DE69318398T2

DE69318398T2 - Stabilisierte rohrverbindung mit einer zentralen schulterabdichtung

Info

Publication number: DE69318398T2
Application number: DE69318398T
Authority: DE
Inventors: Erich Klementich
Original assignee: Marubeni Tubulars Inc
Current assignee: Ultra Premium Oilfield Services Ltd Odessa Us
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2013-02-17
Also published as: EP0630455A1; JP3426600B2; EP0630455B1; AU3773993A; MX9301068A; DE69318398D1; CA2131821A1; BR9306070A; JPH07504483A; WO1993018329A1; US5462315A; SG59985A1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Art rohrförmiger Verbindungen, die in der Ölindustrie allgemein verwendet werden. Im einzelnen weist die rohrförmige Verbindung der vorliegenden Erfindung eine stabilisierte zentrale Schulterdichtung auf, wobei die Stabilisierung durch benachbart zu der zentralen Schulterdichtung angeordnete spezielle Gewindeausführungen bereitgestellt ist. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine spezielle Ausführung einer zentralen Schulterdichtung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Gewindeprofil, das bei dem Aufbau der rohrförmigen Verbindung eine selbstzentrierende Funktion bereitstellt. Dieses Gewindeprofil kann mit der stabilisierten zentralen Schulterdichtungsverbindung und mit anderen beim Stand der Technik bekannten Verbindungsausführungen verwendet werden.

2. Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung ist in weitem Ausmaß für das Verbinden von Rohren, Kupplungen und ähnlichem anwendbar und ist insbesondere für die Verwendung für in der Ölindustrie gebräuchlichen rohrförmigen Verbindungen entwickeft worden, da diese Verbindungen strengeren und beanspruchenderen Bedingungen als Verbindungen in anderen Industriezweigen und Anwendungen ausgesetzt sind. Bei der Ölindustrie besteht insbesondere die Tendenz, die Rohrdurchmesser zu minimieren und den Bohrlochdurchmesser gleichzeitig zu erhalten. Je kleiner der Durchmesser des Bohrlochs für die Ölquelle ist, um so größer füllt die Erhaltung der Energie und die Reduzierung der Bohrungsunkosten aus. Allerdings ist es bei der Verwendung eines Rohrs mit kleinerem Durchmesser von Bedeutung, daß die Verbindungen zwischen den benachbarten rohrförmigen Leitungen bezuglich der Geometrie und Funktionskennwerte transparent sind, d.h., daß die geometrischen und die Funktionskennwerte der Verbindung im wesentlichen mit denjenigen der rohrförmigen Leitung selbst übereinstimmen. Vorzugsweise solken die Bohrgestänge so arbeiten, als ob die Rohrverbindungen nicht vorhanden wären. Eine ideale Verbindung würde die gleiche Geometrie wie das Rohr aufweisen, beispielsweise die gleichen Innen- und Außendurchmesser, und würde über die gleichen Funktionskennwerte wie beispielsweise Spannungs-, Kompressions- und interne und externe Drucknennwerte, und Torsions- und Biegewiderstand verfügen.
Zwei Arten von Verbindungen für Ölfelder, namentlich bündig anstoßende und Slim-line-Verbindungen, sind zur Beibehaltung des Lochdurchmessers verwendet worden. Der Außendurchmesser einer bündig anstoßenden Verbindung ist im allgemeinen der gleiche wie der Außendurchmesser der rohrförmigen Leitung. Der Außendurchmesser einer Slim-line-Verbindung ist im allgemeinen 2 bis 3,5% größer als deijenige des Rohrs. Obgleich das Ziel bei derartigen Rohren gemäß dem Stand der Technik in der Bewerkstelligung einer vollständigen Übereinstimmung der geometrischen und der Funktionskennwerte bestand, war diese bislang nicht möglich. Öfters sind die Funktionskennwerte der Rohre beim Stand der Technik zugunsten einer höheren Übereinstimmung der geometrischen Kennwerte aufgegeben worden.
Für die Bewertung der Effizienz einer Rohrverbindung sind verschiedene Standards begründet worden. Eine derartige Effizienz wird durch die Nutzlastkapazität des Rohrs und der Rohrverbindung in der Axialrichtung bestimmt. Diese Spannungseffizienz wird über den Vergleich der Bruchfestigkeit der Verbindung mit der Bruchfestigkeit der rohrförmigen Leitung berechnet. Die meisten bündig anstoßenden und Slim-line-Verbindungen erreichen beim Stand der Technik jeweils eine Effizienz in dem Bereich von 65% bis 75%. Natürlich variiert diese Effizienz mit der Art der Verbindung, dem Rohrdurchmesser, der Rohrdicke und dem Herstellungsverfahren der Verbindung.
Beim Stand der Technik vorliegende Verbindungen beinhalten die Basiselemente Gewinde, Schuftern und Dichtungen. Die folgenden Patente gemäß dem Stand der Technik beschreiben verschiedene Merkmale, die zur Herstellung von bündig anstoßenden und Slim-line-Verbindungen verwendet worden sind.
US-A-671 274, W.C. Fischer vom 2.4.1901 zeigt eine schwalbenschwanzförmige Gewindeanordnung, die für die Außenseite eines zu verbindenden Rohrs mit der Innenseite eines anderen Rohrs verwendet werden kann.
US-A-1 474 375, J.J. Moore vom 20.9.1923 gibt einen Entwurf wieder, der von dem Anmelder als Einzelhakengewinde bezeichnet worden ist. Das Gewinde wird zum Befestigen des vorderen Endes des nachfolgenden Teils eines Torpedos mit einem Luftkolbenkörper verwendet.
US-A-1 927 656, G.M. Eaton et al. vom 19.9.1933 beschreibt eine Rohrverbindung zum Verbinden aufeinanderfolgender Rohrlängen eines Bohrgestänges in einer Weise, die es ermöglicht, die Stärke der Verbindung beizubehalten, ohne die Wandstärke in dem Teil des Rohrs zu erhöhen (bzw. minimal zu steigern), in dem sich die Schraubengewinde befinden. Eines der zwei zu verbindenden Rohre ist an der außenliegenden Fläche des aufzunehmenden Glieds bearbeftet und das andere ist an der innenliegenden Fläche des Aufhahmeglieds bearbeitet, so daß die zwei Rohre miteinander verschraubt werden können, um eine Verbindung bereitzustellen, die heutzutage als Slim-line-Verbindung bezeichnet werden würde. Das Gewindeteil jedes Rohrs ist auf einer Verjüngung ausgearbeitet, wobei die Tiefe der Gewindedrehungen an dem Mittelteil des Gewindeteils am größten ist und in beide Richtungen zu Auslaufpunkten an den Enden der Gewindeteile hin graduell abnimmt.
US-A-2 062 407, G.M. Eaton et al. vom 1.12.1936, offenbart eine bevorzugte Form einer Rohnverbindung, wobei die Höhe der Gewinde in dem Gewindeteil der Verbindung in dem mittleren Bereich des Gewindeteils der Verbindung am größten ist und ähnlich wie in der obigen Patentschrift in beide Richtungen zu Auslaufpunkten hin graduell abnimmt. Allerdings unterscheidet sich die Gewindeanordnung insofern, als daß die Auslaufstelle der Gewinde dem Schnittpunkt der Gewindefabrikationslinien entspricht, welche nicht nur auf einer Verjüngung relativ zu der Rohrlängsachse basieren, sondern ebenfalls auf einer Linie, die zylindrisch oder parallel zu der Rohrlängsachse ist. Im einzelnen ist der Gewindegrund an der rohraußenseitigen Randposition des aufzunehmenden Glieds entlang einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse angeordnet, während die Spitze des Gewindes an der gleichen Stelle entlang einer Linie an einer konstanten Verjüngung mit der Rohrlängsachse befindlich ist. Derjenige Gewindegrund, der sich an einer Stelle weiter innerhalb von dem Rohrrand befindet, ist entlang einer Linie an einer konstanten Verjüngung mit der Rohrlängsachse angeordnet, während die Gewindespitze an der gleichen Stelle auf einer Linie parallel zu der Verjüngung zu dem Grund in Abstand angeordnet ist. Schließlich ist an der am meisten innerhalb liegenden Gewindestelle auf dem aufzunehmenden Glied der Gewindegrund auf einer Verjüngung mit der Rohrlängsachse fortgeführt, während die Gewindespitze entlang einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse angeordnet ist. Somit verschwindet sowohl an den äußeren wie an den inneren Rändern der Gewindeverbindung, wo sich der Gewindegrund und die Gewindespitze schneiden, das Gewinde. Die Gewindeanordnung des Aufhahmeglieds fällt komplementär zu derjenigen des aufzunehmenden Glieds aus, so daß die zwei Gewindebauteile miteinander in Eingriff treten können.
US-A-2 207 005, R.D. Haas vom 9.7.1940, bezieht sich auf die Form eines Einzelhakengewindes, wie sie hier bestimmt ist, wobei die tragende Flanke des aufzunehmenden Bauteils unterschnitten ist, um einen Nockeneingriff unter Druck bereitzustellen, der die Verbindungsbauteile zusammenzieht und eine Abdichtungsfünktion ausübt. Die Gewindeform ist auf einer Verjüngung zu der Längsachse der Verbindung hin angeordnet.
US-A-2 488 566, R.S. Sperry vom 22.11.1949, beschreibt eine konisch zulaufende Gewindestruktur mit einem Anschnitt auf einer Flanke des spiralartigen Gewindes, der sich von dem Anschniff auf der anderen Flanke des spiralartigen Gewindes unterscheidet, um eine konstant zunehmende Gewindebreite von einem Ende der Gewindestruktur zu dem gegenüberliegenden Ende bereitzustellen. Diese Struktur eines Gewindes mit variabler Breite soll den einfachen Ausbau eines Stabes oder Bolzens von einer Buchse und das Trennen eines Bolzens von der Buchse ermöglichen, ohne daß ein vollständiges Auseinanderschrauben der Teile notwendig ist, und es wird eine keilartige satte Passung zwischen den Gewinden der Teile bereitgestellt, wenn diese miteinander verkoppelt sind. Die bevorzugte Ausführungsform zum Verwenden der Gewindestruktur mit variabler Breite besteht auf der Oberfläche eines in Kombination mit einem auszubildenden Rohrbauteil verwendeten Lenkstabes.
US-A-3 109 672, William F. Franz vom 5.11.1963 beschreibt eine Gewinderohrverbindung, die ein Rohrbauteil mit einer zylindrischen Außenfläche und ein konisch zulaufendes Sägezahngewinde an dessen Ende aufweist, welches entlang der äußeren zylindrischen Fläche ausläuft, wodurch eine Länge mit Gewinden voller Höhe und eine Länge mit auslaufenden Gewinden bereitgestellt ist. Das komplementäre Kupplungsbauteil mit an seiner inneren Fläche ausgeformtem Gewinde weist ein konisch zulaufendes Vollhöhengewinde über dessen gesamte Länge hinweg auf. Die komplementären Gewinde auf jedem Bauteil verfügen über nachfolgende Flanken, die in einer tragenden Beziehung stehen und im wesentlichen normal zu der Längsachse der Verbindung verlaufen, und führende Flanken, die in einer tragenden Beziehung stehen und einen größeren Flankenwinkel als die nachfolgenden Flanken aufweisen. Spitzen und Grund sind gestutzt, um flache Spitzen und einen flachen Grund bereitzustellen, die parallel zu der Längsachse der Verbindung liegen. Die Spitzenabstutzungen der Gewinde voller Höhe übertreffen die Grundabstutzungen, um eine vorbestimmte Hohlraummenge zwischen den Spitzen und dem Grund der komplementären Gewinde über die Länge der Verbindung hinweg bereitzustellen, wenn sich das Rohr und die Kupplung in einem per Handstärke angezogenem Eingriff stehen. Nach dem festgezogenen Aufbau unter Kraft treten die Spitzen der Kupplungsgewinde mit dem Grund der auslaufenden Rohrgewinde in Eingriff, aber es bleiben immer noch Hohlräume zwischen den Spitzen und dem Grund der Gewinde voller Höhe bestehen, wodurch die Entwicklung schädlicher Umfangsspannungen an dem Ende der Kupplung während des Festziehens unter Kraft vermieden wird.
US-A-3989284, Thomas L. Blose vom 2.11.1976 (vgl. auch US-Reissue-30647 vom 16.6.1981) beschreibt eine rohrförmige Verbindung (Rohrverbindung), die ausgelegt ist, eine Umfangsspannung in dem aufzunehmenden Bauteil und eine Umfangskompression in dem aufnehmenden Bauteil zu erzeugen, wobei die Verbindung Gewinde mit einer schwalbenschwanzförmigen Passung aufweist. Um die schwalbenschwanzförmige Passung zu bewerkstelligen, betragen die zwischen den Gewindeflanken und der Grundwand des Gewindes ausgebildeten Winkel weniger als etwa 85º. In einer weiteren beschriebenen Ausführungsform weist die tragende Flanke des Gewindes einen Winkel von der Richtung der Verbindung auf der Achse von weniger als etwa 85º auf, während sich die Rückenflanke radial in axial radialen Ebenen erstreckt. Die Rückenflanke des aufzunehmenden Gewindes ist die Gewindeflanke, die sich auf der führenden Kante befindet, wenn das aufzunehmende Glied in das Aufnahmeglied hineingeschoben (eingeführt) wird. Die tragende Flanke ist die hintere Flanke des Gewindes. In allen Fällen sind die Gewinde mit Zwischenräumen versehen, so daß eine "schwalbenschwanzförmige Passung" zwischen dem aufzunehmenden Glied und dem Aufnahmeglied vorliegt, welche die Wand des aufzunehmenden Glieds nach außen und die Wand des Aufnahmeglieds nach innen zieht, um eine Umfangsspannung in dem aufzunehmenden Bauteil und eine Umfangskompression in dem aufnehmenden Bauteil in einer aufzubauenden Verbindung zu erzeugen, d.h. daß eine keilförmige Passung der Gewinde in der aufzubauenden Verbindung vorliegt.
Jedes in US-A-3 989 284 offenbarte Gewindebauteil weist eine sich zunehmend verändernde Axialbreite entlang im wesentlichen der gesamten Spirallänge auf Obgleich die bevorzugte Ausführungsform darin besteht, die Gewinde auf einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse anzuordnen, ist die Möglichkeit offenbart, daß die Gewinde auf einer Linie mit einer konstanten Verjüngung von der Rohrlängsachse aus aufgebaut sind. Gleichfalls ist die Verwendung einer inneren Schulterdichtung zwischen den Gewindeabschnitten der Verbindung beschrieben. In einer Ausführungsform ist die innere Schulterdichtung zwischen zwei Gewindeabschnitten angeordnet, die auf zwei verschiedenen, parallel zu der Rohrlängsachse verlaufenden Linien fallen, wodurch ein Gewinde mit multiplen Absätzen mit einer inneren Schulterdichtung erzeugt wird. Die innere Schulterdichtung ist so gezeigt und beschrieben, daß sie eine größere zusammenpassende (Dicht)-Fläche aufweist, die parallel zu der Rohrlängsachse verläuft, oder daß sie eine größere zusammenpassende (Dicht)-Fläche aufweist, die bei einer axialen Verjüngung vorliegt.
US-A-4 009 893, Schatton et al. vom 1.3.1977, offenbart aufnehmende und aufzunehmende Bauteile mit zwei axial voneinander entfernt angeordneten Gewindeabschnitten, die durch eine radiale Absatzzone voneinander getrennt sind, wobei die Absatzzone für ein Bauteil, zum Beispiel das aufzunehmende Bauteil, einen Ringraum mit einem axialen Unterschnitt, eine kegelstumpfförmige Endfläche und eine sich radial nach außen ausbauchende periphere Fläche aufweist, die mit einer leicht profilierten Fläche des aufnehmenden Bauteils in der Absatzzone in Dichteingriff tritt, während die Endfläche des Ringraums gegen eine komplementäre, leicht profilierte Frontseite in der Absatzzone des aufnehmenden Bauteils anliegt. Diese Anschlagsflächen stellen jeweils komplementäre Gewindeanschlagsflächen an dem Ende des aufzunehmenden Bauteils und des aufnehmenden Bauteils bereit. Es wird empfohlen, daß ein flacher Ringraum mit guten Gleiteigenschaften, beispielsweise aus Teflon, zwischen der ringförmigen Endfläche des aufzunehmenden Bauteils und der komplementären tragenden Seite des aufnehmenden Bauteils angeordnet wird. In einer Ausführungsform besteht ein Raum zwischen der ringförmigen Endfläche des aufzunehmenden Bauteils und der komplementären tragenden Seite des aufnehmenden Bauteils, und zur Auffüllung dieses Raums und des Unterschnittraums des Ringraums des aufzunehmenden Bauteils ist eine Dichtungsbuchse vorgesehen.
US-A-4 076 436 D.T. Slator et al. vom 28.2.1979, beschreibt speziell konzipierte spannungsvermindernde Nuten für mit Gewinde versehene Endabschnitte von Werkzeugen und für Einfassungen auf hin- und hergehenden oder auf sich drehenden Werkzeugen, die auf Bohrgestängen befestigt sind.
US-A-4 161 332, Thomas L. Blose vom 17.7.1979, beschreibt eine Rohrverbindung, die mit aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen versehen ist, welche miteinander in Eingriff tretende Gewinde mit zwei Absätzen und miteinander in Eingriff tretende ringförmige Schultern aufweisen. Eine der ringförmigen Schultern der Verbindung ist axial zwischen dem ersten und dem zweiten Paar Gewinde angeordnet. Diese Schulter ist so ausgelegt, daß die Rückenflanke des aufzunehmenden Bauteils der Schulter bei einem negativen Winkel zu der Rohrlängsachse hin (vorzugsweise bei etwa 5º) ausgebildet ist, um eine halbschwalbenschwanzförmige Passung der Schufter am Aufbau der Verbindung zu bewerkstelligen. Die Gewinde des aufzunehmenden Bauteils weisen im allgemeinen eine tragende Flanke mit negativem Winkel (vorzugsweise etwa 15º) und eine Rückenflanke mit negativem Winkel (typischerweise etwa 30º) auf, um eine halbschwalbenschwanzförmige Passung der entsprechenden Aufrahmegewinde bereitzustellen, wobei die Rückenflanke des aufzunehmenden Bauteils typischerweise nicht in Eingriff tritt und ein etwa 0,020 inch großer Zwischenraum zu den entsprechenden Aufnahmegewinden bei normalem Aufbau vorliegt.
US-A-4 224 607, T.L. Blose vom 17.7.1979, offenbart ein zylindrisches Gewindeverbindungsglied mit einem kleinen Ausmaß an Verjüngung, um eine gesteuerte radiale Interferenz zu erzeugen und ein unerwünschtes Gewinde-Außereingrifftreten zu vermeiden.
US-A-4 373 754, C.A. Bollfrass, et al. vom 15.2.1983, beschreibt ein Gewindeverbindungsglied mit sich nicht verjüngenden Gewindeabschnitten mit mehreren Absätzen. Das Gewindeprofil weist mindestens eine "hakenartige" Flanke auf, um eine verbesserte Zugfestigkeit bereitzustellen. Die Wandstärke des aufnehmenden Bauteils des Verbindungsglieds wird überwacht, um die Gewindebelastung zu erhöhen und eine radial nach innen gerichtete Bewegung mit dem aufzunehmenden Bauteil zu ermöglichen, um ein "Herausziehen" der Gewinde unter einer axialen Spannungsbelastung zu vermeiden. Der äußere Gewindeabsatz des aufzunehmenden Bauteils kann nur teilweise mit dem Gewinde des aufnehmenden Bauteils in Eingriff treten, so daß eine kritische Reduzierung der Rohrwandstärke an dem Gewindegrund bei einem Minimum liegt.
US-A-4 384 737, H.E. Reusser vom 24.5.1983, offenbart eine rohrförmige Verbindung mit einer Kupplung oder einer integralen Buchse, in der Rohrabschniffe mit Gewinden versehen sind. Die Außenfläche der Rohrabschnitte weist an dem äußeren Ende des Gewindeteils ein nicht mit Gewinden versehendes Nasenteil auf. Das Nasenteil endet mit einer ringförmigen Fläche und ist mit einer Mehrzahl konvexer Rotationsflächen versehen, die sich umfänglich von dem Nasenteil aus erstrecken und die alle so ausgelegt sind, daß sie mit dem Teil der Kupplung oder der Buchse, die nicht mit Gewinde versehen sind, in Eingriff treten um eine fluidabichtende Dichtung bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung verwendet keinen derartigen Nasenentwuif des aufzunehmenden Glieds. Ein weiteres Merkmal von US-A- 4 384 737, das in sämtlichen Ansprüchen ausgedrückt ist, die sich nicht speziell auf den oben beschriebenen Nasenentwurf des aufzunehmenden Glieds beziehen, besteht darin, daß ein Flächen-zu-Flächen- Gewindekontakt zwischen entweder den flachen Teilen des Gewindes mit kleinerem Durchmesser auf jedem Bauteil oder zwischen den flachen Teilen des Gewindes mit größerem Durchmesser auf jedem Bauteil besteht, aber daß kein derartiger Kontakt zwischen jeweils den flachen Teilen mit kleinerem und mit größerem Durchmesser vorliegt. Die vorliegende Erfindung verwendet diese Überwachungsmethode der während des Aulbaus der Verbindung erzeugten Beanspruchungen nicht. Die Verbindung der vorliegenden Erfindung weist einen Flächen-zu-Flächen-Gewindekontakt zwischen den Spitzen und dem Grund der aufeinanderfolgenden Gewinde flir sämtliche Vollhöhengewinde und die Mehrzahl (jedoch nicht alle) der Gewinde mit partieller Höhe auf.
US-A-4 398 756, Duret et al. vom 16.8.1983, beschreibt eine zylindrisch-konische Rohrverbindung, wobei annähernd 15% bis 25% der Verbindung entlang einer bei der Verjüngung zu der Rohrlängsachse hin liegenden Konstruktionslinie mit Gewinden versehen ist, und wobei die verbleibenden näherungsweisen 75% bis 85% des Gewindeteils der Verbindung entlang einer kontinuierlichen Konstruktionslinie parallel zu der Rohrlängsachse mit Gewinden versehen sind. Die Position der Gewindeanordnung auf einer Verjüngung zu der Rohrlängsachse hin liegt dort, wo der Eintritt zu der Verbindung ausgebildet ist, wenn das aufzunehmende Glied und das aufhehmende Glied anfänglich miteinander verbunden werden. Somit ist ein Zwischenraum von dem Eintritt der Verjüngung des Aufnahmeglieds bereitgestellt, um ein erleichtertes anfängliches Ineinanderstecken des aufzunehmenden Glieds in das aufnehmende Glied vorgängig vor dem tatsächlichen Ineingrifftreten der Gewinde zu ermöglichen. Ein weiteres Merkmal von US-A-4 398 756 besteht darin, daß das aufnehmende Bauteil eine innere Schulter aufweist, gegen die die Endfläche des aufzunehmenden Bauteils dichtend anliegt. Die Verbindung der vorliegenden Erfindung arbeitet hingegen mit anderen Dichtflächen innerhalb der zentralen Struktur der Verbindung, wodurch die Endfläche des aufzunehmenden Bauteils an der Kante der Verbindung offen verlaufen kann.
US-A-4 570 982, T. L. Blose vom 18.2.1986, beschreibt eine rohrförmige Verbindung mit aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen, die ein Gewindeprofil mit zwei Absätzen aufweisen, wobei der führende Gewindeabsatz des aufzunehmenden Bauteils einen kleineren Durchmesser als der zweite Gewindeabsatz hat. Das Gewindeprofil der Bauteile weist eine tragende Flanke mit negativem Winkel auf und die Gewindeabsätze sind durch eine Drehmomentschulter mit umgekehrtem Winkel mit einer oder zwei benachbarten konischen Fläche(n) axial voneinander getrennt. Der negative Winkel der tragenden Flanke der Gewinde und der umgekehrte Winkel der Schulter wirken zusammen, um die Bauteile miteinander zu verriegeln und eine differentielle radiale Trennung der in Eingriff tretenden konischen Dichtflächen zu vermeiden.
US-A-4 591 195, Cheleffe et al. vom 27.5.1986, offenbart eine zwischen zwei Gewindeteilen einer Rohrverbindung angeordnete zentrale Schulterdichtung, wobei die Gewindeteile mit Absätzen versehene Gewinde sind, die auf einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse angeordnet sind. Die zentrale Schulterdichtung ist so hergestellt, daß das aufzunehmende Glied des Dichtungsteils eine Unterschnittnut enthält, die in Verbindung mit einem Dichtungsring aus Hartplastik- oder Gummiwerkstoff verwendet werden kann, um eine heiße Gase oder Flüssigkeiten zurückhaftende Dichtung bereitzustellen.
US-A-4 603 889, J.W. Welsh vom 8.8.1986, offenbart ein Gewindeverbindungsstück mit einer Achse, das ausgelegt ist, eine Gewindeverbindung zweier Körper herzustellen. Das Verbindungsstück ist auf der Innenseite und die zwei Körper sind auf der Außenseite mit Gewinden versehen. Die Gewindeanordnung weist erste und zweite tragende Flanken auf, die sich axial gegenüberliegen. Die erste Flanke bestimmt eine zweite Gewindesteigung, wobei die Steigungen unterschiedlich ausfallen und dadurch bestimmt sind, daß bei dem Verschrauben des Verbindungsstückes an die Gewinde des Körpers die erste Flanke gegen ein Gewinde des Körpers festgezogen wird, wenn die zweite Flanke gegen das andere Gewinde des Körpers festgezogen ist.
US-A-4 671 544, Donald J. Ortloff vom 9.6.1987, offenbart eine Gewinderohrverbindung mit zwei Teilen konisch zulaufender Gewinde mit konisch zulaufenden Dichtflächen, die sich zwischen den Gewindeteilen befinden. Die konisch zulaufenden Dichtflächen treten mit einem elastischen Dichtbauteil in Eingriff das in einer Nut etwa in der Mitte zwischen den Enden von einem der Dichtbauteuflächen angeordnet ist. Ist die Verbindung aufgebaut, bilden die Dichtflächen unabhängige Metall-zu-Metall- Dichtungen an beiden Seiten des elastischen Dichtbauteils aus. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Gewindeteile in der Form von zwei Absätzen vor, die jeweils wie oben beschrieben auf jeder Seite der zentralen Dichtungsfläche angeordnet sind. Die Gewinde sind keilförmige Gewinde, deren Breite in einer Richtung innerhalb jedes Absatzes der Gewinde stetig zunimmt.
US-A-4 676 529, Patrick E. Mcdonald vom 30.6.1987, beschreibt eine Rohrverbindung, wobei die aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile zwei abgestufte Gewindeteile aufweisen, und jedes Gewindeteil auf einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse angeordnet ist und über Metall-zu-Metall-Dichtflächen verfügt, die zwischen den Gewindeteilen vorgesehen sind. Die Dichtflächen stellen drei in Eingriff tretende Schuftem zwischen dem aufzunehmenden und dem aufnehmenden Glied bereit und die zwei Sätze der äußeren Schultern des aufnehmenden Glieds weisen zu dem Zeitpunkt einen Abstand zwischen ihnen auf, bei dem sich der Satz innerer Schultern in Kontakt befindet. Zwischen dem Satz innerer Schultern und jedem Satz äußerer Schultern befindet sich eine Nut; in einer Stelle befindet sich die Nut in dem Verbindungsteil des aufnehmenden Glieds und in der anderen Stelle befindet sich die Nut in dem Verbindungsteil des aufzunehmenden Glieds. Wenn das Drehmoment des Verbindungsaufbaus über der Elastizitätsgrenze des Metalls des Satzes innerer Schultern liegt, extrudiert das Metall in die Nuten in die aufhehmenden und aufzunehmenden Bauteile, um sich gegenseitig zu verriegelnde Flächen auszubilden, die das aufnehmende und aufzunehmende Glied an einer relativen Drehung hindern.
US-A-4 696 498, K.L. Church vom 29.9.1987, beschreibt eine rohrförmige Verbindung mit zwei Bauteilen, wobei ein Bauteil (aufnehmendes Glied) auf der Innenseite und ein Bauteil (aufzunehmendes Glied) auf der Außenseite mit Gewinden versehen ist. Jedes Bauteil weist einen doppelten Satz von konisch steil zulaufenden hakenartigen Gewinden auf, wobei zwei innere Druckdichtungen eine komprimierbare primäre Metall-zu-Metall-Dichtung und eine zusätzliche Dichtung aus einem elastischen korrosionsbeständigen Werkstoff aufweisen. Zusätzlich verfügt die Verbindung über eine primäre elastische korrosionsbeständige externe Druckdichtung und einen Gegenschultereingriff zwischen dem Ende des aufzunehmenden Bauteils und über eine Schulter auf dem aufliehmenden Bauteil, um die primären Metalldichtflächen in einem Dichteingriff zu halten.
US-A-4 703 954, Ortloff et al. vom 3.11.1987, beschreibt eine Gewinderohrverbindung, die ein aufnehmendes Glied mit konisch zulaufenden Innengewinden und ein aufzunehmendes Glied mit konisch zulaufenden Außengewinden aufweist, wobei die Gewinde im Querschnitt schwalbenschwanzförmig (keilartiges Gewinde) ausgebildet sind und ihre Breite in einer Richtung auf dem aufnehmenden Glied und in der anderen Richtung auf dem aufzunehmenden Glied zunimmt. Dieser Entwurf ist, verglichen mit dem in US-A-3 989 284 (US-Reissue 30 647) beschriebenen Entwurf insofern verbessert, als daß hohe Beanspruchungsmomente in dem aufnehmenden Glied zwischen dem ersten Gewinde und dem Ende des Aufnahmeglieds vermieden werden, indem die Länge des Aufnahmeglieds zwischen dem ersten Gewinde und dem Ende des Aufnahmeglieds gleich oder größer als 5% des Rohrdurchmessers ist, und indem ein Zwischenraum zwischen der Spitze des ersten Vollgewindes auf dem aufnehmenden Glied und dem Grund des letzten Gewindes auf dem aufzunehmenden Glied und zwischen der Spitze des letzten Vollgewindes auf dem aufzunehmenden Glied und dem Grund des ersten Vollgewindes auf dem aufnehmenden Glied bereitgestellt ist.
US-A-4 703 959, E.E. Reeves et al. vom 3.11.1987, offenbart eine Gewinderohrverbindung mit einem komprimierbaren Dichtungsring. Die Verbindung weist ein aufzunehmendes Bauteil auf, das auf der Außenseite mit Gewinden versehen ist, und ein auf der Innenseite mit Gewinde versehenes aufnehmendes Bauteil. Die Bauteile verfügen über eine konisch zulaufende Gewindeanordnung mit im allgemeinen schwalbenschwanzförmigen Gewinden, deren Breite in einer Richtung auf dem aufzunehmenden Glied und in der entgegengesetzten Richtung auf dem aufnehmenden Glied zunimmt, so daß die aufzunehmenden und Aufnahmegewinde in Eingriff treten, um Gewindedichtungen zwischen den Flanken der Gewinde und zwischen dem Grund und den Spitzen der Gewinde auszubilden. Die Verbesserung besteht im Vorhandensein einer ringförmigen Nut zwischen den Enden der Gewinde auf einem des aufnehmenden und aufzunehmenden Glieds, um eine Vertiefüng zwischen der Nut und den Gewinden auf dem anderen des aufnehmenden und aufzunehmenden Glieds auszubilden und im Vorhandensein eines ringförmigen Dichtbauteils aus komprimierbarem Werkstoff das in der ringförmigen Nut angeordnet ist.
US-A-4 753 460, Lawrence Y. Tung vom 28.6.1988, offenbart eine rohrförmige Verbindung mit einem Gewindesatz mit kleinem Durchmesser und einem Gewindesatz mit großem Durchmesser, wobei der Gewindesatz mit kleinem Durchmesser eine geringere Anzahl an Gewinde als der Satz mit großem Durchmesser aufweist. Eine primäre Drehmomentschulter ist zwischen den Gewindesätzen und eine sekundäre Drehmomentschulter ist hinter dem Gewindesatz mit großem Durchmesser angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform weist das anfängliche partielle Gewinde auf dem aufzunehmenden Glied beider Sätze und das letzte partielle Gewinde auf dem Satz des aufnehmenden Glieds mit kleinem Durchmesser eine zylindrische Grundkontur auf (die Grundkontur ist auf einer Linie parallel zu der Rohrlängsachse angeordnet), während der Rest des Gewindes eine konisch zulaufende Grundkontur aufweist. Die Verjüngungswinkel der aufzunehmenden Gewindesätze in Längsrichtung sind denen der Aufnahmegewindesätze unähnlich und es besteht eine maximale Trennung der Sätze in der Nähe des Mittelpunkts der Verbindung. Am Mittelpunkt ist eine Dichtung bereitgestellt und die letzten Gewinde benachbart zu der zentralen Schulter der Gewindesätze sind hakenartig (der Winkel der tragenden Flanke des aufzunehmenden Glieds ist negativ bezüglich zu der Rohrlängsachse). In sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen weisen die Gewinde eine negative tragende Flanke und eine positive Rückenflanke auf. Die zentrale Schulterfläche des aufzunehmenden Glieds weist zwei Flanken auf, wobei eine positiv ist (nahe des Absatzes der Gewinde mit kleinem Durchmesser) und eine negativ ist (nahe des Mittelpunkts der Schulter und etwa in der Mitte zwischen den zwei Absätzen der Gewinde).
US-A-4 822 081, T.L. Blose, vom 18.4.1989, beschreibt eine betätigbare rohrförmige Verbindung aus zwei Bauteilen und insbesondere eine Gewindeform für die Verbindung. Die Gewindeform verwendet konvergierende gefangene Gewindeflanken und zusammenpassende Schultern und Endflächen mit verschiedenen Winkeln. Eine Gewindeanordnung mit zwei Absätzen ist dargestellt, wobei die "gefangenen" Gewinde mit variabler Breite an jedem Absatz der Gewinde vorliegen. Es ist erläutert, daß die Gewindespitzen und der Gewindegrund in Kontakt treten, bevor sich die Gewindeflanken berühren. Diese Erfindung bezieht sich auf den Nutzen der Gewinderückenflanken, die Schultern/Endflächen bei dem Widerstehen der axialen Kompressionsbelastung zu unterstützen, und auf die unterschiedlichen Winkel zwischen den zusammenpassenden Schultern und Endflächen, um eine Deformation der Schultern während der axialen Kompressionsbelastung zu vermindern.
US-A-4 893 844, K.D. Cheleffe et al. vom 16.1.1990, offenbart eine rohrförmige Verbindung mit einer belüftbaren Dichtung. Ein sich deformierendes Dichtbauteil ist zwischen zwei Flächen angeordnet, so daß auf mindestens einer Seite des Dichtbauteils ein Raum bereitgestellt wird. Die Verbindung weist aufnehmende und aufzunehmende Bauteile mit hakenartigen Gewinden auf und eine Sperrschulter zwischen den zwei Bauteilen und verschiedene Dichtungsanordnungen.
US-A-4 917 409, Doyle E. Reeves vom 17.4.1990, beschreibt eine Gewindeverbindung, die ein konisch zulaufendes, keilförmiges Gewinde verwendet. Die Gewinde nehmen in einer Richtung auf dem aufnehmenden Glied und in der anderen Richtung auf dem aufzunehmenden Glied in ihrer Breite zu. Die Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik scheint in der Fähigkeit der Gewindeanordnung zu liegen, zusammen mit Rohrgewindeschmiermitteln verwendet werden zu können. Um für solche Schmiermittel ausgelegt zu sein, ist das Gewinde entworfen, den radialen Zwischenraum zwischen dem Gewindegrund und den Spitzen zu beseitigen, damit die Möglichkeit in großem Ausmaß minimiert bzw. vollständig beseitigt wird, daß während des Verbindungsaufbaus eine sich erweiterbare Kammer erzeugt wird, die das darin befindliche flüssige oder pastenförmige Gewindeschmiermittel einschließt und somit eine fehlerhafte Drehmomentablesung zustandekommt. Das keilförmige Gewinde kann ein schwalbenschwanzförmiges oder halbschwalbenschwanzförmiges Gewindeprofil sein. Ein Gewinde mit variabler Breite (worin die Gewindebreite in einer gegebenen Richtung stetig zunimmt) wird in Kombination mit dem schwalbenschwanzförmigen oder halbschwalbenschwanzförmigen Gewindeprofil verwendet (wie in US-A-3 989 284). Die Patentbeschreibung und die Ansprüche aus US-A-4 917 409 offenbaren, daß die tragenden und Rückenflanken des Gewindes "bei dem im wesentlichen gleichen Zeitpunkt während des Drehaufbaus der Gewindeverbindung" (Spalte 4, Zeilen 43-48) vollständig in Eingriff treten. Obgleich in der Weiterverfolgung nur "Continuation"-Anmeldungen eingereicht wurden (keine "Continuation-in-part- Anmeldungen", die die Zufügung neuer Bestandteile ermöglichen würden), wurden in einer nachfolgenden "Continuation"-Anmeldung die Ansprüche so geändert, daß sie die Eingrenzung enthielten, daß die Gewindeflanken bei dem im wesentlichen gleichen Zeitpunkt nicht vollständig in Eingriff treten.
Ein weiteres in US-A-4 917 409 offenbartes und abhängig beanspruchtes Konzept besteht darin, daß es wünschenswert ist, die Gewindebreite an dem breitesten Teil in dem Bereich von annähernd dem Vierfachen der Gewindebreite an dem engsten Teil an der gleichen Gewindestelle zu erhöhen. Allerdings erfolgt keine Erläuterung, weshalb dieses Konzept einen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik darstellt (die angeblich eine geringere Zunahme der Gewindebreite aufweist).
US-A-4 944 538, S.R. Read vom 31.7.1990, beschreibt eine Gewinderohrverbindung mit einem verbesserten Dichtungsringeinschluß.
US-A-4 958 862, C. Capelli et al. vom 25.9.1990, offenbart eine rohrförmige Verbindung, die ein aufzunehmendes Bauteil mit mindestens einem äußeren konisch zulaufenden Gewinde und ein aufnehmendes Bauteil mit komplementären Innengewinden aufweist. Ein Endteil des aufzunehmenden Bauteils hinter jedem Gewinde verfügt über eine konische Dichtfläche und das aufnehmende Bauteil weist eine konische Dichtfläche mit der gleichen Verjüngung wie die des aufzunehmenden Bauteils auf, so daß beim Festziehen der Verbindung eine Dichtung zwischen dem aufzunehmenden und dem aufnehmendem Glied an dem vorderen Endbereich des aufzunehmenden Bauteils erzeugt wird.
US-A-5 029 906, K.D. Chelette et al. vom 9.7.1991 bezieht sich auf ein deformierbares Dichtbauteil, das zur Bereitstellung einer Druckentlüftung für zusammenpassende rohrförmige Bauteile verwendet wird. Eine typische Gewindekupplung weist aufzunehmende und aufnehmende Bauteile auf die jeweils mit einer mit Absätzen versehenen Gewindeanordnung einer hakenartigen Bauweise auf mindestens einer Seite einer Sperrschulter versehen sind.
GB-A- 137 777, W. Pickard, veröffentlicht 1920, zeigt eine Vielzahl von Gewindeanordnungen, die zum lateralen Verbinden von zwei oder mehreren Teilen oder Gegenständen verwendet werden können, oder welche beim Eintreten in einen Werkstoff darin verhakt werden und einer Trennung in sämtlichen Richtungen bei rechten Winkeln zu der Längsachse der Verbindung widerstehen. Die FIG. 8 der Offenbarung zeigt ein Einzelhakengewindeprofil und FIG. 10 gibt ein Doppelhakengewindeprofil wieder.
Eine englische Patentanmeldung von K. Maruyama, veröffentlicht am 4.11.1981, beschreibt eine fluiddichte Gewindeverbindung für Öl- oder Gasquellenrohre. Die Verbindung weist aufnehmende und aufzunehmende Bauteile auf, wobei das Gewinde auf dem aufzunehmenden Glied von dem Ende des aufzunehmenden Glieds als ein abgerundetes dreieckiges Gewinde beginnt und zu einem Sägezahngewinde wird, und wobei das Gewinde auf dem aufnehmenden Bauteil auf eine entsprechende Weise ausgebildet ist.
Eine rohrförmige Verbindung gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1 ist in US-A-4 521 042 offenbart.
Der Einfachheit und einer genauen Beschreibung wegen werden die folgenden Definitionen zur Erläuterung der Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet:
Das "aufzunehmende Bauteil" einer Verbindung bezieht sich auf den aufzunehmenden Teil eines rohrförmigen und an der Außenfläche mit Gewinden versehenen Bauteils, das mit den Gewinden auf einem aufnehmenden Bauteil in Eingriff tritt, um eine Verbindung herzustellen.
Das "aufnehmende Bauteil" der Verbindung bezieht sich auf den aufnehmenden Teil eines rohrförmigen und an der Innenfläche mit Gewinden versehenen Bauteils, das mit den Gewinden auf einem aufzunehmenden Bauteil in Eingriff tritt, um eine Verbindung herzustellen.
Eine Verbindung mit einem "Gewinde mit zwei Absätzen" bezieht sich auf eine Verbindung mit zwei Gewindeteilen, wobei ein Gewindeteil einen größeren Radius von der Rohrlängsachse aus als das andere Gewindeteil aufweist.
Eine "zentrale Schulterdichtung" bezieht sich auf einen zwischen mindestens zwei Gewindeteilen angeordneten Abschnitt einer Verbindung, wobei der Abschnitt direkt in Kontakt tretende Flächen zwischen den aufzunehmenden und den aufilehmenden Bauteilen aufweist, oder zwischen den aufzunehmenden und den aufnehmenden Bauteilen und einer dritten Komponente wie beispielsweise einer ringförmigen Dichtungsbuchse in Kontakt tretende Flächen aufweist, so daß der Abschnitt eine Dichtung aufweist, die einen Durchfluß von Fluid durch die (über die Gewinde der) aufgebaute(n) Verbindung verhindert.
Eine zentrale Schulterdichtungsanordnung, die eine Anordnung einer "Doppelschulterverriegelung" aufweist, bezieht sich auf einen Entwurf einer zentralen Dichtung mit sich gegenseitig verriegelnden Elementen, wobei sich ein Teil der Elemente von jedem Verbindungsbauteil aus erstreckt. In einer Querschnittsansicht der Doppelschulterverriegelungsverbindung in Längsrichtung, wobei der Querschnitt entlang der Längsachse der Verbindung erfolgt, weist die Doppelschulterverriegelungsanordnung das Aussehen eines Blockes in S-Form mit sich ausbreitenden Schwänzen auf dem S auf. Das Mittelglied des umgekehrten S, das sich in Längsrichtung in der allgemeinen Richtung der Längsmittellinie der Verbindung erstreckt, kann parallel zu einer derartigen Mittellinie oder bei einem Winkel mit Bezug zu der Mittellinie angeordnet sein. Der Winkel mit der Längsmittellinie der Verbindung beträgt vorzugsweise weniger als etwa 45º. Noch bevorzugter beträgt der Winkel des Mittelglieds des umgekehrten Blockes in S-Form mit Bezug auf die Längsmittellinie der Verbindung weniger als etwa 25º.
Ein "Gewindegrund" bezieht sich auf die Gewindestelle, bei der die Wand des rohrförmigen Bauteils auf ihre maximale Tiefe abgetragen worden ist. Der Gewindegrund legt den größeren Durchmesser eines Aufnahmegewindes und den kleineren Durchmesser eines aufzunehmenden Gewindes fest.
Eine "Gewindespitze" bezieht sich auf die Gewindestelle, bei der die Wand des rohrförmigen Bauteils auf ihre minimale Tiefe abgetragen worden ist (In einigen Fällen ist kein Teil der Wand an der Gewindespitze abgetragen). Die Gewindespitze bestimmt den größeren Durchmesser eines aufzunehmenden Gewindes und den kleineren Durchmesser eines Aufnahmegewindes.
Ein "auslaufendes Gewinde" bezieht sich auf einen Teil des Gewindes, dessen Grund auf einer Verjüngung bezüglich der Längsachse des rohrförmigen Bauteils ausgearbeitet ist, aber dessen Spitzen parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Bauteils verlaufen. Die Konstruktions-(Abtragungs)-Linien der Spitzen und des Grunds des Gewindes kreuzen sich graduell und das Gewinde läuft aus. In einer aufgebauten rohrförmigen Verbindung findet ein auslaufendes Gewinde auf einem aufzunehmenden Bauteil oder einem aufnehmenden Bauteil typischerweise seine Entsprechung in einem einlaufenden Gewinde auf dem entsprechenden aufnehmenden Bauteil bzw. dem aufzunehmenden Bauteil.
Ein "einlaufendes Gewinde" bezieht sich auf einen Teil des Gewindes, dessen Grund parallel zu der Längsachse des rohrförmigen Bauteils ausläuft, aber dessen Spitzen auf einer Verjüngung mit Bezug auf die Längsachse des rohrförmigen Bauteils ausgearbeitet sind. Von einem Ausgangspunkt aus divergieren die Konstruktionslinien der Spitzen und des Grunds der Gewinde und werden schließlich zu einem Vollhöhengewinde. In einer aufgebauten rohrförmigen Verbindung findet ein einlaufendes Gewinde auf einem aufzunehmenden Bauteil oder einem aufnehmenden Bauteil typischerweise seine Entsprechung in einem auslaufenden Gewinde auf dem entsprechenden aufnehmenden Bauteil bzw. dem aufzunehmenden Bauteil.
Eine "Gewinderuckenflanke" bezieht sich auf die vordere oder führende Flanke des Gewindes, wenn das aufzunehmende Glied in das aufnehmende Glied verbracht wird.
Die "tragende Gewindeflanke" bezieht sich auf die hintere Flanke eines Gewindes, wenn das aufzunehmende Glied in das aufnehmende Glied verbracht wird.
Ein Gewinde-"Flankenwinkel" bezieht sich auf den Winkel, der zwischen der Gewindeflanke und einer an dem Grund der Gewindeflanke konstruierten Linie ausgebildet ist, wobei die Linie umlänglich zu der Längsachse der Verbindung verläuft (ringförmig). Des einfacheren Verständnisses halber werden die Flankenwinkel mittels geometrischer Ausdrücke definiert. Beispielsweise ist bei einer Querschnittszeichnung eines Verbindungsbauteils, das das Verbindungsbauteil mit seinem führenden Gewindeende zu der rechten Seite hin und seinem hinteren Gewindeende (auf das typischerweise das erweiterte Rohr folgt) zu der linken Seite hin darstellt, ein positiver Flankenwinkel ein Winkel, bei dem die Drehung der Umfangslinie zu der Gewindeflanke in eine Richtung im Uhrzeigersinn weist, und ein negativer Flankenwinkel ist ein Winkel, bei dem die Drehung der Umfangslinie zu der Gewindeflanke in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn weist. In den Zeichnungen der Verbindung dieser Anmeldung ist das aufzunehmende Verbindungsbauteil an der Unterseite der Zeichnungen mit seiner führenden Kante auf der rechten Seite dargestellt, während das aufnehmende Verbindungsbauteil an der Oberseite der Zeichnung mit seiner führenden Kante auf der linken Seite dargestellt ist. Somit kann die Zeichnung des aufnehmenden Bauteils neu ausgerichtet werden, damit dessen führende Kante auf der rechten Seite zum Liegen kommt, um die Drehrichtung der umfänglich zu der Verbindungslängsachse an dem Grund der Gewindeflanke konstruierten Linie ersichtlich werden zu lassen. Wie eben erläutert ist die Rückenflanke des Gewindes jedes Verbindungsbauteils die Gewindeflanke, die führend bzw. zuvorderst liegt, wenn die Verbindungsbauteile zusammengeschoben werden.
Ein "Teil eines entsprechenden Verbindungsbauteils" bezieht sich auf den Teil eines Verbindungsbauteils, der während des Aufbaus der Verbindung in Kontakt mit dem beschriebenen Bauteil steht. Wenn beispielsweise ein Teil des aufzunehmenden Bauteils der Verbindung erläutert wird, bezieht sich sein entsprechender Anteil des Verbindungsbauteils auf den Teil des aufnehmenden Bauteils, der während des Aufbaus der Verbindung in Kontakt mit dem Teil des aufzunehmenden Bauteils steht.
Ein "komplementäres Ineingrifftreten" bezieht sich auf das Miteinander-Ineingrifftreten der entsprechenden Bauteile, wobei beide entsprechende Bauteile in Abschnitten mit Gewinden versehen sind, die eine im wesentlichen gleiche Länge des Gewindeabschnitts auf jedem Bauteil aufweisen und wobei die Gesamthöhe des Gewindes auf mindestens einem Bauteil per Gewindeabschnitt vollständig von der Gewindehöhe des anderen entsprechenden Bauteilegewindeabschnittes eingeschlossen ist.
Ein "Einlaßgewinde " bezieht sich auf einen Anfangsbereich von Gewinden voller Höhe oder nahezu voller Höhe, die auf einer Verjüngung zu der Längsachse des rohrförmigen Bauteils hin ausgearbeitet sind und benachbart zu der zentralen Schulterdichtungsanordnung beginnen. In einer aufgebauten rohrförmigen Verbindung entspricht ein Einlaßgewinde auf einem aufzunehmenden Bauteil oder einem aufnehmenden Bauteil einem auslaufenden Gewinde auf dem entsprechenden aufnehmenden Bauteil bzw. dem aufzunehmenden Bauteil.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine rohrförmige Verbindung bereitgestellt mit:
mindestens zwei Verbindungsbauteilen; wobei
jedes Verbindungsbauteil mindestens zwei Gewindeabschnitte mit Gewinden aufweist, die Rückenflanken und tragende Flanken haben, und wobei eine zentrale Schulter zwischen den mindestens zwei Gewindeabschnitten vorgesehen ist;
wobei die zentralen Schultern miteinander in Eingriff treten, um eine zentrale Schulterdichtungsanordnung zu bilden; dadurch gekennzeichnet, daß:
die mindestens zwei Gewindeabschnitte mindestens einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde auf jedem Verbindungsbauteil aufweisen sowie in Eingriff tretende Gewinde auf dem anderen Verbindungsbauteil;
wobei der mindestens eine Abschnitt mit auslaufendem Gewinde benachbart der zentralen Schulterdichtungsanordnung angeordnet ist; und wobei die zentralen Schultern so angeordnet sind, daß eine zentrale Schulterdichtungsanordnung mit einer Mehrzahl von Dichtflächen gebildet wird.
Es ist eine rohrförmige Verbindung mit mindestens zwei Verbindungsbauteilen und einer zentralen Schulerdichtung auf eine Weise entwickelt worden, die eine Stabilisierung der zentralen Schulterdichtung und eine verbesserte Effizienz (Stärke der Verbindung/Stärke des Rohrs) der Verbindung bereitstellt.
Ebenfalls ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Stabilisieren einer rohrförmigen Verbindung mit mindestens zwei Verbindungsbauteilen, die jeweils eine zentrale Schulter aufweisen, bereitgestellt, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
Verschrauben eines Abschnitts mit auslaufendem Gewinde an einem der Verbindungsbauteile, welcher zwischen dessen zentraler Schulter und einem vorderen Ende angeordnet ist, mit einen Gewindeabschnitt des anderen Verbindungsbauteils;
Verschrauben eines Abschnitts mit auslaufendem Gewinde an dem anderen Verbindungsbauteil, welcher zwischen dessen zentraler Schulter und dem vorderen Ende angeordnet ist, mit einem Gewindeabschnitt an dem einen der Verbindungsbauteile; und
Ineingriffbringen der zentralen Schultern, um eine Dichtung zwischen den beiden Verbindungsbauteilen zu bewirken, wobei die Dichtung eine Mehrzahl von Dichtflächen aufweist.
Es ist eine Ausführung einer zentralen Schulterdichtung beschrieben, die multiple Metall-zu-Metall- Dichtflächen bereitstellt. Diese Dichtungskonzeption weist eine Doppelschulterverriegelungsanordnung auf.
Obgleich die vorliegende Erfindung für Verbindungen verwendet werden kann, die Rohre und Kupplungen aufweisen, wird die häufigste Verwendung der Erfindung in der Form einer rohrförmigen Verbindung erfolgen, welche zwei Verbindungsbauteile aufweist, und somit wird die Erfindung nachstehend für diese Form beschrieben werden.
Mit Bezug auf eine rohrförmige Verbindung, die zwei Verbindungsbauteile und namentlich ein aufzunehmendes Bauteil und ein aufnehmendes Bauteil aufweist, wird die Stabilisierung der zentralen Schulterdichtung durch die Verwendung mindestens eines Abschnitts mit auslaufendem Gewinde bewerkstelligt, der benachbart zu der zentralen Schulterkonfiguration jedes Verbindungsbauteils angeordnet ist. Typischerweise ist der mindestens eine Abschnitt mit auslaufendem Gewinde benachbart zu der zentralen Schulterkonfiguration an dem Teil des Verbindungsbauteils angeordnet, bei dem die Wandstärke geringer ausfällt. Der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde wird typischerweise in Verbindung mit einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde auf dem entsprechenden Verbindungsbauteil verwendet. Allerdings kann ein Abschnitt mit auslaufendem Gewinde in Kombination mit einem Vollhöheneinlaßgewinde auf dem entsprechenden Verbindungsbauteil verwendet werden.
Vorzugsweise werden ein Abschnitt mit auslaufendem Gewinde und ein Abschnitt mit einlaufendem Gewinde zusammen auf dem gleichen Verbindungsbauteil verwendet, wobei die zentrale Schulteranordnung zwischen den zwei Gewindeabschnitten angeordnet ist. Das entsprechende Verbindungsbauteil weist ebenfalls die entsprechenden Abschnitte an einlaufenden bzw. auslaufenden Gewinden auf, so daß ein benachbart zu der zentralen Schulterdichtung befindlicher Satz einlaufender und auslaufender Gewinde vorliegt. Noch bevorzugter verfügt die Verbindung zusätzlich zu der benachbart zu der zentralen Schulterdichtung befindlichen Verbindung mit einem Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde über einen zweiten Satz auslaufender und einlaufender Gewinde, der sich benachbart zu den Enden der Verbindung befindet. Ein derartiger doppelter Satz Abschnitte mit einlaufendem und auslaufendem Gewinde stabilisiert die zentrale Schulterdichtung und die gesamte Verbindung. Der doppelte Satz Gewindeabschnitte mit einlaufendem und auslaufendem Gewinde stellt ebenfalls die effizienteste Verbindung bereit.
Weist ein Verbindungsbauteil ein einziges benachbart zu einer Seite der zentralen Schulterkonfiguration befindliches auslaufendes Gewinde und ein benachbart zu der anderen Seite der zentralen Schulterkonfiguration befindliches Vollhöheneinlaßgewinde auf (mit den entsprechenden Gewindeabschnitten auf dem anderen Verbindungsbauteil), kann eine Entlastungsnut zwischen der zentralen Schulterkonfiguration und dem Vollhöhengewinde angeordnet sein. Die Entlastungsnut gestattet ein geeignetes Miteinander-Ineingrifftreten der Gewinde während dem Autbau der Verbindung und erleichtert die Herstellung des Vollhöheneinlaßgewindes. Wird ein einziger Satz auslaufender und einlaufender Gewinde verwendet, wobei die zentrale Schulterdichtung zwischen ihnen angeordnet ist, oder wird ein doppelter Satz auslaufender und einlaufender Gewinde verwendet, ist die Verwendung einer solchen Entlastungsnut typischerweise nicht notwendig.
Die am meisten bevorzugte Ausführung einer zentralen Schulterdichtung ist eine "Doppelschulterverriegelungs"-Dichtung, die eine sich gegenseitig verriegelnde Anordnung bereitstellt, wobei der Längsquerschnitt der in Kontakt tretenden Flächen (in der zentralen Schulterfläche), wenn die aufzunehmenden und aufnehmenden Glieder verbunden sind, die Form eines umgekehrten S-Blocks mit erweiterten Schwänzen auf dem S aufweist. Typischerweise beträgt der Querschnitt der aufgebauten Doppelschulterverriegelungsanordnung das zwei- bis dreifache der "Höhe" in der radialen Richtung (umfänglich zu der Längsachse des Rohrs) im Vergleich zu seiner "Breite" in der axialen Richtung (parallel zu der Längsachse). Weiterhin beträgt die Höhe typischerweise 1/4 bis 1/3 der Wandstärke des Rohrkörpers. Das Mittelglied des umgekehrten "S", das sich in Längsrichtung in der allgemeinen Richtung der Längsmittellinie der Verbindung erstreckt, kann parallel zu einer solchen Mittellinie ausfallen oder mit einem Winkel zu der Mittellinie angeordnet sein. Der Winkel zu der Längsmittellinie der Verbindung beträgt vorzugsweise weniger als etwa 45º, bevorzugter weniger als etwa 25º und typischerweise weniger als etwa 15º. Dieser Dichtungsentwurf stellt bis zu drei Metall-auf-Metalldichtflächen und bis zu drei Dichtflächen mit genauer Toleranz ohne Zwischenräume bereit, die während des normalen Aufbaus mit einer Gewindeschmierzusammensetzung versehen werden können.
Obgleich die zentrale Doppelschulterverriegelungsdichtung bevorzugt ist, können andere beim Stand der Technik bekannte zentrale Schulterentwurfe ebenfalls unter Verwendung der oben beschriebenen benachbart zu der zentralen Schulter angeordneten Ausführungen mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde stabilisiert werden. Beispiele derartiger Schulteranordnungen, die stabilisiert werden können, sind in nicht eingrenzendem Sinne Vierkantschultern, Hakenschultern (wobei die Schulter mindestens einen negativen Winkel relativ zu der Verbindungslängsachse aufweist), Vierkantschultern mit einer Kegelstumpfdichtung, ringförmige Schultern (Schulter auf einer Verjüngung mit der Verbindungslängsachse), Schultern, die Nuten oder einen Ringraum mit einem axialen Unterschnitt, der eine Dichtungsbuchse oder einen Dichtungsring oder einen Ringraum verwendet, aufweisen; und Schultern, die ausgelegt sind, während des Aufbaus der Verbindung einen Teil ihrer Masse lateral in benachbarte Nuten auszustoßen. Das Profil der einzelnen Gewinde, das für den Aufbau der Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde verwendet werden kann, ist vorzugsweise aus der Gruppe der Doppelhakengewinde und Einzelhakengewinde ausgewählt, obgleich auch weitere Industriestandard-Gewindeprofile verwendet werden können.
Das Doppelhakengewindeprofil wird hinsichtlich seiner mechanischen Wirksamkeit bevorzugt. Das Doppelhakengewinde weist einen negativen Winkel der tragenden Flanke und einen positiven Rückenflankenwinkel auf. Ein Doppelhakengewindeprofil, bei dem die absolute Summe der Winkel der tragenden und der Rückenflanken (unabhängig von dem Vorzeichen der tragenden und der Rückenflankenwinkel) weniger als etwa 20º beträgt, wird in der vorliegenden Erfindung zufriedenstellend fünktionieren. Vorzugsweise übersteigt der negative Winkel der tragenden Flanke nicht etwa 8º und der positive Rückenflankenwinkel übersteigt nicht etwa 5º. Eher bevorzugt reicht der negative Winkel der tragenden Flanke von etwa 0º bis zu weniger als 5º und der positive Rückenflankenwinkel reicht von etwa 0º bis zu weniger als 2º, wobei die absolute Summe der Winkel weniger als 5º beträgt.
Das Einzelhakengewinde weist einen negativen Winkel der tragenden Flanke im Bereich von etwa 0º bis etwa 15º und einen Rückenflankenwinkel im Bereich von 0º bis zu einem negativen Winkel von etwa 35º auf. Vorzugsweise beträgt der negative Winkel der tragenden Flanke weniger als 8º und der negative Rückenflankenwinkel beträgt weniger als 20º. Eher bevorzugt reicht der negative Winkel der tragenden Flanke von etwa 0º bis zu weniger als etwa 8º, während der Rückenflankenwinkel von etwa 0º bis zu einem positiven Winkel von weniger als etwa 8º reicht. Am meisten bevorzugt reicht der negative Winkel der tragenden Flanke von etwa 0º bis zu weniger als etwa 8º, während der Rückenflankenwinkel von 0º bis zu einem positiven Winkel von weniger als 5º reicht.
Die oben beschriebenen Doppelhaken- und Einzelhakengewindeprofile werden vorzugsweise in Verbindung mit einem Gewinde mit variabler Breite verwendet, wobei sich die Gewinde auf jedem Bauteil in der axialen Breite stetig verändern, wobei die Gewindebreite des aufzunehmenden Bauteils von dem führenden oder vorderen Ende zu dem folgenden oder hinteren Ende jedes Absatzes der Gewinde stetig zunimmt, und wobei die Gewindebreite des aufnehmenden Bauteils in der entgegengesetzten Richtung anwächst.
Der Aufbau der Verbindung mit Einzelhaken- oder Doppelhakengewinden wird durch die Bereitstellung einer Abschrägung auf der Rückenflanke des Gewindeprofils in großem Maß verbessert. Diese Abschrägung stellt eine selbstzentrierende Funktion wänrend des Einbringens des aufzunehmenden Bauteils in das aufnehmende Bauteil bereit. Weiterhin stellt die Abschrägung eine vergrößerte Kontaktfläche zwischen den Bauteilen zum Zeitpunkt des Inverbindungbringens bereit, wodurch die Gesamtbelastung auf jedem speziellen Kontaktpunkt und somit mögliche Beschädigungen der Verbindung während des Aufbaus reduziert werden. Der Axialabstand der Bewegung oder die Breite der Abschrägung beträgt vorzugsweise etwa 0,005 inch oder weniger, wobei der Grad der Abschrägung eine Funktion der Gewindesteigung und der Verjüngung ist. Der Abschrägungsgrad ist derart beschaffen, daß die radiale Höhe der Abschrägung (senkrecht zu der Verbindungslängsachse) annähernd gleich wie die Absatzhöhe zwischen der abgeschrägten Rückenflanke und der vorhergehenden tragende Flanke ist. Die Höhe der Rückenflanke abzüglich der Höhe der vorhergehenden tragenden Gewindeflanke wird typischerweise als Absatzhöhe bezeichnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht einer Ausführungsform der aufgebauten Verbindung der vorliegenden Erfindung, wobei die Verbindung eine Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung, einen benachbart zu einer Seite der zentralen Schulterdichtung befindlichen einzigen Abschintt mit auslaufendem Gewinde auf dem aufzunehmenden Bauteil und einen benachbart zu der anderen Seite der zentralen Schulterdichtung befindlichen Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde auf dem aufzunehmenden Bauteil mit den jeweils entsprechenden Gewindeanordnungen auf dem aufnehmenden Bauteil aufweist.
FIG. 1B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 1A dargestellten aufzunehmenden Bauteils.
FIG. 1C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 1A dargestellten aufnehmenden Bauteils.
FIG. 2A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht einer zweiten Ausführungsform der aufgebauten Verbindung der vorliegenden Erfindung, wobei die Verbindung eine eine zentrale Schulterdichtung ausbildende Doppelschulterverriegelungsanordnung und einen Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde an jeder Seite der zentralen Schulterdichtung aufweist.
FIG. 2B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 2A dargestellten aufzunehmenden Bauteils.
FIG. 2C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 2A dargestellten aufnehmenden Bauteils.
FIG. 3A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht einer dritten Ausführungsform der aufgebauten Verbindung der vorliegenden Erfindung, wobei die Verbindung eine Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung und einen doppelten Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde aufweist, wobei ein Satz benachbart zu der zentralen Schulterdichtung und der andere Satz an den Enden der aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile angeordnet ist.
FIG. 3B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 3A dargestellten aufzunehmenden Bauteils.
FIG. 3C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 3A dargestellten aufnehmenden Bauteils.
FIG. 4A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht einer vierten und am meisten bevorzugten Ausführungsform der aufgebauten Verbindung, wobei die Verbindung eine Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung, einen doppelten Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde, und das bevorzugte Gewindeprofil (ein Einzelhakengewinde mit variabler Breite und abgeschrägten Rückenflanken) aufweist.
FIG. 4B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 4A dargestellten aufzunehmenden Bauteils.
FIG. 4C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 4A dargestellten aufnehmenden Bauteils.
FIG. 5A zeigt ein Schema einer vergrößerten Ansicht des Längsquerschnitts einer Ausführungsform der Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung in der Form der in der FIG. 1A dargestellten aufgebauten Verbindung.
FIG. 5B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des aufzunehmenden Bauteils der FIG. 5A.
FIG. 5C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des in FIG. 5A dargestellten aufnehmenden Bauteils.
FIG. 6A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines Teils eines Abschnittes des Doppelhakengewindeprofils der vorliegenden Erfindung mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem positiven Rückenflankenwinkel.
FIG. 6B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines Einzelhakengewindeprofils der vorliegenden Erfindung mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und Rückenflanke mit 0º (rechter Winkel).
FIG. 6C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines konventionellen Einzelhakengewindeprofils der vorliegenden Erfindung mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem negativen Rückenflankenwinkel.
FIG. 6D zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines bevorzugten Doppelhakengewindeprofils der vorliegenden Erfindung mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem Rückenflankenwinkel, der leicht positiv ausfällt und annähernd 0º beträgt.
FIG. 7 zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines bevorzugten Einzelhakengewindeprofils der vorliegenden Erfindung mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke, einer Rückenflanke mit 0º (rechter Winkel) und einer abgeschrägten Rückenflanke. Am bevorzugtesten wäre dieses Gewindeprofil ein Gewinde mit variabler Breite, wobei sich die Gewinde an jedem Bauteil in ihrer Axialbreite stetig verändern.
FIG. 8A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht der aufgebauten Verbindung der FIG. 2, jedoch mit Gewinden mit dem in der FIG. 5A dargestellten Doppelhakengewindeprofil, und mit verschiedenen Führungen in den tragenden und Rückenflanken, wodurch eine variable Breite der Gewindespitze bzw. des -grundes an jedem Gewinde erzeugt wird.
FIG. 8B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht eines Teils des Doppelhakengewindeprofils der in der FIG. 8A dargestellten aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile.
FIG. 9A zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht der aufgebauten Verbindung aus der FIG. 3, jedoch weisen die Gewinde ein Einzelhakengewindeprofil auf.
FIG. 9B-9D zeigen ein Schema einer Längsquerschnittsfläche eines Teils des Einzelhakengewindeprofils der in der FIG. 9A dargestellten aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile.
FIG. 10A zeigt ein Schema einer vergrößerten Ansicht der Längsquerschnittsfläche der bevorzugteren Ausführungsform der Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung, wie sie in der in der FIG. 4A dargestellten aufgebauten Verbindung verwendet wird.
FIG. 10B zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des aufzunehmenden Bauteils der FIG. 10A.
FIG. 10C zeigt ein Schema einer Querschnittslängsansicht des aufnehmenden Bauteils der FIG. 10A.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die rohrförmige Verbindung der vorliegenden Erfindung ist in großem Umfang für die Verbindung von Rohren, Kupplungen und ähnlichem verwendbar. Sie wird jedoch für rohrförmige Verbindungen der Ölindustrie beschrieben werden, da für diese Verbindungen die Erfindung einen ihrer höchsten Anwendungsvorteile aufweist. Im einzelnen wird die Erfindung typischerweise am häufigsten für bündig anstoßende oder Slim-line-Rohrverbindungen verwendet, bei denen die Minimierung jeder Variation hinsichtlich der Abmessungen der Außen- und Innendurchmesser zwischen den Verbindungen und der aufgebauten rohrförmigen Bauteile erwunscht ist. Die zwei Hauptverwendungen für die Verbindung der vorliegenden Erfindung sind eine bündig anstoßende Verbindungsbuchse mit typischerweise einem bündigen Außendurchmesser und ein Bindeglied einer Verbindungsbuchse, typischerweise eine ausgebildete Verbindung mit einer maximalen +3,5%igen Variation im Außendurchmesser.
Die rohrförmige Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet eine zentrale Dichtung (zwischen mindestens zwei Gewindeabschnitten der Verbindung), um Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) am Durchlaufen durch die Gewinde der Verbindung zu hindern. Die zu beschreibenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen eine im folgenden ausführlich erläuterte Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung auf. Allerdings können auch andere Entwürfe einer zentralen Dichtung wie beispielsweise eine Vierkantschulter, Hakenschulter, Vierkantschulter mit Kegelstumpfdichtung, und eine ringförmige Schulter in der stabilisierten zentralschulterabgedichteten rohrförmigen Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die zentrale Schulterdichtung derart stabilisiert, daß sie unterschiedlichen Kräften widerstehen kann, die auf die zusammengesetzte Länge der Rohre wirken, ohne signifikante Beschädigungen und/oder Undichtigkeiten der Dichtung aufzuweisen. Die Stabilisierung wird durch die Verwendung verschiedener Kombinationen benachbart zu der zentralen Schulterdichtung angeordneter Gewindeabschnitte bereitgestellt. Im einzelnen wird die Stabilisierung der zentralen Schulterdichtung durch die Verwendung mindestens eines benachbart zu der zentralen Schulterdichtungsanordnung jedes Verbindungsbauteils befindlichen Abschnitts mit auslaufendem Gewinde bewerkstelligt. Der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde auf einem Verbindungsbauteil wird typischerweise in Kombination mit einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde auf dem entsprechenden Verbindungsbauteil verwendet. Allerdings kann auch ein Abschnitt mit auslaufendem Gewinde auf einem Verbindungsbauteil in Kombination mit einem Vollhöheneinlaßgewinde auf dem entsprechenden Verbindungsbauteil angewendet werden.
Die FIGN. 1 bis 4 stellen vier unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen der Verbindung der vorliegenden Erfindung dar. Jede der vier in den FIGN. 1-4 gezeigten bevorzugten Verbindungen weist bestimmte allgemeine Merkmale auf, welche nun mit Bezug auf die Ausführungsform Eins aus der FIG. 1 beschrieben werden. Bezugnehmend auf die FIGN. 1A, 1B und 1C, weist eine allgemein mit 100 in der FIG. 1A bezeichnete Rohrverbindung oder Gewindeverbindung der vorliegenden Erfindung ein auf einem Ende eines rohrförmigen Bauteils 103 ausgebildetes aufzunehmendes Bauteil 102 und ein auf dem Ende eines anderen rohrförmigen Bauteils 107 ausgebildetes aufnehmendes Bauteil 106 auf Entweder eines bzw. beide der rohrförmigen Bauteile 103 und 107 bestimmen eine Längsachse 14 (vgl. FIGN. 8A oder 9A), welche die Längsmittellinie der Verbindung 100 ist. Das aufnehmende Bauteil 106 weist eine in ihm ausgebildete innere Gewindestruktur auf und ist für ein Ineingrifftreten mit einer auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 ausgebildeten komplementären äußeren Gewindestruktur ausgelegt, um die rohrförmigen Bauteile 103 und 107, welche einen Teil eines Gestänges einer rohrförmigen Leitung (nicht gezeigt) bilden, mechanisch zu verbinden. Die Verbindung 100 weist weiterhin eine zentrale Schulterdichtung 104 auf, die näherungsweise bei dem Mittelpunkt der Verbindung 100 in Längsrichtung angeordnet ist. Die äußere Gewindestruktur des aufzunehmenden Bauteils 102 erstreckt sich von einer Nase oder einem führenden Ende 105 des aufzunehmenden Glieds zu einer benachbart zu einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 119 liegenden Stelle 109 und wird an der anderen Seite 111 der ersten zentralen Schulterkonfiguration 119 zu dem Ende der äußeren Gewinde an einem hinteren Ende 113 der Verbindung 100 fortgeführt. Eine komplementäre innere Gewindestruktur des aufnehmenden Bauteils 106 erstreckt sich von einem führenden Ende 115 des aufnehmenden Bauteils zu einer benachbart zu einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 108 liegenden Stelle 117 und wird dann an der anderen Seite 121 der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 108 zu dem Ende der inneren Gewinde an einem hinteren Ende 123 der Verbindung 100 fortgeführt.
Die an der Verbindung 100 bei 104 gezeigte zentrale Schulterdichtung, die zwischen den passenden Sätzen der Verbindungsgewindeabschnitte angeordnet ist, hindert Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) am Durchlaufen durch die Verbindung (über deren Gewinde). Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden beschrieben, indem sie eine Doppelschulterverriegelung der zentralen Schulterdichtung aufweisen, welche nachfolgend ausführlich erläutert werden wird. Jedoch können auch andere Entwürfe einer zentralen Dichtung wie beispielsweise eine Vierkantschulter, Hakenschulter, Vierkantschulter mit Kegelstumpfdichtung und eine ringförmige Schulter in der stabilisierten zentralschulterabgedichteten rohrförmigen Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf die FIG. 1, die eine Ausführungsform Eins der vorliegenden Erfindung darstellt, nämlich die rohrförmige Verbindung 100, weist die zentrale Schulterdichtung 104 eine Doppelschulterverriegelung auf, die aus einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 119 auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 und einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 108 auf dem aufnehmenden Bauteil 106 gefertigt ist. Die die zentrale Schulterdichtung stabilisierenden Gewindeabschnitte (Abschnitte mit auslaufendem Gewinde) an jedem Verbindungsbauteil sind auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 bei 110 und auf dem aufnehmenden Bauteil 106 bei 114 angeordnet. Bezugnehmend auf das aufzunehmende Bauteil 102 erstreckt sich der benachbart zu der Schulterdichtungsanordnung 119 angeordnete Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 110 von einer benachbart zu der Dichtungsanordnung 119 liegenden Stelle 109, um einen konisch zulaufenden Gewindeabschnitt voller Höhe 126 zu schneiden, der sich zu dem führenden Ende 105 des aufzunehmenden Glieds 102 erstreckt. Bezugnehmend auf das aufnehmende Bauteil 106 erstreckt sich ein benachbart zu der Schulterdichtungsanordnung 108 liegender auslaufender Gewindeabschnitt 114 von der benachbart zu der Dichtungsanordnung 108 liegenden Stelle 117, um den konisch zulaufenden Gewindeabschnitt voller Höhe 128 zu schneiden, welcher sich zu dem führenden Ende 115 des aufnehmenden Glieds 106 hin erstreckt. Der komplementäre Gewindeabschuitt, der mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 110 auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 in Eingriff tritt, ist ein Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 112 auf dem aufnehmenden Bauteil 106. Der komplementäre Gewindeabschnitt, der mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 114 auf dem aufnehmenden Bauteil 106 in Eingriff tritt, ist ein Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 116 auf dem aufzunehmenden Bauteil 102. Die Abschnitte mit Vollhöheneinlaßgewinde 112 und 116 auf dem aufnehmenden Bauteil 106 bzw. auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 erstrecken sich als Abschnitte mit Vollhöhengewinde 124 bzw. 122 und stellen konisch zulaufende Gewinde voller Höhe zu dem Ende dieser Gewindeabschnitte hin bei 123 bzw. 113 bereit. Die Verjüngung auf den Gewindeabschnitten, die sich von den führenden Enden 105 und 115 des aufzunehmenden Glieds 102 bzw. des aufnehmenden Glieds 106 erstreckt, ist etwas größer als die Verjüngung auf den Gewindeabschnitten 112-124 und 116-122, die sich zu den hinteren Enden 123 und 113 des aufnehmenden Glieds 106 bzw. des aufzunehmenden Glieds 102 hin erstreckt.
Bei dem Aufbau der Verbindung 100 tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 110 des aufzunehmenden Bauteils 102 mit dem Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 112 des aufnehmenden Bauteils 106 in Eingriff, und der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 126 des aufzunehmenden Bauteils 102 tritt mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 124 des aufnehmenden Bauteils 106 in Eingriff. Bei dem Aufbau der Verbindung 100 tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 114 des aufnehmenden Bauteils 106 mit dem Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 116 des aufzunehmenden Bauteils 102 in Eingriff, und die Abschnitte mit Vollhöhengewinde 128 des aufnehmenden Bauteils 106 treten mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 122 des aufzunehmenden Bauteils 102 in Eingriff.
Das aufzunehmende Bauteil 102 weist zwischen dem Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 116 und der ersten zentralen Schulterkonfiguration 119 eine Gewindeentlastungsnut 118 auf. Das entsprechende aufnehmende Bauteil 106 weist zwischen dem Abschnitt mit Vollhöheneinlaßgewinde 112 und der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 108 eine Gewindeentlastungsnut 120 auf. Die Gewindeentlastungsnut erleichtert die Fertigung der Vollhöheneinlaßgewinde 116 und 122 auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 und der Vollhöheneinlaßgewinde 112 und 124 auf dem aufnehmenden Bauteil 106, und ermöglicht ein vollständiges komplementäres lneingrifftreten jedes entsprechenden Gewindeprofils. Die Entlastungsnuten 118 und 120 stellen ebenfalls ein Lager für Gewindeschmierzusammensetzungen bereit und stellen sicher, daß keine hydraulische Sperrung des Gewindes auftritt.
Spiralartige Abschnitte mit Vollhöhengewindeabschmtte 112-124 und 116-122 sind auf einer konstanten Verjüngung relativ zu der Längsachse der Verbindung 100 angeordnet. Die spiralartigen Abschnitte mit Vollhöhengewinden 126 und 128 sind ebenfalls auf einer konstanten Verjüngung relativ zu der Längsachse 14 der Verbindung 100 vorgesehen. Allerdings ist die Verjüngung dieser letzteren Gewindeabschnitte größer als die Verjüngung der entsprechenden Bauteilegewindeabschnitte 112-124 bzw. 116- 122, um während des Aufbaus die Enden der Verbindung 100 einer geringeren Belastung auszusetzen. Die Gewindeabschnitte 110 und 114 sind Abschnitte mit auslaufendem Gewinde, die mit parallel zu der Längsachse 14 der Verbindung 100 verlaufenden Gewindespitzen-Konstruktionslinien und mit Gewindegrund-Konstruktionslinien an der konstanten Verjüngung mit Bezug zu der Längsachse angeordnet sind. Allerdings sind einzelne Spitzenflächen und einzelne Grundflächen typischerweise parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnet. Es ist möglich, einzelne einlaufende gestutzte Gewindespitzen auf einer Verjüngung verbleiben zu lassen, jedoch ist es bevorzugt, diese parallel zu der Verbindungslängsachse anzuordnen.
Beim Aufbau weist die in Eingriff tretende Verbindung 100 ein vollständiges komplementäres Ineingrifftreten der Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 110 und 114 auf, wobei jeder Abschnitt auf der Seite der zentralen Schulterdichtung 104 angeordnet ist, bei der die Wandstärke des Verbindungsbauteiles geringer ausfällt, und namentlich bei den dünnwandigen Abschnitten 130 bzw. 132. Zusätzlich ist eine leichte Interferenzpassung in den Gewinden bereitgestellt, um ein maximales Miteinander-Ineingrifftreten der Gewinde sicherzustellen. In einer Interferenzpassung an den entsprechenden Punkten des Ineingrifftretens an den aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen 102 und 106 fällt das aufzunehmende Bauteil 102 etwas größer als das aufnehmende Bauteil 106 auf Interferenzpassende konisch zulaufende Gewinde sind beim Stand der Technik wohlbekannt. Das vollständige komplementäre Ineingrifftreten des Abschnittes mit auslaufendem Gewinde stellt eine effizientere Verbindung dar, indem die verfügbaren, die Gewindeflanke tragenden Flächen vollständig verwendet werden, während zugleich eine Begrenzung für die bei den dünnwandigen Abschmtten 130 auf dem aufzunehmenden Bauteil 102 und den Abschnitten 132 auf dem aufnehmenden Bauteil 106 erzeugten Beanspruchungen bewerkstelligt wird. Weiterhin ermöglichen die auslaufenden Gewindeabschnitte an diesen Stellen an den aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen die Beibehaltung der maximalen Wandstärke der Verbindung in den benachbart zu der zentralen Schulter 104 liegenden Bereichen, wodurch eine effektivere Verbindung zustandekommt.
Aus Illustrationsgründen ist die Ausführungsform Eins der Erfindung in der FIG. 1 mit einem Einzelhakengewindeprofil mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem negativen Rückenflankenwinkel dargestellt, wobei die Spitzen und der Grund der einzelnen Gewinde parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnet sind. Es können auch andere Gewindeprofile als ein Einzelhakengewindeprofil verwendet werden, was im folgenden erläutert werden wird.
Zu Vergleichszwecken mit dem Stand der Technik weist die Ausführungsform Eins der vorliegenden Erfindung in der Form einer Slim-line-Aufnahmeverbindung, die +3% über den Rohrkörperdurchmesser reicht, eine Effizienz (Stärke der Verbindung/Stärke des Rohrs) von etwa 85 % auf. Die beste beim Stand der Technik in der Industrie bekannte Aufnahmeverbindung, die +3% über den Rohrkörperdurchmesser reicht, weist hingegen eine Effizienz von nur etwa 75% auf. Ist die Form eine bündig anstoßende Verbindung, stellt die Ausführungsform Eins der vorliegenden Erfindung eine Effizienz von etwa 75 % bereit. Im Vergleich dazu weist die beim Stand der Technik in der Industrie bekannte bündig anstoßende Verbindung eine Effizienz von 65% auf.
Bezugnehmend auf FIG. 2A, die eine Verbindung der Ausführungsform Zwei der vorliegenden Erfindung darstellt, ist eine rohrförmige Verbindung 200 aus einem an dem äußeren Ende eines Rohrs 203 angeordneten aufzunehmenden Bauteils 202 und aus einem an einem inneren Ende eines Rohrs 207 angeordneten aufnehmenden Bauteil 206 gefertigt. Die zentrale Schulterdichtung 204 der rohrförmigen Verbindung 200 ist eine Doppelschulterverriegelungsanordnung, die aus einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 219 auf dem aufzunehmenden Bauteil 202 und aus einer zweiten zentralen Schulteranordnung 208 auf dem aufnehmenden Bauteil 206 besteht.
FIG. 2B stellt ein aufzunehmendes Bauteil 202 dar, wobei dieses einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 210 aufweist, der sich von einer benachbart zu der ersten zentralen Schulterkonfiguration 219 an einem dünnwandigen Teil 230 des aufzunehmenden Bauteils 202 liegenden Stelle 209 zu einem Gewindeabschnitt 226 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes hin erstreckt, welches sich wiederum zu einem führenden Ende 205 des aufzunehmenden Bauteils 202 erstreckt. Das aufzunehmende Bauteil 202 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 216 auf, der sich von einer benachbart zu der ersten zentralen Schulterkonfiguration 219 an dem dickwandigen Teil des aufzunehmenden Bauteils 202 liegenden Stelle 211 zu einem Gewindeabschnitt 212 eines konisch zulaufenden Vollhöhengewindes hin erstreckt, welches sich wiederum zu einem hinteren Ende 213 des aufzunehmenden Bauteils 202 erstreckt.
FIG. 2C zeigt ein aufnehmendes Bauteil 206, wobei dieses einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 214 aufweist, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 208 an dem dünnwandigen Teil 232 des aufnehmenden Bauteils 206 liegenden Stelle 217 zu einem Gewindeabschnitt 228 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes hin erstreckt, welches sich wiederum zu einem führenden Ende 215 des aufnehmenden Bauteils 206 erstreckt. Das aufnehmende Bauteil 206 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 222 auf, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 208 an dem dickwandigen Teil des aufnehmenden Bauteils 206 befindlichen Stelle 221 zu einem Gewindeabschnitt 224 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes hin erstreckt, welches sich wiederum zu einem hinteren Ende 223 des aufnehmenden Bauteils 206 erstreckt.
Beim Aufbau der Verbindung 200 tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 210 des aufzunehmen den Bauteils 202 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 222 des aufnehmenden Bauteils 206 in Eingriff, und die Vollhöhengewinde 226 des aufzunehmenden Bauteils 202 treten mit den Vollhöhengewinden 224 des aufnehmenden Bauteils 206 in Eingriff. Außerdem tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 214 des aufnehmenden Bauteils 206 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 216 des aufzunehmenden Bauteils 202 in Eingriff, und der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 228 des aufnehmenden Bauteils 206 tritt mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 212 des aufzunehmenden Bauteils 202 in Eingriff.
Spiralartige Abschnitte mit Volihöhengewinde 212 und 226 auf dem aufzunehmenden Bauteil 202 und Abschnitte mit Vollhöhengewinde 224 und 228 auf dem aufnehmenden Bauteil 206 sind auf einer konstanten Verjüngung mit Bezug zu der Längsachse der Verbindung 200 hin angeordnet, aber die einzelnen Flächen ihres Grunds und ihrer Spitzen liegen parallel zu der Längsachse der Verbindung 200. Der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 210 auf dem aufzunehmenden Bauteil 202 hat seinen kleineren Durchmesser (Grund) auf einer Fortsetzung der konstanten Verjüngung des kleineren Durchmessers des benachbarten Abschnitts mit Vollhöhengewinde 226, während sein größerer Durchmesser (Spitzen) parallel zu der Längsachse der Verbindung 200 angeordnet ist. Der Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 216 auf dem aufzunehmenden Bauteil 202 hat seinen kleineren Durchmesser (Grund) parallel zu der Längsachse der Verbindung 200 liegend, während sein größerer Durchmesser (Spitzen) als eine Fortsetzung der konstanten Verjüngung des größeren Durchmessers des benachbarten Abschnitts mit Vollhöhengewinde 212 angeordnet ist. Die entsprechenden Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde des aufnehmenden Bauteils 206 sind auf ähnliche Weise angeordnet, wobei der Grund jeweils den größeren Durchmesser und die Spitzen den kleineren Durchmesser bilden.
Obwohl aufeinanderfolgende Gewindespitzen und der jeweilige Grund wie oben beschrieben angeordnet sind, werden einzelne Spitzen- und Grundflächen typischerweise parallel zu der Längsachse der Verbindung gefertigt. Eine Ausnahme besteht hier für den Abschnitt mit einlaufendem Gewinde, in dem die einzelnen Spitzenflächen als eine Fortsetzung der konstanten Verjüngung des größeren Durchmessers der benachbarten Vollhöhengewinde oder parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnet werden können. Einzelne parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnete Spitzenflächen sind bevorzugt. Wie bei der in der FIG. 1 dargestellten Verbindung 100 sind die Verjüngungen der Abschnitte mit Vollhöhengewinde 226 des aufzunehmenden Glieds 202 und 228 des aufnehmenden Glieds 206 größer als die Verjüngungen der entsprechenden Abschnitte mit Vollhöhengewinde 224 des aufnehmenden Glieds 206 bzw. 212 des aufzunehmenden Glieds 202.
Aus Gründen der Illustration ist die Ausführungsform Zwei der Erfindung in der FIG. 2 mit einem Einzelhakengewindeprofil mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem Rückenflankenwinkel von 0º dargestellt, obgleich auch, wie im folgenden beschrieben, andere Gewindeprofile verwendet werden können.
In der Ausführungsform Zwei, bei der ein Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde benachbart zu jeder Seite der zentralen Schulterdichtung 204 verwendet wird, besteht eine minimale nicht verwendete (nicht in Eingriff tretende) Gewindefläche in den aufgebauten Gewindeabschnitten. Die Verbindung 200 weist ein vollständiges komplementäres Ineingrifftreten der Paare entsprechender Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde auf, wodurch diese konisch zulaufenden Gewinde hoch effizient arbeiten und eine noch größere Stabilisierung der zentralen Schufterdichtung 204 bereitstellen, als dies für die in der FIG. 1 gezeigte Ausführungsform Eins der Fall ist.
Aus Gründen des Vergleichs mit dem Stand der Technik weist die Ausführungsform Zwei der vorliegenden Erfindung annähernd die gleiche Effizienzverbesserung gegenüber dem Stand der Technik wie die von der in der FIG. 1 gezeigten Ausführungsform Eins bewerkstelligte Verbesserung auf.
Bezugnehmend auf FIG. 3A, die eine Verbindung gemäß der Ausführungsform Drei der vorliegenden Erfindung darstellt, ist eine rohrförmige Verbindung 300 aus einem an dem äußeren Ende eines Rohrs 303 angeordneten aufzunehmenden Bauteil 302 und einem an dem inneren Ende eines Rohrs 307 angeordneten aufnehmenden Bauteil 306 gefertigt. Die zentrale Schulterdichtung 304 der rohrförmigen Verbindung 300 ist eine Doppelschulterverriegelungsanordnung, die aus einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 319 auf dem aufzunehmenden Bauteil 302 und aus einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 308 auf dem aufnehmenden Bauteil 306 besteht.
FIG. 3B stellt das aufzunehmende Bauteil 302 dar, das einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 310 aufweist, der sich von einer benachbart zu einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 319 an dem dünnwandigen Teil 330 des aufzunehmenden Bauteils 302 liegenden Stelle 309 zu einem Gewindeabschnitt 326 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes hin erstreckt, welcher sich zu einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 334 erstreckt, der sich wiederum zu einem führenden Ende 305 des aufzunehmenden Bauteils 302 hin erstreckt. Das aufzunehmende Bauteil 302 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 316 auf, der sich von einer benachbart zu der ersten zentralen Schulterkonfiguration 319 an dem dickwandigen Teil des aufzunehmenden Bauteils 302 befindlichen Stelle 311 zu einem Gewindeabschnitt 312 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, welcher sich zu einem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 336 erstreckt, der sich wiederum zu einem hinteren Ende 313 des aufzunehmenden Bauteils 302 hin erstreckt.
FIG. 3C stellt das aufnehmende Bauteil 306 dar, das einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 314 aufweist, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 308 an dem dünnwandigen Teil 332 des aufnehmenden Bauteils 306 liegenden Stelle 317 zu einem Gewindeabschnitt 328 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, der sich zu einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 338 erstreckt, welcher sich wiederum zu einem führenden Ende 315 des aufnehmenden Bauteils 306 hin erstreckt. Das aufnehmende Bauteil 306 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 322 auf, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 308 an dem dickwandigen Teil des aufnehmenden Bauteils 306 liegenden Stelle 321 zu einem Gewindeabschnitt 324 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, welcher sich zu einem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 340 erstreckt, der sich wiederum zu einem hinteren Ende 323 des aufnehmenden Bauteils 306 erstreckt.
Beim Aufbau der Verbindung 300 tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 310 des aufzunehmenden Bauteils 302 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 322 des aufnehmenden Bauteils 301 in Eingriff, und der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 326 des aufzunehmenden Bauteils 302 tritt mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 324 des aufnehmenden Bauteils 306 in Eingritf, und der Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 334 des aufzunehmenden Bauteils 302 tritt mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 340 des aufnehmenden Bauteils 306 in Eingriff. Weiterhin tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 314 des aufnehmenden Bauteils 306 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 316 des aufzunehmenden Bauteils 302 in Eintritt, der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 328 des aufnehmenden Bauteils 306 tritt mft dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 312 des aufzunehmenden Bauteils 302 in Eingriff, und der Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 338 des aufnehmenden Bauteils 306 tritt mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 336 des aufzunehmenden Bauteils 302 in Eingriff.
Spiralartige Vollhöhengewindeabschnitte 312 und 326 auf dem aufzunehmenden Bauteil 302 und die Abschnitte 324 und 328 auf dem aufnehmenden Bauteil 306 sind auf einer konstanten Verjüngung mit Bezug zu der Längsachse der Verbindung 300 angeordnet, aber die einzelnen Flächen ihres Grunds und ihrer Spftzen liegen parallel zu der Längsachse der Verbindung 300. Die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 310 und 336 auf dem aufzunehmenden Bauteil 302 und die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 314 und 340 auf dem aufnehmenden Bauteil 306 haben ihren Grund auf einer Fortsetzung der konstanten Verjüngung der benachbarten Abschnitte mit Vollhöhengewinde. Die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 310 und 336 auf dem aufzunehmenden Bauteil 302 und die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 314 und 340 auf dem aufnehmenden Bauteil 306 haben ihre Spitzen parallel zu der Längsachse der Verbindung 300 liegend. Die Abschnitte mit einlaufendem Gewinde 316 und 334 auf dem aufzunehmenden Bauteil 302 und die Abschnitte mit einlaufendem Gewinde 322 und 338 auf dem aufnehmenden Bauteil 306 haben ihren Grund parallel zu der Längsachse der Verbindung 300 liegend, während sich ihre Spitzen auf einer Fortsetzung der konstanten Verjüngung des jeweils größeren oder kleineren Durchmessers der benachbarten Abschnitte mit Vollhöhengewinde befinden.
Die in der FIG. 3 gezeigte Ausführungsform Drei der Erfindung weist ein Doppelhakengewindeprofil auf, allerdings können auch, wie unten erläutert, andere Gewindeprofile verwendet werden.
Dieser doppelte Satz auslaufender und einlaufender Gewinde (ein Satz liegt benachbart zu der zentralen Schulterdichtung 304 und ein zweiter Satz befindet sich an den Enden der Verbindung 300) stellt eine maximale Verbindungseffizienz und eine maximale Stabilität für die zentrale Schulterdichtung 304 der Verbindung 300 bereit. Der doppelte Satz auslaufender und einlaufender Gewinde stellt ebenfalls die sanftmöglichste Belastüngsübertragung zwischen den aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen 302 bzw. 306 bereit, wodurch nicht nur die vorgesehene Nutzlastkapazität der Verbindung, sondern auch ihre Überlastkapazität (d.h. der Sicherheitsfaktor) erhöht wird.
Zu Vergleichszwecken mit dem Stand der Technik weist die Ausführungsform Drei der vorliegenden Erfindung in der Form einer ausgebildeten Slim-line-Aufnahmeverbindung, die +3,5% über den Rohrkörperdurchmesser reicht, eine Effizienz (Stärke der Verbindung/Stärke des Rohrs) von etwa 95% auf. Ist die Form eine ausgebildete Aufnahmeverbindung, die +3% über den Rohrkönperdurchmesser reicht, nimmt ihre Effizienz auf etwa 90% ab. Die beim Stand der Technik in der Industrie bekannte beste ausgebildete Aufnahmeverbindung, die +3% über den Rohrkönperdurchmesser reicht, weist hingegen eine Effizienz von nur 75% auf.
Bezüglich der oben beschriebenen Ausführungsform Drei der vorliegenden Erfindung in der Form einer Verbindung mit bündigem Außendurchmesser beträgt die bereitgestellte Effizienz etwa 77%. Die beim Stand der Technik in der Industrie bekannte beste bündige Verbindung weist eine Effizienz von nur 65% auf.
Bezugnehmend auf FIG. 4A, die eine Verbindung gemäß der Ausführungsform Vier der vorliegenden Erfindung darstellt, ist eine rohrförmige Verbindung 400 aus einem an dem äußeren Ende eines Rohrs 403 angeordneten aufzunehmenden Bauteil 402 und aus einem an dem inneren Ende eines Rohrs 407 angeordneten aufnehmenden Bauteil 406 gefertigt. Die zentrale Schulterdichtung 404 der rohrförmigen Verbindung 400 ist eine Doppelschulterverriegelungsanordnung die aus einer zentralen Schulterkonfiguration 419 auf dem aufzunehmenden Bauteil 402 und aus einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 408 auf dem aufnehmenden Bauteil 406 besteht.
FIG. 4B stellt das aufzunehmende Bauteil 402 dar, das einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 410 aufweist, der sich von einer benachbart zu der ersten zentralen Schulterkonfiguration 419 an dem dünnwandigen Teil 430 des aufzunehmenden Bauteils 402 liegenden Stelle 409 zu einem Gewindeabschnitt 426 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, welcher sich zu einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 434 erstreckt, der sich wiederum zu einem führenden Ende 405 des aufzunehmenden Bauteils 402 erstreckt. Das aufzunehmende Bauteil 402 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 416 auf, der sich von einer benachbart zu der ersten zentralen Schulterkonfiguration 419 an dem dickwandigen Teil des aufzunehmenden Bauteils 402 liegenden Stelle 411 zu einem Gewindeabschnitt 412 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, welcher sich zu einem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 436 erstreckt, der sich wiederum zu einem hinteren Ende 413 des aufzunehmenden Bauteils 402 erstreckt.
FIG. 4C stellt das aufnehmende Bauteil 406 dar, das einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 414 aufweist, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 408 an dem dünnwandigen Teil 432 des aufnehmenden Bauteils 406 liegenden Stelle 417 zu einem Gewindeabschnitt 428 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, der sich zu einem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 438 erstreckt, welcher sich wiederum zu einem führenden Ende 415 des aufnehmenden Bauteils 406 erstreckt. Das aufnehmende Bauteil 406 weist außerdem einen Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 422 auf, der sich von einer benachbart zu der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 408 an dem dickwandigen Teil des aufnehmenden Bauteils 406 liegenden Stelle 421 zu einem Gewindeabschnitt 424 des konisch zulaufenden Vollhöhengewindes erstreckt, der sich zu einem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 440 erstreckt, welcher sich wiederum zu einem Ende 423 des aufnehmenden Bauteils 406 erstreckt.
Der prinzipielle Unterschied zwischen dieser vierten Ausführungsform der Erfindung und der in der FIG. 3 dargestellten dritten Ausführungsform liegt in dem Gewindeprofil. Das Gewindeprofil dieser vierten Ausführungsform ist ein spezielles selbstzentrierendes Gewindeprofil, wobei die Rückenflanken sämtlicher Vollhöhengewinde abgeschrägt sind, wie in der FIG. 7 dargestellt und ausführlich in Zusammenhang mit der FIG. 7 beschrieben. Somit ist jede Rückenflanke der Gewindeabschnitte voller Höhe 412 und 426 des aufzunehmenden Bauteils 402 und jede Rückenflanke der Gewindeabschnitte voller Höhe 424 und 428 des aufnehmenden Bauteils 406 abgeschrägt. Die Abschrägungsbreite (Axialabstand) beträgt vorzugsweise etwa 0,005 inch oder weniger, und die Abschrägungshöhe (senkrecht zu der Längsachse der Verbindung oder des Bauteils) ist näherungsweise gleich wie die Absatzhöhe (Höhe der Rückenflanke minus der Höhe der vorhergehenden tragenden Gewindeflanke). Das Vorhandensein dieser Abschrägung an der Rückenflanke sämtlicher Vollhöhengewinde an sowohl dem aufzunehmenden Bauteil 402 wie dem aufnehmenden Bauteil 406 bewirkt eine Selbstzentrierung beim Aulbau der Verbindung 400. Die Selbstzentrierung tritt insbesondere während des anfänglichen Einführens (Einbringens) des aufzunehmenden Bauteils 402 in das aufnehmende Bauteil 406 auf.
Beim anfänglichen Aufbau der Verbindung 400 nach dem anfänglichen Einführen kommen die Rückenflanken der Gewinde des aufzunehmenden Bauteils 402 auf der Rückenflanke des aufnehmenden Bauteils 406 zum Ruhen, wobei der abgeschrägte Teil der Rückenflanken die oben beschriebene Selbstzentrierung bereitstellt. Bei der Vervollständigung des Aufbaus in die festgezogene Position unter Kraft tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 410 des aufzunehmenden Bauteils 402 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 422 des aufnehmenden Bauteils 401 in Eingriff, der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 426 des aufzunehmenden Bauteils 402 tritt mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 424 des aufnehmenden Bauteils 406 in Eingriff, und der Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 434 des aufzunehmenden Bauteils 402 tritt mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 440 des aufnehmenden Bauteils 406 in Eingriff. Weiterhin tritt der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 414 des aufnehmenden Bauteils 406 mit dem Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 416 des aufzunehmenden Bauteils 402 in Eingriff, der Abschnitt mit Vollhöhengewinde 428 des aufnehmenden Bauteils 406 tritt mit dem Abschnitt mit Vollhöhengewinde 412 des aufzunehmenden Bauteils 402 in Eingriff, und der Abschnitt mit einlaufendem Gewinde 438 des aufnehmenden Bauteils 406 tritt mit dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde 436 des aufzunehmenden Bauteils 402 in Eingriff. Bei der festgezogenen Position unter Kraft befinden sich die tragenden Flanken, der Grund und die Spitzen der Vollhöhengewinde jedes Bauteils in ausreichendem Kontakt, um einen Dichteingriff bereitzustellen, während die Rückenflanken dieser Gewinde einen leichten Zwischenraum (typischerweise etwa 0,002 inch) aufweisen.
Spiralartige Vollhöhengewindeabschnitte 412 und 426 auf dem aufzunehmenden Bauteil 402 und 424 und 428 auf dem aufnehmenden Bauteil 406 sind auf einer konstanten Verjüngung mit Bezug zu der Längsachse der Verbindung 400 angeordnet, aber die einzelnen Flächen ihres Grunds und ihrer Spitzen befinden sich parallel zu der Längsachse der Verbindung 400. Die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 410 und 436 auf dem aufzunehmenden Bauteil 402 und die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 414 und 440 auf dem aufnehmenden Bauteil 406 haben ihren aufeinanderfolgenden Grund auf einer Fortsetzung der konstanten Verjüngung der benachbarten Abschnitte mit Vollhöhengewinde. Die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 410 und 436 auf dem aufzunehmenden Bauteil 402 und die Abschnitte mit auslaufendem Gewinde 414 und 440 auf dem aufnehmenden Bauteil 406 haben ihre aufeinanderfolgenden Spitzen parallel zu der Längsachse der Verbindung 400 liegend. Die einzelnen Grund- und Spitzenflächen der Abschnitte mit auslaufendem Gewinde sind parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnet. Die Abschnitte mit einlaufendem Gewinde 416 und 434 auf dem aufzunehmenden Bauteil 402 und die Abschnitte mit einlaufendem Gewinde 422 und 438 auf dem aufnehmenden Bauteil 406 haben ihren aufeinanderfolgenden Grund parallel zu der Längsachse der Verbindung 400 liegend, während ihre aufeinanderfolgenden Spitzen auf einer Fortsetzung der konstanten Verjüngung der jeweils größeren oder kleineren Durchmesser der benachbarten Abschnitte mit Vollhöhengewinde angeordnet sind. Obwohl die einzelnen Grundflächen dieser Abschnitte mit einlaufendem Gewinde parallel zu der Längsachse der Verbindung (des Verbindungsbauteils) liegen, können die einzelnen Spitzen entweder auf einer Verjüngung oder parallel zu der Verbindungslängsachse angeordnet werden, wie weiter oben mit Bezug auf die Abschnitte mit einlaufendem Gewinde erläutert.
Die in der FIG. 4 dargestellte Ausführungsform Vier der Erfindung weist ein Gewindeprofil mit einer abgeschrägten Rückenflanke mit einem positiven Rückenflankenwinkel von weniger als etwa 2º auf bezogen auf eine Linie senkrecht zu dem vorhergehenden einzelnen Gewindegrund (und zu der Verbindungslängsachse). Der Winkel der tragenden Flanke ist ein negativer Winkel von etwa 3º oder weniger. In der bevorzugtesten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Rückenflankenwinkel 0º und der Winkel der tragenden Flanke ist ein negativer Winkel von etwa 3º.
Die Effizienz der in der FIG. 4 gezeigten Verbindung ist im wesentlichen die gleiche wie die der in der FIG. 3 gezeigten Verbindung.
FIG. 5A ist eine vergrößerte Ansicht einer zentralen Schulterdichtung 500, dargestellt in der Ausführungsform Eins aus der FIG. 1. Die aufgebaute zentrale Schufterdichtung 500 ist eine Doppelschulterverriegelungsdichtung, die aus einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 510 auf dem aufzunehmenden Bauteil 514 und aus einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 530 auf dem aufnehmenden Bauteil 534 besteht. Eine Gewindeentlastungsnut 512 auf dem aufzunehmenden Bauteil 514 und Gewindeentlastungsnuten 532 auf dem aufnehmenden Bauteil 534 sind aufgrund der Verwendung von Vollhöheneinlaßgewinden 526 auf dem aufzunehmenden Bauteil 514 bzw. von Vollhöheneinlaßgewinden 546 auf dem aufnehmenden Bauteil 534 angeordnet. Werden die Vollhöheneinlaßgewinde nicht verwendet, wie zum Beispiel in den Ausführungsformen Zwei, Drei oder Vier (wie durch die Verbindungen 200, 300 und 400 dargestellt), ist die Verwendung von Gewindeentlastungsnuten optional. Das in der FIG. 5A gezeigte Gewindeprofil ist ein bevorzugter Doppelhaken gemäß der in der FIG. 6D gezeigten Art.
Die FIGN. 5B und 5C zeigen eine erste zentrale Schulterkonfiguration 510 des aufzunehmenden Bauteils 514 bzw. eine zweite zentrale Schulterkonfiguration 530 des aufnehmenden Bauteils 534. Jedes Verbindungsbauteil weist eine Rampe 516 auf dem aufzunehmenden Glied 514 und 536 auf dem aufnehmenden Glied 534 auf. Die zentrale Schulterkonfiguration 510 des aufzunehmenden Verbindungsbauteils 514 weist eine Schulter 520 mit einer ersten Unterschnittfläche 528, einer ersten Dichtfläche 518 und einer vierten Dichtfläche 522 auf. Die zentrale Schulterkonfiguration 530 des aufnehmenden Verbindungsbauteils 534 weist eine Schulter 540 mit einer zweiten Unterschnittfläche 548, einer zweiten Dichtfläche 542 und einer dritten Dichtfläche 538 auf.
Beim Aufbau der zentralen Schulterdichtung 500 wird die erste Dichtfläche 518 auf der Schulter 520 der Konfiguration des aufzunehmenden Glieds 510 ausgerichtet und in die Position auf der entsprechenden ersten Rampe 536 der zentralen Schulteranordnung 530 des aufnehmenden Glieds geführt. Gleichzeitig wird die zweite Dichtfläche 542 an der Schulter 540 der zentralen Schulteranordnung 530 des aufnehmenden Glieds ausgerichtet und in die Position an der entsprechenden zweiten Rampe 516 der zentralen Schulteranordnung 510 des aufzunehmenden Glieds geführt. Beim Fortschreiten des Aufbaus wird eine Metall-zu-Metall-Dichtung erzeugt, indem die erste Dichtfläche 518 auf der Schulter 520 sich gegen die dritte Dichtfläche 538 auf der zentralen Schulteranordnung 530 des aufnehmenden Glieds an Ort und Stelle bewegt. Gleichzeftig wird eine Metall-zu-Metall-Dichtung erzeugt, indem die zweite Dichtfläche 542 auf der Schulter 540 sich gegen die vierte Dichtfläche 522 an der zentralen Schulteranordnung 510 des aufzunehmenden Glieds an Ort und Stelle bewegt. Gehen die Schultern 520 und 540 in Position, verbiegen sie sich typischerweise etwas und schließen den Spalt zwischen der Fläche 524 auf der ersten zentralen Schulterkonfiguration 510 und der Fläche 544 auf der zweiten zentralen Schulterkonfiguration 530, wodurch eine Nullzwischenraum- oder Metall-zu-Metallflächen-Dichtung zwischen mindestens einem Teil der Flächen 524 und 544 erzeugt wird. Diese letztere Nullzwischenraum- oder Metall-zu- Metall-Dichtung kommt nicht zustande, wenn ein wesentlicher Zwischenraum (größer als 0,005 inch) zwischen der Fläche 524 und der Fläche 544 vorgängig vor der oben beschriebenen Biegung vorliegt.
Beim abschließenden Festziehen unter Kraft (Festdrehen) der aufgebauten Verbindung kommt die führende Fläche der Schulter 520 mit der ersten Unterschnittfläche 548 auf der zentralen Schulteranordnung 530 des aufnehmenden Glieds in Kontakt, während die führende Fläche der Schulter 540 mit der zweiten Unterschnittfläche 528 auf der zentralen Schulteranordnung 510 des aufzunehmenden Glieds in Kontakt kommt, wodurch zwei zusätzliche Dichtflächen ohne Zwischenräume erzeugt werden.
Somit wird eine kombinierte Gesamtsumme von mindestens zwei und möglicherweise drei Metall-zu- Metall-Dichtungen ohne Zwischenräume wahrend dem Aufbau der Verbindung erzeugt: Zwei Metall-zu- Metall-Dichtungen an den äußeren balligen Rändern der Doppelschultenverriegelungsdichtung 500, wo die Dichtflächen 518 und 538 und wo die Dichtflächen 522 und 542 in Kontakt stehen, und eine Metall- zu-Metalldichtfläche an der Innenseite der Doppelschulterverriegelungsdichtung 500, und namentlich an der Wandfläche, wo die Dichtflächen 524 und 544 in Kontakt kommen. Die Dichtungen ohne Zwischenräume werden dort erhalten, wo die Stimfläche der Schulter 520 des aufzunehmenden Glieds mit der Unterschnittfläche 548 des aufnehmenden Glieds in Kontakt tnitt und wo die Stimfläche der Schulter 540 des aufnehmenden Glieds mit der Unterschnittfläche 528 des aufzunehmenden Glieds in Kontakt kommt. Somit bildet die zentrale Schulterdichtung 500 multiple Metall-zu-Metall-Dichtungen mit zusammenpassenden Metall-zu-Metall-Dichtflächen aus, die einen Aufbau an gespeicherter Energie innerhalb der Dichtung bei dem Festziehen unter Kraft der aufgebauten Verbindung ermöglichen, so daß während des Einwirkens verschiedener Belastungen auf das Rohr und auch auf die Verbindung die Dichtung ihre Wirkung bei- und den Dichteingriiff aufrechterhält. Darüber hinaus sind verschiedene Dichtungen ohne Zwischenräume bereitgestellt, die zusammen mit den Metall-zu-Metall-Dichtungen Undichtigkeiten unter den verschiedensten Belastungsbedingungen vermeiden, denen die Verbindung ausgesetzt sein kann.
Typischerweise wird eine Gewindeschmierzusammensetzung auf den Flächen der Gewindeverbindung verwendet, wobei diese Gewindeschmierzusammensetzung jegliche Oberflächendefekte und Zwischenräume von weniger als etwa 0,005 inch überbrückt und eine verbesserte Dichtfähigkeit bereitstellt. Eine derartige Gewindeschmierzusammensetzung unterstützt die oben beschriebenen beabsichtigten Metall-zu- Metall-Dichtungen ohne Zwischenräume, wenn Oberflächendefekte oder Herstellungstoleranzen zu einem Zwischenraum zwischen den Metallflächen von weniger als etwa 0,005 inch führen. Eine Gewindeschmierzusammensetzung kann gleichfalls eine hydraulische Dichtung zwischen den Flächen bereitstellen, die nach dem abschließenden Festziehen der Verbindung unter Kraft keinen Nullzwischenraum aufweisen. So können beispielsweise hydraulische Dichtungen zwischen Flächen 529 des aufzunehmenden Glieds 514 und zwischen Flächen 537 des aufnehmenden Glieds 534 sowie zwischen Flächen 517 des aufzunehmenden Glieds 514 und Flächen 549 des aufnehmenden Glieds 534 unter Verwendung einer Gewindeschmierzusammensetzung bereitgestellt werden. Zusätzliche hydraulische Dichtungen können für jeden Absatz der Verbindungsgewinde bereitgestellt sein, da diejenigen Gewindeflächen, die keinen Metall-zu-Metall-Kontakt aufweisen, dichtpassende Flächen sind, die unter Verwendung einer Gewindeschmierzusammensetzung überbrückt werden können.
Es folgt eine Beschreibung der örtlichen Anordnung und der Abmessungen der zentralen Doppelschulterverriegelungsdichtung der vorliegenden Erfindung relativ zu der Querschnittsfläche der Verbindung. Es ist erwünscht, die Querschnittsflächen der Rohrwände, die die Verbindung im Bereich der Doppelschulterverriegelungsdichtung bewerkstelligen, auszubalancieren, wodurch eine effizientere Verbindung erreicht wird. Die folgende Formel enmöglicht die Berechnung des bevorzugten Durchmessers eines Kreises, der durch das radiale Zentrum der Doppelschulterverriegelungsdichtung (radiales Zentrum relativ zu der Längsachse der Verbindung) ausgebildet wird. Dieser bevorzugte Durchmesser ist im wesentlichen gleich zu dem Verbindungsaußendurchmesser im Quadrat plus dem Innendurchmesser der Verbindung im Quadrat minus der Konstante k, geteilt durch zwei, und die Quadratwurzel davon ist das Ergebnis. Die Konstante k ist gleich dem zweifachen der Höhe der miteinander verriegelten Schultern 520 und 540 im Quadrat. Wie in FIG. 5A gezeigt, ist das radiale Zentrum der Doppelschulterverriegelungsdichtung an den in Kontakt kommenden Flächen 524 und 544 der Schulter 520 bzw. der Schulter 540 angeordnet. Die Höhe der miteinander verriegelten Schultern 520 und 540 ist eine Abmessung 552. Die minimale Höhe 552 der miteinander verriegelten Schultern 520 und 540 ist eine Funktion der Wandstärke des Rohrs (der Leitung), das/die für die Ausbildung der Verbindung verwendet wird. Typischerweise beträgt die radiale Höhe 552 der miteinander verriegelten Schultern 520 und 540 das zwei- bis dreifache der Längsbreite, namentlich einer Abmessung 554 in der FIG. 5A, der Schultern 520 und 540. Weiterhin beträgt die Höhe 552 des Querschnitts der sich gegenseitig verriegelnden Schultern 520 und 540 typischerweise 1/4 bis 1/3 der Wandstärke des rohrförmigen Bauteils (Rohr).
Die Verbindung der vorliegenden Erfindung begründet eine konstante Anpreßkraft auf den verschiedenen von der zentralen Schulterdichtung 500 bereitgestellten Dichtungen. Es treten nicht nur die geschwungenen Ränder der Doppelschulterverriegelungsdichtung 500 bei 518, 538 und bei 522, 542 in Interferenzeingriff, um eine Metall-zu-Metall-Dichtung zu bilden, sondern während des Festziehens unter Kraft der Verbindung werden die mit der Unterschnittfläche 548 in Kontakt stehende Stirnseite der Schulter 520 und die mit der Unterschnittfläche 528 in Kontakt stehende Stirnseite der Schulter 540 unter Last gesetzt und der ringförmige Kontakt zwischen den Flächen 524 und 544 bewirkt typischerweise eine Dichtung aufgrund der Biegereaktion an den Schultern durch die mit der Dichtung 538 in Kontakt stehende Dichtung 518 und die mit der Dichtung 522 in Kontakt stehende Dichtung 542 sowie durch den Poisson-Effekt des Metalls während des abschließenden Festziehens unter Kraft.
Eine bevorzugtere Doppelschulterverriegelungsanordnung als die in den FIGN. 5A-5C beschriebene Anordnung wird nachfolgend mit Bezug auf die FIGN. 10A-10C beschrieben werden.
Gleichfalls können andere beim Stand der Technik bekannte zentrale Schulterentwürfe unter Verwendung der Ausführungen mit benachbarten auslaufenden und einlaufenden Gewinden stabilisiert werden. Als Beispiele für diese anderen Entwürfe einer zentralen Dichtung, die stabilisiert werden kann, sind in nicht eingrenzendem Sinne Vierkantschultern; Hakenschultern (wobei die Schulter mindestens einen negativen Winkel relativ zu der Verbindungslängsachse aufweist); Vierkantschultern mit einer Kegelstumpfdichtung; ringförmige Schultern (Schulter auf einer Verjüngung mit der Verbindungslängsachse); Schultern mit Nuten oder einem Ringraum, der einen axialen Unterschnitt aufweist, welcher eine Dichtungsbuchse oder einen Dichtungsring oder einen Ringraum verwendet, und Schultern, die so ausgelegt sind, daß ein Teil ihrer Masse während des Verbindungsaufbaus lateral in benachbarte Nuten herausstößt.
Die FIGN. 6A bis 6D stellen vier bevorzugte Gewindeprofile zur Verwendung in Kombination mit den weiteren Merkmalen der Verbindungen der vorliegenden Erfindung dar.
Der Einfachheit und einer genauen Beschreibung halber werden die folgenden geometrischen Konventionen bei der Beschreibung der Winkel der tragenden und der Rückenflanken der Gewinde der vorliegenden Erfindung verwendet: Der Winkel α stellt den Rückenflankenwinkel und der Winkel β stellt den Winkel der tragenden Flanke der Gewinde dar. Diese Winkel sind in geometrischen Begriffen mit Bezug auf eine Linie definiert, welche senkrecht zu der Längsachse der Verbindung (Rohr) und an dem Grund der Gewindeflanke konstruiert ist. Ein Grad eines negativen Flankenwinkels ist die Drehung in Grad der lotrechten Linie in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn, um auf die Gewindeflanke zu treffen. Ein Grad des positiven Flankenwinkels ist die Drehung in Grad der lotrechten Linie in der Richtung im Uhrzeigersinn, um auf die Gewindeflanke zu treffen. Diese Konventionen zur Definition der Winkel der Rücken- und tragenden Flanke entsprechen nicht notwendigerweise den bei der Herstellung von Rohrgewinden im allgemeinen verwendeten Konventionen.
FIG. 6A zeigt die Querschnittsprofile eines entsprechenden aufzunehmenden Glieds 610 und aufnehmenden Glieds 630 für einen Teil des Doppelhakengewindes voller Höhe 600A. Das Doppelhakengewinde weist einen negativen Winkel der tragenden Flanke β und einen positiven Rückenflankenwinkel α auf. Das Gewindeprofil der Vollhöhengewinde von einem Teil des aufzunehmenden Bauteils 610 ist so dargestellt, wie es innerhalb eines rohrförmigen Abschnittes mit Gewinden der vorliegenden Erfindung erscheinen würde. Eine Rückenflanke 612 bildet einen positiven Rückenflankenwinkel α mit Bezug auf eine Linie lotrecht zu einer Grundwand 616, die parallel zu der Verbindungslängsachse 14 verläuft, und eine tragende Flanke 614 bildet einen negativen Winkel der tragenden Flanke β mit Bezug auf eine Linie lotrecht zu einer Grundwand 618, die parallel zu der Verbindungslängsachse verläuft.
Das Gewindeprofil der Doppelhakengewinde voller Höhe von einem Teil des aufnehmenden Bauteils 630 ist so dargestellt, wie es innerhalb eines rohrförmigen Abschnittes mit Gewinden der vorliegenden Erfindung erscheinen würde. Beispielsweise bildet, auf ähnliche Weise wie für das aufzunehmende Gewinde, eine Rückenflanke 632 einen positiven Winkel α mit Bezug auf eine Linie lotrecht zu einer Grundwand 636, und eine tragende Flanke 634 bildet einen negativen Winkel β mit Bezug auf Linie lotrecht zu einer Grundwand 636. Um das Miteinander-Ineingrifftreten der Doppelhakengewinde des aufzunehmenden Bauteils 610 mit den Doppelhakengewinden des aufnehmenden Bauteils 630 zu ermöglichen, ist es notwendig, daß die Gewindebreite konstant von der führenden Kante (anfänglich in das aufnehmende Bauteil geschobene Kante) des aufzunehmenden Bauteils 610 zunimmt, und daß die Gewindebreite von der entsprechenden Kante des aufnehmenden Bauteils 630, wie in der FIG. 6A gezeigt, konstant abnimmt (die Grundbreite nimmt konstant zu). Somit werden die Gewindeprofil- Spitzenbreiten 620 des aufzunehmenden Bauteils 610 stetig länger, während die Gewindegrundbreiten 622 stetig enger werden, wobei das Gegenteil für das aufhehmende Bauteil 630 zutrifft. Ein Verfahren zur Herstellung von Gewinden mit solchen Abmessungen besteht in der Erzeugung von Gewinderuckenflanken mit einem etwas größeren (längeren) Anschnitt als bei den tragenden Flanken. Die Menge an Anschnittszunahme (ΔL), die notwendig ist, damit die Gewinde beim Anziehen (Einbringen) ineinandergreifen (miteinander in Eingriff treten), ist eine Funktion der Gewindeverjüngung (T) und der Winkel der Rücken- und tragenden Flanke (α bzw. β), und kann entsprechend der folgenden Formel berechnet werden:
ΔL= 1/2 T (tan α +tan β )
Liegt in der Verbindung mehr als ein Absatz der Gewinde vor (beispielsweise ein Gewinde mit zwei Absätzen, wo auf ein Gewindeabschnitt eine zentrale Schulterdichtung folgt, gefolgt von einem zweiten Gewindeabschnitt, der mit einem größeren Axialabstand von der Längsachse der Verbindung angeordnet ist), kann die Gewindebreite von der führenden Kante des aufzunehmenden Bauteils die gesamte Strecke bis zu dem Ende der Verbindung konstant zunehmen; oder alternativ dazu und vorzugsweise nimmt die Gewindebreite stetig innerhalb jedes Gewindeabsatzes zu, beginnend mit dem Gewinde mit minimaler Breite an dem das aufzunehmende Bauteil anführenden Randabsatz der Gewinde, und das Gewinde mit minimaler Breite beginnt wiederum an der vorderen Kante des zweiten Absatzes der aufzunehmenden Gewinde.
Das hinsichtlich der mechanischen Wirksamkeit bevorzugte Doppelhakengewinde weist einen positiven Rückenflankenwinkel und einen negativen Winkel der tragenden Flanke auf, wobei deren absolute Summe (unabhängig von den Winkelvorzeichen) von etwa 5º bis etwa 20º reicht. Typischerweise übertrifft der negative Winkel der tragenden Flanke nicht etwa 8º und der positive Rückenflankenwinkel übersteigt nicht etwa 4º. Allerdings sollte hinsichtlich der Herstellung und der Minimierung der Anschnittsanpassungen, ΔL, die absolute Summe des positiven Rückenflankenwinkels und des negativen Winkels der tragenden Flanke im Bereich von etwas größer als 0º und weniger als 5º liegen, wobei der negative Winkel der tragenden Flanke von etwa 1º bis etwa 4º reicht. Wird diese reduzierte absolute Summe der tragenden und Rückenflankenwinkel verwendet, ist es nicht notwendig, eine konstant zunehmende Gewindebreite zu verwenden, um ein Miteinander-Ineingrifftreten der Verbindungsbauteilgewinde zu ermöglichen. Vorzugsweise ist der Winkel der tragenden Flanke ein größerer absoluter Winkel als der Rückenflankenwinkel, da für Gewindeprofile mit parallel zu der Verbindungslängsachse verlaufenden Spitzen und Grund die Länge der tragenden Flanke geringer als die Rückenflankenlänge ist, wie aus der Ansicht der tragenden Flanke 614 und der Rückenflanke 612 ersichtlich ist. Wird die Verbindung unter den schwersten Betriebsbedingungen betrieben, sind die tragenden Gewindeflanken weiterhin einer größeren zugeführten Kraft als die Rückenflanken ausgesetzt.
FIG. 6B stellt die Querschnittsprofile des entsprechenden aufzunehmenden und aufnehmenden Glieds (660 bzw. 670) einer Ausführungsform des Einzelhakengewindes 600B dar. Das Gewindeprofil der Vollhöhengewinde von einem Teil des aufzunehmenden Bauteils 650 ist dargestellt, wie es innerhalb des rohrförmigen Abschnitts mit Gewinden der vorliegenden Erfindung erscheinen würde. Das unterscheidende Merkmal dieser Ausführungsform des Einzelhakengewindes besteht darin, daß dessen Rückenflanke 652 einen 0º-Winkel α mit Bezug zu einer Linie aufweist, die sowohl zu der Verbindungslängsachse wie zu der Gewindegrundwand lotrecht verläuft, während dessen tragende Flanke 654 einen negativen Winkel β mit Bezug zu einer Linie aufweist, die sowohl zu der Verbindungslängsachse wie zu der Gewindegrundwand lotrecht verläuft. Beispielsweise bildet unter Bezugnahme auf das Gewindeprofil des aufzunehmenden Bauteils 650 die Rückenflanke 652 einen rechten Winkel mit Bezug zu der Verbindungslängsachse, oder einen 0º-Winkel α mit Bezug zu einer zu einer Grundwand 656 lotrechten Linie, während die tragende Flanke 654 einen negativen Winkel β mit Bezug zu einer lotrechten Linie zu einer Grundwand 658 ausbildet. Auf entsprechende Weise bildet unter Bezugnahme auf das Gewindeprofil des aufnehmenden Bauteils 670 eine Rückenflanke 672 einen 0º-Winkel α mit Bezug zu einer lotrechten Linie zu einer Grundwand 676, während eine tragende Flanke 674 einen negativen Winkel β mit Bezug zu einer lotrechten Linie zu einer Grundwand 676 bildet.
Die Einzelhakengewinde weisen einen negativen Rückenflankenwinkel im Bereich von 0º bis etwa 45º und einen negativen Winkel der tragenden Flanke im Bereich von größer als 0º bis etwa 15º auf. Ist der Winkel der tragenden Flanke ein großer negativer Winkel und ist der Rückenflankenwinkel kleiner als der Winkel der tragenden Flanke, wodurch Gewindespitzen erzeugt werden, die breiter als der benachbarte Gewindegrund ist, kann die Verwendung einer konstant zunehmenden Gewindebreite von der führenden Kante des aufzunehmenden Glieds, wie oben für ein Doppelhakengewinde beschrieben, notwendig werden, um ein geeignetes Miteinander-Ineingrifftreten der aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile der Verbindung während des anfänglichen Einführens (Einbringen) zu gestatten.
Ein aus Herstellungsgrunden bevorzugteres Einzelhakengewindeprofil ist ein Profil, bei dem der negative Winkel der tragenden Flanke im Bereich von größer als 0º und weniger als 5º und der negative Rückenflankenwinkel im Bereich von 0º und etwa 2º liegt, wobei die absolute Summe der Winkel weniger als 5º beträgt. Bei der Verwendung dieser reduzierten negativen tragenden Flanken- und Rückenflankenwinkel ist es nicht notwendig, eine konstant zunehmende Gewindebreite zu verwenden, um ein Miteinander- Ineingrifftreten der Verbindungsbauteilgewinde zu ermöglichen. Der notwendige Zwischenraum wird dadurch bewerkstelligt, daß die Gewindespitzen enger als der Gewindegrund ausfallen.
FIG. 6C stellt eine weitere Ausführungsform eines Gewindeprofils 600C dar, das für die Verwendung bei der Verbindung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Dieses Gewindeprofil ist insbesondere für eine Verbindung mit einer zentralen Schulterdichtung (wie die Doppelschulterverriegelung) in Kombination mit einem einzigen auslaufenden Gewinde und einem Vollhöheneinlaßgewinde auf dem entsprechenden Bauteil an jeder Seite der zentralen Schulterdichtung geeignet. Das Gewindeprofil der Vollhöhengewinde von einem Teil des aufzunehmenden Bauteils 690 stellt eine weitere Ausführungsform eines Einzelhakengewindes dar, wie es innerhalb des rohrförmigen Abschnittes mit Gewinden der vorliegenden Erfindung erscheinen würde. Diese spezielle Ausführungsform eines Einzelhakengewindes weist als Merkmal eine tragende Flanke 694 des Gewindes des aufzunehmenden Bauteils 690 auf, die einen großen negativen Winkel β und eine Rückenflanke 692 aufweist, die über einen großen negativen Winkel α verfügt. Im allgemeinen ist der Winkel α größer als der Winkel β, und folglich können Abmessungen mit Flanke-zu-Flanke (tragende zu Rückenflanke) tragenden Gewinden mit einem Zwischenraum zwischen dem Gewindegrund und den Spitzen formuliert werden, beispielsweise mit einem Zwischenraum zwischen einem Grund 696 des aufzunehmenden Bauteils 690 und einer Spitze 699 des aufnehmenden Bauteils 698. Dies steht im Unterschied zu dem Doppelhakengewinde aus der FIG. 6A und zu dem Einzelhakengewinde aus der FIG. 6B, die sich für eine Form als geeigneter erweisen, bei der der Gewindegrund und die Spitzen tragende Flächen mit Zwischenräumen zwischen den entsprechenden Rücken- und tragenden Flanken bereitstellen. Flanke-zu-Flanke tragende Gewinde der in der FIG. 6C dargestellten Art können zur Modifizierung der Interferenz in dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde verwendet werden.
Die Winkel des in der FIG. 6C gezeigten Einzelhakengewindeprofils sind typischerweise derart ausgelegt, daß der negative Winkel der tragenden Flanke von etwa 5º bis etwa 15º und der negative Rückenflankenwinkel von etwa 5º bis etwa 35º reicht, wobei der Rückenflankenwinkel um etwa 10 bis 15º größer als der Winkel der tragenden Flanke ist.
FIG. 6D stellt die Querschnittsprofile eines bevorzugten Doppelhakengewindes 600D dar. Das bevorzugte Doppelhakengewinde weist einen positiven Rückenflankenwinkel α im Bereich eines Winkels von nahezu 0º und von weniger als 2º, und einen Winkel der tragenden Flanke β, der auf einen kleinen negativen Winkel reduziert worden ist und von nahezu 0º bis zu weniger als 5º reicht, wobei die absolute Summe der Flankenwinkel weniger als 5º beträgt. Das Gewindeprofil der Vollhöhengewinde von einem Teil eines aufzunehmenden Bauteils 680 ist dargestellt, wie es innerhalb eines rohrförmigen Abschniffs mit Gewinden der vorliegenden Erfindung erscheinen würde. Das unterscheidende Merkmal des bevorzugten Doppelhakengewindes besteht darin, daß sowohl seine Rückenflanke 682 mit positivem Winkel und seine tragende Flanke mit negativem Winkel 684 einen Winkel von nahezu 0º mit Bezug auf eine Linie aufweist, die lotrecht zu der Verbindungslängsachse und zu der Gewindegrundwand verläuft. So bildet eine Rückenflanke 682 beispielsweise einen Winkel α, der von einem rechten Winkel mit Bezug zu der Verbindungslängsachse bis zu einem positiven Winkel von weniger als 2º mit Bezug auf eine lotrechte Linie zu einer Grundwand 686 reicht; und die tragende Flanke 684 bildet einen Winkel β, der im Bereich von nahezu einem rechten Winkel mit Bezug auf die Verbindungslängsachse bis zu einem negativen Winkel von weniger als 5º mit Bezug auf eine lotrechte Linie zu einer Grundwand 688 reicht. Das entsprechende Gewinde eines aufnehmenden Bauteils 689 weist die gleichen Winkelbereiche wie der Rückenflankenwinkel auf, und der Winkel der tragenden Flanke weist den eben beschriebenen Bereich auf. Es besteht keine Notwendigkeit zur Verwendung einer stetig zunehmenden Gewindebreite, damit das Verbindungsbauteil und das Gewinde miteinander in Eingriff treten (passendes Eingreifen nach dem Einbringen), wenn ein bevorzugtes Doppelhakengewindeprofil der in der FIG. 6D gezeigten Art verwendet wird. Dieses Gewindeprofil ist im wesentlichen ein modifiziertes Vierkantgewinde.
Das am meisten bevorzugte Gewindeprofil zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist ein Profil mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einem 0º- oder einem positiven Rückenflankenwinkel mit einer abgeschrägten Rückenflanke, welche eine Selbstzentrierung bei dem anfänglichen Einführen der Verbindungsbauteile ausführt. Typischerweise erfordert ein Einzelhakengewindeprofil (zu dem dieses Gewindeprofil ähnlich ausfällt) ein Gewinde mit variabler Breite, um ein passendes Miteinander-Ineingritftreten der Gewinde zu ermöglichen. Die FIGN. 7A-7C stellen ein Gewindeprofil mit einem negativen Winkel der tragenden Flanke und einer abgeschrägten Rückenflanke mit 0º in Kombination mit einem Gewinde mit variabler Breite dar. Das Gewindeprofil des aufzunehmenden Bauteils 750 weist eine tragende Flanke 754 mit einem negativen Winkel p und eine abgeschrägte Rückenflanke 702 mit einem 0º-Winkel α auf. Eine Abschrägung 756 weist eine Breite ω und einen Abschrägungsgrad η auf, der eine Funktion der Gewindesteigung und -verjüngung ist. Eine Höhe 758 der Abschrägung 756 weist eienn annähernd gleichen oder geringeren Wert wie die Höhe einer Rückenflanke 752 minus der Höhe der vorhergehenden tragenden Flanke 754 bzw. die "Absatzhöhe" auf. Das Gewindeprofil eines aufnehmenden Bauteils 770 weist eine tragende Flanke 774 mit einem negativen Winkel β und eine abgeschrägte Rückenflanke 772 mit einem 0º-Winkel α auf. Eine Abschrägung 776 verfügt über eine Breite ω und einen Abschrägungsgrad η, wobei die Abschrägungshöhe die gleiche wie die Abschrägungshöhe des aufzunehmenden Bauteils 750 ist. Die Abschrägungsbreite und -höhe und der Abschrägungsgrad des aufnehmenden Bauteils 770 werden auf die Weise bestimmt, die mit Bezug auf das entsprechende aufzunehmende Bauteil 750 beschrieben worden ist, wobei der Abschrägungsgrad eine Funktion der Gewindebreite und -verjüngung ist und die sich ergebende Abschrägungshöhe einen annähernd gleichen oder geringeren Wert wie die Absatzhöhe aufweist. Eine gesteigerte Abschrägungshöhe stellt eine gesteigerte Selbstzentrierung bereit und ist daher bevorzugt, allerdings bietet eine Abschrägungshöhe, die größer als die Absatzhöhe ist, keine Vorteile. Eine Abschrägungsbreite ω von weniger als 0,005 inch ist bevorzugt.
Betreffs der Dimensionierung der Verbindung der vorliegenden Erfindung wird die Stelle der radialen Mittellinie der zentralen Schulterdichtung mit Bezug zu den Außen- und Innendurchmessem des Rohrs bestimmt. Der Auslaufpunkt der Verbindungsgewindeabschniffe ist durch die notwendige minimale Wandstärke an den Enden der Verbindung festgelegt. Die Länge eines Gewindeabschnitts ist eine Funktion der Winkel der Verjüngung der Gewinde und der Durchmesserveränderungen des Gewindes. Da die Gewindeabschnitte an jeder Seite der zentralen Schulterdichtung annähernd eine Hälfte der auf die Verbindung einwirkenden Belastung tragen sollten, kann das Ausmaß der in Eingriff tretenden Gewindelänge bemessen werden, um sicherzustellen, daß sich die Gewinde unter Last nicht abschären (lösen). Sind diese Parameter bekannt, kann der Fachmann daraufhin die Gewindeverjüngung bestimmen.
FIG. 8A stellt eine aufgebaute rohrförmige Verbindung 800A der vorliegenden Erfindung dar. Die Verbindung 800A weist einen Satz auslaufender und einlaufender Gewinde 802 bzw. 804 an jeder Seite einer zentralen Schulterdichtung 810 auf, die als eine Doppelschulterverriegelungsanordnung dargestellt ist. Das gezeigte Gewindeprofil ist ein Doppelhaken,, der auf einem Teil des aufzunehmenden Bauteils 820 und des aufnehmenden Bauteils 830 in der FIG. 8B vergrößert dargestellt ist. Die Doppelhakengewinde verfügen über einen positiven Rückenflankenwinkel α und einen negativen Winkel der tragenden Flanke β, wobei deren absolute Summe größer als etwa 8º ist, und erfordern eine variable, konstant zunehmende Breite der Gewindespitze (d.h. eine Anschnittsanpassung zwischen den Rücken- und tragenden Flanken), damit die Flanken geeignet ineinandergreifen, nachdem die Gewinde während des Festziehens mit Handstärke ineinandergeführt worden sind. Die Verwendung von Gewinden mit variabler Breite ermöglicht es, daß die Zwischenräume zwischen den Flanken in einer aufgebauten Verbindung auf einem Minimum gehalten werden (typischerweise betragen sie nicht mehr als 0,003 inch). Wird somit während des Verbindungsaufbaus eine Gewindeschmierzusammensetzung mit aus Partikeln bestehenden Stoffen verwendet, kann eine zusätzliche Dichtung zwischen den Gewindeflanken dadurch entstehen, daß die Partikel die Flankenzwischenräume überbrücken. Allgemein kann eine derartige Dichtung nur dann ausgebildet werden, wenn die Flankenzwischenräume weniger als etwa 0,005 inch betragen.
FIG. 8B zeigt Teile des aufzunehmenden Bauteils 820 bzw. des aufnehmenden Bauteils 830. Eine Rückenflanke 822 des aufzunehmenden Bauteils 820 weist einen positiven Winkel α von beispielsweise etwa 5º und eine tragende Flanke 824 weist einen negativen Winkel β von beispielsweise etwa 8º auf. Das Profil der Vollhöhengewinde mit variabler Breite, dargestellt auf dem Teil des aufzunehmenden Bauteils 820, weist eine zunehmende Spitzenbreite 825 auf, die dem variablen Gewinde mit abnehmender Breite auf dem aufnehmenden Bauteil 830 entspricht, welches eine zunehmende Grundbreite 828 aufweist.
Werden Doppelhakengewinde mit (nicht dargestellten) Spitzen und Grund mit konstanter Breite in der Verbindung der vorliegenden Erfindung verwendet, ist ein größerer Flankenzwischenraum erforderlich (über 0,005 inch in Abhängigkeit des Entwurfs), wodurch die Abdichtung an den Gewindeflanken unsicher wird. Dies führt zu potentiellen Fluidundichtigkeiten der Gewinde. Daher muß entweder das bevorzugte Doppelhakengewindeprofil mit einer absoluten Summe der Flankenwinkel von weniger als 8º oder ein konventionelles Einzelhakengewindeprofil verwendet werden, um eine Gewindedichtung zu bewerkstelligen, wenn das Gewindeprofil Spitzen und ein Grund mit konstanter Breite aufweist.
FIG. 9 stellt eine weitere Ausführungsform einer aufgebauten rohrförmigen Verbindung 900A der vorliegenden Erfindung dar. Die Verbindung 900A weist benachbart zu einer zentralen Schulterdichtung 910 einen doppelten Satz auslaufender und einlaufender Gewinde 902 bzw. 904 in Kombination mit einem zweiten Satz auslaufender und einlaufender Gewinde 906 bzw. 908 auf, die benachbart zu den Enden der Verbindung angeordnet sind. Vorzugsweise ist eine zentrale Schulterdichtung 910 eine Doppelschulterverriegelungsanordnung. Die Verbindung 900A ist mit einem Einzelhakengewindeprofil mit einer abgeschrägten Rückenflanke dargestellt.
Wie in den FIGN. 9B-9D dargestellt, weist das Gewindeprofil eines Teils des aufzunehmenden Bauteils 950 ein Einzelhakengewinde mit einer Rückenflanke 952, die über einen rechten Winkel mit Bezug zur der Längsachse 14 der Verbindung 900A (oder einem 0º-Winkel mit Bezug auf eine Linie, die lotrecht zu der Längsachse und zu einer Grundwand 966 verläuft) verfügt, und mit einer tragenden Flanke 954 auf, die einen negativen Winkel β mit Bezug zu einer Linie hat, die lotrecht zu der Verbindungslängsachse 14 und zu einer Gewindegrundwand 968 verläuft. Der negative Winkel der tragenden Flanke β reicht vorzugsweise von etwa 1º bis etwa 10º. Das Gewindeprofil des aufnehmenden Bauteils 970 fällt komplementär zu demjenigen des aufzunehmenden Bauteils 950 aus.
Die am meisten bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die in den FIGN. 9A-9D dargestellte Verbindung 900A, die einen doppelten Satz Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde und eine zentrale Doppelschulterverriegelungsdichtung verwendet, jedoch ein Gewinde mit variabler Breite mit einem Einzelhakengewindeprofil einschließlich einer abgeschrägten Rückenflanke, wie in den FIGN. 9A-9D gezeigt, aufweist. Diese Ausführungsform stellt die sanfteste Übertragung von Lasten zwischen dem aufzunehmenden Bauteil 950 und dem aufnehmenden Bauteil 970 bereit, ebenso eine hohe Spannungseffizienz und einen hervorragenden Dichteingriff, um zu verhindern, daß Fluide in die Gewinde ein- und durch die Verbindung (über die Gewinde) durchdringen. Die negative tragende Flanke des Einzelhakengewindes bewirkt, daß sich die zwei Gewindezonen an jeder Seite der zentralen Schulterdichtung als eine Einheit bewegen, und die abgeschrägte Rückenflanke stellt eine Selbstzentrierung beim anfänglichen Einführen des aufzunehmenden Bauteils 950 in das aufnehmende Bauteil 970 bereit.
Die Abschnitte mit auslaufendem und einlaufendem Gewinde der vorliegenden Erfindung lassen die Gewindelast graduell ein- und danach graduell austreten. Die beim Stand der Technik typischerweise verwendeten Vollhöhengewinde bewirken eine abrupte Zunahme der Gewindelast, wodurch plötzlich eine große Kraft übertragen wird, was zu unerwünschten Biegemomenten in der Verbindung führt.
Die Spannungseffizienz einer Verbindung hängt von dem Ausmaß ab, mit dem das aufzunehmende und das aufnehmende Bauteil ausgeformt sind. Allgemein ist bei einem größeren Maß an Ausformung die zu bewerkstelligende Effizienz größer. Somit können in Slim-line-Verbindungen, die einen um bis zu 3,5% größeren Außendurchmesser als derjenige der rohrförmigen Leitung aufweisen, größere Effizienzen bewerkstelligt werden als in bündig anstoßenden Verbindungen, die den gleichen Außendurchmesser wie das Rohr aufweisen.
Der doppelte Satz einlaufender und auslaufender Gewinde der Verbindung 900A ist bevorzugt, weil dies einen maximalen Gebrauch der verfügbaren Rohrwand ohne eine Raumverschwendung in der Form von Zwischenräumen und Spalten in den Gewinden, für die kein komplementäres Ineingrifftreten besteht, bewerkstelligt. Weiterhin ist es erwünscht, über keinen verschwendeten Raum in der Form von Entlastungsnuten, Ausschnitten oder anderen Metallreduktionen zu verfügen. Allerdings erweisen sich die Entlastungsnuten der bei 118 und 120 der Verbindung 100 gezeigten Art insofern als nicht kritisch, weil sie in den Bereichen mit größerem Querschnitt des aufzunehmenden Glieds 102 und des aufnehmenden Glieds 106 angeordnet sind. Daher stellen sie für die Gesamteffizienz der Verbindung keine Gefahr dar.
Bezüglich des in den FIGN. 9A-9D dargestellten und für die Verwendung bei der Verbindung 900A empfohlenen Einzelhakengewindeprofils kann eine Interferenz zwischen den größeren und kleineren Gewindedurchmessern, d.h. zwischen Gewindespitzen 964 des aufzunehmenden Glieds 950 und einem Gewindegrund 984 des aufnehmenden Glieds 970, während des Festziehens unter Kraft entwickelt werden. Darüber hinaus kann eine Interferenz zwischen den benachbarten tragenden Flanken und dem minimalen Zwischenraum zwischen den benachbarten Rückenflanken bei dem Festziehen unter Kraft bereitgestellt werden. Jegliche Interferenzen des Grunds und der Spitzen der Gewinde bewirken eine Umfangsspannung in den aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteilen 650 bzw. 670. Liegt daher bei dem festgezogenen Aufbau unter Kraft irgendeine Interferenz vor, tendiert das Metall des Gewindes zu einer Bewegung aufgrund des Poisson-Effekts, wodurch ein Aneinanderstoßen und Ineingrifftreten der tragenden Flanken bewirkt wird. Die Interferenz variiert in Abhängigkeit von den Rohrdurchmessern und der Rohrgüte. Bezugnehmend auf die FIG. 9A wird die diametrale Interferenz vorzugsweise bei den benachbart zu der zentralen Schulterdichtung 910 liegenden Gewindeabschnitten 902 und 904 maximiert und bei den Gewindeabschnitten 906 und 908 an den Enden der Verbindung 900A graduell minimiert. Diese graduelle Reduzierung in der diametralen Interferenz ist deshalb vorgesehen, um die dünnwandigen Bauteilegewindeabschnitte, zum Beispiel den Abschnitt 934 des aufzunehmenden Bauteils 950 an den Enden der Verbindung zu schützen. Die benachbart zu der zentralen Schulterdichtung 900A liegenden Bereiche größeren Querschnitts fallen steifer aus und können daher eine größere diametrale Interferenz aufweisen und eine größere Umfangsspannung absorbieren. Die Bereiche größeren Querschnitts sowohl des kleinen Absatzes des aufzunehmenden Bauteils 950 und des großen Absatzes des aufnehmenden Bauteils 970 benachbart zu jeder Seite der zentralen Schulterdichtung 910 fallen annähernd gleich aus. Die innere diametrale Interferenz zwischen den Gewindespitzen und dem Gewindegrund wird überwacht, um sowohl lineare Beanspruchungen in dem Bereich größeren Querschnitts der aufnehmenden und aufzunehmenden Bauteile wie um lineare Beanspruchungen an den Bereichen dünneren Querschnitts der aufzunehmenden und aufnehmenden Bauteile benachbart zu ihren Enden zu bewerkstelligen. Ein bestimmtes Maß an diametraler Interferenz ist erforderlich, um eine dicht eingreifende Passung der Gewinde zu bewerkstelligen. Die allgemeine Regel lautet, daß die Interferenz zwischen 0,001 und 0,002 inch pro inch Durchmesser variiert, wobei an den Enden der Verbindung weniger Interferenz als an der Nachbarschaft der zentralen Schulterdichtung auftritt.
Die bevorzugte zentrale Dichtung ist gegenüber der in dem Bohrgestänge angeordneten Last isoliert. Mit anderen Worten sollte die zentrale Schulterdichtung 910 der Verbindung 900A stabil und unempfindlich gegenüber verschiedenen in der Verbindung befindlichen Lasten sein. Die bei 910 gezeigte Doppelschulterverriegelungsdichtung der Verbindung 900A weist redundante Dichtungssysteme, d.h. eine Mehrzahl von Metall-zu-Metall-Dichtungen auf, um einen effektiven Dichteingriff zu bewerkstelligen, so daß die Dichtung bei der Anwendung verschiedener Lasten auf die Verbindung wie z.B. interner und externer Druck, axiale Spannung oder Kompression, und Spannungs- und Biegemomente nicht ausfällt.
FIG. 10A ist eine vergrößerte Ansicht einer zentralen Schulterdichtung 1000, die in der Ausführungsform der gesamten, in der FIG. 4 dargestellten Verbindung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Die aufgebaute zentrale Schulterdichtung 1000 ist eine Doppelschulterverriegelungsdichtung aus einer ersten zentralen Schulterkonfiguration 1010 auf einem aufzunehmenden Bauteil 1014 und aus einer zweiten zentralen Schulterkonfiguration 1030 auf einem aufnehmenden Bauteil 1034.
Die FIGN. 10B und 10C zeigen eine erste zentrale Schulterkonfiguration 1010 des aufzunehmenden Bauteils 1014 bzw. die zweite Schulteranordnung 1030 des aufnehmenden Bauteils 1034. Jedes Verbindungsbauteil weist eine Rampe 1016 auf dem aufzunehmenden Glied 1014 und eine Rampe 1036 auf dem aufnehmenden Glied 1034 auf. Die zentrale Schulterkonfiguration 1010 des aufzunehmenden Verbindungsbauteils 1014 weist eine Schulter 1020 mit einer ersten Unterschnittfläche 1028, einer ersten Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1018, einer zweiten Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1022 und einer dritten Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1024 auf. Die zentrale Schulterkonfiguration 1030 des aufnehmenden Verbindungsbauteils 1034 weist eine Schulter 1040 mit einer zweiten Unterschnittfläche 1048, einer vierten Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1038, einer fünften Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1042 und einer sechsten Metall-zu-Metall-Dichtfläche 1044 auf.
Beim Aufbau der zentralen Schulterdichtung 1000 wird die erste Dichtfläche 1018 auf der zentralen Schulterkonfiguration 1010 der Konfiguration des aufzunehmenden Glieds 1014 ausgerichtet und auf der entsprechenden ersten Rampe 1036 der zentralen Schulteranordnung des aufnehmenden Glieds 1030 in Position geführt. Gleichzeitig wird die fünfte Dichtfläche 1042 auf der zentralen Schulteranordnung 1030 des aufnehmenden Bauteils ausgerichtet und auf der entsprechenden zweiten Rampe 1016 der zentralen Schulteranordnung 1010 des aufzunehmenden Bauteils in Position geführt. Beim Fortschreiten des Aufbaus wird eine Metall-zu-Metall-Dichtung an drei Stellen erzeugt: Zwischen der ersten Dichtfläche 1018 der zentralen Schulteranordnung 1010 des aufzunehmenden Glieds und der vierten Dichtfläche 1038 einer zentralen Schulterkonfiguration 1030; zwischen der zweiten Dichtfläche 1022 einer zentralen Schulterkonfiguration 1010 und der fünften Dichtfläche 1042 der zentralen Schulteranordnung des Aufnahmeglieds 1030; und zwischen der driffen Dichtfläche 1024 der zentralen Schulteranordnung 1010 des aufzunehmenden Glieds und der sechsten Dichtfläche 1044 der zentralen Schulteranordnung 1030des aufzunehmenden Glieds.
Beim abschließenden Festziehen (Festdrehen) der aufgebauten Verbindung unter Kraft triff die führende Fläche der Schulter 1020 mit der ersten Unterschnittfläche 1048 auf der zentralen Schulteranordnung 1030 des aufnehmenden Bauteils in Kontakt, während die führende Fläche der Schulter 1040 mit der zweiten Unterschnittfläche 1028 der zentralen Schulteranordnung 1010 des aufzunehmenden Bauteils in Kontakt triff, wodurch zwei zusätzliche Dichtflächen ohne Zwischenräume erzeugt werden.
Somit werden im gesamten drei Metall-zu-Metall-Dichtungen und zwei Dichtungen ohne Zwischenräume während des Aufbaus (Erstellen) der Verbindung erzeugt.
Typischerweise wird wie oben beschrieben eine Gewindeschmierzusammensetzung auf den Gewindeflächen der Verbindung verwendet, um jegliche Oberflächendefekte und Zwischenräume von weniger als etwa 0,005 inch zu überbrucken.
Die oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beabsichtigen nicht, den durch die nachfolgenden Anspruche ausgedruckten Rahmen der vorliegenden Erfindung zu begrenzen, da der Fachmann durch nur geringes Experimentieren den Rahmen der Ausführungsformen erweitern kann, um den durch die Anspruche ausgedruckten Rahmen zu treffen.

Claims

1. Rohrförmige Verbindung mit:

mindestens zwei Verbindungsbauteilen; wobei

jedes Verbindungsbauteil mindestens zwei Gewindeabschnitte mit Gewinden aufweist, die Rückenflanken und tragende Flanken haben, und wobei eine zentrale Schulter zwischen den mindestens zwei Gewindeabschnitten vorgesehen ist;

wobei die zentralen Schultern miteinander in Eingriff treten, um eine zentrale Schulterdichtungsanordnung zu bilden; dadurch gekennzeichnet, daß:

die mindestens zwei Gewindeabschnitte mindestens einen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde aufjedem Verbindungsbauteil aufweisen sowie in Eingriff tretende Gewinde auf dem anderen Verbindungsbauteil;

wobei der mindestens eine Abschnitt mit auslaufendem Gewinde benachbart der zentralen Schulterdichtungsanordnung angeordnet ist; und

wobei die zentralen Schultern so angeordnet sind, daß eine zentrale Schulterdichtungsanordnung mit einer Mehrzahl von Dichtflächen gebildet wird.

2. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die Gewinde Gewinde mit variabler Breite sind, bei welchen die Gewindebreite progressiv zunimmt, und wobei die Gewindespitzen der Gewinde breiter als der jeweils benachbarte Gewindegrund sind.

3. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die zentrale Schulterdichtungsanordnung eine Doppelschulterverriegelungsanordnung aufweist.

4. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die zentrale Schulterdichtungsanordnung eine Hakenschulter mit einer Kegelstumpfdichtung ist.

5. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die Gewinde einen negativen tragenden Flankenwinkel von nahezu 0º bis zu einem Winkel von etwa 3º und einen positiven Rückenflankenwinkel von 0º bis etwa 2º haben.

6. Verbindung nach Anspruch 1, ferner versehen mit einer abgeschrägten Rückenflanke zum Zentrieren eines Verbindungsbauteils bezüglich dem anderen Verbindungsbauteil.

7. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Gewindeabschnitte Gewinde voller Höhe aufweisen, wobei die Rückenflanke der Vollhöhengewinde abgeschrägt ist.

8. Verbindung nach Anspruch 1, wobei jedes Verbindungsbauteil einen einlaufenden Gewindeabschnitt gegenüber dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde des anderen Verbindungsbauteils aufweist.

9. Verbindung nach Anspruch 1, wobei jedes Verbindungsbauteil einen Gewindeabschnitt voller Höhe gegenüberliegend dem Abschnitt mit auslaufendem Gewinde auf dem anderen Verbindungsbauteil aufweist.

10. Verbindung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsbauteile jeweils hintere Enden aufweisen und ferner mindestens einen zusätzlichen Abschnitt mit auslaufendem Gewinde zwischen der zentralen Schulterdichtungsanordnung und dem hinteren Ende jedes Verbindungsbauteils aufweisen.

11. Verbindung nach Anspruch 1, wobei jedes Verbindungsbauteil ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, wobei der Abschnitt mit auslaufendem Gewinde ein erster Abschnitt mit auslaufendem Gewinde ist, der zwischen der zentralen Schulterdichtungsanordnung und dem vorderen Ende angeordnet ist, und wobei jedes Verbindungsbauteil ferner einen zweiten Abschnitt mit auslaufendem Gewinde aufweist, der benachbart dem hinteren Ende jedes Verbindungsbauteils angeordnet ist und an jedem Verbindungsbauteil einlaufende Gewindeabschnitte vorgesehen sind, die gegenüberliegend den ersten und zweiten Abschnitten mit auslaufendem Gewinde auf dem anderen Verbindungsbauteil angeordnet sind.

12. Verbindung nach Anspruch 1, wobei:

die mindestens zwei Verbindungsbauteile ein erstes Bauteil mit einer ersten zentralen Schulter und ein zweites Bauteil mit einer zweiten zentralen Schulter aufweisen;

die erste zentrale Schulter eine erste Schulter und eine erste Unterschnittfläche aufweist und die zweite zentrale Schulte eine zweite Schulter und eine zweite Unterschnittfläche aufweist.

13. Verbindung nach Anspruch 12, wobei mindestens eine der ersten und zweiten Schultern mit einer der ersten und zweiten Unterschnittflächen dichtend in Eingriff tritt.

14. Verbindung nach Anspruch 12, wobei die erste Schulter eine erste äußere Dichtfläche aufweist und wobei die erste Unterschnittfläche eine erste innere Dichtfläche aufweist, wobei die zweite Schulter eine zweite äußere Dichtfläche aufweist und die zweite Unterschnittfläche eine zweite innere Dichtfläche aufweist, und wobei mindestens eine der ersten äußeren Dichtflächen eine Metall-zu- Metall-Dichtung mit einer der ersten und zweiten inneren Dichtflächen bildet.

15. Verbindung nach Anspruch 14, wobei die erste und zweite äußere und innere Dichtfläche durch ballige Flächen gebildet sind.

16. Verbindung nach Anspruch 12, wobei die ersten und zweiten Unterschnittflächen jeweils einen Abschnitt aufweisen, der mit der zweiten bzw. der ersten in Interferenzeingriff tritt.

17. Verbindung nach Anspruch 12, wobei die erste Schulter und die erste Unterschnittfläche eine erste Fläche bilden, die sich zwischen diesen erstreckt, und wobei die zweite Schulter und die zweite Unterschnittfläche eine zweite Fläche bestimmen, die sich zwischen diesen erstreckt, und wobei eine Dichtung zwischen der ersten und der zweiten Fläche gebildet ist.

18. Verbindung nach Anspruch 12, wobei das erste Bauteil ferner eine erste innere Rampenfläche, die sich von der ersten Unterschnittfläche aus erstreckt, sowie eine erste äußere Rampenfläche aufweist, die sich von der ersten Schulter aus erstreckt, und wobei das zweite Bauteil ferner eine zweite innere Rampenfläche, die sich von der zweiten Unterschnittfläche aus erstreckt, sowie eine zweite äußere Rampenfläche aufweist, die sich von der zweiten Schulter aus erstreckt, wobei mindestens eine der ersten und zweiten äußeren Rampenflächen in Interferenzeingriff mit einer der ersten und zweiten inneren Rampenflächen steht.

19. Verbindung nach Anspruch 18, wobei die ersten und zweiten Verbindungsbauteile Rampenflächen zum Ausrichten und Führen der ersten und zweiten äußeren Rampenflächen in Dichteingriff mit der zweiten bzw. ersten inneren Rampenfläche aufweisen.

20. Verfahren zum Stabilisieren einer rohrförmigen Verbindung mit mindestens zwei Verbindungsbauteilen, die jeweils eine zentrale Schulter aufweisen, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Verschrauben eines Abschnitts mit auslaufendem Gewinde an einem der Verbindungsbauteile, welcher zwischen dessen zentraler Schulter und einem vorderen Ende angeordnet ist, mit einen Gewindeabschnitt des anderen Verbindungsbauteils;

Verschrauben eines Abschnitts mit auslaufendem Gewinde an dem anderen Verbindungsbauteil, welcher zwischen dessen zentraler Schulter und dem vorderen Ende angeordnet ist, mit einem Gewindeabschnitt an dem einen der Verbindungsbauteile; und

Ineingriffbringen der zentralen Schultern, um eine Dichtung zwischen den beiden Verbindungsbauteilen zu bewirken, wobei die Dichtung eine Mehrzahl von Dichtflächen aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Gewindeabschnitte, die mit den Abschnitten mit auslaufendem Gewinde verschraubt werden, Abschnitt mit einlaufendem Gewinde sind.