DE60201518T2

DE60201518T2 - Gewindeelement für eine ermüdungsbeständige gewinde-rohrverbindung

Info

Publication number: DE60201518T2
Application number: DE60201518T
Authority: DE
Inventors: Thierry Noel; Gabriel Roussie
Original assignee: Vallourec Mannesmann Oil and Gas France SA; Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Vallourec Oil and Gas France SAS; Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: WO2002073076A1; CA2439977C; MY128854A; FR2821916A1; FR2821916B1; JP2004531675A; US7513534B2; PL363973A1; RU2261395C2; EP1373775A1; CZ20032441A3; EP1373775B1; BR0207956B1; MXPA03007240A; AR032866A1; CN1492980A; RU2003129887A; ATE278902T1; PL202710B1; JP4111386B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Außengewindeelement oder ein Innengewindeelement einer Gewinde-Rohrverbindung, die besonders geeignet ist, sowohl statischen als auch zyklischen Beanspruchungen standzuhalten, sowie eine Gewinde-Rohrverbindung, die besonders geeignet ist, statischen und zyklischen Beanspruchungen standzuhalten.
Gewinde-Rohrverbindungen weisen am Ende eines ersten Rohrs von allgemein großer Länge ein Außengewindeelement und am Ende eines zweiten Rohrs, das ein Rohr großer Länge oder eine Muffe sein kann, ein Innengewindeelement auf.
Sie werden insbesondere verwendet, um Säulen von Futterrohren oder Steigrohren oder Bohrstangenzüge für Kohlenwasserstoff-Bohrbrunnen oder ähnliche Bohrbrunnen zu bilden, wie zum Beispiel Bohrbrunnen für die Geothermie.
Das American Petroleum Institute (API) definiert in seinen Spezifikationen 5B und 5CT Gewindeverbindungen zwischen Futterrohren oder zwischen Steigrohren mit konischen Gewinden.
So genannte hochwertige (oder "premium") Gewinde-Rohrverbindungen, die trotz der sehr verschiedenen Beanspruchungen Dichtheitseigenschaften aufweisen, sind zum Beispiel in den Patenten EP 488 912 , US 5 687 999 beschrieben.
Solche Gewindeverbindungen können zylindrische oder konische Gewinde mit einem oder zwei Gewindebereichen verwenden.
Bis vor kurzem mussten die Futterrohre oder Steigrohre hauptsächlich in der Lage sein, verschiedenen Kombinationen von statischen Beanspruchungen standzuhalten (axialer Zug, axialer Druck, ebene Biegung, Innen- oder Außendruck), trotz ihrer begrenzten Dicke, die aus der Notwendigkeit entsteht, verschiedene Säulen unterschiedlicher Durchmesser ineinander zu schieben, um einen tiefen Bohrbrunnen betreiben zu können.
Dagegen sind die Bohrstangen, die nur verwendet werden, um die Bohrbrunnen zu bohren, konstruiert, um großen zyklischen Beanspruchungen standzuhalten, sie unterliegen aber keinen Anforderungen des inneren Platzbedarfs, da ein einziger Stangenzug mit einem vorgegebenen Durchmesser zu einem gegebenen Zeitpunkt nach unten bewegt wird.
Wenn die zyklischen Beanspruchungen nicht strikt begrenzt sind, führen sie im Betrieb zu Ermüdungsrissen an den Bohrstangen, die an der Wurzel der Gewindegänge entstehen, im allgemeinen auf der Seite der Trägerflanken, genauer in Höhe der letzten in Eingriff stehenden Gewindegänge der Gewindeelemente.
In der nachfolgenden Beschreibung werden als erste Gewindegänge die Gewindegänge bezeichnet, die sich in einem durch die Achse des Gewindeelements verlaufenden Längsschnitt auf der Seite des Stirnendes des Gewindeelements befinden. Die letzten Gewindegänge sind folglich diejenigen am anderen Ende des Gewindes.
Unter Eingriffs-Gewindegängen versteht man zunächst die Gewindegänge der Gewindeelemente einer Gewinde-Rohrverbindung im verschraubten Zustand, die axial die Belastung eines Gewindeelements auf das ihm zugeordnete Gewindeelement übertragen, ob diese Gewindegänge nun vollkommen (von vollständiger Höhe) oder unvollkommen (von unvollständiger oder teilweiser Höhe, zum Beispiel sich verjüngende oder ansteigende Gewindegänge) sind. Wenn die Gewin deverbindung axialen Zugkräften ausgesetzt wird, was allgemein der Fall ist, sind die Eingriffs-Gewindegänge diejenigen, deren Trägerflanken in Kontakt stehen.
Im weiteren Sinne werden in der vorliegenden Beschreibung unter Eingriffs-Gewindegängen eines einzelnen Gewindeelements diejenigen Gewindegänge verstanden, die dazu bestimmt sind, die Belastung auf die entsprechenden Gewindegänge eines zugeordneten Gewindeelements zu übertragen, wenn diese beiden Gewindeelemente zusammengebaut werden, um eine Gewinde-Rohrverbindung zu bilden.
Die Stellung der Eingriffs-Gewindegänge eines Gewindeelements ist aus dem Plan des Gewindeelements bekannt, da sie eine notwendige Angabe ist, um die Widerstandsfähigkeit der endgültigen Gewindeverbindung zu planen. Die Stellung der letzten oder der ersten Eingriffs-Gewindegänge kann also an einem Gewindeelement, das zur Herstellung einer Gewinde-Rohrverbindung bestimmt ist, perfekt definiert werden.
Das Problem der Ermüdungsfestigkeit stellt sich dann aber nicht mehr nur für die Bohrstangen, sondern auch für die Säulen von Betriebsrohren bestimmter Kohlenwasserstoff-Bohrbrunnen, bei denen die Gewinde-Rohrverbindungen, die es ermöglichen, solche Säulen herzustellen, dann in der Lage sein müssen, sowohl hohe statische als auch zyklische Beanspruchungen auszuhalten.
Auf solche Anforderungen der Festigkeit gegenüber Beanspruchungen trifft man vor allem bei Unterwasser-Säulen, die den Meeresboden mit den Plattformen zum Fördern von Kohlenwasserstoff aus dem Meer verbinden.
Solche in der englischen Fachsprache "riser" (Steigrohre) genannten Rohrsäulen sind tatsächlich zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt, die insbesondere von den Strömungen, die die Säule in Schwingung versetzen, durch den Seegang, durch die Gezeiten, und die mögliche Eigenverschiebung der Plattformen verursacht werden.
Man trifft auf solche Anforderungen der Festigkeit gegenüber Beanspruchungen auch bei irdischen Bohrbrunnen, insbesondere beim drehenden Absenken von Rohren zum Zementieren der Bohrbrunnen im sehr häufigen Fall von von der Senkrechten abweichenden Bohrbrunnen, die Knicke aufweisen.
Der Stand der Technik der rohrförmigen oder nicht-rohrförmigen (zum Beispiel von der Art Schraube-Mutter) Gewindeverbindungen schlägt Mittel vor, um die Ermüdungsfestigkeit der Gewindeverbindungen zu verbessern, die axialen Zugbelastungen ausgesetzt sind, die sich zyklisch verändern können.
Das Patent US 3 933 014 beschreibt eine Mutter für eine Bolzenverbindung, deren Innengewinde in Höhe der ersten Eingriffs-Gewindegänge durch mehrere axiale Nuten unterbrochen wird, die gleichmäßig auf dem Umfang des Gewindes verteilt sind, um die Zone maximaler Übertragung der axialen Zugbeanspruchung zwischen der Schraube und der Mutter vom ersten Eingriffs-Innengewindegang zur Mitte der axialen Länge der Mutter zu verschieben.
Diese Nuten, deren Länge die Hälfte der Länge des Gewindes erreichen kann, und deren Tiefe bis zu 80 % der Gewindeganghöhe gehen kann, erhöhen die Flexibilität der ersten Eingriffs-Gewindegänge, verringern aber die Auflagefläche der Gewindegänge in der Zone, in der sie ausgebildet sind, um etwa 20 %, was ein Nachteil ist, wenn man eine hohe Festigkeit gegenüber statischen Beanspruchungen und ei ne zwischen dem Inneren und Äußeren der Rohre dichte Gewinde-Rohrverbindung erhalten möchte.
Außerdem sind die Lösungen für die Bolzen, bei denen die Muttern auf der Seite der ersten Gewindegänge gegen den Schraubenkopf (auf der Seite der letzten Schraubengewindegänge) anliegen, nicht unbedingt direkt auf Gewinde-Rohrverbindungen anwendbar.
Weiter sind aus den Patentanmeldungen WO 00/14441 und WO 00/14442 Gewindeverbindungen bekannt, die eine Rille in den Gewindegängen aufweisen, um die Steifheit des Aufbaus der Gewindegänge zu verringern, mit dem Ziel, das Schraubmoment zu verringern. Diese Druckschriften offenbaren keine Modalität für eine Rille, die die Festigkeit der Gewindeverbindungen gegenüber zyklischen Beanspruchungen verbessern kann.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Außengewindeelement oder Innengewindeelement für Gewinde-Rohrverbindungen herzustellen, das besonders fest ist gegenüber:

a) statischen Beanspruchungen, insbesondere axialen Zugbeanspruchungen, axialen Druckbeanspruchungen, Biegebeanspruchungen, Torsionsbeanspruchungen, Innen- oder Außendruckbeanspruchungen, Ausscheren beim Schraubvorgang, einzeln oder kombiniert (zum Beispiel Zug + Innendruck);
b) zyklischen Zug-Druck- oder Biege-Beanspruchungen, indem die Belastungsübertragung in den Zonen der ersten und letzten Eingriffs-Gewindegänge reduziert und die Formzahlen (SCF) in diesen Zonen minimiert werden.

Es wurde auch danach getrachtet, dass das erfindungsgemäße Gewindeelement mit allen Arten von Gewinden, konischen, zylindrischen, kombiniert zylindrisch-konischen, mit einer oder mehreren Stufen, mit radial interferierenden und/oder über ihre Flanken in Kontakt stehenden Gewindegängen; Gewindegänge, die über ihren beiden Flanken mit den entsprechenden Flanken des zugeordneten Gewindegangs in Kontakt stehen, sind zum Beispiel von der Art eines so genannten "rugged thread", die in der Patentanmeldung EP 454 147 beschrieben ist, von der Art mit axialem Versteifungsring, die in der Patentanmeldung WO 00/ 14441 beschrieben ist, oder von der Art Keil mit veränderlicher Breite, wie zum Beispiel im Patent US Re 30 647 beschrieben ist.
Es wurde außerdem danach getrachtet, dass das Gewindeelement einfach hergestellt und geprüft werden kann.
Das erfindungsgemäße Gewindeelement soll zur Herstellung von Gewinde-Rohrverbindungen verwendbar sein, die für Säulen von Kohlenwasserstoff-Steigrohren, von Bohrbrunnen-Futterrohren oder für den Unterwasser-Betrieb ("risers") oder ähnliche Anwendungen bestimmt sind.
Es wurde außerdem danach getrachtet, dass die hergestellten Gewinde-Rohrverbindungen besonders dicht sind, insbesondere gegenüber Gas, selbst unter zyklischen Beanspruchungen.
Es wurde auch danach getrachtet, dass das erfindungsgemäße Gewindeelement zur Bildung von Bohrstangenzügen verwendet werden kann.
Es wurde auch danach getrachtet, eine Gewinde-Rohrverbindung herzustellen, bei der eines oder beide Gewindeelemente verändert wurden, um zyklischen Beanspruchungen standzuhalten.
Das erfindungsgemäße Außen- oder Innengewindeelement wird am Ende eines Rohrs hergestellt und weist außen ein Außengewinde oder innen ein Innengewinde auf, je nachdem, ob das Gewindeelement ein Außengewindeelement oder ein Innengewindeelement ist.
Es ist dazu bestimmt, mit einem Gewindeelement des zugeordneten Typs zusammengebaut zu werden (d.h. Innengewindeelement, wenn das betrachtete Gewindeelement ein Außengewindeelement ist, und umgekehrt), um eine Gewinde-Rohrverbindung herzustellen, die zyklischen Beanspruchungen standhält.
Das Gewinde besteht aus mindestens einem Gewindebereich. Wenn das Gewinde mehrere Gewindebereiche aufweist, können diese axial und/oder radial voneinander entfernt sein, zum Beispiel bei gestuften Gewindebereichen.
Der oder jeder Gewindebereich des Gewindes weist in einer Richtung weg vom Stirnende des Gewindeelements drei Zonen von im Wesentlichen gleicher Länge auf: eine so genannte Zone erster Eingriffs-Gewindegänge, eine so genannte Zone mittlerer Gewindegänge und eine so genannte Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge, wobei die Definition der ersten und letzten Eingriffs-Gewindegänge der weiter oben im Stand der Technik erwähnten Definition entspricht.
Manche dieser Zonen können Gewindegänge mit Teilhöhe aufweisen, wie zum Beispiel sich verjüngende oder ansteigende Gewindegänge.
Eine schraubenförmige Rille ist im wesentlichen radial in den Gewindegängen mindestens eines Bruchteils der axialen Länge mindestens eines Gewindebereichs derart ausgebildet, dass sie am Gewindegangscheitel mündet, indem zu beiden Seiten der Rille auf der Seite der Trägerflanke bzw. der Eingriffsflanke ein halber Träger-Gewindegang bzw. ein halber Eingriffs-Gewindegang gebildet wird. Die Rille kann aber auch nur teilweise am Gewindegangscheitel münden.
In jedem Gewindebereich, in dem sie ausgebildet ist, ist die Rille in allen oder einem Teil der Gewindegänge einer oder der beiden Endzonen, d.h. der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge und der Zone der letzten Eingriffs-Gewindegänge, ausgebildet, und sie kann optional in den Gewindegängen der Zone mittlerer Gewindegänge ausgebildet sein; die geometrischen Eigenschaften der Rille sind derart, dass sie die Steifheit der Gewindegänge mit Rille in der (oder den) Endzone(n) in Bezug auf die Steifheit der Gewindegänge der Zone mittlerer Gewindegänge verringern.
Die Steifheit der Gewindegänge mit Rille wird durch die Biege- und/oder Scherfähigkeit der beanspruchten halben Gewindegänge bestimmt, die im allgemeinen die halben Träger-Gewindegänge sind, unter Berücksichtigung der axialen Zugbeanspruchungen, denen die Gewinde-Rohrverbindungen im allgemeinen ausgesetzt sind; das gleiche erfindungsgemäße Konzept kann aber auch bei halben Eingriffs-Gewindegängen angewandt werden, wenn diese beansprucht oder auch beansprucht werden, zum Beispiel bei mit Druck arbeitenden Gewinde-Rohrverbindungen.
Die Steifheit eines Gewindegangs wird als der Proportionalitätskoeffizient zwischen einerseits der vom betrachteten Gewindegang auf den entsprechenden Gewindegang eines zugeordneten Gewindeelements einer Gewinde-Rohrverbindung übertragenen axialen Belastung und andererseits der vom betrachteten Gewindegang erfahrenen axialen Verformung definiert.
Bei einer Gewinde-Rohrverbindung verringert die erfindungsgemäße Rille im Vergleich mit einer ähnlichen Gewinde-Rohrverbindung mit Gewindegängen ohne Rille die Übertragung der axialen Belastung zwischen den Gewindegängen der Zone oder der Zonen von Gewindegängen, wo die Rille ausgebildet ist, und den entsprechenden Gewindegängen des zugeordneten Gewindeelements, indem die globale axiale Belastung auf die verschiedenen Eingriffs-Gewindegänge des Gewindes verteilt wird; man erhält dadurch eine deutliche Verbesserung der Festigkeit der Gewinde-Rohrverbindung gegenüber dynamischen Beanspruchungen, insbesondere Biegebeanspruchungen, die den statischen axialen Zugbeanspruchungen überlagert sind.
Da die ersten Eingriffs-Gewindegänge eines Gewindeelements in einer Gewinde-Rohrverbindung mit den letzten Eingriffs-Gewindegängen des zugeordneten Gewindeelements zusammenwirken, erhält man, indem man eine Rille entweder in Höhe der ersten Eingriffs-Gewindegänge jedes der beiden Gewindeelemente oder in Höhe ihrer letzten Eingriffs-Gewindegänge oder gleichzeitig in diesen beiden Höhen eines oder der beiden Gewindeelemente anordnet, die gleiche technische Wirkung des Ausgleichs der Belastungsübertragung pro Gewindegang in den ersten und den letzten Gewindegängen der Gewindebereiche, wo die Rille ausgebildet ist, im Vergleich mit der Belastungsübertragung pro Gewindegang in der Zone der mittleren Gewindegänge.
Die Rille kann auch in allen oder einem Teil der Gewindegänge der Zone mittlerer Gewindegänge ausgebildet sein, vorausgesetzt, sie verringert die Steifheit der Gewindegänge mit Rille der Endzone oder Endzonen stärker als die Steifheit der Gewindegänge der Zone mittlerer Gewindegänge.
Es ist dann möglich, alle Gewindegänge des Gewindebereichs, in dem die Rille ausgebildet ist, und des entsprechenden Gewindebereichs des zugeordneten Gewindeelements einer Gewinde-Rohrverbindung besser oder optimal arbeiten zu lassen.
Es ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße Rille auch die Beanspruchungen der Gewindegänge der Zonen erster oder letzter Eingriffs-Gewindegänge reduzieren kann, die durch Steigungsfehler zwischen Außengewindegängen und Innengewindegängen einer Gewinde-Rohrverbindung entstehen, Steigungsfehler, die von den Herstellungstoleranzen der Gewinde stammen.
Sie kann es auch erlauben, schädliche Überdrücke des Schmierfetts der Gewindegänge beim Schraubvorgang zu begrenzen.
Vorzugsweise ist die Rille in den Gewindegängen der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge und optional in den Gewindegängen der Zone mittlerer Gewindegänge ausgebildet, und sie betrifft nicht die Gewindegänge der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge, die massiv bleiben, um die Steifheit der Gewindegänge der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge bezüglich der Steifheit der Gewindegänge der Zone mittlerer Gewindegänge zu verringern.
In diesem Fall wurde von den Erfindern festgestellt, dass die erfindungsgemäße Rille den maximalen Wert der Formzahl (SCF) des Wandquerschnitts am Fuß des zugeordneten Gewindegangs reduziert, wobei die Formzahl SCF eine relative Größe ist, die erhalten wird, indem die maximale Beanspruchung an der betrachteten Stelle mit der Beanspruchung am entsprechenden Rohrkörper in Beziehung gebracht wird. Die erfindungsgemäße Rille verringert also die maximale Beanspruchung in der Wand am Fuß des Gewindegangs der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge des zugeordneten Gewindes, Wand, die in dieser Gewindegangzone der globalen axialen Zugbelastung der Gewinde-Rohrverbindung ausgesetzt ist, und verringert somit die Gefahren des Beginns einer Ermüdungsrissbildung in dieser Höhe.
Man kann so die Gewindeelemente einer Gewinde-Rohrverbindung mit starken zyklischen Belastungsveränderungen arbeiten lassen, ohne ihre Leistungen der axialen Zugfestigkeit zu verändern.
Vorzugsweise wird die Rille durch Einwirken eines Formwerkzeugs auf die Gewindegänge des betrachteten Gewindebereichs erhalten. Daraus folgt, dass ihre Form vom Profil des Formwerkzeugs definiert wird und dass ihre Tiefe, gemessen vom Gewindegangscheitel bis zum Rillengrund, durch das Eindringen des Formwerkzeugs in die Gewindegänge definiert wird.
Vorzugsweise nimmt die Steifheit der Gewindegänge aufgrund der Rille vom Eingriffs-Endgewindegang der eine Rille aufweisenden Endzone(n) zu der Zone mittlerer Gewindegänge hin stetig zu.
Der Eingriffs-Endgewindegang einer Endzone ist der erste Eingriffs-Gewindegang, wenn die Rille in den Gewindegängen der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge hergestellt wird, und der letzte Eingriffs-Gewindegang, wenn die Rille in den Gewindegängen der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge hergestellt wird. Er ist sowohl der erste und der letzte Eingriffs-Gewindegang, wenn die Rille sowohl in den Gewindegängen der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge als auch in der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge hergestellt wird.
Vorteilhafterweise nimmt die Tiefe der Rille vom Eingriffs-Endgewindegang der eine Rille aufweisenden Endzone(n) zu der Zone mittlerer Gewindegänge hin vorzugsweise gleichmäßig ab.
Alternativ oder zusätzlich hat die Rille eine Gewindesteigung, die sich von der Steigung der Gewindegänge des Gewindebereichs unterscheidet, wo sie ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Hüllkurve der Rillengründe eine konische Fläche koaxial zur Achse des Gewindeelements.
In einer Variante ist die Hüllkurve der Rillengründe eine drehsymmetrische Fläche koaxial zur Achse des Gewindeelements mit nicht geradliniger Mantellinie, wie zum Beispiel eine torische Fläche, eine paraboloidische oder hyperboloidische Fläche, oder auch eine Verbundfläche aus mehreren drehsymmetrischen Flächen, die stumpf aneinander liegen.
Gemäß der einen oder anderen dieser Varianten ist, wenn die Rille in der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge ausgebildet ist, die Neigung der Mantellinie der Hüllkurve der entsprechenden Rillengründe vorzugsweise größer als die Neigung des Gewindebereichs, in dem die Rille ausgebildet ist, unabhängig davon, ob diese letztere Neigung positiv (konische Gewinde) oder Null ist (zylindrische Gewinde). Sie liegt vorzugsweise unter derjenigen des Gewindebereichs, wenn die Rille in der Zone der letzten Eingriffs-Gewindegänge ausgebildet ist.
Um insbesondere einen Eingriff des Außengewindeelements in das Innengewindeelement unter guten Bedingungen zu erlauben, mündet die Rille vorteilhafterweise nicht an den Eingriffsflanken, wenn die Gewindegänge eine allgemeine Trapezform aufweisen.
Weiter vorteilhafterweise kann das Gewindeelement einen Anschlag aufweisen, dessen Anschlagfläche aus dem Stirnende des Gewindeelements besteht und der axial unter Druck gesetzt ist.
Die Rille, die in Höhe der ersten Eingriffs-Gewindegänge ausgebildet ist und deren axiale Steifheit verringert, ermöglicht es vorteilhafterweise, eine absolute axiale Druckverformung im Anschlag am Ende der Verschraubung der gebildeten Gewindeverbindung mit einem zugeordneten Gewindeelement zu speichern.
Wenn das Gewinde vom Stirnende des Gewindeelements durch eine relativ kurze, wenn nicht sogar nicht vorhandene Lippe getrennt wird, ermöglicht es die Rille, die tatsächlich durch Druck verformte axiale Länge im Vergleich mit einem ähnlichen Gewindeelement des Stands der Technik zu vergrößern, und so eine stärkere absolute Verformung im Anschlag zu speichern. Es ist nämlich häufig günstig, über eine kurze Lippe zu verfügen, wenn eine Dichtungsauflagefläche am Umfangsende der Lippe ausgebildet ist, wenn man eine optimale Dichtheit erreichen will.
In einer Variante kann das Gewindeelement einen ersten Anschlag, dessen Anschlagfläche aus dem Stirnende des betrachteten Elements besteht, und einen zweiten Anschlag aufweisen, der so angeordnet ist, dass er bei einer in Stellung verschraubten Gewinde-Rohrverbindung mit einem Anschlag am Stirnende eines zugehörigen Gewindeelements zusammenwirkt. In diesem Fall ermöglicht das Vorhandensein einer (von) Rille(n) auf den Gewindeelementen vorteilhafterweise den beiden Anschläge des betrachteten Gewindeelements, beide gegen zwei entsprechende Anschläge des zugehörigen Gewindeelements anzuliegen.
Ein solches doppeltes Anlegen wird normalerweise bei Gewinde-Rohrverbindungen des Stands der Technik verkompliziert, außer wenn die beiden Anschläge in kostspieliger Weise mit großer Präzision zueinander angeordnet werden oder die Lippen in ungünstiger Weise verlängert werden. Die Erhöhung der effektiven Länge des axialen Unterdrucksetzens der Anschläge durch die Rillen ermöglicht dieses doppelte Inanschlagbringen auf einfachere Weise als bei einer Gewinde-Rohrverbindung mit zwei Sätzen von Anschlägen gemäß dem Stand der Technik.
Weitere Vorteile gehen aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen hervor.
1 stellt schematisch im axialen Halbschnitt ein Innengewindeelement einer erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung dar.
2 stellt das Gewinde des Gewindeelements der 1 dar, bei dem die Gewindegänge gerade bearbeitet werden.
3 stellt ein Detail der ersten Eingriffs-Gewindegänge des Innengewindeelements der 1 dar.
4 stellt schematisch im axialen Halbschnitt ein erfindungsgemäßes Außengewindeelement dar, das an das Innengewindeelement der 1 angepasst ist.
5 stellt das Gewinde des Außengewindeelements der 4 dar, dessen Gewindegänge gerade bearbeitet werden.
6 stellt ein Detail der ersten Eingriffs-Gewindegänge des Außengewindeelements der 4 dar.
7 stellt im axialen Halbschnitt eine erfindungsgemäße Gewinde-Rohrverbindung dar, die nach dem in Stellung Verschrauben der Gewindeelemente der 1 und 4 erhalten wird.
8 stellt im axialen Halbschnitt eine Variante einer erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung dar.
9 stellt im axialen Halbschnitt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung dar.
10 stellt ein Detail der ersten Eingriffs-Gewindegänge einer Variante eines erfindungsgemäßen Innengewindeelements dar.
11 stellt ein Detail der ersten Eingriffs-Gewindegänge einer Variante eines erfindungsgemäßen Außengewindeelements dar.
12 stellt schematisch die Entwicklung der Belastungsübertragung zwischen den Gewindegängen einer Standard-Gewinde-Rohrverbindung und einer erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung dar.
13 stellt schematisch in gleicher Weise wie in 12 die Entwicklung der Formzahl am Fuß des Gewindegangs für das Außengewinde und für das Innengewinde dar.
1 stellt ein Innengewindeelement 2 dar, das am Ende eines Rohrs 102 angeordnet ist.
Das Rohr 102 kann je nachdem ein Rohr von großer Länge, d.h. einer Länge von nahe 10 m oder mehr, oder eine Muffe von einigen zehn Zentimetern Länge sein, von dem man in 1 nur eine Hälfte sieht. Im ersten Fall ermöglicht es das Innengewindeelement 2, eine so genannte "integrale" Gewindeverbindung herzustellen; im zweiten Fall ermöglicht es, eine gemuffte Gewindeverbindung herzustellen.
Das Innengewindeelement 2 enthält innen ausgehend von seinem Stirnende 10 ein Innengewinde 4, das aus einem einzigen Gewindebereich besteht, eine Dichtungsauflage 6 und einem Anschlag 8.
Die Innendichtungsauflagefläche 6 ist eine um 20° zur Achse X1X1 des Gewindeelements 2 geneigte konische Fläche.
Der Anschlag 8 ist eine im Wesentlichen querliegende Fläche, und genauer leicht konisch konvex, und bildet eine innere Schulter auf dem Gewindeelement 2.
Das Innengewinde 4 ist vom konischen Typ, mit einem Halbwinkel am Scheitel von 1,79° (Konizität = 6,25%) mit trapezförmigen Gewindegängen 12.
Das Gewinde 4 weist eine Zone erster Eingriffs-Gewindegänge 32, die aus den sechs ersten Gewindegängen auf der Seite des Stirnendes 10 des Gewindeelements besteht, eine Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge 36, die aus den sechs Gewindegängen ab dem vorletzten Innengewindegang besteht, und eine mittlere Zone von Gewindegängen 34 auf, die sechs Gewindegänge zwischen den Zonen 32 und 36 aufweist.
Der letzte Gewindegang des Gewindes ist nicht ausgebildet, um ein Eingriffs-Gewindegang zu sein (siehe 7).
Die Anzahl von Gewindegängen der Zonen 32 und 36 der ersten und letzten Eingriffs-Gewindegänge entspricht 1/3 der Gesamtzahl von Eingriffs-Gewindegängen.
Wie 3 im Einzelnen zeigt, weisen die Innengewindegänge 12 allgemein einen Gewindegangscheitel 18, einen Gewindeganggrund 20, eine Eingriffsflanke 16, die zum Stirnende 10 des Gewindeelements weist, und eine Trägerflanke 14 auf der gegenüberliegenden Flanke auf.
Eine schraubenförmige Rille 22 ist in die Gewindegänge 12 mit Hilfe eines Formwerkzeugs 42 eingearbeitet, unabhängig von der Größe der Gewindegänge 12.
Dieses Formwerkzeug 42 hat die Form eines umgedrehten abgerundeten V, die von einem Winkel von 35° zwischen den Schenkeln des V definiert wird, und einen abgerundeten Scheitel mit einem Radius von 0,4 mm.
Das Werkzeug 42 wird so positioniert, dass es die Gewindegänge im wesentlichen radial ausgehend vom Gewindegangscheitel gemäß einem abgerundeten V-förmigen Profil schneidet, indem es zu beiden Seiten des Werkzeugs zwei halbe Gewindegänge lässt, einen halben Träger-Gewindegang 24 auf der Seite der Trägerflanke 14 und einen halben Eingriffs-Gewindegang 26 auf der Seite der Eingriffsflanke 16, ohne die Gewindegangflanken anzuschneiden.
Das Formwerkzeug 42 wird wie in 2 ab dem ersten Gewindegang 12.1 gemäß einer Gewindesteigung p gleich der Steigung des Innengewindes 4 verschoben, wobei die Basis des Werkzeugs sich auf eine konische Fläche stützt, deren Mantellinie 44 man sieht. Diese konische Fläche hat eine doppelt so große Konizität wie das Gewinde 4 (Winkel von 3,58° zwischen Hüllkurve 44 und Achse des Gewindeelements), so dass die Rille 22 eine Tiefe aufweist, die vom ersten Eingriffs-Gewindegang 12.1 an stetig abnimmt, bis sie in Höhe des elften Gewindegangs 12.11 und darüber hinaus bis zum letzten Gewindegang zu Null wird.
Die Rille 22 ermöglicht es, die Steifheit der Gewindegänge der Zone 32 der ersten Eingriffs-Gewindegänge im Vergleich mit der Steifheit der Gewindegänge der Zone 34 mittlerer Gewindegänge zu verringern.
Da die Gewindegänge 12 im verschraubten Zustand einem Kontaktdruck auf den Trägerflanken 14 ausgesetzt sind, wird ihre Steifheit durch die Biegefähigkeit des halben Träger-Gewindegangs 24 und insbesondere durch seine Geometrie bestimmt.
Diese Geometrie kann durch die Neigung der Trägerflanke 14 und der Rillenflanke 28 bezüglich der Achse des Gewindeelements, durch den Abstand d2 zwischen Trägerflanke 14 und Mitte O₂ der Abrundung des Rillengrunds und durch den Abstand d4 zwischen dem Punkt O₂ und der Hüllkurve der Gewindeganggründe charakterisiert werden. Da die Gewindesteigung der Rille 22 die gleiche ist wie diejenige der Gewindegänge 12, verändert sich der Abstand d2 sehr wenig von einem Gewindegang zum anderen.
Unter Berücksichtigung der größeren Schräge der Mantellinie 44 in Bezug auf diejenige des Gewindes nimmt der Abstand d4 ausgehend vom ersten Gewindegang 12.1 stetig zu, so dass gilt d4.1 < d4.2 < d4.3, und so weiter.
Daraus folgt, dass die Steifheit der Innengewindegänge 12 in Höhe der Gewindegänge der Zone 32 der ersten Eingriffs-Gewindegänge minimal und in Höhe der Gewindegänge ohne Rille der Zone 36 der letzten Eingriffs-Gewindegänge und der Zone 34 mittlerer Gewindegänge maximal ist; die Steifheit der Innengewindegänge 12 der Zone 32 der ersten Eingriffs-Gewindegänge ist außerdem geringer als diejenige der Gewindegänge mit Rille geringer Tiefe in der Zone 34 mittlerer Gewindegänge.
Die Steifheit der Gewindegänge nimmt mit der Abnahme der Tiefe der Rille vom ersten Eingriffs-Gewindegang 12.1 (Endgewindegang) in Richtung der Zone mittlerer Gewindegänge stetig zu.
Der Abstand d4.1 ist geringfügig größer als der Radius R2 des Rillengrunds, so dass der Rillengrund zu keinem Zeitpunkt die Hüllkurve der Gewindeganggründe überragt, die keine Rille aufweisen.
Man könnte jedoch ohne größere Schwierigkeiten eine Rille herstellen, die die Hüllkurve der Gründe der ersten Gewindegänge (zum Beispiel d41 = 0) schneidet, da der kritische Abschnitt des Gewindeelements 2 (der im Betrieb die ganze axiale Belastung des Gewindeelements 2 trägt) sich in Höhe des letzten Gewindegangs befindet, der keine Rille aufweist.
Wenn man dagegen eine Rille in der Zone der letzten Eingriffs-Gewindegänge herstellt, muss man vermeiden, eine Rille herzustellen, deren Grund aus dem Volumen austritt, das zwischen der Hüllkurve der Gründe 20 und derjenigen der Scheitel 18 der Gewindegänge liegt, wenn man die Leistungen der das Gewindeelement 2 aufweisenden Gewinde-Rohrverbindung im Betrieb nicht verschlechtern will.
4 stellt ein Außengewindeelement 1 dar, das am Ende eines Rohrs 101 großer Länge angeordnet ist.
Das Gewindeelement 1 weist außen ab seinem einen Anschlag bildenden Stirnende 7 eine Dichtungsauflagefläche 5 und ein Außengewinde 3 auf.
Der Anschlag 7 ist eine leicht konische konkave Fläche, die dazu bestimmtist, mit dem Anschlag 8 auf dem Innengewindeelement 2 zusammenzuwirken.
Die Dichtungsauflagefläche 5 ist eine konische Fläche, die um 20° zur Achse X1X1 des Gewindeelements 1 geneigt und dazu bestimmt ist, mit der Innen-Dichtungsauflagefläche 6 zusammenzuwirken.
Das Außengewinde 3 besteht aus einem einzigen Gewindebereich; es ist vom konischen Typ und ausgelegt, um mit dem Innengewinde 4 zusammenzuwirken.
Es weist achtzehn trapezförmige Eingriffs-Gewindegänge 11 auf, wobei die acht letzten Gewindegänge mit dem Bezugszeichen 37 eine unvollständige Höhe haben (so genannte sich verjüngende Gewindegänge oder auch "run out" Gewindegänge).
Die sechs ersten Gewindegänge bilden die Zone 31 der ersten Eingriffs-Gewindegänge, wobei der erste Gewindegang auf der Seite des Stirnendes abgeschrägt ist, um den Eingriff zu erleichtern Die sechs letzten Gewindegänge, die alle eine sich verjüngende Gewindegänge sind, bilden die Zone 35 der letzten Eingriffs-Gewindegänge.
Die sechs Zwischen-Gewindegänge bilden die Zone 33 der mittleren Gewindegänge.
Die Außengewindegänge 11 weisen wie die Innengewindegänge einen Gewindegangscheitel 19, einen Gewindeganggrund 17, eine Eingriffsflanke 15, die zum Stirnende 7 des Gewindeelements weist, und eine Trägerflanke 13 auf der gegenüberliegenden Flanke auf (siehe 6).
Eine schraubenförmige Rille 21 ist mit Hilfe eines Formwerkzeugs 41 (gleich demjenigen zum Einarbeiten der Rille 22 in die Innengewindegänge 12) in die Gewindegänge 11 eingearbeitet; die Einarbeitung der Rille wird unabhängig von der Größe der Gewindegänge 11 durchgeführt.
Das Formwerkzeug 41 schneidet die Gewindegänge im wesentlichen radial ausgehend vom Gewindegangscheitel ein, indem es zu beiden Seiten zwei halbe Gewindegänge lässt, einen halben Träger-Gewindegang 23 auf der Seite der Trägerflanke und einen halben Eingriffs-Gewindegang 25 auf der Seite der Eingriffsflanke, ohne die Gewindegangflanken anzuschneiden.
Das Formwerkzeug 41 wird wie in 5 gemäß einer Gewindesteigung p gleich der Steigung des Außengewindes 3 verschoben, wobei die Basis des Werkzeugs sich auf einer konischen Mantelfläche 43 abstützt.
Diese konische Fläche hat eine doppelt so große Konizität wie das Gewinde 3 (d.h. einen Winkel von 3,58° zwischen der Mantellinie 43 und der Achse des Gewindeelements 1), so dass die Rille 21 eine Tiefe aufweist, die vom ersten Eingriffs-Gewindegang 11.1 an stetig abnimmt, bis sie in Höhe des 10. Gewindegangs 11.10 zu Null wird.
Die Rille 21 ermöglicht es, die Steifheit der Gewindegänge der Zone 31 der ersten Eingriffs-Gewindegänge im Verhältnis zur Steifheit der Zone 33 mittlerer Gewindegänge zu verringern.
Wie im Fall der Innengewindegänge wird die Steifheit der Außengewindegänge durch die Geometrie des halben Träger-Gewindegangs 23 und insbesondere durch die Neigung der Trägerflanke 13 und der Rillenflanke 27 bezüglich der Achse des Gewindeelements, durch den Abstand d1 zwischen der Trägerflanke 13 und der Mitte O₁ der Abrundung des Rillengrunds und durch den Abstand d3 zwischen dem Punkt O₁ und der Hüllkurve der Gewindeganggründe bestimmt.
Da die Gewindesteigung der Rille 21 die gleiche ist wie diejenige der Gewindegänge 11, ändert sich der Abstand d1 sehr wenig von einem Gewindegang zum anderen.
Aufgrund der größeren Neigung der Mantellinie 43 im Vergleich mit derjenigen des Gewindes nimmt der Abstand d3 ausgehend vom ersten Gewindegang 11.1 stetig zu, so dass gilt: d3.1 < d3.2 < d3.3 und so weiter.
Daraus folgt, dass die Steifheit der Außengewindegänge 11 in Höhe der Gewindegänge der Zone 31 der ersten Eingriffs-Gewindegänge minimal und in Höhe der Gewindegänge ohne Rille der Zone 35 der letzten Eingriffs-Gewindegänge und der Zone 33 mittlerer Gewindegänge maximal ist; die Steifheit der Außengewinde 11 der Zone 31 der ersten Eingriffs-Gewindegänge ist außerdem geringer als diejenige der Gewindegänge mit Rille mit geringer Tiefe in der Zone 33 mittlerer Gewindegänge.
Die Steifheit der Außengewindegänge 11 nimmt mit der Abnahme der Tiefe der Rille ausgehend vom ersten Eingriffs-Gewindegang 11.1 bis zum zehnten Gewindegang in der Zone 35 mittlerer Gewindegänge stetig zu.
Der Abstand d3.1 ist etwas größer als der Radius R1 des Rillengrunds (0,4 mm), so dass der Rillengrund nie die Hüllkurve der Gewindeganggründe übersteigt, aber wie im Fall der Innengewindegänge könnte man sehr wohl eine Rille herstellen, die die Hüllkurve der Gründe der ersten Gewindegänge schneidet.
Man muss dagegen vermeiden, in der Zone der letzten Eingriffs-Gewindegänge eine Rille herzustellen, deren Grund aus dem zwischen der Hüllkurve der Gründe 17 und derjenigen der Scheitel 19 der Gewindegänge liegenden Volumen austritt, da der kritische Querschnitt des Außengewindeelements sich in Höhe des letzten Eingriffs-Gewindegangs befindet.
7 stellt die Gewinde-Rohrverbindung 100 dar, die aus der Schraubverbindung der Gewindeelemente 1 und 2 der 1 und 4 in Stellung mit dem spezifizierten Schraubmoment besteht.
Die konische Außendichtungsauflage 5 interferiert radial mit der konischen Innendichtungsauflage 6, und der Außenanschlag 7 drückt in Auflage gegen den Innenanschlag 8.
Als Reaktion auf die axialen Druckkräfte zwischen Anschlägen liegen die Trägerflanken 13, 14 der Außen- und Innengewindegänge aufeinander auf und entwickeln Kontaktdrücke.
Außerdem interferieren die Innengewindegangscheitel 18 radial mit den Außengewindeganggründen 17, während zwischen den Außengewindegangscheiteln 19 und den Innengewindeganggründen 20 ein Spielraum verbleibt.
7 ermöglicht es, die Eingriffs-Gewindegänge und die Stellung der Rillen 21 und 22 in den Zonen erster Eingriffs-Gewindegänge 31, 32 und in einem Bruchteil der Zone mittlerer Gewindegänge 33, 35 darzustellen.
12 stellt pro Gewindegang die axiale Belastungsübertragung F_A zwischen Trägerflanken von Eingriffs-Außengewindegängen und Eingriffs-Innengewindegängen bei Gewinde-Rohrverbindungen dar, die einer axialen Zugbeanspruchung unter einer solchen Belastung ausgesetzt sind, dass der Körper des Rohrs 101 bis zu 80% der Elastizitätsgrenze des Materials (80% von PBYS) belastet wird.
Die Kurve B bezieht sich auf die Gewinde-Rohrverbindung der 1 gemäß der Erfindung, während die Kurve A sich auf eine gleiche Standard-Gewinde-Rohrverbindung, aber ohne Rille bezieht.
Die Kurve A (Standard-Gewinde-Rohrverbindung) weist einen schalenförmigen Aspekt auf, wobei die Belastungsübertragung eine Spitze in Höhe der ersten und letzten Eingriffs-Gewindegänge aufweist; die Gewindegänge der Zonen mittlerer Gewindegänge 33, 34 können also nicht mit ihrer ganzen Belastungsübertragungskapazität genutzt werden.
Die Kurve B (Gewinde-Rohrverbindung der 7) zeigt eine wesentlich gleichmäßigere Belastungsübertragung aufgrund der Rillen 21, 22, die die Steifheit der ersten Eingriffs-Gewindeflanken verringern.
Ausgehend von dieser Kurve versteht man, dass die Gewinde-Rohrverbindung der 7 ein ausgezeichnetes Verhalten sowohl gegenüber statischen Beanspruchungen (mechanische Festigkeit, Dichtheit) als auch dynamischen Beanspruchungen (Festigkeit gegenüber dem Entstehen von Ermüdungsrissen) zeigt.
Eine ähnliche Wirkung könnte mit einer Rille erhalten werden, die in Höhe der letzten Eingriffs-Gewindegänge oder sowohl in Höhe der ersten als auch der letzten Eingriffs-Gewindegänge hergestellt wird. Im Fall der in der Zone der letzten Eingriffs-Gewindeflanken hergestellten Rille müsste die Neigung der Mantellinie der Hüllkurve der Rillengründe selbstverständlich in dieser Zone geringer sein als diejenige des Gewindebereichs, um die beabsichtigte Wirkung auf die Steifheit der Gewindegänge zu erhalten.
Die äußeren Belastungen der Gewindeelemente einer Gewinde-Rohrverbindung und die aus dem Schraubvorgang entstehenden Beanspruchungen äußern sich in einem Feld von Beanspruchungen, das im Verbindungsradius am Gewindegangfuß zwischen Trägerflanke und Gewindeganggrund ein Maximum aufweisen kann.
Es ist einfach, für jeden Gewindeganggrund eine Formzahl (SCF) an dieser Stelle zu bestimmen, indem man sich auf die Beanspruchung des Körpers des Rohrs 101 beschränkt, und man kann zu diesem Zweck insbesondere die Definition der Formzahl gemäß ISO 13628 – 7CD1 verwenden:
wobei T_min und T_max die Belastungen entsprechend einer axialen Zugbeanspruchung des Körpers des Rohrs 101 zum Beispiel von 0 und 80% seiner Elastizitätsgrenze sind;
σ Haupt- / gewin deg ang die größte der drei Hauptbeanspruchungen auf einen elementaren Materialkubus ist, wobei sowohl die vom Schraubvorgang stammenden Beanspruchungen als auch diejenigen berücksichtigt werden, denen die Gewinde-Rohrverbindung ausgesetzt ist (axialer Zug + abwechselnde Biegung zum Beispiel);
σ^Körper – ^Rohr die Beanspruchung des Körpers des Rohrs 101 ist, so dass der Nenner von SCF im gewählten Beispiel gleich 80% der effektiven Elastizitätsgrenze des betrachteten Rohrs ist.
13 zeigt die Werte von SCF auf der Seite des Außengewindeelements (Kurven A1 und B1) und auf der Seite des Innengewindeelements (Kurven B2), wobei die Kurve A1 sich auf eine Standard-Gewindeverbindung und die Kurven B 1 und B2 sich auf eine erfindungsgemäße Gewindeverbindung (7) beziehen.
Die Bedeutung der Rille bei der Ermüdungsfestigkeit wird in den Kurven A1 und B1 der 13 deutlich: Im Vergleich mit einer Gewinde-Rohrverbindung des Stands der Technik (Kurve A1) verringert die Rille 22 (Kurve B1) die Spitze von SCF in Höhe der Zone der letzten Außengewindegänge, auch auf die Gefahr hin, dass der Wert der Spitze von SCF in Höhe der Zone der ersten Außengewindegänge erhöht wird; diese Spitze ist aber nicht sonderlich störend für die Ermüdung, da die Wand des Außengewindeelements in Höhe der Zone erster Außengewindegänge wenig in axialem Zug beansprucht wird, während die Wand des Außengewindeelements in Höhe der Zone der letzten Außengewindegänge die globale axiale Zugbelastung auf das Gewindeelement tragen muss.
Die Rille 21 wirkt in gleicher Weise auf die Form der Kurve der SCF bezüglich der Innengewindegänge ein, wobei die Wand des Innengewindeelements in Höhe der Zone erster Innengewindegänge aufgrund der Anschläge 7, 8 sogar zusammengedrückt wird: Kurve 82 der 13 zu vergleichen mit einer Kurve ähnlichen Aussehens wie die Kurve A2 der gleichen Figur.
Die obige Schlussfolgerung kann direkt auf den Fall kombinierter äußerer Beanspruchungen angewendet werden: Zum Beispiel stati scher axialer Zug und innerer statischer Druck und zyklische Biegung. Sie kann auch auf Fälle angewandt werden, bei denen die Gewindeelemente mit axialem Druck belastet werden, indem die Anordnung der Rille (halbe Eingriffs-Gewindegänge eher belastet als halbe Träger-Gewindegänge) angepasst wird.
8 stellt eine Variante einer Gewinde-Rohrverbindung für so genannten "Riser"-Unterwassersäulen dar, die außer einem Satz von inneren Dichtungsauflageflächen 5, 6, wie im Fall der 7, einen Satz von äußeren Dichtungsauflageflächen 45, 46 aufweist, um jeden Eintritt von Fluid von innen oder von außen zu verhindern.
Außer den inneren Anschlägen 7, 8 wie in 7 (Hauptanschläge) weist die Gewindeverbindung der 8 äußere Anschläge auf, die von der Stirnendfläche 10 des Innengewindeelements und einer entsprechenden Ringfläche 47 auf dem Außengewindeelement gebildet werden.
Die Außen- und Innengewinde 3, 4 sind denen der 1 absolut gleich, wobei eine Rille mit abnehmender Tiefe die Gewindegänge vom ersten Innengewindegang bis zum zehnten Innengewindegang und vom ersten Außengewindegang bis zum neunten Außengewindegang betrifft und die gleiche technische Wirkung der Verringerung der Gewindegang-Steifheit und der Verringerung der maximalen Werte von SCF hervorruft.
Die Rillen ermöglichen außerdem eine größere Betriebsflexibilität der äußeren und inneren Anschläge.
Tatsächlich erhöhen die tiefe Rille in Höhe der ersten Außengewindegänge und deren geringe Steifheit die effektive Länge, über die die Außenlippe 9 am Ende des Schraubvorgangs unter Druck gesetzt wird: Die Lippe 9 wird dann über eine größere Länge als ihre Länge unter Druck gesetzt, und für einen gleichen zulässigen Beanspruchungspegel ist es möglich, die Gewinde-Rohrverbindung stärker zu verschrauben und den Dichtungsauflageflächen 5, 6 eine größere Energie zu verleihen.
Eine solche technische Wirkung kann schon für die Gewinde-Rohrverbindungen mit einem einzigen Satz von Anschlägen vom Typ der 7 interessant sein, aber sie ist noch interessanter im Fall von Gewinde-Rohrverbindungen mit zwei Sätzen von Anschlägen wie in 8.
Tatsächlich ist es schwierig, die Wirkung von zwei Anschlagsätzen zu synchronisieren, es sei denn, man bearbeitet diese beiden Sätze auf äußerst genaue, also sehr kostspielige Weise.
Die große Verformungsfähigkeit der Außen- und Innenlippen 9 bzw. 50 ermöglicht es, nicht nur die Hauptanschläge (innere im vorliegenden Fall), sondern auch die Hilfsanschläge (äußere im vorliegenden Fall) in allen Fällen der Paarung zwischen einem Außengewindeelement und einem Innengewindeelement als Anschlag arbeiten zu lassen, selbst wenn der Abstand zwischen den beiden Außenanschlägen maximal und derjenige zwischen den beiden Innenanschlägen minimal ist.
Man könnte eine ähnliche technische Wirkung erhalten, indem man die Lippen 9, 50 verlängert, aber dies würde die Kompaktheit der Gewinde-Rohrverbindung verringern; dies ist nicht erwünscht und würde den Dichtungsleistungen abträglich sein: Zu geschmeidige Lippen 9, 50 erbringen keinen ausreichenden Kontaktdruck zwischen den Dichtungsauflageflächen 5, 6, 45, 46.
9 stellt noch eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Gewinde-Rohrverbindung dar, die wie im Patent US 5 587 999 konische Außengewinde und Innengewinde aufweist, je mit zwei Gewindebereichen 203, 203', 204, 204', die radial und axial voneinander entfernt und durch einen Satz von zentralen Anschlägen 207, 208 voneinander getrennt sind.
Jeder konische Gewindebereich weist einen "run-in" genannten, ansteigenden Gewindegangbruchteil 211, 211', 214, 214', in dem die Hüllkurve der Gewindeganggründe parallel zur Achse des Gewindeelements abgestumpft ist, und einen "run-out" genannten, sich verjüngenden Gewindegangbruchteil 212, 212', 213, 213' auf, in dem die Gewindegangscheitel parallel zur Achse des Gewindeelements abgestumpft sind.
Jeder Gewindebereich weist neun Gewindegänge auf, die alle in Eingriff stehen, die Zonen 231, 231', 232, 232' erster Eingriffs-Gewindegänge, Zonen 235, 235', 236, 236' letzter Eingriffs-Gewindegänge und Zonen 233, 233', 234, 234' mittlerer Gewindegänge begrenzen, wobei jede Zone drei Gewindegänge aufweist.
Gemäß 9 wird in die vier ersten Außengewindegänge und die vier ersten Innengewindegänge jedes Gewindebereichs eine Rille mit einer Tiefe eingearbeitet, die vom ersten Eingriffs-Gewindegang bis zum vierten abnimmt.
Die technische Wirkung der Rillen ist in jedem Gewindebereich die gleiche wie im Fall der Gewindeverbindung der 7 mit Gewinden mit nur einem Gewindebereich und ermöglicht es, den Wert von SCF am Fuß der letzten Eingriffs-Gewindegänge jedes Gewindebereichs zu reduzieren.
10 stellt eine Variante des Innengewindeelements der 1 bis 3 dar.
Gemäß 10 wird eine Rille in die Gewindegänge mit einer geringeren Steigung p" als die Steigung p des Gewindes eingearbeitet, so dass der Abstand d2 zur Trägerflanke vom ersten Eingriffs-Innengewindegang an zunimmt: d2.1 < d2.2 < d2.3.
Zumindest bei den ersten Gewindegängen wird die Basis des Formwerkzeugs 42 zur Einarbeitung der Rille auf einer konischen Fläche verschoben, die die gleiche Konizität wie das Innengewinde aufweist, so dass die Rille auf diesen ersten Gewindegängen eine im wesentlichen konstante Tiefe aufweist.
Der Abstand d2.1 ist so, dass die Rille nicht an der Trägerflanke mündet.
Nachdem die Rille über drei Gewindegangsteigungen eingearbeitet wurde, wird das Werkzeug entfernt, wobei seine Basis der Kurve 44 folgt, die zum Beispiel ein Kreisbogen oder eine Hyperbel ist und eine torische Fläche oder ein drehsymmetrisches Hyperboloid beschreibt, damit die Rille nicht auf der Eingriffsflanke mündet, was den Eingriff der Außengewinde und der Innengewinde ineinander stören könnte.
Die Neigung der Kurve 44 ist jenseits des dritten Gewindegangs größer als diejenige des Gewindes, um das gewünschte Entfernen zu erhalten.
Man erhält die gleiche technische Wirkung der Verringerung der Steifheit der ersten Eingriffs-Gewindegänge auf dem Innengewindeelement der 11 wie auf demjenigen der 1 bis 3.
11 stellt eine Variante des Außengewindeelements der 4 bis 6 dar, gemäß der eine Rille wie in 11 mit einer Steigung p' geringer als die Steigung p des Gewindes und mit gleicher Tiefe in die ersten Gewindegänge eingearbeitet wird.
Der Abstand d 1 der Rille zur Trägerflanke nimmt vom ersten Eingriffs-Außengewindegang an zu: d 1.1 < d 1.2 < d 1.3.
Die Basis des Werkzeugs 41 zum Einarbeiten der Rille und folglich das Werkzeug und seine Spitze folgen einer drehsymmetrischen Verbundfläche; die Basis wird zunächst gemäß einer konischen Fläche gleicher Konizität wie das Außengewinde verschoben und folgt dann einer torischen Fläche oder einer drehsymmetrischen hyperboloiden Fläche, die von der Mantellinie 43 beschrieben wird, deren Neigung größer ist als diejenige des Gewindes.
Wie im Fall der 10 ermöglicht dies, eine Verringerung der Steifheit der ersten Eingriffs-Gewindegänge zu erhalten, ohne die Eingriffsflanke der Außengewindegänge anzuschneiden.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, bei vielen anderen in der vorliegenden Beschreibung nicht beschriebenen Ausführungsvarianten angewendet zu werden, ohne dadurch die Reichweite der beanspruchten Erfindung zu verlassen.
Als Beispiel und in nicht einschränkend zu verstehender Weise kann man die Rille in allen Arten von Gewinden herstellen (zylindrisch, konisch, zylindrisch-konisch), mit allen Arten von Gewindegängen (radial interferierender Gewindegang, "rugged thread" vom Typ gemäß der Patentanmeldung EP 454 147 , Keile mit variabler Breite, mit axialem Versteifungsring) oder allgemeiner Gewindegangform (trapezförmig, dreieckig abgerundet); die Rillen können ein U-förmiges Profil haben; der Rillengrund kann eine torische oder drehsymmetrische hyperboloide Form ab dem ersten Gewindegang beschreiben, die Rille kann sowohl mit einer variablen Steigung als auch mit variabler Tiefe hergestellt sein.
Die Gewindegangflanken, insbesondere die Trägerflanke und/oder die Eingriffsflanke, können auch konvex gewölbt sein, um die Eigenschaften des Kontakts (Lokalisierung, Druck) zwischen entsprechenden Flanken trotz der variablen Betriebsbeanspruchungen zu beherrschen.
Die Anschlusszonen zwischen Flanken und Gewindeganggründen können auch mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen, die angepasst sind, um den Wert von SCF zu minimieren.
Die Umfangsfläche des Gewindeelements gegenüber derjenigen, wo das Gewinde hergestellt ist, kann auch eine Verdünnung in Form einer Rille aufweisen, die rechtwinklig vor dem Gewinde hergestellt wird, indem die Restdicke der Wand unter dem Gewinde der ersten Eingriffs-Gewindegänge reduziert wird.
Insbesondere im Fall der "rugged thread"- und Keilgewindegänge oder der Gewindegänge mit axialem Versteifungsring, bei denen die beiden Gewindegangflanken Kontakten variabler Intensität ausgesetzt sein können, kann man außerdem von der technischen Wirkung einer Rille mit gleicher Steigung wie das Gewinde aber mit variabler Tiefe profitieren: Eine solche Rille verringert die Steifheit der Gewindegänge sowohl auf der Seite der Trägerflanke als auch auf der Seite der Eingriffsflanke und ermöglicht die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit der Gewinde-Rohrverbindung gegenüber zyklischem Zug, zyklischem Druck, Zug-Druck oder abwechselnder Biegung.

Claims

Außengewindeelement oder Innengewindeelement (1, 2) einer Gewinde-Rohrverbindung (100, 200, 400), das am Ende eines Rohrs (101, 102, 201, 202) hergestellt ist und entweder außen ein Außengewinde (3) oder innen ein Innengewinde (4) aufweist, je nachdem, ob das Gewindeelement ein Außengewindeelement oder ein Innengewindelement ist, wobei das Gewinde aus mindestens einem Gewindebereich (3, 4, 203, 203', 204, 204') besteht, wobei jeder Gewindebereich in einer Richtung weg vom Stirnende (7, 10) des Gewindeelements eine so genannte Zone erster Eingriffs-Gewindegänge (31, 32, 231, 231', 232, 232'), eine Zone mittlerer Gewindegänge (33, 34, 233, 233', 234, 234') und eine Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge (35, 36, 235, 235', 236, 236') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine schraubenförmige Rille (21, 22) im wesentlichen radial in den Gewindegängen (11, 12) mindestens eines Bruchteils der axialen Länge mindestens eines Gewindebereichs derart ausgebildet ist, dass sie am Gewindegangscheitel (18, 19) mündet, dass die Rille in allen oder einem Teil der Gewindegänge einer oder den beiden Endzonen, d.h. der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge und der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge, ausgebildet ist, und dass sie optional in den Gewindegängen der Zone mittlerer Gewindegänge ausgebildet ist, wobei die geometrischen Merkmale der Rille derart sind, dass sie die Steifheit der Gewindegänge mit Rille in der (oder den) Endzone(n) in Bezug auf die Steifheit der Gewindegänge der Zone mittlerer Gewindegänge verringern.
Gewindeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille in den Gewindegängen der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge (31, 32, 231, 231', 232, 232') und optional in den Gewindegängen der Zone mittlerer Gewindegänge (33, 34, 233, 233', 234, 234') ausgebildet ist, während die Gewindegänge der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge (35, 36, 235, 235', 236, 236') massiv bleiben.
Gewindeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (21, 22) ein Profil aufweist, das durch Eindringen eines Formwerkzeugs (41, 42) in die Gewindegänge (11, 12) des Gewindebereichs über eine gegebene Tiefe erhalten wird.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (21, 22) ein V-förmiges Profil mit abgerundetem Grund aufweist.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rillengrund, wenn die Rille in der Zone letzter Eingriffs-Gewindegänge ausgebildet ist, sich in dem Raum dieser Zone befindet, der zwischen der Hüllkurve der Gewindeganggründe (17, 20) und derjenigen der Gewindegangscheitel (18, 19) liegt.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrischen Eigenschaften der Rille so sind, dass die Steifheit der Gewindegänge vom Eingriffs-Endgewindegang (11.1, 12.1) der eine Rille aufweisenden Endzone(n) zu der Zone mittlerer Gewindegänge hin stetig zunimmt.
Gewindeelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Rille vom Eingriffs-Endgewindegang (11.1, 12.1) der eine Rille aufweisenden Endzone(n) zu der Zone mittlerer Gewindegänge hin gleichmäßig abnimmt.
Gewindeelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (21, 22) eine Gewindesteigung (p', p") aufweist, die sich von derjenigen (p) der Gewindegänge des Gewindebereichs unterscheidet, in dem sie ausgebildet ist.
Gewindeelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve der Rillengründe eine zum Gewindeelement koaxiale, konische Fläche ist.
Gewindeelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllkurve der Rillengründe eine drehsymmetrische Fläche koaxial zum Gewindeelement mit nicht geradliniger Mantellinie ist.
Gewindeelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass, da die Rille in der Zone erster Eingriffs-Gewindegänge und optional in den Gewindegängen der Zone mittlerer Gewindegänge ausgebildet ist, die Neigung der Mantellinie der Hüllkurven der entsprechenden Rillengründe größer ist als die Neigung des Gewindebereichs, in dem die Rille ausgebildet ist.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei allgemein trapezförmigen Gewindegängen die Rille nicht an der Eingriffsflanke (15, 16) der Gewindegänge mündet.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde mindestens zwei Gewindebereiche (203, 204), (203', 204') aufweist, und dass die Rille in jedem der Gewindebereiche ausgebildet ist.
Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen einzigen Anschlag (7) aufweist, dessen Anschlagfläche aus dem Stirnende des Gewindeelements besteht.
Gewindeelement (3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen ersten Anschlag (7, 10), dessen Anschlagfläche aus dem Stirnende des betrachteten Gewindeelements besteht, und einen zweiten Anschlag (8, 47) aufweist, der so angeordnet ist, dass er bei einer zusammengeschraubten Gewindeverbindung mit einem Anschlag am Stirnende eines zugehörigen Gewindeelements (4, 3) zusammenwirkt, wobei die beiden Anschläge des betrachteten Gewindeelements (3, 4) in der Lage sind, gegen zwei entsprechende Anschläge des zugehörigen Gewindeelements (4, 3) anzuliegen.
Gewindeelement (3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Dichtungslagerfläche (5, 6) aufweist, die dazu bestimmt ist, radial mit einer Dichtungslagerfläche (6, 5) auf einem zugeordneten Gewindeelement (4, 3) zusammenzuwirken.
Gewinde-Rohrverbindung (100, 200, 400), die ein Außengewindeelement (1) am Ende eines ersten Rohrs (101, 201) und ein Innengewindeelement (2) am Ende eines zweiten Rohrs (102, 202) aufweist, wobei mindestens eines der Gewindeelemente ein Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist.