DE1197284B - Fluessigkeitsdichte Verschraubung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT Int. α.:

F06b

Deutsche Kl.: 47 a-2

ί~η

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1197284

Aktenzeichen: T13782 ΧΠ/47 a

Anmeldetag: 25. Juni 1957

Auslegetag: 22. Juli 1965

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsdichte Verschraubung eines mit langem Kegelaußengewinde versehenen Innenteiles mit einem mit kürzerem Kegelinnengewinde des gleichen Kegelwinkels versehenen Außenteil, dessen Gewinde an seinem verjungten Ende an einer bestimmten Querebene durch eine innere Aussparung des Außenteiles begrenzt ist und beim Festziehen der Verschraubung mit voller Kraft über seine ganze Länge vom Außengewicht Kraft über seine ganze Länge vom Außengewinde des Innenteiles ergriffen wird, wobei das Festziehen nur durch den Eingriff der Gewinde begrenzt ist.

Bisher war es üblich, die Gewinde dieser Verschraubung so zu bemessen, daß beim Anziehen der Verschraubung von Hand das Außengewinde des Innenteils die letzten Innengewindegänge kleinsten Durchmesser noch frei läßt und in diese erst dann eindringt, wenn die Verschraubung mit voller Kraft angezogen wird. Nach dem Anziehen der Verschraubung von Hand bleibt also ein erheblicher Abschnitt des Innengewindes frei und wird vom Außengewinde noch nicht ergriffen. Das führt aber dazu, daß der Außenteil beim Festziehen der Verschraubung am äußeren Ende aufgeweitet wird, und zwar in höherem Maße als am, inneren Ende des Gewindes. Dabei wird der Kegelwinkel des Innengewindes vergrößert. Gleichzeitig wird der Innenteil an seinem inneren Ende stärker zusammengedrückt als an seinem äußeren Ende. Derjenige der beiden Teile der Verschraubung, der jeweils der Verformung den größeren Widerstand entgegensetzt, wird dabei weniger stark verformt als der andere Teil, der schwächer ist. Diese Verformung kann bis über die Elastizitätsgrenze gehen. Das hat aber eine erhebliche Herabsetzung der Zugfestigkeit der Verschraubung und ihrer Dichtheit zur Folge. Diese Nachteile sind insbesondere der Verschraubung eigen, die den API-Normen entspricht und bei der Verrohrung von Tiefbohrungen für die Gewinnung von öl oder Gas verwendet wird. Bei dieser genormten Verschraubung ist der Innenteil der schwächere, der die bleibende Verformung erfährt.

Besteht der Innenteil aus einem massiven Körper, beispielsweise einem Vollstopfen, dann erfährt mitunter der Außenteil der bekannten Verschraubung die bleibende Verformung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige Verteilung der radialen Druckspannungen zwischen dem Außen- und dem Innengewinde beim Festziehen der Verschraubung zu erreichen, damit die geschilderten Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Bemessung der Gewinde gelöst, derzufolge schon Flüssigkeitsdichte Verschraubung

Anmelder:

Thornhill-Craver Company, Inc.,

Houston, Tex. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Licht und Dr. R. Schmidt,

Patentanwälte, München 2, Theresienstr. 33

Als Erfinder benannt:

Homer E. Thornhill, Houston, Tex. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 25. Juni 1956 (593 636)

beim Anziehen der Verschraubung von Hand das Außengewinde des Innenteiles am Innengewinde des Außenteiles voll anliegt und mindestens bis zu der das Gewinde des Außenteiles begrenzenden Querebene vordringt und nach Anziehen mit voller Kraft über diese Ebene hinaus geschraubt ist.

Die Erfindung eignet sich besonders für eine Verschraubung der bekannten Art, bei welcher der Innenteil ein Rohr und der Außenteil eine Muffe einer Rohrverschraubung ist.

Dank der erfindungsgemäßen Bemessung der Gewinde ist das Außengewinde des Rohres nach Anziehen der Muffe mit voller Kraft über diese Querebene hinausgeschraubt. Dieser Anordnung zufolge ist jeder einzelne Gewindegang der Muffe vom Beginn bis zur Beendigung des Schraubvorganges genauso stark belastet wie alle anderen Gänge des Innengewindes, und bereits bei Beginn der Beanspruchung der Muffe auf Dehnung und der Beanspruchung des Rohres auf Druck sind sämtliche Gewindegänge der Muffe zum Tragen gekommen. Es wird also weder eine Dehnkraft auf die Muffe noch ein Druck auf das Rohr ausgeübt, bis alle Gewindegänge der Muffe in das Rohrgewinde eingreifen. Wenn im Verlauf des Schraubvorganges diese Kräfte wachsen, dann verteilen sie sich über eine von den Gewindeflanken gebildete Tragfläche, deren Größe unverändert bleibt. Beim ganzen Schraubvorgang bleibt also die Zahl der tragenden Gewindegänge konstant. Der Erfolg dieser Ausgestaltung ist eine völlig gleichmäßige Flächenpressung zwischen den

509 627/168

3 4

Gewindegängen und eine gleichmäßige Zunahme F i g. 3 ist ein Teillängsschnitt durch die herkömm-

dieser Pressung während des Schraubvorganges. Da liehe Form einer Kupplung und die eingeschraubten

schon beim Anziehen der Verschraubung von Hand Rohre in von Hand angezogener Stellung;

das Außengewinde des Rohres mindestens bis zu der F i g. 3 A ist ein Längsschnitt durch Kupplung und das Gewinde der Muffe begrenzenden Querebene vor- 5 Rohre der F i g. 3 mit den Rohren in festgezogener

dringt, wird das Rohrgewinde bereits unmittelbar Stellung;

nach Beginn des weiteren Anziehens über diese Ebene F i g. 3 B ist ein Schaubild zu den F i g. 3 und 3 A

hinausgeschraubt. Das dabei in die innere Aussparung und gibt eine graphische Darstellung der Umfangs-

des Außenteils eintretende Ende des Innenteils wird spannungen und -Verformungen an der Kupplung vom Druck entlastet, soweit es nicht einen Teil io und den Rohren, wenn sie vollends festgezogen sind,

derjenigen Druckspannungen aufnimmt und mitzu- und der Spannungen an den Rohren bei verschiedenen

tragen hilft, denen die tragenden Gänge des Außen- Drehstellungen zwischen der von Hand angezogenen

gewindes unterliegen. Durch die erfindungsgemäße und der vollends festgezogenen Stellung;

Bemessung der Gewinde wird daher eine überraschende Fig. 4 ist ein Teillängsschnitt, identisch mit

Steigerung der Festigkeit der Verschraubung und ihrer 15 F i g. 2 A und nur zwecks Vergleiches mit der F i g. 4A

Dichtheit erzielt Es wird also die Möglichkeit ge- wiederholt;

schaffen, die Verschraubung fester anzuziehen, ohne F i g. 4A ist ein Schaubild zu F i g. 4 und zeigt die

den Werkstoff zu gefährden. Außendurchmesser der Kupplung und der Rohre der

Es ist bereits eine Verschraubung bekannt, die sich F i g. 4, nachdem sie vollends festgezogen, erhöhtem

vom Gegenstand der Erfindung dadurch unterscheidet, 20 Druck und Zug unterworfen und ausgebrochen

daß beim Festziehen der Außenteil gegen einen Bund waren;

des Innenteiles stößt und dadurch das Festziehen F i g. 5 ist ein Teillängsschnitt identisch mit F i g. 3A

begrenzt, während beim Gegenstand der Erfindung und nur zwecks Vergleiches mit der F i g. 5 A wieder-

das Festziehen nur durch den Eingriff der Gewinde holt;

begrenzt ist. Bei dieser bekannten Verschraubung ist as F i g. 5A ist ein Schaubild zu F i g. 5 und zeigt die

keine Gewähr dafür gegeben, daß jeder Gewindegang Durchmesser der Kupplung und der Rohre, nachdem

mit seinen beiden Flanken am Gegengewinde satt sie vollends festgezogen, einem Druck und Zug der-

anliegt, wie es zur Erzielung eines flüssigkeitsdichten selben Größe wie die Kupplung der F i g. 4 unter-

Gewindeeingriffs erforderlich und zur Erzielung worfen und dann ausgebrochen waren;

höchster Festigkeit erwünscht ist 30 F i g. 6 ist ein Schaubildvergleich der Schwankungen

Ferner ist eine Rohrverschraubung mit Kegel- im Verhältnis des Berührungsdruckes zum Innengewinden bekannt, die mit dem Gegenstand der Er- druck je Umdrehung für das 2?-Ende der Kupplung findung darin übereinstimmt, daß schon beim An- der F i g. 3, die das herkömmliche Gewindesystem ziehen der Verschraubung von Hand das Außen- benutzt, mit den gleichen Schwankungen für das gewinde des Innenteils mindestens bis zu der das 35 2?-Ende der Kupplung der F i g. 2, die das im Einklang Gewinde des Außenteils begrenzenden Querebene mit der vorliegenden Erfindung gestaltete Gewindevordringt. Bei dieser bekannten Verschraubung sind system benutzt.

jedoch die Kegelwinkel der beiden Gewinde ver- F i g. 1 zeigt eine nur von Hand angezogene flüssigschieden, und das Gewinde des Außenteils ist auch keitsdichte Verschraubung zweier Rohre 11 und 12 nicht durch eine innere Aussparung begrenzt. Auch 40 mit einer Muffe 10. Jedes der beiden Rohre 11, 12 ist nicht bekannt, ob das Gewinde des Außenteils bildet ein Innenteil mit langem Kegelaußengewinde, beim Festziehen der Verschraubung mit voller Kraft Dieses ist mit einem kürzeren Kegelinnengewinde 14 über seine ganze Länge hin vom Außengewinde des bzw. 15 des Außenteils verschraubt, das von der Innenteils ergriffen wird, oder ob dabei das Außen- Muffe 10 gebildet wird. Innengewinde und Außengewinde bis über das Ende des Innengewindes hinaus 45 gewinde haben den gleichen Kegelwinkel. Die Geverschraubt wird. Jedenfalls liegt das Außengewinde winde 14 und 15 des Außenteils sind je an ihrem verbeim Anziehen der Verschraubung von Hand noch jungten Ende an einer bestimmten Querebene durch nicht voll am Innengewinde des Außenteils an, wie es eine innere Aussparung 13 des Außenteils begrenzt, beim Gegenstand der Erfindung der Fall ist. Das Neue besteht nun darin, daß schon beim Anziehen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 50 der Verschraubung von Hand die Teile in die Stellung

Zeichnungen dargestellt der F i g. 1 gelangen, in der das Außengewinde eines

F i g. 1 ist eine Seitenansicht, zum Teil in Längs- jeden Innenteils 11, 12 am Innengewinde 15 bzw. 14

schnitt einer flüssigkeitsdichten Verschraubung einer voll anliegt und mindestens bis zu der das Gewinde 15

Kupplungsmuffe und zweier in sie hineingeschraubter bzw. 14 begrenzenden Querebene vordringt, an die

Rohre; 55 sich die Aussparung 13 anschließt. Beim dargestellten

F i g. 2 ist ein Teillängsschnitt durch eine Kupplung Ausführungsbeispiel ist das Außengewinde des Rohres

gemäß der Erfindung und mit zwei darin von Hand 11 sogar um drei Gewindegänge bis über die Querebene

angezogenen Rohren; vorgedrungen. Die äußere Querebene des Gewindes 15,

F i g. 2A ist ein Teillängsschnitt durch die Kupp- die durch eine strichpunktierte Linie angedeutet und

lung der F i g. 2 mit den Rohren in endgültig fest- 60 mit »Handanzugebene« bezeichnet ist, hat dabei noch

gezogener Lage; einen erheblichen Abstand von dem den größten

F i g. 2 B ist ein Schaubild zu den F i g. 2 und 2 A Durchmesser aufweisenden Gewindegang des Rohres

und gibt die graphische Darstellung der Umfangs- 11. Erst nach Anziehen der Verschraubung mit voller

spannungen und -Verformungen an der Kupplung Kraft um beispielsweise zwei volle Umdrehungen

und den Rohren, wenn sie fest angezogen sind, und 65 gelangt die strichpunktierte Ebene bis zu diesem

der Umfangsspannungen an den Rohren bei verschie- größten Gewindegang.

denen Drehstellungen zwischen der von Hand ange- Passenderweise wird die Höchstlänge des Innen-

zogenen und der vollends festgezogenen Lage wieder; gewindes aus den Normen, nach denen das Gewinde

erstellt ist, als im wesentlichen die Länge zwischen messung der Nut war 1,557 Zoll und ihr Durchmesser dem verjüngten Ende des Außengewindes und der 2,611 Zoll.

Handanzugebene bei Handanzugbeziehung der Teile Zur Durchführung jeder Versuchsreihe wurden zwei

bestimmt. Diese Abmessung wird in den herkömm- Rohre in eine der Kupplungen eingeschraubt, bis sie liehen Normen der Gewindefertigung normalerweise S im Mittel auf zwei Gänge vor der Handanzugsstellung angegeben. Die Handanzugebene steht senkrecht auf angezogen waren. Dehnungsmesser wurden um den der Gewindeachse und geht durch den Anfang des Außendurchmesser jeder Kupplung, im Mittelteil der ersten vollständigen Ganges in der Kupplung. Vor- hinterdrehten Kupplung und in jedem Rohr angezugsweise beträgt das Innengewinde eine oder zwei bracht. Am Dehnungsmesser wurde während des Windungen weniger als der Abstand vom verjüngten io Anziehens abgelesen. Das Drehmoment wurde vor der Ende des Außengewindes bis zur Handanzugebene. Spannungsmessung weggenommen, um eine aus der Bei der Bestimmung der inneren Gewindelänge muß Drehung herrührende Spannung auszuschalten,
man die Fertigungstoleranzen im Auge behalten. Die Die Proben unterlagen dann axialen Zugbelastungen

API-Norm 5 A schreibt ± eine Windung auf acht auf den Rohren in Abstufungen bis auf einen Höchst-Windungen außenverstärkten Rohres vor. Daher 15 wert von 104340 Pfund.

sollte die Kupplung zum Gebrauch mit solchen Rohr- Während Aufrechterhaltung des Maximalzuges

leitungen so bemessen werden, daß das Ende des wurde Innendruck in Abstufungen von 2000 psi bis Rohres mindestens eine Schraubenwindung jenseits zu einem Höchstdruck von 11200 psi gegeben. Bei des Innengewindes liegt, um dieser Toleranz Rechnung der Steigerung des Innendruckes wurde die Zugzu tragen, wenn verlangt wird, das Außengewinde 20 belastung um einen Betrag gleich dem Innendruck vollständig durch das Innengewinde dringen zu lassen. mal der inneren Querschnittsfläche der Rohre verWenn hier häufig die API-Normen beigezogen werden, mindert. Diese Verminderung erfolgte deswegen, weil können an ihrer Stelle bei der Fertigung des erfindungs- der innere Druck eine axiale Zugspannung an den mäßigen Gewindesystems auch irgendwelche passenden verschlossenen Enden der Rohrproben zur Folge Normen benutzt werden. 25 hatte.

Man muß zur Kenntnis nehmen, daß die Nut 13 Die in den F ig. 2 B und 3 B gezeigten Verformungseine radiale Ausdehnung hat, die die Enden der Rohre kurven sind Darstellungen der Umfangsverformung 11 und 12 ganz frei läßt, wenn sie in der Kupplung längs der Außenseite der Kupplungen und der Innenvollends festgezogen werden, und daß ein hinreichender seite der Rohre bei vollends festgezogener Stellung, axialer Abstand bleibt, so daß die Rohre nicht an- 30 jedoch ohne Innendruck oder Zugspannung, Die einanderstoßen. Die Nut erstreckt sich zwischen den positiven Verformungskurven sind die Dehnungen Innengewinden so, daß die einzige Berührung zwischen der Kupplungen, die negativen Verformungskurven den Rohren und der Kupplung nur im Gewindesystem sind die Stauchungen in den Rohren. Die linke selbst stattfindet. Ordinatenachse ist nach Mikrozoll je Zoll aufgetragen,

Es ist dann anzuerkennen, daß im oben beschrie- 35 die rechte in Pfund je Quadratzoll (psi). Die oberen benen Erfindungsmuster die Berührungsfläche der Abszissenachsen zeigen die Windungslage (Gang) der Gänge konstant für jeden beliebigen Grad des An- Kupplung und die unteren angenähert die Windungsziehens ist, d. h., sowohl bei einer wie bei anderthalb lage (Rille) des Rohres an. In Fig. 2B zeigen die Anziehdrehungen usw. werden sämtliche inneren Nummern 10 bis 15, beide einschließlich, längs der Windungen ergriffen. Das Vorderende des Rohres 40 oberen Seite der Figur die Stellungen an, die die kann an keinem Teil der Kupplung anschlagen, und Windungen in der Kupplung einnehmen würden, wenn der Längswiderstand beim Anziehen bleibt unver- die Muffe wie üblich durchgehendes Gewinde hätte, ändert. Wegen der Konstanz dieser Faktoren läßt Die Spannungen außen an den Kupplungen und innen sich das Verhalten des Schraubsystems sehr einfach an den Rohren wurden errechnet auf der Ausgangsvorausberechnen. 45 basis der bezogenen Werte, die von unmittelbaren

Vergleichsversuche zwischen einem Gewindesystem Ablesungen am Dehnungsmesser folgten, und sind nach der Erfindung und einem Gewindesystem nach ebenfalls in den Fig. 2B und 3B aufgetragen. Es ist den API-Vorschriften haben gezeigt, daß die Um- zu beachten, daß die Rohre für die verschiedenen fangsspannungen, die zwischen den Gewindeflächen Anzahlen von Umdrehungen eigentlich abszissenbeim Anziehen des Systems auftreten, in einem 50 verschoben werden müßten. Hier jedoch sind alle Gewindesystem nach der Erfindung geringer sind. Kurven der Einfachheit halber auf die Endstellung Die Umfangsspannungen sind gleichmäßiger über das der Rohre bezogen. Die F i g. 2 und 3 zeigen die von ganze Gewindesystem verteilt, und die Enden der Hand angezogene und die Fig. 2A und 3A die Rohre werden während des Anziehens des Systems vollends festgezogene, tatsächliche Beziehung zwischen nicht zusammengedrückt. 55 den erprobten Muffen und Rohren.

Bei der Durchführung der oben erwähnten Versuche Die Tafel I unten ist ein Überblick über die hauptwurden die Proben aus Rundmaterial von N80 mit sächlichen Kupplungsspannungen am Umfang und in einer Streckgrenze von 81410 psi und einer Zerreiß- Längsrichtung für die normale Kupplung. Tafel II festigkeit von 108500 psi entnommen. Die Proben unten ist eine Zusammenfassung der hauptsächlichen wurden gemäß API-STD 5A, 19. Ausgabe, für 2³/s ⁶° Kupplungsspannungen am Umfang und in Längsaußenverstärktes Rohr und 2³/₈ außenverstärkte Rohr- richtung für die hinterdrehte Kupplung. Tafel III ist kupplung vorbereitet. Vier Rohre und eine Kupplung ein Überblick über die Spannungen innerhalb der hielten die vorgeschriebenen Abmessungen ein. Die hinterdrehten Kupplung. Tafel IV ist ein Überblick andere Kupplung, die als hinterdrehte Kupplung über die hauptsächlichen Umfangs- und Längsspanbezeichnet werden soll, entsprach der Normen- 65 nungen der angezogenen Rohre in der Normalbeschreibung mit der Ausnahme, daß eine Ringnut kupplung. Tafel V ist ein Überblick der hauptsächin der Mitte der Kupplung bis 1,659 Zoll von jeder liehen Umfangs- und Längsspannungen beim Anihrer Endflächen vorgesehen war. Die axiale Ab- ziehen des Rohres in der hinterdrehten Kupplung.

. Die Kupplungsenden und die Rohrenden, auf die in den Tafeln Bezug genommen wird, sind in den Zeichnungen mit dem Unken Ende der Kupplungen als .4-Ende und dem rechten Ende der Kupplungen als B-Ende beschriftet.

Das rechte Rohr der hinterdrehten Kupplung ist Rohr Nr. 1.

Das linke Rohr der hinterdrehten Kupplung ist Rohr Nr. 2.

Das linke Rohr der Normalkupplung ist Rohr Nr. 3.

Das rechte Rohr der Normalkupplung ist Rohr Nr. 4.

Tafel I

Überblick über die Haupt- (Umf angs- und Längs-)
Kupplungsspannungen

Normalkupplung

20

Vorzeichen
+ (weggelassen) Zug
- Druck

Bemerkung:

Alle Spannungen sind für Endstufe

der Last und in 1000 psi angegeben.

Angenäherte	Lehrennummern	Läage	Belastungs zustand	Anzug	Ende A Anzug
Winduogs-Nr.				+Zug1	+Zug2
	Umfang	49	Anzug	41,2	—Druck8
2	47		48,8	23,9	60,0
1		52	10,9	45,5	33,6
4	50		61,8	30,4	66,2
3		55	25,0	44,5	44,5
6	53		67,0	38,0	62,9
5		58	38,0	39,1	40,1
8	56		49,9	44,5	55,3
9		61	8,7	19,5	35,8
10	59		27,1	45,6	39,1
9		64	8,7	2,2	35,8
12	62		6,5	14,1	35,8
13		67	-30,3	- 4,3	24,3
14	65		- 5,4	-11,9	27,1
13		97	-32,5	- 3,3	25,0
15	95	- 2,3	-17,4	31,5
15		-32,6	33,6

Angenäherte	Lehrennummern	Länge	Belastungs zustand	Anzug	Ende A Anzug
Windungs-Nr.				+Zug1	+Zug8
	Umfang	70	Anzug	33,6	—Druck»
2	68		43,4	23,9	53,2
1		73	11,9	46,7	53,2
4	71		66,2	31,5	67,3
3		76	30,4	44,5	42,3
6	74		68,4	35,8	64,0
5		79	34,7	41,2	39,1
8	77		51,0	55,3	56,4
9		82	17,4	34,7	45,6
10	80		52,1	56,4	53,1
9		85	21,7	6,5	45,0
12	83		14,1	19,5	36,9
13		88	-25,0	1,1	31,5
14	86		5,4	19,5	31,5
13		94	-21,7	- 3,3	27,1
15	92	3,3	18,4	30,4
15		-34,7	27,1

35

Tafelll

Überblick über die Haupt- (Umfangs- und Längs-) Kupplungsspannungen

Hinterdrehte Kupplung

Vorzeichen Bemerkung:

+ (weggelassen) Zug Alle Spannungen sind für Endstufe — Druck der Last und in 1000 psi angegeben.

Angenäherte Windungs-Nr.	Lehrenr Umfang	ummern Länge	Belas ZUS Anzug	tungs- tand Anzug +Zug1	Ende A Anzug +Zug2 —Druck*
2	68		35,0	41,5	54,1
1		70	ö,/	21,7	25,0
4	71		33,4	30,9	42,6
3		73	8,7	19,5	22,8
6	74		52,4	43,4	61,0
5		76	32,6	48,8	49,9
8	77		52,7	39,7	58,9
9		79	20,6	48,8	36,9
10	80		34,1	17,1	49,3
9		82	20,6	48,8	40,1
12	83		9,0	0,0	54,4
13		85	-16,3	38,0	62,9
14	86		- 0,7	- 5,7	53,2
13		88	-17,1	31,5	56,4
15	92		- 1,8	- 5,3	57,1
15		94	-19,7	38,0	65,1

40 Angenäherte Windungs-Nr.	LehrenE Umfang	ummern Länge	Belas ZUSi Anzug	tungs- and Anzug +Zug1	Ende A Anzug +Zug2 —Druck3
45 2	47		62,1	51,8	69,8
1		49	34,7	39,1	61,8
4	50		81,2	58,4	79,4
3		52	41,2	38,0	46,7
50 6	53		78,6	61,1	79,1
5		55	36,9	46,7	45,6
8	56		68,3	59,1	74,5
55 9		58	27,1	68,4	46,7
10	59		51,0	41,1	62,4
9		61	28,2	69,4	54,3
12	62		17,9	10,7	57,5
60 13		64	-15,2	34,7	58,6
14	65		0,0	- 4,6	53,5
13		67	-25,0	31,5	55,3
65 15	95		- 2,8	- 5,3	56,3
15		97	-20,0	41,2	66,2

¹ 104 340 lbs.

59 764 lbs.

³ 11 200 psi.

104 340 lbs.

² 59 764 lbs.

11 200 psi.

9 10

Tafel Iir

Überblick über die Spannungen in der Mnterdrehten Kupplung Vorzeichen Bemerkung:

+ (weggelassen) Zug Alle Spannungen sind für Endstufe

— Druck der Last und in 1000 psi angegeben.

Ange näherte Windungs- Nr.	Leh numi Umfang	ren- nern Länge	Anzug	Anzug +Zug1	Anzug +Zug2 —Druck3
f15	149			-2,2	57,5
Ende 15		151		62,9	41,2
A ) 15 [15	152	154		-6,5 57,4	61,8 -10,9
rl5	155			41,2	80,3
Ende I 15		157		77,0	15,2
B ] 15	158			-3,3	27,1
15		160		62,9	11,9
Höchste Spannung nur etwa 20 000 psi —
andere nicht berechnet.

340 lbs.

59 764Ibs.

³ 11 200 psi.

Tafel IV
Überblick über die Haupt- (Umfangs- und Längs-) Rohranzugspannungen

Vorzeichen

+ (weggelassen) Zug
— Druck

Normalkupplung

Bemerkung:

Alle Spannungen in 1000 psi Spannungen für Handanzug, eine halbe und eine Umdrehung sind

wegen der Ähnlichkeit mit denen für Rohre in der hinterdrehten Kupplung nicht berechnet.

Rohrende Nr.	Angenäherte Windungs-Nr.	Lehrenr Umfang	iummern Länge	Zahl der U Drehrr 904' Fußpfund	mdrehungen 2 oment	Vollends fest 1263' Fußpfund 17s Um- drehungen
	1	135		-52,1		-65,0
	2		137	13,0		22,0
	2	138		-53,1		—68,0
Rohrende 3	3		140	28,2		45,0
Kupplungsenge A	4 5	141	143	-59,7 43,4		-91,0 66,0
	5	144		-59,7		-89,0
	6		146	48,8		56,0
				Drehn 718' Fußpfund	loment 1162' Fußpfund	1263' Fußpfund 2Vs Um drehungen
	2	123		—73,8	-133	-130
	5		125	54,3	73,8	78,0
	6	126		-73,8	-109	-114
Rohrende 4	7		128	3,3	20,6	25,0
Kupplungsende B	10 11	129	131	-2,6 -2,0	-48,8 —32,6	-53,0 -36,0
	13	132		-1,1	-7,4	-11,0
	13		134	-6,5	—16,0	-19,0

11 12

Tafel V

Überblick über die Haupt- (Umfangs- und Längs-) Kupplungsspannungen Hinterdrehte Kupplung

Vorzeichen
+ (weggelasssn) Zug
— Druck

Bemerkung:

Alle Spannungen in 1000 psi

	Angenäherte	Lehrennummern	Länge	von Hand	Zahl	V2	der Umdrehungen	IV2	Drehmoment	627'	Drehmoment	1083'	2	vollends fest
	Windungs-Nr.					1		371'	Fußpfund	583'	Fußpfund		1405' Fußpfund
Rohrende			137				Fußpfund	-33,6	Fußpfund	-59,7		2V4 Um
Nr.		Umfang		50'	206'	-31,5	27,1	-40,1	41,2	1060'	drehungen
	1	135	140	Fußpfund	Fußpfund	18,4	-40,1	20,6	-49,9	Fußpfund
	2			10,3	-23,8	-32,6	42,3	-29,3	- 5,4	-18,4	-24,0
Rohr	3	138	143	1,4	- 2,2	20,6	-52,1	- 5,4	-19,5	53,0	54,0
ende	4			-6,3	-15,2	-38,0	45,6	- 7,4	-18,4	-54,5	-60,0
1	4	141	146	- ,9	10,9	26,0	-54,3	- 7,6	- 1,2	57,8	7,6
	5			-3,9	-16,3	-37,9	59,7	1,3	- 6,1	-64,5	-76,0
Kupp- "	5	144		2,6	11,9	28,2	- 0,8		89,0	132,0
lungs-	6			5,1	-15,2	-85,9	-98,0
ende				2,6	13,0	125,0	154,0
B			125				1405' Fußpfund
				50'	206'		l3/4 Um
	2	123	128	Fußpfund	Fußpfund		drehungen
	3			-6,0	-21,7		-63,0
Rohr	6	126	131	-0,8	19,5		45,0
ende	7			1,8	- 7,6		-63,0
2	10	129	134	1,6	1,1		- 9,8
	11			-1,4	- 1,3		-25,0
Kupp- '	13	132	0,6	- 1,2		-19,0
lungs-	13		-0,3	2,5		- 2,0
ende			- ,9	2,2		- 8,0
A

Ein Studium der obigen Tafeln und Schaubilder 2 B und 3 B enthüllt interessante Tatsachen. Die Umfangsspannungen an den in der hinterdrehten Kupplung eingezogenen Rohren bei anderthalb und mehr Umdrehungen war wesentlich geringer als die Umfangsspannung an den in der Normalkupplung eingezogenen Rohren. Bezeichnenderweise verhielten sich die Spannungsbilder in den Rohren verschieden, je nachdem, wie die Rohre angezogen wurden. Während die Rohre in die Kupplung vordrangen, stieg die Umfangsspannung der Rohre in Normalkupplungen zu einem bedeutend höheren Wert an als die Längsspannungen, In den Rohren mit hinterdrehter Muffe tritt das Umgekehrte ein, die Längsspannung beginnt die Umfangsspannung zu überschreiten. Unten in Tafel VI ist ein Vergleich in der größten Umfangs- und Längsspannung in den verschiedenen Rohren aufgestellt.

(Fortsetzung)

40

Hinterdrehte Kupplung

Normalkupplung
Rohr Nr.

2 13 14

Umfang
Länge

zwei Umdrehungen

-85,9
125

-133
73,8

vollends fest (Umdrehungen in Klammer angegeben)

Umdrehungen
Umfang
Länge

(2V4)	(I3A)	(IV8)
-98	-63	-91
154	45	66

(2Vs)
-130
78

Tafel VI
Vergleich der größten Rohrspannungen in 1000 psi

Hinterdrehte Kupplung

Normalkupplung Rohr Nr.
112 13 4

anderthalb Umdrehungen

Umfang
Länge

-54,3
59,7

-59,7
41,2

-59,7
48,8

Bei anderthalb Umdrehungen ist zu bemerken, daß die höchste Längsspannung des Rohres 1 bereits die höchste Umfangsspannung übertrifft. In den Rohren 2 und 3 ist die Umfangsspannung größer als die Längsspannung, und im Rohr 4 hat sie schon einen sehr hohen Wert erreicht. Bei zwei Umdrehungen überschreitet die höchste Längsspannung (125000 psi) des Rohres 1 die Umfangsspannung (—85900 psi) um 39100 psi, während die höchste Umfangsspannung (—133000 psi) des Rohres 4 die Längsspannung (73 800 psi) um 59200 psi überschreitet. Die höchste Umfangs- (—85900 psi) und Längsspannung (125000 psi) bei zwei Umdrehungen für das Rohrl traten in der Nachbarschaft der Windungen 5 und 6

—73,8 auf. Das Spannungsbild für Rohr 4 bei zwei Um-54,3 drehungen in der Nachbarschaft der Windungen 5

13 14

und 6 war das umgekehrte des Bildes für Rohr 1, und In den F i g. 4, 4 A, 5 und 5 A ist die bleibende zwar —114000 psi am Umfang und 78000 psi längs. Verformung der Rohre und Kupplungen dargestellt. Die gleiche Beziehung erscheint in den Spannungen Die Ordinate des Schaubildes 4A ist in 0,005 eines der Rohre, wenn sie voll festgezogen sind. Das Rohr 2 Zolles unterteilt, und der Bearbeitungsdurchmesser drang nur eindreiviertel Umdrehungen vor, und seine 5 der hinterdrehten Kupplung von 3,059 Zoll ist als Längsspannung überschritt nirgends die Umfangs- gestrichelte Linie eingetragen. Die ausgezogene Linie spannung. Andererseits überschritt seine Umfangs- quer durch das Schaubild ist der gemessene Außenspannung niemals die Elastizitätsgrenze des Stoffes. durchmesser der Muffe, nachdem die Proben voll-Man bemerke, daß das Rohr 4 über einen größeren Teil ständig erprobt und ausgebrochen waren. Unterhalb seiner Länge zusammengedrückt und für einen wesent- io der Muffenangaben stehen die Angaben für jedes Rohr liehen Teil seiner Länge die Zerreißfestigkeit des Rohres Die gestrichelten Linien stellen den Bearbeitungsüberschritten war. Von diesem Rohr kann man sagen, durchmesser des Gewindeteiles der Rohre dar. Die daß es im vollendeten Zustand des Zusammenbruches beiden ausgezogenen Linien unten im Schaubild zwischen den ersten fünf oder sechs Windungen des stellen den gemessenen Durchmesser des Gewinde-Rohres war. Der geminderte elastische Kontakt 15 teiles der Rohre dar, nachdem sie ausgebrochen waren, zwischen dem Rohr 4 und der Kupplung beeinträch- Das Schaubild bezieht sich auf die Schraubensysteme tigte ernstlich die Abdichtungseigenschaften der der F i g. 4. Das Schaubild 5A ist ähnlich dem Schau-Verbindung, bild 4 A, und die gestrichelten und ausgezogenen

Der Vergleich der höchsten Rohrspannungen der LinienzeigendieHerstellungs-undendgültigengemesse-Rohre 1 und 2 zeigt, daß, wenn die Rohre beginnen, 20 nen Durchmesser der Teile, wiesieinVerbindungmitdem sich der Elastizitätsgrenze zu nähern, die Umfangs- Schaubild der F i g. 4A erklärt worden sind,
spannung viel langsamer als die Längsspannung Bei der Betrachtung des Schaubildes des Rohres 2, ansteigt. Dies würde bedeuten, daß das erste Kalt- das, wie erinnerlich, eindreiviertel Umdrehungen fließen des Stoffes, wenn das Rohr über seine Elasti- machte und gemäß Anzeige der Dehnungsmesser nicht zitätsgrenze belastet wird, der Längsspannung zu ver- 25 die Elastizitätsgrenze des Stoffes überschritt, ist festdanken ist. Mit anderen Worten brechen die in zustellen, daß nur eine kleine dauernde Verformung Normalmuffen eingesetzten Rohre am Umfang und im Rohrgewinde erscheint. Der Höchstbetrag der verlieren ihre elastische Berührung mit der Muffe. Die Verformung war ungefähr 0,002 eines Zolles und das Rohre in hinterdrehten Muffen recken sich zwar, wenn Rohr blieb in fester elastischer Berührung mit der sie über die Elastizitätsgrenze des Stoffes beansprucht 30 Kupplung innerhalb des ganzen Gewindesystems. Bei werden, halten jedoch ihre elastische Berührung mit Betrachtung des Rohres 1, das zweieinviertel Umden Muffen aufrecht. Der Unterschied im Spannungs- drehungen machte und sich als über die Elastizitätsbild zwischen den Röhren in normierten und in hinter- grenze des Stoffes hinaus belastet erwies, ist festzudrehten Muffen rührt von der Freilassung eines stellen, daß die bleibende Verformung nur im Mittel-Platzes in der hinterdrehten Muffe zur Aufnahme des 35 teil des Rohrgewindes auftritt und dort einen Höchst-Rohrendes her. Die Wirkung dieser Eindrehung be- wert von nur 0,005 Zoll hat. Die Beachtung richtet steht darin, daß dem Ende des Rohres gestattet ist, sich auf die Ähnlichkeit der gemessenen Durchmessereinen Halt für den Mittelabschnitt des Rohres zu kurve des Rohres 1, nachdem es ausgebrochen war, bieten, der es gegen Zusammenbruch stützt. mit einer Kettenlinie.

Es sollte bemerkt werden, daß übertriebene Längs- 40 Die Durchmesserkurve für Rohr 1 deutet an, daß

spannung möglichst vermieden werden muß, wo die die Last auf dem Gewindesystem im wesentlichen

Kupplung extremer Längslast unterworfen wird. Die gleichbleibend über seine Länge verteilt ist. Sogar,

geprüfte Kupplung hielt einem Axialzug von obwohl dieses Rohr um eine größere Zahl von Um-

104340 Pfund stand und zeigte damit an, daß, obwohl drehungen als irgend eines der vier Rohre gedreht

der Länge nach überbeansprucht, die Kupplung be- 45 wurde, blieb es in formelastischer Berührung mit der

trächtlichem Zug widerstehen kann. Kupplung. Daher kann bei Anwendung dieser Erfin-

Zur F i g. 2 ist zu berichten, daß die von Hand ange- dung ein Gewindesystem mit annähernd eindreiviertel zogene Stellung der Rohre 1 und 2 verschieden ist. Umdrehungen angezogen werden, und eine gute Das Rohr 2 hat sein Vorderende beim Ende kleinsten elastische Berührung längs des ganzen Gewinde-Durchmessers des Innengewindes liegen. Als dieses 50 systems bleibt aufrechterhalten, so daß der Hundert-Rohr in die voll angezogene Stellung gedreht wurde, satz vollständiger Abdichtung gegen hohen Druck ragte ein Teil des Rohres in die Nut der Muffe hinein sehr hoch ist. Man nimmt an, daß zweieinviertel und ergab genügend Stütze für das Rohr, um es ein- Umdrehungen zu viel ist und normalerweise das Rohr dreiviertel Umdrehungen ohne Zusammenbruch her- nicht auf diesen Betrag angezogen werden soll. Wenn umdrehen zu können. Rohr 1 ragte über das Ende 55 das jedoch geschieht, wird es nicht zusammenbrechen, kleinsten Durchmessers des Muffengewindes ungefähr und der Hundertsatz von leckfreien Verbindungen anderhalb Windungen hinaus, und, obwohl das Rohr wird noch bedeutend größer sein als in einer genormten zweieinviertel Umdrehungen gedreht wurde und die Kupplung. An diesem Punkte soll betont werden, daß, Spannungskurven zeigen, daß die Umfangsspan- obwohl keine Spannungen oberhalb der Streckgrenze nungen die Streckgrenze des Stoffes überschritten, so 60 bei den Dehnungsmesserablesungen für die Kuppblieb doch das Ende des Rohres in fester elastischer lungen erreicht wurden, die Durchmessermessungen Berührung mit der Muffe, und nur eine kleine blei- deutlich für drei Enden der beiden Kupplungen eine bende Verformung ergab sich in dem Mittelabschnitt bleibende Verformung zeigen. Man braucht nicht der Windungen. Da das durch Rohr 1 dargestellte irgendeinen Widerspruch oder eine Unstimmigkeit in Gewindesystem selbst beim Überdrehen in fester 65 dieser Feststellung zu erblicken, da man annehmen elastischer Berührung bleibt, sieht man es gerne vor, kann, daß höhere als die gemessenen Spannungen in daß das Rohr während der Handanzugstellung in die den Gewinden sowohl der Kupplungen als auch Nut hineinragt. wahrscheinlich der Rohre bestanden.

Claims (1)

15 16

Jetzt soll die Bedingung der Normalmuffe und ihrer Gewindesystems zu einem mittleren Punkt anwächst Rohre und der in sie eingeschraubten Rohre unter- und dann allmählich abfällt. Der An- und Abstieg sucht werden, nachdem sie ausgebrochen waren. Das war im wesentlichen gleichförmig. Der Gewinde-Rohr 3 wurde einsiebenachtel Umdrehungen ange- kontaktdruck der hinterdrehten Kupplung am Ende B zogen, und die Spannungskurven zeigen, daß die 5 ist bedeutend höher als notwendig, um eine Abdich-Rohrwand zum Zusammenbruch kam. Die Durch- tung zu bilden und sogar trotz übertriebenen Anziemesserkurve für das Rohr zeigt, daß dieser Zusammen- hens des Rohres in einer hinterdrehten Kupplung bruch die Ursache für angenähert 0,003 eines Zolles zeigt die Kurve, daß der Hundertsatz an Aufarbeian bleibender Verformung im Rohr längs der ge- tungen geringer ist.

samten mit der Muffe im Eingriff stehenden Gewinde- io Aus dem obigen kann man sehen, daß die Ziele

länge war. Das muß verglichen werden mit Rohr 2, dieser Erfindung erreicht worden sind. Es ist ein

in welchem eine bleibende Verformung von ange- Gewindesystem geschaffen worden, das einen sehr

nähert 0,002 eines Zolles nur für die ersten drei oder kleinen Hundertsatz von Aufarbeitungen erfordert,

vier Windungen auftritt. Das trifft zu, obwohl das Gewindesystem überdreht

Die Gegebenheit im Rohr 4 zeigt, was sich in einer 15 wird. Die Beschaffenheit des Innen- und Außen-Normalmuffe ereignet, wenn das Rohr beim Versuch, gewindes, nachdem das Gewindesystem ausgebrochen eine Abdichtung gegen hohen Druck zu erhalten, zu ist, zeigt, daß es gebraucht und wiedergebraucht fest angezogen wird. Der Zusammenbruch beginnt am werden kann und dabei fortfährt, eine Abdichtung Ende des Rohres im Betrag von angenähert 0,009 eines gegen hohen Druck zu gewährleisten. Selbst wo GeZolles und verläuft in gerader Linie zur ersten vollen ao windesysteme übertrieben angezogen wurden, ist die Windung der Muffe. Dieses Rohr war über nahezu Rohrleitung nicht zusammengebrochen, und beim das gesamte Gewindesystem zusammengebrochen. zweiten Anziehen der Verbindung steht die Rohrleitung Das muß verglichen werden mit der Gegebenheit des noch in fester elastischer Berührung mit der Kupplung. Rohres 1, bei der das Rohr in fester elastischer Be- Durch das Eindrehen einer Nut am Ende des kleinrührung mit den Eöden des inneren Gewindes verblieb 25 sten Durchmessers des Innengewindes und durch das und nur eine höchste bleibende Verformung von Einragenlassen des Endes des Rohres in die Nut, wenn 0,005 eines Zolles erfuhr. das Rohr vollständig angezogen wird, ändert sich das

Die in F i g. 5 gezeigte Bedingung ist wahrscheinlich Spannungsbild des Gewindesystems im Vergleich mit einer der Hauptgründe für die große Anzahl von einem üblichen Gewindesystem. Im üblichen GeNacharbeiten, die bei normalen Gewindesystemen 30 windesystem ruft das Überdrehen des Rohres den notwendig werden. Zusammenbruch hervor. Im erfindungsgemäßen Ge-

Bei Betrachtung der F i g. 6 erkennt man nun einen windesystem wird das Rohr gegen Zusammenbruch Vergleich des Gewindeberührungsdruckes am fi-Ende gestützt, und das Überdrehen des Rohres veranlaßt der Normalkupplung und am 5-Ende einer hinter- das Rohr längs nachzugeben anstatt zusammenzudrehten Kupplung bei voll festgezogener Stellung. 35 brechen. Auf andere Weise festgestellt, kann man Dieses Schaubild zeigt ein Verhältnis des Berührungs- sagen, daß die Überdrehung einer einzelnen Verbindruckes zu einem Innendruck von 11000 psi je Win- dung durch mindestens einen Teil der Handwerker zu dung. 11000 psi ist ungefähr der Innendruck, dem die erwarten ist. Diese Erfindung schafft ein Gewinde-Proben unterworfen wurden. Die Verhältnisse wurden system, das eine Überdrehung ohne Zusammenbruch aus den durch die Proben gewonnenen Daten errechnet. 4° des Rohres zuläßt. Die Überspannung infolge über-Die Kurve 16 ist die Kurve des 5-Endes einer Normal- mäßigen Drehmomentes wirkt sich zunächst in Längskupplung. Der Gewindeberührungsdruck je Windung richtung aus, und dies gefährdet nicht ernstlich die überschritt den Innendruck nur bei den Windungen 7 Eignung des Gewindesystems zum Abdichten, und 12 des Rohres und dort nur in sehr schmalen Die Umfangsbelastung des Rohres verläuft längs Spitzen. Die in Berührung mit der Innenwindung 12 45 des Gewindesystems bedeutend gleichmäßiger. Der stehende Windung des Rohres war nicht vollständig Gewindeberührungsdruck steigt gleichförmig längs und daher die Abdichtung an diesem Punkt unwahr- des Gewindesystems zu einem Höchstwert an und scheinlich. Es ist notwendig, daß die Abdichtung sich fällt dann ab. Ein abdichtender Berührungsdruck wird gleichmäßig über mindestens anderthalb Windungen im gesamten Gewindesystem aufrechterhalten anstatt erstreckt, um Dichtigkeit zu erhalten. Man kann 50 nur über ein oder zwei Windungsflächen, wie bei der schnell einsehen, daß das leichte Auftreten von Sicker- Normalkupplung.

stellen im 5-Ende einer Normalkupplung zu einem Es ist schließlich noch zu erwähnen, daß die Nut 13 sehr großen Anteil den scharfen Spitzen mit hohem irgendeine erwünschte Form bekommen kann, in der Berührungsdruck zu verdanken ist. Selbst wenn es sie nicht mit der Vorderfläche der Rohre in Berührung nicht beim ersten Anziehen leckt, so ist doch die 55 kommt, wenn diese durch das Gewindesystem vorWahrscheinlichkeit des Durchsickerns beim Rütteln dringen, und daß es zwar erwünscht ist, ungefähr eine u. dgl. im praktischen Betriebe in diesem Gewinde- Windungslänge des Rohres durch das Innengewinde system groß. Das trifft besonders zu, wenn das Ge- in der von Hand angezogenen Stellung hindurchragen windesystem in einem Bohrlochstrang von Rohren zu lassen. Notwendig jedoch ist dies nicht, um gute benutzt wird, wo es dem ungeheuren Zug ebenso wie 60 Ergebnisse zu erhalten. Das beweisen die hier geden Erschütterungen ausgesetzt ist. zeigten Ergebnisse, besonders am Rohr 2. Das Rohr Die Kurve 17 zeigt das Berührungsdruckverhältnis kann mit seinem Ende etwa am Ende kleinsten Durehje Windung zwischen dem Rohr und der Kupplung messers des Innengewindes der Muffe liegen, und die am 2?-Ende der hinterdrehten Kupplung. Auf der Ergebnisse der Erfindung werden erreicht, ganzen Länge des Gewindesystemes war der Gewinde- 65

berührungsdruck je Windung größer als der Innen- Patentansprüche:

druck. Die Gewindeberührungsdruckkurve zeigt, daß 1. Flüssigkeitsdichte Verschraubung eines mit

der Berührungsdruck allmählich von einem Ende des langem Kegelaußengewinde versehenen Innen-

teiles mit einem mit kürzerem Kegelinnengewinde des gleichen Kegelwinkels versehenen Außenteil, dessen Gewinde an seinem verjüngten Ende an einer bestimmten Querebene durch eine innere Aussparung des Außenteiles begrenzt ist und beim Festziehen der Verschraubung mit voller Kraft über seine ganze Länge vom Außengewinde des Innenteiles ergriffen wird, wobei das Festziehen nur durch den Eingriff der Gewinde begrenzt ist, gekennzeichnet durch eine Bemessung der Gewinde, derzufolge schon beim Anziehen der Verschraubung von Hand das Außengewinde des Innenteiles am Innengewinde des Außenteiles voll

IO

anliegt und mindestens bis zu der das Gewinde des Außenteiles begrenzenden Querebene vordringt und nach Anziehen mit voller Kraft über diese Ebene hinaus geschraubt ist.

2. Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenteil ein Rohr und der Außenteil eine Muffe einer Rohrverschraubung ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 692 061;
USA.-Patentschriften Nr. 2 509 363, 2 745 685.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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