DD284955A5

DD284955A5 - Hermetische metallrohrverbindung

Info

Publication number: DD284955A5
Application number: DD89333271A
Authority: DD
Inventors: Cappelli Cataldo; Norberto Morlotti
Original assignee: ��@��k��
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1990-11-28
Also published as: HRP940489B1; CS8905547A2; US4958862A; DE68923338D1; KR950000608B1; SK278341B6; DE68923338T2; DE8911779U1; YU47908B; MY104226A; YU191689A; CZ278300B6; ES2014954A4; ATE124769T1; BR8905142A; GR3017605T3; HK1005320A1; NO893657L; KR900006724A; RU2058505C1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hermetische Metallrohrverbindung zum Pumpen endogener Fluide und fuer die Bohrlochverrohrung mit konischem bzw. sich verjuengendem Gewinde, komplett mit einem Einsteck- und einem Muffenelement, gekennzeichnet durch eine spezifische Kombination von Oberflaechen, die eine hermetische Metallabdichtung durch Wechselwirkung zwischen zwei Flaechen sicherstellen, die eine auf dem Einsteckelement, die andere auf dem Muffenelement, mit einer konischen Gestalt, wobei die Konizitaet zwischen 6,25 und 9,25% betraegt und die Oberflaeche des Einsteckelementes, die in Kontakt mit dem entsprechenden Muffenelement kommt, eine Laengserstreckung zwischen 0,5 und 2,5 mm aufweist.{Rohrverbindung, hermetisch; Bohrlochverrohrung; Einsteckelement; Muffenelement; Oberflaeche; Kombination, spezifisch; Metallabdichtung; Fluid, endogen}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine hermetische Metallrohrverbindung, insbesondere für zum Pumpen von Fluiden und für Bohrlochverrohrungen verwendete Rohre, die hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich für die Exploration und Produktion von Kohlenwasserstoffen und geothermischen Fluiden verwendet werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für solche Verwendungen wird natürlich die Verbindung zwischen einem Rohr und dem nächsten hergestellt, indem entweder ein Außengewinde auf dem einen Ende und ein Muttergewinde auf dem anderen Ende (integrale Kupplung) geschnitten wird oder indem Außengewinde auf beiden Enden des Rohres geschnitten werden und dann eine hohle Hülse mit zwei Muttergewinden (Hülsenkupplung) verwendet wird. In allgemeinen sind diese Gewinde vorzugsweise Kegelgewinde bzw. verjüngt.

Diese Verbindungen müssen nicht nur die Vereinigung der in Betracht stehenden Rohre sicherstellen, sie müssen vielmehr auch stark genug sein, um mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen; sie müssen auch das Lecken von Flüssigkeiten und Gasen durch die Rohre verhindern. Die Dichtung kann durch geeignete Interferenz zwischen den Gewinden auf den Einsteck- und Muffenelementen gebildet sein oder indem geeignete Dichtungsflächenn getrennt von den Gewinden verwendet werden, die, wenn sie richtig zusammengedrückt werden, den Durchtritt der Fluide verhindern. Diese Techniken lassen sich natürlich kombinieren.

Es ist bekannt, daß dann, wenn das zum Anziehen einer Verbindung verwendete Moment größer als die Fließfestigkeit des Materials ist, in den Gewinden und in den gegebenenfalls zusätzlichen Dichtungseinrichtungen induzierte Beanspruchungen zu Schäden führen können, so daß die durch die Verbindung herbeigeführte Abdichtung nicht länger wirksam wird, insbesondere, nachdem diese wiederholt zusammengebaut und auseinandergeschraubt wurde. Dieser Nachteil wurde beseitigt, indem Gewinde entwickelt wurden, wie sie in der europäischen Patentanmeldung EP 273016 der Anmelderin beschrieben sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die beschriebenen Verbindungen weiter verbessert werden können, indem in zweckmäßiger Weise die Sitzflächen modifiziert werden und indem spezifische Dichtungsflächen eingeführt werden (im folgenden „hermetische Metalldichtung" oder „metallische Dichtung" genannt), so daß die Zusammenschraubbarkeit sowohl hinsichtlich der Anzahl der Schraub/Aufschraubzyklen möglich wird und auch die Aufnahme übermäßiger Momente möglich wird, wodurch die besten Dichtungsbedingungen in jeder Situation garantiert werden.

Übermäßige Momente können natürlich irreversibel die Geometrie der Dichtungseinrichtungen (oder Flächen) aufgrund der plastischen Verformung modifizieren, die aus zu hohen Beanspruchungen resultieren; eine Wiederverwendung des Rohres wird somit entweder problematisch oder vollständig unmöglich. Das Rohr kann Beschädigungen erleiden, selbst wenn es zum ersten Mal eingesetzt wird und dies kann Beanspruchungskorrosion auslösen.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden ist es daher notwendig_veine oder mehrere Dichtungseinrichtungen (hermetische Metalldichtung) mit einem mechanischen Element (Sitz) zu kombinieren, wodurch positiv die Störungen und damit die Beanspruchungen auf die Dichtungseinrichtungen selbst vermieden werden können, selbst wenn das Anziehmoment über die Fließ- oder Bruchfestigkeit des Dichtungsmaterials steigt.

Anwendungen dieses Prinzips sind bekannt, aufgrund der realisierten geometrischen Lösungen können sie jedoch die geforderte hohe Verläßlichkeit nicht garantieren.

Das US-Patent 4153283 beschreibt eine besondere Kombination von Sitz- und Dichtungsflächen, bei dem die Wechselwirkung zwischen einer Kugelfläche des Einsteckelementes mit einer sich verjüngenden Fläche des Muffenelementes (Metalldichtung) ausgenutzt wird, begleitet von einem zusätzlichen folgenden Flachsitz. Diese Lösung sichert jedoch die Verbindung nicht gegen die obengenannten Schäden. Wenn diese nämlich zusammengebaut wird, tritt der erste Kontakt zwischen der sich verjüngenden Fläche und der kugeligen Fläche längs einer Umfangslinie ein, die in eine endliche Fläche aufgrund der Verformung in der Anspannphase umgeformt wird. Da der Kontakt zwischen diesen Dichtungsflächen vom HertzschenTypist-d. h. gekennzeichnet durch einen raschen Anstieg in den Spannungen bei zunehmender elastischer Verformung - ist es sehr leicht, örtlich die Elastizitätsgrenze, selbst bei geringen aufgebrachten Lasten, zu überschreiten, so daß die kugelige Fläche plastisch sich verformt und die Verbindung ohne weiteres leck werden kann, für den Fall, daß sich der Rohrstrang setzt. Auf jeden Fall kann die Verbindung, nachdem sie auseinandergeschraubt ist, nicht wiederverwendet werden.

Im übrigen liegt bei Verbindungen, die korrekt verwendet werden, der Winkel der verjüngten Sitzflächen bzw. Kegelsitzflächen um 15-20° und dies kann noch übermäßig sein, da ein übermäßig großes Moment eine radiale Schubkomponente erzeugen kann, welche gefährliche lokale Überspannungen erzeugt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine hermetische Metallrohrverbindung verbesserter Dichtigkeit, auch nach wiederholtem Auseinanderbau, anzugeben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Metalldichtung in anderen Verbindungen dem Kontakt zwischen zwei konischen Flächen, eine auf dem Einsteckelement und die andere auf dem Muffenelement zu überlassen, die sich einander perfekt adaptieren sollten. Diese Flächen sind so ausgelegt, daß sie über einen sehr breiten Bereich in Kontakt kommen (und damit über eine beachtliche Länge ihrer Erzeugenden, d.h. etwa 5 bis 10mm). In diesem Falle sind Kontaktdrücke immer ziemlich klein; die Dichtung hängt im wesentlichen vom Labyrinth-Effekt ab, der am Kontakt der beiden konischen Flächen erzeut wird.

Dieser Typ von Dichtung macht aber eine extrem genaue mechanische Bearbeitung der konischen Flächen erforderlich, so daß technologische, wirtschaftliche und Qualitätskontrolle-Probleme bestehen. Die Möglichkeit, daß die eine Fläche zur anderen paßt, ist praktisch gleich Null.

Um alle diese Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde eine Dichtung für Rohre entwickelt, die zum Pumpen für Fluide und für Bohrlochverbindungen verwendet werden kann. Diese Dichtung gemäß der Erfindung verfügt über eine spezifische Kombination von Flächen, die die hermetische Metalldichtung bilden, gegebenenfalls in Kombination mit spezifischen Sitzflächen.

Erfindungsgemäß werden die Aufgaben durch eine Rohrdichtung zum Pumpen endogener Fluide sowie für Bohrlochverbinduungen mit sich verjüngendem Gewinde bzw. Kegelgewinde, komplett mit einem Einsteck- und einem Muffenelement gelöst. Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine spezifische Kombination von Flächen gelöst, die für eine hermetische Metalldichtung durch die Wechselwirkung zwischen zwei Flächen, eine auf dem Einsteckelement und eine auf dem Muffenelement, sorgen und die eine Kegelgestalt oder sich verjüngende Gestalt haben, wobei die Verjüngung zwischen 6,25 und 9,25% ausmacht, und die Oberfläche des Einsteckelementes, die in Kontakt mit dem entsprechenden Muffenelement kommt, eine Längserstreckung zwischen 0,5 und 2,5mm ausmacht.

Diese Abdichtung wird vorzugsweise kombiniert mit zwei Sitzflächen, einer auf dem Einsteckelement, die andere auf dem Muffenelement, die beide kegelig sind bzw. verjüngt sind und wobei der Winkel, der durch die Erzeugende mit einer Ebene gebildet wird, die senkrecht zur Achse der Verbindung liegt, zwischen 5 und 10° beträgt und diese Flächen erst nach der Wechselwirkung und Betätigung der Gewinde und der Dichtungsflächen in Kontakt kommen.

Die Verbindung nach der Erfindung besteht also aus einem Einsteckelement (männlichen Element) mit wenigstens einem kegeligen Außengewinde und einem Muffenelement (weiblichen Element) mit einem komplementären Innengewinde, wobei der Endteil dieses Einsteckelementes jenseits jedes Gewindes über eine Kegeldichtung mit hauptsächlich axialer Erstreckung

und gegebenenfalls einer Innensitzfläche, die ebenfalls kegelig ist oder sich verjüngt, verfügt und hauptsächlich quer verläuft, wobei diese Flächen mit ähnlichen Dicht- und Sitzflächen auf dem Muffenelement in Wechselwirkung treten und die Länge der Dichtfläche des Muffenelementes längs der Haupterzeugenden größer als die der entsprechenden Dichtungsfläche des männlichen Elementes oder Einsteckelementes ist. Diese Dichtung zeichnet sich also dadurch aus, daß diese zwei Dichtflächen der Einsteck- und Muffenelemente eine Verjüngung oder eine Kegelausbildung zwischen 6,25 und 9,25% haben, wobei die Länge der Oberfläche des Einsteckelementes, die in Kontakt mit der entsprechenden Fläche des Muffenelementes kommt, zwischen 0,5 und 2,5mm beträgt.

Es ist besonders vorteilhaft, die Metalldichtung der oben beschriebenen Art mit Sitzflächen auf dem Einsteckelement und auf dem entsprechenden Muffenelement mit einer Verjüngung bzw. einem Kegelwinkel zwischen 5 und 10° zu einer Ebene zu koppeln, die senkrecht zur Achse der Verbindung liegt, wobei diese Flächen nur nach der Wechselwirkung und Betätigung der Gewinde und der Dichtflächen wirksam werden.

Der Ausdruck „Betätigung" wie er hier verwendet wird, bedeutet das Erreichen des Zustandes minimaler Beanspruchung der sicherstellt:

- ausreichenden Druck auf die Flanken der in Kontakt stehenden Gewinde, um ein Losschrauben bei einem Moment zu verhindern, das geringer ist als das, welches für das Schrauben verwendet wird und auch um einen sekundären Dichtungseffekt längs des Gewindes aufzubringen;

- außerdem soll ausreichender Kontaktdruck auf die Dichtungsflächen sichergestellt werden, um ein Lecken unter Grenzbedingungen im Gebrauch zu verhindern.

Die Verbindung nach der Erfindung kann hergestellt werden mit irgendeinem zur Zeit bekannten Gewindetyp oder kann unter den heutigen Stand der Technik subsumiert werden, insbesondere Einfachgewinde oder Mehrfachgewinde mit irgendeiner Form von Gewinde einschließlich Hakengewinde, die im allgemeinen für Dichtungen in Frage kommen, wo die Einsteck- und Muffenelemente über komplementäre sich verjüngende Gewinde bzw. Kegelgewinde verfügen, und Störungen oder Interferenzen dieser Gewinde entsprechend einem der übernommenen Ausbildungen reduziert werden, jedoch von der Art sind, daß die Kämme der Gewinde des Muffenelementes exakt an den entsprechenden Wurzeln (Tälern) der Gewinde des Einsteckelementes haften, deren Kämme stattdessen nicht in Kontakt mit den entsprechenden Wurzeln des Muffengewindes treten.

.In der Ausführungsform mit Haken bilden die Flanken der Gewinde, die das Einsteckelement in das Muffenelement ziehen, einen negativen (Haken) Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Achse der Verbindung, wobei dieser Winkel zwischen 0 und -3° liegt, während die sekundären Flanken in der gleichen Richtung geneigt sind und einen Winkel zwischen 8 und 16° zu dieser Ebene bilden, wobei der Abstand zwischen diesen Flanken zwischen 0,035 bis 0,35 mm beträgt.

Die Verbindung nach der Erfindung wird hergestellt vorzugsweise mit den Gewinden, wie sie in der europäischen Patentanmeldung EP 273016 beschrieben sind. Diese Gewinde sind derart, daß die Kämme des Gewindes des Muffenelementes perfekt an den entsprechenden Wurzeln des Gewindes des Muffenelementes haften, deren Kämme die entsprechenden Wurzeln nicht berühren (Antares Gewinde).

Die Verbindung kann auch mit einer zusätzlichen Dichtungseinrichtung versehen sein, die aus einem Dichtungsring aus Kunststoffmaterial besteht, der in geeigneter Weise zwischen den beiden Sitzflächen der Einsteck- und Muffenelemente in einem Gehäuse positioniert ist, das auf der Sitzfläche des Muffenelementes ausgebildet ist.

Für besondere Anwendungsfälle, bei denen beispielsweise Umgebungen in Betracht kommen, wo korrosive Fluide wie H₂S vorhanden sind, ist die Verbindung nach der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn sie mit Cr-Mn-V-Stählen oder Cr-Mo-Stählen hergestellt wird, die V, Ti und Nb enthalten, wobei diese Stähle abgeschreckt und getempert werden, so daß sie eine getemperte Martensitstruktur haben.

Befinden sich die korrosiven Fluide auf hoher Temperatur- beispielsweise 150°C - und haben sie vielleicht einen hohen Salzgehalt, so läßt sich die Verbindung aus rostfreiem Stahl oder Legierungen auf Nickelbasis herstellen, gegebenenfalls in Zuordnung zu das Fressen bekämpfenden Behandlungen wie dem Einbau von Edelmetallen oder Härtungselementen oder elektrolytischen Abscheidungen von härtenden und/oder schmierenden Metallen (beispielsweise Ni + Cr).

Ausführungsbeispiel

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1: einen Axialschnitt durch eine Schraubverbindung;

Fig.2 und 3: den Endteil des Einsteckelementes.

Die Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Schraubverbindung, die aus einem Einsteckende 1 und einem Muffenende 2 besteht, während aus Zweckmäßigkeitsgründen der Darstellung die Gewinde von Einsteck- und Muffenende mit 3 bezeichnet sind.

Das Feld A deckt den Bereich des Sitzes und der Metalldichtung nach der Erfindung ab; die beiden Teile sind genauer in Fig. 2 und 3 dargestellt; Fig.2 zeigt die Anfangsphase des Zusammenbaues, wenn die Dichtungsflächen in Kontakt kommen; Fig.3 zeigt die Konfiguration nach dem Spannen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Teil des Endteils des Muffenelementes 2, wo hinter bzw. jenseits des Gewindes 3zwei konische Innenflächen 10 und 9 vorgesehen sind, die in Wechselwirkung mit den entsprechenden Flächen Einsteckelementes jeweils den Sitz und die metallische Dichtung nach der Erfindung bilden.

Die Fig.2 und 3 zeigen den Endteil des Einsteckelementes, wo eine Reihe generisch verjüngter oder konischer Flächen mit unterschiedlichen Winkeln jenseits oder hinter dem Gewinde 3 vorgesehen sind. Mit 4 ist die Fläche bezeichnet, die in Kontakt mit der entsprechenden Fläche 9 des Muffenelementes 2 kommt und die hermetische Metalldichtung bildet, während mit dem Bezugszeichen 5 die Sitzfläche bezeichnet ist, die in Kontakt mit der entsprechenden Fläche 10 des Muffenelementes kommt.

Diese Paare von Flächen (4 und 9), (5 und 10) sollten jeweils eine Verjüngung von 6,25-9,25% im Falle des ersteren haben und einen Winkel von 5-10° zu einer Ebene senkrecht zur Verbindungsachse haben, was letzteres angeht.

Wie aus der Darstellung ersichtlich, ist die Fläche 9 viel größer als die Fläche 4, so daß der Kontakt zwischen den beiden Flächen immer sichergestellt wird, in dem für die Erfindung betrachteten Fall für einen breiten Bereich konstruktiver Toleranzen.

Fig. 2 zeigt den ersten Kontakt der Dichtungselemente 4 und 9, bevor die Sitzflächen 5 und 10 in Kontakt kommen und wenn die Dichtung zusammengespannt wird.

Fig. 3 zeigt die Verbindungskonfiguration nach dem Aufbau, wenn die Sitzflächen 5 und 10 auch in Kontakt sind und die Verbindung sich im Benutzungszustand befindet.

Um die graphische Darstellung zu erleichtern, sind die Kontaktflächen der metallischen Dichtung übertrieben dargestellt, so daß es einfacher wird, zu verstehen, wie die Verbindung arbeitet.

Die Verbindung oder Kupplung nach der Erfindung kann entweder auf zwei Rohren ausgebildet sein, die jeweils Einsteck-und Muffenende haben (Integral-Kupplung) oder sie kann vorzugsweise auf Rohren mit zwei Einsteckenden ausgebildet sein, die durch Hülsen mit Enden mit Innengewinde (Hülsenkupplung) miteinander verbunden sind. Der Innenteil der Hülsenkupplungen ist dicker nahe dem Mittelpunkt, um die Dichtungs- und Sitzzonen aufzunehmen bzw. zu lagern.

Als Beispiel für solch ein Gewinde kann eine Verbindung für 7" Durchmesser Bohrlochverrohrungsrohre mit einem konischen Gewinde mit einer Konizität von 8,5% hergestellt werden, wobei die primären Flanken des Gewindes, die in Kontakt nach dem Zusammenbau bleiben, einen Nennwinkel von 2° 26 Minuten mit einer Ebene senkrecht zur Achse der Verbindung bilden und die sekundären Flanken in entgegengesetzter Richtung schräg zulaufen, so daß die primären Flanken unter einem Nennwinkel von 25° zu dieser Ebene stehen und der Nennabstand zwischen diesen sekundären Flanken 0,05 mm beträgt, wenn die Dichtung zusammengebaut wird.

Die in den beiden oben genannten Beispielen genannten Abmessungen sind keine Nennabmessungen; sie variieren abhängig von der Größe der Verbindung.

Die Verbindung nach der Erfindung schließt nicht die Verwendung zusätzlicher Dichtungseinrichtungen aus, die beispielsweise aus einem Kunststoffdichtungsring bestehen, der zweckmäßig zwischen den beiden Sitzflächen der Einsteck- und Muffenelemente in einem Gehäuse positioniert ist, das auf die Sitzfläche des Muffenelementes geschnitten ist. Auf diese Weise wird die Metall-Metall-Verbindung gegen irgendwelche korrosiven Agentien geschützt, die in den Fluiden enthalten sein können, die in Kontakt mit den Rohren selbst kommen.

Ein weiterer Schutz läßt sich erhalten, indem man eine Auskleidung aus einem schützenden Epoxy- oder Phenolharz beispielsweise auf die Innenfläche der Dichtung in Kontakt mit diesen korrosiven Agentien aufbringt.

Die spezifische Kombination von Elementen, die dazu beitragen kann, die hermetische Metalldichtung nach der Erfindung aufzubauen, insbesondere in Kombination mit dem Sitz nach der Erfindung, bietet große Vorteile verglichen mit bisher bekannten Dichtungen.

Der Sitz mit einem Winkel von 5-10° bietet tatsächlich eine höhere Festigkeit gegen plastische Verformung, selbst im Falle eines übermäßigen Momentes. Der Winkel ist tatsächlich derart, daß im Spalt ein Zustand tangentialer Zugbeanspruchung erzeugt wird, der den Kontaktdruck zwischen den Dichtungsflächen erhöht ohne jedoch für eine dauernde Deformation zu sorgen.

Die hermetische Metalldichtung, die durch Kontakt zwischen zwei gleich konischen Flächen erzeugt wird, von denen die eine 0,5-2,5 mm lang ist, bietet zwei Vorteile:

- verglichen mit Dichtungen vom Typ Kegelfläche/Kugelfläche wird der Kontakt nicht längs einer Linie erreicht, die in eine endliche Fläche aufgrund der Verformung während des anschließenden Anziehens umgeformt wird, der vielmehr gleich von Beginn an auf einer Umfangsfläche mit endlichen Dimensionen eintritt, welche starke Beanspruchungen vor dem Erreichen der Plastifizierung absorbieren kann;

- verglichen mit Dichtungen, die den Kontakt zwischen zwei konischen Flächen ausnutzen, ermöglicht die begrenzte Größe des Kontaktbereiches nach der Erfindung das Erreichen höhere Kontaktdrücke, was eine gegenseitige Adaption ermöglicht, während man dabei noch sicher innerhalb des elastischen Verformungsbereichs verbleibt.

Mit einer geringen, jedoch endlichen Kontaktfläche nach der Erfindung läßt sich eine verläßliche Gleichförmigkeit des Kontaktdrucks sicherstellen. Dieser Vorteil ist besonders wichtig, da er eine genaue Kalkulation des erforderlichen Momentes ermöglicht, das notwendig ist, um den Kontakt ohne irgendein Lecken zu garantieren, wenn auf die Verbindung wirkende Kräfte vorhanden sind, welche dazu neigen, die in Frage stehenden Flächen zu öffnen. Mit anderen Verbinduungstypen dagegen werden diese Bedingungen nur erreicht, wenn die Verbindung sehr genau ausgeführt wird und das Einsteckelement perfekt hinsichtlich des Muffenelementes ausgerichtet wird: etwas das in der heutigen Praxis sich sicher nicht erreichen läßt.

Der Vorteil der Verbindung nach der Erfindung nimmt stetig mit wiederholtem Zusammenbau und Auseinanderbau zu, wenn die Geometrie der Oberflächen allgemein als Ergebnis von Betriebsspannungen modifiziert wird.

Die unten gegebenen Daten sind als rein illustrativ für das Vorstehende gegeben und sind nicht als begrenzend für den Schutzumfang und die Zwecke der Erfindung anzusehen.

Um den einwandfreien Zustand der Metalldichtung nach der Erfindung zu überprüfen und sie mi: zwei anderen nach bekannten Techniken hergestellten Verbindungen zu vergleichen, wurde der theoretische auf die Metalldichtung einer Verbindung wirkende Kontaktdruck berechnet, wenn eine Kontaktkraft von F = 105kN/mm² aufgebracht wird. Der Stahl, aus dem die Verbindungen hergestellt werden, hat eine Streckgrenze YS von 420 N/mm². Der mittlere Durchmesser D der Dichtungen an den Dichtflächen betrug 80mm. Die drei verschiedenen Metalldichtungen zeichnen sich aus durch:

a) theoretisch punktförmigen Kontakt zwischen einer konischen Fläche und einer kugeligen Fläche (Vergleichsbeispiel);

b) Kontakt zwischen zwei kegelstumpfkonischen Flächen nach der Erfindung;

c) Kontakt zwischen zwei kegelstumpfkonischen Flächen großer Erstreckung (Vergleichsbeispiel).

Dertheoretische Kontaktdruck als Funktion der Abmessungen und der Kraft, mit der die Flächen zusammengepreßt werden, läßt sich in allen drei Fällen durch die Formel berechnen:

290

V F (Hertzsche Kontakthypothese)

nD1_a

Рь = (Hypothese sehr geringer Konizität)

hierin bedeuten:

Pa-Pb. Pc = Kontaktdrücke in den drei Fällen a, bund с

F = Kontaktkraft

0 = mittlerer Durchmesser der Verbindung an den Dichtungsflächen

l_a = Breite der Kontaktzone im Falle a, geschätzt auf 0,2 mm

lb,c = BreitederKontaktzonenindenFällenbundcgleich2bzw.5mm.

Unter der Annahme konstanter Makrobeanspruchungen und durch Substituierung bei den verschiedenen Typen von Verbindungen, nämlich bei F = konstant = 105kN/mm², gilt:

p_a = 1870 N/mm² Pb= 210N/mm² p_c = 84 N/mm²

Diese Kontaktdrücke zeigen das folgende:

Im Fall a wird die Streckfestigkeit des Stahls erheblich überschritten; somit tritt permanente Verformung in der Dichtungszone

Im Fall с liegt die elastische Verformung lediglich bei 0,01 %, so daß die Dichtung nur sichergestellt ist, wenn die Geometrie perfekt ist.

Im Falle b ist der Wert optimal, da die elastische Verformung von 0,1 % erreicht wird, nämlich die Hälfte der Streckfestigkeit.

Als eine Alternative könnte es in den Fällen a und с möglich sein, eine Kraft F abzuleiten, um den optimalen Kontaktdruck (210 N/mm²) zu erreichen. Im Falle a.jedoch würde es notwendig sein, eine sehr geringe Kraft F aufzubringen; dies wäre sehr schwierig in der Praxis zu kontrollieren, während im Falle с die geforderte Kraft gleich dem Zweieinhalbfachen derjenigen im Falle b wäre; Beanspruchungen wären also viel höher; der Körper der Verbindung würde beschädigt.

Die Wirksamkeit der Verbindung nach der Erfindung wird weiterhin durch das Vorhandensein des beschriebenen Sitzes gesteigert.

Metalldichtungsverbindungen werden oft in Tiefbohrungen verwendet, wo hohe mechanische und Umgebungsbeanspruchungen (Fluidtemperatur und Korrosivität) auftreten. Die Zusammendrückung des Endes des Einsteckelementes, hervorgerufen durch Betätigung der Sitzflächen reduziert die Zugspannungen gegen die Innenfläche des in Kontakt mit dem Fluid stehenden Rohres, wodurch der Spannungskorrosionswiderstand der Verbindung verbessert wird.

In ähnlicher Weise sind im Falle von Bohrlöchern, die bewußt oder ungewollt abgelenkt werden, die bei der Übertragung des Biegemoments auftretenden Spannungen durch die Verbindung geringer und die neutrale Achse wird gegen die Wölbungen verschoben, wodurch man wieder einen günstigen Spannungszustand erreicht.

Für besondere Anwendungsfälle, bei denen beispielsweise Umgebungen in Betracht kommen, wo korrosive Fluide wie H₂S vorhanden sind, ist die Verbindung nach der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn sie mitCr-Mn-V-Stählen oder Cr-Mo-Stählen hergestellt wird, die V, Ti und Nb enthalten, wobei diese Stähle abgeschreckt und getempert werden, so daß sie eine getemperte Martensitstruktur haben.

Befinden sich die korrosiven Fluide auf hoher Temperatur- beispielsweise 150⁰C- und haben sie vielleicht einen hohen Salzgehalt, so läßt sich die Verbindung aus rostfreiem Stahl oder Legierungen auf Nickelbasis herstellen, gegebenenfalls in Zuordnung zu das Fressen bekämpfenden Behandlungen wie dem Einbau von Edelmetallen oder Härtungselementen oder elektrolytischen Abscheidungen von härtenden und/oder schmierenden Metallen (beispielsweise Ni + Cr). Die Kombination von Metalldichtung und Sitz nach der Erfindung, gegebenenfalls auch mit Antares-Gewinden für den ersten beschriebenen Verwendungstyp und von Hakengewinden für den zweiten Typ, stellt sicher, daß der Zugbeanspruchungszustand auf die in Kontakt mit den Fluiden stehende Oberfläche sich immer auf so niedrigem Niveau befindet, daß die Verbindung relativ unempfindlich gegen Spannungskorrosion wird.

Claims

1. Hermetische Metallrohrverbindung bzw. -kupplung, insbesondere für zum Pumpen von Fluiden und für Bohrlochverrohrungen verwendete Rohre, mit einem Einsteckende mit wenigstens einem verjüngten Außengewinde und einem Muffe η el em ent mit komplementären Innengewinden, wobei der Endteil des Einsteckelementes hinter jedem Gewinde eine konische sich verjüngende Dichtungsfläche mit hauptsächlich axialem Verlauf und gegebenenfalls eine Innensitzfläche, ebenfalls konisch sich verjüngend, aufweist, die hauptsächlich transversal verläuft, wobei diese Flächen in Wechselwirkung mit ähnlichen Dichtungs- und Sitzflächen auf dem Muffenelement stehen, wobei die Dichtungsfläche bzw. die Länge des Muffenelementes längs der Erzeugenden größer als die der entsprechenden Dichtungsfläche des Einsteckelementes ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungsflächen (4,9; 5,10) der Einsteck- und Muffenelemente eine Konizität bzw. Verjüngung zwischen 6,25 und 9,25% haben und daß die Länge der Fläche des Einsteckelementes, die in Kontakt mit der entsprechenden Fläche des Muffenelementes kommt, zwischen 0,5 und 2,5mm beträgt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzflächen auf dem Einsteckelement und auf dem entsprechenden Muffenelement einen konischen Verlauf mit einem Winkel zwischen etwa 5 und 10° bezogen auf eine Ebene orthogonal zur Achse der Verbindung aufweisen, wobei diese Flächen nur nach Wechselwirkung und Betätigung der Gewinde und der Führungs- und Dichtungsflächen in Wirkung treten.

3. Verbindung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde vom hakenartigen Typ sind.

4. Verbindung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde vom Antares-Typ sind.

5. Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Dichtungseinrichtung, die aus einem Dichtungsring aus Kunststoffmaterial besteht, der geeignet zwischen den beiden Sitzflächen der Einsteck- und Muffenelemente in einem Gehäuse positioniert ist, das auf der Sitzfläche des Muffenelementes ausgebildet ist.

6. Verbindung nach den Ansprüchen 1,2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Stahllegierungen besteht, die aus Cr-Mn-V- und Cr-Mo-Stählen gewählt sind, welche V, Ti und Nb enthalten, wobei diese Stähle abgeschreckt und vergütet sind und eine Anlaß-Martensit-Struktur aufweisen.

7. Verbindung nach den Ansprüchen 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material besteht, das gewählt ist aus rostfreiem Stahl und Legierungen auf Nickelbasis, gegebenenfalls in Zuordnung zu Antifreß-Behandlungen wie beispielsweise Einsätze aus Edelmetallen oder Härtungselementen oder elektrolytische Abscheidung von Härtungs- und/oder Schmiermetallen oder daß sie mit solchen Schichten versehen ist.