DE60109276T2

DE60109276T2 - Mit einem gewinde versehenes, röhrförmiges element für ermüdungsbeständige, verschraubbare rohrverbindung und damit hergestellte rohrverbindung

Info

Publication number: DE60109276T2
Application number: DE60109276T
Authority: DE
Inventors: Lionel Verdillon
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: ATE290669T1; BR0109605B1; CZ301730B6; EP1269060A1; US20020113436A1; CZ20023597A3; DE60109276D1; FR2807138A1; AR027664A1; FR2807138B1; WO2001075346A1; CN1205432C; MXPA02009389A; JP2003529734A; CA2400824A1; BR0109605A; CA2400824C; EA003718B1; EA200201045A1; DZ3272A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein rohrförmiges Einsteck- oder Aufnahmegewindeelement einer Gewinde-Rohrverbindung, das besonders gut geeignet ist, sowohl statische als auch zyklische Beanspruchungen auszuhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Gewinde-Rohrverbindung, die besonders gut geeignet ist, sowohl statische als auch zyklische Beanspruchungen auszuhalten.
Gewinde-Rohrverbindungen besitzen ein mit einem Außengewinde versehenes Element, genannt Einsteckgewindeelement, am Ende eines ersten Rohrs, und ein mit einem Innengewinde versehenes Element, genannt Aufnahmegewindeelement, am Ende eines zweiten Rohrs, das ein Rohr großer Länge oder eine Muffe sein kann. Diese Gewindeverbindungen werden insbesondere verwendet, um Säulen von Futterrohren oder von Steigrohren oder Züge vom Typ Bohrstangenzug für Kohlenwasserstoffbohrbrunnen oder ähnliche Bohrbrunnen zu bilden, wie zum Beispiel Bohrbrunnen für die Geothermie.
Das American Petroleum Institute (API) definiert in seiner Spezifikation API 5B Gewindeverbindungen zwischen Futterrohren oder zwischen Steigrohren mit insbesondere kegeligen Gewinden mit dreieckigen abgerundeten oder trapezförmigen Gewindegängen.
Andere Arten von Gewindeverbindungen sind ebenfalls bekannt, die zylindrische oder kegelige zweistufige Gewinde verwenden: Siehe zum Beispiel das Patent US 4521 042 .
Bis vor kurzem mussten die Futterrohre oder Steigrohre hauptsächlich in der Lage sein, gegenüber den verschiedenen Kombinationen von statischen Beanspruchungen (Zug, axiale Drücke, ebene Bie gung, Innen- oder Außendruck) fest zu sein, trotz ihrer begrenzten Dicke, die aus der Notwendigkeit resultiert, verschiedene Säulen unterschiedlicher Durchmesser ineinander zu schieben, um aus einem tiefen Bohrbrunnen fördern zu können.
Dagegen sind die Bohrstangen, die nur verwendet werden, um die Brunnen zu bohren, großen zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt, unterliegen aber keinen Erfordernissen des Raumbedarfs, da zu einem gegebenen Zeitpunkt nur ein Bohrstangenzug mit einem gegebenen Durchmesser abgesenkt wird.
Wenn die zyklischen Beanspruchungen nicht strikt begrenzt werden, führen sie im Betrieb zu Ermüdungsbrüchen, die an der Wurzel der Gewindegänge im Allgemeinen auf der Seite der unter Last stehenden Trägerflanken entstehen.
Diese bevorzugte Stelle des Entstehens von Ermüdungsrissen zeugt von einer Konzentration von Belastungen an der Verbindungsstelle zwischen Trägerflanke und Gewindeganggrund.
Um die Festigkeit gegenüber zyklischen Beanspruchungen zu verbessern, ist es notwendig, den maximalen Belastungspegel zu reduzieren, indem der allgemeine Belastungspegel an der Trägerflanke reduziert wird, und indem eine Verbindung zwischen der Trägerflanke und dem Gewindeganggrund hergestellt wird, die so wenig eckig wie möglich ist.
Die Spezifikation API 7D definiert Bohrstangen mit robusten kegeligen Gewinden, die für die Betriebsbeanspruchungen ausgelegt sind. Die Gewindegänge gemäß API 7D sind von stark abgerundeter Dreieckform mit Träger- und Eingriffsflanken, die je in einem Winkel von 30° bezüglich der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements ange ordnet sind.
Es wird daran erinnert, dass die Trägerflanke diejenige ist, die auf jedem Gewindegang auf der dem freien Ende des Elements entgegengesetzten Seite angeordnet ist. Diese Definition wird in der gesamten vorliegenden Druckschrift verwendet.
Der Gewindeganggrund ist gemäß einem Kreisbogen mit einem Radius von 0,97 mm (0,038'') gerundet, der auf die Achse des Gewindeganggrunds zentriert ist; dieser Kreisbogen schließt tangential an die Flanken an.
Der aus der Dreiecksform der Gewindegänge entstehende Winkel von 60° zwischen den Gewindegangflanken ermöglicht es, einen Kreisbogen mit einem beträchtlichen Radius durchzulassen.
Die Gewindegangscheitel sind abgestumpft, um jede radiale Interferenz zwischen Gewindegangscheiteln und Gewindeganggründen des zugehörigen Gewindes zu vermeiden.
Die Höhe der so abgestumpften Gewindegänge beträgt 3,08 mm (0,121''), was der doppelten Höhe der Gewindegänge von Gewindeverbindungen gemäß API 5B entspricht.
Diese Mittel können aber immer noch unzureichend sein, da das Patent US 4 549 754 ein Gewindeprofil beschreibt, das bezüglich der Spezifikation API 7D für Bohrstangen verändert ist, wodurch es in der Lage ist, die Belastungskonzentrationen noch weiter zu reduzieren.
Der Gewindegang gemäß diesem Patent US 4 549 754 besitzt im Schnitt eine Grund, der nicht symmetrisch ist, sondern eine Abrun dung aufweist, deren Mitte zur Eingriffsflanke hin (entgegengesetzt zur Trägerflanke) verschoben ist, und deren Radius im Vergleich mit dem Radius API um etwa 50% vergrößert ist und 1,45 mm (0,057'') beträgt.
Diese Abrundung schließt tangential an die Trägerflanke an, während sie an die Eingriffsflanke mit einem weniger kritischen Profil anschließt: Einfaches Geradensegment oder Radius von 0,81 mm (0,032''), gefolgt von einem Geradensegment.
Der Gewindeganggrund ist dann tiefer als bei einem API-Gewindegang und erfordert also eine sehr große Ausgangsrohrdicke, um die Gewindegänge zu schneiden.
Eine solche Maßnahme kann bei den Rohrsäulen für den Betrieb von Bohrbrunnen nicht in Betracht gezogen werden, wenn diese sowohl statischen als auch dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Man trifft nun auf solche Anforderungen der Beanspruchungsfestigkeit bei Unterwassersäulen, die den Meeresboden mit den Plattformen zum Fördern von Kohlenwasserstoffen aus dem Meer verbinden.
Solche Rohrsäulen, die in der englischen Fachsprache "Riser" genannt werden, sind nämlich den zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt, die insbesondere von den Strömungen, die die Säule in Schwingung versetzen, von der Dünung, von den Gezeiten und von den möglichen Verschiebung der Plattformen selbst erzeugt werden.
Man trifft ebenfalls auf solche Anforderungen der Beanspruchungsfestigkeit bei Erdbrunnen, insbesondere beim drehenden Absenken von Rohren, um die Brunnen im sehr häufigen Fall von von der Senkrechten abweichenden Brunnen, die Knicke aufweisen, zu zementie ren.
Daher hat man versucht, die Gewinde-Rohrverbindungen für Futterrohre, Steigrohre oder "Riser" derart zu verbessern, dass ihre Ermüdungsfestigkeit vergrößert wird.
Die Patentanmeldung WO 98/50 720 beschreibt eine solche verbesserte Gewinde-Rohrverbindung.
Die in dieser Druckschrift beschriebenen Gewinde weisen trapezförmige Gewindegänge auf, die von den "Buttress"-Gewindegängen der Spezifikation API 5B abgeleitet sind.
Die Trapezform der Gewindegänge begrenzt die Gefahr der Verformung der Gewindeelemente, die beim Schraubvorgang, insbesondere durch Überschrauben, zum Lösen ihrer Verbindung führen kann.
Die Gewindeganggründe sind hautsächlich geradlinig und schließen an jede der Flanken über eine Abrundung an, deren Radius zwischen 10 und 50% der Gesamtbreite des Gewindeganggrunds (und vorzugsweise zwischen 16 und 26% dieser Gesamtbreite) liegt, wobei die Abrundung tangential an der Flanke und am Gewindeganggrund endet.
Die Höhen der Gewindegänge sind derart, dass jede radiale Interferenz zwischen dem Gewindeganggrund eines Gewindes und dem entsprechenden Gewindegangscheitel des zugehörigen Gewindes vermieden wird, indem zwischen ihnen ein radiales Spiel von mindestens 0,25 mm (0,010'') aufrechterhalten wird.
Unter Berücksichtigung der als Beispiel angegebenen Gewinde betragen die Abrundungen am Gewindeganggrund in etwa 0,5 mm im Ver hältnis zu 0,15 mm für die von der API 5B spezifizierten Radien.
Solche Radien können gering scheinen, wenn man sie mit denjenigen der Bohrstangen vergleicht, aber die Trapezform der verwendeten Gewindegänge ermöglicht es nicht, ebenso große Radien herzustellen wie im Fall der dreieckigen Gewindegänge, es sei denn, man akzeptiert, dass die tragende Fläche der in Kontakt stehenden Flanken erheblich reduziert wird.
Die Gewinde gemäß dieser Druckschrift WO 98/50 720 sind außerdem nicht für so genannte interferierende Gewindegänge geeignet, die eine radiale Interferenz zwischen den Gewindegangscheiteln eines Gewindes und den entsprechenden Gewindeganggründen des zugehörigen Gewindes aufweisen. Die dargestellten Gewindegänge sind vom Typ "Keil" mit variabler Breite, wie diejenigen, die im US-Patent Re 40 647 beschrieben sind.
In der vorliegenden Erfindung wurde versucht, ein rohrförmiges Einsteck- oder Aufnahmegewindeelement für Gewinde-Rohrverbindungen herzustellen, das gleichzeitig besonders fest ist gegenüber:

a) statischen Beanspruchungen, insbesondere axialem Zug, axialem Druck, Biegung, Torsion, Innen- oder Außendruck, Auseinanderlösen beim Verschrauben, einfach oder kombiniert (zum Beispiel Zug + Innendruck);
b) zyklischen Beanspruchungen.

In der vorliegenden Druckschrift wird von einem solchen Gewindeelement gesagt, dass es ein ermüdungsfestes Profil aufweist.
Es wurde auch danach getrachtet, dass das erfindungsgemäße rohrförmige Gewindeelement mit allen Arten von Gewinden hergestellt werden kann, kegeligen, zylindrischen, kombiniert zylindrischkegeligen, mit einer oder mehreren Stufen, mit trapezförmigen oder dreieckigen, interferierenden oder nicht interferierenden Gewindegängen; die nicht interferierenden Gewinde können zum Beispiel von der in der Anmeldung EP 454 147 beschriebenen Art mit gleichzeitigem Kontakt der beiden Flanken mit denjenigen des zugehörigen Gewindegangs (auch "rugged thread" genannt), mit axialer Einspannung oder von der Art Keil mit variabler Breite sein, wie es zum Beispiel im US-Patent Re 30 647 beschrieben ist.
Es wurde auch danach getrachtet, dass das Gewindeelement einfach hergestellt und einfach geprüft werden kann.
Das erfindungsgemäße Gewindeelement muss verwendbar sein, um Gewindeverbindungen zu bilden, die für Säulen von Steigrohren für Kohlenwasserstoffe, von Brunnen-Futterrohren, oder für die Unterwasserförderung ("Risers"), oder ähnliche Nutzungen bestimmt sind.
Es wurde außerdem danach getrachtet, Gewinde-Rohrverbindungen herzustellen, die selbst unter zyklischen Beanspruchungen dicht sind, insbesondere gasdicht.
Das erfindungsgemäße Gewindeelement muss in einer Variante verwendet werden können, um Bohrstangenzüge zu bilden.
Es wurde auch danach getrachtet, eine Gewinde-Rohrverbindung herzustellen, bei der nur eines der Gewindeelemente, zum Beispiel das Aufnahmeelement, verändert wurde, um gegenüber zyklischen Beanspruchungen fest zu sein, das aber mit einem zugehörigen Gewindeelement kompatibel ist, das nicht verändert wurde.
In einer Variante wurde auch danach getrachtet, eine Gewinde- Rohrverbindung herzustellen, bei der die beiden Gewindeelemente verändert wurden, um gegenüber zyklischen Beanspruchungen fest zu sein.
Erfindungsgemäß wird das Einsteck- oder Aufnahmegewindeelement mit ermüdungsfestem Profil am Ende eines Rohrs hergestellt und weist ein Außengewinde oder ein Innengewinde auf, je nachdem, ob das Gewindeelement ein Einsteck- oder ein Aufnahmegewindeelement ist.
Die Gewindegänge weisen einen Gewindegangscheitel, einen Gewindeganggrund, eine geradlinige Trägerflanke, eine geradlinige Eingriffsflanke und zwei tangentiale "Gewindeganggrund-Anschlusszonen" genannte Anschlusszonen auf.
Jede der beiden tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszonen ist zwischen dem Gewindeganggrund und einer der beiden Gewindegangflanken, "entsprechende Flanke" genannt, angeordnet und weist einen Kreisbogen auf.
Mindestens eine der beiden tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszonen, "Zone mit vielen Radien" genannt, weist einen "Hauptkreisbogen" genannten Kreisbogen, dessen Trägerkreis die Trägergerade der entsprechenden Flanke in einem "Flanken-Bezugspunkt" genannten Punkt schneidet, und eine "sekundäre Kurve" genannte regelmäßige Kurve zu beiden Seiten des Hauptkreisbogens auf, die diesen tangential einerseits mit der entsprechenden Flanke und andererseits mit dem Gewindeganggrund verbindet: Eine nicht tangentiale Verbindung würde nämlich in Höhe des einzelnen Anschlusspunkts eine Belastungsspitze erzeugen, die besonders schädlich bezüglich der Ermüdung ist.
Auch muss die sekundäre Kurve gleichmäßig sein, d.h. keinen einzelnen Punkt aufweisen, der möglicherweise an dieser Stelle eine Beanspruchungsspitze erzeugen würde.
Am Flanken-Bezugspunkt bildet die Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens mit der Trägergeraden der entsprechenden Flanke einen strikt positiven spitzen Winkel.
Für den weiteren Verlauf der vorliegenden Beschreibung wird bestimmt, dass die positive Richtung derart ist, dass der Hauptkreisbogen nicht das Material der Gewindegangflanke aushöhlt: Ein negativer Winkel zwischen der Tangente und der Flanke wäre offensichtlich besonders schädlich für die Ermüdungsfestigkeit.
Der Trägerkreis des Hauptkreisbogens schneidet oder tangiert die Trägergerade des Gewindeganggrunds, und die Tangente zum Trägerkreis bildet im betrachteten Schnittpunkt oder Tangierungspunkt mit der Trägergeraden des Gewindeganggrunds einen Winkel zwischen –15° und +15°.
Wenn der Trägerkreis des Hauptkreisbogens die Trägergerade des Gewindeganggrunds tangiert, ist dieser Winkel Null, und die sekundäre Kurve auf der Seite des Gewindeganggrunds reduziert sich auf einen Punkt.
Wenn der Gewindeganggrund sich auf einen Punkt reduziert, ist die Trägergerade des Gewindeganggrunds bestimmungsgemäß die durch den Gewindeganggrund verlaufende Gerade, die parallel zur Achse des Gewindeelements liegt.
Die Form und die Anordnung des Hauptkreisbogens jeder Zone mit vielen Radien sind perfekt definiert:

– durch die Position des Flanken-Bezugspunkts,
– durch den Winkel zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens am Flanken-Bezugspunkt und der entsprechenden Flanke,
– und durch den Winkel zwischen der Tangente zum Kreis und dem Gewindeganggrund.

Der Radius des Hauptkreisbogens jeder Gewindeganggrund-Zone mit vielen Radien ist größer als derjenige des durch den Flanken-Bezugspunkt verlaufenden, "Standard-Kreisbogen" genannten Kreisbogens, der für sich alleine eine tangentiale Anschlusszone zwischen der entsprechenden Flanke und dem Gewindeganggrund bilden würde.
Die Erfindung ermöglicht es so, in den kritischen Zonen, die zur Mitte der Anschlusszone hin liegen, wo sich der Hauptkreisbogen befindet, einen großen Anschlussradius zu verwenden, und an der Verbindung mit der entsprechenden Flanke und mit dem Gewindeganggrund, wo die sekundären Kurven angeordnet sind, kleinere Radien zu verwenden, ohne dass übermäßig viel Gewindeganghöhe verbraucht wird.
Bei einer gegebenen Gewindeganghöhe ist die verfügbare Flankenfläche, um auf der entsprechenden Fläche des zugehörigen Gewindeelements aufzuliegen, umso größer, je näher der Flanken-Bezugspunkt dem Gewindeganggrund liegt, was die statischen Leistungen der daraus entstehenden Gewindeverbindung erhöht.
Im Fall der Gewindeelemente des Stands der Technik ist die radiale Höhe der Anschlusszone (Entfernung des Flanken-Bezugspunkts zum Gewindeganggrund) proportional zum Radius dieser Zone. Bei diesen Gewindeelementen und bei einer gegebenen Gewindeganghöhe hat demnach jede Verbesserung der Ermüdungseigenschaften (zykli sche Beanspruchungen) eine Verschlechterung der statischen Eigenschaften zur Folge.
Im Fall der vorliegenden Erfindung ist aufgrund des positiven Winkels zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens und der Flanke die radiale Höhe der Anschlusszone proportional zum Radius des Hauptkreisbogens, aber der Proportionalitätskoeffizient ist umso geringer, je größer dieser positive Winkel ist. Man kann dann versuchen, entweder die Ermüdungsfestigkeit bei gegebenen statischen Eigenschaften, oder die statischen Eigenschaften bei gegebener Ermüdungsfestigkeit, oder auch gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit und die statischen Eigenschaften zu verbessern.
Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens der betrachteten Zone mit vielen Radien und der entsprechenden Flanke am Flanken-Bezugspunkt zwischen +10° und (70° – J), wobei J den entsprechenden Flankenwinkel bezeichnet, d.h. den Winkel zwischen dem geradlinigen Bereich der betrachteten Flanke und der Senkrechten zur Achse des rohrförmigen Gewindeelements. Der Flankenwinkel wird positiv gezählt, wenn die betrachtete Flanke nicht dazu neigt, über den Gewindeganggrund vorzustehen.
Sehr vorzugsweise liegt der Winkel zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens der betrachteten Zone mit vielen Radien und der Trägerflanke am Flanken-Bezugspunkt zwischen +15° und (45° – J), wobei J die gleiche Definition wie vorher hat.
Eine Konfiguration mit einem Flankenwinkel, der positiv oder Null ist, wird aus der Sicht der Konzentration von Beanspruchungen an der Wurzel der Gewindegänge bevorzugt.
Vorzugsweise liegt der Radius des Hauptkreisbogens der Zone mit vielen Radien zwischen 150 und 250% desjenigen des Standard-Kreisbogens, der eine durch den Flanken-Bezugspunkt verlaufende tangentiale Anschlusszone bilden würde.
Weiter vorzugsweise ist jede sekundäre Kurve der Zone mit vielen Radien ein Kreisbogen.
Sehr vorzugsweise liegt das Verhältnis des Radius des Kreisbogens jeder sekundären Kurve zu demjenigen des Hauptkreisbogens zwischen 0,1 und 0,4.
Der Mindestwert dieses Verhältnisses verhindert ein übermäßiges Ansteigen der Belastungen in Höhe der sekundären Kurven.
Der Höchstwert des Verhältnisses begrenzt die globale Ausdehnung der Zone mit vielen Radien.
Die Erfindung kann angewendet werden, indem das Profil der Gewindegänge entweder auf der Seite einer einzigen Flanke, insbesondere der Trägerflanke, die allgemein am meisten belastet ist, oder auf beiden Flanken verändert wird.
Sie kann auch sowohl bei dreieckigen als auch bei trapezförmigen Gewindegängen mit fester oder variabler Breite und für kegelige, zylindrische, kombinierte Gewinde mit einfacher oder mehreren Stufen angewendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen werden weiter unten in einer die Reichweite der Erfindung nicht einschränkenden Weise erläutert.
Die Erfindung betrifft auch eine Gewinde-Rohrverbindung mit hoher Festigkeit gegenüber statischen und zyklischen Beanspruchungen, mit einem rohrförmigen Einsteck-Gewindeelement am Ende eines ersten Rohrs, das durch Schraubverbindung mit einem rohrförmigen Aufnahme-Gewindeelement am Ende eines zweiten Rohrs mittels eines Außengewindes auf dem Einsteck-Gewindeelement und eines Innengewindes auf dem Aufnahme-Gewindeelement zusammengesetzt wird.
Unter einem Rohr versteht man sowohl ein Rohr großer Länge als auch ein Rohr geringer Länge, wie zum Beispiel eine Muffe.
Die Gewindegänge jedes der Gewinde weisen einen Gewindegangscheitel, einen Gewindeganggrund, eine geradlinige Trägerflanke, eine geradlinige Eingriffsflanke und vier Anschlusszonen auf, die je einen Kreisbogen enthalten.
Unter diesen vier Zonen verbinden zwei so genannte tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszonen je den Gewindeganggrund mit einer so genannten entsprechenden Flanke, und zwei so genannte Gewindegangscheitel-Anschlusszonen verbinden je den Gewindegangscheitel mit einer Flanke.
Das Profil und die Anordnung jeder Gewindegangscheitel-Anschlusszone sind ausgelegt, um nicht mit der tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszone des zugehörigen Gewindeelements zu interferieren.
Mindestens eines der beiden Einsteck- oder Aufnahmegewindeelemente ist ein rohrförmiges Gewindeelement mit ermüdungsfestem Profil gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer Variante ist vorzugsweise mindestens eine Gewinde gangscheitel-Anschlusszone eines rohrförmigen Gewindeelements entgegengesetzt zu einer tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszone mit vielen Radien eines zugehörigen rohrförmigen Gewindeelements mit ermüdungsfestem Profil eine so genannte Nachlaufzone, die zwei Kreisbögen aufweist, die tangential aneinander anschließen, von denen einer ein Hauptkreisbogen und der andere ein sekundärer Kreisbogen ist, wobei dieser letztere vorgesehen ist, um den tangentialen Anschluss der Gewindegangscheitel-Anschlusszone an die entsprechende Flanke durchzuführen.
Außerdem bildet im so genannten "oberen Anschlusspunkt" der entsprechenden Flanke, wo der Trägerkreis des Hauptkreisbogens der Nachlaufzone die Trägergerade der entsprechenden Flanke schneidet, die Tangente zum Kreis einen strikt negativen spitzen Winkel mit der Trägergeraden der betreffenden Flanke.
Gemäß der weiter oben im Text angegebenen Bestimmung bedeutet ein solches Vorzeichen, dass der Hauptkreisbogen am Gewindegangscheitel in das Material des Gewindegangs greift.
Eine solche Maßnahme ermöglicht es, die in Kontakt stehende Fläche der Flanken für eine gegebene Gewindeganghöhe zu vergrößern.
Gemäß einer bezüglich der Kosten vorteilhaften Variante ist nur eines der Einsteck- oder Aufnahmegewindeelemente von der Art mit ermüdungsfestem Profil gemäß der Erfindung, und es ist mit dem anderen Gewindeelement kompatibel, das ein Gewindeelement gemäß dem Stand der Technik ist.
Gemäß einer anderen, aus der Sicht der Maximierung der Leistungen vorteilhaften Variante sind die beiden Einsteck- und Aufnahmegewindeelemente vom Typ mit ermüdungsfestem Profil gemäß der Er findung.
Gemäß einer Variante betrifft die erfindungsgemäße Gewinde-Rohrverbindung so genannte interferierende Gewinde, bei denen der Gewindegangscheitel eines Gewindes radial mit dem Gewindeganggrund des zugehörigen Gewindes interferiert.
Gemäß einer anderen Variante betrifft die erfindungsgemäße Gewinde-Rohrverbindung Gewinde, bei denen die beiden Flanken jedes Gewindegangs mit oder ohne Kontaktdruck mit den beiden Gewindegangflanken des zugehörigen Gewindes in Kontakt sind, und dies über mindestens einen Teil der Länge der Gewinde: Die Erfindung betrifft also auch die so genannten "Rugged Thread"-Gewindegänge mit axialem Einspannen oder auch die Keilgewindegänge mit variabler Breite.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen hervor, die also nicht nur zum Verständnis der Erfindung dienen, sondern ggf. auch zu ihrer Definition beitragen können.
Alle nachfolgend definierten Figuren beziehen sich auf Halblängsschnitte, die durch die Achse des Gewindeelements oder der Gewindeverbindung verlaufen.
1 stellt einen gemufften Gewindezusammenbau zwischen zwei Rohren mit Hilfe von kegeligen Gewinden dar.
2 stellt einen so genannten integralen Gewindezusammenbau zwischen zwei Rohren mit Hilfe von zylindrischen Gewinden dar, die in zwei Stufen angeordnet sind.
3A stellt einige trapezförmige Gewindegänge eines Aufnahmegewindeelements des Stands der Technik dar.
Die 3B, 3C, 3D und 3E stellen die Anschlusszonen zwischen den Flächen der Gewindegänge der 3A dar.
4A stellt einige trapezförmige Gewindegänge eines Einsteckgewindeelements gemäß der Erfindung dar.
Die 4B, 4C, 4D und 4E stellen die Anschlusszonen zwischen den Flächen der Gewindegänge der 4A dar.
Die 4F und 4G stellen je ein Detail der 4B dar.
5A stellt einige trapezförmige Gewindegänge einer erfindungsgemäßen Gewindeverbindung dar, die aus dem Zusammenbau der Gewindeelemente der 3A und 4A besteht.
5B stellt ein Detail des Zusammenbaus der 5A in Höhe der Anschlusszonen der 3C und 4B dar.
6A stellt einige trapezförmige Gewindegänge einer Variante eines erfindungsgemäßen Aufnahmegewindeelements dar.
Die 6B, 6C, 6D und 6E stellen die Anschlusszonen zwischen den Flächen der Gewindegänge der 6A dar.
7A stellt einige trapezförmige Gewindegänge einer Variante eines erfindungsgemäßen Einsteckgewindeelements dar.
Die 7B, 7C, 7D und 7E stellen die Anschlusszonen zwischen den Flächen der Gewindegänge der 7A dar.
8A stellt einige trapezförmige Gewindegänge einer Variante einer erfindungsgemäßen Gewindeverbindung dar, die aus dem Zusammenbau der Gewindeelemente der 6A und 7A besteht.
8B stellt ein Detail des Zusammenbaus der 8A in Höhe der Anschlusszonen der 6C und 7B dar.
8C stellt ein Detail des Zusammenbaus der 8A in Höhe der Anschlusszonen der 6B und 7C dar.
9A stellt einige dreieckige Gewindegänge einer anderen Variante eines erfindungsgemäßen Aufnahmegewindeelements dar.
Die 9B und 9C stellen die Anschlusszonen zwischen den Flanken der Gewindegänge der 9A dar.
10A stellt einige dreieckige Gewindegänge einer anderen Variante eines erfindungsgemäßen Einsteckgewindeelements dar.
Die 10B und 10C stellen die Anschlusszonen zwischen den Flanken der Gewindegänge der 10A dar.
11A stellt einige Gewindegänge einer anderen Variante einer erfindungsgemäßen Gewindeverbindung dar, die aus dem Zusammenbau der Gewindeelemente der 9A und 10A besteht.
11B stellt ein Detail des Zusammenbaus der 11A in Höhe der Anschlusszonen der 9C und 10B dar.
11C stellt ein Detail des Zusammenbaus der 11A in Höhe der Anschlusszonen der 9B und 10C dar.
12 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Radius des Hauptkreisbogens und demjenigen des Standardkreises einer Anschlusszone in Abhängigkeit vom Winkel am Flanken-Bezugspunkt für verschiedene Werte des Winkels am Gewindeganggrund-Anschlusspunkt darstellt.
13 zeigt die gleiche graphische Darstellung für verschiedene Werte des Trägerflankenwinkels.
14 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderung der Hauptbelastung in Abhängigkeit von der Winkelposition auf der Anschlusszone zwischen Gewindeganggrund und Trägerflanke einer Gewinde-Rohrverbindung zeigt, die dem Innendruck eines Fluids ausgesetzt ist.
1 stellt einen gemufften Gewindezusammenbau 200 zwischen zwei Rohren großer Länge 101, 101' dar.
Unter Rohren großer Länge versteht man Rohre mit einer Länge von mehreren Metern, zum Beispiel einer Länge von etwa 10 Meter.
Solche Rohre werden üblicherweise zusammengesetzt, um Säulen von Futterrohren oder Steigrohren oder "Risern" für Kohlenwasserstoff-Bohrbrunnen an Land oder im Meer, oder Bohrstangenzüge für die gleichen Brunnen zu bilden.
Die Rohre können aus allen Arten von nicht legierten, geringfügig le gierten oder stark legierten Stählen sein, sogar aus eisenhaltigen oder nicht eisenhaltigen Legierungen, um sich an die verschiedenen Betriebsbedingungen anzupassen: mechanischer Beanspruchungspegel, korrodierende Eigenschaft des Fluids innerhalb oder außerhalb der Rohre.
Man kann auch Rohre aus wenig korrosionsfestem Stahl verwenden, die mit einer Umhüllung zum Beispiel aus Kunststoffmaterial versehen sind, um jeden Kontakt zwischen dem Stahl und dem korrodierenden Fluid zu vermeiden.
Die Rohre 101, 101' weisen an ihren Enden gleiche Einsteckgewindeelemente 1, 1' auf und werden mit Hilfe einer Muffe 202 zusammengesetzt, die an jedem Ende ein Aufnahmegewindeelement 2, 2' aufweist.
Die Einsteckgewindeelemente 1, 1' werden je durch Schraubverbindung in die Aufnahmegewindeelemente 2, 2' eingebaut, wodurch zwei symmetrische Gewindeverbindungen 100, 100' entstehen, die durch einen Absatz 10 von einigen Zentimeter Länge vereint werden.
Der Absatz 10 der Muffe weist einen Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen gleich demjenigen der Rohre 101, 101' ist, so dass das Fließen des innen strömenden Fluids nicht gestört wird.
Da die Gewindeverbindungen 100, 100' symmetrisch sind, wird nur der Betrieb einer dieser Verbindungen beschrieben.
In 1 wurden die Gewinde schematisch durch die Gewindegangscheitel- und Gewindeganggrund-Mantellinien oder -Umhüllende dargestellt.
Das Einsteckgewindeelement 1 weist ein kegeliges Außengewinde 3 gemäß der Spezifikation API 5B mit je nachdem dreieckigen oder trapezförmigen Gewindegängen auf, das auf der Außenseite des Einsteckelements angeordnet ist. Das Außengewinde 3 wird vom freien Ende 7 des Elements durch eine gewindelose Lippe 11 getrennt. Das freie Ende 7 ist eine im Wesentlichen quer liegende, ringförmige Fläche.
An das freie Ende 7 auf der Außenfläche der Lippe 11 angrenzend befindet sich eine kegelige Auflagefläche 5, deren Kegelform größer ist als die des Außengewindes 3.
Das Aufnahmeelement 2 weist denen des Einsteckelements 1 zugehörige Mittel auf, d.h., dass sie ihnen in der Form entsprechen und dazu bestimmt sind, aufgrund ihrer Anordnung mit den Einsteckmitteln zusammenzuwirken.
Das Aufnahmeelement 2 weist so innen ein kegeliges Innengewinde 4 und einen gewindelosen Bereich zwischen dem Gewinde und einem Absatz 10 auf.
Dieser gewindelose Bereich weist insbesondere eine im Wesentlichen quer ausgerichtete ringförmige Fläche 8, die eine Schulter am Ende des Absatzes bildet, und eine auf die Schulter folgende, kegelige Auflagefläche 6 auf.
Der Zusammenbau wird durch Einschrauben des Einsteckelements 1 in das Aufnahmeelement 2 erhalten.
Das Einschrauben des Außengewindes in das Innengewinde endet, wenn die Querflächen 7 und 8 gegeneinander in Anschlag liegen. Die Auflageflächen 5, 6 sind so gestaltet, dass sie radial miteinander in terferieren, und stehen dadurch unter Metall-Metall-Kontaktdruck. Die Auflageflächen 5, 6 bilden so Dichtungsauflageflächen, die die Gewindeverbindung selbst bei hohen inneren oder äußeren Fluiddrücken abdichten.
Wenn man keine erhöhte Dichtheit wünscht, kann man den Absatz 10 weglassen, also die Anschlagquerfläche 8 und die Auflageflächen 5, 6.
In einer Variante kann der Gewindezusammenbau von zwei Rohren großer Länge direkt erfolgen, wie in 2 dargestellt; diese Art des Zusammenbaus 300, der nur eine Gewindeverbindung verwendet, wird als integral bezeichnet.
Das Rohr 301 ist an einem seiner Enden mit einem Einsteckgewindeelement 1 versehen, während das zweite Rohr 302 am entsprechenden Ende mit einem Aufnahmegewindeelement 2 versehen ist.
Das Einsteckgewindeelement 1 weist ein Außengewinde auf, das im vorliegenden Fall aus 2 zylindrischen Stufen oder Abstufungen 303, 303' mit runden dreieckigen oder trapezförmigen Gewindegängen besteht, die von einer ringförmigen Querschulter 307 getrennt werden, wobei die Abstufung geringeren Durchmessers 303' sich auf der Seite des freien Endes 309' des Elements befindet, wobei dieses freie Ende 309' eine ringförmige Querfläche ist.
Zwischen dem Gewindebereich 303' und der Endfläche 309' befindet sich eine kegelige Auflagefläche 311'.
Auf der gegenüberliegenden Seite auf dem Einsteckelement wird der Gewindebereich 303 durch einen gewindelosen Bereich verlängert, der eine kegelige Auflagefläche 311 und eine ringförmige Querfläche 309 aufweist, die eine Schulter bilden.
Das Aufnahmegewindeelement 2 weist innen den Einsteckmitteln zugehörige Aufnahmemittel auf.
Das Aufnahmeelement 2 weist so ein aus zwei zylindrischen Abstufungen 304, 304', die durch eine ringförmige Querschulter 308 getrennt sind, bestehendes Innengewinde auf, wobei die Abstufung größeren Durchmessers 304 zum freien ringförmigen Querende 310 des Aufnahmeelements hin angeordnet ist.
Das Aufnahmeelement weist außerdem zwei kegelige Auflageflächen 312, 312', die den Einsteckauflageflächen 311, 311' entsprechen, und eine ringförmige Querfläche 310' auf, die am dem freien Ende 310 gegenüberliegenden Ende des Elements eine Schulter bildet.
Im verschraubten Zustand sind die Einsteckgewindeelemente 303 bzw. 303' in die Aufnahmegewindeelemente 304 bzw. 304' geschraubt, und die zentralen Schultern 307, 308 liegen gegeneinander in Anschlag. Die Endquerflächen 309 bzw. 309' befinden sich praktisch in Kontakt mit denjenigen der Schultern 310 bzw. 310' und bilden Hilfsanschläge für den Hauptanschlag 307, 308.
Die Einsteckauflageflächen 311 bzw. 311' interferieren radial mit den Aufnahmeauflageflächen 312 bzw. 312', indem sie hohe Metall-Metall-Kontaktdrücke entwickeln, die in der Lage sind, die Dichtheit der Verbindung gegenüber äußeren oder inneren Fluiden zu gewährleisten.
In nicht dargestellten Varianten kann der gemuffte Gewindezusammenbau zylindrische Gewinde und der integrale Zusammenbau kegelige Gewinde aufweisen.
Die Gewinde können auch je zwei kegelige Gewindebereiche mit unterschiedlicher Kegelform oder vom zylindrisch-kegeligen Typ sein, wobei die Gewindebereiche des gleichen Gewindes gestuft sein können oder nicht.
Die folgenden Figuren beschreiben mehrere Varianten von Gewindegängen von rohrförmigen Gewindeelementen für eine Gewinde-Rohrverbindung, die dazu bestimmt ist, sowohl gegenüber statischen als auch gegenüber zyklischen Beanspruchungen fest zu sein.
3A stellt einen Gewindegang 12 des kegeligen Innengewindes 4 eines rohrförmigen Aufnahmegewindeelements 2 der 1 dar.
Die Innengewindegänge 12 sind trapezförmig und weisen vier geradlinige Flächen auf, nämlich einen Gewindegangscheitel 20, einen Gewindeganggrund 18 und zwei Flanken: eine Trägerflanke 14 und eine Eingriffsflanke 16.
Im dargestellten Fall sind die Gewindegangscheitel und Gewindeganggründe um einen Winkel C bezüglich der Achse des Gewindeelements geneigt; der Winkel C ist der Winkel des Kegels des Gewindes; die Höhe des Gewindegangs ist auf jeder Flanke konstant.
Man kann auch alternativ auf dem kegeligen Gewinde Gewindegangscheitel und -gründe vorsehen, die parallel zur Achse des Gewindeelements angeordnet sind: Die Höhe des Gewindegangs ist dann auf der Seite der Eingriffsflanke größer als auf der Seite der Trägerflanke, damit das Gewinde kegelig ist.
Die Eingriffsflanke 16 ist die Flanke, die als erste die entsprechende Flanke des zugehörigen Gewindes berührt, wenn man die Einsteck elemente und Aufnahmeelemente ineinander fügt: Sie ist auf dem Gewindegang auf der Seite des freien Endes des Gewindeelements angeordnet.
Die Trägerflanke 14 ist also auf der dem freien Ende des Gewindeelements entgegengesetzten Seite angeordnet.
Die Trägerflanke 14 bildet einen Winkel A mit der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements, und die Eingriffsflanke bildet einen Winkel B mit der gleichen Senkrechten.
Die Winkel A und B werden bestimmungsgemäß aufgrund der Tatsache als positiv bezeichnet, dass die entsprechenden Flanken 14 und 16 nicht über den Gewindeganggrund 18 überstehen.
Die Flanken sind mit dem Gewindegangscheitel und -grund durch vier tangentiale Anschlusszonen 22, 32, 42, 52 verbunden, die je aus einem einfachen Kreisbogen bestehen, wie in den 3B, 3C, 3D und 3E zu sehen ist.
Die Zonen 22 und 52 mit einem Radius von r_2fp bzw. r_2fe sind tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszonen, während die Zonen 32 und 42 mit einem Radius r_2sp bzw. r_2se Gewindegangscheitel-Anschlusszonen sind.
Die Bezeichnung tangential für die Anschlusszonen 22, 32, 42, 52 drückt die Tatsache aus, dass der Kreisbogen, aus dem diese Zonen bestehen, mit seinen Enden die Flächen tangiert, die sie verbinden. Dies vermeidet jeden eckigen Punkt, der eine Beanspruchungsspitze erzeugen könnte, wenn diese Zonen einer Beanspruchung ausgesetzt werden.
4A stellt einen Gewindegang 11 eines kegeligen Außengewindes 3 eines Einsteckgewindeelements 1 der 1 dar.
Wie der Innengewindegang 12 ist der Außengewindegang 11 trapezförmig und weist vier geradlinige Flächen auf, nämlich einen Gewindegangscheitel 17, einen Gewindeganggrund 19 und zwei Flanken: eine Trägerflanke 13 und eine Eingriffsflanke 15.
Die Außengewindegänge 11 sind ausgelegt, um in die Innengewindegänge 12 geschraubt zu werden. Die Außengewindegangscheitel und -gründe sind so zum Beispiel um den gleichen Winkel C geneigt wie die Innengewindegangscheitel und -gründe. Die Winkel A der Trägerflanke und B der Eingriffsflanke des Außengewindegangs 11 sind gleich denen des Innengewindegangs 12.
Die Flanken schließen an den Gewindegangscheitel und an den Gewindeganggrund über vier tangentiale Anschlusszonen 21, 31, 41, 51 an.
Die tangentialen Anschlusszonen des Gewindegangscheitels 31, 41 und des Gewindeganggrunds 51 bestehen aus einem einfachen Kreisbogen mit einem Winkel r_1sp, r_1se bzw. r_1fe und sind in den 4C, 4D und 4E dargestellt.
Die tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszone 21, die sich zwischen dem Gewindeganggrund und der Trägerflanke befindet, besteht aus mehreren aufeinander folgenden Kreisbögen mit verschiedenen einander tangierenden Radien.
Diese im Detail in den 4B, 4F und 4G dargestellte Zone 21 wird aus diesem Grund "mit vielen Radien" genannt.
Die Zone 21 mit vielen Radien weist im mittleren Bereich einen "Hauptkreisbogen" genannten Kreisbogen 23 mit dem Radius r_p1 und einen "sekundärer Kreisbogen" genannten Kreisbogen auf jeder Seite dieses Hauptkreisbogens, einen ersten sekundären Kreisbogen 25 auf der Seite der Trägerflanke 13 mit dem Radius r_s1 und die Trägerflanke tangierend, und einen zweiten sekundären Kreisbogen 27 auf der Seite des Gewindeganggrunds 19 mit dem Radius r_T1 und den Gewindeganggrund tangierend auf.
Der Trägerkreis des Hauptkreisbogens 23 schneidet die Trägergerade der Trägerflanke 13 im "Flanken-Bezugspunkt" genannten Punkt P_RF1, ohne diese Trägergerade zu tangieren.
Es gibt also im Punkt P_RF1 einen Winkel D zwischen der Tangente 61 zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens 23 und der Trägergeraden der Trägerflanke 13. Dieser Winkel D ist strikt positiv gemäß der der von uns verwendeten Vorzeichenbestimmung, gemäß der ein solcher Winkel positiv ist, wenn der Hauptkreisbogen nicht das Material des Gewindegangs aushöhlt; die Tangente 61 ist daher innerhalb des Gewindegangs 11 bezüglich der Trägergeraden der Trägerflanke.
Der Trägerkreis des Hauptkreisbogens 23 schneidet die Trägergerade des Gewindeganggrunds 19 im Punkt P_RR1, ohne diese Trägergerade zu tangieren.
Die Tangente 63 zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens 23 im Punkt P_RR1 bildet also einen schwach positiven Winkel E mit der Trägergeraden des Gewindeganggrunds 19.
Die Erfinder haben festgestellt, dass für einen einwandfreien Betrieb der Gewindeverbindung der Winkel E auf ein Intervall von +15° bis –15°, zum Beispiel 10°, begrenzt werden sollte, da ein negativer Win kel gemäß unserer Vorzeichenbestimmung das Material des Gewindegangs, oder im vorliegenden Fall eher des Gewindeganggrunds, aushöhlt.
Die Tatsache, dass die Position des Punkts P_RF1 auf der Trägerflanke 13 sowie die Winkel D und E festgelegt werden, ermöglicht es, den Radius r_p1 des Hauptkreisbogens 23 perfekt zu definieren.
Wenn die Kegelform des Gewindes schwach (Winkel C entspricht einigen Grad) und die Trägerflanke 13 im Wesentlichen senkrecht zum Gewindeganggrund 19 ist, liegt der Radius r_p1 nahe dem Doppelten des Radius r_H1 des "Standardkreis" genannten hypothetischen Kreises 29, der durch den Punkt P_RF1 verläuft, und der für sich alleine eine tangentiale Anschlusszone zwischen Trägerflanke und Gewindeganggrund bilden würde. Das heißt, dass der durch P_RF1 verlaufende Standardkreis 29 sowohl den Gewindeganggrund 19 als auch die Trägerflanke 13 tangiert.
Der den Wert des Verhältnisses (r_P1/r_H1) am meisten beeinflussende Faktor unter Berücksichtigung der erlaubten Variationen ist der Winkel D.
Wenn der Winkel D zu klein ist, kleiner als 10°, ist das Verhältnis (r_P1/r_H1) kaum größer als 1 und daher die Wirkung auf die Ermüdungsfestigkeit begrenzt. Man wählt folglich einen Winkel D von mehr als 10°, und vorzugsweise von mehr als 15°.
Ein zu großer Winkel D kann in Fall der Gewindegänge mit stark positiv geneigter Trägerflanke zu einer geometrischen Inkompatibilität führen. Daher begrenzt man den Wert von D nach oben auf den Wert (70° – A) und vorzugsweise auf (45° – A).
Bei einem stark positiven Winkel A führt außerdem ein zu großer Winkel D zu zu großen Werten des Verhältnisses r_P1/r_H1, die die Verwendung von sekundären Kreisbögen mit kleinem Radius erfordern, welche die Quelle von unerwünschten Beanspruchungsspitzen im Betrieb in Höhe dieser Bögen 25 und 27 sind.
Daher werden die Winkel D und E eher unter Berücksichtigung der Werte der Winkel A und C gewählt, damit das Verhältnis r_P1/r_H1 zwischen 1,5 und 2,5 liegt. Im vorliegenden Fall ist E = 10° und D = 30°.
Die sekundären Kreisbögen 25, 27 besitzen einen Radius r_s1 bzw. r_T1 kleiner als r_P1.
Das ist nicht störend für das Betriebsverhalten der Gewinde, da die Erfinder festgestellt haben, dass der am meisten beanspruchte und somit kritischste Bereiche der Gewindeganggrund-Anschlusszone der mittlere Bereich des Hauptkreisbogens 23 am Gewindefuß auf der Seite der Trägerflanke ist.
Bei den Gewindezusammenbauten, die sehr intensiven aber variablen Zugkräften ausgesetzt sind, beobachtet man allgemein Ermüdungsrisse, die im mittleren Bereich der Gewindeganggrund-Anschlusszone auf der Seite der Trägerflanke entstehen, die die Zugkräfte auf die Gewindeelemente trägt.
Ein zu kleiner sekundärer Kreisradius kann aber eine sekundäre Beanspruchungsspitze in Höhe der Bögen 25 oder 27 einführen, die möglicherweise in zweiter Linie Ermüdungsrisse im Betrieb initiieren könnte.
Ein zu großer sekundärer Kreisradius führt dagegen zu relativ zu großen Bögen 25 oder 27, vor allem, wenn der Radius r_P1 groß ist.
Man wählt vorzugsweise einen Wert r_S1/r_P1 zwischen 0,1 und 0,4.
5A stellt den Außengewindegang 11 der 4A und den Innengewindegang 12 der 3A in der Stellung dar, in der die Einsteck- und Aufnahmeelemente 1, 2 durch Schraubverbindung zusammengebaut sind, um eine Gewinde-Rohrverbindung vom Typ 100 der 1 zu bilden.
Die Gewindegänge 11, 12 der 5A werden interferierend genannt, da der Gewindegangscheitel 20 eines der Gewinde, hier des Innengewindes, radial mit dem Gewindeganggrund 19 des zugehörigen Gewindes interferiert, hier des Außengewindegangs.
Die Außenträgerflanken und Innenträgerflanken 13, 14 sind ebenfalls in Kontakt und axialen Zugkräften, die durch das Gewicht der Rohre der Säule verursacht werden, und im Fall der Gewindeverbindungen der 1 Kräften ausgesetzt, die durch das in Anschlag bringen der Querflächen 7, 8 mit einem Schraubmoment von mehreren kN·m erzeugt werden.
Es ist anzumerken, dass ähnliche Kräfte beim in Anschlag bringen der Schultern 307, 308 der 2 erhalten werden.
Um wieder zur 5A zurückzukommen, dort wird dagegen ein Spielraum zwischen dem Außengewindegangscheitel 17 und dem Innengewindeganggrund 18 sowie zwischen den Eingriffsflanken 15, 16 gelassen.
Diese Spielräume begrenzen auch die Gefahren der Interferenz zwischen Außen- und Innen-Anschlusszonen wie 31/22, 41/52 und 51/42, selbst bei gleichen Radien zwischen einander zugehörigen An schlusszonen.
Der Radius r_2sp der Innengewindegangscheitel-Anschlusszone 32 auf der Seite der Trägerflanke wird groß genug gewählt, um nicht mit der Zone mit vielen Radien 21 zu interferieren.
Jede Interferenz zwischen den Zonen 21 und 32 würde nämlich zu einer Beanspruchungsspitze und zu einer Gefahr eines Bruchs im Betrieb führen, was nicht akzeptabel ist.
Die Verwendung einer Zone 21 mit vielen Radien am Außengewindeganggrund auf der Seite der Trägerflanke ermöglicht es, den Radius des kritischen Bereichs der tangentialen Anschlusszone zu erhöhen, die am meisten beansprucht wird, wenn man einen Anfangspunkt der tangentialen Anschlusszone auf der Trägerflanke festlegt: Siehe weiter oben die Analyse der Werte des Verhältnisses r_P1/r_H1.
Man hätte auch einen minimalen Wert des Hauptkreisbogenradius festlegen und den Gewinn bei der tragenden Fläche des Gewindegangs und somit bei den statischen Eigenschaften der Gewindeverbindung analysieren können. Es ist richtig, dass dieser Gewinn zum Teil durch die Verwendung eines einfachen Radius r_2sp am zugehörigen Innenanschluss reduziert wird: Siehe 5B.
Man jedoch fest, dass es nur notwendig war, im Vergleich mit dem Stand der Technik eine einzige Anschlusszone auf einem einzigen Element zu verändern, hier dem Einsteckelement.
Man hätte genauso gut nur das Aufnahmeelement verändern können. Es ist dem Benutzer dann möglich, Rohre 101 zu verwenden, die Einsteckgewindeelemente 1 des Stands der Technik aufweisen, und nur Muffen 202 mit veränderten Innengewindegängen zu versehen, die eine Zone mit vielen Radien zwischen Gewindeganggrund und Trägerflanke aufweisen.
Schließlich muss betont werden, dass die Gewindegänge mit Anschlusszonen mit vielen Radien nicht schwieriger zu bearbeiten oder zu überprüfen sind als Standardgewindegänge des Stands der Technik, die Anschlusszonen mit einfachem Radius aufweisen: Die Bearbeitung erfolgt mit Hilfe von Werkzeugen angepasster Form, und die Überprüfung geschieht in üblicher Weise, indem auf die Gewindegänge zwei auf die beiden Grenzen der Herstellungstoleranz bearbeitete Lehren aufgesetzt werden ("Overlay"-Überprüfung genannt).
6A stellt einen trapezförmigen Innengewindegang 12 global gleich dem der 3A dar.
Dieser Gewindegang hat aber im Vergleich mit demjenigen der 3A Unterschiede bezüglich der beiden Anschlusszonen auf der Seite der Trägerflanke, nämlich der Zone 22 des Gewindeganggrunds und der Zone 32 des Gewindegangscheitels, die beide Zonen mit vielen Radien sind.
Die Zone 22 ist in 6B im Einzelnen dargestellt.
Sie weist einen Hauptkreisbogen 24 und einen sekundären Kreisbogen 26 auf, der auf der einen Seite den Hauptkreisbogen und auf der anderen Seite die Trägerflanke 14 tangiert. Der Hauptkreisbogen schließt tangential an den Gewindeganggrund 18 an, so dass es nicht notwendig ist, einen zweiten sekundären Kreisbogen vorzusehen, um den Anschluss auf dieser Höhe durchzuführen.
Der Hauptkreisbogen 24 schneidet die Trägerflanke 14 im Punkt P_RF2, und die Tangente 62 zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens 24 in P_RF2 bildet einen strikt positiven Winkel D mit der Trägergeraden der Trägerflanke 14.
Es wird die gleiche Vorzeichenbestimmung wie vorher verwendet.
In 4B beträgt der Winkel D +30°.
Aufgrund des positiven Winkels D ist der Radius r_p2 des Hauptkreisbogens 24 größer als derjenige r_H2 des Standardkreisbogens 30, der für sich alleine eine tangentiale Anschlusszone zwischen Trägerflanke 14 und Gewindeganggrund 18 bildet.
Der Wert des Verhältnisses r_p2/r_H2 gehorcht den gleichen Betrachtungen, wie sie für den Anschluss 21 der 4B beschrieben wurden, wobei der vorliegende Fall einen besonderen Fall darstellt, bei dem der Winkel E Null ist.
Aus den bereits für den Fall der 4B beschriebenen Gründen hat der sekundäre Kreisbogen 26 einen Radius r_S2, der kleiner ist als derjenige des Hauptkreisbogens.
Die Gewindegangscheitel-Anschlusszone 32 ist im Einzelnen in 6C dargestellt.
Sie weist einen Hauptkreisbogen 34 und einen sekundären Kreisbogen 36 auf, wobei letzterer einerseits den Hauptkreisbogen 34 und andererseits die Trägerflanke 14 tangiert.
Der Trägerkreis des Hauptkreisbogens 34 schneidet die Trägerflanke im Punkt P_RH2, der "oberer Anschlusspunkt" genannt wird.
Die Tangente 66 in P_RH2 zum Hauptkreisbogen 34 bildet einen Winkel H mit der Trägerflanke 14.
Der Winkel H ist strikt negativ gemäß der von uns benutzten Vorzeichenbestimmung, d.h. dass der Hauptbogen 34 das Material des Gewindegangs 12 aushöhlt oder in es greift.
Der Vorteil einer solchen Konfiguration für die Anschlusszone 32 ist, dass sie es bei gleichem Radius ermöglicht, den Punkt P_RH2 näher am Gewindegangscheitel anzuordnen als im Fall eines Anschlusses wie 42 (siehe 6D), der aus einem einfachen Kreisbogen besteht.
Man kann nach Wunsch in einer in 6C nicht dargestellten Weise die Zone 32 mittels eines zweiten sekundären Kreisbogens tangential an den Gewindegangscheitel anschließen.
Der Radius r_P6 des Hauptbogens 34 kann außerdem, wenn nötig, unendlich sein, wobei der Bogen 34 dann ein Geradensegment wird.
Der Radius r_S6 des sekundären Bogens 36 ist in jedem Fall kleiner als der Radius r_P6 des Hauptbogens 34. Gleiches würde für einen weiteren sekundären Bogen auf der Seite des Gewindegangscheitels gelten.
7A stellt einen trapezförmigen Außengewindegang 11 dar, der global ähnlich demjenigen der 4A ist.
Dieser Gewindegang ist von einer Form, die ausgelegt ist, um in den Innengewindegang 12 der 6A geschraubt zu werden.
Wie im Fall der 6A sind die Anschlusszonen 41, 51 auf der Seite der Eingriffsflanke mit einfachem Radius (siehe 6D und 6E), während diejenigen 21 und 31 auf der Seite der Trägerflanke viele Radien aufweisen.
Die tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszone 21 (7C) gleicht derjenigen 21 der 4A bis auf die Tatsache, dass, da der Winkel E Null ist, kein sekundärer Kreisbogen erforderlich ist, um den Hauptkreisbogen 23 an den Gewindeganggrund 19 anzuschließen: Die Zone 21 ist also tatsächlich das Gegenstück der Zone 22 der 6B; insbesondere beträgt der Winkel D +30°.
Die Gewindegangscheitel-Anschlusszone 31 (7B) ist ähnlich und stellt das Gegenstück der Zone 32 der 6C dar.
8A stellt den Außengewindegang 11 der 7A und den Innengewindegang 12 der 6A bei zur Bildung der Gewinde-Rohrverbindung 100 der 1 durch Schraubverbindung zusammengebauten Gewindeelementen 1, 2 dar.
Die Gewindegänge 11, 12 der 8A sind vom interferierenden Typ wie diejenigen der 5A: Nur die Innengewindegangscheitel 20 sind unter Kontaktdruck mit den Außengewindeganggründen 19 in Kontakt, wie auch die Außenträgerflanken und die Innenträgerflanken 13, 14.
Die 8B und 8C zeigen die relative Anordnung der zusammengebauten Anschlusszonen mit vielen Radien 21, 32, 31, 22. Aufgrund der Veränderung des Anschlusses am Gewindegangscheitel können die Außen- und Innenträgerflanken 13, 14 über eine größere Fläche verlaufen als im Fall der 5A und können daher größere statische Zuglasten aushalten.
Da die Einsteckgewindeelemente und die Aufnahmegewindeelemente beide verändert wurden, ist außerdem die Ermüdungsfestigkeit des Zusammenbaus nicht durch die Ermüdungsfestigkeit des nicht ver änderten Gewindeelements begrenzt, wie im Fall der 5A.
Dagegen erfordert diese Art von Gewindeverbindung, Einsteckelemente und Aufnahmeelemente vom veränderten Typ mit ermüdungsfestem Profil vorzusehen.
9A stellt einen dreieckigen Innengewindegang 12 eines rohrförmigen Aufnahmegewindeelements 2 der 1 dar.
Der Innengewindegang 12 weist auf:

– einen Gewindegangscheitel S2
– einen Gewindeganggrund F2
– eine Trägerflanke 14, die einen Winkel A mit der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements 2 bildet
– eine Eingriffsflanke 16, die einen Winkel B mit der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements 2 bildet.

Die Winkel A und B betragen beide 30°, wie in der Spezifikation API 5B.
Die Definition der Trägerflanke und der Eingriffsflanke ist die gleiche wie weiter oben angegeben.
Da das Gewinde 4 kegelig ist, bilden die die Gewindegangscheitel und die die Gewindeganggründe verbindenden Linien einen Winkel C mit der Achse des Gewindegangelements.
Die Flanken 14, 16 schließen an den Gewindegangscheitel S2 und an den Gewindeganggrund F2 durch tangentiale Anschlusszonen 22, 32, 42, 52 an.
Die Gewindegangscheitel-Zonen 32, 42 sind bezüglich der Senkrech ten zur Achse des Gewindeelements, die durch den Scheitel S2 verläuft, zueinander symmetrisch; sie bestehen aus einem einfachen Kreisbogen mit dem Radius r_2s: Siehe 9C.
Die Gewindeganggrund-Zonen 22, 52 sind nicht bezüglich der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements, die durch den Grund F2 verläuft, zueinander symmetrisch; sie haben im Gegenteil viele Radien: siehe 9B.
Die Zone 22 weist einen Hauptkreisbogen 24 mit dem Radius r_p2 auf, der in F2 die Gewindeganggrund-Trägergerade tangiert. Der Trägerkreis des Bogens 24 schneidet in P_RF2 die Trägergerade der Trägerflanke 14.
Gemäß der weiter oben in der vorliegenden Druckschrift angegebenen Bestimmung wird die Trägergerade des Gewindeganggrunds im Fall von dreieckigen Gewindegängen als die Gerade definiert, die parallel zur Achse des Zusammenbaus liegt, die durch den Grund F2 des Gewindegangs verläuft.
In P_RF2 bildet die Tangente 62 zum Hauptkreisbogen 24 einen positiven Winkel D mit der Trägerflanke 14. Der Winkel D beträgt zum Beispiel 30°.
Die Zone 22 weist auch einen sekundären Kreisbogen 26 mit dem Radius r_S2 auf, von dem ein Ende das Ende des Hauptkreisbogens 24 und das andere Ende die Trägerflanke 14 tangiert.
Der Radius r_p2 des Hauptkreisbogens 24 ist daher größer als der Radius r_H2 eines nicht gezeichneten Standardkreises, der in P_RF2 die Trägerflanke und in F2 die Trägergerade des Gewindeganggrunds tangiert, und verleiht so dem Anschluss zwischen Gewindeganggrund und Trägerflanke Ermüdungsfestigkeitseigenschaften.
Der Radius r_S2 ist kleiner als der Radius r_p2 und liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,4 mal r_p2.
Die Zone 52 weist einen Hauptkreisbogen 54 mit dem Radius r_p4 auf, der in F2 die Gewindeganggrund-Trägergerade tangiert. Der Trägerkreis des Bogens 54 schneidet in P_RF4 die Trägergerade der Eingriffsflanke 16.
In P_RF4' bildet die Tangente 68 zum Hauptkreisbogen 24 einen positiven Winkel F mit der Eingriffsflanke 16. Der Winkel F beträgt zum Beispiel 15°.
Die Zone 52 weist auch einen sekundären Kreisbogen 56 mit dem Radius r_S4 auf, von dem ein Ende das Ende des Hauptkreisbogens 54 und das andere Ende die Eingriffsflanke 16 tangiert.
Der Radius r_p4 des Hauptkreisbogens 54 ist daher größer als der Radius r_H4 eines nicht gezeichneten Standardkreises, der in P_RF4 die Eingriffsflanke 16 und in F2 die Trägergerade des Gewindeganggrunds tangiert, und verleiht so dem Anschluss des Gewindeganggrunds an die Trägerflanke Ermüdungsfestigkeitseigenschaften.
Der Radius r_S4 ist kleiner als der Radius r_p4 und liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,4 mal r_p4.
Auf diese Weise trachtet die Gestaltung des Gewindeelements danach, die Ermüdungsfestigkeit der Gesamtheit des Gewindeganggrunds zu verbessern, wenn die beiden Flanken 14 und 16 zyklischen Lasten ausgesetzt sind, aber die Trägerflanke stärker beansprucht wird, was im Allgemeinen bei Säulen von Rohren, die ab wechselnd in Zug und Druck arbeiten oder Biegekräften ausgesetzt sind, der Fall ist.
10A stellt einen Außengewindegang 11 dar, der ausgelegt ist, um in den Innengewindegang 12 der 9A geschraubt zu werden.
Dieser Innengewindegang 11 weist einen Gewindegangscheitel S1, einen Gewindeganggrund F1, eine Trägerflanke 13 und eine Eingriffsflanke 15 auf.
Die Flanken 13, 15 schließen an die Gewindegangscheitel 51 und Gewindeganggründe F1 über Anschlusszonen 21, 31, 41, 51 an.
Die in 10B gezeigten Gewindegangscheitel-Zonen 31, 41 bestehen aus einem Kreisbogen mit dem Radius r_1S und sind ähnlich denen 32, 42 der 9C.
Die in 10C gezeigten Gewindeganggrund-Zonen 21, 51 haben viele Radien; sie sind ähnlich denen 22, 52 der 9B und bilden ihr Gegenstück.
11A stellt den Außengewindegang 11 der 10A und den Innengewindegang 12 der 9A dar, die durch Schraubverbindung zusammengebaut sind, um die Gewinde-Rohrverbindung der 1 zu bilden.
Die Gewindegänge 11, 12 stehen über ihre beiden Flanken in Druckkontakt: Die Außenträgerflanke 13 steht mit der Innenträgerflanke 14, und die Außeneingriffsflanke 15 steht mit der Inneneingriffsflanke 16 in Kontakt.
Es gibt dagegen ein Spiel zwischen einander zugehörigen Gewinde gangscheiteln und Gewindeganggründen (F1/S2 und F2/S1) und zwischen entsprechenden Anschlusszonen (21/42, 51/32, 41/52, 31/22): Siehe 11B und 11C.
Dieses Spiel und die Form der Gewindegänge und der Anschlusszonen mit Hauptkreisbögen mit großem Radius am Gewindeganggrund ermöglichen die gute Zug-Druck-Ermüdungsfestigkeit oder die Biegefestigkeit dieser Art von Gewinde-Rohrverbindung mit dreieckigen Gewindegängen.
Die 12 und 13 stellen für verschiedene Kombinationen von Winkeln A und E den Einfluss des Winkels D auf den Wert des Verhältnisses r_P1/r_H1 des Radius des Hauptkreisbogens der Zone mit vielen Radien des Gewindeganggrunds zu demjenigen des Standardkreisbogens dar, der für sich alleine eine tangentiale Anschlusszone bildet.
Aus den 12 und 13 geht hervor, dass das Verhältnis r_p1/r_H1 mit dem Winkel D ansteigt. Man sieht in 12, dass der Einfluss des Winkels E mäßig ist und mit den geringen für diesen Winkel tolerierten Veränderungen in Bezug steht: Ein Winkel E von 15° ermöglicht es, geringfügig höhere Werte r_P1/r_H1 zu erhalten als wenn E = 0°.
Für die Trägerflanken von trapezförmigen Gewindegängen, die im Allgemeinen wenig geneigt sind und (A–C) nahe 0° entsprechen, kann der Winkel D vorteilhafterweise zwischen 15 und 45° gewählt werden, was dem beanspruchten bevorzugten Bereich für diesen Winkel entspricht, wenn der Winkel A Null ist.
13 zeigt den Einfluss des Winkels A: Das Verhältnis r_P1/r_H1 vergrößert sich, wenn der Winkel A an algebraischem Wert zunimmt.
Ein leicht negativer Winkel A (überstehende Trägerflanken von "Hook Thread" genannten Hakengewinden) erfordert es, einen relativ großen Winkel D zu wählen, um einen merklichen Gewinn über r_P1 zu erhalten.
Ein sehr positiver Winkel A bedingt, dass der Wert des Winkels D auf 30°, sogar auf 20° begrenzt wird: Man trifft solche Werte des Winkels A bei dreieckigen Gewindegängen.
Die Eingriffsflanken von trapezförmigen Gewindegängen sind außerdem im Allgemeinen stärker geneigt als die Trägerflanken: Der Einfluss des Winkels B kann direkt von demjenigen des Winkels A kopiert werden.
14 stellt die Variation der Hauptbelastung in der Anschlusszone zwischen Gewindeganggrund und Trägerflanke im mittleren Bereich des Gewindes in der folgenden Konfiguration einer Gewindeverbindung für "Riser"-Rohre zur Verbindung zwischen dem Meeresboden und der Förderplattform von Unterwasser-Lagerstätten dar:

– Rohre mit Außendurchmessern von 339,7 mm (13 3/8''), vereint durch gemuffte Gewindeverbindungen vom Typ der 1
– kegelige Gewinde (Kegelform 1/6, d.h. ein Winkel C von 4,8°);
– 4 Gewindegänge pro Zoll (Gewindesteigung: 6,35 mm);
– trapezförmige Gewindegänge der Höhe 2,1 mm mit Scheiteln und Gründen parallel zur Achse der Rohre;
– gerade Trägerflanken (A = 0°);
– geneigte Eingriffsflanken (B = 15°);
– axiale Zuglast, die eine Zugbelastung des Körpers der Rohre gleich 80% der Elastizitätsgrenze des Materials bewirkt;
– mit einem Standardschraubmoment in Anschlag verschraubte Verbindungen.

In 14 wird der numerisch berechnete Wert der Hauptzugbelastung an einem Elementarwürfel von Material an der Oberfläche einer Anschlusszone zwischen Gewindeganggrund und Trägerflanke im Fall eines Standardanschlusses mit einem einzigen Kreisbogen mit dem Radius 0,375 mm (Kurve STD) und mit einem Anschluss mit vielen Radien (Kurve RM) gezeigt.
Die Parameter der Zone mit vielen Radien sind folgende:
Position des Punkts P_RF1 auf der Trägerflanke = bei 0,32 mm von der Trägerflanke des Gewindeganggrunds.
In 14 ist ein Elementarwürfel von Material an der Oberfläche der Anschlusszone in der Winkelposition θ, und der Wert der Hauptzugbelastung σ auf der Fläche dieses Würfels senkrecht zur Tangente zur Oberfläche der Anschlusszone in Abhängigkeit von der Winkelposition θ dargestellt; die Position 0° entspricht dem Ende der Anschlusszone mit dem Gewindeganggrund, und die Position 90° dem anderen Ende der Zone auf der Seite der Trägerflanke.
Man stellt ein Maximum der Hauptbelastung σ im mittleren Bereich der Anschlusszone und insbesondere um die Winkelposition 30° herum fest.
Die Verwendung eines Anschlusses mit vielen Radien hat es ermöglicht, die Position des Flanken-Bezugspunkts leicht auf 0,32 mm statt 0,375 mm bei einem Standardanschluss, und den maximalen Wert der Hauptbelastung σ um etwa 20% zu senken.
Eine solche Verringerung bewirkt einen beträchtlichen Gewinn bei der Anzahl von Zyklen vor dem Ermüdungsbruch der Gewindeverbindungen.
Die Verwendung eines Verhältnisses r_S1/r_P1 gleich 0,3 ermöglicht es, das Auftreten der sekundären Belastungsspitze auf die Position 70° zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die soeben erläuterten Ausführungsformen beschränkt.
Die Erfindung kann insbesondere auf zylindrische Gewinde (Winkel C = 0) von der Art 303, 303', 304, 304' angewendet werden, wie sie bei den rohrförmigen Gewindeverbindungen 300 der 3 verwendet werden.
Sie kann auch auf trapezförmige Gewindegänge angewendet werden, deren beide Flanken mit oder ohne Kontaktdruck mit den beiden Flanken des zugehörigen Gewindegangs in Kontakt sind.
Dies ist der Fall der "Rugged Threads" genannten Gewindegänge für Gewindeverbindungen, die dazu bestimmt sind, unter Zug und Druck zu arbeiten, wie diejenigen, die in der Druckschrift EP 454147 beschrieben sind. In dieser Druckschrift sind die Außen- und Innenträgerflanken unter Kontaktdruck in Kontakt, und die Außen- und Inneneingriffsflanken sind ebenfalls über einen beträchtlichen Anteil der Länge der Gewinde in Kontakt.
Dies ist auch der Fall der Gewindegänge mit axial einspannenden Flanken der Patentanmeldung WO 00/14441.
Dies ist ebenfalls der Fall der Keilgewindegänge mit variabler Breite, die Gegenstand des Patents WO 94/29627 sind.
Die Beschreibung der dreieckigen Gewindegänge mit Gewindeganggrund-Anschlusszone mit vielen Radien auf jeder Flanke kann direkt an solche trapezförmigen Gewindegänge angepasst werden, da ein trapezförmiger Gewindegang nur ein dreieckiger Gewindegang ist, dessen Scheitel und Gründe abgestumpft wurden.
Im Fall solcher trapezförmigen Gewindegänge kann man am Gewindeganggrund Anschlusszonen mit vielen Radien mit einem unterschiedlichen Hauptkreisbogenradius zwischen der Zone bezüglich der Trägerflanke und der Zone bezüglich der Eingriffsflanke verwenden.
Da bei den trapezförmigen Gewindegängen, deren beide Flanken mit den entsprechenden Flanken des zugehörigen Gewindeelements in Kontakt sind, die Eingriffsflanke im Allgemeinen weniger belastet ist als die Trägerflanke, kann der Hauptradius r_p vorteilhafterweise für den Anschluss 21 und/oder 22 auf der Seite der Trägerflanke größer sein als derjenige 51 und/oder 52 auf der Seite der Eingriffsflanke.
Alternativ kann der Hauptradius r_p für die Zonen 21, 22, 51, 52 gleich sein.

Claims

Rohrförmiges Einsteck- oder Aufnahmegewindeelement (1, 2) für eine Gewinde-Rohrverbindung (100, 300), das am Rohrende (101, 102, 202, 301, 302) hergestellt ist und ein Außengewinde (3, 303, 303') oder ein Innengewinde (4, 304, 304') aufweist, je nachdem, ob das Gewindeelement ein Einsteckelement oder ein Aufnahmeelement ist, dessen Gewindegänge (11, 12) im durch die Achse des Gewindeelements verlaufenden Längsschnitt gesehen einen Gewindegangscheitel (17, 20, SI, S2), einen Gewindeganggrund (18, 19, F1, F2), eine geradlinige Trägerflanke (13, 14), eine geradlinige Eingriffsflanke (15, 16) und zwei tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszonen (21, 22, 51, 52) aufweisen, wobei jede dieser beiden Zonen zwischen dem Gewindeganggrund und einer der beiden Flanken, entsprechende Flanke genannt, angeordnet ist und einen Kreisbogen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszonen, "Zone mit vielen Radien" genannt, einen Hauptkreisbogen genannten Kreisbogen (23, 24, 53, 54), dessen Trägerkreis die Trägergerade der entsprechenden Flanke in einem Flanken-Bezugspunkt genannten Punkt (P_RF1, P_RF2, P_RF3, P_RF4) schneidet, und eine sekundäre Kurve genannte regelmäßige Kurve (25, 26, 21, 55, 56) zu beiden Seiten des Hauptkreisbogens aufweist, die diesen tangential einerseits mit der entsprechenden Flanke und andererseits mit dem Gewindeganggrund verbindet, und dass: a) im Flanken-Bezugspunkt die Tangente (61, 62, 61, 68) zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens einen strikt positiven spitzen Winkel (D, F) mit der Trägergeraden der entsprechenden Flanke bildet, wobei die positive Richtung so ist, dass der Hauptkreisbogen das Material der Gewindegangflanke nicht aushöhlt; b) der Trägerkreis des Hauptkreisbogens die Trägergerade des Gewindeganggrunds schneidet oder tangiert, je nachdem, ob die sekundäre Kurve auf der Seite des Gewindeganggrunds eine Länge ungleich Null besitzt oder sich auf einen Punkt reduziert, wobei die Tangente zum Trägerkreis (63) im betrachteten Schnittpunkt (P_RR1) oder Tangierpunkt einen Winkel (E) mit der Trägergeraden des Gewindeganggrunds bildet, der zwischen –15 und +15° liegt.
Rohrförmiges Gewindeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Flanken-Bezugspunkt der betrachteten Zone mit vielen Radien der Winkel (D, F) zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens und der entsprechenden Flanke zwischen 10° und der Differenz (70° – J) liegt, wenn J algebraisch dem Winkel (A, B) zwischen der entsprechenden Flanke und einer Senkrechten zur Achse des Gewindeelements entspricht.
Rohrförmiges Gewindeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Flanken-Bezugspunkt der betrachteten Zone mit vielen Radien der Winkel (D, F) zwischen der Tangente zum Trägerkreis des Hauptkreisbogens und der entsprechenden Flanke zwischen 15° und der Differenz (45° – J) liegt, wenn J algebraisch dem Winkel (A, B) zwischen der entsprechenden Flanke und einer Senkrechten zur Achse des Gewindeelements entspricht.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r_P1, r_P2) des Hauptkreisbogens (23, 24) der Zone mit vielen Radien zwischen 150 und 250% desjenigen (r_H1, r_H2) des Standard-Kreisbogens (29, 30) liegt, der durch den Flanken-Bezugspunkt verläuft, welcher alleine eine tangentiale Anschlusszone zwischen der entsprechenden Flanke und dem Gewindeganggrund bilden würde.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Kurve (25, 26, 55, 56) der Zone mit vielen Radien auf der Seite der entsprechenden Flanke ein Kreisbogen ist.
Rohrförmiges Gewindeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Radius (r_S1, r_S2, r_S3, r_S4) des Kreisbogens der sekundären Kurve auf der Seite der entsprechenden Flanke (25, 26, 55, 56) und demjenigen (r_P1, r_P2, r_P3, r_P4) des Hauptkreisbogens einer Zone mit vielen Radien zwischen 0,1 und 0,4 liegt.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede sekundäre Kurve (25, 26, 27, 55, 56) der Zone mit vielen Radien mit einer Länge ungleich Null ein Kreisbogen ist.
Rohrförmiges Gewindeelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem Radius (r_S1, r_S2, r_S3, r_S4, r_T1) des Kreisbogens jeder sekundären Kurve mit einer Länge ungleich Null (25, 26, 27, 55, 56) und demjenigen (r_P1, r_p2, r_p3, r_P4) des Hauptkreisbogens einer Zone mit vielen Radien zwischen 0,1 und 0,4 liegt.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur die tangentiale Gewindeganggrund-Anschlusszone an die Trägerflanke (21, 22) eine Zone mit vielen Radien ist.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszonen eine Zone mit vielen Radien ist.
Rohrförmiges Gewindeelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (r_P1, r_P2) des Hauptkreisbogens (23, 24) der Zone mit vielen Radien auf der Seite der Trägerflanke größer als der oder gleich demjenigen (r_P3, r_P4) des Hauptkreisbogens (53, 54) der Zone mit vielen Radien auf der Seite der Eingriffsflanke ist.
Rohrförmiges Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (A, B), den jede der Flanken mit der Senkrechten zur Achse des Gewindeelements bildet, positiv oder Null ist.
Rohrförmige Gewindeverbindung (100, 300) mit hoher Festigkeit gegenüber statischen und dynamischen Beanspruchungen, mit einem rohrförmigen Einsteck-Gewindeelement (1) am Ende eines ersten Rohrs (101, 301), das durch Schraubverbindung mit einem rohrförmigen Aufnahme-Gewindeelement (2), das am Ende eines zweiten Rohrs (102, 302) angeordnet ist, mittels eines Außengewindes (3, 303, 303') auf dem Einsteck-Gewindeelement und eines Innengewindes (4, 304, 304') auf dem Aufnahme-Gewindeelement zusammengesetzt wird, wobei die Gewindegänge (11, 12) des Außengewindes und des Innengewindes einen Gewindegangscheitel (17, 20, 81, 82), einen Gewindeganggrund (18, 19, F1, F2), eine geradlinige Trägerflanke (13, 14), eine geradlinige Eingriffsflanke (15, 16) und vier Anschlusszonen mit je einem Kreisbogen aufweisen, von denen zwei tangentiale Gewindegang grund-Anschlusszonen (21, 22, 51, 52) je den Gewindeganggrund mit einer Flanke verbinden und zwei Gewindegangscheitel-Anschlusszonen (31, 32, 41, 42) je den Gewindegangscheitel mit einer Flanke verbinden, wobei das Profil und die Anordnung jeder Gewindegangscheitel-Anschlusszone ausgelegt sind, um nicht mit der tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszone des dazugehörigen Gewindeelements zu interferieren, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der beiden rohrförmigen Gewindeelemente ein so genanntes Gewindeelement mit ermüdungsfestem Profil nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Rohrförmige Gewindeverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Gewindegangscheitel-Anschlusszone eines rohrförmigen Gewindeelements gegenüber einer tangentialen Gewindeganggrund-Anschlusszone mit vielen Radien eines zugehörigen rohrförmigen Gewindeelements mit ermüdungsfestem Profil eine so genannte Nachlaufzone (31, 32) ist, die zwei Kreisbögen aufweist, die sich tangential aneinander anschließen, von denen einer ein Hauptkreisbogen (33, 34) und der andere ein sekundärer Kreisbogen (35, 36) ist, dieser letztere, um den tangentialen Anschluss der Gewindegangscheitel-Anschlusszone an die entsprechende Flanke durchzuführen, und dass im so genannten oberen Anschlusspunkt (P_RH1, P_RH2) der entsprechenden Flanke, wo der Trägerkreis des Hauptkreisbogens der Nachlaufzone die Trägergerade der entsprechenden Flanke schneidet, die Tangente zum Kreis einen strikt negativen spitzen Winkel (G, H) mit der Trägergeraden der betreffenden Flanke bildet.
Rohrförmige Gewindeverbindung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einsteck- und Aufnahme-Gewindeelemente der rohrförmigen Gewindever bindung von der Art nach einem der Ansprüche 1 bis 12 sind.
Rohrförmige Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinde vom interferierenden Typ sind, wobei der Gewindegangscheitel (20) eines Gewindes (4) radial mit dem Gewindeganggrund (19) des zugehörigen Gewindes (3) interferiert.
Rohrförmige Gewindeverbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gewindegangflanken (13, 15) eines Gewindes (3) mit den beiden Gewindegangflanken (14, 16) des zugehörigen Gewindes (4) über mindestens einen Teil der Länge der Gewinde (3, 4) mit oder ohne Kontaktdruck in Kontakt sind.