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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen von mit Gewinde versehenen Distanzstücken.
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Um
zu verhindern, daß das
Gewinde durch Fressen beschädigt
wird, und um eine Sicherheit der Verbindung in Zusammenhang mit
der Verbindung und Verwendung von Bohrrohren oder Bohrgestänge zu gewährleisten,
die bei der Gewinnung von Öl
und Gas verwendet werden, werden die Gewindegänge des Rohrs in typischer
Weise mit einem geeigneten Verbund- oder Mischungsstoff für Gewinde
beschichtet. Diese Verbundstoffe enthalten üblicherweise ein fein verteiltes
Metallpulver wie etwa Zink oder Blei und manchmal weitere Bestandteile
wie etwa aktiven Schwefel. Die Erfahrung hat gezeigt, daß derartige Verbundstoffe
mit der Zeit oder unter dem Einfluß der extremen Bedingungen,
denen sie in Gebrauch ausgesetzt sind, ihre günstigen Eigenschaften verlieren, was
dazu führt,
daß sie
ihre Eigenschaften verlieren, die dem Schutz des Gewindes vor Fressen
dienen. Weiterhin werden viele von derartigen Verbundstoffen in
der heutigen Zeit als gefährliche
Stoffe spezifiziert, aufgrund ihres hohen Gehalts an Metallpartikeln.
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Um
diese Probleme zu lösen,
ist in dem italienischen Patent 980421 von Baryshnikov et al. ein mit
Gewinde versehenes Distanzstück
beschrieben, welches dazu bestimmt ist, herkömmliche Verbundstoffe für Gewinde
zu ersetzen. Das spezielle, mit Gewinde versehene Distanzstück besteht
aus einem konischen Abschnitt, der an seinem offenen, größeren Ende
mit einem Flansch versehen ist. Miteinander zusammenwirkende schraubenförmige Nuten sind
in der inneren und äußeren Oberfläche der Wand
des konischen Abschnitts ausgebildet, so daß die konische Wand im Querschnitt
im ganzen eine Wellenform besitzt. Der Flansch, der senkrecht zu der
Achse des konischen Abschnitts angeordnet ist, ist etwa 8- bis 16mal
so dick wie die Wand des konischen Abschnitts ausgebildet. Mit diesem
Aufbau kann der konische Abschnitt des Distanzstücks zwischen zueinander passenden
Nuten von benachbarten Abschnitten von Bohrrohren aufgenommen werden,
während
der Flansch den ringförmigen
Zwischenraum ausfüllt,
der zwischen den Schultern von benachbarten Rohrabschnitten gebildet
ist.
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Das
mit Gewinde versehene Distanzstück gemäß dem italienischen
Patent 980421 ist so beschrieben, daß es aus einer Kupfer-Beryllium-Verbindung
besteht. Diese Verbindung weist eine einzigartige Kombination von
Eigenschaften auf, unter anderem Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Fressen,
wenn es mit Stahl und anderen Metallen in Zusammenwirken gebracht
wird. Es wird daher behauptet, daß diese Vorrichtung herkömmliche
Verbundstoffe für
Gewinde vollständig
ersetzen kann, so daß auf
diese Weise die Probleme im Hinblick auf die Umwelt und die Leistungsfähigkeit,
die mit derartigen Verbundstoffen zusammenhängen, eliminiert werden.
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Allerdings
scheint es sich bei dem italienischen Patent 980421 leider lediglich
um eine Offenbarung des Grundgedankens zu handeln. Es wird kein
Verfahren zur Herstellung beschrieben. Auch die Beschreibung der
Wanddicken ist nicht klar.
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Andere
Vorrichtungen, die zur Verwendung in Bohrsträngen dienen, wie etwa Bohrkragen,
Bohrmeißelbuchsen,
Zentralisierer, Stoßkragen,
Richtungswerkzeuge und "Subs" (Koppelvorrichtungen zum
Befestigen von Bohrmeißeln
an Bohrsträngen), werden
gegenwärtig
aus einer Kupfer-/Berylliumlegierung hergestellt. Diese Vorrichtungen
werden in typischer Weise durch maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung
hergestellt, d. h. durch Bearbeitungsvorgänge, bei denen ein Teil des
Werkstücks durch
Fräsen,
Bohren oder einen ähnlichen
Vorgang entfernt wird. Demgemäß erscheint
es möglich,
daß die
mit Gewinde versehenen Distanzstücke
gemäß dem italienischen
Patent 980421 ebenfalls durch maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung
hergestellt werden können.
Allerdings ist eine maschinelle oder spanabhebende Bearbeitung inhärent teuer, insbesondere
dann, wenn ein komplexes Bauteil aus einem teuren Material wie etwa
aus einer Kupfer-/Berylliumlegierung hergestellt wird. Außerdem ist
es schwierig, Teile, die extrem dünne Wandabschnitte aufweisen,
durch maschinelle oder spanabhebende Bearbeitungsvorgänge herzustellen.
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In
der
US 3 081 808 und
in der
US 3 163 872 sind
Einsätze
beschrieben, die innen und außen
mit Gewinde versehen sind, wobei die Außengewinde eine Größe größer sind
als die Innengewinde und die Außengewinde
in bevorzugter Weise weniger als ein voller Standard tief sind,
um eine ununterbrochene, dünnwandige,
in radialer Richtung flexible Säule
zwischen dem Innen- und Außengewinde
zu bilden. Um diese Einsätze
herzustellen, wird der Einsatz am Anfang aus einer massiven Stange
oder einem Stab aus einem geeigneten Metall gebildet. Die Stange
bzw. der Stab wird an einem Ende in der Mitte angebohrt, um zu ermöglichen,
daß die
Stange gedreht und auf den gewünschten
Außendurchmesser
fertig bearbeitet werden kann. Anschließend werden die äußeren Gewindegänge in einen
vorbestimmten Längenabschnitt
der Stange gewalzt bzw. gerollt. Als nächstes werden die ersten wenigen
Gänge der
Gewinde gerändelt,
um Zähne
zu bilden. Die Stange wird dann durch ihre gesamte Mitte grob aufgebohrt,
um eine Bohrung zu bilden, die dann mit einer Gegenbohrung fertiggestellt
wird. Die innere Oberfläche
der Stange, die nun eine Bohrung durch die gesamte Länge aufweist,
wird dann mit einem Räumvorgang
fertig bearbeitet, bevor die Stange auf eine geeignete Länge geschnitten
und in der gewünschten
Weise fertig bearbeitet wird.
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Es
besteht daher eine Notwendigkeit für ein neuartiges Verfahren
zum Herstellen von mit Gewinde versehenen Distanzstücken des
Typs, wie sie in dem italienischen Patent 980421 beschrieben sind, bei
dem die Schritte der maschinellen bzw. spanabhebenden Bearbeitung
vermieden oder zumindest minimiert werden, um die grundlegende Struktur
der Teile zu bilden. Außerdem
besteht eine Notwendigkeit, mit Gewinde versehene Distanzstücke zu entwickeln,
die dünnere
Wandabschnitte und dickere Wandabschnitte aufweisen, als in dem
genannten Patent in Betracht gezogen wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Gewindedistanzstücks des
Typs bereitgestellt, wie es in dem italienischen Patent 980421 beschrieben
ist. Bei diesem Vorgang wird ein Streifen aus Metall oder ein Blech
in einem ersten Bildungsschritt mechanisch verformt, um eine Vorform
zu bilden, die die grobe Form des gewünschten, mit Gewinde versehenen beabstandeten
Produkts aufweist, einschließlich
eines dünnwandigen
konischen Abschnitts und eines einteilig ausgebildeten Flanschs.
Dann wird in einem zweiten Bildungsschritt die Vorform wiederum
mechanisch verformt, um dem dünnwandigen
konischen Abschnitt der Vorform schraubenförmige Nuten und eine wellenförmige Querschnittsform
zu geben, um auf diese Weise das gewünschte mit Gewinde versehene
Distanzstückerzeugnis
herzustellen.
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In
beiden Bildungsschritten wird eine Formgebung durch eine mechanische
Verformung ohne spanabhebende bzw. maschinelle Bearbeitung erreicht.
Daher kann das gewünschte
mit Gewinde versehene Distanzstückerzeugnis
ohne weiteres und ohne großen
Kostenaufwand hergestellt werden, und somit zu Kosten, die seinen
Einsatz wirtschaftlich problemlos ermöglichen. Weiterhin können mit
Gewinde versehene Distanzstückerzeugnisse
unter Verwendung dieser Vorgehensweise hergestellt werden, die wesentlich
kleinere Wanddicken aufweisen, als dies in der Vergangenheit möglich war.
Dies trägt weiterhin
zu einer Reduzierung der Herstellungskosten bei, da die Menge der
teuren Beryllium-/Kupferlegierung, die verwendet wird, erheblich
reduziert wird.
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Auf
diese Weise stellt die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform
ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines dünnwandigen, mit Gewinde versehenen
Distanzstücks
zur Verfügung,
zur Anwendung beim Verbinden von benachbarten Abschnitten von Bohrrohren,
wobei das Distanzstück
einen hohlen konischen Abschnitt und einen einstückig damit ausgebildeten Abstandsflansch
aufweist, wobei die Wanddicke des hohlen konischen Abschnitts etwa
0,5 mm oder weniger beträgt,
und wobei der Abstandsflansch etwa 5- bis 40mal so dick wie die
Dicke des konischen Wandabschnitts ist, wobei der konische Abschnitt
des Distanzstücks
miteinander zusammenwirkende schraubenförmige Gewindeabschnitte bildet,
zum Zusammenwirken mit den Gewindeabschnitten von benachbarten Abschnitten
von Bohrrohren, wobei das Verfahren umfaßt, daß ein Metallstreifen mechanisch
verformt wird, um eine Vorform mit konischem Abschnitt und einen
damit einstückigen
Vorformflansch in einem ersten Verfahrensschritt zu bilden, und
daß dann
der konische Abschnitt des Distanzstücks weiter mechanisch verformt
wird, um auf seinen inneren und äußeren Flächen schraubenförmige Gewindeabschnitte
auszubilden, so daß auf
diese Weise ein gewünschtes,
mit Gewinde versehenes Distanzstückerzeugnis
hergestellt wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
deutlicher verständlich,
in denen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht des mit Gewinde versehenen Distanzstücks gemäß dem italienischen
Patent 980421 zeigt, wie es zwischen den Gewindeabschnitten von
zwei verbundenen Abschnitten von Bohrrohren in einem Bohrstrang
eingesetzt ist;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
Abschnitts des mit Gewinde versehenen Distanzstücks nach 1 innerhalb
des Kreises A zeigt;
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3 eine ähnliche
Ansicht wie 2 zeigt, wobei eine alternative
Ausführungsform
des mit Gewinde versehenen Distanzstücks gemäß dem italienischen Patent
980421 dargestellt ist;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht des mit Gewinde versehenen Distanzstücks nach
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine
vergrößerte Querschnittsansicht des
Abschnitts des mit Gewinde versehenen Distanzstücks nach 4 innerhalb
des Kreises B zeigt; und
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6 eine
schematische Querschnittsansicht zeigt, in der das Verfahren nach
der Erfindung zum Herstellen des erfindungsgemäßen, mit Gewinde versehenen
Distanzstücks
nach 4 erläutert ist;
und
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7, 8 und 9 Querschnittsansichten ähnlich wie 1 bis 5 sind,
in denen eine alternative Ausführungsform
der Erfindung dargestellt ist.
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Detaillierte Beschreibung
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1 erläutert das
mit Gewinde versehene Distanzstück 20 gemäß dem italienischen
Patent Nr. 980421, welches dargestellt ist, während es zwischen den Gewindeabschnitten
von zwei miteinander verbundenen Abschnitten von Bohrrohren 22 und 24 in
einem Bohrstrang eingefügt
ist. Der Abschnitt 22 des Bohrrohrs weist einen Steck-
oder "Zapfen-"Abschnitt 26 auf,
der eine konische Fläche 28 bildet,
die ihrerseits ein schraubenförmiges
Gewinde bzw. eine Nut 30 darin bildet. In ähnlicher
Weise ist der Abschnitt 24 des Bohrrohrs mit einem aufnehmenden
oder "Buchsen-"Abschnitt 36 versehen,
der ein schraubenförmiges
Gewinde bzw. eine Nut 32 darin bildet, die dazu bestimmt
ist, mit dem schraubenförmigen
Gewinde bzw. der Nut 30 eines Abschnitts 22 des
Bohrrohrs zusammenzuwirken. Der Abschnitt 22 des Bohrrohrs
legt einen Absatz 38 fest, der dazu bestimmt ist, gegen
den Absatz 40 eines Abschnitts 24 des Bohrrohrs
zu weisen und mit diesem zusammenzupassen.
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Wie
in 1 dargestellt ist, ist das mit Gewinde versehene
Distanzstück
gemäß dem italienischen
Patent Nr. 980421 zwischen Abschnitte 22 und 24 von
Bohrrohren eingesetzt. Das Gewindedistanzstück 20 weist einen
kegelstumpfförmigen
Abschnitt 42 auf, der zwischen miteinander zusammenwirkenden
schraubenförmigen
Gewindegängen
oder Nuten 30 und 32 in den Abschnitten 22 und 24 von
Bohrrohren aufgenommen ist, und einen Flansch 44, der zwischen
Absätzen 38 und 40 der
Abschnitte der Bohrrohre aufgenommen ist.
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Damit
der kegelstumpfförmige
Abschnitt 42 des mit Gewinde versehenen Distanzstücks 20 zwischen
miteinander zusammenwirkenden schraubenförmigen Gewindegängen oder
Nuten 30 und 32 der Abschnitte 22 und 24 der
Bohrrohre aufgenommen werden kann, ist die Wand, die den kegelstumpfförmigen Abschnitt 42 bildet,
im Querschnitt hierbei wellenförmig
ausgebildet. Dieses ist in 2 und 3 dargestellt,
bei denen es sich um Wiedergaben von zwei Abbildungen in dem italienischen
Patent handelt, die detaillierte Ansichten des Abschnitts des Bereichs
des kegelstumpfförmigen
Abschnitts 42 innerhalb des Kreises A in 1 zeigen.
Zwei unterschiedliche Ausführungsformen
mit unterschiedlichen Wanddicken sind in 2 und 3 dargestellt.
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Das
italienische Patent 980421 ist im Hinblick auf die Wanddicke des
kegelstumpfförmigen Abschnittes 42 unbestimmt.
Es wird allerdings ein gewisser Hinweis dahingehend gegeben, daß diese
Dicke etwa 1 bis 2 mm betragen kann. Die Nuttiefe von einem typischen
Bohrrohr, welches einen Außendurchmesser
von 6 bis 8 Zoll aufweist, liegt in dem Bereich von 3 bis 5 mm. 2 und 3,
die im wesentlichen Abbildungen aus dem italienischen Patent wiedergeben,
zeigen, daß die
Wanddicken, L und Q, grob ungefähr
1/3 bis 2/3 so dick wie die Nuttiefe R sind. Dies führt zu Wanddicken
L und Q, die sich im Bereich von etwa 1 bis 3 mm befinden können.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das mit Gewinde versehene Distanzstück des Typs,
der in dem italienischen Patent 980421 dargestellt ist, durch ein
neuartiges Verfahren hergestellt, bei dem ein Metallstreifen mechanisch
verformt wird, um eine Vorform zu bilden, und die Vorform dann weiter
mechanisch verformt wird, um dieser eine geeignete Nutung zu geben.
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Das
dünnwandige
mit Gewinde versehene Distanzstück,
das durch diesen Vorgang hergestellt wird, ist in 4 und 5 dargestellt
und im ganzen mit 15 bezeichnet. Es besteht aus einem hohlen, abgeschnittenen,
konischen Abschnitt 52, der von einer konischen Wand 54 gebildet
wird, die eine innere Oberfläche 56 und
eine äußere Oberfläche 58 bildet. Ein
kleineres offenes Ende 60 ist an einer Seite des konischen
Abschnitts 52 gebildet, während ein größeres offenes
Ende 62 an dem gegenüberliegenden Ende
des konischen Abschnitts 52 gebildet ist. Einstückig mit
der konischen Wand 54 an dem größeren Ende des konischen Abschnitts 52 ist ein
Flansch 64, der in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht
zu der Achse 66 des konischen Abschnitts 52 angeordnet
ist.
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Wie
in 5 dargestellt ist, bilden die innere Oberfläche 56 und
die äußere Oberfläche 58 der
konischen Wand 54 miteinander zusammenwirkende Nuten 68 und 70,
um dazu passende Gewindeabschnitte von benachbarten Abschnitten
von miteinander zu verbindenden Bohrrohren aufzunehmen. Wie dies
in dem italienischen Patent 980421 der Fall ist, ist die Wanddicke
des Abschnitts der konischen Wand 54, die die Nuten 68 und 70 bildet,
gering genug, so daß diese
konische Wand in der Tat einen wellenförmigen Querschnitt aufweist,
wie sowohl in 4 als auch in 5 dargestellt
ist. Allerdings ist im Falle des Gewindedistanzstücks nach
der Erfindung die Dicke der konischen Wand 54 beträchtlich geringer,
typischerweise in der Größenordnung
von 0,5 mm oder weniger, vorzugsweise 0,4 mm oder weniger, weiter
bevorzugt etwa 0,3 mm oder weniger. Daher beträgt bei dem Gewindedistanzstück nach der
vorliegenden Erfindung die Dicke des Abschnitts der konischen Wand 54,
die die Nuten 68 und 70 festlegt, typischerweise
etwa 20 % oder weniger, vorzugsweise etwa 10 % oder weniger, sogar
5 % oder weniger, als die Tiefe der Nuten 68 und 70,
die in 5 als Abstand D dargestellt ist.
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Der
Flansch 64 des Gewindedistanzstücks kann eine beliebige Dicke
aufweisen, die erforderlich ist, um den ringförmigen Zwischenraum im wesentlichen
vollständig
auszufüllen,
der zwischen den Absätzen
bzw. Schultern von benachbarten Abschnitten von Bohrrohren gebildet
wird, wenn diese mit dem Gewindedistanzstück nach der Erfindung miteinander
verbunden werden, wobei auf 1 verwiesen sei.
Dies hängt
von einer Anzahl von Faktoren ab, unter anderem der Auslegung des
Absatzes bzw. der Schulter des Bohrrohrs, dem Winkel der konischen Wand 54 in
bezug auf die Achse 66 und der Dicke der konischen Wand 54.
Im allgemeinen ist der Flansch 64 etwa 5- bis 40-, vorzugsweise
15- bis 30- und weiter bevorzugt 20- bis 20mal so dick wie die Wanddicke
der konischen Wand 54.
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In
der speziellen Ausführungsform,
die in 4 und 5 dargestellt ist, weist die
konische Wand 54 eine Wanddicke von etwa 0,012 Zoll bzw. etwa
0,3 mm auf, wobei dies etwa 9 % der Tiefe der Nuten 68 und 70 darstellt.
In ähnlicher
Weise ist der Flansch 64 in der speziellen Ausführungsform,
die dargestellt ist, etwa 0,30 Zoll bzw. etwa 7,2 mm dick, oder
etwa 25mal so dick wie die Wanddicke der konischen Wand 54.
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Das
Gewindedistanzstück
weist eine dünne Wand
in seinem konischen Abschnitt auf, um die Entwicklung von schädigenden
Spannungsgrößen in dem
Gewinde der Bohrrohre zu verhindern. Das bedeutet, daß der konische
Abschnitt lediglich dick genug zu sein braucht, um während der
Verbindung und dem Gebrauch des Bohrrohrs für die Gewinnung von Öl oder Gas
physikalisch intakt zu bleiben. Bestimmte besondere Legierungen
zeigen eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, wie etwa
hohe elektrische Leitfähigkeit,
hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit,
Formbarkeit, einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten und Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Verschleiß und
Widerstandsfähigkeit
gegenüber Fressen,
wenn sie mit Stahl oder einem anderen Eisen- oder Nichteisenmetall
zusammengefügt
werden. Derartige Legierungen sind ideale Kandidaten für die Herstellung
eines Gewindedistanzstücks
nach der Erfindung, da sie nicht nur die gewünschten Wirkungen hinsichtlich
Schmierung und des Verhinderns von Fressen auf der Basis einer langen
Lebensdauer bereitstellen, sondern auch relativ leicht in dünne Formen
verformt werden können,
und zwar mittels mechanischer oder elektromechanischer Verformung ohne
maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung.
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Beispiele
für solche
Legierungen sind Kupfer-/Berylliumlegierungen, die zumindest etwa
0,1 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent oder mehr an Beryllium
enthalten, in bevorzugter Weise etwa 0,75 bis 5 Gewichtsprozent
Beryllium, weiter bevorzugt etwa 1,25 bis 3 Gewichtsprozent Beryllium.
Eine höchst
bevorzugte Kupfer-Berylliumlegierung enthält etwa 2 bis 2,5 Gewichtsprozent
Beryllium. Solche Legierungen können
weitere zusätzliche
Bestandteile enthalten, die ihre grundlegenden Eigenschaften nicht
fundamental verändern.
Beispiele sind Ni, Co, Zr, Ti, Hf Sn, Pb, Ag, Mg, Si, Al und Cr.
Beispielhafte Legierungen sind beispielsweise in
US 5 993 574 ,
US 4 179 314 ,
US 4 551 187 und
US 4 657 601 beschrieben, wobei die
Offenbarungen dieser Schriften unter Bezugnahme hierin aufgenommen
sind. Das spezielle mit Gewinde versehene Distanzmittel, das in
4 und
6 dargestellt
ist, ist aus einer Kupfer-/Berylliumlegierung mit einem Gehalt von
2 Gewichtsprozent an Beryllium hergestellt.
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Weitere
Legierungen, die für
die Herstellung des erfindungsgemäßen Gewindedistanzstücks im Wege
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zweckmäßig sind,
sind die, die vorwiegend aus Cu, Ni oder Al bestehen und mit einem
oder mehreren von Sn, Zn, Zr, Pb, Ti, Si, Al, Cr, Mg, Ni, Cu, In
und Bi legiert sind. Spezielle Beispiele sind Legierungen von Cu/Sn,
Cu/Ni, Cu/Ni/Sn, Cu/Zn, Cu/Si, Ni/Cr, Cu/Al, Al/Ti, Al/Mg und Al/Zn.
Eine Legierung, die etwa 5 bis 9 % Sn und 7 bis 16 % Ni enthält, wobei
der Rest Cu ist, insbesondere eine solche, die etwa 8 % Sn und etwa
15 % Ni enthält,
zeigt einen besonders vorteilhaften Reibungskoeffizienten in bezug
auf ein Bohrrohr aus Stahl in Abwesenheit von zusätzlicher Schmierung.
Auch für
diesen sei auf die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/552
582, eingereicht am 3. November 1995, deren Offenbarung hierin unter
Bezugnahme aufgenommen ist.
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Das
mit Gewinde versehene Distanzstück kann
auch aus weniger teuren Materialien hergestellt werden, obwohl dann
die nutzbare Lebensdauer, die Wirkung gegen Fressen und/oder die
einfache Herstellung nachteilig beeinflußt werden kann.
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Das
mit Gewinde versehene Distanzstück wird
durch ein Verfahren hergestellt, das auf einer mechanischen Verformung
eines Metallstreifens beruht. Mit "Streifen" ist jegliches Blech oder ein Streifen
aus Metall gemeint, der bzw. das eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke über eine
Fläche
aufweist, die mehrere Male länger
und breiter als seine Dicke ist. Ein Streifen unterscheidet sich
daher von einem Stab oder einer Stange oder einem Barren, deren bzw.
dessen Länge
und/oder Breite ähnlich
wie ihre bzw. seine Dicke sein kann.
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Unter
mechanischer Verformung wird ein Verfahren verstanden, bei dem die
Form einem Werkstück
durch die Aufbringung einer mechanischen Kraft gegeben wird, ohne
daß Material
von dem Werkstück
durch eine maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung oder durch
einen sonstigen Schneidvorgang entfernt wird. Zahlreiche unterschiedliche
mechanische Verformungsverfahren sind bekannt und können bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind das Kaltverformen, Tiefziehen,
Abstrecken, Taumelformen, Gewinderollen, Umformen in halbgeschmolzenem
Zustand, Innenhochdruckumformen, Warmschmieden, Heißschmieden,
Kaltschmieden, elektromagnetisches Umformen, Thixoschmieden oder
Explosivumformen. Bevorzugte mechanische Verformungsverfahren zum
Einsatz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sind das elektromagnetische Umformen und Thixoschmieden.
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Beim
Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann ein Teil des Arbeitsschritts des Verformens durch maschinelle
bzw. spanabhebende Formgebung ausgeführt werden. Allerdings ist
eine maschinelle Bearbeitung kostenaufwendig sowohl im Hinblick
auf das Verfahren als auch im Hinblick auf die Verschwendung des
Materials, das das Arbeitsstück
darstellt. Daher sollte eine maschinelle Bearbeitung so weit wie
möglich
vermieden werden. Vorzugsweise wird der größere Teil und tatsächlich im wesentlichen
die gesamte Formgebung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
ausschließlich
durch mechanische oder elektromechanische Verformung ausgeführt.
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In
dem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorform
aus einem Metallstreifen durch mechanische Verformung hergestellt. In
bevorzugter Weise wird diese Vorform eine Größe und eine Form haben, die
im groben der Größe und der
Form des letztendlichen mit Gewinde versehenen Distanzstückerzeugnisses
aufweist, welches hergestellt werden soll, einschließlich eines
Flanschs und eines kegelstumpfförmigen
Abschnitts, aber ohne die Nutung in dem konischen Abschnitt. Dieser Schritt
wird am zweckmäßigsten
dadurch ausgeführt, daß ein Metallstreifen über eine
konische Gesenk- oder Stanzform oder eine Form verformt wird, deren Form ähnlich ist,
die allerdings in ihrer äußeren Abmessung
geringfügig
kleiner ist als die konische Wand 54 des mit Gewinde versehenen
Distanzstückerzeugnisses.
Die Formgebung der kegelstumpfförmigen
Spitze der Vorform kann entweder als Teil des Formgebungsschritts
erfolgen, oder dadurch, daß als
erstes eine konische Spitze mit einem geschlossenen Ende ausgebildet
wird und dann die Spitze entfernt wird, um eine abgeschnittene oder
kegelstumpfförmige
Spitze zu erhalten.
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Der
Metallstreifen, der bei der Herstellung der Vorform verwendet wird,
hat in bevorzugter Weise eine Dicke, die zumindest gleich und in
bevorzugter Weise größer als
die Dicke des Flanschs 64 des letztendlichen mit Gewinde
versehenen Distanzstückprodukts
ist, um die Herstellung des Flanschs 64 zu vereinfachen.
Tatsächlich
ist es bei dieser Ausführungsform der
Erfindung zweckmäßig, daß das erfindungsgemäße Gewindedistanzstück ausgehend von
einem einzigen, einheitlichen Stück
eines Ausgangsmaterials hergestellt wird, und daher sollte der Metallstreifen
dick genug sein, um alle benötigten
Arbeitsschritte der Metallbearbeitung auszuführen, ohne daß die Notwendigkeit
besteht, zusätzliches Material
hinzuzufügen.
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Während der
Ausbildung der Vorform wird der Abschnitt des Metallstreifens, der
die konische Wand 54 des mit Gewinde versehenen Distanzstückerzeugnisses
bildet, in bevorzugter Weise gezogen oder gestreckt und auch bearbeitet,
so daß die Wanddicke
des konischen Abschnitts der Vorform im wesentlichen die gleiche
ist wie die Wanddicke der konischen Wand 54 in dem mit
Gewinde versehenen Distanzstückerzeugnis.
Typischerweise bedeutet dies, daß die Wanddicke des Metallstreifens
um einen Faktor reduziert wird, der zumindest gleich dem Dickenverhältnis zwischen
dem Flansch 64 und der konischen Wand 54 in dem
mit Gewinde versehenen Distanzstückerzeugnis
ist. Im allgemeinen kann dieses Verhältnis von 5/1 bis 40/1 variieren,
vorzugsweise zwischen 15/1 und 30/1 und weiter bevorzugt zwischen
20/1 und 25/1. Wo der Metallstreifen in seiner Dicke beim Herstellen
des Flanschs 64 reduziert wird, wird die Dicke des Metallstreifens,
der den konischen Abschnitt der Vorform bildet, sogar noch stärker reduziert.
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Nach
der Herstellung der Vorform werden die Nuten 68 und 70 in
dem konischen Abschnitt der Vorform ausgebildet. Dies kann durch
jede beliebige bekannte mechanische Verformungstechnik erfolgen, die
die Nuten 68 und 70 und somit die wellenförmige Wandstruktur,
die in 5 dargestellt ist, dem abgeschnittenen konischen
Abstand der Vorform aufprägt. Beispiele
für geeignete
mechanische Verformungstechniken für diesen Schritt sind Abstrecken,
Taumelformen, Gewinderollen, Gesenkschmieden, Innenhochdruckumformen,
elektromagnetisches Umformen und Thixoschmieden. Besonders bevorzugt
sind elektromagnetisches Umformen und Thixoschmieden.
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In
diesem Zusammenhang erläutert 6 eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
bei dem der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durch elektromagnetisches
Umformen unter Vakuum ausgeführt
wird. In dieser Abbildung ist die Vorform 72 in ein Gesenk 74 eingelegt,
welches eine genutete Oberfläche 76 aufweist,
wobei die Nuten der Form und Größe der Nuten 68 und 70 entsprechen,
die in der konischen Wand 54 des mit Gewinde versehenen
Distanzstückerzeugnisses
ausgebildet werden sollen. Das Gesenk 74 ist in einem Behältnis 78 aufgenommen,
das dazu bestimmt ist, gegenüber
der Atmosphäre
abgeschlossen zu werden. Ein nicht dargestelltes Vakuumsystem wird
mit dem Behälter 78 verbunden,
so daß das
Innere des Behälters
bis auf ein geeignetes Vakuum in der Größenordnung von 3 × 103 bis 7 × 103, bevorzugt 4 × 103 bis
5 × 103 Torr evakuiert werden kann. Obwohl dieses
Vakuum nicht notwendig ist, trägt
es dazu bei, die Ausbildung der Nuten zu verbessern, dadurch, daß Luft entfernt
wird, die während
des elektromagnetischen Umformschritts eingeschlossen werden könnte. Eine
Spule 80, die mit einer Stromquelle verbunden ist, die
in der Lage ist, einen großen
elektrischen Impuls zu erzeugen, und die nicht dargestellt ist,
ist in dem hohlen Bereich innerhalb des abgeschnittenen konusförmigen Abschnitts der
Vorform 72 angeordnet.
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Nachdem
der Behälter 78 evakuiert
worden ist, wird ein starker elektrischer Impuls an die Spule 80 abgegeben.
In Übereinstimmung
mit bekannten Techniken zum elektromagnetischen Umformen drückt dies
die konische Wand der Vorform auf die genutete Oberfläche 76 des
Gesenks 74 mit einer Kraft, die groß genug ist, um die Vorform
dauerhaft zu verformen. Als Ergebnis davon wird die Vorform dauerhaft
mit der wellenförmigen
Form der konischen Wand 54 des mit Gewinde versehenen Distanzstückerzeugnisses
versehen, die durch die miteinander zusammenwirkenden Nuten 68 und 70 festgelegt
ist. Weiterhin wird die letztendliche Wanddicke der konischen Wand 54 aufgrund
der geringfügigen
radialen Aufweitung des konischen Abschnitts der Vorform während dieses
Verformungsschritts erzielt.
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Nachdem
die abschließende,
gewünschte Form
dem Werkstück
in Form des Metallstreifens gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
gegeben worden ist, kann es notwendig oder wünschenswert sein, das erhaltene
Erzeugnis einer thermischen Behandlung zu unterwerfen, um die Form
permanent zu fixieren und um dem Gegenstand die gewünschten Materialeigenschaften
zu geben. Dies hängt
in erster Linie von der verwendeten Legierung ab. Die Bedingungen
für eine
solche Behandlung können
ebenfalls problemlos gemäß bekannten
Grundlagen durch routinemäßige Versuche
bestimmt werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 7, 8 und 9 erläutert ist,
wird das mit Gewinde versehene erfindungsgemäße Distanzstück aus getrennten
Teilen hergestellt, die miteinander verbunden werden, vorzugsweise
in dem zweiten mechanischen Verformungsschritt, und die auch danach
miteinander verbunden werden können,
durch Punktschweißen
an unterschiedlichen Stellen entlang der Oberfläche des ringförmigen Flanschs.
Wie in 7 dargestellt ist, wird ein Vorformabschnitt 172 auf
eine ähnliche
Weise wie die Vorform 72 nach 6 hergestellt,
mit Ausnahme davon, daß der
ringförmige
Flansch 164 die gleiche Wanddicke wie der übrige Teil
der Vorform aufweist. Außerdem
ist der ringförmige
Flansch 164 in radialer Richtung breiter als der Flansch 64 der
zuvor beschriebenen Ausführungsform,
wobei das äußere Ende
dieses Flanschs um 90° nach
unten umgebogen ist, um eine vertikale Verlängerung 180 zu bilden.
Ein ringförmiger
Ring 182 wird in den hohlen Bereich eingeführt, der
zwischen der Verlängerung 180,
dem Flansch 164 und der Wand der Vorform gebildet ist,
wie in 7 dargestellt ist, und wird fest an Ort und Stelle
fixiert, dadurch, daß das äußere bzw. untere
Ende der Verlängerung
180 um den ringförmigen
Ring umgebogen wird, in der Weise, wie dies in 9 erläutert ist.
Als weitere Maßnahme,
um den ringförmigen
Ring sicher zu fixieren, kann eine Punktschweißzone verwendet werden, um
die Vorform und den ringförmigen
Ring zu verbinden. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise besteht
darin, daß das
Strecken, Tiefziehen oder ein ähnlicher
mechanischer Arbeitsschritt eliminiert wird, der notwendig ist,
um die Dicke der konischen Wand der Vorform bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform
zu reduzieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Gewindedistanzstücke für Bohrrohre durch ein Formgebungsverfahren
hergestellt, bei dem ein Metallstreifen als das Ausgangsmaterial
verwendet wird, und wobei Bearbeitungstechniken zur mechanischen Verformung
für die
Formgebungsschritte eingesetzt werden. Mit dieser Vorgehensweise
können
Gewindedistanzstücke
hergestellt werden, unter Verwendung von weniger kostenintensiven
Metallformgebungstechniken, um Distanzstückerzeugnisse wesentlich dünner herzustellen,
als dies in der Vergangenheit in Betracht gezogen worden ist. Als
Ergebnis davon können Gewindedistanzstücke, die
auf teuren Legierungen wie etwa Kupfer-/Beryllium oder Cu/Ni/Sn
basieren, zu wesentlich geringeren Kosten hergestellt werden als
dies durch die früher
vorgeschlagenen Vorgehensweisen möglich ist.