DE10042209A1 - Schraubverbindung mit hoher Festigkeit gegen Überdrehung und Druck - Google Patents

Abstract

Es ist eine Schraubverbindung mit hoher Festigkeit gegen Überdrehung und Druck vorgesehen, welche ein Gewindeelement an deren Innenfläche aufweist, welches als weibliches Element bezeichnet wird, das mit einem Gewindeelement an deren Außenfläche verbunden wird, welches als männliches Element bezeichnet wird. Die Verbindung zwischen dem männlichen Ende und dem weiblichen entsteht durch die Gewindefläche. Wenn die Elemente vollständig zusammengefügt sind, drückt eine generell in Axialrichtung verlaufende Fläche an dem freien Ende eines der Elemente, welche als Nase bezeichnet wird, eine entsprechende Fläche an dem anderen Element, welche als Drehmomentschulter bezeichnet wird. Diese Schulter besteht aus zwei Flächen, eine erste, welche in Übereinstimmung mit der entsprechenden Fläche der Nase des ersten Elements verläuft, und eine zweite kegelstumpfförmige Fläche mit dem Winkel B mit der Achse des Rohrs, welche sich zwischen der ersten Fläche und der zylindrischen Innenfläche des weiblichen Elements befindet. Diese Geometrie erhöht die Festigkeit davon gegen Überdrehung, ohne daß die Netto-Kontaktfläche zwischen der ringförmigen, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche der Nase und der entsprechenden Fläche der Schulter des zweiten Elements erhöht werden muß.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung mit hoher Festigkeit gegen Überdrehung und Druck, welche auf Verbindungen angewandt wird, die Rohrelemente verbinden, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich für Rohre zum Transport von Druckflüssigkeiten bzw. Druckgasen, wie Dampf, Gas oder Erdöl, welche bei Bohrsäulen bzw. bei der Gas- oder Erdölerzeugung verwendet werden bzw. Rohre für Flüssigkeits- oder Gasrohrleitungen (Pipelines).

Einer der derzeit für die genannten Zwecke verwendeten Hauptverbindungstypen umfaßt ein weibliches Element, welches eine Innenumfangsfläche aufweist, welche mit einem Gewinde versehen ist und ein männliches Element, welches eine Außenumfangsfläche aufweist, welche ebenfalls mit einem Gewinde versehen ist, das demjenigen des weiblichen Elements entspricht und das in dem weiblichen Element durch Einschrauben des Gewindes aufgenommen wird. Die freie Kante eines der Elemente (generell das männliche), welches als Nase bezeichnet wird, weist eine ringförmige, in Axialrichtung verlaufende Fläche auf, welche gegen eine entsprechende Fläche gedrückt wird, welche an dem anderen Element (der Drehmomentschulter) vorgesehen ist. Bei diesen Verbindungen kann eine weitere in Radialrichtung verlaufende Fläche an dem freien Ende eines der Elemente existieren oder nicht, welche als Dichtung dient, wenn diese über eine entsprechende in Radialrichtung verlaufende Fläche an dem anderen Element gedrückt wird. Die ringförmigen, in Axialrichtung verlaufenden Flächen bleiben infolge des Zusammenfügens der Verbindung zusammengedrückt. Das maximale Drehmoment, welches die Verbindung aufnehmen kann, ist durch die Abmessungen und die Gestaltung des freien Endes des ersten Elements und des Bereichs der Drehmomentschulter begrenzt. Bei den derzeitigen Verbindungen existiert eine Ähnlichkeit zwischen den Abmessungen der in Axialrichtung verlaufenden Fläche des freien Endes des männlichen Elements mit der entsprechenden Fläche des weiblichen Elements sowie zwischen dem widerstandsfähigen Bereich der Nase und dem widerstandsfähigen Bereich der Schulter. Jedoch begünstigt bei den derzeitigen Verbindungen, wenn das während des Zusammenfügens aufgebrachte bzw. das anschließend während eines Betriebs mit zusammengefügter Säule aufgebrachte Drehmoment erhöht wird, die Kombination von Beanspruchungen, welche in der Drehmomentschulter entstehen, die Entwicklung von Scherbeanspruchungen, welche das Material abscheren und den Bruch der Schulter hervorrufen, was auf diese Weise den schwachen Punkt bzw. den kritischen Bereich der Verbindung gegen diese Art von Torsionsbeanspruchungen darstellt. Zur Verbesserung der Leistung der Verbindung gegen diese Art von Beanspruchung ist es allgemein üblich, daß die Dicke der Nase und der Drehmomentschulter in ähnlicher Weise erhöht wird, wodurch eine Erhöhung der Fähigkeit eines Standhaltes gegen eine Überdrehung erreicht wird, wodurch jedoch, aufgrund der höheren Steifigkeit der Nase und der folglichen Erhöhung der Kontaktdrücke, die Wahrscheinlichkeit, daß die Dichtung ineinandergreift, erhöht wird. Außerdem erfordert diese Alternative des Erhöhens der Dicke der Nase die Ausbildung des Endes vor dem Gewindeschneiden, was die Eigenschaften des Materials beeinflußt und eine Komplikation des Herstellungsprozesses darstellt.

Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rohrverbindung zu schaffen, welche die Nachteile des beschriebenen Standes der Technik beseitigt bzw. reduziert, und welche den vorher erwähnten Fehler der Drehmomentschulter nicht bewirkt, wodurch die Beanspruchbarkeit der Verbindung hinsichtlich des Standhaltens gegen Torsionsbeanspruchungen erhöht wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rohrverbindungen zu schaffen, bei welchen der an den Dichtungsflächen entwickelte Kontaktdruck begrenzt bleibt, so daß auf diese Weise das Risiko eines Ineinandergreifens begrenzt bleibt.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Verbindung zu schaffen, welche in der Lage ist, keine wesentlichen Störungen der Form der Leitung des Flusses des Strömungsmediums zu bewirken, welches durch das Innere fließt.

Um die genannten Aufgaben zu lösen, umfaßt die erfindungsgemäße Rohrverbindung ein weibliches Element, welches eine Innenumfangsfläche aufweist, welche mit einem Gewinde versehen ist, und ein männliches Element, welches eine Außenumfangsfläche aufweist, welche mit einem Gewinde versehen ist, das demjenigen des weiblichen Elements entspricht und das in dem weiblichen Element durch Einschrauben des Gewindes aufgenommen wird, wo, wenn die Elemente miteinander in Eingriff sind, eine generell in Axialrichtung verlaufende ringförmige Fläche an dem freien Ende eines der Elemente, welche als Nase bezeichnet wird, einen festen Kontakt mit einer gegenüberliegenden, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche an dem anderen Element, welche als Drehmomentschulter bezeichnet wird, herstellt, wobei die in Axialrichtung verlaufende, ringförmige Fläche des ersten Elements an deren kleineren Durchmesser die Innenfläche des Rohrs schneidet oder alternativ eine zylindrische Innenfläche parallel zur Achse des Rohrs schneidet oder alternativ eine kegelstumpfförmige Fläche schneidet, welche wiederum die Innenfläche des Rohrs schneidet, während die in Axialrichtung verlaufende, ringförmige Fläche des zweiten Elements an deren kleineren Durchmesser eine in Radialrichtung verlaufende, kegelstumpfförmige Fläche schneidet, welche einen Winkel B zwischen 5° und 25° mit der Achse des Rohrs bildet, wobei diese Fläche wiederum eine zylindrische Innenfläche parallel zur Achse des Rohrs schneidet oder alternativ einen Winkel von weniger als 5° damit bildet.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Drehmomentschulter ermöglicht ein Erhöhen der Überdrehungsbeanspruchbarkeit der Verbindung, wodurch die Festigkeit dieses schwachen Bereichs der gewöhnlichen Verbindungen wesentlich verbessert wird und der widerstandsfähige Querschnitt der Drehmomentschulter in der Ebene erhöht wird, in welcher die hauptsächlichen Scherbeanspruchungen erzeugt werden, welche für den Fehlermechanismus bei den herkömmlichen Verbindungen verantwortlich sind. Diese Verbesserung der Festigkeit wird erreicht, ohne die Dicke der Nase zu erhöhen, was die Wahrscheinlichkeit eines Ineinandergreifens nicht erhöht, wenn die Nase eine Dichtungsfläche mit Metall- Metall-Kontakt aufweist.

Gemäß einer Gestaltung entspricht das erste Element dem männlichen Element, wobei eine generell in Axialrichtung verlaufende Fläche einen Winkel A mit der Ebene senkrecht zur Achse des Rohrs an dem männlichen Element bildet, wodurch ein Kontakt unter Druck mit einer entsprechenden, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche hergestellt wird und ein Winkel A mit der Senkrechten zur Achse des Rohrs an dem weiblichen Element gebildet wird.

Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung besser verständlich. Es zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht eines Axialschnitts eines erfindungsgemäßen Verbindungsaufbaus;

Fig. 2 und 3 vergrößerte Teilansichten der Axialquerschnitte der in Fig. 1 dargestellten Verbindung;

Fig. 4 die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Abschnitte, wenn die Verbindung zusammengefügt ist; und

Fig. 5 die Ansicht eines Axialschnitts eines anderen möglichen Aufbaus der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Verbindung, welche ein männliches Element 1 und ein weibliches Element 2 umfaßt. Bei diesem Aufbau ist das weibliche Element teilweise mit einer Muffe 3 versehen, welche ebenfalls ein zweites weibliches Element 2a zur Verbindung mit einem zweiten männlichen Element 1a vorsieht. Jedes der männlichen Elemente 1, 1a ist an dem Ende mit einem Rohrquerschnitt 4, 4a versehen und kann, wie dargestellt, einstückig mit dem Rohrquerschnitt ausgebildet werden oder getrennt hergestellt und in einer anderen Weise geschweißt oder befestigt sein.

Wie in der Figur dargestellt, weist jedes männliche Element 1, 1a eine kegelstumpfförmige Außenumfangsfläche 5, 5a auf und jedes weibliche Element 2, 2a weist eine entsprechende kegelstumpfförmige Innenumfangsfläche 6, 6a auf, welche ebenfalls mit einem Gewinde versehen ist, um das entsprechende männliche Element aufzunehmen und mit diesem in Eingriff zu gelangen. Die Elemente können mit herkömmlichen Gewinden versehen sein. Die Gewinde der Umfangsflächen enden in der Nähe der freien Enden 7, 7a der männlichen Elemente und der entsprechenden inneren Enden der Flächen 6, 6a des weiblichen Elements, und wenn die Elemente vollständig miteinander in Eingriff sind, wird eine generell in Axialrichtung verlaufende Fläche an dem freien Ende von jedem männlichen Element 7, 7a (Nase) innerhalb eines Dichtungsanschlags geführt, wobei eine entsprechende gegenüberliegende Fläche generell in Axialrichtung über eine Schulter 8 des weiblichen Elements (Drehmomentschulter) geführt wird, wie bei den Fig. 2 und 3 genauer beschrieben wird, welche lediglich das freie Ende 7 des männlichen Elements 1 und den entsprechenden Abschnitt der Schulter 8 und die angrenzende Innenfläche des weiblichen Elements 2 zeigen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das freie Ende 7 des männlichen Elements 1 (als Nase bezeichnet) mit einer ersten ringförmigen, in Radialrichtung verlaufenden Außenfläche 9 und einer zweiten ringförmigen, in Axialrichtung verlaufenden Fläche 10 versehen, wodurch ein Winkel A mit der Ebene senkrecht zur Achse des Rohrs gebildet wird. Die Fläche 9 kann wiederum eine Fläche bzw. einen ringförmigen Bereich aufweisen oder nicht, welcher dafür bestimmt ist, die Abdichtung der Verbindung bei Kontakt mit der entsprechenden Fläche des weiblichen Elements herzustellen. Die zweite Fläche 10 kann bei 11, wobei dies ein vordefinierter Durchmesser ist, an der Innenfläche des männlichen Elements oder alternativ an einer dritten zylindrischen Innenwand 12 oder alternativ an einer kegelstumpfförmigen Fläche 13 enden, welche mit der gepunkteten Linie dargestellt ist. Diese Fläche 13 endet an der Innenfläche des männlichen Elements. Die Flächen 9 und 10 sind durch eine ringförmige Fläche 14 miteinander verbunden, welche einen Krümmungsradius R1 aufweist. Als Charakteristik dieses männlichen Elements, welches als Nase bezeichnet wird, wird Tn bzw. die Dicke der Nase definiert als die Distanz zwischen dem virtuellen Schnittpunkt der Flächen 9 und 10 mit dem Punkt 11, welcher die Fläche 10 abschließt, gemessen über einer Ebene senkrecht zur Achse des Rohrs.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das weibliche Element 2 mit Flächen 15 und 16 entsprechend den Flächen 9 und 10 des männlichen Elements versehen, welche durch die ringförmige Fläche 17 miteinander verbunden sind, welche einen Krümmungsradius R2 aufweist, der aus Gründen des Zusammenfügens größer als R1 sein muß. Die Fläche 16 wird bei 18 mit der kegelstumpfförmigen Fläche 19 verbunden, welche einen Winkel B mit der Achse des Rohrs mit einem Wert zwischen 5° und 25° bildet. Die Fläche 19 wird wiederum am Punkt 20 mit der zylindrischen Innenfläche 21 verbunden. Alternativ kann die Fläche 21 einen Winkel von weniger als 5° mit der Achse des Rohrs bilden. Der Querschnitt (S. 7 Z. letzte) des weiblichen Elements, welcher von den Flächen 16, 19 und 21 umgeben ist, stellt die "Drehmomentschulter" dar, welche den durch die Verdrehung während des Zusammenfügens bzw. während des Betriebs entstehenden Druckbelastungen standhalten muß. Th bzw. die "Dicke der Schulter" wird als die Distanz zwischen dem virtuellen Schnittpunkt der Flächen 15 und 16 und dem Punkt 20 definiert, wo sich die Flächen 19 und 21 schneiden. An der Stelle des Zusammentreffens der Flächen 16 und 19 kann ein Punkt 18 alternativ eine Abschrägung bzw. ein Abrundungsradius aufweisen.

Erfindungsgemäß kann das folgende Verhältnis zwischen der Dicke der Nase, Tn, und der Dicke der Schulter, Th, wie folgt angegeben werden:

1,1 ≦ Th/Tn ≦ 1,4

Dies gilt für einen Winkelwert der Fläche 19, welcher durch die folgende Erfindung wie folgt festgelegt ist:

5° ≦ B ≦ 25°

Fig. 4 zeigt das Detail des freien Endes des in Fig. 2 beschriebenen männlichen Elements, wenn dieses sich in der Endposition des Zusammenfügens mit dem in Fig. 3 beschriebenen weiblichen Element befindet. Die entsprechenden Flächen 10 und 16 befinden sich in festem Kontakt unter Druckbelastung. Die Flächen 9 und 15 befinden sich in Kontakt oder nicht in Abhängigkeit davon, ob die Verbindung einen Metall-Metall-Dichtungstyp aufweist oder nicht. Wenn der Druck zwischen den Flächen 10 und 16 aufgrund der Erhöhung der Verdrehungsbeanspruchung oder der Druckbeanspruchungen über der Verbindung erhöht wird, nimmt der Bereich, welcher durch die Flächen 16, 19 und 21 definiert ist und als Drehmomentschulter bezeichnet wird, die erzeugten Beanspruchungen besser auf als die herkömmlichen Verbindungen.

Außerdem sehen die Flächen 12, 19 und 21 einen weichen Übergang zu dem Flüssigkeits- oder Gasfluß im Inneren des Rohrs vor.

Während die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Verbindung beschrieben wurde, bei welcher das weibliche Element mit einer Muffe versehen ist, ist diese genauso auf eine direkte Eindringungselement- Aufnahmelement-Verbindung anwendbar, wie in Fig. 5 dargestellt, wo das männliche und das weibliche Element 22 und 23 einstückig mit den Rohrwänden 4, 4a ausgebildet sind, wobei eine Fläche generell in Axialrichtung an der freien Kante 24 des männlichen Elements verläuft, wie die in Fig. 2 beschriebene, wodurch ein Kontakt mit einer generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche hergestellt wird, welcher der vorhergehenden, wie in Fig. 3 beschrieben, entspricht, welche an der Drehmomentschulter 25 des weiblichen Elements 23 vorgesehen ist.

Claims (4)

1. Schraubverbindung mit hoher Festigkeit gegen Überdrehung und Druck, welche aus einem weiblichen Element, welches eine Innenumfangsfläche mit einem Gewinde aufweist, und einem männlichen Element besteht, welches eine Außenumfangsfläche aufweist, welche der Innenumfangsfläche des weiblichen Elements entspricht, das in dem weiblichen Element aufgenommen wird und mit einem Gewinde zum Zusammenfügen mit dem Gewinde des weiblichen Elements versehen ist, wobei eines der Elemente an dessen freien Ende mit einer ringförmigen, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche versehen ist und das andere Element mit einer ringförmigen, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche versehen ist, welche derjenigen des anderen Elements entspricht und einen Kontakt mit der Fläche des ersten Elements an der Endposition des Zusammenfügens herstellt, wobei diese Fläche für die Übertragung der aus dem Drehmoment und dem auf die Verbindung aufgebrachten Druck stammenden Beanspruchung verantwortlich ist, wobei die Verbindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die ringförmige, generell in Axialrichtung verlaufende Fläche des weiblichen Elements an deren kleineren Durchmesser von einer zweiten kegelstumpfförmigen Fläche geschnitten wird, welche einen Winkel B mit der Achse des Rohrs bildet, wobei diese Fläche wiederum von einer zylindrischen Fläche parallel zur Achse des Rohrs geschnitten wird, wobei die drei erwähnten Flächen des weiblichen Elements die Drehmomentschulter darstellen, welche eine Kombination von Neigungswinkeln und Abmessungen aufweisen, so daß die folgenden Bedingungen erfüllt werden:
1,1 ≦ Th/Tn ≦ 1,4
5° ≦ B ≦ 25°
wobei Th der Dicke der Schulter entspricht, gemessen zwischen dem Außenradius der ringförmigen, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche des weiblichen Elements und dem Schnittpunkt der Fläche, welche den Winkel B mit der Achse des Rohrs mit der zylindrischen Fläche parallel zur Achse des Rohrs bildet, und Tn entspricht der Dicke der Nase, gemessen zwischen dem Außenradius der ringförmigen, generell in Axialrichtung verlaufenden Fläche des freien Endes des männlichen Elements und dem Schnittpunkt dieser Fläche mit der Innenumfangsfläche des Rohrs oder mit der kegelstumpfförmigen Fläche, welche die Innenfläche des Rohrs schneidet.

2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des männlichen Elements eine Fläche oder eine Kombination von generell in Radialrichtung verlaufenden Flächen über dessen Außenradius aufweist, welche einen festen Kontakt mit einer Fläche oder einer Einheit von entsprechenden Flächen an dem weiblichen Element herstellt, mit dem Ziel eine Abdichtung der Verbindung vorzusehen.

3. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weibliche Element mit einer Muffe mit zwei gegenüberliegenden Aufnahmeabschnitte versehen ist und das männliche Element einstückig an einem Ende des Rohr vorgesehen ist.

4. Schraubverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weibliche Element einstückig an einem Rohrende vorgesehen ist und daß das männliche Element einstückig an einem Rohrende vorgesehen ist.