Obwohl bei unterschiedlichen Verbindungen eine Dichtungsanordnung an unterschiedlichen
Stellen vorhanden ist, ist ein üblicher Ort für eine Metall-auf-Metall-Dichtungsanordnung in
einer Rohrverbindung ein konischer Bereich vor dem ersten Gewinde auf dem Zapfenelement
der Verbindung. Dieser Bereich liegt nicht innerhalb des Gewindes und wird üblicherweise
zwischen zueinander passenden Flächen des Zapfenelements und des Muffenelements auf
einer Fläche ausgebildet, die in Längsrichtung bezüglich der Achse leicht konisch zuläuft.
Diese Konizität liegt üblicherweise in der Größenordnung von etwa 7º, obwohl sehr flache
Konuswinkel von etwa 2º und steilere Konuswinkel von etwa 14º auch relativ häufig
vorkommen.
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Bei den Verbindungen aus dem Stand der Technik läuft die Dichtungsfläche auf dem
Zapfenelement von einem Punkt vor dem ersten Gewinde zum oberen Ende des Zapfenelements
konisch zu. Die beiden zueinanderpassenden Flächen kommen in Kontakt miteinander, wenn
die Verbindung angezogen wird, so daß sich dann, wenn sie vollständig mit Kraft angezogen
ist, ein Flächenbereich innerhalb dieser Gesamtfläche befindet, der fest gegeneinander
druckabgedichtet ist. Ferner befindet sich ein kurzer Abschnitt vor dem vordersten Gewinde auf
dem Zapfenelement, in dem kein Dichtungskontakt auftritt. Die konische Metall-auf-Metall-
Fläche schreitet dann zur Spitze oder Nase bzw. zum distalen Endabschnitt des
Zapfenelements fort. Dort befindet sich eine kleine Anschrägung zwischen der konischen Fläche und
dem Spitzenende. Daher befindet sich die gesamte Metall-auf-Metall-Dichtungsfläche
zwischen der Abschrägung und der nicht abdichtenden Fläche vor dem ersten Gewinde. Zum
Zwecke dieser Beschreibung wird angenommen, daß die konische Fläche des
Muffenelements, die der konischen Fläche des Zapfenelements entspricht, in identischer Weise in
Längsrichtung zuläuft. In vielen Fällen ist die Konizität des Muffenelements etwas steiler als
die Konizität der Fläche des Zapfenelements; allerdings bezieht sich die vorliegende
Erfindung auch auf solche Verbindungen. Zur Erleichterung der Diskussion wird angenommen,
daß der Konuswinkel von Zapfenelement und Muffenelement gleich ist.
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Um auf die vorliegenden Dichtungsbedingungen der Verbindung zurückzukommen, zeigt
eine Analyse, daß der Bereich, in dem die Oberflächen am stärksten aufeinandergedrückt
bzw. druckabgedichtet werden, in dem konischen Dichtungsbereich benachbart zum ersten
Gewinde auf dem Zapfenelement liegt. Das bedeutet bei identischen konischen
Dichtungsflächen auf Zapfen- und Muffenelement, obwohl es scheinen kann, daß die in Dichtungskontakt
stehende Fläche zufälligerweise die gesamte Fläche ist, daß lediglich etwa ein Zehntel bis ein
Drittel der dem ersten Gewinde benachbarten Fläche in Bezug auf innere Gasdrücke von mehr
als 1,406 · 10¹&sup0; gm 2 (20000 psi) abgedichtet ist. Ferner wird im Hinblick auf die soeben
beschriebene bekannte Verbindung das Metall sowohl des Zapfenelements als auch des
Muffenelements beim vollen Anziehen in einem relativ schmalen Konzentrationsbereich
beansprucht. Dies liegt daran, daß das obere Ende dazu neigt, sich leicht davon wegzubiegen, fest
druckabgedichtet zu werden.
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Das Dokument DE-B-10 20 586 offenbart eine Schraubverbindung für Gehäuse, die in
Tiefbohrschächten verwendet werden, mit konischen Dichtungsflächen, die miteinander
zusammenwirken, wobei die Dichtungsfläche am freien Ende des inneren Gewindeabschnitts einen
weicheren oder niedrigeren Materialhärtewert aufweist als der zugehörige hohle konische
Gewindeabschnitt, um die Wirksamkeit der konischen Dichtungsflächen zu vergrößern. Das
freie Ende des inneren Gewindeabschnitts wird gehärtet, indem weichgeglüht wird, oder
indem ein verbundener, vorgeschweißter weicher Eisenring verwendet wird, oder indem eine
Nut angebracht und mit einem Weicheisenring versehen wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte
Rohrverbindung mit einem starreren Zapfenelement in der Nähe der Abdichtung am vorderen Ende des
Zapfenelements bereitzustellen, um die Dichtigkeit der Abdichtung durch Vergrößerung ihrer
Auflagefläche zu vergrößern und dadurch auch die Tendenz der Verbindung zum Scheuern zu
verringern.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Rohrverbindung mit einem Zapfenelement, welches eine verlängerte bzw. erweiterte Nase vor der
Dichtungszone des Zapfenelements besitzt, um das Zapfenelement zu versteifen und dadurch die
Verbindung zu verbessern, bereitzustellen.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung eine Gewindeverbindung mit einem Muffenelement
bereit, welches Innengewinde aufweist, und mit einem Zapfenelement, welches
Außengewinde aufweist, um mit dem Gewinde auf der Muffe zusammenzuwirken, wenn die Verbindung
hergestellt wird, einer konischen Dichtungsfläche des Zapfens zwischen dem Gewinde und
dem Ende des Zapfens und einer konischen Oberfläche auf der Muffe zum Zusammenwirken
mit der konischen Dichtungsfläche auf dem Zapfen, wodurch eine Metall-auf-Metall-
Dichtung gebildet wird, wenn die Verbindung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zapfen ferner einen Endabschnitt aufweist, der von der Muffe beabstandet ist und sich
über die konische Dichtungsfläche über eine Entfernung hinaus erstreckt, die zumindest
gleich der projizierten Länge der konischen Dichtungsfläche entlang der Längsachse der
Verbindung ist, um den Zapfen abzusteifen und die Fläche der konischen Dichtungsflächen, die
sich in dichtendem Zusammenwirken befinden, zu vergrößern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen,
in denen
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Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer Rohrverbindung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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Fig. 2 eine Vergrößerung des vorderen Endes des Zapfenelements ist, die in der in Fig. 1
dargestellten Verbindung verwendet ist;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung des vorderen Endes von alternativen
Zapfenelementstrukturen ist, die in Rohrverbindungen verwendet werden;
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Fig. 4 ein mittels Finite-Element-Analyse erstelltes Diagramm der Auflage-
Kontaktspannungsverteilung einer Rohrverbindung ist, bei der eine kurze Nase auf dem
Zapfenelement entsprechend dem Starid der Technik verwendet wird;
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Fig. 5 ein mittels Finite-Element-Analyse erstelltes Diagramm der Auflage-
Kontaktspannungsverteilung einer Rohrverbindung ist, bei der eine lange Nase auf dem
Zapfenelement entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
verwendet ist.
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Fig. 1 zeigt eine herkömmliche hochwertige Rohrverbindung, die modifiziert ist, um die Art
und Weise zu erläutern, in der eine pufferartige Nasenverlängerung an dem Zapfenelement
angebracht ist, um den Dichtungsbereich von dem spitzen Ende des Elements entfernt zu
positionieren, damit der Zapfen im Dichtungsbereich gemäß der Erfindung versteift wird.
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Die Verbindung, die ein Zapfenelement 110 und ein Muffenelement 112 aufweist, erläutert
eine zweistufige Gewindeanordnung, die einen Gewindeabschnitt 114 und einen getrennten
Gewindeabschnitt 116 mit einem zwischenliegenden Stufenbereich 118 umfaßt. Obwohl in
Fig. 1 eine zweistufige Gewindeanordnung dargestellt ist, ist die Erfindung nicht darauf
beschränkt. Jegliche ineinandergreifende Verbindung wird durch das nachfolgend beschriebene
Merkmal verbessert.
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Das vordere Ende des Zapfenelements 110 ist in einer vergrößerten Ansicht in Fig. 2
dargestellt und umfaßt das vorderste Gewinde 120 auf dem Zapfenelement, worauf (in Richtung
auf die Nase zu) ein nicht dichtender Bereich 121 folgt. Auf den Bereich 121 folgt dann ein
Bereich mit der Bezeichnung "innere Hauptabdichtung (Metall auf Metall)", auf den
nachfol
gend als Dichtungsbereich 122 Bezug genommen wird. Schließlich ist vor dem Bereich 122
ein weiterer nicht abdichtender Bereich 123 vorhanden, der auf der pufferartigen
Nasenverlängerung liegt. Der Dichtungsbereich 122 befindet sich auf einer konischen Fläche auf dem
Zapfenelement und paßt zu einer diese aufnehmenden konischen Fläche auf dem
Muffenelement. Wie erwähnt, befindet sich vor dem Dichtungsbereich 122 die Nasenverlängerung 124,
weiche einen Bereich 123 umfaßt. Wie dargestellt, liegt der Bereich 123 gegenüber einem
Abschnitt auf dem Muffenelement, der sich in nicht abdichtendem Kontakt damit befindet.
Dies wird durch einen Zwischenraum dazwischen verdeutlicht, obwohl der Zwischenraum
tatsächlich sehr klein sein kann. Der Dichtungsbereich 122 steht in druckabdichtendem
Kontakt, wie nachfolgend beschrieben, der Bereich 123 der Verlängerung 124 dagegen nicht. Es
ist ferner ersichtlich, daß die Oberfläche der Verlängerung konisch oder zylindrisch sein kann,
da sie an dem abdichtenden Zusammenwirken zwischen Zapfen- und Muffenelement nicht
teilnimmt.
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Es ist herausgefunden worden, daß die Steifigkeit des Zapfenelements durch das
Vorhandensein der Verlängerung 124 gegenüber einem Zapfenelement, welches an einem Punkt
unmittelbar vor dem Dichtungsbereich 122 endet, verbessert wird. Das bedeutet, daß die
Abdichtung bei einer beträchtlichen Nasenverlängerung 124 in einem Bereich auftritt, der einen
gewissen Abstand von dem Spitzen- bzw. Nasenende aufweist, statt nah an diesem zu liegen,
wodurch die Intaktheit des Anliegens der Dichtung verbessert wird. Dies liegt daran, daß der
Dichtungsbereich weniger konzentriert ist. Außerdem wird die Scheuerneigung im
Dichtungsbereich vermindert.
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Eine Studie ist ausgeführt worden bezüglich des Vorhandenseins eines verlängerten
Endabschnitts auf drei Größen von Rohrverbindungen, nämlich auf Rohrmaterial mit einem
Außendurchmesser von 114,3 mm (4, 5 Inch), 177,8 mm (7 Inch) und 346,08 (13,625 Inch). In jedem
Fall wurde eine Verbesserung in den Betriebseigenschaften wie nachfolgend beschrieben
beobachtet. Die Untersuchungen bezogen sich auf Verbindungen mit einem Zapfenelement mit
unterschiedlichen Nasenlängen oder Verlängerungen, wie in Fig. 3 dargestellt ist. In einer
Untersuchungsreihe endete das Zapfenelement so, wie durch den mit "Fall A" bezeichneten
Bereich dargestellt. In einer zweiten Untersuchung endete das Zapfenelement in einer
Verlängerung einschließlich des mit "Fall B" bezeichneten Bereichs, sowie mit dem vorgenannten
Bereich. Schließlich wurde eine Untersuchung ausgeführt mit einer Verlängerung, die den mit
"Fall C" bezeichneten Bereich zusätzlich zu den zuvor genannten Bereichen einschloß. Aus
Zeckmäßigkeitsgründen ist die Gesamtlänge des Dichtungsbereichs und ggf. des
Verlängerungsbereichs vor dem Zapfenelement in relativen Inchabmessungen angegeben.
Beispielsweise stellt Fall A ein Zapfenelement mit einem Dichtungsbereich entsprechend dem Stand
der Technik dar, welches 6,35 mm (0,25 Inch) auf einem Maßstab von 25,4 mm (1 Inch) für
Fall C wäre. Die Zwischensituation ist Fall B, die mit einer Länge von 12,7 mm (0,5 Inch) im
Verhältnis zu der Abmessung von Fall C dargestellt ist.
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Wie in der nachstehenden Tabelle dargestellt, sind die Dichtungskontaktkräfte um 32% bis
49% verbessert worden, indem eine pufferartige Nasenverlängerung von 6,35 mm (0,25 Inch)
hinzugefügt wurde (d. h. für Fall B in Bezug auf Fall A). Die Dichtungskontaktkräfte wurden
um bis zu 78% bis 156% verbessert, indem eine pufferartige Nasenverlängerung von 19,05
mm (0,75 Inch) hinzugefügt wurde (Fall C im Vergleich zu Fall A).
BERECHNUNGEN DER DICHTUNGSANLAGEKRAFT Gesamte Dichtungskontaktkraft (k2)
Gesamte Dichtungskontaktkraft (lbs.')
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Die oben angegebenen Ergebnisse beruhen auf einer Formel, die aus den in "Formulas for
Stress and Strain", Roark and Young, 5. Ausgabe, beschriebenen Materialien abgeleitet ist.
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Die Spannungen in der Verbindung wurden ferner durch Computermodellierung analysiert,
um die auf einen Verbindungsanschluß einwirkenden Belastungen zu beobachten, was unter
Verwendung einer ANSYS-FEM-Spannungsanalyse erfolgte. Sowohl ein Modell für die
kur
ze Nase (entsprechend dem obigen Fall A) als auch ein Modell mit langer Nase (entsprechend
dem obigen Fall C) wurden mit minimaler und maximaler Dichtungsinterferenz-
Zusammenbaubelastung geladen. Die FEM-Ergebnisse zeigen, daß die gesamte Kontaktkraft
auf der Primärdichtung für das Modell mit langer Nase um etwa 70% größer als für das
Modell mit kurzer Nase ist.
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Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse der Bestimmung der Dichtungskraft von Modellen
mit kurzer und langer Nase bezüglich Rohrmaterial mit 177,8 mm (7 Inch.) und 43,2 kgm&supmin;²
(29 lbs/ft).
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Zusätzlich wurde beobachtet, daß die Primärdichtungskontaktbreite des Modells mit langer
Nase mehr als 150% breiter als die für das Modell mit kurzer Nase ist. Dies kann graphisch
durch Vergleich der Spannungsergebnisse dargestellt werden, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist.
Fig. 4 ist das Spannungsvergleichsdiagramm für das Modell mit kurzer Nase (maximale
Interferenz), und Fig. 5 ist das Spannungsverteilungsdiagramm für das Modell mit langer Nase
(maximale Interferenz).
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Nunmehr auf Fig. 4 Bezug nehmend, sind die Spannungen in dem Zapfenelement unterhalb
der Dichtungskontaktlinie und die Spannungen in dem Muffenelement oberhalb der
Kontaktlinie dargestellt, und zwar für das Modell mit kurzer Nase bei maximaler Interferenz. Die
gesamte Primärabdichtung tritt entlang des Bereichs 150 auf, wobei allerdings aus den
schraffierten Bereichen ersichtlich ist, daß Spannungen im Zapfen- und Muffenelement sowohl dort
auftreten, wo die Abdichtung stattfindet, und auch dort, wo keine Abdichtung stattfindet.
Überall innerhalb des Bereichs 152 des Zapfenelements und des Bereichs 154 des
Muffenelements treten Spannungen von 1,97 · 10¹&sup0; gm&supmin;² (28000 psi) oder mehr auf. Bereich 156
des Zapfenelements und Bereich 158 des Muffenelements ist Spannungen von weniger als
1,97 · 10¹&sup0; gm&supmin;² (28000 psi) und mehr als 1,48 · 10¹&sup0; gm&supmin;² (21000 psi) unterworfen. Das
Ge
biet außerhalb der Bereiche 156 und 158 ist Spannungen von weniger als 1,48 · 10¹&sup0; gm&supmin;²
(21000 psi) unterworfen. Es kann weiter gezeigt werden, obwohl dies in dem Schaubild nicht
gezeigt ist, daß Bereiche mit beträchtlichen Spannungen oberhalb von 5,91 · 10¹&sup0; gm&supmin;²
(84000 psi) in der Mitte der Bereiche 152 bzw. 154 vorhanden sind.
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Nunmehr auf Fig. 5 Bezug nehmend, sind die Spannungen im Zapfenelement unterhalb der
Dichtungskontaktlinie und die Spannungen im Muffenelement oberhalb der Kontaktlinie für
das Modell mit langer Nase bei maximaler Interferenz dargestellt. Die gesamte
Primärabdichtung erfolgt entlang des Bereichs 160, der wesentlich größer als der Bereich 150 nach
Fig. 2 ist. Wiederum ergibt sich aus den schraffierten Bereichen, daß Spannungen im
Zapfenelement und im Muffenelement sowohl dort auftreten, wo die Abdichtung stattfindet, als
auch dort, wo keine Abdichtung stattfindet. Wiederum ist der gesamte Bereich 162 des
Zapfenelements und der Bereich 164 des Muffenelements Spannungen von 1,97 · 10¹&sup0; gm&supmin;²
(28000 psi) oder mehr unterworfen. Bereich 166 des Zapfenelements und Bereich 168 des
Muffenelements ist weniger als 1,97 · 10¹&sup0; gm² (28000 psi) und mehr als 1,48 · 10¹&sup0; gm&supmin;²
(21000 psi) unterworfen. Das Gebiet außerhalb der Bereiche 166 und 168 ist Spannungen von
weniger als 1,48 · 10¹&sup0; gm&supmin;² (21000 psi) unterworfen. Es kann gezeigt werden, obwohl dies in
Fig. 5 nicht dargestellt ist, daß sehr kleine Spannungsbereiche in der Mitte der Bereiche 162
und 164 vorhanden sind, die Spannungen von mehr als 5,91 · 10¹&sup0; gm&supmin;² (84000 psi)
unterworfen sind.
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Aus einem Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 5 ergibt sich, daß nicht nur der Dichtungsbereich
160 wesentlich größer ist als der Dichtungsbereich 50, sondern daß die vergleichbar
beanspruchten Bereiche von Fig. 5 wesentlich größer sind als entsprechend beanspruchte Bereiche
von Fig. 4. Die Spitzenbeanspruchung nach Fig. 4 ist etwa 18% größer als die
Spitzenbeanspruchung nach Fig. 5.
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Was in Fig. 5 ebenfalls nicht dargestellt ist, ist das Vorhandensein einer sekundären
Dichtungsfläche, die auf dem Modell mit langer Nase auftritt und nicht in entsprechender Weise
auf dem Modell mit kurzer Nase auftritt. Somit ist gezeigt, daß die Primärabdichtung auf dem
Modell mit langer Nase ähnlich wie ein beidseitig eingespannter Balken arbeitet. Dieser
Aufbau verdoppelt die Stabilität der Dichtung im Vergleich mit dem Modell mit kurzer Nase,
welches mehr wie ein einseitig eingespannter Balken arbeitet.
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Ähnliche Spannungsdiagramme mit minimaler Interferenz ergeben vergleichbare Ergebnisse
für die Modelle mit kurzer Nase bzw. mit langer Nase.