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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen röhrenförmige Gewindeverbindungen für ein Ölfeld, die
in der Lage sind, während
Bohrvorgängen Drehmoment über die
Gewindeverbindung zu übertragen.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung röhrenförmige Gewindeverbindungen für ein Ölfeld an
Rohrgestänge,
Schwerstangen oder Bohrstangenschlössern, die verjüngte Gewinde
zwischen einer radial äußeren Schulter
und einer radial inneren Schulter beinhalten, auf die gewöhnlich als
drehbare Schulterverbindung Bezug genommen wird. Die Doppelschulterverbindung
ist so gestaltet, dass sie erhöhtem
Drehmoment standhält
und eine Drehfestigkeit aufrechterhält, die mit der des röhrenförmigen Teils
vergleichbar ist.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Doppelschulter-Gewindeverbindungen
an röhrenförmigen Teilen
für ein Ölfeld beinhalten
typischerweise einen Zapfenverbinder an einem Ende des röhrenförmigen Teils
und einen Büchsenverbinder
am anderen Ende. Jeder Verbinder ist dafür ausgelegt, mit einem entsprechenden
Verbinder am entgegengesetzten Ende eines weiteren röhrenförmigen Teils
zusammenzupassen.
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Der
Zapfenverbinder beinhaltet normalerweise einen großen Innendurchmesser
oder Strömungsweg
und ein Außengewinde,
das sich axial zwischen einer radial äußeren Außenschulter und einer radial inneren
Zapfenfläche
erstreckt. Der Zapfenverbinder beinhaltet auch einen Basisabschnitt,
der sich axial zwischen der Außenschulter
und dem Außengewinde
erstreckt und einen Spitzenabschnitt, der sich axial zwischen der
Zapfenfläche
und dem Außengewinde
erstreckt. Der Büchsenverbinder
beinhaltet typischerweise einen Innendurchmesser, der einen Strömungsweg
definiert, der mit dem des Innendurchmessers des Zapfenverbinders
im Wesentlichen konsistent ist, wobei sich ein Innengewinde axial
zwischen einer radial inneren Innenschulter und einer radial äußeren Büchsenfläche erstreckt,
für eine
Gewindeverbindung mit dem Zapfenverbinder, und einen Schulterbohrungsabschnitt,
der sich zwischen den Innengewinden und der Büchsenfläche befindet.
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Die
Außengewinde
und Innengewinde beinhalten typischerweise eine Verjüngung, die
sich von einem ersten Zapfen-Gewindegang, dem Spitzenabschnitt benachbart,
zu einem letzten Zapfen-Gewindegang, dem Basisabschnitt benachbart,
radial nach außen
erstreckt, die ausreichend verjüngt
ist, um eine schnelle und wirksame Verbindung der Zapfen- und Büchsenverbinder
zu gestatten.
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Beim
herkömmlichen
Bohrgestänge
gibt es üblicherweise
keine Innenschulter im Büchsenelement
zum Stoßeingriff
einer Spitze oder Fläche
des Zapfens. Wenn die Zapfen- und
Büchsenverbinder an
der Oberfläche
drehbar verbunden werden, wird ein Drehmoment erreicht, das den
Zapfen am letzten im Eingriff befindlichen Gewindegang bis zu etwa
der Hälfte
seiner Formänderungsfestigkeit
belastet. Wenn während
Bohrvorgängen
zusätzliches
Drehmoment übertragen
wird, ist es möglich,
die Drehfestigkeit der Gewinde an den Zapfen- und Büchsenverbindern
zu überschreiten.
Folglich ist es vorteilhaft, Bohrstangenschlösser mit hohen Drehmomentübertragungsfähigkeiten
zu verwenden, um die schwächere
Gewindeverbindung zu überwinden.
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Während eine
Anzahl von Versuchen unternommen wurde, um eine Gewindeverbindung
mit hohen Fähigkeiten
einem Drehmoment standzuhalten, haben sich sehr wenige auf die Fähigkeit
konzentriert, einem Drehmoment standzuhalten, damit die Scherspannung
auf den Gewinden nicht schwächer ist
als die Festigkeit des gesamten Bohrstangenschlosses, einschließlich der
Gewindeverbindung. Als Folge von Versuchen, einem Drehmoment in
der Gewindeverbindung standzuhalten, wurden verschiedene Gestaltungsänderungen
an Bohrstangenschlössern
vorgenommen, während
versucht wurde, einen maximalen Innendurchmesser oder Strömungsweg
aufrechtzuerhalten.
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Beispielsweise
legt das
US-Patent Nr. 4,548,431 für Hall et
al. ein Bohrstangenschloss dar, das so gestaltet ist, dass es höher Drehmomentlast standhält als herkömmliche
Bohrstangenschlösser. Die
Gestaltung von Hall et al. beinhaltet eine Gewindeverbindung mit
einem Zapfenspitzenabschnittsdurchmesser, der abnimmt, wenn die
Gewindelänge erhöht wird.
Da die Drehfestigkeit des Bohrstangenschlosses von Hall et al. vom
Durchmesser des Zapfenspitzenabschnitts abhängig ist, beeinflusst die Gewindelänge die
Drehfestigkeit nachteilig. Wie später durch Prüfen der
Gestaltung von Hall et al. ermittelt wurde, führten Verbindungen, die mit
Gewindelängen
gestaltet wurden, die für
den kleinsten erwarteten Innendurchmesser angemessen waren, zu einer
Querschnittsfläche
des Zapfenspitzenabschnitts beim größten verfügbaren Durchmesser, der zu
klein war. Größere Innendurchmesser
erzeugten eine Zapfenspitze mit unzureichender Festigkeit verglichen
mit der Zapfenbasis, dem Büchsen-Schulterbohrungsabschnitt
und dem Gewinde. Somit war die Gewindeverbindung nicht ausgewogen.
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Das
US-Patent Nr. 5,492,375 offenbart
eine Verbesserung gegenüber
dem Patent von Hall et al. Das Patent '375 ist auf die Maximierung der Drehfestigkeit
der Gewindeverbindung gerichtet, indem die Gewindelänge und
der Spitzendurchmesser für
jeden gegebenen Innendurchmesser optimiert wird. Jedoch weder Hall
et al. noch das Patent '375
erzielen eine geometrisch ausgewogene Gewindeverbindung ohne die
Notwendigkeit, den Spitzendurchmesser oder die Querschnittsfläche mit
der Gewindelänge
zu korrelieren.
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Zusätzlich verwendet
das
US-Patent Nr. 4,549,754 eine
Gewindegestaltung, die Lasten entlang mehrerer Gewindegänge linear
verteilt, indem die Verjüngung
am Außengewinde
relativ zum Innengewinde verringert wird, so dass die Verjüngung des Außengewindes
relativ zum Innengewinde, so dass die Verjüngung des Außengewindes
im Allgemeinen geringer als die Verjüngung des Innengewindes ist.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet eine neuartige Gewindegestaltung
für röhrenförmige Verbindungen
im Bohrloch, die bei der Produktion auf einem Ölfeld und/oder Abschlussanwendungen
verwendet werden. Die Gewindeverbindung kann aus einem männlichen
Zapfenelement an einem Ende des röhrenförmigen Teils bestehen, das
sich in einem weiblichen Büchsenelement
an einem Ende eines weiteren röhrenförmigen Teils
ergänzt,
wobei jedes röhrenförmige Teil
ein Zapfenelement an einem Ende und ein Büchsenelement am anderen Ende
aufweist. Die neuartige Gewindegestaltung der vorliegenden Erfindung
verwendet eine Doppelschulterverbindung, die ein verjüngtes Gewinde
zwischen einer radial äußeren Außenschulter
am Zapfenelement und einer radial inneren Innenschulter am Büchsenelement
beinhaltet. Die Gewindeverbindung ist geometrisch ausgewogen, um
einem Drehmoment in der Gewindeverbindung standzuhalten, nachdem
eine Vorlastbeanspruchung in einem Bereich radial dem letzten Zapfen-Gewindegang
benachbart eingeführt wurde
und die radial innere Schulter in die Zapfenfläche eingreift. Hauptüberlegung
wird dem Innendurchmesser oder Strömungsweg des röhrenförmigen Teils
für die Überführung von
Bohrfluid gewidmet. Somit nimmt der Innendurchmesser der Gewindeverbindung
Vorrang gegenüber
der Festigkeit der Verbindung ein.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die Maximierung der Drehfestigkeit
einer Gewindeverbindung gerichtet, indem eine quer verlaufende Querschnittsfläche eines
Schulterbohrungsabschnitts der Büchse und
eine quer verlaufende Querschnittsfläche einer Spitze eines Zapfens
korreliert werden. Die vorliegende Erfindung erreicht das vorhergehende
Ziel durch Verwendung eines röhrenförmigen Zapfens
mit Außengewinde,
das sich axial zwischen einer radial äußeren Außenschulter und einer radial
inneren Zapfenfläche
erstreckt. Der Zapfen beinhaltet einen Basisabschnitt, der sich
axial zwischen der Außenschulter
und Außengewinde
erstreckt und einen Spitzenabschnitt, der sich axial zwischen der
Zapfenfläche und
Außengewinde
erstreckt. Der Spitzenabschnitt definiert eine Spitzenquerschnittsfläche zwischen dem
Innendurchmesser des Spitzenabschnitts und einem Außendurchmesser
des Spitzenabschnitts. Das Außengewinde
beinhaltet eine Verjüngung,
die wesentlichen geringer als Verjüngungen von Standard-Bohrstangenschlössern sind,
und beinhaltet vorzugsweise eine Verjüngung von weniger als der Innengewindeverjüngung und
nicht mehr als 2,54 m (1 inch) pro 0,305 m (foot), die sich von
einem ersten Zapfen-Gewindegang, dem Spitzenabschnitt benachbart,
zu einem letzten Zapfen-Gewindegang, dem Basisabschnitt benachbart,
radial nach außen erstreckt.
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Eine
röhrenförmige Büchse ist
zur Verbindung mit dem Zapfen mit Gewinde versehen und weist ein
Innengewinde auf, das sich axial zwischen einer radial inneren Innenschulter
und einer radial äußeren Büchsenfläche erstreckt.
Die Büchse
beinhaltet einen Schulterbohrungsabschnitt zwischen dem Innengewinde
und der Büchsenfläche. Der
Schulterbohrungsabschnitt definiert die Schulterbohrungsquerschnittsfläche zwischen
einem Innendurchmesser des Schulterbohrungsabschnitts und einem
Außendurchmesser
des Schulterbohrungsabschnitts. Die Büchse definiert eine Büchsenquerschnittsfläche zwischen
einem Innendurchmesser der Büchse
und einem Außendurchmesser
der Büchse
an einer Stelle, die mit Abstand axial entgegengesetzt zum Innengewinde
hinsichtlich der Innenschulter angeordnet ist. Wenn die Gewindeverbindung
zusammengesetzt wird, wird eine Vorlastbeanspruchung in einem Bereich
dem letzten Zapfen-Gewindegang benachbart eingeführt und werden die Zapfenfläche und
die Innenschulter in Eingriff gebracht. Zusätzliches Drehmoment, das der
Gewindeverbindung während
Zusammensetzungsvorgängen
auferlegt wird, wird über die
schwächere
Gewindeverbindung übertragen, was
zu einem ebenen Eingriff der Zapfenfläche und der Innenschulter führt. Als
Folge hängt
die Gesamtfestigkeit des Bohrstangenschlosses von der Drehfestigkeit
der Gewindeverbindung in dem Bereich ab, der der im Eingriff befindlichen
Zapfenfläche
und Innenschulter benachbart ist.
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Die
Drehfestigkeit der Gewindeverbindung ist verbessert durch Einschränken der
kombinierten Schulterbohrungsquerschnittsfläche und Spitzen-Querschnittsfläche auf
wenigstens 70% der Büchsen-Querschnittsfläche. Daher
besteht eine Korrelation zwischen der Schulterbohrungsquerschnittsfläche (A1)
und Spitzen-Querschnittsfläche (A2)
und der Büchsen-Querschnittsfläche (A3),
so dass: A1 + A2 = (70%) A3. Die vorhergehende Korrelation kann
aufrechterhalten werden, während
auch gefordert wird, dass der Schulterbohrungsabschnitt eine axiale
Länge von
wenigstens 3,81 cm (1,5 inch) zwischen dem Innengewinde und der
Büchsenfläche beinhaltet.
Somit hängt
die Drehfestigkeit der Gewindeverbindung von A1 + A2 = (70%) A3
ab und entweder das Gewinde beinhaltet eine Verjüngung nicht größer als
2,54 cm (ein inch) pro foot oder der Schulterbohrungsabschnitt weist
eine axiale Länge
von wenigstens 3,81 cm (1,5 inch) auf.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Schulterbohrungsquerschnittsfläche wenigstens
10% größer als
die Querschnittsfläche zwischen
einem Grund des letzten Zapfen-Gewindegangs und einem radial dazu
benachbarten Innendurchmesser des Zapfens, und das Innengewinde und
das Außengewinde
weisen einen axialen Abstand von etwa 3,5 Gewindegängen pro
2,54 cm (inch) auf. Außerdem
ist der Innendurchmesser des Spitzenabschnitts nicht geringer als
der Innendurchmesser der Büchse
an einer Stelle, die mit Abstand axial entgegengesetzt zum Innengewinde
hinsichtlich der Innenschulter angeordnet ist, und ist der Außendurchmesser
der Büchse
nicht größer als
ein Außendurchmesser
der Büchse
zwischen der Büchsenfläche und
der Innenschulter.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung definieren ein Außendurchmesser des Basisabschnitts
und Innendurchmesser des Schulterbohrungsabschnitts einen radialen
Zwischenraum von wenigstens 0,0762 cm (0,03 inch), wenn der Zapfen
und die Büchse
verbunden sind. Der Außendurchmesser
des Spitzenabschnitts und ein radial dem Spitzenabschnitt benachbarter
Innendurchmesser der Büchse
definieren ebenfalls einen radialen Zwischenraum von wenigstens
0,0762 cm (0,03 inch), wenn der Zapfen und die Büchse verbunden sind.
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Gemäß einem
bevorzugten Verfahren zum Ausbilden der Gewindeverbindung der vorliegenden Erfindung
wird ein Zapfen mit Außengewinde
ausgebildet, das sich axial zwischen einer radial äußeren Außenschulter
und eine radial inneren Zapfenfläche erstreckt.
Der Zapfen beinhaltet einen Basisabschnitt, der sich axial zwischen
der Außenschulter und
dem Außengewinde
erstreckt und einen Spitzenabschnitt, der sich axial zwischen der
Zapfenfläche und
Außengewinde
erstreckt. Der Spitzenabschnitt definiert eine Spitzen-Querschnittsfläche zwischen dem
Innendurchmesser des Spitzenabschnitts und einem Außendurchmesser
des Spitzenabschnitts. Das Außengewinde
beinhaltet eine Verjüngung
nicht größer als
ein inch pro foot, das sich vom ersten Zapfen-Gewindegang, dem Spitzenabschnitt
benachbart, zum einem letzten Gewindegang, dem Basisabschnitt benachbart,
radial nach außen
erstreckt.
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Eine
röhrenförmige Büchse ist
zur Gewindeverbindung mit dem Zapfen ausgebildet und weist ein Innengewinde
auf, das sich axial zwischen einer radial inneren Innenschulter
und einer radial äußeren Büchsenfläche erstreckt.
Die Büchse
beinhaltet einen Schulterbohrungsabschnitt zwischen dem Innengewinde
und der Büchsenfläche. Der
Schulterbohrungsabschnitt definiert eine Schulterbohrungsquerschnittsfläche zwischen
einem Innendurchmesser des Schulterbohrungsabschnitts und einem
Außendurchmesser
des Schulterbohrungsabschnitts. Die Büchse definiert eine Büchsen-Querschnittsfläche an einer
Stelle, die mit Abstand axial entgegengesetzt zum Innengewinde hinsichtlich
der Innenschulter angeordnet ist, zwischen einem Innendurchmesser
der Büchse
und einem Außendurchmesser
der Büchse. Die
Schulterbohrungsquerschnittsfläche
und die Spitzen-Querschnittsfläche definieren
eine kombinierte Querschnittsfläche
von wenigstens 70% der Büchsen-Querschnittsfläche. Der
Zapfen und die Büchse
werden dann verbunden, um die Büchsenfläche mit
der Außenschulter
in Eingriff zu bringen und eine Vorlastbeanspruchung auf sowohl
den Zapfen als auch die Büchse
in einem Bereich einzuführen, der
dem letzten Spitzen-Gewindegang benachbart ist. Schließlich wird über den
ebenen Eingriff der Zapfenfläche
und Innenschulter während
Bohrvorgängen Drehmoment übertragen,
so dass die Gewindeverbindung eine Drehfestigkeit besitzt, die mit
der des röhrenförmigen Teils
vergleichbar ist.
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Es
ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Doppelschulter-Gewindeverbindung bereitzustellen, die in der Lage
ist, in der Gewindeverbindung einem Drehmoment standzuhalten, und
eine Drehfestigkeit besitzt, die mit der des röhrenförmigen Teils vergleichbar ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung mit
einer kombinierten Schulterbohrungsquerschnittsfläche und
Spitzen-Querschnittsfläche
von wenigstens 70% der Büchsen-Querschnittsfläche bereitzustellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Doppelschulter-Gewindeverbindung mit Innengewinde und Außengewinde
bereitzustellen, die einen axialen Abstand aufweisen, der ausreicht,
um die Zapfen- und Büchsenelemente
zu befestigen, wenn sie unter Spannung gesetzt werden, und die Drehmomentübertragung über die
Gewinde in die Innenschulter erleichtern.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
mit ausgewogenen Geometrien bereitzustellen, so dass:
- 1. A1 + A2 ≥ (70%)
A3; und
- 2. die Außengewindeverjüngung nicht
größer als 2,54
cm (ein inch) pro 30,48 cm (foot) ist; oder
- 3. die axiale Länge
des Schulterbohrungsabschnitts wenigstens 3,81 cm (1,5 inch) beträgt.
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Es
ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
mit Außengewinde
bereitzustellen, das eine Verjüngung von
nicht mehr als etwa 2,54 cm (ein inch) pro 0,48 cm (foot) aufweist,
die sich radial von einem ersten Zapfen-Gewindegang, dem Spitzenabschnitt benachbart,
zu einem letzten Zapfen-Gewindegang, dem Basisabschnitt benachbart,
erstreckt.
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Noch
ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
bereitzustellen, die einen Schulterbohrungsabschnitt mit einer axialen
Länge von
wenigstens 3,81 cm (1,5 inch) zwischen dem Innengewinde und der
Büchsenfläche beinhaltet.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Gewindeverbindung
mit einer ausreichenden Verjüngung
bereitzustellen, um eine schnelle und wirksame Verbindung der mit
Gewinde versehenen Zapfen- und Büchsenelemente
zu ermöglichen.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine größere Spitzen-Querschnittsbreite
bereitzustellen.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
mit einem radialen Zwischenraum von wenigstens 0,0762 cm (0,03 inch)
zwischen dem Außendurchmesser
des Basisabschnitts und dem Innendurchmesser des Schulterbohrungsabschnitts
bereitzustellen, wenn der Zapfen und die Büchse verbunden sind.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
mit einem radialen Zwischenraum von wenigstens 0,0762 cm (0,03 inch)
zwischen dem Außendurchmesser
des Spitzenabschnitts und dem Innendurchmesser der Büchse, dem
Spitzenabschnitt radial benachbart, bereitzustellen, wenn der Zapfen
und die Büchse
verbunden sind.
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Es
ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Doppelschulter-Gewindeverbindung
mit einer Außengewindeverjüngung bereitzustellen,
die geringer als die Innengewindeverjüngung ist.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung offensichtlich, in der auf die Figuren in den beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Viertelschnittansicht in Längsrichtung
von Zapfen- und Büchsenelementen
gemäß der vorliegenden
Erfindung in Position für
eine Gewindeverbindung.
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2 ist
eine vergrößerte Detailansicht
des Bereichs, der in 1 eingekreist ist.
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3 ist
eine vergrößerte Detailansicht
des Bereichs, der in 1 eingekreist ist.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen
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Nun
unter Bezugnahme auf 1 befindet sich ein röhrenförmiger,
mit Gewinde versehener Zapfen 10 an einem Ende eines Abschnitts
eines Bohrgestänges
in Position für
eine zusammenpassende Verbindung mit einer röhrenförmigen, mit Gewinde versehenen
Büchse 12 eines
weiteren Abschnitts eines Bohrgestänges. Das Rohr, das den Zapfen 10 trägt, weist
eine entsprechende Büchse ähnlich 12 an
seinem anderen Ende auf. Ebenso weist das Rohr, das die Büchse 12 trägt, einen
Zapfen ähnlich 10 an
seinem anderen Ende auf.
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Der
röhrenförmige Zapfen 10 beinhaltet
ein Außengewinde 22,
das sich axial zwischen einer radial äußeren Außenschulter 18 und
einer radial inneren Zapfenfläche 26 erstreckt.
Der Zapfen 10 beinhaltet auch einen Basisabschnitt 16,
der sich axial zwischen der Außenschulter 18 und
dem Außengewinde 22 erstreckt,
und einen Spitzenabschnitt 24, der sich axial zwischen
der Zapfenfläche 26 und
dem Außengewinde 22 erstreckt.
Der Spitzenabschnitt 24 definiert ferner eine Spitzen-Querschnittsfläche 28 zwischen
einem Innendurchmesser 30 des Spitzenabschnitts 24 und
einem Außendurchmesser 32 des Spitzenabschnitts 24.
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Die
Spitzen-Querschnittsfläche 28 ist
für die Drehfestigkeit
er Gewindeverbindung wesentlich. Die Spitzen-Querschnittsfläche 28 ist
eine Funktion der axialen Länge
und der Verjüngung
der Gewinde. Weniger Gewindegänge
pro 2,54 cm (inch) und eine flache Verjüngung führen zu einer höheren Drehfestigkeit
des gesamten Gewindeverbindung. Umgekehrt gestatte eine steilere
Verjüngung
eine schnelle Verbindung der röhrenförmigen Rohrabschnitte.
Mehr Gewindegänge
pro 2,54 cm (inch) verringern ein Rutschen oder Lösen der
Rohrabschnitte unter Spannungslasten. Folglich muss eine Anzahl
geometrischer Abmessungen ausgewogen werden, um eine Gewindeverbindung
zu erreichen, die zu einer höheren
Drehmomentübertragung über die
Gewindeverbindung in der Lage ist.
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Die
vorliegende Erfindung verringert die Standard-Gewindeverjüngung an
röhrenförmigen Teilen
von 3,175 (1¼)
auf nicht mehr als 2,54 cm (1 inch) pro 30,48 cm (foot). Das Außengewinde 22 beinhaltet
daher eine Verjüngung,
die sich nach außen von
einem ersten Zapfen-Gewindegang 34, dem Spitzenabschnitt 24 benachbart,
zu einem letzten Zapfen-Gewindegang 36,
dem Basisabschnitt 16 benachbart, erstreckt. Das Außengewinde 22 weist eine
Verjüngung
auf, die nicht größer als
etwa 2,54 cm (1 inch) pro 30,48 cm (foot) ist, die sich radial nach
außen
von einem ersten Zapfen-Gewindegang 34 zu einem letzten
Zapfen-Gewindegang 36 erstreckt, und die vorzugsweise nicht
größer als
2,032 cm (0,8 inch) pro 30,48 cm (foot) ist.
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Die
röhrenförmige Büchse 12 ist
zur Verbindung mit dem Zapfen 10 mit Gewinde versehen und beinhaltet
ein Innengewinde 38, das sich axial zwischen einer radial
inneren Innenschulter 40 und einer radial äußeren Büchsenfläche 42 erstreckt.
Obwohl das Innengewinde 38 vorzugsweise eine Verjüngung größer als
die Verjüngung
des Außengewindes 22 für eine lineare
Verteilung von Belastung über
das Außengewinde 22 und
das Innengewinde 38, wenn der Zapfen 10 und die
Büchse 12 verbunden
sind, beinhaltet, können
das Innengewinde 38 und Außengewinde 22 eine
identische Verjüngung
beinhalten. Somit beinhaltet das Innengewinde 38 eine Verjüngung, die
einen Winkel 39 von etwa 1,8 Grad relativ einer Achse der
Büchse 12 bildet,
die größer als
die Verjüngung
des Außengewindes 22 ist,
das einen Winkel 20 von etwa 1,6 Grad relativ zu einer
Achse des Zapfens 10 bildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
gibt es etwa 3,5 Außengewindegänge 22 pro
2,54 cm (inch), um ein Rutschen der Gewindeverbindung zu verringern,
wenn sie unter Spannung gesetzt wird.
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Die
Büchse 12 beinhaltet
einen Schulterbohrungsabschnitt 44 mit einer axialen Länge 45 größer als
etwa 3,81 cm (1,5 inch) und vorzugsweise wenigstens 5,08 cm (2 inch),
der sich zwischen dem Innengewinde 38 und der Büchsenfläche 42 befindet. Die
axiale Länge 45 des
Schulterbohrungsabschnitts 44 muss groß genug sein, um die Masse
oder das Volumen des Materials, über
das das Drehmoment oder die Belastung verteilt wird, zu erhöhen, damit
sie nicht die Belastungsgrenzen der röhrenförmigen Verbindung übersteigt.
Der Schulterbohrungsabschnitt 44 definiert ferner eine
Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 zwischen
einem Innendurchmesser 48 des Schulterbohrungsabschnitts 44 und
einem Außendurchmesser 50 des
Schulterbohrungsabschnitts 44.
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Die
Büchse 12 definiert
eine Büchsen-Querschnittsfläche 52 zwischen
einem Innendurchmesser 54 der Büchse 12 und einem
Außendurchmesser 56 der
Büchse 12 an
einer Stelle, die mit Abstand axial entgegengesetzt zum Innengewinde 38 hinsichtlich der
Innenschulter 40 angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 wenigstens 10%
größer als
die Querschnittsfläche
zwischen einem Grund des letzten Zapfen-Gewindegangs 58 und
einem radial dazu benachbarten Innendurchmesser 60 des
Zapfens 10. Es ist wichtig, die Drehfestigkeit zwischen
der Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 und der Querschnittsfläche zwischen
einem Grund des letzten Zapfen-Gewindegangs 58 und dem
radial dazu benachbarten Innendurchmesser 60 des Zapfens 10 vergleichbar
zu halten. Um eine vergleichbare Drehfestigkeit aufrechtzuerhalten
und eine Ermüdung
des röhrenförmigen Teils
im so beschriebenen Bereich zu verhindern, ist es somit bevorzugt,
eine vergleichbare Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 mit
der der Querschnittsfläche
zwischen einem Grund des letzten Zapfen-Gewindegangs 58 und
einem radial dazu benachbarten Innendurchmesser 60 des
Zapfens 10 aufrechtzuerhalten. Die Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 ist
vorzugsweise 10% größer als
die Querschnittsfläche
zwischen einem Grund des letzten Zapfen-Gewindegangs 58 und
einem radial dazu benachbarten Innendurchmesser 60 des
Zapfens 10, um eine Materialverringerung zu berücksichtigen,
die durch Abnutzung und Reibung am Außendurchmesser 50 des Schulterbohrungsabschnitts 44 verursacht
wird.
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Wenn
der Zapfen 10 und die Büchse 12 vor Verwendung
verbunden werden, werden die Büchsenfläche 42 und
die Außenschulter 18 in
zusammenpassenden ebenen Eingriff gebracht. Während Zusammensetzungsvorgängen wird
eine axiale Vorlastbeanspruchung auf sowohl den Zapfen 10 als auch
die Büchse 12 in
einem dem letzten Zapfen-Gewindegang 36 radial
benachbarten Bereich ausgeübt und
werden die Zapfenfläche 26 und
die Innenschulter 40 in Eingriff gebracht.
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Die
Zapfenfläche 26 und
die Innenschulter 40 bilden vorzugsweise einen axialen
Zwischenraum von wenigstens 0,0127 cm (0,005 inch), wenn die Büchsenfläche 42 und
die Außenschulter 18 anfangs in
Eingriff gebracht werden, um eine Vorlastbeanspruchung auf sowohl
den Zapfen 10 als auch die Büchse 12 in einem Bereich,
der dem letzten Zapfen-Gewindegang 36 benachbart ist, vor
dem zusammenpassenden ebenen Eingriff der Zapfenfläche 26 und
der Innenschulter 40 zu begrenzen.
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Die
Abmessungen der so beschriebenen Gewindeverbindung ermöglichen
die Übertragung von
Drehmoment, das während
Bohrvorgängen
angetroffen wird, über
die Gewindeverbindung, bis die Zapfenfläche 26 und Innenschulter 40 im
Eingriff sind. Das zusätzliche
Drehmoment, das in der im Eingriff befindlichen Zapfenfläche 26 und
Innenschulter 40 angetroffen wird, wird dem letzten im
Eingriff befindlichen Gewindegang 62 am Innengewinde 38 der Büchse 12 benachbart
konzentriert. Somit erfordern die axialen Drucklasten, die in einem
Bereich angetroffen werden, die dem letzten Büchsen-Gewindegang 62 am Innengewinde 38 radial
benachbart sind, dass die kombinierte Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 und
Spitzen-Querschnittsfläche 28 wenigstens
70% der Büchsen-Querschnittsfläche 52 und vorzugsweise
wenigstens etwa 75% der Büchsen-Querschnittsfläche 52 beträgt.
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Obwohl
die kombinierte Drehfestigkeit der Spitzen-Querschnittsfläche 28 und
Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 durch
Erhöhen
des Außendurchmessers
des Schulterbohrungsabschnitts 50 oder Verringern des Innendurchmessers
des Spitzenabschnitts 30 beeinflusst werden kann, wird
dem Strömungsweg
oder Innendurchmesser der Gewindeverbindung beträchtliche Rücksicht gegenüber ihrer
Formänderungsfestigkeit
gezollt. Folglich gestattet die vorliegende Erfindung einen optimalen
Strömungsweg
und maximalen Innendurchmesser für den
Zapfen 10 und die Büchse 12,
indem spezifische Geometrien des Zapfens 10 und der Büchse 12 korreliert
werden, wie hier oben erläutert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Innendurchmesser 30 des Spitzenabschnitts 24 nicht
geringer als der Innendurchmesser 54 der Büchse 12,
und ist der Außendurchmesser 56 der Büchse 12 nicht
größer als
der Außendurchmesser 50 der
Büchse 12 zwischen
der Büchsenfläche 42 und
der Innenschulter 40.
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Nun
unter Bezugnahme auf 2 ist das Außengewinde 22 in einer
vergrößerten Detailansicht des
in 1 eingekreisten Bereichs gezeigt. In einer bevorzugten
Ausführungsform
beinhaltet der erste Zapfen-Gewindegang 34 einen Grund 64 mit
einem Außendurchmesser
größer als
der Außendurchmesser 32 des
Spitzenabschnitts 24. Außerdem definieren der Außendurchmesser 32 des
Spitzenabschnitts 24 und ein radial dem Spitzenabschnitt
benachbarter Innendurchmesser 66 der Büchse 12 einen radialen Zwischenraum
von wenigstens 0,0762 cm (0,03 inch), wenn der Zapfen 10 und
die Büchse 12 verbunden
sind.
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Nun
unter Bezugnahme auf 3 ist eine vergrößerte Detailansicht
des Innengewindes 38 des in 1 eingekreisten
Bereichs gezeigt. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Büchse 12 einen
ersten Büchsen-Gewindegang 70 dem
Schulterbohrungsabschnitt 44 benachbart auf. Der Innendurchmesser 48 des
Schulterbohrungsabschnitts ist vorzugsweise größer als ein Innendurchmesser
eines Grundes 72 des ersten Büchsen-Gewindegangs 70.
Außerdem
definieren der Außendurchmesser 74 des
Basisabschnitts 16 und der Innendurchmesser 48 des
Schulterbohrungsabschnitts 44 einen radialen Zwischenraum 76 von
wenigstens 0,0762 cm (0,03 inch), wenn der Zapfen 10 und
die Büchse 12 verbunden
sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
zum Ausbilden einer Gewindeverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist ein röhrenförmiger Zapfen 10 mit
einem Außengewinde 22 ausgebildet,
das sich axial zwischen einer radial äußeren Außenschulter 18 und
einer radial inneren Zapfenfläche 26 erstreckt, wird
in 1 gezeigt. Der Zapfen 10 beinhaltet einen Basisabschnitt 16,
der sich axial zwischen der Außenschulter 18 und
dem Außengewinde 22 erstreckt, und
einen Spitzenabschnitt 24, der sich axial zwischen der
Zapfenfläche 26 und
dem Außengewinde 22 erstreckt.
Der Spitzenabschnitt 24 definiert eine Spitzen-Querschnittsfläche 28 zwischen
einem Innendurchmesser 30 und einem Außendurchmesser 32 des
Spitzenabschnitts 24. Das Außengewinde 22 weist
auch eine Verjüngung
nicht größer als
etwa 2,54 cm (1 inch) pro 30,48 cm (foot) und vorzugsweise nicht
größer als
etwa 2,032 cm (0,8 inch) pro 20,48 cm (foot) auf, die sich radial
von einem ersten Zapfen-Gewindegang 34,
dem Spitzenabschnitt 24 benachbart, zu einem letzten Zapfen-Gewindegang 36,
dem Basisabschnitt 16 benachbart, erstreckt.
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Eine
röhrenförmige Büchse ist
zur Gewindeverbindung mit dem Zapfen 10 ausgebildet. Der
röhrenförmige Zapfen 12 weist
ein Innengewinde 38 auf, das sich axial zwischen einer
radial inneren Innenschulter 40 und einer radial äußeren Büchsenfläche 42 erstreckt.
Obwohl das Innengewinde 38 vorzugsweise eine Verjüngung größer als
die Verjüngung
des Außengewindes 22 für eine lineare
Verteilung von Belastung über
das Außengewinde 22 und
das Innengewinde 38, wenn der Zapfen 10 und die
Büchse 12 verbunden
sind, beinhaltet, können
das Innengewinde 38 und Außengewinde 22 eine
identische Verjüngung
beinhalten.
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Somit
beinhaltet das Innengewinde 38 eine Verjüngung, die
einen Winkel 39 von etwa 1,8 Grad relativ einer Achse der
Büchse 12 bildet,
die größer als
die Verjüngung
des Außengewindes 22 ist,
das einen Winkel 20 von etwa 1,6 Grad relativ zu einer
Achse des Zapfens 10 bildet.
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Die
röhrenförmige Büchse 12 beinhaltet
einen Schulterbohrungsabschnitt 44 zwischen dem Innengewinde 38 und
der Büchsenfläche 42.
Der Schulterbohrungsabschnitt 44 definiert eine Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 zwischen
einem Innendurchmesser 48 und einem Außendurchmesser 50 des
Schulterbohrungsabschnitts 44. Ferner definiert die Büchse 12 eine
Büchsen-Querschnittsfläche 52 zwischen
einem Innendurchmesser 54 und einem Außendurchmesser 56 der
Büchse 12 an
einer Stelle, die mit Abstand axial entgegengesetzt zum Innengewinde 38 hinsichtlich
der Innenschulter 40 angeordnet ist.
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Die
Büchse 12 und
der Zapfen 10 werden dann verbunden, um die Büchsenfläche 42 mit
der Außenschulter 18 in
Eingriff zu bringen. Während
Zusammensetzungsvorgängen
wird eine axiale Vorlastbeanspruchung auf sowohl den Zapfen 10 als
auch die Büchse 12 in
einem dem letzten Zapfen-Gewindegang 36 radial benachbarten
Bereich ausgeübt und
werden die Zapfenfläche 26 und
die Innenschulter 40 in Eingriff gebracht. Wenn das Drehmoment über die
Gewindeverbindung übertragen
wird, wird die Gesamtdrehfestigkeit des Zapfens 10 und
der Büchse 12 einheitlich
aufrechterhalten, vorausgesetzt, dass die kombinierte Schulterbohrungsquerschnittsfläche 46 und
Spitzen-Querschnittsfläche 28 wenigstens
70% und vorzugsweise wenigstens 75% der Büchsen-Querschnittsfläche 52 betragen.
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Verschiedene
zusätzliche
Modifikationen an der hier beschriebenen Gewindeverbindung sollten aus
der obigen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlich
sein. Obwohl die Erfindung somit für diese Ausführungsformen
ausführlich beschrieben wurde,
sollte selbstverständlich
sein, dass diese Erläuterung
nur der Veranschaulichung dient und dass die Erfindung nicht auf
die beschriebenen Ausführungsformen
festgelegt ist. Alternative Komponenten und Bedienungstechniken
sollten für Fachleute
auf dem Gebiet im Hinblick auf diese Offenbarung offensichtlich
sein.
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Modifikationen
wurden somit in Betracht gezogen und können vorgenommen werden, ohne
den Geist der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert
ist.