AT391009B - Rohrverbindung - Google Patents

Description

Nr. 391 009

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rohrverbindung zur Verbindung von Rohrabschnitten, bestehend aus einem Muffenteil mit Innengewinde und einem rohrförmigen Teil mit Außengewinde, wobei die Gewinde zur Bildung der Verbindung ineinander geschraubt werden, einer innenliegenden Ringnut im Muffenteil, welche vom inneren Ende des Innengewindes einen Längsabstand aufweist, einer ersten ringförmigen Dichtfläche, die zwischen dem inneren Ende des Innengewindes und der Ringnut angeordnet ist, und einer zweiten ringförmigen Dichtfläche, die an der gegenüberliegenden Seite der Ringnut angeordnet ist, wobei beide Dichtflächen nach innen zur Mitte des Muffenteiles verjüngt sind, wobei der kleinste Innendurchmesser der ersten Dichtfläche erheblich größer als der größte Innendurchmesser der zweiten Dichtfläche ist, wobei der rohrförmige Teil an seiner Außenseite im Längsabstand vom Außengewinde eine erste Dichtfläche und im Längsabstand von der osten Dichtfläche eine zweite Dichtfläche aufweist, wobei die ersten und zweiten Dichtflächen des rohrförmigen Teiles bzw. Muffenteiles jeweils zusammenpassende Verjüngungen aufweisen und während des Zusammenbaues der Verbindung metallische Dichtungen bilden, und einem in der Ringnut angeordneten polymeren Dichtungsring.

Durch viele Jahre sind zur gegenseitigen Befestigung zweier relativ langer Rohrabschnitte Kupplungen mit innenliegenden Gewindegängen verwendet worden. Beispiele solcher Kupplungen sind in den US-PS 2 980 451 (W.B. Taylor et al.), 4 004 832 (Eugene B. Conelly) und 3 497 246 (P.D. Weiner) gezeigt. Die US-PS 2 980 451 beschreibt außerdem die Verwendung von elastomeren oder polymeren Dichtungsringen zur Schaffung einer Fluidsperre zwischen der Innenseite der Kupplung und der Außenseite des in dieser angeordneten Rohräbschnities. Auf die US-PS 2 980 451 wird in allen folgenden Fällen Bezug genommen.

Eine Alternative zur Verwendung von Kupplungen besteht im Stauchen (Vergrößerung der Wandstärke durch mechanische Hilfsmittel) des Endabschnittes des Rohres. An den gestauchten Enden werden passende Außen- und Innengewinde geschnitten, um Teile zur gegenseitigen Verbindung der Rohrabschnitte zu schaffen. Beispiele solcher Rohrverbindungen und zugeordneter Gewinde sind in den US-PS 3 489 437 (J.L.A. Duret) und 3 100 656 (M.D. Mac Arthur) gezeigt

Weitere US-Patentanmeldungen: Die Patentinhaberin hat folgende Rohrverbindungen, Kupplungen und Gewinde betreffende Patentanmeldungen getätigt:

Anmeldedatum 23. Nov. 1981 13. April 1982 7. Jänner 1983 13. Jänner 1983

Serial Nr. 324 234 367 952 456 526 457 698

Titel Kupplung Rohrmuffe Rohrmuffe Rohrmuffe

Die Tendenz zu immer tieferen Bohrlöchern hat im Zusammenhang mit den hohen Drücken und starken Umgebungsbelastungen, die in diesen Tiefen auftreten, das Bedürfnis nach Rohrverbindungen mit verbesserten Fluiddichtungen geweckt. Metallische Dichtungen sind insbesondere für saure Hochdruckgasbohrlöcher erwünscht, haben aber die Neigung zu lecken, wenn sie geringen Gasdrücken ausgesetzt sind. Daher sind für solche Bedingungen Rohrverbindungen mit polymeren Dichtringen erstrebenswert. Unglücklicherweise haben aber Hochdruckfluide die Eigenschaft, daß sie bei herkömmlichen Rohrverbindungen polymere Dichtringe übermäßig auspressen. Während des Arbeitsspieles bei vielen Bohrlöchern sind die Rohrverbindungen sowohl hohen als auch niedrigen Drücken ausgesetzt.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Rohrverbindung mit einem Dichtsystem, das sowohl bei hohen als auch niedrigen Drücken und Temperaturen wirksam ist und auch eine wirksame Abdichtung gegen hohe Druckdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Rohrverbindung bietet. Weiters sollte das unerwünschte Auspressen eines polymeren Dichtungsringes verhindert sein.

Dieses Ziel wird mit einer Rohrverbindung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß durch eine zwischen den beiden Dichtflächen an der Außenseite des rohrförmigen Teiles angeordnete Schulter, die während des Zusammenbaues der Verbindung den Dichtungsring unter Bildung einer Fluidsperre unter Spannung setzt, erreicht.

Durch Einschließen des polymeren Dichtungsringes zwischen metallische Dichtungen erhält die erfindungsgemäße Rohrverbindung die gewünschten Dichteigenschaften sowohl metallischer Dichtungen als auch polymerer Dichtungsringe, wobei die metallischen Dichtungen wirkungsvoll zur Verhinderung unerwünschten Auspressens des polymeren Dichtungsringes Zusammenwirken. Die Dichtungseigenschaften der erfindungsgemäßen Rohrverbindung sind ähnlich wie bei herkömmlichen Dichtsystemen mit Flanschen und Dichtscheiben.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können die ersten und zweiten Dichtflächen des rohrförmigen Teiles und des Muffenteiles während des Zusammenbaues vor Berührung der Schulter am Dichtungsring ineinander eingreifen.

Weiters können innerhalb des Muffenteiles sowie am äußersten Ende des rohrförmigen Teiles zusammenpassende Drehmomentschultem vorgesehen sein, wobei die Drehmomentschulter mit der benachbarten Innenseite des Muffenteiles einen spitzen Winkel einschließt.

Von Vorteil ist weiters, den Muffenteil der Kupplung mit beidseitig identen Enden vorzusehen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann die Schulter am rohrförmigen Teil abgeschrägt ausgebildet -2-

Nr. 391 009 sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ansicht der Enden zweier Rohrabschnitte und einer Kupplung, die mit jedem Abschnitt zur Bildung einer Rohrverbindung verschraubt werden kann, wobei Teile der Rohrabschnitte weggelassen sind, Fig. 2 einen halben Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Kupplung, in größerem Maßstab, Fig. 3 eine Ansicht des erfindungsgemäß ausgestalteten rohrförmigen Teiles eines Rohrabschnittes, und Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch die mehrfache Fluiddichtung, in größerem Maßstab, welche durch Eingriff des rohrförmigen Teiles in den Muffenteil der Rohrverbindung gemäß der Erfindung gebildet ist

In Fig. 1 sind die Bestandteile einer typischen Rohrverbindung, nämlich eine Kupplung (20) und Teile zweier Rohrabschnitte (40), dargestellt. Jeder Rohrabschnitt (40) hat einen gleichartigen rohrförmigen Teil (41) mit Außengewinde (42) nahe dem freien Ende. Gleiche rohiförmige Teile (41) sind auch an beiden anderen (nicht gezeigten) Enden der Rohrabschnitte (40) vorgesehen. Jeder Rohrabschnitt (40) ist ein langes Rohr mit einer durchgehenden Längsbohrung (43).

Die Kupplung (20) ist ein relativ kurzer Hohlzylinder mit einer durchgehenden Längsbohrung (23). An jedem Ende der Kupplung (20) sind idente Muffenteile (21) mit Innengewinde (22) vorgesehen. Die innere Ausgestaltung der Kupplung (20) ist bezüglich eines Innenbundes (35) symmetrisch. Das Innengewinde (22) und das Außengewinde (42) sind derart gewählt, daß sie zur Bildung der Rohrverbindung (60) miteinander verschraubbar sind, die in Fig. 4 zum Teil dargestellt ist. Die Kupplungen (20) dienen zur gegenseitigen Verbindung mehrerer Rohrabschnitte (40), um einen langen Rohrstrang zu bilden, der von einem (nicht gezeigten) Bohrlochkopf zu einer (nicht gezeigten) unterirdischen Kohlenwasserstoff-Produktionsstätte führt. Jede Kupplung (20) dient zum Aufrechterhalten des gegenseitigen Flüchtens benachbarter Längsbohrungen (43) sowie ihrer eigenen Längsbohrung (23). Dieses Fluchten der Längsbohrungen (43) und (23) schafft einen Strömungsweg zur Fluidverbindung zwischen der Bohrlochoberfläche und verschiedenen Tiefbohrstellen. Die Erfindung schafft innerhalb jeder Rohrverbindung (60) eine mehrfache Dichtung zur Verhinderung von Leckage einer Fluidverbindung zwischen dem Inneren und dem Äußeren.

An der Innenseite jedes Muffenteiles (21) ist eine Ringnut (24) eingearbeitet, die einen Längsabstand vom inneren Ende des Innengewindes (22) aufweist. Zwischen dem inneren Ende des Innengewindes (22) und der Ringnut (24) ist eine erste ringförmige Dichtfläche (25) ausgebildet. An der gegenüberliegenden Seite der Ringnut (24) ist eine zweite Dichtfläche (26) vorgesehen. Beide Dichtflächen (25) und (26) verjüngen sich nach innen zum Zentrum des Muffenteiles (21). Die Verjüngung der Dichtflächen (25) und (26) ist derart gewählt, daß ein spitzer Winkel von angenähert drei Grad zur Mittellinie der Längsbohrung (23) gebildet ist. Der kleinste Innendurchmesser (21) der ersten Dichtfläche (25) ist beträchtlich größer als der größte Innendurchmesser (28) der zweiten Dichtfläche (26). Die Ringnut (24) ist teilweise von den Innendurchmessern (27 und 28) begrenzt, wie am besten in Fig. 4 ersichtlich.

Jeder rohrförmige Teil (41) hat an seiner Außenseite eine erste Dichtfläche (4), die einen Längsabstand vom Ende des Außengewindes (42) aufweist. Am freien Ende jedes rohrförmigen Teiles (41) ist auch eine zweite Dichtfläche (46) vorgesehen, die im Längsabstand von der zugeordneten ersten Dichtfläche (45) angeordnet ist. Die Dichtflächen (45) und (46) des Bolzenteiles (41) haben zur Bildung metallischer Dichtungen gleiche Verjüngungen wie die Dichtflächen (25) bzw. (26) des Muffenteiles (21), wobei die metallischen Dichtungen während des Zusammenbaues der Rohrverbindung gebildet werden. Die fluiddichte Anlage der Dichtfläche (45) an der Dichtfläche (25) sowie der Dichtfläche (46) an der Dichtfläche (26) geht am besten aus Fig. 4 hervor.

Vorzugsweise ist in jeder Ringnut (24) der Kupplung (20) ein polymerer Dichtungsring (29) angeordnet. An der Außenseite des rohrförmigen Teiles (41) ist zwischen der ersten Dichtfläche (45) und der zweiten Dichtfläche (46) eine Schulter (49) vorgesehen, die zum Teil vom kleinsten Außendurchmesser (47) der ersten Dichtfläche (45) und zum Teil vom größten Außendurchmesser (48) der zweiten Dichtfläche (46) begrenzt ist. Innerhalb der Grenzen annehmbarer Bearbeitungstoleranzen ist der Innendurchmesser (27) des Muffenteiles (21) gleich dem Außendurchmesser (47) des rohrförmigen Teiles (41) und der Innendurchmesser (28) gleich dem Außendurchmesser (48).

Die Schulter (49) ist zum Angriff an dem Dichtungsring (29) bemessen und bildet mit diesem eine Fluidsperre bei Zusammenbau der Rohrverbindung. Vorzugsweise ist die Schulter (49) bezüglich der Dichtflächen (45) und (46) abgeschrägt. Das Schrägungsausmaß beträgt annähernd dreißig Grad, wie es vom spitzen Winkel (b) zwischen der Mittellinie der Längsbohrung (43) und dem Verlauf der Schulter (49) gemessen wird.

Die von der Schulter (49) und dem Dichtungsring (29) gebildete Fluidsperre widersteht einer Fluidströmung, solange bis der Fluiddruck den im Dichtungsring (29) während des Zusammenbaues der Rohrverbindung aufgebauten Druck überschreitet. Dieser induzierte Druck im Dichtungsring (29) ist eine Funktion seines Volumens, des Volumens der Ringnut (24) und des Winkels (b) der Schulter (49). Die Erfindung ermöglicht es, jeden dieser Faktoren im voraus auszuwählen, um angenommenen Betriebsdrücken des Fluids zu entsprechen. Zur Herstellung des Dichtungsringes (29) ist eine breite Vielfalt von Materialien geeignet, wie verformbare Kunststoffe, die Eigenschaften ähnlich Tetrafluoräthylen besitzen, oder Elastomere mit Eigenschaften ähnlich Polybutadien/Acrylnitril. -3-

Claims (5)

1. Nr. 391 009 Vorzugsweise sind im Muffenteil (21) bzw, am äußersten Ende des rohrförmigen Teiles (41) zusammenpassende Drehmomentschultem (31) und (51) vorgesehen, welche den Eingriff des Innengewindes (22) in das Außengewinde (42) begrenzen. Wie in Fig. 4 gezeigt, schließt die Drehmomentschulter (31) des Muffenteiles (21) mit der benachbarten Innenseite desselben einen spitzen Winkel ein. Die innere Drehmomentschulter (31) wird deshalb bevorzugt, weil ihre geneigte Fläche die Dichtflächen (45) und (46) des rohrförmigen Teiles (41) in festere Anlage an den Dichtflächen (25) und (26) des Muffenteiles (21) preßt Angriffsreihenfolge: Der rohrförmige Teil (41) wird in den Muffenteil (21) eingeschoben, bis die Gewinde (42) und (22) einander berühren. Sodann wird der rohrförmige Teil (41) gedreht, um die Verschraubung des Gewindes (42) mit dem Gewinde (22) zu bewirken. Diese Verschraubungsbewegung bewirkt, daß sich der rohrförmige Teil (41) der Länge nach weiter in den Muffenteil (21) bewegt. Die Länge und der Abstand der beiden Dichtflächen (45) und (46) sind derart gewählt, daß sie an den benachbarten Dichtflächen (25) bzw. (26) des Muffenteiles (21) angreifen, bevor die Schulter (49) am Dichtungsring (29) angreift Die Berührung zwischen den ersten Dichtflächen (45) und (25) und den zweiten Dichtflächen (46) und (26) induziert aufgrund ihrer Verjüngung eine Spannung bzw. einen Druck im Angriffsbereich. Dieser induzierte Druck ist erheblich größer gewählt als der angenommene Fluiddruck entweder außerhalb oder innerhalb der Rohrverbindung (60). Somit werden zwei unabhängige metallische Dichtungen zu beiden Seiten der Ringnut (24) geschaffen. Die fortgesetzte Drehung des rohrförmigen Teiles (41) bewirkt den Angriff der schrägen Schulter (49) am Dichtungsring (29). Wie vorstehend erwähnt bietet die Erfindung die Gelegenheit den induzierten Druck bzw. die Kompression des Dichtungsringes (29) zu verändern. Vorzugsweise ist der induzierte Druck erheblich größer als der angenommene Fluiddruck. Außerdem wird dadurch, daß zuerst die metallischen Dichtungen zu beiden Seiten der Ringnut (24) gebildet werden, verhindert, daß der Dichtungsring (29) während des Zusammenbaus der Rohrverbindung (60) in die eine oder andere Richtung übermäßig ausgepreßt wird. Diese Kombination der metallischen Dichtungen und polymeren Dichtungen ermöglicht die erwünschten Eigenschaften eines herkömmlichen Dichtungssystems mit Flanschen und Dichtungsscheibe auch bei der Rohrverbindung (60), wobei zugleich die Innen- und Außendurchmesser mit den Bohrlochanforderungen verträglich bleiben. Alternative Ausführungsformen: Die Gewinde (22) und (42) sind in Fig. 3 und 4 als Trapezgewinde dargestellt, das normalerweise eine Steigung von 0,625 aufweist. Allerdings können bei der Erfindung auch verschiedene andere bekannte Gewindeprofile zufriedenstellend angewendet werden. Beispiele solcher alternativer Gewindeprofile sind in den US-PS 2 980 451,4 004 832 und 3 489 437 gezeigt Der Muffenteil (21) kann innerhalb eines gestauchten Abschnittes oder Teiles des Rohres vorgesehen sein,, wie in der US-PS 3 100 656 oder 3 489 437 gezeigt. Bei dieser Art Rohrverbindung ist das Erfordernis einer eigenen Kupplung beseitigt. Die vorliegende Erfindung kann bei beiden Verbindungsarten zufriedenstellend angewendet werden. Die ersten Dichtflächen (25) und (45) sowie die zweiten Dichtflächen (26) und (46) können von den Verjüngungen abweichende Konturen aufweisen, um die gegenseitige dichte Berührung zu erzielen. Zum Beispiel können die an den benachbarten Dichtflächen des Muffenteiles (21) angreifende erste und zweite Dichtfläche (45) und (46) gekrümmt ausgebildet sein. Das Haupterfordemis ist, daß metallische Dichtungen zu beiden Seiten des Dichtungsringes (29) vorgesehen sind. PATENTANSPRÜCHE 1. Rohrverbindung zur gegenseitigen Verbindung von Rohrabschnitten, bestehend aus einem Muffenteil mit Innengewinde und einem rohrförmigen Teil mit Außengewinde, wobei die Gewinde zur Bildung der Verbindung ineinander geschraubt werden, einer innenliegenden Ringnut im Muffenteil, welche vom inneren Ende des Innengewindes einen Längsabstand aufweist, einer ersten ringförmigen Dichtfläche, die zwischen dem inneren Ende des Innengewindes und der Ringnut angeordnet ist, und einer zweiten ringförmigen Dichtfläche, die an der gegenüberliegenden Seite der Ringnut angeordnet ist, wobei beide Dichtflächen nach innen zur Mitte des Muffenteiles verjüngt sind, wobei der kleinste Innendurchmesser der ersten Dichtfläche erheblich größer als der größte Innendurchmesser der zweiten Dichtfläche ist, wobei der rohrförmige Teil an seiner Außenseite im Längsabstand vom Außengewinde eine erste Dichtfläche und im Längsabstand von der ersten Dichtfläche eine zweite Dichtfläche aufweist, wobei die ersten und zweiten Dichtflächen des rohrförmigen Teiles bzw. Muffenteiles jeweils zusammenpassende Verjüngungen aufweisen und während des Zusammenbaues der Verbindung metallische Dichtungen bilden, und einem in der Ringnut angeordneten polymeren Dichtungsring, gekennzeichnet durch eine zwischen den beiden Dichtflächen (45,46) an der Außenseite des rohrförmigen -4- Nr. 391 009 Teiles (41) angeordnete Schulter (49), die während des Zusammenbaues der Verbindung den Dichtungsring (29) unter Bildung einer Fluidsperre unter Spannung setzt
2. 2. Rohrverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Dichtflächen (25, 45; 26, 46) des rohrförmigen Teiles (41) und des Muffenteiles (21) während des Zusammenbaues vor Berührung der Schulter (49) am Dichtungsring (29) ineinander eingreifen.
3. 3. Rohrverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Muffenteiles (21) sowie am äußersten Ende des rohrförmigen Teiles (41) zusammenpassende Drehmomentschultem (31, 51) vorgesehen sind, wobei die Drehmomentschulter (31) mit der benachbarten Innenseite des Muffenteiles (21) einen spitzen Winkel einschließt.
4. 4. Rohrverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Muffenteil (21) der Kupplung (20) aus beidseitigen identen Enden besteht.
5. 5. Rohrverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter (49) am rohrförmigen Teil (41) abgeschrägt ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-