DE19740064C1 - Gestängekupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gestängekupplung zur Verbin­ dung benachbarter Flansche einzelner Segmente eines Bohr­ gestänges und umfaßt auch ein mit dieser Gestängekupplung ausgerüstetes Bohrgestänge sowie ein Sicherungselement für die Gestängekupplung.

Ein Bohrgestänge besteht aus mehreren Segmenten, die ent­ sprechend dem Eindringen eines am freien Ende des Bohr­ gestänges angeordneten Bohrkopfes in das Erdreich mitein­ ander verbunden werden. Die Verbindung dieser Segmente beim Niederbringen der Bohrung und ebenso ihr Lösen beim Herausziehen des Bohrgestänges aus der Bohrung erfolgt mit Hilfe von Gestängekupplungen.

Es sind Gestängekupplungen bekannt, bei denen solche am Ende des einen Segments und am Beginn des nachfolgenden Segments vorgesehenen Flansche eine Mehrzahl von Durch­ gangsbohrungen aufweisen, welche miteinander in Deckung bringbar sind. Zur Befestigung der Segmente dienen Durch­ gangsschrauben, welche die Durchgangsbohrungen durchsetzen und einzeln festgezogen werden.

Nachteilig ist bei dieser Art der Gestängekupplung, daß die Verbindung zweier Segmente konstruktionsbedingt sehr zeitaufwendig ist, da die einzelnen Schrauben in die ent­ sprechenden Löcher eingebracht und verschraubt werden müssen.

Aus der DE-PS 11 97 829 ist eine Gestängekupplung bekannt, die unter anderem im Hinblick auf diese Nachteile verbes­ sert ist. Diese Gestängekupplung umfaßt zwei getrennte Kupplungselemente, nämlich einmal diejenigen, welche die Drehmomente übertragen, und diejenigen, welche die axialen Beanspruchungen aufnehmen und die einzelnen Rohre mitein­ ander verbinden.

Zur axialen Verbindung sind die Außenflächen der benach­ barten Flansche zweier Segmente mit Gewinden unterschied­ licher Steigungen versehen, in die eine die axial gerich­ teten Außenflächen der beiden benachbarten Flansche über­ greifende Verbindungsmuffe eingreift. Die beiden Gewinde unterschiedlicher Steigung stellen eine Art Differenzial­ gewinde dar, so daß zur Herstellung der Verbindung ledig­ lich eine einfache Drehung der Verbindungsmuffe erforder­ lich ist.

Um die angezogene Verbindungsmuffe gegen ein zufälliges Lösen zu sichern, ist bei dieser Gestängekupplung ein Sicherungselement vorgesehen, das in einen zwischen der Schulter des als Tragorgan für die Verbindungsmuffe die­ nenden Flansches und der diesem zugewandten Stirnseite der Verbindungsmuffe gebildeten Spaltes eingeschoben ist.

Zwar ist es mit dieser Gewindekupplung möglich, zwei be­ nachbarte Segmente eines Bohrgestänges schnell und auf einfache Weise miteinander zu verbinden, nachteilig ist jedoch, daß die Breite des zwischen der Schulter und der Stirnseite der Verbindungsmuffe gebildeten Spaltes auf­ grund von Fertigungstoleranzen nicht konstant ist, so daß eine individuelle Anpassung der Dicke des Sicherungsele­ mentes an die jeweilige Spaltbreite erforderlich ist, wenn verhindert werden soll, daß das Sicherungselement entweder in dem Spalt axiales Spiel hat oder nicht in diesen ein­ schiebbar ist. In beiden Fällen ist ein ein zufälliges Lösen der Verbindungsmuffe nicht mehr ausgeschlossen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die aus der DE-PS 11 97 829 bekannte Gestängekupplung derart weiterzuentwic­ keln, daß ein unbeabsichtigtes Lösen auf einfache Weise zuverlässig verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.

Dadurch, daß die Stirnfläche der Verbindungsmuffe und/oder die durch die Schulter gebildete Anlagefläche zur Mittel­ längsachse des Bohrgestänges einen freien Winkel (α) ein­ schließen, der größer als 90° ist und die Anlageflächen des Sicherungselementes derart geneigt sind, daß sie etwa parallel der jeweils zugewandten Stirnfläche bzw. Anlage­ fläche verlaufen, können fertigungsbedingte Unterschiede in den Spaltbreiten mit ein und demselben Sicherungsele­ ment dadurch ausgeglichen werden, daß dieses mehr oder weniger tief in den Spalt eingeschoben wird, bis es - keil­ artig - an den den Spalt begrenzenden Flächen anliegt. Besonders wirkungsvoll ist die Gestängekupplung, wenn die Stirnfläche der Verbindungsmuffe und die Anschlagfläche zur Mittellängsachse des Bohrgestänges beide freien Winkel einschließen, der größer als 90° ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Gestängekupplung weist Mittel auf, die zumindest einen Teil des Sicherungselements stets mit einer zumin­ dest eine in Richtung der Mittellängsachse des Bohrgestän­ ges wirkende Komponente aufweisenden Kraft beaufschlagen, mit anderen Worten: die das Sicherungselement in den Spalt hineinziehen. Durch diese Ausgestaltung ist einerseits sichergestellt, daß sich das Sicherungselement nach seiner Montage selbsttätig in eine Position verlagert, in der es sich zumindest in einem auf beiden Anlageflächen abstützt, andererseits löst sich das Sicherungselement auch dann nicht, wenn sich die Spaltbreite durch Temperaturschwan­ kungen, einem "Setzen" der Verbindung etc. vergrößert.

Ein besonders bevorzugtes Sicherungselement, welches diese Eigenschaften aufweist, ist sprengringartig ausgebildet.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform sind zur Übertragung der Drehmomente auf dem Rand des einen Seg­ ments an sich bekannte vorspringende Klauen angeordnet, die mit entsprechenden Ausnehmungen des benachbarten Ran­ des des anderen Segments zahnartig ineinandergreifen.

Es ist jedoch ebenfalls möglich, zur Übertragung des Dreh­ moments zwei oder mehrere das Drehmoment aufnehmende, die an den aufeinanderfolgenden Flanschen zweier Segmente vorgesehenen Bohrungen durchgreifende Bolzen vorzusehen.

Eine wichtige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Außenflächen der benachbarten Flansche zweier Rohre mit Gewinden unterschiedlicher Steigung versehen sind und daß die Verbindungsmuffe als Ringmutter ausgebil­ det und mit den beiden entsprechenden Gewinden unter­ schiedlicher Steigungen versehen ist. Durch diese Ausbil­ dung der Gewinde wird erreicht, daß ein schnelles Lösen und Verbinden der Flansche der einzelnen Rohre möglich ist. Durch das durch die beiden Gewinde unterschiedlicher Steigungen gebildete Differenzialgewinde kommt beim Anzie­ hen der Ringmutter die Differenz der Steigungen der beiden auf den Flanschen anhaltenden Gewinde zur Auswirkung, so daß durch die Wahl des Unterschieds in den Steigungen die "Übersetzung" vorgewählt werden kann, mit welcher die Drehung der Ringmutter in eine axiale Relativbewegung der Segmente zueinander verlagert werden.

Besonders vorteilhaft ist weiterhin, die zur Aufnahme des Gewindes niedrigerer Steigung dienende Flanschaußenfläche als Zylinder, die zur Aufnahme des Gewindes größerer Stei­ gung dienende Flanschaußenfläche als nach außen sich ver­ breitender Konus auszubilden. Hierdurch wird die zur Ver­ schraubung erforderliche Zeit in noch weiterem Maße ver­ ringert, da zu Folge der konischen Ausbildung die beiden konischen Gewinde zu einen Teil ohne Verschraubung inein­ andergesteckt werden können, so daß in der Regel eine eineinhalbfache Drehung der Ringmutter zur Herstellung der erforderlichen Verbindung ausreicht.

Um die Zeitdauer der Verschraubung noch weiter zu verrin­ gern, kann das Gewinde größerer Steigung auch als Mehr­ fachgewinde ausgebildet sein.

Als Gewinde können gemäß Trapezgewinde oder Dreieckgewin­ de, gegebenenfalls auch Trapez- und Dreieckgewinde vor­ gesehen sein, wobei in letzterem Fall der eine Flansch mit Trapezgewinde, der andere Flansch mit Dreieckgewinde aus­ gestattet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Gestängekupplung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch die Verbindungs­ stelle zweier Segmente des Bohrgestänges,

Fig. 2a einen Querschnitt durch den zwischen der Stirn­ seite der Verbindungsmuffe und der Schulter ge­ bildeten Spalt,

Fig. 2b - ausschnittsweise - eine Ansicht gemäß Schnitt­ linie A-B in Fig. 2a sowie

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform in einer Ansicht gemäß Fig. 1.

In der Zeichnung ist - ausschnittsweise - ein Bohrgestänge 100 dargestellt, welches aus einzelnen hohlen Segmenten 3, 3' zusammengesetzt ist, die mittels von Flanschen 4 und 5 miteinander verbunden sind. Neben den Segmenten 3, 3' sind parallel zu dem Bohrgestänge verlaufende Zuleitungen 1, 2 geringeren Querschnitts vorgesehen, die einerseits der Zufuhr von Druckluft in das Innere des Bohrgestänges zur Anwendung des Luft-Hebe-Verfahrens, andererseits der Zu­ leitung von einem unter Druck stehenden, fluiden Arbeits­ medium zur Betätigung der an dem in der Zeichnung nicht dargestellten Werkzeugkopf vorgesehenen Hämmer dienen.

Die Flansche 4 und 5 sind mit Gewinden versehen, die in den Fig. 1 und 3 rechts hervorgehoben vergrößert darge­ stellt sind. Die beiden Flansche der zu verbindenden Seg­ mente 3, 3' werden mittels einer Ringmutter 6 konzentrisch verbunden. Die auf den Flanschen 4 und 5 aufgebrachten Gewinde besitzen unterschiedliche Steigungen. Der Flansch 4 ist mit einem zylindrischen Trapezgewinde, der Flansch 5 mit einem konischen Dreiecksgewinde als Mehrfachgewinde versehen. Die Ringmutter 6, die über die beiden entspre­ chenden Gegengewinde verfügt, ist in gelöstem Zustand bis an eine an dem Flansch vorgesehene Schulter 9 zurückge­ schraubt. Dieser gelöste Zustand ist in der linken Teil­ darstellung in Fig. 1 gezeigt. Um die zentrische Verbin­ dung der beiden Segmente 3 herauszustellen, ist es ledig­ lich erforderlich, daß die Flansche 4 und 5 dichtend auf­ einanderliegen. Hierfür ist in der Regel bei den Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen lediglich eine ge­ ringe Anzahl von Drehungen der Ringmutter 6 erforderlich.

Um die Gefahr eines sich Lösens vollständig ausschließen zu können, ist im verschraubten Zustand der beiden Segmen­ te 3, 3' in dem sich zwischen der dem Anschlag 9 zugewand­ ten Stirnseite der Ringmutter 6 und dem Anschlag 9 bilden­ den Spalt ein Sicherungselement 14 eingeschoben, welches an dem Anschlag 9 und der Stirnseite 6' der Ringmutter 6 anliegt. Die Stirnseite 6' der Ringmutter 6 und die den Anschlag bildende Fläche 9' der Schulter 9 weisen zur Mittellängsachse M des Bohrgestänges 100 jeweils einen freien Winkel α auf, der größer als 90° ist, so daß - von außen nach innen betrachtet - die Breite des Spaltes 15 etwa konisch abnimmt. Bei dem in Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen sich die beiden Neigungen der Stirnfläche 6' und der Anlagefläche 9'. Es ist jedoch ebenfalls möglich, unterschiedliche Winkel vorzusehen.

In den Spalt 15 ist ein Sicherungselement 14 eingeschoben, welches an der Stirnseite 6' und der Anlagefläche 9' an­ liegt. Es ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiel sprengringartig ausgebildet, so daß es nur unter elastischem Aufbiegen in den Spalt 15 einschieb- bzw. diesem entnehmbar ist. Dabei ist das Sicherungsele­ ment 14 derart konzipiert, daß die Anlageflanken 14' des Sprengrings stets unter einer schräg etwa zur Mittellängs­ achse M gerichteten elastischen Kraft F an dem Segment 3 anliegen, so daß der in Fig. 2a links dargestellte Teil des Sicherungselements 14 mit der Kraft 2F_v in Richtung der Schnittlinie A-B nach innen gezogen wird.

Durch diese Ausgestaltung ist gewährleistet, daß das Si­ cherungselement 14 selbsttätig stets soweit in den Spalt 15 hineingleitet, bis es an der Stirnseite 6' der Ringmut­ ter 6 und an der Anlagefläche 9' der Schulter 9 anliegt. Sollte sich die Breite des Spaltes 15 beispielsweise durch Temperaturschwankungen o. ä. vergrößern, so bewirken die Kraftkomponenten F_v ein selbsttätiges "Nachrücken" des Sicherungselements 14, so daß seine Sicherungsfunktion stets gewährleistet ist.

Die Übertragung der Drehmomente erfolgt in der Anordnung gemäß Fig. 1 durch Bolzen 8, die in entsprechende, in den Flanschen 4 und 5 eingebrachte Bohrungen eingreifen. Hier­ bei kann der Bolzen 8 in der einen Bohrung beispielsweise durch Verschweißen befestigt sein. Er ragt über diese Bohrung hinaus, so daß er mit seinem abgeschrägten Kopf­ teil in die entsprechende Bohrung des anderen Flansches 5 eintreten kann. Der Bolzen 8 bewirkt so die Übertragung des Drehmoments, und zwar gleichsam in beide Drehrichtun­ gen, so daß - unabhängig vom Drehsinn, in dem die Gewinde ausgebildet sind - mit den dargestellten Gestängekupplun­ gen Drehmomente in beiden Drehrichtungen übertragbar sind, ohne daß hierdurch die Gefahr des Verkeilens oder des Lösens der Gewindeverbindung besteht.

Bei der Ausführungsform gemäß Anspruch 3 sind die Bolzen durch vorspringende Klauen 13 ersetzt, die an dem Rand des Segments 3' angebracht sind und in entsprechende Ausneh­ mungen des Segments 3 zahnartig eingreifen. Bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung von in den Flanschen an­ geordneten Bolzen zur Übertragung der Drehmomente über­ flüssig.

Bei der in Fig. 2 - ausschnittsweise - dargestellten Aus­ führungsform erfolgt die Übertragung der Drehmomente durch Bolzen 8. Es ist jedoch selbstverständlich ebenfalls mög­ lich, die Übertragung des Drehmoments auf eine andere geeignete Weise, beispielsweise wie anhand von Fig. 3 erläutert, zu bewerkstelligen.

Claims (10)

1. Gestängekupplung zur Verbindung benachbarter Flansche (4, 5) einzelner Segmente (3, 3') eines Bohrgestänges (100),
mit Mitteln zur Übertragung eines Drehmoments zwi­ schen den Segmenten (3, 3'),
mit einer als Schraubverbindung ausgebildeten, die axial gerichteten Außenflächen der beiden benachbarten Flansche (3, 3') zumindest teilweise übergreifenden Ver­ bindungsmuffe (Ringmutter 6), welche mit einem auf ihrer Innenfläche angeordneten Gewinde in ein entsprechendes Gewinde wenigstens einer der Flanschaußenflächen ein­ greift, wobei der eine Flansch (4) als Tragorgan der Ver­ bindungsmuffe ausgebildet ist und eine Anlagefläche (9') für die von der Verbindungsstelle der Segmente fortweisen­ den Stirnflächen (6') der Verbindungsmuffe aufweist und
mit einem zwei Anlageflächen aufweisenden Sicherungs­ element (14), das in den bei angezogener Verbindungsmuffe zwischen der Stirnfläche (6') der Verbindungsmuffe und der Anlagefläche (9') entstandenen Spalt (14) eingesetzt ist, wobei dessen eine Anlagefläche der Stirnseite (6') der Verbindungsmuffe, dessen andere Anlagefläche der Anlage­ fläche (9') zugewandt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stirnfläche (6') der Verbindungsmuffe und/oder die Anlagefläche (9') zur Mittellängsachse (M) des Bohrgestänges (100) einen freien Winkel (α) einschließen, der größer als 90° ist und
daß die Anlageflächen des Sicherungselements (14) derart geneigt sind, daß diese etwa parallel der jeweils zugewandten Stirnfläche (6') bzw. Anlagefläche (9') ver­ laufen.

2. Gestängekupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die das Sicherungs­ element mit einer zumindest eine in Richtung der Mittel­ längsachse (M) des Bohrgestänges (100) wirkenden Komponen­ te (F_v) aufweisenden Kraft (F) beaufschlagen.

3. Gestängekupplung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sicherungselement (14) sprengringartig ausgebildet ist.

4. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Drehmomen­ te am Rand eines Segments (3, 3') vorspringende Klauen (13) angeordnet sind, die mit entsprechenden Ausnehmungen (13') des benachbarten Randes des folgenden Segments zahnartig ineinandergreifen.

5. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Flansche der einzelnen das Bohrgestänge bildenden Segmente (3, 3') zwei oder mehrere das Drehmoment aufnehmende, an den aufeinand­ erfolgenden Flanschen zweier Segmente (3, 3') vorgesehene Bohrungen durchgreifende Bolzen (8) aufweisen.

6. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der benach­ barten Flansche (4, 5) zweier Segmente (3, 3') mit Gewinden unterschiedlicher Steigungen versehen sind und daß die Verbindungsmuffe als Ringmutter (6) ausgebildet und mit den entsprechenden Gewinden unterschiedlicher Steigungen versehen ist.

7. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme des Gewindes niedrigerer Steigung dienende Flanschaußenfläche als Zy­ linder, die zur Aufnahme des Gewindes großer Steigung dienende Flanschaußenfläche als nach außen sich verbrei­ tender Konus ausgebildet ist.

8. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde größerer Steigung als Mehrfachgewinde ausgebildet ist.

9. Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gewinde Trapezgewinde oder Dreieckgewinde oder Trapez- und Dreieckgewinde vorgesehen sind.

10. Sicherungselement für eine Gestängekupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.