"Gestängekupplunq mit Opferelement"
Die Erfindung betrifft eine Gestängekupplung, wie sie zum Verbinden von Gestängen beim unterirdischen Horizontalbohren und grabenlosen Verlegen oder Ersetzen von Rohrleitungen (im folgenden Horizontalbohren) verwendet werden.
Beim Horizontalbohren werden einzelne Gestängeschüsse aneinandergereiht, miteinander verbunden und mit Hilfe eines Schub-, Zug- oder Drehantriebs durch das Erdreich bewegt. Bei längeren Bohrungen besteht das Gestänge aus mehreren Gestängeschüssen, die entsprechend dem Bohrfortschritt nach und nach miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Der einzelne Schuß besitzt eine begrenzte Länge und muß insbesondere dann sehr kurz sein, wenn das Bohren von einer kurzen Baugrube, beispielsweise einem Schacht, Revisionsschacht oder Mannloch, aus geschieht. Solche Schächte können Durchmesser von zum Teil unter einem Meter aufweisen.
Bekannte Gestänge weisen Kupplungen verschiedener Bauarten auf, wobei Schraubgewindekupplungen weit verbreitet sind. Neben der Schwierigkeit, daß das Verschrau- ben von Gewindeverbindungen verhältnismäßig lang dauert und saubere Gewinde erfordert, haben derartige Verbindungen den besonderen Nachteil, daß sie eine Gestängerotation im Bohrvortrieb lediglich in eine Richtung erlauben. Handelt es sich beispielsweise um eine Gewindeverbindung mit Rechtsgewinde, kann die Gestängerotation nur in Rechtsdrehung erfolgen, da anderenfalls die Gewindeverbindung durch den Bohrvorgang gelöst würde.
Im Stand der Technik wurden daher Steckkupplungen entwickelt. Bei der Verwendung von Steckkupplungen ist im Gegensatz zu Schraubkupplungen das Problem zu lösen,
die Kupplung nach dem Einstecken in dem Kupplungsmaul zu fixieren, da die bei Schraubgewinde greifende haftreibungsbedingte Fixierungsmöglichkeit nicht zur Verfügung steht.
Aus der DE 297 13 354 U1 ist eine Gestängekupplung bekannt, bei der ein erstes
Kupplungsteil in ein zweites Kupplungsteil eingeführt wird. Zum Kuppeln der Gestänge wird nach der Lehre des Gebrauchsmusters das erste Kupplungsteil unter einem Winkel von ca. 60° relativ zu der Längsachse des zweiten Kupplungsteils mit seinem vorderen freien Ende von oben in eine rinnenförmige Aufnahme des zweiten Kupplungs- teils eingeschoben. Dabei greifen halbkugelförmige Vorsprünge des ersten Kupplungsteils in Ausnehmungen des zweiten Kupplungsteils ein. Aus dieser Stellung, in der die beiden Rohrenden relativ zueinander winklig sind, wird das erste Kupplungsteil und die Ausnehmungen geschwenkt, so daß das erste Kupplungsteil in die rinnenförmige Aufnahme des zweiten Kupplungsteils gelangt und dort in enger Passung aufge- nommen ist.
Anschließend wird die Verbindung durch ein Sicherungselement in Form einer Sicherungshülse gesichert.
Aus der DE 196 08 980 C2 und der DE 199 18 530 A1 sind ebenfalls Gestängekupp- lungen bekannt, die auf die bekannte Schraubverbindung verzichten und am vorderen Ende des anzukuppelnden Gestängeschusses einen axial vorkragenden laschenartigen Ansatz, der in das rückwärtige Ende des vorausgehenden Gestängeschusses gleitend eingreift, aufweisen. Dazu weist der vorausgehende Gestängeschuß stirnseitig einen axialen Schlitz mit einer Nut auf, in den sich der laschenartige Ansatz einschieben läßt. Dabei wird ein zapfenartiger Vorsprung über die Nut in eine Lagerbohrung des Schlitzes gebracht. Durch ein Schwenken des nachfolgenden Gestängeschusses wird dieser aus der winkligen Einstecklage in die Strecklage gebracht und liegt danach koaxial mit dem vorangehenden Gestängeschuß. Die axiale Fixierung ist nur in dieser Lage gewährleistet, während die seitliche Fixierung durch die Seitenwände der
Gestängeschüsse erfolgt. Alternativ wird der zapfenförmige Vorsprung seitlich in den Schlitz eingebracht und dann aus der winkligen Einstecklage in die Strecklage verschwenkt. Damit der Zapfen nicht aus dem Schlitz herausfällt, ist eine seitliche Fixierung durch vorkragende Seitenwände der Gestängeschüsse vorgesehen, die in der Strecklage ein Auseinanderfallen der Kupplung verhindern.
In der DE 100 65 533 A1 ist eine Kupplung beschrieben, bei der Gestängeschüsse zusammengesteckt werden, indem korrespondierende Enden der Gestängeschüsse durch ein Parallelverschieben der Gestängeschußachsen verbunden werden, wobei die Gestängeschußachsen beim Parallelverschieben einen Winkel von α < 180° zueinander aufweisen. Ein erster Gestängeschuß weist dabei einen Zapfen auf, der in eine
korrespondierende Ausnehmung eines zweiten Gestängeschusses eingreift. Ein Herausfallen des Zapfens wird ebenfalls durch einen Hinterschnitt verhindert, der nach dem Einrotieren in eine Schulter am nachfolgenden Gestängeschuß eingreift oder ein Herausfallen durch federbeaufschlagte Stifte verhindert, die in eine Aufnahme in der Stirnfläche des nachfolgenden Gestängeendes eingreifen.
Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen sichern die Gestängekupplungen gegen radiales oder axiales Auseinanderfallen durch Sicherungshülsen, Sicherungsvorsprünge, federbeaufschlagte Stifte oder durch das Prinzip, axial in einer Win- kellage einzuführen und zu entnehmen, während der Betrieb in der Strecklage erfolgt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verbindungssystem zum Verbinden von Horizontalbohrgestängeschüssen zu schaffen, das eine sichere Fixierung erlaubt und die Kosten beim Ersatz eines defekten Gestänges senkt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verbindungssystem für Horizontalbohrgestänge nach den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Gestängeschüsse eines Horizontalbohrgestänges nicht direkt, sondern über ein Opferelement miteinander zu verbinden.
Ein solches Opferelement kann als Verschleißteil dienen. Bei einem beim Betrieb auf Dauer zunehmenden Spiel aufgrund des durch Verschleiß größer werdenden weiblichen Kupplungsteils (Aufnahme) kann erfindungsgemäß nach einer gewissen Zeit auch ein größer dimensioniertes Opferelement eingesetzt werden, um wieder eine spielfreie Kupplung zu erhalten. Hierbei kann die Aufnahme auch nachgearbeitet werden. Beim Betrieb der Gestänge treten erhebliche Kräfte auf. Kommt es zu einem Materialbruch, muß im Stand der Technik ein ganzer Gestängeschuß ausgetauscht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Kupplungsglied läßt sich der Austausch auf das Kupplungsglied beschränken. Als besondere Ausführungsform läßt sich das Opferelement so ausgestalten, daß es, beispielsweise aufgrund der Materialwahl, Dimension oder Geometrie, eine Sollbruchstelle bildet. So kann das Opferelement als Schmiede- teil ausgebildet sein. Das Opferelement kann auch z.B. gesondert gegen Rost behandelt oder gelagert sein (Trommelware).
Das Opferelement kann aber auch ohne Defekt lediglich einen kostengünstigen Austausch der Kupplung erlauben, wenn beispielsweise unterschiedliche Gestängekupp- lungen miteinander verbunden werden sollen.
Der Austausch ist besonders einfach, wenn das Opferelement beidseitig lösbar ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Verbindungssystem erlaubt aber auch die Wahl verschiedener Freiheitsgrade bzw. ein Verschwenken der Gestängeschüsse in Bezug aufeinander.
Dies kann in der vertikalen Gestängeebene mittels einer zapfenartigen Kupplung an mindestens einer Seite des Opferelements erreicht werden. Eine kugel- oder teilkugelförmige Kupplung erlaubt ein Verschwenken der Gestängeschüsse zueinander in weiteren Ebenen.
Das Opferelement kann einseitig in einem Gestängeschuß gegen Verschwenken fixiert sein, um die Stabilität des Gestänges zu erhöhen und die Verschwenkbarkeit auf eine Seite des Opferelements zu beschränken. Die Fixierung kann durch einen formschlüssigen elastischen Dämpfer verwirklicht sein, der beispielsweise aus Hartgummi besteht oder vorgespannt sein kann. Das erlaubt eine gewisse Beweglichkeit, die eine Materialbelastung vermeidet und dennoch eine Fixierung erlaubt, die die Handhabbarkeit verbessert, da das Opferelement ausgerichtet bleibt und nicht eine Undefinierte Position einnimmt. Das Opferelement kann aber an einer Seite auch durch Stoff- oder Kraftschluß im Gestängeschuß fixiert sein.
In einer Ausführungsform ist eine Zapfenkuppiung vorgesehen, bei der die geometrische Form des Opferelements ein Einschieben in einer bestimmten Winkellage (Fluchtwinkel) zuläßt und gleichzeitig eine Fixierung über einen weiten Winkelbereich in einer korrespondierenden Aufnahme gewährleistet.
Dabei kann das Einschieben sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung möglich sein. Hierzu können Quersteg und/oder Ausnehmung in ihrer Geometrie von einem kreisrunden Querschnitt abweichen.
Der Quersteg kann als ein axial in die Ausnehmung einzuführendes Kupplungsteil vorgesehen sein. Der Zapfen kann dabei erfindungsgemäß zur axialen Fixierung in einem Bereich eine Abflachung aufweisen. Die Ausnehmung, das Kupplungsmaul oder der Einführungskanal der Ausnehmung weist in diesem Fall eine korrespondierende Geometrie auf, die das Einschieben des Zapfens in einer bestimmten Winkellage erlaubt. Wenn der Quersteg sich in der Ausnehmung befindet, ist er gegen axiales Verschieben gesichert, sobald er die Winkellage des Einschiebens verläßt, indem dann die das Einschieben oder Herausnehmen erlaubenden Geometrien nicht mehr fluchten.
Die Erfindung schließt nicht aus, daß eine radiale oder axiale Fixierung über eine zusätzliche Nut/Federkupplung übertragen werden, bei der beispielsweise Nut und
Feder teilkreisbogenförmig ausgebildet sind und die Nut beim Verbinden der Gestängeschüsse in die Feder einrotiert wird.
Die erfindungsgemäße Kupplung kann mit verschiedenen Gestängearten verwendet werden und auch mit einer Stützeinrichtung zur Umleitung der Schub- oder Zugkräfte von der Antriebsachse in die Kanalachse.
Das Gestänge kann als Kreisbogensegment beidseitig, d.h. konkav/konkav oder konkav/konvex, ausgebildet sein, um die Form verschiedener Stützeinrichtungen abzubil- den bzw. in verschiedenen Kurvenrichtungen betrieben zu werden.
Erfindungsgemäß können Gestängeschüsse beidseitig mit Opferelementen oder auch beidseitig mit Kupplungsmaul vorgesehen sein. Entsprechend können Opferelemente ausgestaltet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. Ia und b ein erfindungsgemäßes Kupplungssystem mit einem Opferelement in einem Gestängeschuß (Fig. 1a) und das Opferelement getrennt von dem Gestängeschuß (Fig. 1 b);
Fig. 2 a. b und c eine alternative Ausführungsform des Stecksystems mit einem zusätzlichen Freiheitsgrad;
Fig. 3 eine Ausführungsform des Stecksystems mit weiteren Freiheitsgraden durch
Verwendung eines kugelförmigen Opferelements;
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit einem durch Stoffschluß mit einem Gestängeschuß verbundenen Opferelement;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem durch Stoffschluß mit einem Gestängeschuß verbundenen Opferelement;
Fig. 6 und 7 die Ausführungsform der Fig. 5 in verschiedenen Einbaulagen.
Das Steckkupplungssystem verbindet mindestens zwei Gestängeschüsse 1 mit einem zweiten Gestängeschuß. Zu diesem Zweck wird ein Opferelement 2 mit seinem Quersteg 4 an einem Ende des Gestängeschusses 1 in ein Kupplungsmaul 6 eingeschoben. Über einen zweiten Quersteg 8 des Opferelements wird dann ein zweiter Gestän- geschuß (nicht dargestellt) angelenkt. Die Form des Querstegs erlaubt ein Verschwenken der Gestängeschüsse zueinander in einer Ebene. Durch Verwendung eines Fixierblocks 9 als elastischen Dämpfer kann das Verschwenken unterbunden oder eingeschränkt werden. Dementsprechend ist der Fixierblock 9 fest oder elastisch ausgebildet.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der das Opferelement 12 an einer Seite einen Verbindungszapfen 14 in Teilkugelform aufweist. Diese besitzt zusätzlich eine Längsaufnahme 13 für einen Sicherungsstift 15, der nach dem Einbau des Opferelements 12 in eine korrespondierende Öffnung 17 im Gestänge eingeschoben wird. Der Einbau erfolgt durch Einschieben in das Kupplungsmaul 16 und anschließendes
Verdrehen um 90° und Einschieben eines vertikalen Sicherungsstiftes 15. Die Längsaufnahme 13 im Opferelement und die Form des Verbindungszapfens 14 erlauben es, daß das Opferelement in zwei Ebenen geschwenkt werden kann (siehe Fig. 2b und 2c). Wiederum legt ein Fixierblock 19 den Schwenkradius fest.
Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform mit Verbindungszapfen 14' in Teilkugelform, bei der zusätzliche Freiheitsgrade bestehen, die aber auch durch einen seitlichen Sicherungsstift 15' gegen Verdrehen und damit Herausrutschen gesichert sein kann. Je nach Lage des Sicherungsstiftes kann die Verschwenkbarkeit in allen Freiheitsge- raden gewahrt bleiben.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein an dem ersten Opferelement 22 befindlicher Quersteg 26 mit einer stirnseitigen Abflachung 23 axial über einen Längssteg 24 in eine am Gestängeschuß 21 befindliche Querausnehmung 28 eingeschoben wird. Aufgrund der stirnseitigen Abflachung 23 am Quersteg 26 befinden sich die Gestängeschüsse beim Einschieben des Querstegs 26 in die Querausnehmung 28 in einem 90°-Winkel zueinander. Die im Querschnitt kreisrunde Querausnehmung 28 gewährleistet für alle anderen Winkel bis in die Strecklage einen sicheren Halt des Querstegs 26 in der Querausnehmung 28.
Bei der Ausführungsform der Fig. 5 weist der Gestängeschuß 31 ein L-förmiges Kupplungsmaul 30 auf. Das Kupplungsmaul 30 ist in Bezug auf die Querausnehmung 38 so angeordnet, daß der Quersteg 36 nach dem Einschieben in das Kupplungsmaul zunächst um 90° gedreht werden muß, bevor er dann in die Querausnehmung 38 ver- schoben wird. Sobald also der Quersteg 36 seine tiefste Eintauchstellung im Kupplungsmaul 30 erreicht hat und demgemäß mit der Abflachung 33 auf dem Längssteg
34 aufliegt, wird der Gestängeschuß demnach um 90° axial rotiert und sodann entlang der Achse des Gestängeschusses in die Endlage nach Fig. 6 geschoben, was aufgrund der Abflachung 33 möglich ist. Die beiden Gestängeschüsse 21 , 31 werden nun aus der 90°-Winkelstellung verschwenkt und sind solange sicher miteinander verbun- den, wie sie sich nicht in der 90°-Stellung befinden, da die Geometrie des Querstegs
36 ein Verlassen der Querausnehmung 38 nur zuläßt, wenn sich die Abflachung 33 in der Ebene des Längsstegs 34 befindet. Die Gestängeschüsse lassen sich gegeneinander verschwenken, beispielsweise aus der Winkellage nach Fig. 6 bis in eine gestreckte Betriebslage nach Fig. 7, und sind auch in den dazwischen liegenden Win- kellagen im wesentlichen spielfrei verbunden.