DE2316060B2 - Gewinderohrverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für Ölbohrlochrohre - Google Patents

Description

legesclirift 1533 619, dem deutschen Gebrauchs- abschnitte vermindert, wodurch die Wirkung ent-

muster 1 906009, der USA.-Pntentschrift 2 992019 stein, daß der Abdichtungsdruck über diese Abdich-

und der britischen Patentschrift 1 220 856 offenbart, tungsflache in den gewindefrsicn Abschnitten neu

beim Zusammenschrauben der Verbindung eine verteilt und vergleichmäßigt wird, Auf Grund der er-

Äletall-gegen-MctuU-Abdichtung zwischen einer 5 findungsgemäßen Ausbildung der Endflächen ist es

konischen äußeren Flüche der Linpe des mit Außen- möglich, nahezu eine Linienberührung herbejzufüh-

gewinde versehenen Zapfentcils und der entsprechen- ren, die einen gleichmäßigen und hohen Kontakt-

den konischen Innenfläche des mit Innengewinde druck ermöglicht.

versehenen Mufienteils zu schaffen, wobei eine der Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus

zusammenwirkenden Flächen ein gerades und die io den Unteransprüchen.

andere ein bogenförmiges Profil aufweist. Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise

Bei diesen bekannten Gewinderohrverbindungen dargestellt. Es zeigt

liegen die Endfläche des mit Außengewinde versehe- F i g. 1 einen Schnitt hauptsächlich durch die linke nen Zapfenteiis und die zugehörige Endfläche des Hälfte einer Gewinderohrverbindung zur Erläuterung mit Innengewinde versehenen Muffenteils entweder 15 einer Ausführungsform der Erfindung,
in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse oder in einer Fig.2 eine vergrößerte Darstellung des in Fiig. 1 konisc'-cn Fläche, die die Rohrachse einschließt. Aus durch den gestrichelten Kreis angedeuteten Bereichs, diesem Grunde ist der Kontaktdruck, der durch das F i g. 3, 4 und 5 Darstellungen von großen /\us-Zusammenwirken dieser Flächen crzielbar ist, ver- schnitten bzw, eine Prinzipskizze zur Erläuterung hältnismäßig gering, selbst wenn diese Flächen mit 20 der Wirkung des Abdichtdruckes zur Zeit des Zue'mem sehr hohen Anzugsmoment gegeneinander ge- sammemchraubens der Rohrkupplung,
drückt werden, da die erhaltene Berührung nur eine Fig.6 und7 und8 vergrößerte Schnittdarstellun-Flächenberührung ist. Ein dermaßen niedriger Flä- gen, von denen jede eine andere Ausführungsform chendruck am Ende des mit Außengewinde versehe- der Erfindung entsprechend F i g. 2 zeigt,
nen Zapfenteils ist unzureichend, um gegen ein 25 Wie am besten aus Fig.2 ersichtlich, endet das Durchsickern des Mediums abzudichten. Ebenso ist Gewinde der Rohrkupplung bzw. Kupplungsmuffe? es . besonderem Maße erwartet worden, die festge- in einer gewindefreien konischen Fläche, welche sich legte Ausrichtung der Endfläche deb mit Außenge- in axialer Richtung entsprechend dem zwei- bis dreiwinde versehenen Zapfenieils und der zugeordneten fachen Wert der Gewindesteigung erstreckt und den Fläche des mit Innengewinde versehenen Muffenteils 30 gleichen Verjüngungsgrad wie das Gewinde aufweist, durch stärkere? Zusammenschrauben der Verbin- Diese Fläche endet ihrerseits an einer Schulter 6, die dung zu erhalten. Da ein gleichmäßiger Abdichtungs- mit der Endfläche S des mit Außengewinde versehedruck über die gesamte Metall-gegen-Metall-Abdich- nen Gliedes zusammenwirken kann. Andererseits entung nicht sichergestellt werden kann, und eine un- det der mit Gewinde versehene Abschnitt des mit gleichmäßige Verteilung des Abdichtungsdruckes 35 Außengewinde versehenen Gliedes an seinem vordevorauszusehen ist, ist es sehr wahrscheinlich, daß ren Ende in eit.em Lippenabschnitt 11, der sich eine Leckage in einer Zone mit geringerem Abdich- ebenfalls in axialer Richtung entsprechend dem zweitungsdruck auftritt. bis dreifachen Wert der Gewindesteigung erstreckt. Zur Sicherung der Dichtigkeit gegen ein Durchsik- Wie dies weiter unten beschrieben wird, weist die kern von öl und gegen ein Ausströmen von Erdgas 40 Außenfläche der Lippe 11 ein K jenförmiges Profil bei mit Gewinde versehenen Kupplungen, die eine mit einem verhältnismäßig grollen Kurvenradius/?, Metall-gcgen-Metall-Abdichtung aufweisen, ist es auf. Wie dies ebenfalls in der gleichen Figur gezeigt notwendig, einen gleichmäßigen Abdichtungsdruck ist, weist die Endfläche des mit Außengewinde verseüber die gesamte Abdichtungslinie zu erhalten, und henen Gliedes, das das Gewinde 2 trägt, ein konvexes der Abdichtungsdruck sollte wesentlich größer als 45 bogenförmiges Profil mit dem Kurvenradius R₂ auf, der Druck des abzudichtenden Mediums sein. Daher und die zugeordnete Schulterfläche 6 der Kupplungsist es sehr wichtig, daß der Abdichtungsdruck gleich- muffe 7 bzw. des mit Innengewinde versehenen GHemäßig über die gesamte Abdichtungslinie verteilt und des, welches das Innengev/inde 3 aufweist, ist mit genügend hoch ist. Weiterhin ist ein übermäßig hoher einem konkaven bogenförmigen Profil mit einem lokaler Abdichtungsdruck unerwünscht, da er zu 50 Kurvenradius R₃ ausgebildet. Die Mittelpunkte der einem Festfressen der Metallflächen auf Grund der konvexen und konkaven Flächen mit den Radien R₂ Reibung Anlaß gibt, was zu einer 1 eckage führt. Da- und R₃ sind an geeigneten Stellen innerhalb des mit her ist es erwünscht, die umfangsmäßige Verteilung Innengewinde versehenen Gliedes festgelegt. Im Fall des Abdichtungsdruckes ändern zu können, um ihn der Ausführungsform nach F i g. 2 ist der Mitteiso gleichmäßig zu machen. 55 punkt der konvexen Fläche mit dem Radius R₂ unAufgabe der Erfindung ist es, diese Forderungen terhalb desjenigen der konkaven Fläche mit dsm Rabei einer Gewinderohrverbindung d';r eingangs ge- dius R₃ angeordnet, und R, ist vorzugsweise nicht nannten Art zu erfüllen. größer als R₃.

Die Erfindung besteht darin, daß die Endfläche Die Außenfläche 9 der Kippe 11 ies Rohrabdes Zapfenteils im wesentlichen ein kovexes oder 60 schnittes 1 und die konische Innenfläche 4 der Kuppkonkaves Profil und die Fläche des Muffenteils ein lung 7 nähern sich, wenn das mit Außengewinde verim wesentlichen komplementäres Profil aufweist. sehene Glied, d. h. der Rohrabschnitt 1, und das mit Hierdurch wird auf Grund des Ineinandergreifens Innengewinde versehene Glied, r¹.. h. die Kupplungskonkaver und konvexer Flächen eine Verformung muffe 7, ineinandergeschraubt werden, und gelangen des Endabschnittes des mit Außengewinde versehe- fs zu einer Metall-gegen-Metall-Berührung, ehe die nen Zapfenteils gegen die Rohrachse während der Endfläche 5 des mit Außengewinde versehenen Glie-Bildung der ersten Abdichtung zwischen dem balli- des an der zugeordneten Scbulterfläche des mit Ingen und geradlinigen Profi! der gewindefreien End- nengewinde versehenen Gliedes aufsitzt. Hierzu ist

5 6

die Außenfläche9 der Kippe ballig mit dem Radius Gewindeteilkreis 31 und dem Weltkreis 32 der Ab- R_t ausgeführt, und zwar derart, daß die höchste Er- dichtfläche beruht auf der Ungleichmäßigkeit der hebung ungefähr in der Mitte zwischen dem vorderen Abdichtdiruckvcrtcilung, wie dies in Fig.4 dar.ge-Ende des Außengewindes und dem Ende des mit In- stellt ist, die ein extremes Beispiel zeigt. In diesem nengewinde versehenen Gliedes liegt. Hierdurch wird 5 Falle ist der effektive Abdichldruck gleich dem Mizuerst ein Metall-gegen-Metall-Kontakl zwischen den nimum des Berührungsdruckes P_m,„. Die Inncnflägewindefreien Flächen 9 und 4 herbeigeführt, und chcn 4 und 6 des mit Innengewinde versehenen Gliedann wird eine zweite Metall-gegen-Metall-Bcrührung des jedoch sind häufig mit dem gleichen Werkzeug zwischen der Endfläche 5 des mit Außengewinde vcr- wegen ihrer schlechteren Bearbeitbarkeit bearbeitet. { sehenen Gliedes und der zugeordneten Schulter- io In diesem Falle ist es einfach, eine gute Ausrichtung ^ fläche 6 des mit Innengewinde versehenen Gliedes der Achsen des Gewindeteilkreises und des Wälzherbeigeführt. Bei einem weiteren Zusammenschrau- kreises der Abdichtflächc zu erhalten. Demgemäß ,| ben steigt der Metall-gegen-Mctall-Abdiehtungs- bewirkt die kraftvolle zwa.igläufige Berührung zwi- f druck mit einer plötzlich zunehmenden Geschwindig- sehen den Flächen 5 und 6 der mit Außen- und In- | keit an, und die plötzliche Zunahme des Anschraub- 15 nengewinde versehenen Glieder auf Grund des Zu- ξ drehmomentes kann durch einen Drehmomentmesser sammcnschraubcns eine automatische Verschiebung I festgestellt werden, um automatisch die Schraubbc- des Endes 5 des mit Außengewinde versehenen Glie- } wegung zu stoppen, nachdem ein vorbestimmlcs An- des beispielsweise in Richtung der Pfeile in 1?ig.5, V zugsmoment erreicht ist, wobei ein Verbeulen und wodurch der relativ geringe Abdichtungsdruck über \ eine plastische Deformation der Lippe 11 vermieden »0 eine mit 9' und 4' bc/.cichnetc Fläche erhöht und rcwird. lativ hohe Abdichtiingsd rücke an der gcgenübcrlic-

Bci der neuen Gewinderohrverbindung gemäß der gcndcii Fläche, die mit 9" und 4" bezeichnet ist, ver- |

Erfindung sind der Teilstrich 13 des mit Außcngc- mindert werden. Hierdurch kann die Ungleichmäßig' \

winde versehenen Gliedes und der Teilstrich 16 des keit der Abdichtdruckverleilung, wie sie bei 33 in

mit Innengewinde versehenen Gliedes exakt ausge- as Fig.4 angezcigf isi. automatisch korrigiert werden \

richtet, und zwar durch die Anwendung der Anzugs- und eine gleichmäßige Verteilung des Abdichtdruk-

kraft auf Grund des Zusammenwirkens der konvexen kcs kann sichergestellt werden.

und konkaven Flächen, die im wesentlichen den Vcr- Weiterhin kann durch Ausbildung eines Abdich- '

lauf einer Rotationsfläche aufweisen, um einer Ab- tungsfilmcs mit einer Dicke von 0.1 bis 0.33 mm an

weichung von der festgelegten relativen Lage zu 30 der FnclflächcS des mit Außengewinde versehener»

widerstehen, so daß eine feste und kraftvolle Mc- Gliedes oder an der Schultcrflächc 6 des mit Inncn-

tall-gegcn-Mctall-Berührung zwischen diesen Fiä- gewinde versehenen Gliedes durch Auftrages eines

chcn 5 und 6 sichergestellt werden kann. Insbcson- flüssigen Harzes, beispielsweise Tetrafluorethylen,

derc kann durch die Wahl von R₂ gleich oder kleiner durch Sprühen oder mti einer geeigneten Büiste und

als /?., eine kreisförmige Beriihrungslinic /wischen 35 Erwärmen der Beschichtung mit einer Infrarol-Hci-

diesen Berührungsflächen sichergestellt werden, so zung oder einer anderen Heizung auf eine Tcmpcra-

daß eine Mclall-gegcn -Metall-Abdichtung mit einem tür von 60 bis 80 für eine kurze Zeitspanne sowohl

außerordentlich hohen Dichtungsdruck erhalten wer- eine Mctall-gcgcn-Mctall-Berührung ais auch eine

den kann. Im allgemeinen entsprechen die Radien R₂ Mctall-gcgcn-Har/Bcrührting /wischen den FIa-

und R_z vorleiihancrwcisc dem !.0 b«-. 2.5fachen der 40 chen 5 und 6 herbeigeführt werden, wodurch die

Dicke I₁. des Endes des mit Außengewinde versehe- Dichtfläche vergrößert und eine bessere Abdichiwir-

ncn Gliedes, und der Radius R_x betragt vorzugsweise kung erzielt wird.

50 bis 300 mm. Mit diesen Werten kann die /weite Fig. ft /cipt eine andere Ausführungsform, die anAbdichtung, das ist die Abdichtung 22. an dem Fndc gewendet ν ml. wenn der Rohrabschnitt 1 eine Dicke des mit Außengewinde versehenen Gliedes gebildet 45 ^{v<111 K}mm euler mehr hai. Is handelt sich hier um die werden, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. Darüber gleiche Au^führungsform. die vorher beschrieben hinaus kann bei einer konvexen oder konkaven Ro- wurde, jedoch mit der Ausnahme, daß 'lcr Rohrabtationsflächc nn tier f.ndflächc der lippe 5 diese- ^c.chnil( 1 unc' die Kupplungsmuffe? innere i'rrM.inas-Lippc hohen Anzugskräften widerstehen, ohne in abschnitte 50 und 51 aufweisen, deren cin;n!ii<: gc-Richtung auf die Rohrachse {nach unten in Fig. 3) 5° genübcrlicgcndc Flächen 52 und 53 in ebenen senkauszuweichen und den Mclall-ecgcn-Mctall-Abdich- recht /ur Rohrachse oder in konischen Flächen liclungscffckt zu verlieren. S^cn·

Darüber hinaus nimmt die F.ndflächc des mit F i g. 7 zeigt eine weitere Aiit-führungsform, bei Außengewinde versehenen Gliedes die Rcaklinns- welcher die Endfläche des mit Außengewinde vcrsckraft der zugeordneten Fläche des mit Innengew md; 55 hcncn Gliedes und die zugeordnete Fläche des mit versehenen Gliedes auf, wodurch die Ungleichmäßig- Innengewinde versehenen Gliedes Profile aufweisen, keit der Abdichtdruckverleilung in der HaupUibdich- die durch circ Vielzahl von geraden Linien begrenzt tun« auf Grund von Fertigungsfehlern ausgeglichen sind, die den bogenförmigen Profilen mit den Radien wird, so daß es möglich ist. eine Gcwinclcrohrvcrbin- R₂ und R_% der Ausführungsform nach Fig. 2 in erdung mit doppelter Abdichtung zu erhalten, die eine 6σ stcr Näherung angepaßt sind.

festere und gleichmäßigere Abdichtung aufweist. Um Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsfcrm, bei diesen Punkt im einzelnen zu erläutern, sei 'tarauf welcher das Ende des mit Außengewinde versehenen hin"cwicscn, daß das Gewindeschneiden und die Bc- Gliedes eine konkave Fläche und die zugeordnete

arbeUung der Vcrdichlflächc üblicherweise mit unter- Schulter des mit Innengewinde versehenen Gliedes schicdlichen Werkzeugen ausgeführt wird. Aus die- 6s eine konvexe Fläche aufweisen,

scm Grunde besteht ein größerer oder kleinerer Feh- Die Ausüihrungstormcn nach den F i g. 6 bis 8 lcr zwischen der Ac ise des Gewindes und der Achse sind ebenso wirksam wie die Ausführungsform nach

der 'Abdichtflächc. Die Exzentrizität zwischen dem F i g. 2. j

Hier/u I Blatt Zeichnungen j

Claims (5)

•J 1 2 einer Endfläche des Endabschnittes de? Zapfenteils Patentansprüche; und einer entsprechenden Fläche des Muffenteils % · bildet ist,

1. Gewinderohrverbindung für eine Verroh- Die Bedingungen, unter denen die Rohre verwenrung, insbesondere für ölbohrlochrohre, mit 5 det werden und die Erfordernisse, die an solche einer ersten Metall-gegen-Metall-Abdichtung bei Rohre gestellt werden, haben sich von Jahr zu Jahr verschraubter Gewinderohrverbindung zwischen immer schwieriger gestaltet. Erdöl- und Erdgasboheiner Außenfläche eines gewindefreien Endab- rungen sind häufig bis zu einer Tiefe von mehr als schnittes eines mit Außengewinde versehenen 5000 m vorgetrieben worden, und der Typ der mit Zapfenteils und einer entsprechenden Innen- io Gewinde versehenen rohrförmigen Auskleidungen, fläche eines mit Innengewinde versebenen Muf- die für solche Bohrungen verwendet wurden, ist über fenteils, wobei die Außenfläche des Zapfenteils die vielen Jahre einem Wandel unterzogen worden, im wesentlichen ballig ist oder ein im wesentli- und verschiedene neue Typen von Gewinderohrverchen bogenförmiges Profil aufweist und die In- bindungen sind vorgeschlagen und auch benutzt wornenfläche des Muffenteils mit geradlinigem Profil 15 den. Es ist einzusehen, daß bei einem Rohrstrang, ausgebildet ist und eine zweite Metall-gegen-Me- der sich in eine Tiefe von mehr als 5000 m erstreckt, tall-Abdichtung bei verschraubter Gewinderohr- die oberste Rohrverbindung das gesamte Gewicht verbindung zwischen einer Endfläche des Endab- der Verrohrung aufnehmen muß, selbst wenn keine

, schnittes des Zapfenteils und einer entsprechen- äußere Kraft ausgeübt wird und die Verrohrung in

Mf, ίΐ* den Fläche des Muffenteils gebildet ist, d a - 20 einfacher Weise aufgehängt ist. Da die üblicherweise

if: if-ψ durch gekennzeichnet, daß die End- !benutzten Rohre heute zwischen sechs und 50 kg/m

^ ■ fläche (5) des Zapfenteils (1) im wesentlichen ein Rohrlänge wiegen, entstehen riesige Belastungen, die

konvexes oder konkaves Profil und die Fläche durch die Gewinde aufgenommen werden müssen.

(6) des Muffenteils (7) ein im wesentlichen korn- Falls die Verrohrung dazu benutzt wird, das Bohr-

plementäres Profil aufweist. 25 loch zu bohren, muß die Kupplung zusätzlich zu der

2. Gewiriderohrverbindung nach Anspruch 1, Zugbelastung einer hohen Drehmomentbelastung dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche (5) widerstehen können.

des Zapfenteils (1) und die zugeordnete Fläche Eine im Zusammenhang mit der Verrohrung auf-

(6) des Muffenteils Kurvenradien R₂ bzw. R₃ auf- tretende Schwierigkeit besteht darin, daß die Kuppweisen, wobei R₂<^R_a ist und die"Radienwerte ₃₀ lung zwischen einander zugeordneten, mit Gewinde zwischen dem einfachen bis dem fünffachen der versehenen Elementen beim Auftreten einer großen Dicke (T,) des Endabschnittes (11) des Zapfen- Zugbelastung locker wird, was zu einer Beeinflusteils (1) betragen. sung der lecksicheren Eigenschaften der Kupplung

3. Gewinderohrverbindung nach Anspruch 1 führt. Aus diesem Grund sind verschiedene Verbes- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander 35 serungen in Verbindung mit der Abdichtung der Gezugeordneten Flächen (5, 6) der zweiten Abdich- winderohrverbindung wünschenswert.

tung (22) mit einem Überzug aus Kunststoff, vor- £_s j_st bekannt und beispielsweise in der USA.-Pa-

zugsweise Tetrafluoräthylen, überzogen sind. tentschnft 3 210 096 und der USA.-Patentschrift

4. Gewinderohrverbindung nach einem der 3 224799 offenbart, gegen ein Durchsickern bzw. Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 40 eine Leckage zwischen einander zugeordneten mit der Zapfen- und Muffentci! (1, 7) innere Um- Gewinde versehenen Elementen abzudichten, d.h. fangsabschnitte (50, 51) aufweisen, zwischen de- eine Dichtung bei der Rohrverbindung beim Zusamnen ein Spalt ausgebildet ist, und daß die einan- menschrauben der Kupplung dadurch zu schaffen, der gegenüberliegenden Flächen (52, 53) der in- daß eine Metall-gegen-Metall-Abdichtung zusamnercn Umfangsabschnitte in Ebenen liegen, die 45 mengehöriger oder zusammenwirkender Teile der senkrecht oder konisch zur Rohrachse verlaufen. _mit Außen- und Innengewinde versehenen Kupp-

5. Gewinderohrverbindung nach einem der lungselemcnte gebildet ist. Bei dieser Gewinderohr-Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß verbindung liegt die Stirnfläche des Endteiles (oder das konkave bzw. konvexe Profil der einander Lippe) des mit Außengewinde versehenen Zapfenzugeordneten Flächen (5, 6) der zweiten Abdich- 50 teils, das die Metall-Metal !-Abdichtung bildet, in tung (22) durch eine Vielzahl von geraden Linien _ej_ner Ebene senkrecht zur Rohrachse, und die zugebildet ist. geordnete Fläche des mit Innengewinde versehenen

Muffenteils liegt ebenfalls in einer Ebene senkrecht

zur Rohrachse, wobei die zugeordnete Fläche des

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gewinderohr- 55 Mufftnteils als Anschlagsschulter dient, die ein Überverbindung für eine Verrohrung, insbesondere für mäßiges Zusammenschrauben verhindert. Es ist auch ölbohrlochrohre, mit einer ersten Metall-gegen-Mc- bekannt und beispielsweise in der deutschen Ausle- ^tall-Abdicbtung bei verschraubter Gewinderohrver- geschrift 1533 619, der britischen Patentschrift bindung zwischen einer Außenfläche eines gewinde- 1220 856, der USA.-Patentschrift 3 489 437, der freien Endabschnittes eines mit Außengewinde verse- 60 USA.-Patentschrift 3 359 013 und der USA.-Patenthenen Zapfentcils und einer entsprechenden Innen- schrift 3 050 318 offenbart, die Stirnfläche des mit fläche eines mit Innengewinde versehenen Muffen- Außengewinde versehenen Zapfenteils als kegelteils, wobei die Außenfläche des Zapfenteils im we- stumpfförmige Fläche auszubilden, die die Rohrachse sentlichen ballig ist oder ein im wesentlichen bogen- einschließt, und die zugeordnete Fläche des mit Införmiges Profil aufweist und die Innenfläche des 65 nengewinde versehenen Muffenleils als eine entsprc-Muffenteils mit geradlinigem Profil ausgebildet ist chcnde kegelstumpfförmige Fläche auszubilden. Wei- und eine zweite Metall-gegen-Metall-Abdichtung bei tcrhin ist es bekannt und beispielsweise in der deutverschraubter uewinderohrverbindung zwischen sehen Auslegeschrift 1 243 605. der deutschen Aus-