WO2000008367A2 - Rohrverbindung - Google Patents

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WO2000008367A2
WO2000008367A2 PCT/DE1999/002222 DE9902222W WO0008367A2 WO 2000008367 A2 WO2000008367 A2 WO 2000008367A2 DE 9902222 W DE9902222 W DE 9902222W WO 0008367 A2 WO0008367 A2 WO 0008367A2
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WO
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seat
pipe connection
thread
sealing
lip
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Inventor
Erich Quadflieg
Gerhard Krug
Friedrich Lenze
Martin SCHLÜTER
Original Assignee
Mannesmann Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L15/00—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints
    • F16L15/001—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads
    • F16L15/004—Screw-threaded joints; Forms of screw-threads for such joints with conical threads with axial sealings having at least one plastically deformable sealing surface
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/042—Threaded

Definitions

  • the invention relates to a pipe connection according to the preamble of claim 1
  • Pipe connectors are used to connect tubular elements, such as
  • a contact surface for example, which is cylindrical in the socket element in a thread-free section, interacts with a contact surface, for example, convexly formed of the pin element.
  • Such a connection frequently has a butt shoulder of the socket and pin element serves as
  • Screw-in limitation should ensure by appropriate pre-tensioning that the adjacent metallic sealing seat remains activated despite increasing tensile load.
  • the elastic expansions occurring under load or compression of the socket and pin element lead to the contact area with the highest surface pressure at the apex of the metallic
  • the sealing seat can be axially displaced and the surface pressure can be reduced so that the tightness is no longer guaranteed for the highest internal or external pressure permitted for the pipe.
  • the object of the invention is to provide a pipe connection which, taking into account the manufacturing tolerances, ensures that an adequate sealing effect of the metallic sealing seat remains guaranteed under all loading conditions.
  • the contact zone having a shorter distance from the end of the lip is designed as a protective seat and the contact zone having a further distance from the end of the lip is designed as a sealing seat.
  • the term lip is used here as a synonym for the thread-free section of the pin element.
  • a distance to the thread inlet and a degree of deflection is selected for the sealing seat, which produces a surface pressure in the sealing seat of at least six times the theoretically required surface pressure, but at most 90% of the yield strength in relation to the material used, the degree of deflection becoming ever greater is as the thread overlap in the area of the thread inlet.
  • deflection chosen here should be understood to mean the following: Due to the geometrical oversize (overlaps) in the contact zones and in the thread area, primarily at the thread inlet, as well as through the introduction of forces through a butt shoulder, a bent line is generated in the screwed state in the socket and pin element, which has locally different radial displacements in the form of deflections.
  • the objective is to generate radial, tangential and if possible also axially negative stresses and thus to minimize the reference stress (von Mises).
  • High harmful tensile bending stresses as a result of an unfavorable bending moment curve are avoided by the optimized positioning of the contact zone as well as by the controlled superimposition of transverse forces and bending moments introduced elsewhere.
  • These overlapping transverse forces and bending moments are generated by the protective seat, which is positioned at a significantly smaller distance from the end of the lip compared to the sealing seat.
  • the protective seat also has the task of stabilizing the sealing seat by shielding it against external forces.
  • the protective seat has a larger deflection depending on the degree of deflection of the sealing seat in the range of 1.15 to 1.30 times, based on the sealing seat.
  • Figure 7 in longitudinal section a system of protective and sealing seat of a shock-free
  • the lip 4 unthreaded portion of the pin element in the upper part - as the more critical part, compared to the sleeve element, as a thin-walled, short hollow cylinder with less
  • the left side of the diagram shows an example of the positioning of a contact zone on the lip 4. If circumferential forces F u are now introduced in this plane, they generate a deflection 1 (solid line), transverse forces 2 (dashed line) and bending moments 3 (dotted line), which decay in the form of strongly damped vibrations The frequency of these vibrations and thus the longitudinal extension of the loads and geometric changes are determined by the geometry of the lip 4 (radius, thickness)
  • the magnitude of the loads and deformations depends on the magnitude of the circumferential force and at what distance from the end 5 of the lip 4 it engages.
  • forces are up to four times greater depending on the distance High required In the right part of the figure, this case is indicated by the higher circumferential force Fu 'by the longer arrow F u ' compared to F u.
  • the transverse forces 2' and bending moments 3 ' are also significantly higher, where the bending moments 3 'in the contact zone are of opposite sign compared to those on
  • the circumferential forces are generated by a predetermined deflection (overlap in the contact zone) when screwing in. Depending on the positioning of the
  • the sub-images a - c show the deflection 1 2 for a lip with two contact zones (seats) with an optimal distance selection of the seat 1 (protective seat) and the seat 2 (sealing seat) from the lip end or from the butt end on the one hand and from the thread inlet on the other - 1 2 ", the transverse forces 2 2 - 2 2" and the bending moments 3 2 - 3 2 "plotted
  • the solid line represents the optimum if, according to the invention, the forces acting in the seat 1 (protective seat) influence the load on the seat 2 (sealing seat).
  • sub-picture a it can be seen that the Deflection
  • seat 1 in seat 1 is chosen to be larger than in seat 2, namely according to the invention in a range of 1, 15 to 1, 30 times.
  • the overlapping of forces and moments in the two seats 1, 2 according to the invention is particularly the sub-images b and c
  • the arrangement of a protective seat (seat 1) reduces the lateral forces
  • Figure 3 shows the influence of a biasing force with the radial component 6 when arranging a shoulder with a small abutment angle.
  • the division into the partial images a - c is the same as in Figure 2.
  • the applied radial component 6 is removed in the partial image b at the lip end, namely as a positive transverse force It can be seen that the transverse force 2 3 in the seat 2 (sealing seat) is practically not influenced.
  • the bending moment 3 3 in the partial picture c which is considered to be harmful, has in fact become somewhat lower due to the pretensioning in comparison with FIG.
  • FIG. 4 shows the influence of the angle of the butt shoulder on deflection (a)
  • Shear force (b) and bending moment (c) shown in partial image b it can be clearly seen that when the impact angle is greater than 10 degrees (15 ° in the example) the shear forces 2 4 "are reduced compared to 2 4 in the sealing seat while they are in the seat 1 more than doubled, which leads to comparative stresses that exceed the yield point. It is therefore preferable that the angle is less than 10 degrees (in the example 6 °), which has no influence in the sealing seat (2 4 'compared to 2 4). The change in the state of tension in the protective seat also remains within permissible limits.
  • the protective function of the seat 1 can be clearly seen from the illustrations b and c, that even with a small butt angle at the lip end, forces have an effect up to the thread inlet, but do not have any harmful influence in the sealing seat itself
  • FIG. 5 shows the distances between the lip end and protective seat, protective seat and sealing seat, sealing seat and thread inlet, which are optimized according to the invention, and the resulting deflections, shear forces and bending moments (lines 1 5, 2 5, 3 5)
  • FIG. 6 shows a sleeve and a pin element in a design according to the invention.
  • the sleeve element 7 has an internal threaded section 8, which extends from the end face 9 to the unthreaded section 10.
  • the area 10 is closed by a butt shoulder 11
  • In the unthreaded section 10 are in Contact area 12 of the sealing system according to the invention arranged two spherically contoured seats 13, 14 of which the seat 13 closer to the shoulder 11 is designed as a protective seat and the seat 14 further away is designed as a sealing seat.
  • the radii of the balls are marked with corresponding arrows weak negative bevel 15 of ⁇ 10 degrees between the thread end 16 and the contact surface area 12 there remains a transition section 17 for extending the thread cutting tool.
  • the pin element 18 has an external one
  • Threaded section 19 which is complementary to the threaded section 8 of the sleeve element 7.
  • the outer threaded section 19 then runs out into the initial thickness 20 of the tube 21 or the thread inlet 22, a thread-free section 23 is located, which then merges into a butt shoulder 24, which with the Butt shoulder 11 of the sleeve element 7 cooperates From the shoulder 24, a conical jacket surface 25 extends beyond the position of the spherical seats 13, 14 of the sleeve element 7.
  • the remaining jacket surface 26 of the unthreaded section 23 can be continued with the same cone or to increase the elasticity of the lip with a lower inclination or cylindrical
  • FIG. 7 shows a section of the embodiment of a bumpless pipe connection according to the invention.
  • the conical jacket surface 25 of the pin element 18 is replaced by a double-conical contour.
  • the pin element 30 points to the rest of the jacket surface
  • the seat 34 which is further away from the end surface 36 of the pin element 30 forms the sealing seat and the nearby seat 35 forms the protective seat, this being provided with a more strongly inclined conical surface 33 the protective seat 38 provided with a convex spherical contour compared to
  • a conical outer surface can be designed which corresponds to the cone 33 of the pin element 30

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung mit einem Muffenelement (7), das einen vom Ende axial nach innen sich erstreckenden Innengewindeabschnitt (8) aufweist, an den sich ein gewindefreier Abschnitt (10) anschließt und mit einem Zapfenelement (18), das einen komplementär zum Muffenelement (7) ausgebildeten Gewindeabschnitt (19) aufweist, an den sich ein bis zum stirnseitigen Ende sich erstreckender gewindefreier Abschnitt (23) anschließt und die gewindefreien Abschnitte (10, 23) im verschraubten Zustand zueinander in Kontakt treten und ein metallisches Dichtsystem bilden, wobei das Dichtsystem mit zwei axial voneinander beabstandeten Kontaktzonen versehen ist und wovon mindestens eine Kontaktzone geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist.

Description

Rohrverbindung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Rohrverbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
Rohrverbinder dienen zum Verbinden rohrformiger Elemente, beispielsweise von
Rohrleitungen, die insbesondere unter Druck stehende Fluide, wie beispielsweise Gas oder Ol, befordern
Bei den für den genannten Einsatzzweck von verschiedenen Herstellern entwickelten Rohrverbindungen wird die Dichtheit der Verbindung zumeist durch eine hohe
Kontaktpressung aufgrund einer Uberdeckung (Übermaß) im metallischen Dichtsitz erzielt Dabei wirkt eine im Muffenelement in einem gewindefreien Abschnitt z B zylindrisch ausgebildete Kontaktflache mit einer z B konvex ausgebildeten Kontaktflache des Zapfenelementes zusammen Häufig weist eine solche Verbindung eine Stoßschulter des Muffen- und Zapfenelementes auf Die Stoßschulter dient als
Einschraubbegrenzung und soll durch entsprechende Vorspannung dafür sorgen, daß trotz steigender Zugbelastung der angrenzende metallische Dichtsitz aktiviert bleibt Allgemein wird angenommen, daß die unter Belastung auftretenden elastischen Dehnungen bzw Stauchungen von Muffen- und Zapfenelement dazu fuhren, daß der Kontaktbereich mit der höchsten Flachenpressung im Scheitelpunkt des metallischen
Dichtsitzes axial soweit verschoben und die Flachenpressung geringer werden kann, daß die Dichtheit nicht mehr für den höchsten für das Rohr zulassigen Innen- oder Außendruck gewährleistet ist Mehrere Versuchsreihen und Modellrechnungen haben gezeigt, daß dieser Effekt des axialen Wandems des Kontaktbereiches eintritt, und zwar in einer Größenordnung, die für die Gewährleistung der Dichtfunktion von entscheidender Bedeutung ist Vor diesem Hintergrund hat man versucht, mittels hoher Uberdeckung als konstruktive Maßnahme eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten Dieses Prinzip fuhrt jedoch zu hohen Kontaktspannungen und birgt damit die Gefahr, daß der metallische Dichtsitz plastifiziert wird Zur Überwindung dieses Problems ist bereits vorgeschlagen worden (DE 44 46 806 C1), eine Rohrverbindung anzugeben, die im gewindefreien Abschnitt des Muffen- und des Zapfenelementes zwei voneinander beabstandete Kontaktfiächenpaare aufweist, deren Basis-Dichtwirkung durch Belastung je nach Belastungsart unabhängig voneinander unterschiedlich verstärkt wird und wovon mindestens ein Kontaktflächenpaar geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist.
Langjährige Versuchsreihen haben nun ergeben, daß der der bekannten Konstruktion zugrundeliegende Ansatz der Unabhängigkeit der Dichtwirkung der beiden Kontaktfiächenpaare insbesondere unter Berücksichtigung der Herstelltoleranzen nicht immer zum gewünschten Ergebnis führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rohrverbindung anzugeben, die unter Berücksichtigung der Herstelltoleranzen sicherstellt, daß unter allen Belastungszuständen eine ausreichende Dichtwirkung des metallischen Dichtsitzes gewährleistet bleibt.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
Im Unterschied zum bekannten Stand der Technik ist die einen kürzeren Abstand zum Ende der Lippe aufweisende Kontaktzone als Schutzsitz und die einen weiteren Abstand zum Ende der Lippe aufweisende Kontaktzone als Dichtsitz ausgebildet. Der Begriff Lippe wird hierbei als Synonym für den gewindefreien Abschnitt des Zapfenelementes verwendet. Für den Dichtsitz wird ein Abstand zum Gewindeeinlauf und ein Grad der Durchbiegung gewählt, der im Dichtsitz eine Flächenpressung von mindestens dem Sechsfachen der theoretisch erforderlichen Flächenpressung, aber höchstens 90% der Streckgrenze in bezug auf den verwendeten Werkstoff erzeugt, wobei der Grad der Durchbiegung immer größer ist als die Gewindeüberdeckung im Bereich des Gewindeeinlaufes. Unter dem hier gewählten Begriff Durchbiegung soll folgendes verstanden werden: Aufgrund der geometrischen Übermaße (Überdeckungen) in den Kontaktzonen und im Gewindebereich, vornehmlich am Gewindeeinlauf, sowie durch Kräfteeinleitung durch eine Stoßschulter wird im verschraubten Zustand im Muffen- und Zapfenelement eine Biegelinie erzeugt, die örtlich unterschiedliche radiale Verschiebungen in Form von Durchbiegungen aufweist.
Für den Schutzsitz wird ein definierter Abstand zum Ende der Lippe einerseits und zum Dichtsitz andererseits sowie ein 1 , 15 bis 1 ,30-fach höherer Grad der
Durchbiegung in bezug auf den Dichtsitz gewählt. In Abhängigkeit vom gewünschten Grad der Durchbiegung des Dichtsitzes wird auch unter Berücksichtigung der Überlagerung extern angreifender Lasten und Momente nach dem Verschrauben im Dichtsitz bei vollständigem Erhalt der Dichtfunktion eine Gesamtspannung erreicht, die höchstens gleich oder geringer ist als die Elastizitätsgrenze des verwendeten
Werkstoffes.
Der der erfindungsgemäßen Konstruktion zugrundeliegende neue Ansatz berücksichtigt im hohen Maß die Lage der Kontaktzone des metallischen Dichtsitzes und den dadurch bedingten Querkraft- und Biegemomentverlauf für die Lippe, mit der
Zielsetzung, radial, tangential und möglichst auch axial negative Spannungen zu erzeugen und damit die Vergleichsspannung (von Mises) zu minimieren. Hohe schädliche Zugbiegespannungen als Folge eines ungünstigen Biegemomentverlaufes werden durch die optimierte Positionierung der Kontaktzone sowie durch kontrollierte Überlagerung von an anderer Stelle eingeleiteten Querkräften und Biegemomenten vermieden. Diese überlagernden Querkräfte und Biegemomente werden durch den Schutzsitz erzeugt, der in einem deutlich geringeren Abstand zum Ende der Lippe im Vergleich zum Dichtsitz positioniert wird. Der Schutzsitz hat zugleich die Aufgabe, den Dichtsitz durch Abschirmen gegen äußere Kräfte zu stabilisieren. Der Schutzsitz hat eine vom Grad der Durchbiegung des Dichtsitzes abhängige größere Durchbiegung im Bereich des 1 ,15 bis 1 ,30-fachen, bezogen auf den Dichtsitz. Für die Funktionsfähigkeit dieses Systems müssen neben der Festlegung des Grades der Durchbiegung auch noch bestimmte Abstände zwischen Ende der Lippe und den Kontaktzonen (Schutzsitz, Dichtsitz, Gewindeeinlauf) eingehalten werden. Im Anspruch 2 sind diese im einzelnen formelmäßig in Abhängigkeit von der jeweiligen Rohrabmessung festgelegt. Der den Abstand bestimmende Geometriefaktor ist direkt proportional zu dem Mittelwert der Querschnitte in den einzelnen Kontaktzonen.
Prinzipiell können für die Optimierung des Querkraft- und Biegemomentverlaufs konstruktiv weitere Kontaktzonen eingeführt werden. Der Vorteil der vorgeschlagenen Konstruktion ist dann zu sehen, daß auch unter Berücksichtigung der erforderlichen Herstelltoleranzen durch Überlagerung der im Schutzsitz erzeugbaren Querkrafte und Biegemomente sich für den Dichtsitz eine Gesamtspannung ergibt, die höchstens gleich oder geringer ist als die
Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes Somit ist sichergestellt, daß für alle Belastungszustande die Dichtfunktioπ des Dichtsitzes aufrechterhalten bleibt Aus dem Stand der Technik (DE 44 46 806 C1) ist bereits bekannt, daß bei einer Rohrverbindung mit Stoßschulter alternativ das Zapfenelement im gewindefreien Abschnitt eine schragverlaufende gerade Kontaktflache und das Muffenelement zwei damit zusammenwirkende konvexe, ballig ausgebildete Kontaktflachen aufweist Für eine Rohrverbindung ohne Stoßschulter wird vorgeschlagen, die Kontaktflache des Zapfenelementes in zwei Abschnitte mit einer unterschiedlichen Kegelneigung aufzuteilen, wobei der Abschnitt mit der großen Kegelneigung mit der als Schutzsitz ausgebildeten Kontaktflache des Muffenelementes zusammenwirkt Die Kegelneigung am Schutzsitz soll mindestens 20% steiler als die Neigung am Dichtsitz ausgebildet sein und als Uberschraubhemmung wirken Durch den steileren Kegel des Schutzsitzes wird selbst bei zulassigem Uberschrauben aufgrund der höheren Schutzsitz-Querkrafte eine negative Beeinflussung der Spannungsverhaltnisse im Dichtsitz verhindert
In den Figuren werden die zuvor erläuterten Zusammenhange bezüglich Abstand von Kontaktebenen, Querkrafte, Biegemomente und Durchbiegung schematisch als Diagramme dargestellt sowie Ausfuhrungsformen skizziert Es zeigen
Figur 1 Grundlegende Zusammenhange des Einflusses des Abstandes der
Kontaktpressung vom Ende der Lippe
Figur 2 Durchbiegung (a), Querkrafte (b) und Biegemomente (c) für eine Lippe mit zwei Kontaktzonen bei einer optimalen Abstandswahl ohne axiale
Vorspannung
Figur 3 wie Figur 2, jedoch mit axialer Vorspannung Figur 4 Einfluß des Stoßwinkels bei axialer Vorspannung
Figur 5 Einfluß der Abstandswahl zwischen Schutzsitz und Dichtsitz Figur 6 im Längsschnitt ein Muffen- und ein Zapfenelement mit einer
Anordnung von Schutzsitz und Dichtsitz
Figur 7 im Längsschnitt ein System aus Schutz- und Dichtsitz einer stoßfreien
Verbindung
In Figur 1 sind die Gruπduberlegungen dargestellt, wobei im oberen Teil die Lippe 4 = gewindefreier Abschnitt des Zapfenelementes - als der kritischere Teil, verglichen mit dem Muffenelement, als dünnwandiger, kurzer Hohlzylinder mit geringer
Wanddickenanderung angesehen wird und als Halbschnitt mit eingeleiteten Kräften dargestellt ist Die Ergebnisse der Anwendung theoretischer Grundlagen aus der Schalentheorie für einen Hohlzylinder mit Krafteinleitung Fu an dem Ende 5 der Lippe 4 und mit der Krafteinleitung Fu' in einem vom Ende 5 der Lippe 4 bzw von der Kraft Fu unbeeinflußten Abstand sind im unteren Teil von Figur 1 schematisch dargestellt
Auf der Abszisse ist der Abstand vom Ende 5 der Lippe 4 und auf der Ordinate vorzeichenbehaftet die Querkraft, das Biegemoment sowie die Durchbiegung ortsabhangig abgetragen
Die linke Seite im Diagramm zeigt beispielhaft die Positionierung einer Kontaktzone an der Lippe 4 Werden nun in dieser Ebene Umfangskrafte Fu eingeleitet, so erzeugen diese eine Durchbiegung 1 (ausgezogene Linie), Querkrafte 2 (gestrichelte Linie) und Biegemomente 3 (gepunktete Linie), die in Form von stark gedampften Schwingungen abklingen Die Frequenz dieser Schwingungen und damit die longitudinale Erstreckung der Belastungen und geometrischen Veränderungen werden dabei durch die Geometrie der Lippe 4 (Radius, Dicke) bestimmt
Die Große der Belastungen und Verformungen hangt von der Hohe der Umfangskraft ab und in welchem Abstand vom Ende 5 der Lippe 4 diese angreift Um dieselbe Durchbiegung 1 wie bei der Belastung am Ende 5 der Lippe 4 zu erzielen, sind je nach Entfernung Kräfte bis zur vierfachen Hohe erforderlich Im rechten Teil der Figur ist dieser Fall mit der höheren Umfangskraft Fu' kenntlich gemacht durch den längeren Pfeil Fu' im Vergleich zu Fu Infolge der größeren Umfangskraft Fu' sind auch die Querkrafte 2' und Biegemomente 3' bedeutend hoher, wobei die Biegemomente 3' in der Kontaktzone von entgegengesetztem Vorzeichen sind, verglichen mit denen am
Ende 5 der Lippe 4 Diese Momente erzeugen für die Vergleichsspannung ungunstige Zugbiegespannungen anstelle der Druckbiegespannungen bei Krafteinleitung am Ende 5 der Lippe 4
Die Umfangskrafte werden durch eine vorgegebene Durchbiegung (Uberdeckung in der Kontaktzone) beim Verschrauben erzeugt Je nach Positionierung der
Kontaktzone ergeben sich für gleiche Kontaktpressungen (Hertz'sche Flachenpressung durch die auftretende Umfangskraft) folgende Auswirkungen
a) Positionierung der Kontaktzone nahe am Ende 5 der Lippe 4 Zur Erzeugung der für die Flachenpressung erforderlichen Umfangskraft ist eine hohe Durchbiegung (Uberdeckung) erforderlich Dadurch werden jedoch auch große Tangentialspannungen verursacht, die die Fließgrenze überschreiten können Eine Reduzierung der Durchbiegung ist nur durch eine Verkleinerung der Kontaktflache möglich oder durch Verbindung mit einer Stoßschulter, die eine inverse Schräge d h eine negative Schulter aufweist (siehe Figur 6) Im letzteren Fall werden die Umfangskrafte durch die Radialkomponente der Vorspannkraft erhöht Abhangig von verschiedenen Faktoren kann die Hohe der „Zusatzflachenpressung" jedoch nicht ausreichend kontrolliert werden und eine Uberbeanspruchung die Folge sein Unter axialer Zuglast wird der Effekt der Vorspannkraft wieder reduziert und unter Umstanden ganzlich aufgehoben Als vorteilhaft ist das relativ geringe und negative Biegemoment 2 anzusehen
b) Positionierung in größerer Entfernung vom Ende 5 der Lippe 4 Bei einer solchen Positionierung der Kontaktzone wird eine hohe Flachenpressung schon bei geringer Durchbiegung und kleiner
Tangentialspannung erzeugt Bei Anordnung einer Stoßschulter wird die Kontaktzone von äußeren Axialbelastungen (Vorspannung durch Stoßmoment, axiale Kompression) weniger beeinflußt Nachteilig wirkt sich das relativ hohe, Biegemoment 2' mit daraus resultierenden Zugbiegespannungen für den Gesamtspannungszustand aus
In Figur 2 ist in den Teilbildern a - c für eine Lippe mit zwei Kontaktzonen (Sitze) bei einer optimalen Abstandswahl des Sitzes 1 (Schutzsitz) und des Sitzes 2 (Dichtsitz) vom Lippenende bzw vom Stoßende einerseits und vom Gewindeeinlauf andererseits die Durchbiegung 1 2 - 1 2", die Querkrafte 2 2 - 2 2" und die Biegemomente 3 2 - 3 2" aufgetragen Die durchgezogene Linie stellt das Optimum dar, wenn erfindungsgemaß die im Sitz 1 (Schutzsitz) wirkenden Kräfte die Belastung des Sitzes 2 (Dichtsitz) beeinflussen Die jeweils gestrichelten Linien 1 2', 2 2', 3 2' zeigen ergänzend den Verlauf, wenn nur ein Sitz 2 im weiten Abstand vom Lippenende und die gepunkteten Linien 1 2", 2 2", 3 2", bzw wenn nur ein Sitz 1 in naher Entfernung am Lippenende positioniert ist Im Teilbild a ist zu erkennen, daß die Durchbiegung
1 2 im Sitz 1 großer gewählt wird als im Sitz 2, und zwar erfindungsgemaß in einem Bereich des 1 ,15 bis 1 ,30-fachen Die erfindungsgemaße Überlagerung der Kräfte und Momente in den beiden Sitzen 1 ,2 ist insbesondere den Teilbildern b und c zu entnehmen Die Anordnung eines Schutzsitzes (Sitz 1) reduziert zwar die Querkrafte
2 2 im Vergleich zu 2 2' und damit die Flachenpressung, aber der verbleibende Betrag ist noch groß genug, um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen Die im Querkraftverlauf erkennbaren Kurvensprunge repräsentieren die in den Sitzen bzw Kontaktzonen eingeleiteten Umfangskrafte, wobei deren Betrag durch die Sprunghohe wiedergegeben wird Wesentlich im Hinblick auf die Gesamtbelastung ist die erfindungsgemaße Minimierung der schädlichen Zugbiegespannungen durch die positven Biegemomente 3 2 im Vergleich zu 3 2' gemäß Teilbild c
Figur 3 zeigt den Einfluß einer Vorspannkraft mit der Radialkomponente 6 bei Anordnung einer Schulter mit kleinem Stoßwinkel Die Aufteilung in die Teilbilder a - c ist die gleiche wie in Figur 2 Die aufgebrachte Radialkomponente 6 ist im Teilbild b am Lippenende abgetragen, und zwar als positive Querkraft Man erkennt, daß die Querkraft 2 3 im Sitz 2 (Dichtsitz) so gut wie nicht beeinflußt wird Das als schädlich angesehene Biegemoment 3 3 im Teilbild c ist durch die Vorspannung sogar etwas geringer geworden im Vergleich zu Figur 2 Ohne die Funktion des Schutzsitzes (Sitz
1) wurden im Dichtsitz (Sitz 2) selbst bei der hier vorgegebenen kleinen Radialkomponente 6 der Vorspannkraft erheblich höhere Flachenpressungen und schädliche Biegezugspannungen auftreten (Linien 2 3', 3 3' im Vergleich zu 2 3, 3 3)
In Figur 4 ist der Einfluß des Winkels der Stoßschulter auf Durchbiegung (a),
Querkraft (b) und Biegemoment (c) dargestellt Im Teilbild b ist gut zu erkennen, daß bei größerem Stoßwinkel als 10 Grad (im Beispiel 15°) die Querkrafte 2 4" im Vergleich zu 2 4 im Dichtsitz reduziert werden, wahrend sie im Sitz 1 mehr als verdoppelt werden, was zu Vergleichsspannungen fuhrt, die die Fließgrenze überschreiten Vorzugsweise ist daher ein kleinerer Winkel als 10 Grad (im Beispiel 6°) zu wählen, der im Dichtsitz keinen Einfluß ausübt (2 4' im Vergleich zu 2 4) Auch die Veränderung des Spannungszustandes im Schutzsitz verbleibt in zulassigen Grenzen Aus den Abbildungen b und c ist deutlich die Schutzfunktion des Sitzes 1 daran zu erkennen, daß auch bei kleinem Stoßwinkel am Lippenende eingeleitete Kräfte bis zum Gewindeeinlauf Auswirkungen zeigen, im Dichtsitz selbst jedoch keinen schädlichen Einfluß ausüben
Figur 5 zeigt die erfindungsgemaß optimierten Abstände zwischen Lippenende und Schutzsitz, Schutzsitz und Dichtsitz, Dichtsitz und Gewindeeinlauf und die daraus resultierenden Durchbiegungen, Querkrafte und Biegemomente (Linien 1 5, 2 5, 3 5)
Daraus ergeben sich Werte, die in Figur 2 schon ausführlich erörtert worden sind Wird der Sitz 2 (Dichtsitz) naher zu Sitz 1 verlagert bei gleichzeitiger Entfernung vom Gewindeeinlauf, so ergibt sich für diese Position Sitz 2' eine Querkraft 2 5', die zu gering ist, um eine ausreichende Dichtwirkung zu gewährleisten Eine Positionierung Sitz 2" mit zu großem Abstand von Sitz 1 und Näherung an den Gewindeeinlauf ergibt an dieser Stelle sehr hohe Querkrafte und Überschreiten der zulassigen Flachenpressung
Figur 6 zeigt ein Muffen- und ein Zapfenelement in erfindungsgemaß konstruktiver Ausfuhrung Das Muffenelement 7 weist einen innenliegenden Gewindeabschnitt 8 auf, der sich von der Stirnseite 9 bis zum gewindefreien Abschnitt 10 erstreckt Der Bereich 10 wird durch eine Stoßschulter 11 abgeschlossen Im gewindefreien Abschnitt 10 sind im Kontaktbereich 12 des Dichtsystems erfindungsgemaß zwei ballig kontunerte Sitze 13,14 angeordnet Davon ist der zur Schulter 1 1 naherliegende Sitz 13 als Schutzsitz und der weiter entfernt liegende Sitz 14 als Dichtsitz ausgebildet Die Radien der Ballen sind mit entsprechenden Pfeilen gekennzeichnet Die Stoßschulter 11 weist erfindungsgemaß eine schwache negative Schräge 15 von < 10 Grad auf Zwischen Gewindeende 16 und dem Kontaktflachenbereich 12 verbleibt ein Ubergangsabschnitt 17 für das Ausfahren des Gewindeschneidwerkzeugs Das Zapfenelement 18 weist einen außenliegenden
Gewindeabschnitt 19 auf, der komplementär zum Gewindeabschnitt 8 des Muffenelementes 7 ausgebildet ist Der außenliegende Gewindeabschnitt 19 geht auslaufend dann über in die Ausgangsdicke 20 des Rohres 21 or dem Gewindeeinlauf 22 liegt ein gewindefreier Abschnitt 23, der dann übergeht in eine Stoßschulter 24, die mit der Stoßschulter 11 des Muffenelementes 7 zusammenwirkt Von der Schulter 24 aus erstreckt sich eine konische Mantelflache 25 bis über die Position der balligen Sitze 13, 14 des Muffenelementes 7 hinaus Die restliche Mantelflache 26 des gewindefreien Abschnittes 23 kann mit demselben Konus fortgesetzt werden oder zur Erhöhung der Elastizität der Lippe mit einer geringeren Neigung oder zylindrisch ausgeführt werden
Figur 7 zeigt ausschnittsweise die erfindungsgemaße Ausfuhrung einer stoßfreien Rohrverbindung Im Unterschied zur Ausfuhrungsform gemäß Figur 6 wird die konische Mantelflache 25 des Zapfenelementes 18 durch eine doppelkegelige Kontur ersetzt Dazu weist das Zapfenelement 30 im Anschluß an die restliche Mantelflache
31 zwei unterschiedlich geneigte Kegelflachen 32, 33 auf Dabei bildet der von der Stirnflache 36 des Zapfenelementes 30 weiter entfernt liegende Sitz 34 den Dichtsitz und der naherliegende Sitz 35 den Schutzsitz, wobei dieser mit einer starker geneigten Kegelflache 33 versehen ist Das Muffenelement 37 ist im Bereich des Schutzsitzes 38 mit einer konvex balligen Kontur versehen Diese hat im Vergleich zur
Ausfuhrungsform gemäß Figur 6 einen größeren Radius als der Schutzsitz 13 und lauft über eine Schräge 39 zur Muffenmitte 40 aus Alternativ kann anstelle der konvexen und abgeschrägten Kontur auch eine kegelige Mantelflache ausgeführt werden, die dem Konus 33 des Zapfenelementes 30 entspricht

Claims

Patentansprüche
1 Rohrverbindung mit einem Muffenelement, das einen vom Ende axial nach innen sich erstreckenden Innengewindeabschnitt aufweist, an den sich ein gewindefreier Abschnitt anschließt und mit einem Zapfenelement, das einen komplementär zum Muffenelement ausgebildeten Gewindeabschnitt aufweist, an den sich ein bis zum stirnseitigen Ende sich erstreckender gewindefreier Abschnitt, der auch als Lippe bezeichnet wird, anschließt und die gewindefreien Abschnitte im verschraubten Zustand zueinander in Kontakt treten und ein metallisches Dichtsystem bilden, wobei das Dichtsystem mit zwei axial voneinander beabstandeten Kontaktzonen versehen ist und wovon mindestens eine Kontaktzone geometrisch unterschiedliche Querschnittskonturen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die einen kürzeren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Schutzsitz und die einen weiteren Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) aufweisende Kontaktzone als Dichtsitz ausgebildet sind, wobei für den Dichtsitz ein Abstand zum Gewindeeinlauf und ein Grad der Durchbiegung (1) gewählt wird, der im Dichtsitz eine Flachenpressung von mindestens dem
Sechsfachen der theoretisch erforderlichen Flachenpressung, aber höchstens 90 % der Streckgrenze in bezug auf den verwendeten Werkstoff erzeugt, wobei der Grad der Durchbiegung (1) immer großer ist als die Gewindeuberdeckung im Bereich des Gewindeeinlaufes und mit Gewindeeinlauf eine Ebene definiert ist, in der Zapfen- und Muffengewinde auf der Lippenseite den ersten Kontakt haben und daß für den Schutzsitz ein Abstand zum Ende (5) der Lippe (4) einerseits und zum Dichtsitz andererseits sowie ein 1 ,15 bis 1 ,30-fach höherer Grad der Durchbiegung (1) in bezug auf den Dichtsitz gewählt wird, der in Abhängigkeit vom gewählten Grad der Durchbiegung (1) des Dichtsitzes auch unter
Berücksichtigung von Herstelltoleranzen sowie der Überlagerung extern angreifender Lasten und Momente nach dem Verschrauben im Dichtsitz bei vollem Erhalt der Dichtfunktion eine Gesamtspannung ergibt, die höchstens gleich oder kleiner ist als die Elastizitätsgrenze des verwendeten Werkstoffes Rohrverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen Schutzsitz und Ende (5) der Lippe (4) einerseits und zwischen Schutzsitz und Dichtsitz andererseits sowie zwischen Dichtsitz und Gewindeeinlauf den folgenden Bedingungen genügen
Figure imgf000013_0001
Es bedeuten X = Abstand
A = Querschnitt fi, f2, f3 = Geometriefaktor
Indices L = Lippenende
S = Schutzsitz
D = Dichtsitz
G = Gewindeeinlauf
Rohrverbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegende Stirnflache des Muffen- (7) und die außenliegende
Stirnflache des Zapfenelementes (18) im jeweils gewindefreien Abschnitt (10,23) so ausgebildet sind, daß sie eine Stoßschulter (11 ,24) bilden, die als Schrägschulter mit einer Schräge (15) < 15 Grad versehen ist.
4. Rohrverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräge (15) < 10 Grad ist.
5. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rohrverbindung mit Stoßschulter (11 ,24) das Zapfenelement (18) im gewindefreien Abschnitt (23) eine schragverlaufende gerade Kontaktfläche (25) und das Muffenelement (7) zwei damit zusammenwirkende konvex, ballig ausgebildete Kontaktflächen (13,14) aufweist.
6. Rohrverbindung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rohrverbindung ohne Stoßschulter die Kontaktfläche des Zapfenelementes (30) zwei Abschnitte (32,33) mit einer unterschiedlichen Kegelneigung aufweist, wobei der Abschnitt (33) mit der größeren Kegelneigung mit der als Schutzsitz (35) ausgebildeten Kontaktfläche (38) des
Muffenelementes (37) zusammenwirkt.
7. Rohrverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kegelfläche (33) am Schutzsitz (35) mindestens 20% steiler ausgebildet ist als die Kegelfläche (32) am Dichtsitz (34).
8. Rohrverbindung nach den Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex baliige Kontur von Dicht- und Schutzsitz am gewindefreien
Abschnitt des Zapfenelementes angebracht wird und der komplementäre Teil des Muffenelementes eine kegelige Mantelfläche aufweist. Rohrverbindung nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsystem an der Außenseite einer Rohrverbindung angeordnet ist.
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