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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rohrkupplung und insbesondere
einen verschiebbaren Schulterring für Rohrkupplungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Rohre
zum Bohren und Komplettieren von Bohrlöchern im Erdreich weisen typischerweise
Gewindeverbindungen auf. Eine Vielzahl von Gewindeverbindungs-Geometrien sind entwickelt
worden, um Dichtungs- und Druckaufnahmefähigkeiten zu schaffen, die
die Bohr-, Installations- und Arbeitserfordernisse erfüllen. Zu den
einfachsten und am häufigsten
benutzten Geometrien gehören
kegelförmige
Rohrgewinde.
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Bei
der Erdölbohrung
und Bohrlochkomplettierung werden die Bohrlöcher typischerweise unter Verwendung
eines rohrförmigen
Strangs gebohrt, der im Wesentlichen aus Bohrstangen besteht. Danach
wird der Rohrgestängestrang
entfernt und das Bohrloch durch Installieren eines zweiten rohrförmigen Strangs
komplettiert. Dieses "Casing" wird anschließend permanent
an seiner Position zementiert. Die rohrförmigen Stränge werden durch Verbindung
von Teillängen
von Rohren, die als Verbindungsabschnitte bezeichnet werden, mittels
Gewindeverbindungen zusammengesetzt. Bei diesem herkömmlichen
Verfahren zur Bohrlochkonstruktion werden die Verbindungsabschnitte
der Bohrgestänge
und der Casings getrennt für
unterschiedliche Leistungsanforderungen des Bohrens bzw. der Komplettierungsarbeitsweisen
optimiert. Insbesondere müssen
die Rohrgestängeverbindungen
ein für
das Bohren notwendiges Drehmoment aufnehmen, das während der
Komplettierung nicht erforderlich ist.
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Neue
Entwicklungen der Bohrtechnologie haben dazu geführt, dass Bohrlöcher mit
einem einzelnen Casing-Strang gebohrt und komplettiert werden können, wobei
die Notwendigkeit, das Bohrgestänge
in das Loch und aus dem Loch "wandern
zu lassen", um den
Bohrmeißel
zu warten und Raum für
das Casing zur Komplettierung der Bohrung zu schaffen, nicht mehr
besteht. Die Gründe
für diese Änderung
waren einerseits die Möglichkeit,
durch eine reduzierte Bohrzeit und geringere Kosten für die Beschaffung
und Erhaltung der Bohrgestänge
erhebliche Kosten einzusparen, sowie andererseits mehrere, unterschiedliche
technische Vorteile, wie zum Beispiel das reduzierte Risiko des
Einbrechens des Bohrlochs vor der Installation des Casings.
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Die
Verwendung des Casings zum Bohren und Komplettieren des Bohrlochs ändert jedoch
die Leistungsanforderungen an den Casing-Strang, insbesondere die
Drehmomentbelastbarkeit der Casing-Verbindungen, im Vergleich zu
den Anforderungen, die bei Verwendung der herkömmlichen Verfahren der Bohrlochkonstruktion
etabliert sind.
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Die
am weitesten verbreiteten Casing-Verbindungen sind Industriestandard-Schraubgewindeverbindungen
(threaded and coupled buttress, BTC) und 8-Rundungsverbindungen
(8-round, LTC oder STC) mit kegelförmigen Gewindegeometrien, die
durch das amerikanische Erdölinstitut
(American Petroleum Institute API) spezifiziert sind. Diese Verbindungen
haben eine begrenzte Drehmomentbelastbarkeit und sind deshalb nicht gut
geeignet für
die Casing-Bohranwendungen; sie sind aber leicht verfügbar und
relativ preisgünstig.
Um die möglichen
Vorteile der aufkommenden Casing-Bohrsystemtechnologie (CDS) voll
zu nutzen, ist es wünschenswert,
Mittel zu finden, durch die diese dem Industriestandard entsprechenden
Verbindungen verwendet werden können,
wobei es durch diese Mittel möglich
sein soll, die Drehmomentbelastbarkeit auf kostengünstige Weise
zu erhöhen.
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Ähnliche
Gründe
zur Verbesserung der Dichtungskapazität von Verbindungen, die die
API-Gewindeform verwenden, haben zu der Erfindung von Vorrichtungen
und Methoden geführt,
wie sie in den US-Patenten
US
4,706,997 ,
US 4,878,285 ,
US 5,283,748 ,
US 5,689,871 und
US 4,679,831 beschrieben sind. Diese
Patente beschreiben allgemein Erfindungen, bei denen eine modifizierte
Kupplung mit einer inneren verschiebbaren Manschette oder einem
inneren verschiebbaren Dichtungs ring verwendet wird, um Rohre mit
Standard-API-Gewindeformen an deren Einsteckenden zusammenzufügen. Der
Dichtungsring ist in dem Raum des sogenannten J-Abschnitts zwischen
den Einsteckenden einer zusammengesetzten Schraubgewindeverbindung
angeordnet. Der Innendurchmesser des Dichtungsrings passt näherungsweise
in den Rohrdurchmesser und ist koaxial zu der Kupplung an ihrer
Mittelebene so angeordnet, dass beide Einsteckenden in Eingriff kommen,
wenn die Verbindung zusammengesetzt ist. Entsprechend den Lehren
dieser Erfindungen soll diese Verbindung oder dieser Schulterring
in erster Linie dazu gedacht sein, die Dichtungsfunktion der Verbindung gegenüber der
Standard API-Konfiguration zu verbessern. Darüber hinaus werden weitere zusätzliche
Vorzüge
erreicht, wie beispielsweise verbesserte Strömungseigenschaften und ein
glattflächiges
Bohrloch. Die Verwendung von elastischen Materialien in Verbindung
mit dem steifen Dichtungsring oder als separate Dichtungen werden
als weitere Mittel vorgeschlagen, durch die die Dichtung weiter
verbessert werden soll.
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Diese
Beschreibungen des Standes der Technik befassen sich nicht explizit
mit dem Nutzen eines solchen "konvertiblen
Metallrings" oder
Dichtungsrings als Mittel zur Verbesserung der Drehmomentbelastbarkeit, die
normalerweise bei API-Verbindungen gegeben ist. Die erhöhte Drehmomentbelastbarkeit
ist aber ein bekannter Vorteil. Tatsächlich quantifizieren Hersteller
solcher Verbindungen diesen Parameter in veröffentlichten Leistungsdaten,
wie sie von der "Hunting
Olfield Services" für ein Produkt
zur Verfügung
gestellt werden, das als "KC
Austauschbares Kupplungssystem" bezeichnet
wird.
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Die
bekannten Anwendungen von starren Dichtungsringen lassen erkennen,
dass weite Toleranzvariationen, die für die Einsteck- und Buchsengeometrien
von Schraubgewindeverbindungen zur Einhaltung der API-Anforderungen
zugelassen sind, einen entsprechend weiten Bereich von axialen Positionen
nach dem Zusammensetzen erlauben, sofern ein ausreichender Grad
an Eingriff oder "dimensionaler
Kontrolle" erreicht werden
soll (siehe US-Patent 5,283,748). Um eine ausreichende "dimensionale Kontrolle" zu erhalten, lehrt dieser
Stand der Technik folglich, dass zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um
den Toleranzbereich der Stecker und/oder Buchsen, die zur Verwendung
mit Dichtungsringen vorgesehen sind, zu reduzieren und die Position
nach dem Zusammenbau zu überwachen.
Solche Schritte umfassen die spezielle Herstellung "modifizierter Buchsen" mit engeren Toleranzen
als die von den API-Spezifikationen geforderten und eine Vorselektion
der Produkte, die nach den API-Toleranzen hergestellt worden sind,
um auf ähnliche
Weise Stecker und Buchsen mit einer präziseren kontrollierten Geometrie
zu erhalten. Um einen kontrollierten Sitz und eine Rückhaltung
des Dichtrings zu gewährleisten,
wird gelehrt, dass eine zusätzliche
maschinelle Bearbeitung der zentralen Gewinderegion der Kupplung
erforderlich ist, um einen Sitz für den Dichtring zu bilden.
Um eine räumliche
Kontrolle der sogenannten Vorfertigungsposition (mill end make up
position) zu erhalten, sind zusätzliche
Vorrichtungen oder Messungen erforderlich.
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Diese
bekannten Kupplungen erfordern jedoch Veränderungen der Standard-API-Komponenten oder eine
erhöhte
Qualitätskontrolle
und reduzieren daher wesentlich die Vorteile der geringen Kosten
und der Einfachheit, die ursprünglich
durch die Verwendung der existierenden Industriestandardverbindungen
erhofft wurden. Darüber
hinaus basiert die Gestaltung bekannter Kupplungen weitgehend auf
dem Wunsch, das Druckhaltevermögen
der API-Verbindungen zu erhöhen;
folglich sind diese Kupplungen nicht optimiert, um eine erhöhte Drehmomentbelastbarkeit
zu erhalten, wie sie für
Casing-Bohranwendungen gewünscht
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen verschiebbaren Schulterring für Rohrverbindungen.
Die vorliegende Erfindung stellt Mittel zur Verfügung, um die Fähigkeit
zur Übertragung
von Drehmomenten wesentlich zu erhöhen. Der Drehmomentring dient
als bewegliche, eingepresste Kupplungsschulter, wenn er innen zwischen
den Röhrenenden
einer Schraubgewindeverbindung angeordnet ist, wobei die Kupplungsschulter
geeignet ist, auf kompressive axiale Kräfte zwischen den Steckerenden
zu reagieren und so die Drehmomentfähigkeit der Verbindung zu erhöhen. Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere als Mittel zur Erhöhung der
Drehmomentbelastbarkeit von kegelförmigen Kupplungen geeignet,
um die Anforderungen der Casing-Bohr-Anwendungen zu erfüllen, z.B.
für unmodifizierte
API-Buttress-Verbindungen und runde Schraubgewindeverbindungen,
die gemäß den Toleranzen
des Industriestandards hergestellt worden sind. Der Ring ist im
Wesentlichen koaxial in der Kupplung der Verbindung zwischen den
Einsteckenden der zu verbindenden Röhren eingesetzt.
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Damit
diese Anwendungen in einem weiten Bereich verwendbar sind, sollte
der verschiebbare Schulterring für
eine schnelle Vorort-Installation – ohne Beschädigung der
Schraubverbindungen – bei
Verbindungen mit bereits befestigten Kupplungen eingesetzt werden
können,
beispielsweise in Übereinstimmung
mit bestehenden Prozeduren, wie sie allgemein von der API spezifiziert
sind. Er sollte verankert oder sicher genug fixiert sein, um zu
verhindern, dass er von Belastungen herausgelöst oder herausgeschlagen wird,
die während
der Beförderung
oder Installation auftreten, beispielsweise bei dem Zusammenbau,
bei dem Herausbrechen oder bei der Bewegung von Gerätschaften
in das offene Ende und aus dem offenen Ende des Casings in bzw.
auf dem Förderturmboden.
Außerdem
soll der einmal installierte Ring den kleinsten Durchmesser (Drift-Durchmesser)
durch die Verbindung nicht wesentlich reduzieren, wobei er im Allgemeinen
die maximale, von den Enden der Stecker aufnehmbare Axial- und Torsionsbelastung
aufnehmen können
soll, um das volle Potenzial der Kraftübertragung der Einsteckenden
zu mobilisieren.
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Deshalb
wird nach der vorliegenden Erfindung ein verschiebbarer Rohrverbindungs-Schulterring für unterirdische
Bohrlöcher
nach Anspruch 1 vorgeschlagen, der in Rohrverbindungen zwischen
einem Paar von Einsteckenden installiert wird.
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Die
Mehrzahl von Nocken definiert Erhebungen (Peaks) und Täler, die
sich abwechselnd um den Umfang der inneren Oberfläche und
der äußeren Oberfläche radial
erstrecken. Die radialen Spitzen und Täler sind in zwei Kreisen mit
Durchmessern enthalten, die als äußerer Peakdurchmesser
und innerer Taldurchmesser bezeichnet werden. Der äußere Peakdurchmesser
ist vorzugsweise größer als
der Durchmesser der Kupplung, in die der Ring installiert wird,
so dass die Peaks, wenn der Ring in der Kupplung installiert ist,
mit ausreichend radialer Kraft gegen die innere Oberfläche der
Kupplung drücken,
um den Ring sicher an seinem Platz zu halten. Gleichzeitig wird
der Ring derart elastisch verformt, dass die Täler radial nach außen und
die Peaks radial nach innen gedrückt
werden, um den Ring in eine im Wesentlichen kreisrunde Anordnung
innerhalb der Kupplung zu zwingen. Bevorzugt ist der Umfang der äußeren Oberfläche so gewählt, dass
er im Wesentlichen dem inneren Umfang der Kupplung entspricht, in
die der Schulterring eingesetzt werden soll.
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Der
Ring passt in die J-Abschnitte zwischen den Einsteckenden in der
Kupplung, so dass die innere Oberfläche des Rings zu der angekoppelten
Förderrohrstrangbohrung
hin offen ist. In einer Ausführungsform ist
der Umfang der inneren Oberfläche
kleiner als der innere Umfang der Stecker und größer als der im Einzelfall spezifizierte
oder geforderte Drift-Durchmesser für den Förderrohrstrang, in den der
Ring eingesetzt werden soll.
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Die
erste Stirnfläche
und die gegenüberliegende
Stirnfläche
bilden Drehmomentschultern, auf denen bei Anwendung eines geeigneten
Drehmoments durch die Verbindung die Einsteckenden der Röhrenabschnite
abgestützt
werden können,
wenn die Röhrenabschnitte
in den Buchsen einer Kupplung verbunden werden. Wenn die Einsteckenden
der Röhrenabschnitte
in der Kupplung gegen die Stirnflächen des Rings verdreht werden,
bewirken die Kräfte
eine Reibung auf den Stirnflächen
des Rings und in den Gewinden, so dass ein zusätzliches Drehmoment entsteht
und ein übermäßiges Eindringen
von einem der Enden in die Kupplung verhindert wird. In einer Ausführungsform
sind die Stirnflächen
im Wesentlichen eben und/oder glatt, um ihre Verwendung als Drehmomentschulter
zu erleichtern.
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Vorzugsweise
reicht die Länge
des Rings zwischen der ersten Stirnfläche und der gegenüberliegenden
Stirnfläche
aus, damit jeder Stecker gegen den Ring gedrückt werden kann, wenn er in
die Kupplung eingeschraubt ist. Bevorzugt ist die Länge so gewählt, dass
ein übermäßiges Eindringen
der Stecker in ihre entsprechenden Buchsen der Kupplung verhindert
wird und die Endposition der zusammengesetzten Stecker (made up
pin position) innerhalb der zulässigen,
beispielsweise von der API spezifizierten, Bandbreite für Dichtungspositionen
gehalten wird.
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Um
die Wirkverbindung des Rings mit der Kupplung, in der er installiert
ist, zu verbessern, hat der Ring eine aufgerauhte äußere Oberfläche. In
einer Ausführungsform
hat die äußere Oberfläche Kerben,
die sich über
deren Umfang erstrecken.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Rohrverbindung
bereitgestellt, die folgende Komponenten umfasst: eine Kupplung,
die ein erstes Buchsenende und ein gegenüberliegendes Buchsenende enthält, ein
Einsteckende eines ersten röhrenförmigen Elements,
das in das erste Buchsenende der Kupplung eingreift, ein Steckerende
eines zweiten röhrenförmigen Elements,
das in das ge genüberliegenden
Buchsenende der Kupplung eingreift, und ein zwischen den Einsteckenden
installierter Schulterring. Der Schulterring umfasst einen Grundkörper mit
einer zentralen, sich durch den Grundkörper erstreckenden Öffnung,
eine erste Stirnfläche
an dem Grundkörper,
eine gegenüberliegende
Stirnfläche
an dem Grundkörper, eine
innere Oberfläche,
die zu der zentralen Öffnung
benachbart ist und sich zwischen der ersten Stirnfläche und
der gegenüberliegenden
Stirnfläche
erstreckt, und eine äußere Oberfläche, die
sich zwischen der ersten Stirnfläche
und der gegenüberliegenden
Stirnfläche
erstreckt. Der Grundkörper
hat über
seinen Umfang eine im Wesentlichen gleichförmige Querschnittsform zwischen
der ersten Stirnfläche,
der gegenüberliegenden Stirnfläche, der
inneren Oberfläche
und der äußeren Oberfläche. Der
Ring ist derart geformt, dass der Krümmungsradius der äußeren Oberfläche über den
Umfang der äußeren Oberfläche so variiert,
dass eine Mehrzahl von Nocken gebildet wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Eine
weitere detaillierte Beschreibung der Erfindung, die oben nur kurz
beschrieben wurde, folgt nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen von besonderen Ausführungsformen
der Erfindung. Die Zeichnungen zeigen nur typische Ausführungsformen
der Erfindung und stellen deshalb keine Einschränkung des Schutzbereichs der
Erfindung dar. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schulterrings;
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2 eine
Draufsicht des Rings aus 1;
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3 ein
Schnittbild entlang der Linie III-III von 2;
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4 ein
Teilschnittbild durch eine erfindungsgemäße Rohrverbindung mit einem
darin installierten Schulterring;
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5 eine
Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Schulterrings mit drei
Nocken (Amplituden vergrößert dargestellt)
vor seiner Installation;
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6 ein
Schnittbild durch eine Kupplung mit einem darin installierten Schulterring
nach 5;
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7 ein
vergrößertes Schnittbild
durch eine Rohrverbindung mit einem weiteren erfindungsgemäßen Schulterring;
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8 einen
Teilschnitt durch eine Rohrverbindung während der Installation eines
Schulterrings nach der vorliegenden Erfindung und
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9 ein
Diagramm, das die radiale Steifheit eines beispielhaften Viernockenrings
zum Einsatz in eine API Hauptgewindeverbindung (Butress Threaded
and Coupled connection) von 178 mm (7 inch) 34,3 kg/m (23 Ib/ft)
und die Reaktion eines runden Rings mit entsprechender Dicke vergleicht.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Schulterring vorgeschlagen, der in einer Schraubgewindeverbindung
(wie beispielsweise einer Strandard-API-Verbindung platziert wird,
um zwei Teillängen
oder Verbindungsabschnitte von Rohren zu verbinden. Wie in den 1 bis 3 dargestellt,
hat ein Schulterring 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
eine erste Stirnfläche 12,
eine gegenüberliegende
Stirnfläche 14,
eine innere Oberfläche 16,
die benachbart zu einer zentralen Öffnung ist und sich zwischen
der ersten Stirnfläche
und der gegenüberliegenden
Stirnfläche
erstreckt, und eine äußere Oberfläche 18,
die sich zwischen der ersten Stirnfläche und der gegenüberliegenden
Stirnfläche
erstreckt. Der Ring hat eine im Wesentlichen gleichförmige Querschnittsform über seinen
Umfang. Weder die Dicke des Rings zwischen der inneren und der äußeren Oberfläche noch
die Länge
des Rings zwischen der ersten Stirnfläche und der gegenüberliegenden
Stirnfläche variieren
wesentlich. Der Radius der äußeren Oberfläche des
Rings ändert
jedoch über
seinen Umfang und bildet vier Nocken 20. Obwohl hier vier
Nocken gezeigt werden, ist es selbstverständlich, dass der Ring auch zwei
oder mehrere Nocken haben kann, wenn dies gewünscht ist. In einer bevorzugten
Ausführung
ist der Mehrnockenring der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet,
dass er, je nach der geforderten effektiven Ringsteifheit und dem
Durchmesser der Kupplung, in der der Ring eingesetzt wird, drei
oder mehrere Nocken aufweist. Bevorzugt sind die Nocken im Wesentlichen
gleich beabstandet auf dem Ring.
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Die
Nocken werden durch sich radial erstreckende Peaks mit dazwischen
angeordneten Tälern
gebildet, so dass der Radius entlang des Rings variiert. Da die
Querschnittsform des Rings über
seinen Umfang im Wesentlichen gleichförmig ist, variieren der innere
Radius (d.h. der Radius zur inneren Oberfläche) und der Radius zur äußeren Oberfläche gemeinsam,
um die Nocken zu bilden.
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Die
Nocken auf dem Ring können
durch viele unterschiedliche Herstellungsmethoden erzeugt werden. Es
hat sich gezeigt, dass geeignete Ringe durch Kaltverformung mit
einer externen radialen Verschiebung gebildet werden können, die
ausreicht, um ursprünglich
runde Ringe dauerhaft zu verformen. Gleichzeitig erfolgt eine Fixierung
dergestalt, dass bei jedem Tal die gleiche radiale Verschiebung
bezüglich
des Mittelpunktes des Rings bewirkt wird.
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4 stellt
einen erfindungsgemäßen Ring 10 in
Gebrauch dar. Er ist im Zentrum einer erfindungsgemäßen (auch
als Manschette bezeichneten) Kupplung 22 angeordnet, wie
dies beispielsweise in der dargestellten API-Buttress-Kupplung der
Fall ist, wobei die Kupplung an beiden Enden sich verjüngende Innengewinde 24 aufweist.
Diese konischen Innengewinde werden jeweils als Buchse bezeichnet.
Bei der Ausbildung eines Rohrstrangs wurden zwei Röhrenabschnitte 26', 26'' in die Kupplung eingeschraubt.
Insbesondere ist ein Einsteckende 28', 28'' jedes
Rohrabschnitts 26', 26'' in jede der Kupplungsbuchsen 24 eingeschraubt. "Einsteckende" (pin end) ist der
gängige
Begriff für
ein mit Außengewinde
versehenes Ende einer Röhre.
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Typischerweise
wird auf diesem technischen Gebiet eine der Kupplungsbuchsen willkürlich für das erste
Zusammenfügen
ausgewählt,
wobei dieses Zusammensetzen auch als "Vorfertigungsschritt" (mill end make up) bezeichnet wird.
Bei dem ersten Zusammensetzen wird ein Einsteckende 28' der Rohrverbindung, welche
ein Außengewinde
trägt und
dann als "Vorfertigungs-Einsteckende" (mill end pin) bezeichnet
wird, in die ausgewählte
Buchse einer Kupplung eingeschraubt. Die Buchse, in die das Vorfertigungs-Einsteckende eingeführt wird,
wird als "Vorfertigungs-Endbuchse" und die Verbindung
insgesamt als "Vorfertigungs-Endverbindung" (mill end connection)
bezeichnet. Wie sich schon aus dieser Bezeichnung ergibt, wird der
Vorfertigungsschritt üblicherweise
in dem Röhren-Herstellungswerk
ausgeführt,
und die derartig vorbereiteten Röhren werden
zum Anwendungsort transportiert, wo sie zu einem Bohrstrang in einer
Vorortmontage zusammengefügt werden.
Der zweite Zusammenfügungsschritt,
der während
der Vorortmontage durchgeführt
wird und daher als "Vorort-Fertigungsschritt" (field make up)
bezeichnet wird, dient dazu, bei jeder Röhre das offene mit Außengewinde
versehene Ende 28'', das auch als "Vorortmontage-Einsteckende" (field end pin)
bezeichnet wird, mit der offenen Buchse der Kupplung zu verbinden,
die ihrerseits als "Vorortmontage-Endbuchse" (field end box)
bezeichnet wird. Diese Verbindung wird "Vorort-Endverbindung" (field end connection) genannt.
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Beim
Einbau in das Zentrum einer Vorfertigungskupplung dienen die Stirnflächen 12, 14 des
Rings als Schultern oder Stoßflächen, gegen
die sich die Stirnfläche 30 des
Vorfertigungs-Einsteckendes 28' und die Stirnfläche 29 des "Vorortmontage-Einsteckendes 28'' bei der Anwendung eines geeigneten
Drehmoments abstützen.
Das Drehmoment wird während
der Durchführung
des Vorort-Fertigungsschritts oder später während nachfolgender Arbeitsgänge zum
Einbringen des Gestänges
in das Bohrloch angewandt, um weiter zu bohren, das Bohrloch zu
komplettieren oder andere Arbeitsgänge auszuführen. Der Mehrnockenring überträgt deshalb eine
Last zwischen den Einsteckenden. Die von den Einsteckenden erzeugte
und von den Gewinden aufgenommene Lagerbelastung (bearing load)
führt zu
einer Verbesserung des Reibungswiderstandes (frictional capacity),
die einem Verdrehen entgegenwirken kann und zu einem erheblichen
Teil für
die Erhöhung
der Drehmomentbelastbarkeit in der bekannten Art und Weise bei sogenannten
Schulterungsverbindungen (shouldering connections) verantwortlich
ist. Das Zusammenwirken der Drehmomentbelastung und der axialen
Belastung wird üblicherweise
bei Schraubverbindungen verwendet, wobei das Drehmoment genutzt
wird, um die Schraubverbindung vorzuspannen und eine axiale Klemmkraft
auszuüben.
Wenn die Lagerbelastung ausreicht, um die Stirnflächen der
Einsteckenden in geeigneten Kontakt mit den Stirnflächen 12, 14 des
Schulterrings zu bringen, werden gleichzeitig Schulterdichtungen
gebildet. Vorzugsweise werden die Stirnflächen 12, 14 glatt
gehalten, um die Dichtungsleistung zwischen dem Ring und den Einsteckenden
zu erhöhen.
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Der
Schulterring kann jederzeit vor dem Einstecken des Vorortmontage-Endes
in den Förderturmboden
in die Kupplung installiert werden. Die Installation kann auch direkt
vor dem Zusammenbau im Vorfertigungsschritt erfolgen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Ring 10 jedoch auch
erst in die Kupplung installiert werden, nachdem die Vorfertigungs-Endverbindung hergestellt worden
ist und bevor das Zusammensetzen auf dem Förderturmboden erfolgt. Diese
Verfahrensweise bedeutet eine verhältnismäßig geringe Änderung
im Vergleich zu der bisherigen Praxis und ermöglicht es, die "Ringlänge" (d.h. die Abstände zwischen
den Stirnflächen)
derart auszuwählen,
dass Abweichungen der Endposition des Vorfertigungsschritts von
der gemäß API spezifizierten
Dichtungsposition (power tight position) berücksichtigt werden. Bei bestimmten
Anwendungen kann es wünschenswert
sein, die Ringlänge
derart auszuwählen,
dass die "Schulterposition" für die Vorortmontage
eingestellt werden kann. Diese Schulterposition wird durch die Endposition
des Vorfertigungsschritts und die Ringlänge bestimmt. Bei konischen
Verbindungen ist der radiale Wirkeingriff zwischen dem Stecker und
der Buchse eine ansteigende Funktion der Fertigungsposition nach
dem handfesten Zusammenschrauben. Dieser wiederum bewirkt eine Grenzflächen-Kontaktbelastung
in den Gewinden, die erforderlich ist, um eine Gewindedichtung zu
erzeugen und, insbesondere in 8-Rundungsverbindungen, die Verbindungsstärke zu kontrollieren.
In dem Maße,
in dem das Dichtungsvermögen und
die Stärke
in Abhängigkeit
von der Kontaktbelastung steigen, nimmt auch die Wahrscheinlichkeit
zu, dass die Oberfläche
und das Gewinde beschädigt
werden, wobei beide Arten von Beschädigungen die Dichtigkeit der
Verbindung, das Belastungsvermögen
und die Dauer der Wiederverwendung beeinträchtigen. Je nach Anwendung
kann deshalb eine verbesserte und genauere Kontrolle des Wirkungseingriffs
als Mittel eingesetzt werden, um das Dichtungs- und Belastungsvermögen unter
Berücksichtigung
des Risikos der Gewindebeschädigung
und der Oberflächenbeschädigung zu
optimieren. Die Kontrolle der Schulterposition in der Vorortmontage
kann somit verwendet werden, um ein zufriedenstellenderes Zusammenwirken
zu erhalten. Die Kontrolle kann in der nachstehend beschriebenen
Art durchgeführt
werden.
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Veränderungen
der Dichtungsposition (power tight position) des Steckers innerhalb
der Kupplung werden als "Dichtabstand" (power tight stand
off) bezeichnet. Dabei handelt es sich um den axialen Abstand des Vorfertigungs-Endes
des Vorfertigungs-Einsteckendes 28' zu seiner Dichtebene
in der Kupplung, wie er von der API festgelegt ist. Der Dichtungsabstand
des Vorfertigungs-Endes kann auf verschiedene Weisen ermittelt werden.
Vorzugsweise wird er jedoch durch Messung, beispielsweise mit einem
Taster (caliper), ermittelt. Dabei wird der Abstand der Stirnfläche 30 des
Vorfertigungs-Einsteckendes zu der Fläche 31 der Vorortmontage-Endbuchse
der Kupplung abzüglich
der Hälfte
der Kupplungslänge
und der spezifizierte Abstand zwischen dem Zentrum der Kupplung
und dem nominalen Ende der Rohrdichtungsebenen (pipe power tight
planes) berechnet (vgl. API-Standard 5B, "Specification for
Threading, Gauging and Thread Inspection of Casing, Tubing and Line
Pipe Threads").
Der Dichtungsabstand des auf diese Weise ermittelten Vorfertigungsendes
kann als Ausgangswert dienen, um die Länge des Rings vor der Installation
auszuwählen,
so dass der Abstand kompensiert werden kann und die Stirnfläche 12 des
installierten Rings an oder nahe der Dichtungsebene der Vorortmontage-Buchse
liegen kann. Die geeignete Ringlänge
sollte für
jede Verbindung ausgewählt
werden. Diese Justage kann problemlos erfolgen, in dem eine Mehrzahl
von hergestellten Ringlängen
zur Verfügung
gestellt wird, aus denen während
der Installation die geeignete ausgewählt wird. Bei Casing-Bohranwendungen kann
eine zufriedenstellende Kontrolle der Vorortmontage-Endposition,
die in den zulässigen
Bereich der API-Toleranzen fällt,
dadurch erreicht werden, dass Ringe in drei verschiedenen Längen vorgesehen
sind.
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Eine
Endansicht eines Rings 10a gemäß der Erfindung ist in den 5 und 6 dargestellt.
Der Ring 10a umfasst drei Nocken 20a. 5 zeigt
den Ring in einer neutralen Konfiguration vor der Installation in
eine Kupplung (wenn keine Kräfte
auf den Ring wirken). In dieser neutralen Konfiguration hat der
Ring einen effektiven inneren Durchmesser, hier als innerer Taldurchmesser
DInnen Tal n bezeichnet, der den Durchmesser eines
Kreises darstellt, der den am weitesten innen gelegenen Punkt der
einzelnen Täler
der inneren Oberfläche 16 des
Rings kontaktiert. Darüber
hinaus hat der Ring im unbelasteten Normalzustand (sogenannte neutral
configuration) einen effektiven Außendurchmesser, hier als äußerer Peakdurchmesser
DAußen
Peak bezeichnet. Er stellt den Durchmesser eines Kreises dar,
der den am weitesten außen
gelegenen Punkt der einzelnen Spitzen der äußeren Oberfläche 18 des
Rings umschließt.
Die äußere Oberfläche 18 des
Rings definiert auch einen Umfang, dessen Länge einem Kreis mit einem Durchmesser
DKreis entspricht. Bei der Auswahl des Rings zur
Verwendung in einer bestimmten Kupplung wird der Durchmesser DKreis so gewählt, dass er im Wesentlichen
gleich oder größer als
der Minimaldurchmesser der Kupplung ist. Der Durchmesser DAußen
Peak n des Rings in der Neutralkonfiguration wird so gewählt, dass
er größer als
der Minimaldurchmesser der Kupplung ist, in die der Ring installiert
werden soll.
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Bei
der Installation wird der Ring in das offene Buchsenende einer Kupplung
eingesetzt und in dem Buchsenende in Richtung des Kupplungsmittelpunkts
gedrückt.
Wenn der Ring in die Kupplung gedrückt wird, kommen die Nockenspitzen
der äußeren Oberfläche mit
den Buchsengewinden in Kontakt und entwickeln radiale Haltekräfte gegenüber ihnen.
Während
Druck auf den Ring ausgeübt
wird, um ihn in Richtung des Zentrums der Kupplung zu schieben,
wird der äußere Peakdurchmesser
des Rings entsprechend dem zunehmend kleiner werdenden Durchmesser
der konischen Buchse reduziert. Dies führt dazu, dass die Nocken derart
zusammengedrückt
werden, dass der Ring eine rundere Form einnimmt.
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Schließlich hat
der Ring, wenn er in dem Zentrum der Kupplung angeordnet ist, einen
installierten äußeren Peakdurchmesser
DAußen
Peak I, der ähnlich
oder gleich dem Durchmesser DKreis ist,
wie in 6 gezeigt wird. Deutlichkeitshalber ist die ursprüngliche
Amplitude der Nocken und der sich schließlich ergebende Zwischenraum 33 zwischen
den äußeren Nockentälern und
der Innenseite der Kupplung in den 5 und 6 vergrößert dargestellt.
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Durch
Vergleich der 5 und 6 wird deutlich,
dass, während
der Ringumfang des installierten Rings im Wesentlichen unverändert bleibt,
die bei der Installation des Rings auftretenden radialen Kräfte den installierten äußeren Peakdurchmesser
DAußen
Peak I kleiner werden lassen als den äußeren Peakdurchmesser im unbelasteten
Zustand und den installierten inneren Taldurchmesser DInnen
Tal I größer werden
lassen als den inneren Taldurchmesser im unbelasteten Zustand. Ist
der Ring einmal installiert, so kann sich, abhängig von dem tatsächlichen
Kupplungsdurchmesser DKreis und der durch
die Oberflächenbeschaffenheit
der äußeren Oberfläche des
Rings entstandenen plastischen Deformation, zwischen der Kupplung
und der äußeren Oberfläche des
Rings an den Positionen der ursprünglichen Täler ein Zwischenraum 33 ausbilden
oder nicht.
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Auch
wenn in der dargestellten Ausführungsform
die Nocken derart geformt sind, dass die Täler radial nach außen bewegt
werden, wenn der Ring in die Kupplung eingepresst wird, ist deutlich,
dass der Ring auch so geformt sein kann, dass die Täler während der
Installation radial nach innen bewegt werden. Ob die Täler nach
innen oder nach außen
bewegt werden, ist abhängig
von der Amplitude der Nocken und von der Richtung, entlang der der
Druck durch den Ring relativ zu den Scheiteln der Täler ausgeübt wird.
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Um
die Anforderungen für
einige Anwendungen, wie beispielsweise für das Casing-Bohrens, zu erfüllen, wird
der Ring vorzugsweise so ausgewählt,
dass der Durchmesser DInnen Tal I des installierten
Rings kleiner als der innere Durchmesser der Stecker und größer als
der spezifizierte oder im Einzelfall geforderte Drift-Durchmesser
des Röhrenstrangs
ist, in dem der Ring verwendet werden soll. Bevorzugt ist der endgültige Innendurchmesser
kleiner als der Innendurchmesser der Rohre, so dass sich das Einsteckende
nicht einwärts verformt,
wie es der Fall wäre,
wenn es, an der Obergrenze der Drehmomentbelastbarkeit des Systems,
gegen den Ring drückt.
In Anwendungen, in denen das Einsteckende und somit die Ringdicke
im Verhältnis
zu der Dicke des Rohrkörpers
dünn ist,
verbessert ein dickerer als das Rohrende ausgebildeter Ring zusätzlich seine Stärke und
Stabilität,
wodurch mit dem gleichen Material höhere Belastungen aufgenommen
werden können.
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Die
im Wesentlichen auf Biegekräfte
zurückgehende
Beanspruchung, die während
der Installation durch die Reduktion des äußeren Peakdurchmessers auftritt,
und die radial nach außen
gerichtete Bewegung der Täler
des Rings bewirken eine reduzierte effektive Ringsteifigkeit und
einen erhöhten
radial elastischen Bereich des erfindungsgemäßen Rings im Vergleich zu einem
Ring, der unter radialen 'shrink
fit'-Lastbedingungen eine
Form mit konstantem Radius aufweist. In diesem Zusammenhang wird
die "effektive Ringsteifigkeit" definiert, als:
Verhältnis
der Änderung
der mittleren radialen Belastung, die auf die Außenfläche eines Mehrnockenrings ausgeübt wird,
welche durch eine Änderung
des Radius einer im Wesentlichen zylindrischen Begrenzungsoberfläche (das
heißt,
einer Oberfläche
mit einem Durchmesser kleiner als den ursprünglichen äußeren Spitzendurchmesser) hervorgerufen
wird, zu der Änderung
des Radius, das heißt,
dem mittleren Anstieg der Kontaktbelastung zwischen einem Mehrfachnockenring
und einer Begrenzungs-Oberfläche
pro Abnahme des Radius der Begrenzungs-Oberfläche. Unter "elastischem Bereich" wird der Bereich der Begrenzungsdurchmesser
verstanden, über
den die Ringsteifigkeit eines Mehrnockenrings weitgehend konstant
ist.
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Die
effektive Ringsteifigkeit und der elastische Bereich können durch
die Auswahl der Nockenanzahl, des ursprünglichen äußeren Spitzendurchmessers (Außen-Peak- Durchmesser), des
ursprünglichen
inneren Taldurchmessers und der Ringquerschnittsflächen eingestellt
werden. In Bezug auf die Ringsteifigkeit und die Anzahl der Nocken
auf dem Ring erfordert eine Erhöhung
der Nockenanzahl auf dem Ring bei gegebenem Durchmesser insbesondere,
dass jede Nocke eine kürzere "Wellenlänge" hat und der Ring
deshalb eine größere Ringsteifigkeit
aufweist. Im Grenzbereich, wo die Anzahl der Nocken gegen unendlich
geht und somit die Wellenlänge
jeder Nocke Richtung Null strebt, wird der "Nocken"-Ring ein kreisrunder (achsensymmetrischer) Ring
mit maximaler Ringsteifigkeit. Im Allgemeinen wird die Anzahl der
Nocken auf dem Ring für
eine gegebene Verbindungsgröße und ein
gegebenes Gewicht ausgewählt,
um die "Greifkraft" in dem Bereich der
von der API erlaubten Toleranzen in Kombination mit anderen Faktoren,
wie der Installationsmethode, dem Risiko der Gewindebeschädigung und
der Materialauswahl, zu optimieren Während der Ring vorzugsweise
aus einem Material gebildet wird, das dem Material der Kupplung ähnlich ist,
können
mechanische Materialeigenschaften verwendet werden, um die effektive
Ringsteifigkeit und den elastischen Bereich des Rings anzupassen.
Zusätzlich
oder alternativ kann die effektive Ringsteifigkeit und der elastische
Bereich des Rings durch eine nichtsymmetrische Anordnung der Nocken
auf dem Ring eingestellt werden. Das Verändern der Nockenform kann als
weiteres Mittel genutzt werden, um die effektive Ringsteifigkeit
und den elastischen Bereich zu kontrollieren und die Greifkraft
des Rings weiter zu optimieren. Wenn die Nockenformen nicht alle
gleich sind, neigen die Nockentäler
nicht dazu, sich in gleicher Weise auszudehnen, wenn die Peaks durch
die Beschränkung
der Kupplung zusammengedrückt
werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, einen Ring zu formen,
der Nocken mit abwechselnd kurzen und langen Wellenlängen hat,
um eine höhere
Greifkraft über
einen größeren elastischen
Bereich beim radialen Zusammenwirken zu bewirken.
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Es
ist für
den Fachmann ersichtlich, dass die einzelnen ausgewählten Ringparameter
am besten kombiniert und gewichtet werden können, indem unterschiedliche
Belastungsanalysetechniken, wie z.B. die Finite-Elemente-Methode
(FEM), angewendet werden.
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In
einer Ausführungsform
wird die effektive Greifleistung oder Greifkraft, die von einem
Ring 10b übertragen
wird, der eine gegebene radiale Kraft aufbieten kann, erhöht, indem
die äußere Oberfläche des
Rings aufgerauht wird, wie in 7 dargestellt.
Das Aufrauhen kann auf unterschiedliche Weisen geschehen, beispielsweise
als Rendeln oder durch maschinelle Bearbeitung mit ausgerichteten
Zähnen,
und kann in Kombination mit einer Härtung geschehen. Einfache V-förmige Kerben 36,
wie dargestellt, führen
zu wesentlich erhöhten
effektiven Reibkoeffizienten im Vergleich zu denen mit glatten Oberflächen und
werden kostengünstig hergestellt,
beispielsweise durch das maschinelle Einschneiden von Kerben entlang
des Umfangs in der äußeren Oberfläche des
Rings. Bevorzugt wird die äußere Oberfläche vor
der Ausbildung der Nocken aufgerauht.
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Als
ein weiteres Mittel zur Verbesserung der Greifkraft des erfindungsgemäßen Rings
innerhalb der Kupplung, kann ein Teil 38, beispielsweise
die Hälfte,
der äußeren Oberfläche des
Rings im Wesentlichen kegelstumpfförmig geformt sein, um entsprechend
der Kegelform der Kupplungsbuchse konisch nach außen gegen
die Stirnfläche 14a aufgeweitet
zu werden. Zur Vereinfachung der Installation innerhalb einer Kupplung hat
vorzugsweise etwa die Hälfte
der Länge
des Rings eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke. Etwa die Hälfte der
Länge des
Rings hat eine äußere Oberfläche, die
nach außen
in Richtung Stirnfläche 14a so
aufgeweitet ist, dass die Dicke des Rings von etwa dem Zentrum des
Rings zur Stirnfläche 14a allmählich zunimmt. Dies
führt dazu,
dass ein Teil des Rings eine kegelstumpfförmige äußere Oberfläche hat, die im Wesentlichen dem
Konus der Kupplungsbuchse entspricht. Deshalb ist das Vorortmontage-Ende
des Rings in Kontakt mit den Gewinden in der Kupplung, wenn der
Ring richtig in der kegelstumpfförmigen
Kupplung installiert ist. Die innere Oberfläche bleibt vorzugsweise im
Wesentlichen linear über
den gesamten Ring. Diese Ausführungsform
erleichtert die Installation des Rings in der Kupplung und zwar über den
Mindestdurchmesser im Zentrum der Kupplung hinaus, ermöglicht aber
auch einen leichter einstellbaren Kontakt zwischen dem kegelstumpfförmigen Teil 38 und
der Kupplungsbuchse, die in der Regel die Vorortmontage-Endbuchse
ist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der bevorzugten Ausführungsform kann eine weitere
Erhöhung
der Drehmomentbelastbarkeit, insbesondere für API-Verbindungen von Röhren mit
dünneren
Wänden,
erzielt werden, indem die Stirnflächen 12a, 14a des
erfindungsgemäßen Rings
mit konvexen, kegelstumpfförmigen
Profilen geformt sind. Insbesondere können die Stirnflächen so
geformt sein, dass sie von der inneren Kante zu der äußeren Kante
abgeschrägt
sind und rückwärts gerichtete
Schultern (reverse angled shoulder) bilden, an denen die Einsteckenden
abgestützt
sind, wenn auf ein Drehmoment reagiert wird. Dies verhindert, dass
die Einsteckenden bei Abwendung einer hohen Belastung nach innen
rutschen. Statt dessen wird das Einsteckende radial nach außen gezwungen,
so dass es zwischen dem Ring und der Kupplung eingepresst wird,
wodurch die Drehmomentbelastbarkeit der Verbindung weiter erhöht wird.
Damit diese Konfiguration richtig funktioniert, muss die Stärke des
Rings durch Dicke oder Materialeigenschaften geeignet sein, die
Beanspruchungen an der dünneren
inneren Kante zu auszuhalten.
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In 7 wird
ein Ring gezeigt, der sowohl eine kegelstumpfförmige äußere Oberfläche als auch kegelstumpfförmige Stirnflächen aufweist.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass jede dieser Ausbildungen
einzeln in einem bestimmten Ring verwendet sein kann, wenn dies
gewünscht
ist.
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Um
den Ring in dem Kupplungszentrum zu positionieren, können verschiedene
Mittel angewendet werden. Dazu gehört u.a. das einfache Eindrücken des
Rings in eine offene Buchse von Hand, wobei das Einsteckende während des
Zusammensetzens in Richtung Zentrum verschoben wird. In der in 8 dargestellten
Ausführungsform
ist hingegen ein hydraulisches Installationsgerät vorgesehen, das einen einzelnen
hydraulisch betriebenen Aktuator 40 umfasst, der durch
geeignete Mittel durch seinen Druckeingang 42 gedrückt wird.
Der hydraulische Aktuator umfasst eine Gewindeplatte 43 und
wird durch Einschrauben in ein offenes Buchsenende einer Kupplung 22 gesichert.
Der hydraulische Aktuatorkolben 44 ist koaxial zu der Gewindeplatte 43 angeordnet
und hat eine daran befestigte Druckplatte 46 (load plate),
die so ausgebildet ist, dass sie auf die Stirnfläche 14 des Rings 10 einwirkt
und eine Kraft auf diese überträgt, wenn
der Ring 10 in einem offenen Buchsenende 24 der
Kupplung 22 angeordnet ist, wobei er zu dem Kupplungszentrum
hin geschoben wird. Die zwischen dem Ring und der Buchse erzeugten
Reibkräfte
werden durch den Grundkörper
der Kupplung auf die Gewindeplatte übertragen, wodurch die Lastübertragung
in dem Stempelkörper
abgeschlossen wird.
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Dieses
Gerät kann
auch benutzt werden, um installierte Ringe aus Kupplungen, aus denen
beide Stecker entfernt sind, zu entfernen, wenn dies zur Reparatur
oder für
andere Zwecke notwendig ist. Um einen Ring zu entfernen, wird die
Druckplatte gegen den Ring gedrückt,
um ihn aus dem Eingriff mit der Kupplung herauszudrücken.
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Die
von diesem Gerät
zur Verfügung
gestellten Installationsmittel sind ohne weiteres in Einrichtungen wie
beispielsweise Röhren-Lagerplätzen oder
Bohrtürmen
(rig sites) einsetzbar, wo Röhren
in Rohrregalen gelagert werden. Die Gewindeplatte 43 kann
ohne weiteres in ein zugängliches
Buchsenende in einem Rohrregal eingeschraubt werden und positioniert
das Gerät
mittig, um eine genaue und kontrollierte Installation sicherzustellen.
Geeigneter hydraulischer Druck kann einfach mit elektrischen oder
pneumatisch angetriebenen Pumpen erzeugt werden, um eine schnelle
Installation der Ringe zu ermöglichen.
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Die
Bandbreite von zulässigen
Durchmessern im Zentrum von Kupplungen, die gemäß den API-Spezifikationen hergestellt
sind, ist groß im
Vergleich zu den elastischen Bereichen von Stahlringen mit konstantem
Radius. Erfindungsgemäße Ringe,
die mindestens zwei, jedoch vorzugsweise drei oder mehr Nocken haben
und gleichzeitig die mittlere radiale Beanspruchung kontrollieren,
um ein Gleichgewicht zwischen der Installationsbeanspruchung und
der Greifkraft herzustellen, fallen ohne weiteres in den zulässigen Bereich.
Dies kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass der innere
Durchmesser nach der Installation nicht unter den minimalen Drift-Durchmesser
sinkt, der für
die Anwendung von Ringen gefordert wird, die in Kupplungen mit einem
maximalen internen Durchmesser installiert sind, wobei die inelastische
Ring-Reaktion (inelastic hoop response) des Rings vorzugsweise nicht
ausgelöst
werden soll.
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In
Tabelle 1 sind beispielsweise Dimensionen für die Spitzen (Peaks) und Täler eines
Vier-Nockenrings angegeben, der zur Verwendung in einer Verbindung
entwickelt ist, die die API-Spezifikationen für eine 178 mm (7 Inch) 34,3
kg/m (23 Ib/ft) "Buttress
Threaded and Coupled (BTC)" Gewindeschraubverbindung
erfüllt.
Dabei beträgt
der spezifizierte Drift-Durchmesser des Casings 158,52 mm (6,241
inches). Der von der API erlaubte Bereich für Kupplungsinnendurchmesser
entspricht dem der in Tabelle 1 angegebenen Außen-Peak-Durchmesser D
Außen
Peak nach der Installation. Diese Dimensionen sind von der
API herausgegebenen Messspezifikationen entnommen, da der Durchmesser
in diesem Bereich nicht explizit von den API-Spezifikationen vorgegeben
ist. Tabelle
1: Nockengeometrie eines beispielhaften Vier-Nockenrings zur Anwendung
in einer 178 mm (7 inch) 24,2 kg/m (23 Ib/ft) API-Buttress-Threaded-and-Coupled-Verbindung.
- Nominelle Ringlänge: 25,4 mm (1,0 inch)
- Ringmaterial: API L80 Stahl (minimale praktische Fließgrenze
(yield strength) 550 MPa (80.000 Psi))
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Mit
den angegebenen Ringgeometrien und Eigenschaften wurde eine Finite-Elemente-Analyse
durchgeführt,
um die radialen Kräfte
vorherzusagen, die entstehen, wenn der Ring in eine konische Verbindung
geschoben wird und der begrenzte Durchmesser des Rings dadurch verringert
wird. 9 zeigt die Ergebnisse dieser Analyse für das Beispiel
eines Vier-Nockenrings und für
einen runden Ring mit einem runden Umfang und äquivalenter Dicke und Materialeigenschaften
mit einem anfänglichen
Durchmesser, der dem durchschnittlichen Innendurchmesser im Zentrum
der Kupplung entspricht. Wie ersichtlich, ist die entsprechende Ringsteifigkeit
des Mehrnockenrings im Vergleich zu dem runden Ring erheblich reduziert.
Dadurch wird eine im Wesentlichen konstante Greifkraft auf die verschiedenen,
von den API-Spezifikationen
für diesen
Verbindungstyp und diese Größe zugelassenen
Innendurchmesser der Kupplung ausgeübt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, übersteigt
der minimale Innendurchmesser des Rings (159,5mm) den spezifizierten
Driftdurchmesser der Röhre
(158,52 mm) noch um ein signifikantes Maß, selbst wenn der Ring in
eine Kupplung mit dem höchstzulässigen Kupplungsdurchmesser
installiert ist. Wenn ein etwas größerer anfänglicher Ringdurchmesser verwendet
worden wäre,
hätte dieser
minimale Durchmesser erhalten werden können, allerdings mit dem Nachteil, dass
eine größere radiale
Kraft oder Greifkraft für
Kupplungen mit dem kleinsten zugelassen Durchmesser erzeugt hätte werden
müssen.
Dies hätte
zur Folge gehabt, Kon sequenz, dass höhere Installationskräfte notwendig
gewesen wären,
um den Ring in dem Zentrum der Kupplung zu positionieren. Für den Fachmann
ist es offensichtlich, dass verschiedene, ähnliche Einstellungen der Herstellungsparameter,
beispielsweise die Anzahl der Nocken, vorgenommen werden können, um
das Verhalten der Ringe so anzupassen, dass sie eine Vielzahl von
Anwendungsanforderungen erfüllen.
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Es
ist offensichtlich, dass viele andere Abweichungen von den gezeigten
Ausführungsformen
möglich sind,
die alle in den durch die nachstehenden Patentansprüche definierten
Schutzbereich Bereich der Erfindung fallen.
