DE60217119T2

DE60217119T2 - Rohrgewindeverbindung

Info

Publication number: DE60217119T2
Application number: DE60217119T
Authority: DE
Inventors: Jun Chuo-ku Osaka-shi MAEDA
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: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: CN1527917A; JP3876656B2; JP2003028353A; US6957834B2; EP1408269B1; EP1408269A1; BR0211131A; RU2004104347A; BR0211131B1; MY129407A; RO121534B1; WO2003006867A1; RU2258171C2; MXPA04000356A; CN1245585C; PL200800B1; US20040217592A1; PL367111A1; CA2452426A1; ES2277619T3

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft eine Gewindeverbindung für Rohre, die einen Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt aufweist und die zur Verwendung bei Ölsondenrohren dient, welche zum Beispiel bei der Exploration und Gewinnung sowie bei Transport von Erdöl und Erdgas verwendet werden.
Stand der Technik
Die Bedingungen für die Verwendung von Verbindungen zum Verbinden von Ölsondenrohren, die bei der Exploration und Gewinnung von Erdöl und Erdgas verwendet werden, werden beanspruchender, da Ölbohrlöcher und Gasbohrlöcher tiefer werden, und bezüglich Festigkeit und Luftdichtheit (nachstehend auch als Abdichteigenschaften bezeichnet) von ihnen ein höherer Grad an Leistung gefordert wird.
Bei solchen Bohrlöchern ist es bei Gewinderohrverbindungen wie Sägezahnverbindungen oder runden Gewindeverbindungen, die herkömmlicherweise verwendet werden und bei denen ein Verbinden allein durch Gewindeeingriff von API-Normgewinden ausgeführt wird, nicht möglich, Festigkeit oder Abdichteigenschaften adäquat vorzusehen.
Daher wurden spezielle Rohrverbindungen vorgeschlagen, die einen Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt aufweisen und eine angemessene Verbindungsfestigkeit und ausgezeichnete Luftdichtheit haben, und diese werden mittlerweile tatsächlich verwendet.
Zum Beispiel schlägt U.S. Patent Nr. 4,732,416 eine Gewindeverbindung für Rohre vor, die durch Ausbilden eines Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts mit einer Form, bei der eine gebogene Fläche eine gebogene Fläche kontaktiert, Spannungskonzentrationen vermeiden kann.
U.S. Patent Nr. 4,623,173 schlägt eine Gewindeverbindung für Rohre vor, bei der eine Abdichtfläche an der Außengewindeseite eines Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts als konvexe Fläche mit einem Krümmungsradius von mindestens 100 mm festgelegt ist und eine Abdichtfläche an der Innengewindeseite als schräge Fläche (eine konische Fläche) mit einem Kegelwinkel von 1,0–4,7° festgelegt ist und der auf den Metall-auf-Metall-Berührungsabschnitt der Abdichtfläche (nachstehend einfach als „Berührungsabschnitt" bezeichnet) ausgeübte Druck P als (der auf die Gewindeverbindung ausgeübte Innendruck) < P < (der Dehngrenze des Materials der Gewindeverbindung) festgelegt ist.
Die U.S. Patente Nr. 5,137,310 und 5,423,579 schlagen Gewindeverbindungen für Rohre vor, bei denen ein Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt eine Form hat, bei der eine konische Fläche eine konische Fläche kontaktiert.
In JP A 61-124792 wird eine Gewindeverbindung für Rohre vorgeschlagen, bei der die Oberflächenrauheit (Ry) der einen Abdichtfläche eines Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts bei 5–25 μm Rmax festgelegt ist.
JP A 06-10154 schlägt eine Gewindeverbindung für Rohre mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt vor, die einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurde, um eine Oberflächenbehandlungsbeschichtung mit einer Dicke zu bilden, die eine vorgeschriebene Beziehung zu der Oberflächenrauheit (Ry) (innerhalb des Bereichs von 5–20 μm) eines Substrats erfüllt.
JP A 07-217777 schlägt eine Gewindeverbindung vor, die auf das Verbessern von Festfressbeständigkeit ausgerichtet ist, indem sie die Dicke einer auf einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt ausgebildeten Oberflächenbehandlungsbeschichtung größer als die Oberflächenrauheit Rmax (Ry) eines Substrats macht.
JP A 08-145248 schlägt eine Gewindeverbindung aus einem stark Cr-haltigen Stahl vor, der mindestens 10 Masseprozent Cr enthält, wobei die Oberflächenhärte einer Abdichtfläche eines Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts um mindestens 10 Hv größer als die der anderen Abdichtfläche ausgelegt ist und die mittlere Rauheit der Fläche mit der höheren Härte in den Bereich von 0,25–1,00 μm fallend ausgelegt ist.
EP 0364413 offenbart eine hermetische Metallrohrverbindung, bei der die Metallabdichtberührungsfläche eine Ausdehnung in Längsrichtung von 0,5 bis 2,5 mm aufweist.
Selbst wenn aber bei speziellen Gewindeverbindungen mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt, wie er oben beschrieben wird, die Oberflächenrauheit der Abdichtfläche groß ist, kann es schnell zu Lecken kommen. Insbesondere wenn das Fluid ein Gas ist, wie bei einem Gasbohrloch, kommt es schnell zu Lecken. Daher wird der Druck, der auf die Berührungsabschnitte der Abdichtflächen ausgeübt werden muss, um Lecken zu verhindern, wenn die Oberflächenrauheit groß ist, hoch. Abhängig vom Zustand des Kontakts der Abdichtflächen oder der Bedingungen der ausgeübten Last ist es nicht möglich, ausreichend Druck auf die Abdichtflächen auszuüben, und die Verbindungen weisen unter Umständen nicht die erwünschten Abdichteigenschaften auf.
Bei Rohrverbindungen mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt sollte es möglich sein, durch Verringern der Oberflächenrauheit der Abdichtflächen und Erhöhen des auf die Berührungsabschnitte ausgeübten Drucks gute Abdichteigenschaften zu erzielen. Das Verringern der Oberflächenrauheit erfordert aber eine hohe Arbeitspräzision, die Arbeitszeit wird lang, und Verluste im Hinblick auf Arbeitseffizienz und Kosten werden hoch. Wenn dagegen die auf den Abdichtabschnitt ausgeübte Kontaktkraft erhöht wird, wird der Druck hoch, wenn die Breite der Berührungsabschnitte schmal ist, und es kommt leicht zu Festfressen, was zu einer Beschädigung der Verbindung führt.
Keine der oben beschrieenen Gewindeverbindungen mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt berücksichtigt aber die Beziehung der Oberflächenrauheit und des ausgeübten Drucks zu den Abdichteigenschaften.
Zum Beispiel enthalten die in den U.S. Patenten Nr. 4,732,416; 4,623,173; 5,137,310 und 5,423,579 vorgeschlagenen Rohrverbindungen keine Erwähnung der Oberflächenrauheit einer Abdichtfläche oder des ausgeübten Drucks.
Bei jeder der Gewindeverbindungen für Rohre dagegen, die in JP A 61-124792, JP A 06-10154, JP A 07-217777 und JP A 08-145248 beschrieben werden, wird die Oberflächenrauheit in Beziehung mit der Oberflächenbehandlung vorgeschrieben, und es findet sich keine Erwähnung der Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit und dem ausgeübten Druck sowie der Breite des Berührungsabschnitts oder der Beziehung zwischen diesen und den Abdichteigenschaften.
Somit war es bei speziellen Gewindeverbindungen mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt, die bisher vorgeschlagen wurden, schwierig, Probleme wie Festfressen oder Lecken von Fluiden zuverlässig zu verhindern.
Offenlegung der Erfindung
Die vorliegenden Erfinder haben festgestellt, dass die oben beschriebenen Probleme einer speziellen Gewindeverbindung durch die Beziehungen der Oberflächenrauheit der Abdichtfläche zu dem ausgeübten Druck und zu der Breite in axialer Richtung des Berührungsabschnitts, auf den Druck in der Abdichtfläche wirkt, verursacht werden, und dass es durch Optimieren dieser Beziehungen möglich ist, einer Rohrverbindung mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt gute Abdichteigenschaften in wirtschaftlicher Weise zu verleihen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gewindeverbindung für Rohre mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt, welche ein Außengewinde und eine an einem Ende eines Stahlrohrs ausgebildete gewindefreie Abdichtfläche sowie ein Innengewinde und eine gewindefreie Abdichtfläche, die an der Innenfläche eines Verbindungsstücks ausgebildet sind, umfasst, wobei das Innengewinde mit dem Außengewinde in Gewindeeingriff steht und die gewindefreie Abdichtfläche des Verbindungsstücks an der Abdichtfläche des Stahlrohrs anliegt und einen ringförmigen Berührungsabschnitt ausbildet.
Die vorliegende Erfindung sieht vor: eine Gewindeverbindung für Rohre mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt, welche ein Außengewinde und eine an einem Ende eines Stahlrohrs ausgebildete gewindefreie Abdichtfläche sowie ein Innengewinde und eine gewindefreie Abdichtfläche, die an der Innenfläche eines Verbindungsstücks ausgebildet sind, umfasst, wobei das Innengewinde mit dem Außengewinde in Gewindeeingriff steht und die gewindefreie Abdichtfläche des Verbindungsstücks an der Abdichtfläche des Stahlrohrs anliegt und einen ringförmigen Berührungsabschnitt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen des Stahlrohrs und des Verbindungsstücks höchstens 30 μm beträgt, und bei Konfektionieren der Gewindeverbindung ein Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt gebildet wird, bei dem der durchschnittliche Druck Pm des ringförmigen Berührungsabschnitts Pm/Py ≥ 3 erfüllt und die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts, die einen Druck Ps erfährt, der Ps/Py ≥ 1 erfüllt, in dem ringförmigen Berührungsabschnitt mindestens 2 mm oder mindestens 1 mm beträgt, wenn Ry höchstens 25 μm ist, wobei Py der Fließdruck der Innenfläche des Rohrs ist, der Druck Ps die in Richtung senkrecht zur Abdichtfläche ausgeübte Kraft pro Flächeneinheit ist und der Druck Pm durch Dividieren des Integrals der Druckverteilung in axialer Richtung in dem ringförmigen Berührungsabschnitt entlang der Länge in der axialen Richtung des Berührungsabschnitts durch die Länge der Berührung erhalten wird.
Bevorzugt weist das Stahlrohr einen Schulterabschnitt an seiner Endfläche auf, und entsprechend weist das Verbindungsstück ebenfalls einen Schulterabschnitt auf, der an dem Schulterabschnitt der Endfläche des Stahlrohrs anliegt.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen die bearbeitete Oberflächenrauheit des Stahlgrundmaterials, das die Gewindeverbindung bildet. Demgemäß ist in dem Fall einer Gewindeverbindung, die einer Oberflächenbehandlung unterzogen wurde, Ry nicht die Rauheit der Oberflächenbehandlungsbeschichtung an der Abdichtfläche, sondern ist die Oberflächenrauheit der Abdichtfläche vor Ausführen von Oberflächenbehandlung.
Der auf den ringförmigen Berührungsabschnitt ausgeübte Druck Ps bezeichnet die Kraft pro Flächeneinheit, die in der Richtung senkrecht zur Abdichtfläche ausgeübt wird, und die Breite in der axialen Richtung des ringförmigen Berührungsabschnitts, die den Druck aufnimmt, ist eine entlang der Abdichtfläche gemessene Länge. Die Richtung des Drucks Ps und die axiale Richtung des ringförmigen Berührungsabschnitts sind nämlich zueinander senkrecht.
Der Druck Ps wird durch Gewindeeingriff der Gewinde des Stahlrohrs und des Verbindungsstücks zum Herstellen der Gewindeverbindung ausgeübt. Der Wert des Drucks Ps wird durch die Maße und die Form der Gewinde und Abdichtflächen bestimmt, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegend und auf einen vorbestimmten Betrag an Gewindeeingriff der Gewinde gearbeitet sind. Das Festlegen des Betrags des Gewindeeingriffs wird normalerweise entweder durch Detektieren von Drehmomentschultern oder durch Positionieren mittels geeigneter Markierungen ausgeführt.
Ps/Py bezeichnet das Verhältnis des Drucks Ps der Berührungsabschnitte zu dem Von-Mises-Innenfließdruck Py und ist ein Wert ohne Maß. Wenn also Ps/Py ≥ 1, ist der Druck des Berührungsabschnitts immer größer oder gleich dem Innendruck. Bei einer Gewindeverbindung für Rohre gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Ps/Py ≥ 1 erfüllender Wert von Ps als wirksamer Druck festgelegt, und bei dem ringförmigen Berührungsabschnitt, der den Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt bildet, ist die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts, der diesen wirksamen Druck erfährt, als mindestens 1 mm oder mindestens 2 mm festgelegt, wie vorstehend beschrieben wurde.
Der mittlere Druck Pm ist ein Wert, der durch Dividieren des Integrals der Druckverteilung in axialer Richtung in dem ringförmigen Berührungsabschnitt entlang der Länge in der axialen Richtung des Berührungsabschnitts (der Länge der Druckverteilung) durch die Länge der Berührung erhalten wird. Es ist der Druck unter der Annahme, dass entlang der Länge des Berührungsabschnitts ein gleichmäßiger Druck wirkt. Auch wenn der Wert von Pm durch Druckmessungen bestimmt werden könnte, kann er durch Analyse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) des Spannungsverteilungszustands des Verbindungsabschnitts bei Gewindeeingriff mit Hilfe von Daten der gemessenen Maße des Verbindungsabschnitts und der Materialeigenschaften ermittelt werden.
Die Breite in axialer Richtung des Berührungsabschnitts, die einen Ps/Py ≥ 1 erfüllenden Druck Ps aufnimmt, kann auch durch die Finite-Elemente-Methode ermittelt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Montageansicht einer Gewindeverbindung für Rohre mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt.
2 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Umgebung des Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts der Gewindeverbindung zeigt.
3 ist eine Figur, die das mittlere Druckverhältnis Pm/Py und die Ergebnisse eines Abdichttests für Gewindeverbindungen für Rohre mit einer Oberflächenrauheit Ry in der Größenordnung von 25 μm zeigt.
4 ist eine Figur, die das mittlere Druckverhältnis Pm/Py und die Ergebnisse eines Abdichttests für Gewindeverbindungen für Rohre mit einer Oberflächenrauheit Ry in der Größenordnung von 12,5 μm zeigt.
5 ist eine Figur, die das mittlere Druckverhältnis Pm/Py und die Ergebnisse eines Abdichttests für Gewindeverbindungen für Rohre mit einer Oberflächenrauheit Ry in der Größenordnung von 30 μm zeigt.
6 ist eine schematische erläuternde Ansicht, die das bei einem Abdichttest verwendete Verfahren zeigt.
7 ist eine Figur, die die Ergebnisse des Abdichttests als Beziehung zwischen dem mittleren Druckverhältnis Pm/Py und der Oberflächenrauheit Ry zeigt.
Ausführungen der Erfindung
Die vorliegenden Erfinder haben die Beziehung der Oberflächenrauheit der Abdichtfläche, des Drucks und der Breite in der axialen Richtung des ringförmigen Berührungsabschnitts, der den Druck aufnimmt, zu den Abdichteigenschaften bei einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt einer Gewindeverbindung durch folgendes Verfahren untersucht.
Ein Stahlrohr mit einem Sollaußendurchmesser von 88,9 mm und einer Sollwandstärke von 6,45 mm, das aus kohlenstoffarmem Stahl für Ölsondenrohre (L-80 der API-Normen) gefertigt war, wurde als Testrohr erzeugt. Wie in den 1 und 2 gezeigt wird, wurden ein Außengewinde 1b und eine gewindefreie Abdichtfläche 1a zum Vorsehen einer Berührung von Ebene zu Ebene (eine konische gewindefreie Abdichtfläche, wie sie in U.S. Patent Nr. 5,137,310 vorgeschlagen wird) durch maschinelles Bearbeiten an der Außenumfangfläche beider Enden des Testrohrs (an seiner Spitze beider Enden) gebildet. Das Testrohr hatte einen Schulterabschnitt 1c an jedem Ende.
Ein aus dem gleichen Material wie vorstehend beschrieben hergestelltes Verbindungsstück 2 zur Verbindung mit dem Testrohr 1 hatte ein Innengewinde 2b zum Schraubeingriff mit dem Außengewinde 1b des Testrohrs und eine gewindefreie Abdichtfläche 2a zum Anliegen an der Abdichtfläche 1a des Testrohrs, die an dessen Innenumfangsfläche an beiden seiner Enden ausgebildet war. Es hatte einen Innenschulterabschnitt 2c zum Anliegen an dem Schulterteil 1c des Stahlrohrs.
Die gewindefreien Abdichtflächen 1a und 2a des Testrohrs 1 und des Verbindungsstücks 2 waren so gearbeitet, dass die Oberflächenrauheit Ry einer jeden etwa 25 μm betrugt, was als Obergrenze der an einer gewöhnlichen Gewindeverbindung angewendeten Oberflächenrauheit Ry betrachtet wird.
Gewindeverbindungen zum Testen (nachstehend als „Proben" bezeichnet) mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt wurden durch Verbinden eines Testrohrs 1 mit jedem Ende eines Verbindungsstücks 2 durch Gewindeeingriff erzeugt, wie in 1 gezeigt wird. Bei dieser Untersuchung wurden acht Proben A1–A8 hergestellt, wobei der Übermaßbetrag des Abdichtabschnitts gemäß dem Druck so festgelegt wurde, dass der Wert des Verhältnisses Pm/Py des mittleren Drucks Pm in dem ringförmigen Berührungsabschnitt (nachstehend als „Berührungsabschnitt" bezeichnet) zu dem inneren Fließdruck Py (wobei das Verhältnis Pm/Py nachstehend als „mittleres Druckverhältnis" bezeichnet wird) in Stufen von in etwa 0,5 in dem Bereich von 1,0–4,5 schwankte. Diese Proben wurden einem Abdichttest unterzogen, und die Abdichteigenschaften wurden untersucht. Das Übermaß der Gewinde wurde auf Null gesetzt, so dass es keinen Einfluss auf den Abdichtabschnitt haben würde, und der Gewindeeingriff wurde angehalten, sobald die Schultern 1c anlagen (der Betrag des Gewindeeingriffs der Gewinde wurde also durch Detektion der Drehmomentschultern festgelegt).
Das mittlere Druckverhältnis Pm/Py, das durch Analyse unter Verwenden der Finiten-Elemente-Methode basierend auf den gemessenen Maßen jedes Abschnitts der Gewindeverbindungsabschnitte und der Materialeigenschaftsdaten ermittelt wurde, wird in Tabelle 1 und 3 zusammen mit der Oberflächenrauheit der Abdichtflächen, der Ergebnisse des Abdichttests und der Berührungsbreite gezeigt.
Wie in 6 gezeigt, wurde der Abdichttest durch Beibehalten eines vorgeschriebenen Innendrucks von Stickstoffgas (Fließdruck am verschlossenen Ende: der Von-Mises-Innenfließdruck Py) eine Stunde lang im Inneren einer Testgewindeverbindung ausführt. Um Lecken aus der Gewindeverbindung während des Tests zu erfassen, wurde wie in der Figur gezeigt ein Kragen 3 an dem Gewindeendabschnitt an beiden Enden des Verbindungsstücks 2 vorgesehen, ausgetretenes Gas wurde durch den Kragen 3 und eine Leitung 4 in Wasser 5 geleitet, und das Auftreten von Lecken wurde dadurch ermittelt, ob Luftbläschen erzeugt wurden.
Bei den Ergebnissen des Abdichttests in Tabelle 1 zeigt die Markierung O, dass während eines einstündigen Tests kein Lecken auftrat, und die Markierung X zeigt, dass Lecken auftrat. Analog zeigt in 3 die Markierung •, dass kein Lecken auftrat, und die Markierung X zeigt, dass Lecken auftrat. Wie in 1 gezeigt wird, kann eine Gewindeverbindung an jedem Ende eines Verbindungsstücks ausgebildet werden, und der Beurteilung wurde ein X gegeben, wenn sich aus einem davon ein Lecken ergab.
Die Oberflächenrauheit Ry einer Probe, die in Tabelle 1 und 3 gezeigt wird, war der gemessene Wert der Oberflächenrauheit der Abdichtflächen des Rohrs und des Verbindungsstücks, die auf eine Oberflächenrauheit Ry von 25 μm gearbeitet wurden (gemessene Länge: 0,5 mm, das Mittel für die Abdichtflächen an insgesamt 4 Stellen bei Rohr und Verbindungsstück der beiden Gewindeverbindungen an beiden Enden des Verbindungsstücks).
Die Berührungsbreite in Tabelle 1 ist die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Berührungsabschnitts, für den Ps/Py ≥ 1, und wurde zusammen mit dem mittleren Druck Pm durch die Finite-Elemente-Methode ermittelt.
Die oben beschriebene Bewertungsmethode und die Messmethode wurden ebenfalls bei den Tabellen 2, 3 und 5 sowie den 4–5 eingesetzt. Tabelle 1

* Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Beruhrungsabschnitts, für den Ps/Py ≥ 1

Aus Tabelle 1 und 3 lässt sich sagen, dass, wenn die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtfläche der Gewindeverbindung 25 μm beträgt, kein Lecken erzeugt wird, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py mindestens 3 ist. Es wird angenommen, dass bei der Probe A-7 kein Lecken erzeugt wurde, weil die Oberflächenrauheit zufällig am kleinsten war. Es wird natürlich angenommen, dass auch dann kein Lecken erzeugt wird, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py mindestens 3 beträgt und die Oberflächenrauheit Ry unter 25 μm liegt.
Demgemäß kann gefolgert werden, dass kein Lecken erzeugt wird, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py mindestens 3 ist und die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen höchsten 25 μm beträgt. Analog wurde aus den Ergebnissen der Analyse durch die Finite-Elemente-Methode ermittelt, dass kein Lecken erzeugt wird, wenn die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts, in dem der Druck Ps in dem Berührungsabschnitt mindestens der Innenfließdruck Py (d.h. die Berührungsbreite in Tabelle 1) ist, allgemein mindestens 1,0 mm beträgt, wie in Tabelle 1 gezeigt wird.
Aus dem Obigen lassen sich nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung durch Auslegen des mittleren Druckverhältnisses Pm/Py in dem Berührungsabschnitt bei mindestens 3, der Breite in der axialen Richtung des Abschnitts, in dem Ps/Py ≥ 1, bei mindestens 1 mm und der mittleren Oberflächenrauheit beider Abdichtflächen bei höchstens 25 μm die Abdichteigenschaften in dem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt zuverlässig sicherstellen.
Als Nächstes wurden in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben – wobei lediglich die Bearbeitung so ausgeführt wurde, dass die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen des Rohrs und des Verbindungsstücks 12,5 μm betrug – acht Proben B-1 bis B-8 hergestellt, wobei der Übermaßbetrag des Abdichtabschnitts entsprechend dem Druck festgelegt wurde, so dass sich das mittlere Druckverhältnis Pm/Py in Stufen von etwa 0,5 innerhalb des Bereichs von 0,5 bis 3 änderte. Diese wurden dem gleichen Abdichttest unterzogen, der vorstehend beschrieben wurde. Der Wert des mittleren Druckverhältnisses Pm/Py, der durch Analyse mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode basierend auf den gemessenen Maßen und den Materialeigenschaftsdaten jedes Verbindungsabschnitts ermittelt wurde, wird zusammen mit den Ergebnissen des Abdichttests, der Oberflächenrauheit und der Berührungsbreite in der Tabelle 2 und in 4 gezeigt. Tabelle 2

* Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Berührungsabschnitts, für den Ps/Py ≥ 1

Aus Tabelle 2 und 4 lässt sich sagen, dass, wenn die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen der Gewindeverbindung etwa 12,5 μm beträgt, kein Lecken erzeugt wird, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py 1,5 überschreitet. Es wird natürlich angenommen, dass kein Lecken erzeugt wird, wenn die Oberflächenrauheit Ry unter 12,5 μm liegt, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py größer als 1,5 ist.
Wenn sich die Oberflächenrauheit Ry dem Grenzwert Null nähert, d.h. wenn sie eine Spiegelfläche wird, wenn die Abdichtflächen vollständig versiegelt werden, wird kein Lecken erzeugt, solange ein äußerst kleiner Druck sichergestellt wird. Wenn sich nämlich die Oberflächenrauheit Ry dem Grenzwert Null nähert, nähert sich der Wert des mittleren Druckverhältnisses Pm/Py, das zum Verhindern von Lecken in dem Abdichtabschnitt erforderlich ist, dem Grenzwert 1.
Aus den drei Grenzpunkten (Pm/Py = 3, Ry = 25 μm), (Pm/Py = 1,5, Ry = 12,5 μm) und (Pm/Py = 1,0, Ry = 0), die aus den in Tabelle 1 und Tabelle 2 gezeigten Versuchsergebnissen und dem Grenzwert zu Ry erhalten wurden, lautet eine Gleichung zweiter Ordnung unter Verwendung des mittleren Drucks Pm/Py und der Oberflächenrauheit Ry (μm), die die Grenzen für das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Lecken beschreibt, Pm/Py = 0,0032 × Ry² + 1,0.
Bei einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung können Abdichteigenschaften sichergestellt werden, wenn Pm/Py ≥ 0,0032 × Ry² + 1,0. Bei dieser Ausführung wird aber die Berührungsbreite (die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Berührungsabschnitts, in dem Ps/Py ≥ 1) mindestens 1,0 mm groß gemacht.
Bei der obigen Gleichung, die Bedingungen beschreibt, wird das mittlere Druckverhältnis Pm/Py als Index verwendet, weil der mittlere Druck Pm die Druckkraft auf die Abdichtfläche pro Längeneinheit oder Flächeneinheit anzeigt, und wenn die Kraft groß ist, die Flächen mit Oberflächenrauheit gegeneinander presst, werden Spalte zwischen den Berührungsflächen, die durch die Oberflächenrauheit erzeugt werden, zusammengedrückt und werden kleiner, und es wird angenommen, dass die Abdichteigenschaften der Abdichtflächen besser werden.
Als Nächstes wurden in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben – wobei lediglich die Bearbeitung so ausgeführt wurde, dass die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen ein größerer Wert (etwa 30 μm) war – acht Proben C-1 bis C-8 hergestellt, wobei der Übermaßbetrag des Abdichtabschnitts entsprechend dem Druck festgelegt wurde, so dass sich das mittlere Druckverhältnis Pm/Py in Stufen von etwa 0,5 innerhalb des Bereichs von 1,0 bis 4,5 änderte, und diese wurden dem gleichen Abdichttest unterzogen, der vorstehend beschrieben wurde. Der Wert des mittleren Druckverhältnisses Pm/Py, der durch Analyse mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode basierend auf den gemessenen Maßen und den Materialeigenschaftsdaten jedes Verbindungsabschnitts ermittelt wurde, wird zusammen mit den Ergebnissen des Abdichttests, der Oberflächenrauheit und der Berührungsbreite in der Tabelle 3 und in 5 gezeigt. Tabelle 3

Aus Tabelle 3 und 5 ist ersichtlich, dass, wenn die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung bis zu 30 μm beträgt, die Abdichteigenschaften zuverlässig sichergestellt werden können, wenn die Breite in der axialen Richtung des Berührungsabschnitts des Abschnitts, der einen Druck Ps von mindestens dem Innenfließdruck Py (bei dem Ps/Py ≥ 1) erfährt, mindestens 2 mm beträgt und das mittlere Druckverhältnis Pm/Py mindestens 3 beträgt.
Selbst bei einer Gewindeverbindung für Rohre nach einer der obigen erfindungsgemäßen Ausführungen kommt es aber schnell zu Festfressen, wenn das mittlere Druckverhältnis Pm/Py zu groß wird. Der obere Grenzwert bei Pm/Py, damit kein Festfressen eintritt, hängt von dem Material ab und davon, ob eine Vorbehandlung ausgeführt wird, doch im Allgemeinen beträgt der Wert von Pm/Py bevorzugt höchstens 5 und bevorzugter liegt er bei höchstens 4,5. Um Festfressen zu verhindern, ist es vorteilhaft, das mittlere Druckverhältnis Pm/Py nahe dem durch die vorliegende Erfindung vorgeschriebenen unteren Grenzwert festzulegen. Selbst bei einem Material oder bei Bedingungen, bei denen Festfressen leicht eintritt, besteht dadurch eine gute Möglichkeit, Festfressen zuverlässig zu verhindern.
Bei dem Druck Ps ist es jedenfalls aus Sicht der Beständigkeit gegen Festfressen bevorzugt, dass der Druck Ps nicht die Fließgrenze Ys des Materials übersteigt (Ps/Ys < 1).
Abhängig von dem die Gewindeverbindung bildenden Material und den Herstellungsbedingungen kann eine geeignete Oberflächenbehandlung sowohl an den Gewinden als auch an den gewindefreien Abdichtflächen ausgeführt werden, um Beständigkeit gegen Festfressen zu verleihen. Einige Beispiele für eine solche Oberflächenbehandlung sind Phosphatbehandlung, Festschmierstoffbehandlung, Beschichten und auf Zinkstrahlen beruhendes Beschichten. Die Oberflächenbehandlung kann an den Gewinden und an den gewindefreien Abdichtflächen von einem von oder von beiden von Stahlrohr und Verbindungsstück ausgeführt werden. Ein geeigneter Schmierstoff bzw. Öl wird für gewöhnlich vor dem Konfektionieren an einer Gewindeverbindung aufgebracht, doch abhängig von der Oberflächenbehandlung ist ein solcher Auftrag ggf. nicht erforderlich.
Die Form des Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitts einer Gewindeverbindung für Rohre gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Form sein, bei der die an dem Endabschnitt des Stahlrohrs und an dem Verbindungsstück ausgebildeten Abdichtflächen beides konische Flächen sind, oder eine Form, bei der eine eine gebogene Fläche und die andere eine konische Fläche ist, eine Form, bei der beide gebogene Flächen sind, oder dergleichen. Unter Berücksichtigung der Verformung des Endes des Rohrs oder des Verbindungsstücks aufgrund des Gewindeeingriffs des Abdichtabschnitts ist es aber erforderlich, die oben beschriebene Bedingung zur Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Berührungsabschnitts, wobei Ps/Py ≥ 1, zu erfüllen.
Beispiele
Unter Verwenden von Testrohren und Verbindungsstücken mit den gleichen Maßen und aus den gleichen Materialien wie vorstehend beschrieben wurden verschiedene Gewindeverbindungen zum Testen (Proben) hergestellt, und es wurden durch den gleichen Abdichttest wie zuvor beschrieben die Abdichteigenschaften untersucht.
Jede Probe wurde so hergestellt, dass das mittlere Druckverhältnis Pm/Py und die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen 1a und 2a des Testrohrs bzw. des Verbindungsstücks die in Tabelle 4 gezeigten Werte hatten. Der Übermaßbetrag der Gewinde wurde auf Null gesetzt, so dass er keinen Einfluss auf den Abdichtabschnitte haben würde, und das Anziehen wurde unterbrochen, als die Schulter 1c anlag.
Wie in 1 gezeigt hatte die Probe zwei Testrohre 1, die jeweils ein Außengewinde 1b und eine gewindefreie Abdichtfläche 1a aufwiesen, die an der Außenumfangsfläche seines Endes ausgebildete waren, die an beiden Enden eines Verbindungsstücks 2 angeordnet waren, das ein Innengewinde 2b und eine gewindefreie Abdichtfläche 2a aufwies, die an dessen Innenumfangfläche an beiden Enden ausgebildet waren. Demgemäß hatte jede Probe zwei Gewindeverbindungsabschnitte, und die kennzeichnende Ziffer lautete zum Beispiel 1-A und 1-B (die Gewindeverbindung an Seite A und an Seite B für Probe Nr. 1).
Wie in Tabelle 4 gezeigt, war bei einigen Proben die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen der beiden Gewindeverbindungen A und B der gleichen Probe unterschiedlich. Die bearbeiteten Werte der Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen der Rohre und des Verbindungsstücks in einer einzigen Gewindeverbindung waren aber gleich. Das Mittel der gemessenen Werte der Oberflächenrauheit des Rohres und des Verbindungsstücks für jede Verbindung wird in Tabelle 5 gezeigt.
Bei jeder hergestellten Probe wurde ein Abdichttest in der oben beschriebenen Weise ausgeführt, bei dem ein Innendruck (Fließdruck der verschlossenen Endes: Von-Mises-Innenfließdruck Py) eine Stunde lang gehalten wurde, um die Abdichteigenschaften zu bestimmen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 5 und 7 zusammen mit Bearbeitungsergebnissen der Testrohre gezeigt.
In Tabelle 5 und 7 zeigen die mit einem * versehenen Ergebnisse des Abdichttests an, dass Festfressen auftrat, wenn die Verbindung nach dem Abdichttest gelöst wurde. Die „entsprechende Ausführungsziffer" in Tabelle 5 bezeichnet die Ziffer einer der oben beschriebenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Kurve, die das mittlere Druckverhältnis Pm/Py an der Ordinate und die Oberflächenrauheit Ry der Abdichtflächen an der Abszisse darstellt. Die durch die Strichlinie in der Figur gezeigte Kurve gibt Pm/Py = 0,0032 × Ry² + 1,0 an. Tabelle 4
Tabelle 5

*: Aufgrund Lösen tritt Festfressen ein
¹: Breite in der axialen Richtung des Abschnitts des Berührungsabschnitts, bei dem Ps/Py ≥ 1

Aus 7 und Tabelle 5 wurde bestätigt, dass bei den Gewindeverbindungsproben, die eine der Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllten (d.h. die Proben von Tabelle 5 mit Ausnahme der Vergleichsbeispiele), gute Abdichteigenschaften sichergestellt werden können. Die Gewindeverbindungsproben der Vergleichsbeispiele dagegen, die keine der Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllten, führten alle zu Lecken.
Bei der Probe Nr. 9-B- trat Festfressen trotz eines kleinen mittleren Druckverhältnisses Pm/Py von 1,6 auf, da die Oberflächenrauheit sehr klein war (3 μm)
Ohne die Oberflächenrauheit der Abdichtfläche unvernünftig klein zu machen und somit die Bearbeitungszeit zu verlängern oder die Arbeitskosten zu erhöhen oder mühsam mittels wiederholter Versuchs- und Irrtumsmethode einen Kompromisspunkt zwischen Kosten und Abdichteigenschaften zu finden, kann erfindungsgemäß die kleinste erforderliche Oberflächenrauheit für eine ausgeübten Druck ermittelt werden, wobei die Beständigkeit gegen Festfressen berücksichtigt wird, und es kann eine rationellere und wirtschaftlichere Gewindeverbindung mit einer Metall-auf-Metall-Abdichtung erhalten werden.

Claims

Gewindeverbindung für Rohre mit einem Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt, welche ein Außengewinde (1b) und eine an einem Ende eines Stahlrohrs ausgebildete gewindefreie Abdichtfläche (1a) sowie ein Innengewinde (2b) und eine an der Innenfläche eines Verbindungsstücks (2) ausgebildete gewindefreie Abdichtfläche (2a) umfasst, wobei das Innengewinde (2b) mit dem Außengewinde (1b) in Gewindeeingriff steht und die gewindefreie Abdichtfläche (2a) des Verbindungsstücks an der Abdichtfläche (1a) des Stahlrohrs anliegt und einen ringförmigen Berührungsabschnitt ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauheit Ry der gewindefreien Abdichtflächen des Stahlrohrs und des Verbindungsstücks höchstens 30 μm beträgt, und bei Herstellen der Gewindeverbindung ein Metall-auf-Metall-Abdichtabschnitt gebildet wird, bei dem der durchschnittliche Druck Pm des ringförmigen Berührungsabschnitts Pm/Py ≥ 3 erfüllt und die Breite in der axialen Richtung des Abschnitts, die einen Druck Ps erfährt, der Ps/Py ≥ 1 erfüllt, in dem ringförmigen Berührungsabschnitt mindestens 2 mm beträgt oder mindestens 1 mm, wenn Ry höchstens 25 μm ist, wobei Py der Fließdruck der Innenfläche des Rohrs ist, der Druck Ps die in Richtung senkrecht zur Abdichtfläche ausgeübte Kraft pro Flächeneinheit ist und der Druck Pm durch Dividieren des Integrals der Druckverteilung in axialer Richtung in dem ringförmigen Berührungsabschnitt entlang der Länge in der axialen Richtung des Berührungsabschnitts durch die Länge der Berührung erhalten wird.
Gewindeverbindung für Rohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Gleichung erfüllt ist: Pm/Py ≥ 0,0032 × Ry2 + 1,0.
Gewindeverbindung für Rohre nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endfläche des Stahlrohrs einen Schulterabschnitt (1c) aufweist und das Verbindungsstück entsprechend ebenfalls einen Schulterabschnitt (2c) aufweist, der an dem Endschulterabschnitt des Stahlrohrs anliegen kann.