DE60113036T2

DE60113036T2 - Zweistufige Schraubverbindung mit differentiellem Flankenspiel

Info

Publication number: DE60113036T2
Application number: DE60113036T
Authority: DE
Inventors: David L. The Woodlands Mallis; IV Robert S. Kingwood Sivley
Original assignee: Hydril LLC
Current assignee: Hydril LLC
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: EP1203909B1; EP1203909A3; MXPA01011242A; CA2361217A1; DE60113036D1; EP1203909A2; AR031290A1; CA2361217C; US6530607B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Schraubverbindungen, wie sie benutzt werden, um die Teile eines Bohrgestänges oder Ähnlichem miteinander zu verbinden. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Arten von Schraubverbindungen, die einem hohen Differenzdruck zwischen dem Druckmedium auf der Innenseite und auf der Außenseite eines Bohrgestänges widerstehen können.
Technischer Hintergrund
Zweistufige Schraubverbindungen, die geeignet sind, in hohem Maß einem Differenzdruck zwischen Innen- und Außenseite eines Rohres, welches aus mit Gewinde versehenen Einzelteilen zusammengesetzt ist, zu widerstehen, sind bekannt. Die Schraubverbindungen bilden eine Metall-auf-Metall-Dichtung, die in der Lage ist, dem Differenzdruck in einem weiten Bereich sowohl der axialen Belastung als auch der Biegebelastung des zusammengeschraubten Rohres standzuhalten. Beispiele zweistufiger Schraubverbindungen sind in den US-Patenten 4 662 659 von Blose et al und 4 688 832 von Ortloff et al dargestellt.
Die zweistufigen Gewindeverbindungen in den Patenten 4 662 659 und 4 688 832 umfassen eine positive Drehmoment-Stopp-Schulter, die die axiale Bewegung zwischen männlichem und weiblichem Teil der Gewindekupplung begrenzt, wenn die Kupplung montiert und bis zu dem geeigneten Drehmoment festgezogen ist. In einigen Fällen sind die miteinander verbundenen Rohrstücke sehr hohen axialen Pressungen ausgesetzt. Die Gewindeverbindung sollte höhere axiale Druck belastungen aushalten können als die bekannten Verbindungen, so dass die Zuverlässigkeit der Verbindung verbessert wird.
Beschreibung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung ist auf eine Schraubverbindung gerichtet, die einen Zapfen mit einer großen Gewindestufe und einer kleinen Gewindestufe aufweist. Der Zapfen besitzt eine erste Dichtungsfläche zwischen den beiden Stufen. Die Gewinde auf den Stufen des Zapfens weisen jeweils Lastflanken und Entlastungsflanken auf. Die Verbindung umfasst ferner eine Buchse mit einer großen Gewindestufe und einer kleinen Gewindestufe entsprechend den Gewindestufen des Zapfens. Die Buchse weist eine zweite Dichtungsfläche entsprechend der ersten Dichtungsfläche auf. Die Gewinde auf den Stufen der Buchse besitzen Lastflanken und Entlastungsflanken entsprechend den Gewinden auf dem Zapfen. Die Gewinde auf der großen Gewindestufe weisen ein erstes Spiel zwischen den Entlastungsflanken des Zapfens und der Buchse auf, wenn Zapfen und Buchse miteinander verbunden sind und die einander entsprechenden Lastflanken aneinander anliegen. Die Gewinde auf der kleinen Gewindestufe weisen ein zweites Spiel auf zwischen den einander entsprechenden Entlastungsflanken, wenn Zapfen und Buchse zusammengebaut sind. Bei einer Ausführungsform ist das erste Spiel kleiner als das zweite Spiel, so dass dadurch die axiale Bewegung zwischen Zapfen und Buchse begrenzt ist. Dies kann zur Vergrößerung der axialen Druckbelastbarkeit der Verbindung führen.
Andere Aspekte und Vorteile gemäß der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und Ansprüche dargelegt.
Figurenbeschreibung
1 zeigt einen Querschnitt durch eine Seite einer zweistufigen Gewindekupplung gemäß dem Stand der Technik,
2 zeigt einen Schnitt durch eine Seite eines Beispieles einer zweistufigen Gewindekupplung gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine typische zweistufige Gewindeverbindung des Standes der Technik zum Zweck der Abgrenzung gegenüber der Erfindung. Eine zweistufige Gewindeverbindung 1 besteht aus einem männlichen Teil oder einem Zapfen 12, der in ein weibliches Teil oder eine Buchse 10 eingeführt ist, um die Kopplung zu realisieren. Wie bekannt, sind der Zapfen 12 und die Buchse 10 typischerweise in den Enden der Rohrstücke einer Rohrleitung (nicht dargestellt) ausgebildet, um die Verbindung der Stücke der Rohrleitung zu ermöglichen. Die zweistufige Verbindung 1 umfasst eine kleine Durchmesserstufe ("kleine Stufe") 3 nahe am Ende des Zapfens 12, die Gewinde mit Entlastungsflanken 18 und Lastflanken 19 umfasst. Entsprechende Gewinde in der Buchse 10 sind dargestellt bei 18A und 19A. Vorzugsweise sind die Gewinde so ausgebildet, dass zwischen den Entlastungsflanken 18 und 18A ein Spiel A auf der ganzen Länge vom Anfang bis zum Ende der Gewinde vorhanden ist. Entsprechende Gewinde sind auf einer großen Durchmesserstufe 2 ("Große Stufe") ausgebildet, bei der Entlastungsflanken bei 20 und 20A am Zapfen 12 und der Buchse 10 jeweils dargestellt sind sowie jeweils Lastflanken 21 und 21A. Zwischen der kleinen Stufe 3 und der großen Stufe 2 sind sowohl auf dem Zapfen 12 als auch auf der Buchse 10 einander entsprechende Metall-auf-Metall-Dichtungsflächen 16, 16A ausgebildet. Wenn die Buchse 10 und der Zapfen 12 miteinander verbunden sind, werden die einander entsprechenden Dichtungsflächen 16, 16A gegeneinander gepresst und bilden eine Metall-auf-Metall-Dichtung. Relativbewegungen in axialer Richtung zwischen dem Zapfen 12 und der Buchse 10 während der Herstellung der Verbindung 1 sind begrenzt durch eine positive Drehmoment-Stopp-Schulter, die jeweils durch Flächen 14 und 14A gebildet wird. Die Gestalt der positiven Drehmoment-Stopp-Schulter ist beispielsweise beschrieben im US-Patent 4 662 659 von Blose. Im Stand der Technik ist das Spiel A zwischen den Entlastungsflanken – nach Aufbringen des Montagemomentes – gleich groß bei der großen Stufe 2 (zwischen den Flanken 20 und 20A) wie bei der kleinen Stufe 3 (zwischen den Flanken 18 und 18A).
2 zeigt ein Beispiel einer zweistufigen Schraubverbindung 1A gemäß der Erfindung. Das Spiel zwischen den Entlastungsflanken 20, 20A von Zapfen 12 und Buchse 10 auf der großen Stufe 2A beträgt B. Bei einer zweistufigen Verbindung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Spiel B der großen Stufe 2A kleiner als das Spiel A der kleinen Stufe 3. Eine Möglichkeit, um ein solches zusätzliches Spiel zu erzielen, besteht darin, sowohl die große Stufe 2A als auch die kleine Stufe 3, sowohl auf dem Zapfen 12 als auch auf der Buchse 10, mit dem gleichen Schneideinsatz (nicht dargestellt) zu schneiden, der das gleiche Gewinde für beide Stufen 2A, 3 aufweist. Danach wird die axiale Position der Schneideinsätze (nicht dargestellt) jeweils verschoben, und die Gewinde auf der kleinen Stufe 3 werden sowohl beim Zapfen 12 als auch bei der Buchse 10 nachgeschnitten, um ein größeres Entlastungsflankenspiel zwischen den Flanken 18 und 18A auf der kleinen Stufe zu erzeugen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, zwei unterschiedliche Schneideinsätze (nicht dargestellt) mit unterschiedlichem Gewinde 13 zu benutzen, um die Gewinde gemäß der Erfindung zu erzeugen.
Zapfen 12 und Buchse 10 sind gemäß 2 so montiert, dass eine Metall-auf-Metall-Dichtung (nicht dargestellt) durch Kontakt zwischen einer inneren Fläche (nicht dargestellt) auf der Hülse 10 und einer Nase (nicht dargestellt) auf dem Zapfen 12 gebildet wird. Solche Dichtungsanordnungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine solche Dichtungsanordnung ist im US-Patent 4 688 832 von Ortloff gezeigt. Bei einem Beispiel einer zweistufigen Gewindeverbindung gemäß der Erfindung bewegt sich das Spiel A zwischen den Entlastungsflanken 18, 18A auf der kleinen Stufe 3 im Bereich von 0,18 bis 0,85 mm (0,007 bis 0,015 Inch) und das Spiel B zwischen den Entlastungsflanken auf der großen Stufe 2A im Bereich zwischen 0,05 und 0,15 mm (0,002 und 0,006 Inch). Die Werte für das Entlastungsflanken-Spiel werden so ausgewählt, dass im wesentlichen das Eindringen von Schmiermittel ("pipe dope") in die Gewinde der kleinen Stufe 3 verhindert wird, indem die Gewinde der großen Stufe 2A die Axialbewegung zwischen Zapfen 12 und Buchse 10 bei axialer Druckbelastung der Schraubverbindung 1A begrenzen. Es ist bekannt aus dem Stand der Technik, dass das Eindringen von Schmiermittel in Gewinde auftreten kann, die zwischen zwei Metall-auf-Metall-Dichtungen angeordnet sind. Das größere Entlastungsflankenspiel auf der kleinen Stufe bei dieser Ausführungsform soll die Möglichkeit des Eindringens von Schmiermittel zwischen die Metall-auf-Metall-Dichtungen reduzieren. Dem Fachmann ist bekannt, dass die Position der Metall-auf-Metall-Dichtungen bei anderen Ausführungsformen einer zweistufigen Schraubverbindung unterschiedlich sein kann. Beispielsweise kann eine erste Metall-auf-Metall-Dichtung an der Basis des Zapfens und dem entsprechenden Ende der Buchse ausgebildet sein. Die zweite Metall-auf-Metall-Dichtung kann etwa wie in 2 dargestellt, nahe der positiven Drehmoment-Stopp-Schulter angeordnet sein. Bei einer solchen Anordnung der Metall-auf-Metall-Dichtungen würde das kleinere Spiel zwischen den Entlastungsflanken an den Gewinden der kleinen Stufe 3 bei A angeordnet sein, und das größere Spiel würde bei B auf der großen Stufe 2A vorhanden sein. Wichtig ist, dass bei jeder Ausführungsform der Erfindung das größere Entlastungsflankenspiel an der Gewindestufe vorhanden ist, die zwischen den Metall-auf-Metall-Dichtungen angeordnet ist. Das kleinere Entlastungsflankenspiel bei allen Ausführungsformen sollte bei der Gewindestufe vorhanden sein, die an einem Ende nicht abgedichtet ist.
Vorzugsweise besitzen die Gewinde auf beiden Stufen 2A und 3 die gleiche Form über jeweils die ganze Stufe 2A, 3, sind aber unterschiedlich im Bereich zwischen den Stufen 2A, 3. Die Gewinde auf den Stufen 2A, 3 besitzen vorzugsweise die gleiche Steigung auf beiden Stufen 2A, 3. Die Gewinde auf den Stufen 2A, 3 sind vorzugsweise geneigt, und weisen ein Spiel von der Basis bis zum Kamm jeweils bei den Entlastungsflanken 20, 20A und 18, 18A auf, wenn die Lastflanken 21, 21A und 19, 19A miteinander in Eingriff stehen. Darüber hinaus sind die Gewinde auf beiden Stufen 2A, 3 geneigt und besitzen eine Interferenz zwischen Basis und Kamm. "Geneigt" bedeutet, dass der Gewindedurchmesser in Richtung des Endes des Zapfens 12 abnimmt, wie beispielsweise im Patent 4 662 659 von Blose beschrieben. Die Gewinde auf beiden Stufen 2A, 3 können ebenso im Wesentlichen einen konstanten Durchmesser aufweisen ("zylindrisches" Gewinde).

Claims

Schraubverbindung (1A) mit: – einem Zapfen (12), der eine große Gewindestufe (2A) und eine kleine Gewindestufe (3) aufweist, sowie eine erste Dichtungsfläche (16) dazwischen, wobei die große und die kleine Gewindestufe jeweils Lastflanken (21, 19) und Entlastungsflanken (20, 18) aufweisen, – einer Buchse (10) die eine große Gewindestufe (2A) und eine kleine Gewindestufe (3) aufweist, die zu den Gewindestufen des Zapfens (12) passen, und eine zweite Dichtungsfläche (16A) an der Buchse (10), die zu der ersten Dichtungsfläche passt, wobei die Gewindestufen auf der Buchse Lastflanken (21A, 19A) und Entlastungsflanken (20A, 18A) aufweisen, die zu den Gewinden auf den Gewindestufen des Zapfens passen, und wobei die Gewinde auf der großen Stufe ein Spiel (B) zwischen den einander entsprechenden Entlastungsflanken des Zapfens und der Buchse aufweisen, wenn Zapfen und Buchse zusammengebaut sind und die einander entsprechenden Lastflanken im Eingriff sind, und die Gewinde auf der kleinen Stufe ein zweites Spiel (A) zwischen den einander entsprechenden Entlastungsflanken aufweisen, wenn Zapfen und Buchse zusammengebaut sind und die einander entsprechenden Lastflanken im Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das erste Spiel (B) kleiner ist als das zweite Spiel (A) oder das erste Spiel (B) größer ist als das zweite Spiel (A).
Schraubverbindung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine positive Drehmoment-Stop-Schulter (14, 14A) nahe an der ersten und zweiten Dichtfläche.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die große Gewindestufe (2A) und die kleine Gewindestufe (3) geneigte Gewinde aufweisen.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die große Gewindestufe (2A) und die kleine Gewindestufe (3) zylindrische Gewinde aufweisen.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das größere der beiden Spiele (B, A) ausgewählt wird, um den Einschluss von Schmiermittel in der kleinen Stufe im Wesentlichen zu verhindern.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere der beiden Spiele (B, A) ausgewählt wird, um die axiale Verlagerung während der Lastbeaufschlagung der Schraubverbindung im Wesentlichen zu begrenzen.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere der beiden Spiele (B, A) im Bereich von 0,05 bis 0,15 mm (0,002 bis 0,006 Inch) liegt.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das größere der beiden Spiele (B, A) im Bereich von 0,18 bis 0,38 mm (0,007 bis 0,015 Inch) liegt.