DE4317591C1 - Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung, insbesondere für Förderrohre, gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Eine Rohrverbindung eines aus miteinander verschraubbaren Gewinderohren bestehenden Stranges für den Einsatz in der Erdöl- und Erdgasindustrie hat zum einen die Aufgabe die Stranglast aufzunehmen und zum anderen die Dichtheit der Verbindung zu sichern. Zur Erfüllung dieser Aufgabe weist der Gewindeabschnitt des Zapfen- und des Muffenteiles zum Beispiel ein konisches API-Gewinde mit einer entsprechenden Überdeckung auf. Bei allen Gewindeverbindungen mit großer Gewindeüberdeckung, zum Beispiel 0,6 für ein API-Rundgewinde, erfolgt die Dichtheit gegen Leckage über das Gewinde. Als Füllmittel für die Hohlraumspirale eines solchen Gewindes wird in vielen Fällen zusätzlich ein verformbarer Dichtungsring angeordnet (DE 37 03 052). Um eine unzulässige Druckerhöhung im Gewindebereich zu vermeiden, wird in der zuvor genannten Schrift vorgeschlagen, die vom Nutgrundprofil des Muffen- oder Zapfenteiles und dem Gewindeprofil des jeweils anderen Teiles umschlossene Querschnittsfläche über den gesamten Umfang konstant zu halten. Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese Querschnittsfläche größer oder gleich der Querschnittsfläche des verformbaren Dichtungsringes vor der Verschraubung ist. Für die Konstanthaltung der Querschnittsfläche wird als einfache Maßnahme vorgeschlagen, die Nutbreite so zu wählen, daß sie dem n-fachen der Gewindesteigung entspricht, wobei n größer oder gleich zwei und eine ganze Zahl ist. Die vorgeschlagene Dichtringanordnung wird vorzugsweise bei einer Gewindeverbindung angewandt, deren Gewindeabschnitte ein API-Rundgewinde aufweisen.

Für das Buttress-Gewinde und Rundgewinde ist ein Dichtring konstanter Breite und Dicke nach API genormt. Die Toleranzen dafür sind aber sehr groß und je nach Lage der Toleranzfelder ist die Dichtheit entweder nicht ausreichend gewährleistet oder es besteht die Gefahr, daß der Muffen- und/oder Zapfenteil unzulässig, d. h. plastisch verformt wird.

Bei den von verschiedenen Herstellern entwickelten Sonderverbindungen wird die Dichtheit der Verbindung zumeist durch hohe Kontaktpressungen aufgrund einer Überdeckung im metallischen Dichtsitz erzielt. Die Stoßschultern dienen als Einschraubbegrenzung und sie sorgen dafür, daß trotz steigender Stranglast der metallische Dichtsitz aktiviert bleibt. Das konische Gewinde braucht demzufolge keine Dichtfunktion zu übernehmen und seine Aufgabe besteht im Gegensatz zu API-Rund- und Buttress-Gewinde nur in der Übertragung der Stranglast. Nun kann nicht ausgeschlossen werden, daß Beschädigungen am metallischen Dichtsitz während der Handhabung oder beim Einbau der Rohre entstehen. Auch die zur Verfügung stehende Prüfzeit für Leckagen auf dem Bohrturm ist oft nicht ausreichend solche Beschädigungen festzustellen, die sich erst nach längerer Zeit als Leckage bemerkbar machen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsmäßige gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung, insbesondere für Förderrohre, anzugeben, mit der auch bei Sonderverbindungen mit metallischem Dichtsitz nicht festgestellte Beschädigungen des Dichtsitzes abgesichert werden können und bei der nach der Verschraubung keine unzulässigen Spannungsspitzen auftreten, die zu plastischen Verformungen des Zapfen- und/oder Muffenteiles führen.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Untersuchungen haben ergeben, daß über den Umfang gesehen bei den bekannten Dichtring-Dimensionierungen je nach Breite und Füllgrad ungleichmäßige Spannungen auftreten. Dies wirkt sich insbesondere beim Zapfenelement aus, da dieses aufgrund des geringeren Durchmessers beim kleineren tragenden Querschnitt aufweist als das dazugehörige Muffenelement. Wählt man beispielsweise die Nutbreite so, daß sie das 1,5-fache der Steigung betragt, dann treten hohe Spannungsspitzen über den Umfang gesehen an der Stelle auf, an der zwei Zahnbreiten des Gewindeprofils des jeweiligen Elementes voll in der Nutbreite liegen und einen großen Teil des Dichtringvolumens verdrängen. Der geringste Wert wird an der Stelle erreicht, an der nur eine Zahnbreite im Nutbereich liegt. Reduziert man alternativ die Nutbreite auf etwa das 1,0-fache der Steigung, dann kehren sich die Spannungsspitzen über den Umfang gesehen um, liegen aber insgesamt niedriger. Dies hängt damit zusammen, daß der Querschnitt der Nutkammer über den gesamten Umfang zwar gleich ist, über einen Teil des Umfanges jedoch Material aus der Nut axial in Verschraubrichtung verdrängt wird.

Die gewünschten niedrigen und über den Umfang vergleichsmäßigten Spannungswerte werden dann erreicht, wenn das Verhältnis von Nutbreite zu Gewindesteigung größer 1 und kleiner 1,5 ist. Beste Werte wurden ermittelt im Bereich zwischen 1,1 und 1,3. Der Füllgrad, d. h. das Verhältnis von Dichtringvolumen vor der Verschraubung zum Nutkammervolumen liegt dabei immer über 1, und zwar in einem Bereich zwischen 1,02 bis 1,30, wobei die größeren Füllgrade für die größeren Rohrabmessungen erforderlich sind. Diese Anpassung des Füllgrades an die Rohrabmessung ist erforderlich, um die mit steigenden Rohrabmessungen anwachsenden Toleranzen auszugleichen. Bei nicht angepaßtem, d. h. zu niedrigem Füllgrad ist die Einformung des Dichtringes zu gering, um die für die Dichtheit erforderliche radiale Vorspannung aufzubauen. Dies bedeutet aber,daß bei Versagen des metallischen Dichtsitzes der Dichtring die Abdichtung nicht übernehmen kann.

Die axiale Lage der Nut wird in bezug auf den Gewindeabschnitt so gewählt, daß die Nut im vollen Gewindeeingriffsbereich des Muffen- oder Zapfenteiles liegt. Der Abstand zum Beginn der auslaufenden Gewindegänge soll mindestens zwei, vorzugsweise drei Gewindegänge betragen. Auf der anderen Seite soll die Nut so weit vom Dichtsitzbereich entfernt sein, daß durch die Nut kein negativer Einfluß auf die Dichtsitzfunktion erfolgt. Das Verhältnis von Nuttiefe zu Gewindehöhe liegt im Bereich zwischen 1,3 bis 1,5, wobei mit steigender Rohrabmessung ein größeres Verhältnis erforderlich wird.

Damit der Dichtungsring unverwechselbar von beiden Seiten einbaubar ist, ist die Querschnittsfläche des Dichtungsringes symmetrisch ausgebildet. Im Falle eines Trapez-Gewindes hat es sich als vorteilhaft bestätigt, daß der Dichtungsring dann leicht einformbar ist, wenn im Querschnitt gesehen die äußere Kontur des Dichtungsringes konvex gewölbt ist. Durch diese Wölbung wird der Toleranzausgleich und die Einformung erleichtert. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß man die vorgeschlagene gasdichte Verbindung auch auf eine übliche Verbindung mit Buttress-Gewinde anwenden kann, unter der Voraussetzung, daß die hier beschriebenen eingeengten Bedingungen eingehalten werden.

Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Ölfeldrohr-Verbindung für Abteufungen unter Sauergasbedingungen. Es ist bekannt, daß unter diesen Bedingungen immer dann mit Spannungsrißkorrosion gerechnet werden muß, wenn insbesondere im Verbindungsbereich erhöhte Spannungsspitzen auftreten. Dies ist möglich, wenn - wie die Versuche gezeigt haben, der Dichtring mit den Abmessungen, insbesondere der Breite und unter den Bedingungen gemäß dem Stand der Technik angeordnet wird. Die erfindungsgemäße Verbindung zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, daß die durch den Dichtring erzeugten Spannungswerte, gering und gleichmäßig über den Umfang sind. Auf der anderen Seite ist aber durch die Wahl des Füllgrades sichergestellt, daß durch den Dichtring eine Vorspannung aufgebaut wird, die durch den maximal zulässigen Innendruck des Rohres bzw. der Verbindung nicht aufgehoben wird.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäße Ölfeldrohr-Verbindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a im Teillängsschnitt und in einer Ansicht eine bis 1c erfindungsgemäße Ölfeldrohr-Verbindung

Fig. 2 schematisch die Verdrängung des Dichtringes nach der Verschraubung über den Umfang gesehen

Fig. 3 im vergrößerten Maßstab die ringförmige Nut im Muffenteil

Fig. 4 im vergrößerten Maßstab ein Teilquerschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung des Dichtringes.

In den Fig. 1a bis 1c ist eine erfindungsgemäße Ölfeldrohr-Verbindung dargestellt. Teilbild 1a zeigt in einem Längsschnitt und in einer Ansicht die Rohrverbindung im verschraubten Zustand, wobei die Dichtflächen 14, 15 der Zapfenelemente 8, 9 zusammen mit den Dichtflächen 6, 7 der Muffe 1 einen metallischen Dichtsitz bilden. Die Gewindeabschnitte 4, 5, 12, 13 sind komplementär konisch zueinander ausgebildet. Der gewählte Gewindetyp für die Gewindeabschnitte 4, 5, 12, 13 soll beispielsweise ein Buttress-Gewinde sein. Erfindungsgemäß ist in der Muffe 1 im Abstand von der meist ballig ausgebildeten Dichtfläche 6, 7 je eine Ringnut 18, 19 eingedreht (siehe Teilbild 1c). Teilbild 1b zeigt in einem Teillängsschnitt die Zapfenelemente 8, 9 vor der Verschraubung. Beide Zapfenelemente 8, 9 weisen einen Gewindeabschnitt 12, 13, eine Dichtsitzfläche 14, 15 sowie eine Stoßschulter 16, 17 auf. Teilbild 1c zeigt ebenfalls in einem Teillängsschnitt die Muffe 1 vor der Verschraubung. Diese weist korrespondierend zu den Zapfenelementen 8, 9 ebenfalls Dichtsitze 6, 7 sowie Stoßschultern 2, 3 auf. Die Gewindeabschnitte 4, 5 sind mit einem komplementären Gewinde in bezug auf die Zapfenelemente 8,9 versehen. Vor der Verschraubung werden in die Ringnuten 18, 19 der Muffe 1 je ein Dichtring 25, 26 eingelegt und dann die Zapfenelemente 8, 9 eingeschraubt. Auf die Einzelheiten der Verdrängung des Materials des Dichtringes 25, 26 infolge des in die Nut eingreifenden Gewindeprofils des jeweiligen Zapfenelementes 8, 9 wird in Fig. 2 näher eingegangen.

Schematisch ist in Fig. 2 die zuvor erwähnte Verdrängung des Materials des Dichtringes 25 nach der Verschraubung über den Umfang und in Verschraubrichtung 34 gesehen dargestellt. In dieser Abfolge kann man deutlich erkennen, wie durch den Durchmesserunterschied und die Eingriffstiefe zwischen Zahnkopf 28 des Muffenteils 1 und Zahnfuß 29 des Zapfenelementes 8 ein Gewindespalt 27 entsteht. Sobald ein solcher Gewindespalt eine Verbindung zur Nutkammer 18 hat, wird das Material des hier nicht gezeigten Dichtringes 25 axial in den Spalt gedrängt. Diese Verdrängung ist durch die schwarz ausgemalten Flächen 30 bis 33 kenntlich gemacht. Bei der Betrachtung des Füllgrades muß die in Verschraubrichtung 34 stattfindende Verdrängung des Dichtmaterials berücksichtigt werden.

Fig. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab eine der beiden Ringnuten 18. In dieser Fig. 3 kann man erkennen, daß der Gewindeabschnittsbereich, in dem die Ringnut 18 vorgesehen ist, ein voll tragendes Gewindeprofil hinsichtlich Zahnkopfhöhe 20 aufweist. Die Nuttiefe 21 ist gering und liegt in einem Bereich zwischen 1,3 bis 1,5 der Zahnkopfhöhe 20 des Gewindeabschnittes 4. Die Seitenwände 22, 23 der Nut 18 stehen senkrecht und der Nutgrund 24 liegt parallel zur Mittelachse der Muffe 1. Die geringe Nuttiefe 21 ist vorteilhaft, da dadurch der Muffenquerschnitt an dieser Stelle nur im zulässigen Rahmen geschwächt wird.

In Fig. 4 ist in einem Teilquerschnitt eine vorteilhafte Querschnittskontur eines erfindungsgemäßen Dichtringes 25, 26 dargestellt. Insbesondere dann, wenn die Gewindeabschnitte 4, 5, 12, 13 (siehe Fig. 1) ein Buttress-Gewinde aufweisen, hat sich diese Kontor im Hinblick auf Toleranzausgleich, Einformung und Dichtverhalten als vorteilhaft herausgestellt. Dieser Dichtring 25, 26 weist eine symmetrische Querschnittsfläche und eine konvex gewölbte Außenkontur 35 auf. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen, die Querschnittskontur auch anders aussehen kann, beispielsweise indem man die konvexe Wölbung auf die Innenseite des Dichtringes 25, 26 legt.

Claims (7)

1. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung, insbesondere für Förderrohre, bestehend aus einem mit Außengewinde versehenen Zapfenteil und einem mit dazu passenden Innengewinde versehenen Muffenteil, wobei im Gewindebereich des Muffen- oder Zapfenteiles eine ringförmige Nut zur Aufnahme eines verformbaren Dichtungsringes existiert, der bei verschraubter Rohrverbindung durch das Nutgrundprofil des Muffen- oder Zapfenteiles und das Gewindeprofil des jeweils anderen Teiles begrenzt und geformt, wird, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Verschrauben von Muffenteil (1) und Zapfenteil (8, 9) existierende, vom Nutgrundprofil (24) des Muffen- (1) oder Zapfenteiles und Gewindeprofil (4, 5, 12, 13) des jeweils anderen Teiles umschlossene Querschnittsfläche über den Nutverlauf unter Berücksichtigung der in Verschraubrichtung (34) stattfindenden axialen und tangentialen Verdrängung des Dichtungsmaterials in die sich ergebenden Gewindespalte (27) konstant und kleiner ist als die Querschnittsfläche des Dichtungsringes (25, 26) vor dem Verschrauben und die Breite des Nutgrundprofiles (24) des Muffen- (1) oder Zapfenteiles (8, 9) dem n-fachen der Gewindesteigung entspricht, wobei n größer 1 und kleiner 1,5 ist und die axiale Lage der Nut (18, 19) in bezug auf den Gewindeabschnitt (4, 5, 12, 13) so gewählt ist, daß die Nut (18, 19) im vollen Gewindeeingriffsbereich des Muffen- (1) oder Zapfenteiles (8, 9) liegt.

2. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllgrad, d. h. das Verhältnis von Dichtringvolumen vor der Verschraubung zum Nutkammervolumen im Bereich zwischen 1,02 bis 1,3 liegt, wobei mit steigender Rohrabmessung ein größerer Füllgrad erforderlich wird.

3. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Nutgrundprofiles (24) des Muffen- (1) oder Zapfenteiles (8,9) vorzugsweise in einem Bereich zwischen dem 1,1- bis 1,3-fachen der Gewindesteigung liegt.

4. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Nuttiefe (21) zu Gewindehöhe (20) im Bereich zwischen 1,3 bis 1,5 liegt, wobei mit steigender Rohrabmessung ein größeres Verhältnis erforderlich wird.

5. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Beginn der auslaufenden Gewindegänge und Seitenwand (22) der Nutkammer (18) mindestens 2 vorzugsweise 3 Gewindegänge beträgt und die gegenüberliegende Seitenwand (23) soweit vom Dichtsitzbereich (6, 14) entfernt ist, daß kein negativer Einfluß auf die Dichtfunktion des Dichtsitzes (6, 14) feststellbar ist.

6. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (25, 26) im unverformten Zustand eine symmetrische Querschnittsfläche aufweist.

7. Gasdichte Ölfeldrohr-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (25, 26) im Querschnitt gesehen eine konvex gekrümmte äußere Kontur (35) aufweist.