DE60205946T2

DE60205946T2 - Rohrförmige schraubverbindung mit dichtflächen

Info

Publication number: DE60205946T2
Application number: DE60205946T
Authority: DE
Inventors: Antoine Durand; G. Andrei FILIPPOV
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS
Priority date: 2002-01-03
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: FR2834325B1; US20050212290A1; AR038104A1; US7588270B2; EP1461561B1; WO2003060369A1; DK1461561T3; EP1461561A1; ATE303546T1; FR2834325A1; AU2002364876A1; DE60205946D1

Description

Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Verbindung, insbesondere von der Art für Erdölbohrungen oder für ähnliche Bohrungen, beispielsweise Erdwärme.
Eine derartige Verbindung kann zwischen zwei Rohren von großer Länge oder zwischen einem Rohr großer Länge und einer Muffe bestehen. Diese Verbindungen werden insbesondere zum Zusammensetzen von Tübbing-Rohrsäulen ("Casings") oder der Produktion ("Tubings") verwendet. Unter Berücksichtigung der geforderten mechanischen Eigenschaften, sind die Tübbing-Rohre und jene der Produktion allgemein aus wärmebehandeltem Stahl gebildet.
Ihrerseits müssen die Verbindungen gegenüber Zug, Druck, Biegung und manchmal Torsion halten, sowie gegenüber großen Druckunterschieden in beiden Richtungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren. Und sie müssen sogar gegenüber Gas, wenigstens in bestimmten Fällen, dicht sein. Die Gewindeverbindungen sind hierbei besonders vorteilhaft.
Es ist jedoch derzeit vorgesehen, die Rohre, in situ, einer diametralen Ausdehnung zu unterwerfen, mit einer permanenten plastischen Verformung. Dies bietet verschiedene Vorteile, auf die noch Bezug genommen wird. Weiterhin müssen die Verbindungen nach der plastischen Verformung aufgrund diametraler Expansion betriebsfähig sein, die sie wie die Rohre erleiden. So ist es wünschenswert, dass die Gewindeverbindungen nach einer plastischen diametralen Ausdehnung halten, unter Beibehalten der Haupteigenschaften, durch die sie geschätzt werden, insbesondere der mechanischen Haltbarkeit bei Zug/Druck mit oder ohne innerem oder äußerem Überdruck, sowie der Dichtheit.
Wie es weiter unten detaillierter ersichtlich ist, bieten die herkömmlichen Verbindungen keine ausreichende Zufriedenheit: entweder sie erfüllen nicht diese Anforderungen, oder sie erfüllen sie rein zufällig, oder sie erfüllen sie, jedoch nicht auf wiederholte Weise.
In der Internationalen Patentanmeldung PCT/FR01/02005 der Anmelderin, die noch nicht veröffentlicht ist, wird eine Verbindungsstruktur vorgeschlagen, die dazu dient, die plastische diametrale Ausdehnung auszuhalten.
Die Dichtheit der rohrförmigen Verbindungen hängt von dem effektiven Kontaktbereich der Dichtungsoberflächen ab, welche von dem Vorhandensein von Unebenheiten beeinträchtigt wird, die aus der Bearbeitung dieser Oberflächen herrührt. Darüber hinaus kann sich eine Trennung dieser Unebenheiten ergeben, wenn die Dichtungsoberflächen der beiden rohrförmigen Elemente während des Zusammensetzens der Verbindung aufeinander gleiten, und ebenfalls während der radialen Ausdehnung in dem Fall, wo jene vorgesehen ist, wobei sie so die Qualität ihres Kontaktes noch verschlechtert.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile vollständig oder teilweise zu überwinden.
Die Erfindung betrifft eine rohrförmige Verbindung mit einem ersten rohrförmigen Element und einem zweiten rohrförmigen Element, die in der Lage sind, miteinander zusammengesetzt zu werden, durch Einbringen eines ersten Bereichs des ersten rohrförmigen Elements in einen zweiten Bereich des zweiten rohrförmigen Elements, wobei der erste und zweite Bereich entsprechende Dichtungsoberflächen aufweisen, die in der Lage sind, in gegenseitigen dichten Kontakt in einem Endzustand der Verbindung, nach einer radialen Expansion von dieser, zu kommen.
Man versteht hier unter "dichtem Kontakt" einen Kontakt zwischen zwei stark gegeneinander gepressten Oberflächen, derart, dass eine Dichtheit Metall auf Metall erzeugt wird.
Die Erfindung sieht insbesondere vor, dass wenigstens eine der Dichtungsoberflächen mit einem haftenden Überzug versehen ist, der ein duktileres Material aufweist, als das Material des Substrats und eine Dicke aufweist, die größer ist als 17 μm, wodurch der effektive Kontaktbereich der Dichtungsoberflächen erhöht wird.
Optionelle Eigenschaften der Erfindung zusätzlich oder an Stelle, sind nachfolgend aufgeführt:

– Die Dicke des Überzugs beträgt wenigstens 20 μm.
– Die Dicke des Überzugs beträgt zwischen 35 und 50 μm.
– Für ein Substrat aus Stahl oder eine Nickellegierung ist das duktilere Material gewählt aus den Materialien Kupfer, Blei, Zink, Zinn und deren Legierungen.
– Das erste und das zweite rohrförmige Element sind in der Lage, durch Schrauben eines Außengewindes des ersten rohrförmigen Elements in ein Innengewinde des zweiten rohrförmigen Elements, miteinander zusammengesetzt zu werden.
– Die Gewinde sind konisch mit einer Konizität, die höchstens 12,5% beträgt.
– Die Gewinde sind zylindrisch, mit wenigstens zwei Stufen unterschiedlicher Durchmesser.
– Jede der Dichtungsoberflächen befindet sich zwischen zwei Gewindestufen.
– Der erste Bereich weist einen ringförmigen Abschnitt auf, der eine vorspringende Anschlagseite aufweist, und der zweite Bereich weist eine Aufnahme auf, die entsprechend zum ringförmigen Abschnitt ausgebildet ist, wobei sie eine einspringende Anschlagseite aufweist, wobei die beiden Anschlagseiten bei der Montage ermöglichen, das Schraubenmoment des ersten und zweiten Gewindes, das eine auf das andere, zu kontrollieren und den ersten Bereich in den zweiten Bereich einzubringen.
– Die äußere Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts ist mit geringem Spiel zur Innenumfangsfläche der Aufnahme angeordnet.
– Die Dichtungsoberflächen gehören zu der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts bzw. zur Innenumfangsfläche der Aufnahme.
– Der erste Bereich ist am freien Ende des ersten rohrförmigen Elements angeordnet, wobei der ringförmige Abschnitt eine Lippe bildet.
– Die vorspringende Anschlagseite weist eine ringförmige Lasche, die axial vorspringt, und eine Queroberfläche auf, die die ringförmige Lasche mit der radialen Innenoberfläche des ersten rohrförmigen Elements verbindet, und die einspringende Anschlagseite weist eine ringförmige Kerbe und eine Queroberfläche auf, die die ring förmige Kerbe mit der radialen Innenoberfläche des zweiten rohrförmigen Elements verbindet, wobei die Lasche in die Kerbe eingreift und die Queroberfläche der vorspringenden Anschlagseite gegenüber der Queroberfläche der einspringenden Anschlagseite zu liegen kommt.
– Die äußere Umfangsoberfläche der ringförmigen Lasche erstreckt sich in der Verlängerung der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts, und die Innenumfangsoberfläche der ringförmigen Kerbe erstreckt sich in der Verlängerung der inneren Umfangsoberfläche der Aufnahme.
– Die radiale Dicke (e_d) der Lasche ist im Wesentlichengleich gleich jener der Queroberfläche der einspringenden Anschlagoberfläche.
– Das Verhältnis zwischen der Höhe, die axial gemessen wird (h_d) der Lasche und ihrer radialen Dicke (e_d) liegt zwischen 0,8 und 1,6.
– Die axial gemessene Höhe (h_d) der Lasche beträgt zwischen 0,8 und 3 mm.
– Die axiale Höhe (h_r) der Lasche und die axiale Tiefe (P_r) der Kerbe sind derart, dass beim Schrauben der Gewindeverbindung der erste Anschlagkontakt zwischen dem freien Querende der Lasche und dem Boden der Kerbe erfolgt.
– Das Einsteckelement weist eine Nut am Ende des Außengewindes zwischen dem Gewinde und der vorspringenden Lippe auf.
– Die Nut weist eine Tiefe (h_g) auf, die höchstens gleich der Höhe der Außengewinde ist.
– Die Nut hat eine gesamte axiale Breite (I_g) und eine Tiefe (h_g) derart, dass ihre axiale Breite zwischen 2 und 15 Mal ihre Tiefe beträgt.
– Im Bereich der plastischen Verformungen sind die Dichtungsoberflächen über ihren gesamten Umfang aufeinander geschrumpft.
– Die Durchmesserexpansion, die von der rohrförmigen Schraubverbindung erfahren wird, beträgt wenigstens 10%.

Die Erfindung hat ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer dichten rohrförmigen Schraubverbindung zum Gegenstand, das dadurch gekennzeichnet ist, dass von einer rohrförmigen Schraubverbindung ausgegangen wird, wie sie oben definiert ist, genannt "rohrförmige Ausgangs-Schraubverbindung", und dass diese Ausgangs-Schraubverbindung einer Durchmesserexpansion im Bereich der plastischen Verformungen mit Hilfe einer Expansionskugel von einem Durchmesser, größer als der Innendurchmesser (DI) der rohrförmigen Elemente der Schraubverbindung unterworten wird, die axial in der Schraubverbindung bewegt wird, wobei die vorspringende Lippe und die Innenaufnahme derart dimensioniert sind, dass sie beim Vorbeibewegen der Kugel zunächst zusammen eine plastische Biegeverformung erfahren, während anschließend nur die Innenaufnahme eine plastische Verformung erfährt, in umgekehrter Richtung zum Richten, was schließlich zu einem Aufschrumpfen einer Dichtungsoberfläche auf den ringförmigen Abschnitt der vorspringenden Lippe durch eine Dichtungsoberfläche der Innenaufnahme führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wenigstens gewisse der nachfolgenden Besonderheiten aufweisen:

– Die Biegung der vorspringenden Lippe wird durch das Vorhandensein einer Nut am Ende der vorspringenden Lippe auf der Seite des Außengewindes begrenzt.
– Die verwirklichte rohrförmige Schraubverbindung ist vom integralen Typ und die Expansionskugel wird vom Einsteck-Gewindeelement zum Innengewindeelement verschoben.

Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Die 1 stellt eine erfindungsgemäße Gewindeverbindung vor einer Durchmesserexpansion dar.
Die 2 zeigt das vorspringende Element der Gewindeverbindung von 1.
Die 3 zeigt das Aufnahmeelement der Gewindeverbindung von 1.
Die 4–7 zeigen die erfindungsgemäße Gewindeverbindung bei unterschiedlichen Zuständen des Expansionsprozesses.
Die. 4 zeigt die Expansionsphase der Gewindeverbindung.
Die 5 zeigt die Biegephase.
Die 6 zeigt die Phase des Richtens.
Die 7 zeigt den Endzustand der Gewindeverbindung, die dem Expansionsprozess unterworfen wurde.
Die 8 und 9 zeigen in vergrößertem Maßstab Details der Lippe und der Aufnahme, die in den 2 bzw. 3 dargestellt sind.
Die 10 zeigt in vergrößertem Maßstab ein Detail der 1.
Hier kommt man auf die Bohrung von Quellen, beispielsweise für Erdöl oder Erdwärme zurück.
Herkömmlicherweise wird das Obere einer Bohrung zunächst mit einer relativ schwachen Tiefe von einigen zehn Metern mit Hilfe eines Werkzeugs mit großem Durchmesser in der Größenordnung beispielsweise von 500 mm gebohrt und wird dann mit Hilfe einer Rohrsäule von diesem Durchmesser verschalt. Der Bohrungsdurchmesser nimmt dann schrittweise bis zum Boden der Bohrung ab, die mit einem deutlich geringeren Durchmesser, in der Größenordnung von 150 mm im selben Beispielsfalle, gebohrt werden kann. Eine derartige Bohrung wird somit mit Hilfe von mehreren konzentrischen Rohrsäulen verschalt, die jeweils am Ende des Bohrens mit dem entsprechenden Durchmesser und gesamt von der Oberfläche aus angehängt abgesenkt wird; die Rohre des größten Durchmessers erstrecken sich von der Oberfläche bis in eine Tiefe von einigen 10 Metern und die Rohre mit kleinerem Durchmesser erstrecken sich von der Oberfläche bis zum Boden der Bohrung, deren Tiefe mehrere tausend Meter erreichen kann. Der Raum zwischen den Verschalungsrohren und dem Erdreich wird beispielsweise einzementiert.
Nachdem die Bohrung vollständig gebohrt und verschalt ist, kann eine Produktionsrohrsäule abgesenkt werden, um insbesondere das Heraufholen von Erdöl bis zur Oberfläche, d.h. die effektive Ausbeute der Bohrung, zu ermöglichen. Verständlicherweise besitzt diese Produktionsrohrsäule einen Außendurchmesser, der leicht geringer ist als der Innendurchmesser der Verschalungsrohrsäule.
Das Ausrüsten einer Bohrung führt somit zum Einsatz von einer großen Anzahl von Rohren unterschiedlicher Abmessungen, welche in Anbetracht der Vorteile dieser Zusammensetzart am meisten mit Hilfe von Gewindeverbindungen zusammengesetzt sind,. Man versucht, diese Rohre so schlank wie möglich zu machen, um nicht zu große Durchmesser der Verschalungsrohre in der Nähe der Oberfläche zu benötigen. Jedoch führt die Beachtung von Zwängen und Spezifikationen, die auf die Gewindeverbindungen einwirken dazu, dass ihnen eine größere Dicke als jene des üblichen Bereichs der Rohre gegeben wird. Das zwingt dazu, den Durchmesserzuwachs zwischen den konzentrischen Säulen zu erhöhen, wenn man in der Bohrung weiter nach unten bohrt.
Die Zusammensetzung der Rohre untereinander erfolgt entweder durch Schrauben der Gewindeenden der Rohre aufeinander (genannt integrale Verbindungen), oder mit Hilfe von Gewindemanschetten oder -muffen, die ihre Enden abdecken. Die Rohre werden nach Schrauben in das Ende des vorhergehenden Rohres oder der vorhergehenden Muffe nacheinander abgesenkt.
Die Spezifikation API 5 CT des American Petroleum Institutes (API) definiert so rohrförmige Gewindeverbindungen zwischen zwei Rohren von großer Länger ("integral-joint tubing", "extreme-ligne casing") sowie Muftengewindezusammensetzungen, die zwei Gewindeverbindungen aufweisen, die ermöglichen, zwei Rohre von großer Länge mit Hilfe einer Muffe zusammenzusetzen. Diese API-Verbindungen werden nur durch Zusatz eines mit Metallpartikeln versehenen Fetts dicht, das die Zwischenräume zwischen den Gewinden ausfüllt.
Selbstverständlich müssen die Verbindungen zwischen den Rohren (oder zwischen den Rohren und den Muffen) unabhängig von den Beanspruchungen, denen die Rohre bei ihrem Absenken in die Bohrung und im Betrieb erfahren, dicht bleiben, und in einer breiten Grenze der gestützten Masse, weil jede Verbindung wenigstens teilweise die Rohre unterstützt, die sich unter ihr befinden. Auch erscheinen die mechanischen Leistungen der Gewindeverbindungen engst verbunden mit ihren geometrischen Eigenschaften.
Bei den Standardgewindeverbindungen gemäß API gibt es trotz der Verwendung von mit Partikeln beaufschlagten Fetten immer einen Leckkanal, in dem ein Fluid unter hohem Druck aufgrund des existierenden Spiels zwischen den sich nicht berührenden Oberflächen zirkulieren kann. Für eine vorgegebene Zuglast gibt es eine Flüssigkeitsdruckschwelle, über der die Kraft kombiniert aus Zug und Druck bei den Gewindeverbindungen API zunächst ein Leck hervorruft, was einen Außereingriff der Gewinde des sich in Kontakt befindenden Einsteck- und Aufnahmebereichs mitbringt.
Die Gewindeverbindungen und -zusammensetzungen waren, um dies zu überwinden, Gegenstand verschiedener Verbesserungen: beispielsweise die Patente FR 1489013 , EP 0488912 , US 4494777 haben darauf abgezielt, rohrförmige Gewindeverbindungen genannt besser oder "Premium" zu schaffen, die besonders dicht sind, dank Dichtungsbereichen Metall-Metall, die radial einander überlappen und dank Anschlägen zwischen den Einsteck- und Aufnahmeelementen, die vorteilhaft angeordnet werden, derart, dass sie einen vorgegebenen Überlappungsbereich zwischen den Dichtungsbereichen garantieren.
Wie angegeben, zielt man nach Absenken einer Rohrsäule in eine Bohrung darauf ab, diese einer Durchmesserexpansion mit einer permanenten plastischen Verformung zu unterwerfen. Dies wird beispielsweise mit Hilfe einer Kugel geschaffen, deren Hindurchtritt im Inneren der Säule erzwungen wird: siehe Patente oder Patentanmeldungen WO 93/25799, WO 98/00626, WO 99/06670, WO 99/35368, WO 00/61915, GB 2344606, GB 2348657. Dies bietet sehr interessantes Potential:

– Herabsenken einer Säule mit geringem Platzbedarf, die anschließend unter Zwang expandiert wird;
– Vorsehen auf diese Weise einer Verschachtelungsrohrsäule,
– gleichermaßen, Abdichten vor Ort der Öffnungen eines Verschachtelungsrohres oder eines Produktionsrohres, die durch die Korrosion oder durch die Reibung der Bohrstangen erzeugt wurden, oder auch Herabsenken in die Bohrung von Rohren mit wenig Platzbedarf, die auf den gewünschten Durchmesser expandiert werden, wenn sie sich einmal an Ort und Stelle befinden,
– schließlich und vor Allem Ermöglichen des Bohrens von Bohrungen von gleichmäßigem Durchmesser über ihre gesamte Länge, bei denen die Verschalung durch eine Bohrsäule vom gleichen Durchmesser geschaffen wird, wobei die Säulenabschnitte im nicht-expandierten Zustand eingeführt werden, danach an Ort und Stelle auf den Durchmesser der expandierten Säulenabschnitte expandiert werden, die sich schon am Platz und angesetzt an diese befinden.

Es wäre somit möglich, die Anzahl der Rohre, die notwendig sind, um eine Bohrung auszurüsten, stark zu verringern, unter Weglassen der Rohre mit den größten Durchmessern und der stärksten Dicke. Die Kosten der Bohrung werden dadurch verringert. Es kann sogar vorgesehen sein, die Bohrung direkt mit der Verschalungsrohrsäule zu bohren, die die Rolle des Bohrstangenzuges spielen würde.
Es hat sich erwiesen, dass die Verwirklichung von Gewindeverbindungen, die ihre Eigenschaften nach einer Expansion bzw. Ausdehnung beibehalten, die größer als 10% sein kann und bis 25% erreichen kann, extrem heikel ist, zumal dieses zuverlässig (alle Verbindungen müssen halten) und stabil unter den Betriebsbedingungen sein muss.
Aus der US 5924745 und der WO 98/42947 sind Gewindezusammensetzungen bekannt, die eine Expansion aushalten. Es handelt sich hierbei jedoch darum, Rohre genannt EST (Expanded Slotted Tubings) zusammenzusetzen, die mit durchquerenden Längskerben versehen und Gegenstand einer Durchmesserexpansion am Boden von Erdölbohrungen sind (durch Hindurchbewegen eines Expansionsdorns in diesen Rohren); vergrößert, erlauben die Kerben einem außerhalb des Rohres vorhandenem Fluid (Kohlenwasserstoff, das von dem Fundort stammt) in das Rohr einzutreten, um von dort an die Oberfläche hochgebracht zu werden. In diesem Fall hat die Dichtheit der Anordnungen offensichtlich keine Wichtigkeit und da sie am Boden der Bohrung vorliegen, haben sie keine so große mechanische Last.
Tatsächlich schmelzen die ersten plastischen Expansionssätze von dichten Rohrsäulen auf din geschweißten Verbindungen (Rohrwickel, die vorher durch Schweißen aufgesteckt, von der Oberfläche abgerollt werden) oder auch auf andere Reibe-Verbindungen ("Slips") auf. Jedoch weisen derartige Verbindungen nicht die Performance von Gewindeverbindungen auf, insbesondere was die Kombination der mechanischen Widerstandskraft, die Dichtheit in allen Betriebsbedingungen, und auch die Möglichkeit der Demontage/des Wiederauf baus mehrmals aufeinanderfolgend betrifft.
Es hat sich erwiesen, dass die herkömmlichen rohrförmigen Gewindeverbindungen, wie jene gemäß US-Patent 4494777 eine plastische Durchmesserexpansion nicht aushalten. Es wird nach Ausdehnung bei den Verbindungen festgestellt::

– mangelnde Dichtheit (was zusätzlich verhindert, die Expansion durch hydraulisches Hindurchdrücken der Kugel in der Säule zu verwirklichen);
– einen Teil des vorspringenden Endes nach innen der Verbindung, der beträchtlich und auf inakzeptable Weise den inneren Betriebsdurchmesser der Säule reduziert unter Verwirklichung eines Vorsprungs nach innen in den Raum, der von dem inneren Betriebsdurchmesser definiert wird;
– gegebenenfalls den Riss der Lippe des Einsteckendes durch Überschreiten der Verformungskapazität von bestimmten Zonen, die besonders beaufschlagt sind auf Grund der Veränderungen der Dicke der Einsteck- und Aufnahmeelemente bezüglich der Dicke des Körpers des Rohres.

Man hat also gesucht, eine rohrförmige Gewindeverbindung zu realisieren, die in der Lage ist, die Ausdehnungsoperation in der Bohrung auszuhalten und die gegenüber Flüssigkeiten dicht ist, sogar, wenn möglich, nach der Ausdehnungsoperation gegenüber Gasen dicht zu sein. Man hat auch gesucht, dass die rohrförmige Gewindeverbindung einfach und kostengünstig in der Herstellung ist. Man hat darüber hinaus gesucht, dass die Gewindeverbindung gute metallische Eigenschaften im Betrieb, also nach der Ausdehnung, besitzt; insbesondere dass in diesem Zustand eine ausreichende Elastizitätsgrenze vorliegt, dass sie von der Fragilität befreit ist, und dass sie bezüglich der Rissbildung unter Spannung durch H2S gute Eigenschaften besitzt.
Es sind Gewindeverbindungen bekannt, die eine vorstehende Lippe in Übereinstimmung mit einer Aufnahme ( US 4611838 , US 3870351 , WO 99/08034, US 6047997 ) haben. Es hat sich erwiesen, dass diese bekannten Montagen die Dichtheit nach plastischer Verformung nicht halten, was bei ihnen auch nirgends vorgesehen ist.
Eine Ausführungsform einer Dichtungsverbindung Metall gegen Metall in Form eines Fin gers, der an diese Technik angepasst ist, ist in der internationalen Patentanmeldung PCT/FR01/02005 beschrieben, die bereits genannt wurde. Jedoch tritt in dieser Ausführungsform für die höchsten Expansionsraten auf, dass die mechanischen Belastungen, die durch die Rohre während der Passage der Kugel ein in Außer-Eingriff-Kommen des Fingers von seiner Aufnahme erleiden, was eine unzufriedenstellende Dichtheit oder sogar gar keine Dichtheit im Bereich der Verbindungen mit sich bringt.
1 zeigt eine Verbindung mit einem Gewindeeinsteckelement 1, das am Ende eines ersten Rohres 11 angeordnet ist. Dieses Einsteckelement (élément mâle) ist unter Anschlag in ein Gewindeaufnahmeelement (élément fileté femelle) 2 eingeschraubt, das am Ende eines zweiten Rohres 12 angeordnet ist. Der Innendurchmesser des Gewindeeinsteckelements ist hier gleich dem Innendurchmesser DI der Rohre 11, 12. In der Ausführungsform gemäß 1 ist der Außendurchmesser des Aufnahmegewindeelements gleich dem Außendurchmesser DE der Rohre 11, 12, wobei dies ausschließlich beispielhaft ist.
Die Verbindung ist in der 1 im einfach bis zum Anschlag geschraubten Zustand vor jeglicher Durchmesserausdehnungsoperation dargestellt.
Das zweite Rohr 12, wie dargestellt, ist ein Rohr von großer Länge. Dieses zweite Rohr könnte auf nicht dargestellte Weise eine Manschette oder Muffe sein, die auf der einen Seite mit dem Aufnahmeelement 2 und auf der anderen Seite mit einem zweiten Aufnahmeelement versehen ist, das symmetrisch oder nicht zu Letzterem ist, und auf ein Einsteckelement aufgeschraubt ist, das sich am Ende eines weiteren Rohres mit großer Länge befindet.
Nur das Einsteckelement 1 ist in der 2 dargestellt.
Es weist ein konisches Außengewinde 3 mit trapezförmigen Gewinden auf und verlängert sich zu seinem freien Ende hin durch einen Abschnitt ohne Gewinde, gebildet durch eine Nut 21 und durch eine Lippe 5 und endet mit einer ringförmigen Außenendfläche 9.
Die Nut 21 besitzt eine wenig tiefe U-Form.
Sie beginnt unmittelbar oberhalb des Gewindes und ihre Tiefe h_g bezüglich der Außenoberfläche der Lippe ist geringer als die Höhe der Gewindegänge des Gewindes 3. Auf diese Weise erreicht der Boden der Nut den Fuß des ersten Gewindegangs des Gewindes und verbindet sich mit der Lippe durch eine wenig geneigte Flanke.
Die Gesamtbreite der Nut I_g um ihren Scheitelpunkt ist im Wesentlichen gleich 4-mal ihrer Tiefe hg.
Die Lippe 5 weist auf:

a) eine äußere Umfangsfläche 7 von zylindrischer Form,
b) eine innere Umfangsfläche oder Innenumfangsfläche 19, die der Endzone der zylindrischen Innenumfangsfläche des ersten Rohrs 11 entspricht.

Die Lippe 5 besitzt also eine gleichmäßige Dicke e_l, die im Wesentlichen gleich der Hälfte der Dicke e_t des Rohres 11 ist. Sie weist eine Länge l_l auf, die vom Ende der Nut, bis senkrecht zur Oberfläche 15 (weiter unten definiert) gemessen wird, im Wesentlichen gleich 3 mal der Dicke der Lippe e_l.
Die Einsteckendoberfläche 9 bildet einen Falz. Dieser Falz wird gebildet aus einer ringförmigen quer verlaufenden Einsteckoberfläche 15 und einer ringförmigen Lasche 13, die axial vorsteht, benachbart zu Querfläche 15. Die vorstehende Querfläche 15 befindet sich auf der Seite des Falzes gerichtet in das Innere der Gewindeverbindung.
Die äußere Umfangsoberfläche der Lasche 13 ist in der Verlängerung der Oberfläche 7 der Lippe angeordnet, während ihre Innenumfangsfläche 17 beispielsweise zylindrisch ist.
Die radiale Dicke der Lasche 13 ist im Wesentlichen identisch zu jener der Queroberfläche 15, während die Höhe der Lasche (oder die axiale Projektion von dieser) im Wesentlichen gleich der radialen Dicke derselben Lasche ist. Sie kann auch gleich dem 1,5-fachen dieser radialen Dicke sein, um besser das freie Ende der Lasche bei der Expansion bzw. Ausdehnung zu halten.
Das weibliche Element oder Aufnahmeelement 2 ist einzeln in 3 dargestellt.
Es weist, ausgehend von dem freien Ende des Aufnahmeelements, ein Innengewinde 4 mit Trapezgewindegängen, die homolog zum Einsteckgewinde 3 sind, sodann einen Nichtgewindeabschnitt 6 auf. Dieser Nichtgewindeabschnitt 6 bildet eine Aufnahme entsprechend zu und in Zusammenwirkung mit der Lippe 5 des Einsteckelements 1.
Die Innenaufnahme 6 weist eine nach innen gedrehte Umfangsoberfläche 8, von zylindrischer Form, auf, die auf einer Seite mit dem Innengewinde 4 und auf der anderen Seite über eine Innenschulter 10 mit der zylindrischen Innenumfangsfläche 20 des zweiten Rohres 12 verbunden ist.
Allgemein ist der Durchmesser der Umfangsoberfläche 8 der Aufnahme sehr leicht größer als der Durchmesser der äußeren Umfangsoberfläche 7 der Einstecklippe 5. Auf diese Weise können die Oberflächen 7 und 8 aufeinander mit einem geringen Spiel beim Schrauben des Einsteckelements in das Aufnahmeelement, beispielsweise mit einem Spiel von 0,2 mm, gleiten. Der Vorteil eines solchen Gleitens wird später dargestellt.
Die Innenschulter weist eine ringförmige Schulteroberfläche 10 auf, die auf im Wesentlichen entsprechende Weise angeordnet ist und eine Form im Wesentlichen homolog zu jener des Einsteckendes 9 ist. Die Oberfläche 10 bildet einen Falz, gebildet aus einer ringförmigen Innenquerfläche 16 und einer ringförmigen Kerbe 14, in der nähe der Querfläche 16.
Die Innenquerfläche 16 befindet sich auf der Seite des Falzes gerichtet nach dem Inneren der Gewindeverbindung.
Die Seitenwand 18 der Kerbe 14, die benachbart zur Queroberfläche 16 ist, ist beispielsweise zylindrisch und kann mit Letzterer durch eine Phase oder eine Rundung angesetzt sein. Die gegenüberliegende Seitenwand der Kerbe befindet sich in der Verlängerung der Umfangsoberfläche 8. Beim Einschrauben der Gewindeverbindung "steigt" die Oberfläche 17 der Lasche auf die Seitenwand 18 der Kerbe, bis das freie Querende der Lasche gegen den Boden der Kerbe 14 kommt. Die axiale Höhe h_r der Lasche 14 und die axiale Tiefe P_r der Kerbe sind derart, dass sie die Queroberfläche 15 und 16 erst nach einem zusätzlichen Schrauben in Berührung kommen. Das geringe Spiel zwischen den zylindrischen Oberflächen 7 und 8 und zwischen den Oberflächen der Lasche und der Kerbe, die sie verlängern, ermöglicht das Ausbringen des Fettes am Ende des Schraubens und somit eine korrekte Positionierung der Lippe 5 bezüglich der Aufnahme 6.
Die 4 bis 7 erklären die Phänomene der Verformung die sich ergeben, wenn man mit Hilfe einer Expansionskugel eine diametrale oder Durchmesserexpansion in der Größenordnung von 15% auf durch die Gewindeverbindungen zusammengesetzte Rohre verwirklicht, die oben beschrieben wurden und die ermöglichen, am Ende eine ausgedehnte Dichteverbindung zu erhalten.
Eine solche Verformung, die auf metallische Materialien ausgeübt wird, führt zu plastischen Verformungen des Metalls.
Man geht somit beispielsweise aus von einem Außendurchmesser von 139,7 mm (5,5 in) auf dem zweiten Rohr 12 stromauf der Ausdehnung und folglich im noch nicht verformten Abschnitt zu einem Außendurchmesser von 157,5 mm (6,2 in) auf dem ersten ausgedehnten Rohr 11 (senkrecht zu oder stromab des Austrittskonus 33 der Kugel). Es muss hierzu für die Rohre ein Metall verwendet werden, das derartige plastische Verformungen akzeptiert.
Die erzeugten plastischen Verformungen erhöhen die Elastizitätsgrenze der Produkte: ein Rohr, das ausgangs eine Elastizitätsgrenze von 310 MPa (45 KSI) besitzt, erfährt somit eine Erhöhung auf 380 MPa (55 KSI) nach der Verformung.
Die Durchmesserexpansion wird auf herkömmliche Weise erzeugt, mit Hilfe einer Kugel 30 (4) von adäquatem maximalem Durchmesser. Man erzwingt den Hindurchtritt dieser Kugel in den Rohren entweder indem man sie mit Hilfe von Rohrstangen zieht, oder indem man sie beispielsweise durch einen hydraulischen Druck drückt.
Die Kugel hat beispielsweise eine bikonische Form, mit einem Eintrittskonus 31, auf dem die Ausdehnung erfolgt, einen zylindrischen Mittenabschnitt 32 und einen konischen Austrittsabschnitt 33. Alle Oberflächen der Kugelabschnitte sind untereinander durch geeignete Verbindungsradien miteinander verbunden.
Die WO 93/25800 beschreibt insbesondere Konuseingangswinkel, die insbesondere für die Durchmesserausdehnung der Rohre, genannt EST, für die Ausbeutung von Kohlenwasserstoffbohrungen geeignet sind.
Da die Rohre 11, 12 einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt haben, machen ihre Enden keine besonderen Probleme beim Hindurchtritt der Kugel, vorausgesetzt, dass die Verformungskapazität des Metalls, aus dem sie sind, ausreichend ist.
Die zu lösenden Probleme kommen von der Tatsache, dass die Gewindeelemente am Ende der Rohre geringere Dicken aufweisen als jene der Rohrkörper und örtlich variabel sind, wobei sie mehr oder weniger gehalten sind und dazu tendieren, sich zwischen den entsprechenden Einsteckabschnitten und Aufnahmeabschnitten auf unterschiedliche Weise zu verformen.
Diese unterschiedlichen Verformungen, wenn sie unter Verwendung der erfindungsgemäßen Gewindeverbindung beherrscht werden, ermöglichen eine Gewindeverbindung zu verwirklichen, die nach Durchmesserexpansion dicht ist, wobei sie kein verbleibendes lokales Relief im Inneren der Innenumfangsfläche der Rohre aufweisen.
Der Expansionsprozess der Gewindeverbindung kann in vier Phasen zerlegt werden, die Gegenstand der 4 bis 7 sind.
Obwohl der Expansionsvorgang vollständig in die entgegengesetzte Richtung erzeugt werden kann und zu ähnlichen Resultaten führen kann, ist die bevorzugte Verformungsweise dargestellt, in der sich die Kugel vom Einsteckelement 1 des ersten Rohres 11 zum Aufnahmeelement 2 des zweiten Rohres 12 bewegt.
a) Ausdehnungsphase auf dem Konus der Kugel
Die 4 zeigt die Gewindeverbindung während dieser Phase.
Die Expansion bzw. Ausdehnung wird durch den Eingangskonus 31 der Kugel 30 erzeugt und die 4 zeigt das Einsteckgewinde 3 und Aufnahmegewinde 4 während der Durchmesserexpansion.
In 4 beginnt der Eingangskonus 31 der Kugel 30 die Verformung der Einstecklippe und der homologen Aufnahmezone, indem er sie verbiegt, um sie bezüglich der Achse der Anordnung zu neigen.
Während dieser Expansionsphase werden die Reaktionskräfte beim Hindurchtritt der Kugel 30 nacheinander vom ersten Rohr 11 auf das zweite Rohr 12 übertragen.
Aufgrund dieser Reaktionskräfte wird die Einstiegslippe 5 während dieser Expansionsphase durch die ringförmige Aufnahmeschulter 10 axial komprimiert.
Das Ende der Expansionsphase entspricht dem Ankommen des freien Endes des Einsteckelements am Ende des Eintrittskonus 31 der Kugel.
b) Biegungsphase
Während dieser Phase befindet sich die Einstecklippe auf der Höhe des Mittenbereichs 32 der Kugel: siehe 5.
Einstecklippe
Die Einstecklippe 5 wird an einem jeden ihrer Enden entgegengesetzten Biegemomenten unterworfen.
Die Einsteckendoberfläche 9 wird tatsächlich in der Aufnahmeschulteroberfläche 10 auf Grund der Falze mit Anschlägen 15, 16 und des Einfangsystems Lasche 13/Kerbe 14 in der Position gehalten.
Das Einfangen oder Festsetzen der Falze zwingt die freie Endzone der Einstecklippe 5 der Neigung der Zone 22 mit voller Dicke des Aufnahmeelements über die Schulter hinaus zu folgen. Diese Zone 32 befindet sich weiterhin im Laufe der Expansion auf dem Eintrittskonus 31 der Kugel und erzeugt somit ein Biegemoment in diesem Bereich.
Das andere Ende der Lippe auf der Seite des Einsteckgewindes 3 wird nicht mehr gestützt und bringt im Gegensatz auf die Lippe einen Biegemoment entgegengesetzt zu jenem am freien Ende der Lippe auf.
Die Biegemomente mit entgegengesetztem Vorzeichen auf die beiden Enden der Einstecklippe erzeugen eine bananenförmige Krümmung der Einstecklippe 5, wie in 5 dargestellt, wobei die äußere Umfangsoberfläche 7 der Lippe 5 eine konvex ausgewölbte Form annimmt.
Der axiale Kompressionszustand der Einstecklippe 5 am Ende der Expansionsphase erleichtert seine Krümmung unter der Einwirkung der Biegemomente.
Die Nut 21, die sich zwischen der Einstecklippe 5 und dem Einsteckgewinde 3 befindet, spielt die Rolle eines plastischen Kupplungsstücks, das die Krümmung der Einstecklippe akzentuiert unter Begrenzen der Breite über die die Krümmung sich ausbreiten kann.
Es muss in diesem fall besonders darauf geachtet werden, dass die axialen Kompressionsbeanspruchungen auf der Höhe der Einstecklippe kein Knicken des Metalls 23 unter der Nut erzeugen. Dieses Knicken würde sich durch einen Vorsprung des Metalls unter der Nut bezüglich der Innenumfangsoberfläche 19 ausdrücken.
ii) Innenaufnahme
Das gleiche Biegephänomen wird auch an der Innenaufnahme erzeugt.
Die Zone 22 von voller Dicke, die relativ starr bezüglich der relativ schlanken Lippenzone ist, erfährt bei ihrer Bewegung auf der Höhe des Mittenabschnitts eine zusätzliche Ausdehnung oder Expansion, derart, dass der Innendurchmesser der Zone 22 größer wird als jener der Mittenzone 32 der Kugel. Das zusätzliche Expansionsphänomen ist in der WO 93/25800 beschrieben.
c) Richtphase
Diese in 6 dargestellte Phase entspricht der Bewegung der Aufnahmezone 22 von voller Dicke auf dem Mittenabschnitt 32 der Kugel 30.
i) Innenaufnahme
Die in der vorhergehenden Phase erzeugte Biegung tendiert dazu, auf Null zurückgebracht zu werden, unter der Einwirkung der Spannung und der Umfangsbeanspruchungen, was einen Zustand von axialen Biegespannungen erzeugt, die umgekehrt bezüglich der Krüm mung sind, was schließlich das Richten (redressement) erzeugt.
Das durch diese Spannungen erzeugte Biegemoment ist proportional zur Materialdicke stromauf des Richtens. In dem Moment, wo das Biegemoment auf dem Rohr 12 mit voller Dicke (Zone 22) auftrifft, ist es nicht ausreichend, um die Innenumfangszone der Innenaufnahme zu richten, die dazu tendiert, zur Achse des Produkts zu kippen. Dieses Verhalten manifestiert sich durch eine lokale Verringerung des Außendurchmessers des Rohre 12.
ii) Einstecklippe
In dem Maße wie das Richten des Innenabschnitts fortschreitet, nimmt der axiale Raumausdehnungsunterschied, der durch die Biegung erzeugt wurde, ab. Die Einstecklippe 5 verliert somit nacheinander ihren Kompressionszustand. Daran schließt sich die Trennung der ausgangs am Anschlag befindlichen Oberflächen 15, 16. Dieses Phänomen wird durch das "Eintauchen" der Innenumfangsoberfläche 8 der Innenaufnahme verstärkt, was einen Öffnungseffekt der Anschläge 15, 16 erzeugt.
Die in der vorhergehenden Phase aufgebrachte bananenförmige Verformung wird somit beibehalten.
d) Endzustand
Die 7 zeigt den Endzustand der Gewindeverbindung nach dem Hindurchtritt der Kugel.
Der Zustand der Umfangsspannungen, der durch die Expansion erzeugt wurde, führt zu einer Versteifung der äußeren Umfangsoberfläche 7 der Einstecklippe durch jene innere 8 der Innenaufnahme. Man kann somit von einer Selbstversteifung der Oberflächen 7, 8 der Gewindeverbindung im ausgedehnten Zustand sprechen, was erlaubt, die Dichtheit sicherzustellen. Die Einstecklippe 5 taucht nicht zur Achse, da der radiale Versatz, der durch das Festsetzten der Falze 9, 10 erzeugt wurde, ausreichend plastische Verformungen erzeugt hat.
Die elastische Rückkehr der Elemente der Gewindeverbindung nach dem Hindurchtritt der Kugel ist angesichts der erzeugten plastischen Verformungen vernachlässigbar.
Die radiale Versteifung induziert einen Kontaktzug von mehreren zehn MPa, sogar mehr als 100 MPa, was ausreicht, um gegenüber Innen- oder Außendrücken auf die Gewindeverbindung eine Dichtheit sicherzustellen. Die Länge der Versteifung ist ausreichend über den gesamten Umfang der Kontaktoberflächen, um eine stabile Dichtheit unter ihnen sicher zu stellen.
Eine Dichtheit ist darüber hinaus notwendig, wenn die Expansion unter hydraulischem Durchdrücken der Kugel 30 unter einem Druck von 10 bis 30 MPa erzeugt wird, wobei jegliches Leck im Bereich der bereits expandierten Verbindungen das Eindringen der Kugel weiter nach vorne in die Säule verhindert und folglich den Expansionsprozess blockiert.
Man erkennt, dass im Endzustand es sehr wohl vorkommen kann, dass die Lasche 13 nicht mehr in der Kerbe 14 ruht.
Eine Einsteckendoberfläche 9, die nicht in jener der Aufnahmeschulter 10 eingefangen ist, erzeugt ein Tauchen dieses Endes bei der Richtphase, was die Trennung der Queroberflächen 15 und 16, die ausgangs im Anschlag sind, sieht und es folgt ein nicht-akzeptierbarer Vorsprung des unteren Endes der Einstecklippe im Inneren der Säule. Die Säule erlaubt somit nicht mehr, Gerätschaften oder Werkzeuge eines vorgegebenen Platzbedarfes abzusenken.
Ein zu großes Spiel zwischen der Umfangsoberfläche 7 der Einstecklippe 5 und der Umfangsoberfläche 8 der Innenaufnahme auf der Gewindeverbindung vor der Expansion würde die Versteifung dieser Oberfläche am Ende des Expansionsvorgangs nicht ermöglichen.
Eine radiale Überlagerung zwischen diesen Oberflächen im Ausgangszustand vor der Expansion ist in der Lage, die unterschiedlichen Verformungen (Krümmung, Richten) zwischen diesen Oberflächen während den Ausdehnungsvorgängen zu stören, wobei die unterschiedlichen Verformungen ermöglichen, die Versteifung dieser Oberflächen am Ende des Ausdehnungsvorgangs zu verwirklichen. Sie läuft auch die Gefahr, ein Festfressen dieser Oberflächen beim Verschrauben und ein schlechtes Positionieren dieser Elemente mit einem nicht-korrekten Einfangen der Oberflächen 9 und 10 und dadurch ein mittelmäßiges Versteifen der Oberflächen 7 und 8 nach der Expansion hervorzurufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erlaubt die ringförmige Falzform mit Queroberflächen 15, 16 und dem System Lasche 13/Kerbe 14 das Tauchen des freien Einsteckendes bei der Ausdehnung zu verhindern. Andere Ausführungsformen der eingeklemmten Oberflächen 9, 10 sind möglich, um dasselbe Ergebnis zu liefern.
Eine zu dünne Einstecklippe 5, mit einer Dicke e_l, geringer als ein Drittel der Dicke der Rohre 11, 12, ermöglicht nicht, einen wirksamen Anschlag im Bereich der Queroberflächen 15, 16 zu verwirklichen.
Wenn die Dicke e_l der Einstecklippe 5 im Gegensatz dazu größer als 2/3 der Dicke und der Rohre 11, 12 ist, ruft die Dicke des Rohres 12 im Bereich der Zone der Innenaufnahme einen kritischen Abschnitt des Innengewindes 4 von zu geringer Dicke und folglicherweise eine nicht ausreichende Widerstandskraft gegenüber dem Zug der Gewinde hervor.
Das Verhältnis Länge/Dicke der Einstecklippe 5 regiert das Verhalten unter Druck und Biegung der Lippe 5.
Eine Einstecklippe 5 von der Länge l_l, geringer als seine Dicke, ermöglicht ihm nicht, die ausreichende Biegung der Umfangsoberfläche 7 der Einstecklippe 5 und/oder das Richten der Umfangsoberfläche 8 der Innenaufnahme.
Eine Einstecklippe 5 der Länge l_l größer als viermal seine Dicke e_l kann ein Knicken der Einstecklippe und einen Innenvorsprung von dieser auf der Seite des Gewindes erzeugen.
Dieser Effekt wird durch das Vorhandensein einer Nut 21 zwischen dem Einsteckgewinde 3 und der Einstecklippe 5 verstärkt.
Aus diesem Grunde weist die Nut vorzugsweise eine Tiefe auf, die auf eine Höhe des Gewindes begrenzt ist und eine Länge auf, die bezüglich seiner Tiefe begrenzt ist.
Eine Lasche 13 von nicht-ausreichender radialer Dicke und einer axialen Höhe, die geringer ist als die radiale Dicke, könnte nicht ausreichend während der Ausdehnung gehalten werden.
Die Erfindung sieht vor, wenigstens eine der Oberflächen 7 und 8 mit einem Überzug vorzusehen, der dazu dient, den effektiven Kontaktbereich dieser Oberflächen bei der radialen Expansion der Verbindung zu erhöhen und hieraus folgend die erhaltene Dichtheit zu stabilisieren. Man hat beispielsweise erreicht, unter Aufbringen auf eine bearbeitete Fläche eines Kohlenstoffstahls, der eine Rauheit Ra, wie sie von der Norm ISO4287/I definiert ist von höchstens gleich 3,2 μm, einer Schicht von Kupfer, Zink, Zinn oder Blei von einer Dicke größer als 17 μm, eine Verringerung der Oberflächenunregelmäßigkeiten erreicht. Vor allem fördert die Duktilität der für die Beschichtung eines rohrförmigen Elements verwendeten Materialien, das Einlassen in diese Schicht der Unebenheiten der entsprechenden Dichtungsoberfläche des anderen rohrförmigen Elements, wodurch die effektiven Berührungsoberflächen erhöht werden und folglicherweise die Dichtheit verbessert wird.
Selbstverständlich muss der Überzug bzw. die Beschichtung anhaftend sein, d.h. sie darf sich vom Substrat durch Reibung nicht lösen. Das Material muss in Abhängigkeit von jenem des Substrats derart ausgewählt werden, dass es durch galvanische Kopplung bzw. Paarung keine Korrosion erzeugt. Das Kupfer kann auf Stählen, die einen Chromgehalt von wenigstens 10% haben und auf Nickel-Zink Legierungen auf nicht oder schwach legierten Stählen verwendet werden. Das Zinn kann ebenfalls verwendet werden. Das Blei kann nur in Fällen verwendet werden, wo seine Toxizität ohne Konsequenzen ist.
Die Ablagerung bzw. Beschichtung kann durch jegliches Verfahren erfolgen, das in der Lage ist, eine anhaftende und gleichmäßige Beschichtung zu liefern, beispielsweise durch elektrolytische Tauchbeschichtung, elektrolytische Tamponbeschichtung oder chemische Beschichtung.
Der Überzug kann mehrere Schichten aufweisen, gegebenenfalls mit unterschiedlichen Materialen, wobei die äußere Schicht somit die duktilste wird. Die Kontaktschicht des Substrats kann eine sehr dünne Anhaftungsschicht sein.
Der Überzug kann auf den beiden rohrförmigen Elementen vorgesehen sein, oder nur auf einem von ihnen, insbesondere dem Einsteckelement.
Wie an sich bekannt, kann man, um eine Unsymmetrie bei der Herstellung der Gewinde und folglich eine Verringerung der mechanischen Widerstandskraft der Verbindungen zu vermeiden, auf Grund der Tatsache, dass die entsprechenden Außen- bzw. Innendurch messer der Rohre nicht konzentrisch sind, wenn sie aus der Herstellung vor dem Gewindeschneiden kommen, vor dem Gewindeschneiden eine Ausdehnung des Außendurchmessers erzeugen, ausgehend von dem freien Ende des Aufnahmeelements, und sich erstreckend über die gesamte Länge oder nur einen Teil davon des zu erzeugenden Gewindes.
Auf gleiche Weise ist es möglich, den Innendurchmesser in der Nähe des Endes des Einsteckelements durch eine vor der Bearbeitung erzeugte Einschnürung zu verringern. Die Ausdehnung und die Einschnürung können mit einem konstanten Durchmesser oder mit einem zunehmenden Durchmesser für das Aufnahmeelement erzeugt werden, der für das Einsteckelement in Richtung des Endes abnimmt.
Ausführungsbeispiel

– Rohre mit Außendurchmesser DE 139,7 mm und nominaler Dicke et 7,72 mm (5,5 in × 17,00 lb/ft) aus Kohlenstoffstahl, behandelt für eine minimale Elastizitätsgrenze von 290 MPa (42 KSI): Die chemische Zusammensetzung des Stahles und seine Wärmebehandlung sind angepasst, um die höchstmöglichen Duktilitätseigenschaften zu erreichen und insbesondere erhöhte verteilte Ausrichteigenschaften vor Einschnürung AR beim Zugversuch (AR größer oder gleich 15%, beispielsweise) zu erhalten.

Es wird beispielsweise ein Stahl mit einem ausreichend niedrigen Kohlenstoffgehalt, in der Nähe von 0,14% (an Gewicht) einem relativ erhöhten Mangangehalt, in der Größenordnung von 1% und mit einem Zuschlag von Aluminium ausgewählt, das in der Lage ist, den Rest Stickstoff des Stahls zu binden.
Ein Gehalt an Aluminium von 0.035% für einen Stickstoffgehalt von 0.010% ist vollständig passend in dem Maße, wo der Stahl wärmebehandelt wird durch Glühen oder durch Abschrecken gefolgt vom Anlassen damit der Zuschlag von Aluminium tatsächlich in der Lage ist, den Stickstoff zu binden. Andere chemische Elemente, die bekannt sind, um den Stickstoff zu binden, können ebenfalls zusammen mit oder an Stelle von dem Aluminium verwendet werden.
Eine derartige chemische Zusammensetzung, die darauf abzielt, die Gehalte an freien Zwischengitteratomen, wie jene des Stickstoffs, zu eliminieren, macht darüber hinaus den Stahl unempfindlich gegenüber dem schädlichen Alterungsphänomen nach Kaltverfestigung, die auch die Eigenschaften der Duktilität zerstört.
Der Stahl kann im geglühten Zustand sein (Normalisierungsglühen oder Entspannungsglühen nach Kaltbearbeitung beispielsweise) oder in einem strukturellen äquivalenten Zustand.
Ein legierter oder martensitischer Stahl mit hohem Anteil an Chrom kann im abgeschreckten und angelassenen Zustand oder normal geglüht und angelassen sein. Ein austenitischer rostfreier Stahl oder Duplex-Stahl oder eine Nickellegierung kann im überhärteten Zustand sein.
– Integrierte Gewindeverbinder gemäß der Erfindung:

• konische Gewinde 3, 4 (Konizität = 12,5% auf den Durchmesser) mit Trapezgewindegängen mit radialer Höhe von 1 mm und axialem Gang von 4 mm
• Einstecklippe 5 von zylindrischer Form
• Dicke e_l der Einstecklippe 3,2 mm (41% der Rohrdicke)
• Länge l_l der Einstecklippe = 11,5 mm
• Nut 21 mit Tiefe h_g 1 mm und Länge I_g 4 mm zwischen dem Ende des Einsteckgewindes 3 und der Einstecklippe 5
• Einsteckendoberfläche 9 mit einer Lasche 13 von axialer Höhe 1,8 mm und radialer Dicke 1,8 mm
• Oberfläche 7 der Einstecklippe beschichtet mit einer anhaftenden Schicht aus Zink einer Dicke von 50 μm, erhalten durch elektrolytische Tamponbeschichtung.
• Zugwiderstand der Gewindeverbindung ≥ 50% des Zugwiderstands eines jeden der rohrförmigen Körper 11, 12.

– Ergebnisse der Rohrsäule nach Expansion:

• Außendurchmesser der Rohre 11, 12 = 157, 5 mm (6,2 in)
• Dicke der Rohre: 7,2 mm
• Elastizitätsgrenze der Rohre ≥ 415 MPa (60 KSI)
• Härte ≤ 22 HRc (Maximalwert gemäß Spezifikation NACE MR 01 75)
• zufriedenstellende Passagen bei nachfolgenden Tests, verwirklicht im expandierten Zustand und im expandierten und gealterten Zustand * Explosionsversuch unter Innendruck * Zusammenbrechversuch unter Außendruck ("collapse") * Aufprallversuch Charpy V * SSC-Versuch des Widerstands gegenüber Reißen durch H₂S (SSC: "Sulfide stress cracking) gemäß Spezifikation NACE TM 01-77 Hinweis: NACE = National Association of Corrosion Engineers (USA).

Obwohl die Erfindung detailliert in Zusammenhang mit einer Gewindeverbindung für Bohrlöcher beschrieben wurde, die dazu dient, eine radiale Expansion zu erleiden, ist die Erfindung nicht auf eine derartige Anwendung begrenzt und kann jedes Mal verwirklicht werden, wenn Oberflächen sich in gegenseitigem dichten Kontakt nach einer Relativbewegung befinden sollen, hervorgerufen insbesondere durch eine Expansion.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Beschichtung mit Vorteil auf Dichtflächen der beschriebenen Verbindungen angewendet werden, in den nachfolgenden Patentanmeldungen, die im Namen der Anmelderin am selben Tag wie vorstehende Anmeldung hinterlegt wurden:

– "Joint fileté tubulaire étanche améliorée après expansion diamétrale", betreffend eine Verbindung deren beide rohrförmige Elemente gegeneinander dichte Kontaktoberflächen aufweisen, die jeweils zwischen zwei Gewindeabschnitten gesetzt sind;
– "Joint fileté tubulaire à étanchéité améliorée après expansion plastique", betreffend eine Verbindung deren beide rohrförmige Elemente geneigte Schultern aufweisen, die entsprechend einander gegenüberliegend angeordnet sind und in der Lage sind, in gegenseitigem dichten Kontakt, insbesondere nach einer radialen Expansion der Dichtung zu kommen.

Claims

Rohrförmige Verbindung mit einem ersten rohrförmigen Element (1) und einem zweiten rohrförmigen Element (2), die in der Lage sind, miteinander zusammengesetzt zu werden durch Eindringen eines ersten Bereichs des ersten rohrförmigen Elements in einen zweiten Bereich des zweiten rohrförmigen Elements, wobei der erste und zweite Bereich entsprechende Dichtungsoberflächen (7, 8) aufweisen, die in der Lage sind, in gegenseitigen dichten Kontakt in einem Endzustand der Verbindung zu kommen, nach einer radialen Expansion von dieser, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Dichtungsoberflächen mit einem haftenden Überzug versehen ist, der ein duktileres Material aufweist, als das Material des Substrats und eine Dicke aufweist, die größer ist als 17 μm, wodurch der effektive Kontaktbereich der Dichtungsoberflächen erhöht wird.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 1, bei der die Dicke des Überzugs wenigstens 20 μm beträgt.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 2, bei der die Dicke des Überzugs zwischen 35 und 50 μm beträgt.
Rohrförmige Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der, für ein Substrat aus Stahl oder aus einer Nickellegierung, das duktilere Material ausgewählt wird aus dem Kupfer, dem Blei, dem Zink, dem Zinn und deren Legierungen.
Rohrförmige Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und zweite rohrförmige Element in der Lage sind, durch Schrauben eines Außengewindes (3) des ersten rohrförmigen Elements in ein Innengewinde (4) des zweiten rohrförmigen Elements miteinander zusammengesetzt zu werden.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 5, bei der die Gewinde konisch sind, mit einer Konizität die höchstens gleich 12,5% beträgt.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 5, bei der die Gewinde zylindrisch sind, mit wenigstens zwei Stufen unterschiedlicher Durchmesser.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 7, bei der eine jede der Dichtungsoberflächen zwischen zwei Gewindestufen angeordnet ist.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der der erste Bereich einen ringförmigen Abschnitt (5), der eine vorspringende Anschlagseite (9) aufweist, und der zweite Bereich eine Aufnahme (6) aufweist, die entsprechend zum ringförmigen Abschnitt ausgebildet ist, wobei sie eine einspringe Anschlagseite (14) aufweist, wobei die beiden Anschlagseiten bei der Montage ermöglichen, das Schraubenmoment des ersten und zweiten Gewindes (3, 4), das eine auf das andere, zu kontrollieren und den ersten Bereich in den zweiten Bereich einzubringen.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 9, bei der die äußere Umfangsfläche (7) des ringförmigen Abschnitts (5) mit geringem Spiel zur Innenumfangsfläche (8) der Aufnahme (6) angeordnet ist.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Dichtungsoberflächen zu der äußeren Umfangsfläche (7) des ringförmigen Abschnitts (5) bzw. zur Innenumfangsfläche (8) der Aufnahme (6) gehören.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der der erste Bereich am freien Ende des ersten rohrförmigen Elements angeordnet ist, wobei der ringförmige Abschnitt eine Lippe bildet.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die vorspringende Anschlagseite eine ringförmige Lasche (13), die axial vorspringt, und eine Queroberfläche (15), die die ringförmige Lasche mit der radialen Innenoberfläche des ersten rohrförmigen Elements und der einspringenden Anschlagseite verbindet, eine ringförmige Kerbe (14) und eine Queroberfläche (16) aufweist, die die ringförmige Kerbe mit der radialen Innenoberfläche des zweiten rohrförmigen Elements verbindet, wobei die Lasche (13) in die Kerbe (14) eingreift und die Queroberfläche der vorspringenden Anschlagseite gegenüberliegend zu Queroberfläche der einspringenden Anschlagseite kommt.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 13, bei der die äußere Umfangsoberfläche der ringförmigen Lasche (13) sich in der Verlängerung der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Abschnitts erstreckt, und die innere Umfangsoberfläche der ringförmigen Kerbe (14) sich in der Verlängerung der inneren Umfangsoberfläche der Aufnahme erstreckt.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die radiale Dicke (e_d) der Lasche (13) im Wesentlichen gleich jener der Queroberfläche (15) der einspringenden Anschlagoberfläche (9) ist.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der das Verhältnis zwischen der Höhe, die axial gemessen wird (h_d) der Lasche (13) und ihrer radialen Dicke (e_d) zwischen 0,8 und 1,6 liegt.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die axial gemessene Höhe (h_c') der Lasche (13) zwischen 0,8 und 3 mm beträgt.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die axiale Höhe (h_r) der Lasche (13) und die axiale Tiefe (P_r) der Kerbe (14), derart sind, dass beim Schrauben der Gewindeverbindung der erste Anschlagkontakt zwischen dem freien Querende der Lasche und dem Boden der Kerbe erfolgt.
Rohrförmige Verbindung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, bei der das Einsteckelement (1) eine Nut (21) am vorderen Ende des Außengewindes (3) zwischen dem Gewinde und der vorspringenden Lippe (5) aufweist.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 19, bei der die Nut (21) eine Tiefe (h_g) aufweist, die höchstens gleich der Höhe der Außengewinde (3) ist.
Rohrförmige Verbindung nach Anspruch 19 oder 20, bei der die Nut (21) eine gesamte axiale Breite (I_g) und eine Tiefe (h_g) derart aufweist, dass ihre axiale Breite zwischen 2- und 15-mal ihrer Tiefe beträgt.
Rohrförmige dichte Schraubverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer rohrförmigen Gewindeverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht, nach einer Durchmesserexpansion im Bereich der plastischen Verformungen, wobei die Dichtungsoberflächen über ihren gesamten Umfang aufeinander geschrumpft sind.
Expandierte rohrförmige Schraubenverbindung nach Anspruch 22, bei der die Durchmesserexpansion, die von der rohrförmigen Schraubverbindung erfahren wird wenigstens gleich 10% beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer dichten rohrförmigen Schraubverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass von einer rohrförmigen Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, genannt "rohrförmige Ausgangs-Schraubverbindung" ausgegangen wird, und dass diese Ausgangs-Schraubverbindung einer Durchmesserexpansion im Bereich der plastischen Verformungen mithilfe einer Expansionskugel (30) von einem Durchmesser, größer als der Innendurchmesser (DI) der rohrförmigen Elemente der Schraubverbindung unterworfen wird, die axial in der Schraubverbindung bewegt wird, wobei die vorspringende Lippe (5) und die Innenaufnahme (6) derart dimensioniert sind, dass sie zunächst zusammen beim Vorbeibewegen der Kugel eine plastische Biegeverformung erfahren, während anschließend nur die Innenaufnahme eine plastische Verformung erfährt, in umgekehrter Richtung des Richtens, was schließlich zu einem Aufschrumpfen einer Dichtungsoberfläche auf den ringförmigen Abschnitt der vorspringenden Lippe durch eine Dichtungsoberfläche der Innenaufnahme führt.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die Biegung der vorspringenden Lippe (5) durch das Vorhandensein einer Nut (21) am Ende der vorspringenden Lippe auf der Seite des Außengewindes begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die verwirklichte rohrförmige Schraubverbindung vom integralen Typ ist und die Expansionskugel (30) vom Einsteck-Gewindeelement (1) zum Innengewindeelement (2) verschoben wird.