DE4428871A1 - Rohrverbinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrverbinder gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Rohrverbinder dienen zum Verbinden rohrförmiger Elemente, beispielsweise von Rohrleitungen, die insbesondere unter Druck stehende Fluide, wie beispielsweise Gas oder Öl befördern. Bei der Suche nach Öl oder Gas werden diese Rohre als Futter- oder Förderrohre eingesetzt.

Die hier betrachteten Rohrverbindungen erfolgen üblicherweise mit Gewinden, einem Außengewinde auf einem Zapfenelement und einem Innengewinde in einem Muffenelement, die miteinander verschraubt werden. Bezüglich der nach dem Verschrauben eindeutigen Positionierung unterscheidet man Rohrverbinder mit einer aufgebrachten Markierung und solche, die ein zusätzliches Stoßelement als Innen- oder Außenschulter aufweisen. Dieses Schulterelement kann zusätzlich die Funktion einer Dichtung übernehmen. Die Schulter besteht im wesentlichen aus ringförmigen Flächen, die beispielsweise am freien Ende des Zapfenelementes und der Innenseite des Muffenelementes angeordnet sind und durch das Zusammenschrauben fest aufeinandergepreßt werden. Bei einer Innenschulter wird das Zapfenelement zwischen der Schulter und dem Gewinde zusammengedrückt und das Muffenelement zwischen der Schulter und dem Gewinde gedehnt. Bei einer Außenschulter wird das Zapfenelement zwischen der Schulter und dem Gewinde gedehnt und das Muffenende zwischen der Schulter und dem Gewinde zusammengedrückt. Die durch die Flächenpressung in der Schulter bewirkten Spannungen in Muffe und Zapfen werden überwiegend nur durch die wenigen letzten Gewindezähne des Gewindes aufgenommen, die benachbart zu den Schulterflächen liegen. Die übrigen Gewindegänge sind nur äußerst gering belastet. Dementsprechend sind die belasteten Gewindezähne hoch beansprucht. Diese hohen Spannungen im Gewinde werden durch äußere Belastung der Verbindung, insbesondere durch axialen Zug bzw. Druck, aber auch durch Innen- und Außendruck sowie durch Biegung erhöht, so daß die Gesamtspannung einen Wert erreichen kann, der größer ist als die zulässige Streckgrenze. Axialer Zug kann die Vorspannung im Stoß und damit seine Wirkung der Positionierung und Dichtung aufheben, axialer Druck kann zur plastischen Verformung im Schulterbereich führen und bei nachfolgender Zugbelastung die Funktion der Dichtung durch Abheben des Stoßes unwirksam machen.

Um die auf die Abdichtflächen (Stoß) einwirkenden Kräfte als Reaktionskräfte auf eine möglichst große Anzahl von Gewindezähnen aufzuteilen, ist in DE 34 31 808 A1 ein speziell ausgebildeter Rohrverbinder offenbart. Bei diesem Vorschlag weist der Rohrverbinder einen Zwischenabschnitt des Gewindes zwischen den Enden des Zapfen- und Muffengewindes auf, in dem beide Elemente die gleiche Steigung haben. In den Endenabschnitten sind die Steigungen zwischen Zapfen- und Muffengewinde verschieden, und zwar in Abhängigkeit von der Lage des Stoßes:

Wenn die ringförmigen Abdichtflächen (Stoß) auf der Rohrinnenseite liegen, dann weist das Gewinde des Zapfenelementes gegenüber dem Gewinde des Muffenelementes eine größere Steigung auf; wenn die Abdichtfläche an der Rohraußenseite liegt, ist es umgekehrt. Durch die vorgeschlagene Anordnung soll die vom Stoß herrührende Reaktionskraft gleichmäßig auf die Gewindezähne übertragen werden. Dabei werden jedoch Belastungen, wie axiale Kompression und Biegung, weiterhin zum großen Teil in den bereits durch die Verschraubung erheblich vorgespannten Stoß eingeleitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrverbinder anzugeben, der einfach herstellbar ist und mit dem eine Lastaufnahme für alle äußeren Belastungen der Verbindung überwiegend über das Gewinde erreicht wird. Dabei sollen Belastungen, die bekannte Rohrverbinder mit Stoßschulter besonders gefährden, wie axiale Kompression, Biegung und überhöhte Verschraubmomente, nicht mehr allein vom Stoß, sondern zum überwiegenden Teil vom Gewinde aufgenommen werden. Darüber hinaus ist eine gleichmäßige Verteilung aller Lasten auf das Gewinde angestrebt.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und Anspruches 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Rohrverbinder zeichnet sich dadurch aus, daß ein Element, vorzugsweise das Zapfenelement, wie bekannt eine Gewindeflankenlinie mit einer konstanten Kegelsteigung im üblichen Bereich von 1 : 6 bis 1 : 16 aufweist. Das andere Element, d. h. im Regelfall das Muffenelement, weist eine im Hinblick auf die Kegelneigung und die Konturen davon abweichende Gewindeflankenlinie auf. Bei der Verbindung beider Elemente ergibt sich in Verschraubposition mindestens in einem bestimmten Bereich, sei es der Gewindemittenbereich oder mehr die Randbereiche ein Übermaß der Gewindeflankendurchmesser. Durch diese Gewindeüberdeckung wird neben der radialen Verspannung im wesentlichen eine axiale Verspannung aufgrund des Poisson-Effektes im Gewinde erzeugt. Die axiale Verspannung entsteht bei geeigneter Auslegung durch lokale Aufweitung infolge Überdeckung und durch bedingte axiale Kontraktion der Muffe sowie entsprechend durch die lokale Einschnürung und damit verbundene Querdehnung des Zapfenelementes.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bedingen Gewindeformen die axiale Verspannung aufgrund ihrer Profilgestaltung mit negativer Lastflanke in Kombination mit der von der Gewindeflankenlinie des Zapfens abweichenden Flankenlinie des Muffengewindes. Die vorgeschlagene konventionelle Gestaltung des Zapfenelementes hat den großen Vorteil, daß mit den üblichen einfachen Mitteln ein beschädigtes Zapfengewinde nachgeschnitten werden kann. Das mit größerem technischen Aufwand hergestellte Muffenelement ist bei Beschädigung auszutauschen. Vom Erfindungsgedanken her ist aber eine besondere Ausgestaltung der Gewindeflankenlinie auch im Zapfenelement möglich. Der Erfindungsgedanke läßt sich ebenfalls auf Integralverbinder übertragen.

Die konstruktive Ausbildung des Muffenelementes kann in verschiedener Art und Weise erfolgen, aber immer mit dem Ziel, daß in Verschraubposition eine axiale Verspannung im Gewinde erzeugt wird. Als wesentliche Varianten sind zu nennen; die konvexe Kontur der Gewindeflankenlinie, sowie in Kombination mit deutlich ausgeprägter negativer Lastflanke ein steilerer oder flacherer Muffenkegel im Vergleich zum Zapfenkegel. Üblich sind etwa 3° positive Flankenneigung, erfindungsgemäß wird aber eine Flankenneigung im Bereich von -7° bis -12° gewählt.

Eine Besonderheit stellt die frei gestaltete Muffen-Gewindeflankenlinie dar, z. B. in Form einer flach verlaufenden Sinuskurve. Diese Kontur weist Durchmesser für die Muffen-Gewindeflankenlinie auf, die teilweise größer und teilweise kleiner und an bestimmten Orten gleich den in Verschraubposition entsprechenden Orten der Zapfenflankenlinie ist. Dadurch lassen sich an mehreren Orten, über der gesamten Gewindelänge verteilt, unterschiedlich Verspannungen erzielen.

Die Konstruktion schließt einen Stoß als Positionierungselement oder als zusätzliches Stützelement zur Aufnahme extremer Axialdruckbelastungen oder Biegung nicht aus. Axiale Kompression und die Druckkomponente der Biegung werden aber auch in diesem Fall vom Gewinde übernommen und dadurch eine Überlastung der Stoßschulter verhindert.

Die zuvor geschilderten Kombinationsmöglichkeiten sind auch auf ein zweistufiges Gewinde mit vorzugsweise mittig angeordneten metallischen Dichtsitz, eventuell in Kombination mit einer Schulter anwendbar. Als besonders vorteilhaft auch in bezug auf die Herstellbarkeit hat sich die Kombination verschiedener jeweils konstanter Kegelneigungen herausgestellt.

Durch gleichmäßige Belastung der Gewindebereiche kann die Zahnhöhe des Gewindes, verglichen mit herkömmlichen Verbindern, reduziert werden. In gleichem Maße wird der Rohrverbinder in seiner Bauhöhe kleiner, was zur Vergrößerung der Ringraumquerschnitte in Bohrungen führt bzw. schlankere Verrohrung erlaubt. Andererseits kann im Fall der Beibehaltung der Zahnhöhe die Axialdruck- oder Biegebelastbarkeit der Verbindung erhöht werden, ebenso das Verschraubmoment. Erhöhte Biegebelastbarkeit und erhöhtes Verschraubmoment sind von besonderem Vorteil z. B. bei rotierendem Einbau oder Zementieren von Futterrohren, bei abgelenkten oder Horizontalbohrungen. Dadurch kann der hohe Reibungswiderstand der Bohrlochwand oder des Zementes überwunden werden, ohne die Verbindung zu überlasten bzw. zu schädigen.

In der Zeichnung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäße Rohrverbinder näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rohrverbinder mit Muffe,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rohrverbinder als Integralverbindung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einem Gewinde mit konvexer Muffen-Gewindeflankenlinie in Verschraubposition,

Fig. 3a das Gewinde des Muffenelementes,

Fig. 3b das Gewinde des Zapfenelementes,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einem Gewinde mit in Muffe und Zapfen verschiedener Kegelneigung kombiniert mit negativer Lastflanke,

Fig. 4a, 4b, 4c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 4,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Gewindebereich mit einer frei geformten Muffen-Gewindeflankenlinie in Verschraubposition,

Fig. 5a das Gewinde des Muffenelementes,

Fig. 5b das Gewinde des Zapfenelementes,

Fig. 6 ein zweistufiges Gewinde mit verschiedenen Kegelneigungen in Kombination mit einer negativen Lastflanke,

Fig. 6a, 6b, 6c Ausschnittsvergrößerungen aus Fig. 6.

Zur Verdeutlichung der Formulierungen und Genauigkeit der Beschreibungen sind im folgenden einige Erläuterungen von Fachbegriffen für Gewinde niedergelegt, die zur Beschreibung der Erfindung verwendet worden sind.

Lastflanke

Diejenige Fläche des Gewindes, die axialen Zug formschlüssig vom Zapfen auf die Muffe überträgt.

Führungsflanke

Die der Lastflanke gegenüberliegende Flanke desselben Gewindezahnes. Die Führungsflanke ist bei verschraubten Gewinden unter Zug üblicherweise nicht belastet.

Anmerkung: Axiale Kompression führt zu einer Belastung der Führungsflanke und Entlastung der Lastflanke. Die Bezeichnungen bleiben jedoch auch für diesen Lastfall erhalten.

Flankenwinkel

Der Winkel, den die Flanke mit einer Normalen zur Gewindeachse im Gewindeprofil einschließt. Ein Flankenwinkel wird als positiv bezeichnet, wenn der Winkel in der Gewindelücke zwischen der Flanke und dem an die Flanke anschließenden Gewindegrund größer ist als der Winkel in der Gewindelücke zwischen der Normalen zur Gewindeachse und demselben Gewindegrund, ist dieser Winkel kleiner als der Winkel zwischen der Normalen zur Gewindeachse und dem Gewindegrund, wird der Flankenwinkel als negativ bezeichnet.

Flankendurchmesserlinie

Mantellinie eines imaginären, koaxial zum Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes, der die Flanken derart schneidet, daß die zum Gewindekopf und Gewindegrund gebildeten Abschnitte gleich groß sind.

Außendurchmesserlinie

Mantellinie eines imaginären, koaxial zum Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes, dessen Mantellinie die Gewindeköpfe des Außengewindes bzw. die Gewindegründe des Innengewindes berührt.

Kerndurchmesserlinie

Mantellinie eines imaginären, koaxial zum Gewinde liegenden Körpers, üblicherweise eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes, dessen Mantellinie die Gewindegründe des Außengewindes bzw. die Gewindespitzen des Innengewindes berührt.

Überdeckung

Überdeckungen sind Übermaße zugeordneter Maße, z. B. Längen oder Durchmesser zweier zu verbindender Teile, wobei der Körper mit größerem Maß durch Aufbringen einer äußeren Kraft innerhalb des Körpers mit kleinerem Maß montiert wird. Man spricht z. B. von Überdeckung, wenn der Zapfen-Außendurchmesser örtlich größer ist als der korrespondierende Muffen-Außendurchmesser. Überdeckungen können ebenso in axialer Richtung vorliegen. Zeichnerisch führen Überdeckungen zu Durchdringungen zweier ineinander montierter Teile. Da Durchdringungen fester Körper mechanisch nicht möglich sind, müssen beim Zusammenfügen der Teile die Maßunterschiede durch Verformungen ausgeglichen werden, die Verspannungen innerhalb der montierten Teile bedingen.

In den Fig. 1 und 2 sind in einem Längsschnitt Rohrverbinder dargestellt, und zwar in Fig. 1 mit einer Muffe und in Fig. 2 als Integralverbindung. Der erstgenannte Rohrverbinder besteht aus einer Muffe 1, die mit zwei konisch ausgebildeten Gewindeabschnitten 2, 3 versehen und im mittleren Bereich beidseitig je einen Dichtsitz und einen Stoß aufweist. Auf die Darstellung der Einzelheiten von Dichtsitz und Stoß wird hier verzichtet, da diese nicht erfindungswesentlich sind. Die beiden zu verbindenden Rohre 4, 5 sind im Endbereich als Zapfenelement 6, 7 ausgebildet und weisen komplementär zum Gewinde der Muffe 1 ebenfalls konisch ausgebildete Gewindeabschnitte 8, 9 auf. Im Unterschied zu Fig. 1 entfällt bei der in Fig. 2 dargestellten Integralverbindung die Muffe. Die beiden zu verbindenden Rohre 10, 11 sind in ihren Endbereichen zum einen als Zapfenelement 12 und zum anderen als Muffenelement 13 ausgebildet. Die beiden Elemente 12, 13 weisen je einen komplementär zueinander konisch ausgebildeten Gewindeabschnitt 14, 15 auf. Auf die Darstellung von Stoß und Dichtsitz ist verzichtet worden.

In Fig. 3 ist der Längsschnitt eines Gewindebereichs in verschraubter Position mit einer konvexen Muffen-Gewindeflankenlinie 16 (Einzeldarstellung Fig. 3a), kombiniert mit einem Zapfengewinde mit konischer Gewindeflankenlinie 17 (Einzeldarstellung Fig. 3b) dargestellt. Die Überdeckung ist hier als Durchdringung im mittleren Bereich 18 des Gewindes zu sehen. In den Randbereichen 19, 20 liegt aufgrund der konvexen Ausformung der Muffen-Gewindeflankenlinie 16 keine Überdeckung und damit auch keine axiale Verspannung vor.

In Fig. 4 ist in einem Längsschnitt ein Gewindebereich mit einem Zapfen- 21 und einem Muffengewinde 22 in verschraubter Position dargestellt. Die Gewindeflankenlinien 23, 24 verfügen über verschiedene Kegelneigungen. Beide Gewinde verfügen über eine negative Lastflanke 25. Die Fig. 4a, 4b, 4c zeigen Ausschnittsvergrößerungen der Fig. 4. Dabei sind Überdeckungen wiederum als Durchdringungen dargestellt. In Fig. 4c ist das Prinzip der Verspannung der Lastflanke 26 gegen die Führungsflanke 27 in Fig. 4b des Gewindes zu erkennen.

In Fig. 5 ist in einem Längsschnitt schematisch das Gewinde mit einer freigeformten Muffenflankenlinie in Verschraubposition dargestellt. Zur Vereinfachung erfolgt keine detaillierte Gewindedarstellung, sondern nur eine Darstellung mit Verlauf der Gewinde-Außendurchmesserlinien 28, 29, der Gewinde-Flankendurchmesserlinien 30, 31 und der Gewinde-Kerndurchmesserlinien 32, 33. Fig. 5a zeigt das Gewinde des Muffenelementes 1 in Einzeldarstellung, 5b das Gewinde des Zapfenelementes 6. Die beispielhafte Darstellung zeigt Bereiche 34 mit radialer Überdeckung, Bereiche 35 mit radialem Spiel, die axiale Verspannung (analog Fig. 4) bedingen, und spiel- und spannungsfreie Bereiche 36.

In Fig. 6 ist an einem Beispiel verdeutlicht, wie der erfindungsgemäße Gedanke in verschiedener Ausprägung auf zwei Gewindestufen 37, 38 aufgeteilt ist. In diesem Gewinde verfügen beide Stufen über verschiedene Kegelneigungen, wobei im Beispiel die Kegelneigungen 39, 40 des Zapfengewindes 43 in beiden Stufen 37, 38 gleich sind, die Kegelneigung 41 in der äußeren Gewindestufe 37 des Muffengewindes 44 flacher ist als die Neigung 39 des komplementären Zapfengewindes 43, wohingegen die Neigung 42 in der inneren Gewindestufe 38 des Muffengewindes 44 steiler ist als die des komplementären Zapfengewindes 43. Die Fig. 6a, 6b und 6c zeigen Ausschnittsvergrößerungen analog zu den Ausschnittsvergrößerungen der Fig. 4, wobei zur Verspannung führende Überdeckungen wiederum als Durchdringungen dargestellt sind.

Claims (12)

1. Rohrverbinder mit einem Muffenelement, das ein konisch ausgebildetes Innengewinde und mit einem Zapfenelement, das ein damit verschraubbares konisch ausgebildetes Außengewinde aufweist, wobei sich an die Gewindeabschnitte ein gewindefreier Abschnitt anschließen kann, der gegebenenfalls als metallischer Dichtsitz ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element (6, 21, 43) eine bekannte Gewindeflankenlinie konstanter Neigung (17, 24, 31, 39, 40) und das andere Element (1, 22, 44) im Hinblick auf die Kontur und/oder den Kegel davon abweichende Gewindeflankenlinie (16, 23, 30, 41, 42) aufweist.

2. Rohrverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muffenelement (1) eine konvex ausgebildete Gewindeflankenlinie (16) aufweist, wobei sich in Verschraubposition in mindestens einem Bereich eine Gewindeüberdeckung ergibt.

3. Rohrverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenelement (21) eine durchgehend gerade Gewindeflankenlinie (24) und das Muffenelement (22) eine im Hinblick auf die Kontur und/oder den Kegel davon abweichende Gewindeflankenlinie aufweist und das Gewinde zusätzlich eine deutlich ausgeprägte negative Lastflanke (25) aufweist.

4. Rohrverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elemente (21, 22) eine Gewindeflankenlinie konstanter Neigung (23, 24) mit einer stark ausgeprägten negativen Lastflanke (25) aufweisen, wobei die Neigungen der beiden Gewindeflankenlinien (23, 24) unterschiedlich sind.

5. Rohrverbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied in der Kegelneigung mindestens 0,01 mm/Zoll und maximal eine halbe Zahnhöhe pro Zoll beträgt.

6. Rohrverbinder nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung eines Innendichtsitzes die Neigung der Muffengewindeflankenlinie flacher als die des Zapfens ist und bei einem Außendichtsitz die Neigung der Muffengewindeflankenlinie steiler ist als die des Zapfens.

7. Rohrverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenelement (6) eine Gewindeflankenlinie (31) konstanter Neigung aufweist und das Muffenelement (1) eine frei geformte Gewindeflankenlinie (30) aufweist, wobei die Durchmesser der Muffen-Gewindeflankenlinie (30) teilweise größer, teilweise kleiner und teilweise gleich ist dem Durchmesser der korrespondierenden Zapfen-Gewindeflankenlinie (31).

8. Rohrverbinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde beider Elemente (1, 6) eine deutlich ausgeprägte negative Lastflanke aufweist.

9. Rohrverbinder mit einem Muffenelement, das ein zweistufiges konisch ausgebildetes Innengewinde und mit einem Zapfenelement, das ein damit verschraubbares zweistufiges konisch ausgebildetes Außengewinde aufweist und gegebenenfalls mit einem zwischen den beiden Stufen angeordneten metallischen Dichtsitz und gegebenenfalls einer Schulter, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stufen (37, 38) eines Elementes (43) bekannte Gewindeflankenlinien konstanter Neigung und mindestens eine Stufe (37, 38) des anderen Elementes (44) eine im Hinblick auf die Kontur und/oder den Kegel (41, 42) davon abweichende Gewindeflankenlinie aufweist.

10. Rohrverbinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elemente (43, 44) in beiden Stufen (37, 38) Gewindeflankenlinien konstanter Neigung mit einer deutlich ausgeprägten negativen Flanke aufweisen, wobei die Neigung der jeweiligen Gewindeflankenlinien von Muffe (44) und Zapfen (43) in mindestens einer Stufe (37, 39) voneinander abweichen.

11. Rohrverbinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindeflankenlinie (41) der Muffe (44) der außenliegenden ersten Stufe (37) flacher ist als die des Zapfens (43) und die Gewindeflankenlinie (42) der Muffe (44) der innen liegenden zweiten Stufe (38) des zweistufigen Gewindes steiler ist als die des Zapfens (43).

12. Rohrverbinder nach Anspruch 3 bis 6, 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Flanke einen Winkel im Bereich von -7° bis -12° aufweist.