DE69922661T2

DE69922661T2 - Schraubverbindung für verbesserte ermüdungsfestigkeit

Info

Publication number: DE69922661T2
Application number: DE69922661T
Authority: DE
Inventors: W. Richard DELANGE; Edward M. EVANS
Original assignee: Grant Prideco LP
Current assignee: Grant Prideco LP
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-07-24
Also published as: NO20010483L; EP1101056A1; WO2000006936A1; EP1101056B1; US6609735B1; CA2338956A1; EP1101056A4; NO20010483D0; AU5128399A; CA2338956C; ATE285047T1; NO334649B1; DE69922661D1; AR019952A1; BR9912550A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung für eine Schraubkupplung, die verwendet wird, um die Enden röhrenförmiger Rohrsektionen aneinander zu befestigen, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schraubkupplung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 9 (siehe z.B. DE-B-39274) dargestellt ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Röhrenförmige Rohrabschnitte, die beim Bohren und der Endbearbeitung von Ölquellen verwendet werden, unterliegen während ihrer Installation und ihrem Betrieb sowohl axialen als auch lateralen Beanspruchungen. Laterale Kräfte in Form von seitlichen Biegebeanspruchungen treten z.B. in Steigrohrabschnitten auf, die von der Wassersohle zu einer Bohr- oder Produktionseinheit an der Wasseroberfläche verlaufen. Rohre, die in diesen Situationen verwendet werden, sind typischerweise mit integralen schulterartigen Verbindungen und/oder verschweißten Verbindungen versehen, die insbesondere geeignet sind, um den Ermüdungserscheinungen induzierenden Wirkungen einer zyklischen seitlichen Belastung zu widerstehen. Verbindungen dieses Typs, die entwickelt wurden, um eine hohe Ermüdungsfestigkeit zu verleihen, umfassen Gerätekupplungen und spezielle Verbindungen für Steigrohre. Diese Verbindungen sind im Vergleich zu konventionellen Schraubkupplungen wesentlich teurer herzustellen und erfordern typischerweise eine größere laterale Dimension, um die Verbindungskonstruktion aufzunehmen.
Ein konventionelles Schraubkupplungsrohr, das einen raschen Ermüdungsbruch erleiden kann, wenn es zyklischen seitlichen Belastungen ausgesetzt ist, sind so ausgestaltet, dass sie diesen durch die kostspieligeren Integralkupplungs- und Schweißkupplungs-Konstruktionen standhalten. In einem typischen zyklischen seitlichen Belastungsbruch unterliegt der Stiftbolzen einer konventionellen Schraubkupplung einem Ermüdungsbruch an einem dem Verbindungsende benachbarten Punkt. Aufgrund der konventionellen Schraubkupplungskonstruktion sind die seitlichen zyklischen Belastungskräfte zum Stift am Ende der Verbindung gerichtet und wirken mit der Gewindestruktur des Stiftes selbst zusammen, um Ermüdungsbrüche hervorzurufen. Die Konzentration von Belastungen ergibt sich teilweise aus der strukturellen Widerstandsfestigkeit am Ende der Kupplung (Verbindung) mit dem darunter liegenden Rohrstiftmaterial. Die Gewinde in der gleichen Fläche wirken so, dass sie die Biegebeanspruchungen im Stiftgewindegrund konzentrieren, wo der Bruch schließlich auftritt.
Ein anderes Merkmal einiger konventioneller Festsitzschraubkupplungen, wie z.B. von API-Sägezahngewinden, ist es, dass das Gewinde beim Aufbau nur an einer Gewindeflanke eingreift. Diese Verbindungsart muss die Kontaktflanke vollständig von einer Belastung befreien, einer relativen Bewegung zwischen dem Stift und der Kupplung unterliegen, bis die gegenüberliegenden Flanken in Kontakt treten, und dann die Belastung zu der neu in Kontakt tretenden Flanke übertragen. Eine wiederholte zyklische seitliche Belastung und Belastungsübertragungen machen diese Verbindungsarten gegenüber Ermüdungsbrüchen besonders empfänglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird eine Rohrschraubkupplung mit einer Konstruktion bereitgestellt, die eine Verwendung bei zyklischen seitlichen Belastungen ermöglicht, und die eine erhöhte Bruchfestigkeit aufweist, um kostspieligere und verschweißte Verbindungen zu ersetzen. Das Stift- (oder Außen-)Gewinde ist entlang eines sich verjüngenden Weges so gefräst, dass der Durchmesser des Gewindes vom Ende des Rohres weg konstant zunimmt. Die Gewinde sind in einem konstanten Neigungswinkel gefräst, bis sie von der Außendurchmesser(OD)-Oberfläche des Rohrs vollständig verschwinden. Die Gewinde des Stiftes (Bolzens) und der Kupplung haben Bohr- und Belastungs-(stab and load)-Flanken, die beim Ansetzen der Kupplung zum Stift in einander greifen. Die Kupplung ist länger als eine Standardkupplung, damit die Kupplung in alle Stiftgewinde vollständig eingreift und sich über den Gewindeauslass am Rohr-OD erstreckt. Die Kupplungslänge stellt sicher, dass die Gewinde an allen Stiften mit Gewindelängen innerhalb akzeptierter Bereiche vollständig in die Kupplungsgewinde eingreifen. Die verlängerte Kupplung ist außerdem durch eine lange äußere Schräge an dem OD, die an der Stirnseite der Kupplung beginnt und sich bis zu einer Stelle an oder hinter des letzten Punktes von Stiftgewinden voller Tiefe erstreckt. In dieser in Eingriff stehenden Position erstreckt sich das Ende der Kupplung über den Fluchtpunkt (vanish point) der Stiftgewinde hinaus und verjüngt sich zu einer relativ dünnen Stirnseitendicke (Flächendicke). Die Dicke der Fläche (des Flächenbereichs) ist so dünn wie praktisch möglich ausgestaltet, ohne sie übermäßig gegenüber einer mechanischen Beschädigung durch eine Handhabung anfällig zu machen. Obwohl die Schräge, wie beschrieben, konisch ist, ist es verständlich, dass andere Formen, z.B. eine ringförmige glatte flache konkave Vertiefung in der konischen Oberfläche, verwendet werden können. Im allgemeinen muss ein Übergang vorhanden sein – d.h., dünner zu dicker – solange der Übergang ohne abrupte Veränderungen in der Geometrie ist.
Die Länge und der Ausgangspunkt des Kegels werden als Funktion des Rohr-OD und der Rohrwanddicke bestimmt. Je größer die Rohr-OD ist, und je dicker die Rohrwand, desto länger ist die äußere sich verjüngende Oberfläche der Kupplung. Die Länge (L) der geneigten Fläche kann im Zusammenhang mit einem Steifigkeitsgradienten betrachtet werden, der die Distanz zwischen dem Ende oder der Seite der Kupplung und dem Punkt am OD der Kupplung, wo die geneigte Fläche endet, der als Punkt zwischen den Enden oder Flächen der Kupplung identifiziert wird, überspannt. Die Steifigkeit wird definiert als [OD⁴(cm)-ID⁴(cm)] × π/64 ([OD⁴(in.)-ID⁴)] × π/64). Zweckmäßigerweise beträgt der Steifigkeitsgradient des Kegels 0,15 bis 0,4 pro Inch Länge des Kegels. Um den Gradienten zu bestimmen, wird die Steifigkeit der Kupplung am Ende oder der Stirnseite (Fläche) mit S₁ angenommen, die Steifigkeit des Stifts oder des Rohrs an diesem Punkt mit S₂, und das Verhältnis von S₁:S₂ als R₁, während die Steifigkeit der Kupplung, bei der der Kegel den OD schneidet, S₃ ist, die Steifigkeit des Stifts an diesem Punkt S₄, und das Verhältnis von S₃:S₄ ist R₂. Der Gradient ist somit (R₁-R₂)/L und beträgt ca. 0,03556 bis ca. 1,016 pro cm (0,14 bis ca. 0,4 pro Inch) der Länge des Kegels. Im Hinblick auf die radiale Dicke der Fläche oder des Endes der Kupplung ist es zweckmäßig, dass das Steifigkeitsverhältnis an diesem Punkt, vorstehend definiert als Verhältnis von S₁:S₂, 0,1- bis 0,4 beträgt.
Aus dem Vorhergehenden ist es erkennbar, dass es eine wichtige Aufgabenstellung der Erfindung ist, eine Schraubkupplung für rohrförmige Teile, die ein Rohrelement bilden, bereitzustellen, die bei einer Verwendung mit zyklischer seitlicher Beanspruchung einem Ermüdungsbruch widersteht.
Eine andere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schraubkupplung bereitzustellen, die gegenüber einer seitlichen Belastung und einem Ermüdungsbruch, der normalerweise auf Kupplungen, wie z.B. Gerätekupplungen und spezielle Kupplungen, beschränkt ist, die ein Stauchrohr und auf das Stauchrohrende aufgeschweißte Kupplungen verwenden, widerstandsfähig ist.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine wenig kostspielige Kupplung zur Befestigung der mit Gewinde versehenen Rohrenden mit einander in einer Kupplung bereitzustellen, die einem Ermüdungsbruch durch eine zyklische seitliche Belastung widersteht.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schraubkupplung für ein Rohr bereitzustellen, das einer zyklischen seitlichen Belastung unterworfen wird, die in einer für Schraubkupplungsrohre üblichen Vorrichtung erstellt werden kann, relativ kleine laterale Dimensionen besitzt und der Wirkung seitlicher Belastungen widerstehen kann, ohne schulterförmige Kupplungen oder gestauchte und verschweißte Kupplungen zu verwenden, die für solche Anwendungen im allgemeinen erforderlich sind.
Eine wichtige Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kupplung bereitzustellen, die eine innere Gewindefläche aufweist, die in alle Stiftgewindegänge eines Stiftes eingreift, der eine Gewindeform innerhalb eines normalerweise akzeptierten Bereiches aufweist.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, ein Stiftgewinde an einem Rohr bereitzustellen, das zu einem Fluchtpunkt (vanishing point) auf der Rohroberfläche so verläuft, dass alle Stiftgewindegänge in die Gewindegänge einer mit einem ähnlichen Gewinde versehenen Kupplung eingreifen, die Kupplungsgewinde aufweist, die hinter den Fluchtpunkt des Stiftgewindes verlaufen, wenn der Stift und die Kupplung voll in Eingriff stehen.
Eine weitere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gewindeprofil für eine Stift- und eine Kupplungsverbindung bereitzustellen, in dem die Bohr- und Belastungs-(stab and load)-Flanken der Gewinde beim Zusammenbau sofort eingreifen, um die Belastungskonzentration in einem röhrenförmigen Rohrelement, das einer zyklischen seitlichen Belastung unterworfen ist, zu verringern.
Um diese Probleme zu lösen, wird durch die Erfindung eine Kupplung für eine Schraubkupplung bereitgestellt, die verwendet wird, um die Enden röhrenförmiger Rohrsektionen an einander zu befestigen, mit:
einem röhrenförmigen Kupplungskörper mit axial verlaufenden inneren Gewindeflächen an jedem Ende des Kupplungskörpers;
sich verjüngenden äußeren Oberflächen, die auf dem Kupplungskörper ausgebildet sind, wobei sich jede der Oberflächen von einem zentralen Abschnitt des Kupplungskörpers in Richtung auf das Ende des Körpers erstreckt und im Durchmesser in axialer Richtung vom zentralen Abschnitt in Richtung auf das Ende des Körpers abnimmt, wobei sich die sich verjüngenden äußeren Oberflächen axial entlang dem Kupplungskörper über eine Kegelfläche erstrecken, um einen Steifigkeitsgradienten zwischen 0,3556 und 1,016 pro cm der axialen Kegellänge (0,15 bis 0,4 pro Inch der axialen Kegellänge) zu ergeben.
Erfindungsgemäß wird auch eine Schraubkupplung bereitgestellt, die aufweist:
einen Rohrstift auf dem Ende des röhrenförmigen Rohrkörpers, wobei der Stift ein schraubenförmig ausgebildetes Gewinde mit einem Fluchtpunkt (vanishing point) auf der äußeren Oberfläche des Rohrs;
eine Kupplung mit einem röhrenförmigen Kupplungskörper mit axial verlaufenden inneren Gewindeflächen an jedem Ende des Körpers, wobei die inneren Gewindeflächen jeweils einen axialen Verlauf haben, der sich am Eingriffspunkt einer der Gewindeflächen mit dem Fluchtpunkt vorbei erstreckt, wenn die Kupplungsgewinde der einen Fläche mit den Stiftgewinden verschraubt sind;
wobei die Kupplung auf dem Kupplungskörper ausgebildete sich verjüngende äußere Oberflächen aufweist, die sich jeweils von einem zentralen Abschnitt des Kupplungskörpers in Richtung auf das Ende des Körpers erstrecken, und deren Durchmesser in axialer Richtung vom zentralen Abschnitt in Richtung auf das Ende des Körpers abnimmt, wobei sich die sich verjüngenden äußeren Oberflächen axial entlang dem Kupplungskörper über eine Kegellänge erstrecken, um einen Steifigkeitsgradienten von 0,3556 bis 1,016 pro cm (0,15 bis 0,4 pro Inch) einer axialen Kegellänge zu ergeben.
Weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kupplungen oder Kupplungen werden in den anliegenden Ansprüchen aufgezeigt.
Die vorstehend genannten sowie andere Merkmale, Aufgabenstellungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen, Beschreibung und Ansprüche besser erkennbar und verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Aufriss, in Viertelschnitt, der einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Schraubkupplung zeigt;
2 ist ein partieller vertikaler Querschnitt, der Einzelheiten der Gewindekonfiguration und der Konstruktion der erfindungsgemäßen Kupplung und des Stiftes zeigt; und
3 ist ein partieller Querschnitt eines verschraubten Gewindeabschnitts der erfindungsgemäßen Kupplung und des Stiftes.
Beschreibung bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen
Die Schraubkupplung der vorliegenden Erfindung wird in 1 allgemein mit 10 bezeichnet. Die Kupplung weist eine Stahlkupplung 11 auf die zwei innere Gewindeabschnitte 11a und 11b aufweist, wobei ein Stahlstift 12 mit einem Stiftabschnitt 12a in den Gewindeabschnitt 11a eingreift. Ein ähnlicher Stiftabschnitt (nicht dargestellt) kann in den Kupplungsabschnitt 11b eingreifen, um einen weiteren Rohrabschnitt zu befestigen. Eine Reihe solcher Rohre wird durch Befestigung der Enden mehrerer Rohrabschnitte mit Kupplungen unter Bildung einer langgestreckten röhrenförmigen Rohrreihe für ein Bohr-, Endbearbeitungs- oder Produktionsverfahren ausgebildet.
Aus einer gemeinsamen Bezugnahme auf 1 und 2 ist es ersichtlich, dass das Ende des mit Gewinde versehenen Rohrabschnitts 12a in eine kreisförmige innere Schulter 11c eingreift und auf ihr aufliegt, die zentral innerhalb der Kupplung 11 ausgebildet ist. Der Kupplungsabschnitt 11a, der eine ähnliche Konstruktion wie das Segment 11b aufweist, weist ein schraubenförmig ausgebildetes Gewinde mit einer Spitze 11c' und einem Grund 11d auf, das sich auf einem sich offen erstreckenden Kegel gegen das äußere Ende 11f des Kupplungsabschnitts 11a erstreckt. Stiftgewinde mit einem schraubenförmigen Grund 12c und einer schraubenförmigen Spitze 12d greifen in die Gewinde des Kupplungsabschnitts 11a ein. Die auf dem Stiftabschnitt 12a ausgebildeten Gewindegänge verjüngen sich nach außen entlang des gleichen sich verjüngenden Konus wie der der Kupplungsgewinde in der in den 1 und 2 dargestellten Weise.
Der Kegel des Kupplungsgewindes verläuft im wesentlichen gleichmäßig von seinem der Schulterfläche 11c benachbarten Beginn bis zu seinem dem Kupplungsende 11f benachbarten Ende. Die zu den Stiftkegel geschnittenen Gewindegänge, die vom Ende des Stiftes an beginnen und sich nach hinten gegen den Stiftkörper erstrecken, sind auch entlang des gleichen Kegels ausgebildet, der sich gegebenenfalls über die äußere Dimension des Rohraußendurchmessers hinaus erstreckt.
Der letzte vollständig ausgebildete Gewindegang auf dem Stift wird mit 12f bezeichnet. Sich auf dem Stiftkegel weiter oben befindlichen Gewindevertiefungen werden flacher, wenn die Kegeldimension vom Rohrkörper weg verläuft. Gegebenenfalls ist der Gewindekegel des Stifts ein solcher, dass der Stiftkörper nicht mehr länger innerhalb des Kegelkonus liegt, was bei einem Fluchtpunkt 12g auftritt. Die voll ausgebildeten Kupplungsgewindegänge erstrecken sich über diesen Punkt hinaus und verlaufen über einen nicht mit Gewindegängen versehenen Abschnitt 12b des Rohrstiftes 12a.
Eine zylindrische Außendurchmesserfläche der Kupplung 11 beginnt sich am Punkt 11h gegen das Ende der Kupplung 11f hin zu verjüngen. Das Ergebnis ist eine konische äußere Form am Ende der Kupplung, die bei 11h beginnt, und die auch mit dem letzten Punkt der Stiftgewindegänge voller Tiefe 12f zusammenfällt.
Die 3 veranschaulicht das Eingreifen der Stift- und Kupplungsgewindegänge, die mit 12i bzw. 11i bezeichnet sind. Wie dies am besten in 3 veranschaulicht ist, greifen die Gewindegänge 12h und 11h vollständig an beiden an jeder Seite der Gewindegangspitze ausgebildeten beiden Flanken ein. Viele konventionelle Gewindegänge, einschließlich von API-Sägezahngewinden, greifen, wenn sie vollständig ausgebildet sind, längs nur einer einzigen Flanke der unter einander eingreifenden Gewindeprofile ein.
Wie am besten in 1 veranschaulicht, erstreckt sich die Gewindefläche 11a der Kupplung 11 über das Ende der mit Gewinde versehenen Stiftfläche, durch den Fluchtpunkt 12g markiert, hinaus. Die darüber hinaus mit Gewinde versehene Fläche der Kupplung sichert ein Eingreifen der Kupplungsgewinde mit den Gewinden der Stifte, die Gewindelängen aufweisen, die größer sind als die des Stiftes 12.
Die Länge der Kupplungs- und Stiftgewinde, die Länge des äußeren Kupplungskegels und die Dicke der Kupplungsfläche stehen funktionell mit einander in Kupplung und hängen vom Rohrdurchmesser und der Rohrwanddicke ab sowie vom Material des Rohres und der Kupplungskonstruktion.
Es wurde eine spezifische erfindungsgemäße Ausführungsform ausgebildet, in der die Länge des äußeren Kupplungskegels gleich ist mit etwa der Hälfte der Länge der mit Gewinde versehenen Kupplungsfläche, die unter dem sich verjüngenden Abschnitt liegt. Vorzugsweise weist der Kegel mindestens ein Viertel der Länge der Kupplungsgewindefläche auf. Die Länge der Kupplung zwischen dem Punkt mit dem letzten Gewindegangeingriff mit voller Tiefe und dem Kupplungsende ist etwa gleich mit der Länge des in Eingriff stehenden Gewindes zwischen dem letzten Gewindegangseingriff voller Tiefe und dem Stiftende. Die Kupplungsfläche der Kupplung betrug ca. 0,127 cm (0,050 Inch).
Aus dem Vorstehenden ist es erkennbar, dass die Erfindung eine Rohrschraubkupplungsanordnung bereitstellt, in der das Stiftgewinde längs eines sich verjüngenden Weges so ausgebildet ist, dass der Durchmesser der Gewindegänge konstant vom Ende des Rohres weg zunimmt. Die Gewinde werden mit einem konstanten Steigungswinkel ausgebildet, bis sie vom Außendurchmesser des Rohrs vollständig verschwinden. Die Gewinde sind so ausgestaltet, dass die Bohr- und Belastungsflanken beim Ausbilden der Kupplung mit dem Stift in einander eingreifen. Die Kupplung ist länger als die in Schraubkupplungsrohren verwendeten Standardkupplungen, wodurch die Kupplung vollständig in alle Rohrgewindegänge jedes Rohrs eingreift, das innerhalb eines akzeptierbaren Bereichs Gewindegänge aufweist. Die verlängerte Kupplung ist außerdem durch Ausbildung einer langen Kegelfläche am Außendurchmesser der Kupplung modifiziert, die an der Fläche der Kupplung beginnt und bis zu einer Stelle verläuft, die etwa dem letzten Punkt von Stiftgewindegängen mit voller Länge entspricht. Die verlängerte Kupplung mit der langen OD-Kegelfläche ist ferner modifiziert, indem man die Dicke der Kupplungsfläche (des Kupplungsflächenbereichs) so dünn wie praktisch nur möglich macht. In einer beispielhaften Anwendung betrug die Dicke der Kupplungsfläche 0,127 cm (0,050 Inch). Die untere Grenze der Flächendicke (Flächenbereichsdicke) wird durch die Notwendigkeit bestimmt, dass sie eine ausreichende Festigkeit besitzt, um einer Beschädigung durch eine normale Handhabung zu widerstehen.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung umfassen vollständig verschwindende Gewindegänge an dem Stiftende. Die vollständig verschwindenden Gewindegänge am Stift führen eine angelegte Spannung, Kompression oder Biegebelastung allmählich unter die Gewindegänge, wodurch sie eine Belastungskonzentration um die auslaufenden Gewindegänge, die in einer zum normalen Außendurchmesser des Stiftkörpers benachbarten Fläche auftreten, verringern. Konventionelle Stifte mit einem auslaufenden Gewinde sind mit einem theoretischen Rohr-OD als zwingende Maßnahme ausgestaltet. Aufgrund der Variation von Rohr-OD, Rohr-Geradheit, Rohrrundung und der Anordnung des Rohrs in der Gewindeschneidvorrichtung können die Gewindeausgestaltungen tatsächlich Gewindegänge mit partieller Tiefe aufweisen, die abrupt enden, anstatt dass sie einen wirklich verschwindenden Gewindegang aufweisen. Wenn an einem Rohr eine Belastung appliziert wird, egal ob es eine Spannung, Kompression oder Biegebelastung ist, verursachen die Gewindegänge mit partieller Tiefe eine abrupte Veränderung in der Verteilung der Belastung in der Rohrwand, was eine Belastungskonzentration verursacht.
Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Maßnahme einer verlängerten Kupplung. Eine Verlängerung der Kupplung auf eine Weise, dass die Gewindegänge der Kupplung den Fluchtpunkt der Stiftgewinde vollständig überdecken, ergibt eine allmähliche Übertragung der Belastung zwischen dem Stift und der Kupplung, die die Belastungskonzentration am Ende der Stiftgewinde verringert. Viele konventionelle Kupplungsausgestaltungen, die ein verschwindendes Gewinde verwenden, haben keine Kupplungen, die die Stiftgewinde vollständig überdecken. Das API-8-Zoll-Gewinde (API eight-round thread) weist z.B. ein vollständig verschwindendes Gewinde auf, aber die verschwindende Windung des Stiftgewindes ist auf einem vom Rest der Gewindegänge verschiedenen Kegel und die Kupplungsgewindegänge greifen nicht in die Stiftgewindegänge in der Verschwindungskonusfläche ein.
Die Maßnahme einer langen Schrägfläche oder Kegelfläche auf dem Kupplungs-OD trägt außerdem zu einer Ermüdungsfestigkeit gegenüber einer seitlichen Belastung der Kupplung bei. Die Kegelfläche ermöglicht eine allmähliche Änderung der Steifheit der zusammengebauten Anordnung. In konventionellen Schraubkupplungsrohren erhöhen abrupte Veränderungen in der Steifheit die Belastungskonzentration in der auslaufenden Gewindefläche. Konventionelle Schraubkupplungsrohre weisen Kupplungen mit einer viel kürzeren Kegelfläche oder überhaupt keiner Kegelfläche auf. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Form verläuft der Kegel der Kupplung vom Ende (Stirnfläche) der Kupplung bis zu einer Stelle über dem letzten Punkt von Stiftgewindegängen mit voller Tiefe.
Ein weiteres Merkmal, das zur Ermüdungsfestigkeit gegenüber einer seitlichen Belastung der Kupplung beiträgt, ist die Verwendung einer dünnen Fläche am Kupplungsende. Die dünne Kupplungsfläche verleiht dem Teil der Kupplung an der Fläche Flexibilität. Diese Flexibilität verringert eine Belastungskonzentration in dem auslaufenden Gewindebereich. Eine geeignete Fläche kann eine Dicke aufweisen, die gleich oder geringer ist als die Dicke einer Gewindelänge und die Kupplungsdicke beim letzten voll ausgebildeten Gewinde in der Kupplung in der Nähe des Kupplungsendes. Konventionelle Kupplungsausgestaltungen verwenden eine sehr dicke Kupplungsfläche für eine Dauerhaftigkeit und ein Hochziehen. Solche dicke Kupplungen ergeben eine abrupte Veränderung in der Steifheit der fertigen Anordnung, die eine Spannungskonzentration in dem auslaufenden Gewindebereich verursacht.
Die Verwendung von in einander greifenden Gewindesitzen mit Kontaktflanken trägt schließlich auch zur Ermüdungsfestigkeit gegenüber Biegebelastungen bei. Der Kontakt an beiden Flanken des Gewindeganges nach dem Zusammenbau der Kupplung ermöglicht eine allmähliche Übertragung der Belastung zwischen dem Stift und der Kupplung während einer zyklischen Biegebeanspruchung der fertigen Anordnung. Kupplungsausgestaltungen, die ein API-Sägezahngewinde beinhalten, worin beide Gewindegangflanken beim Zusammenbau nicht in einander greifen, entlasten die Kontaktflanke vollständig, unterliegen einer relativen Bewegung zwischen dem Stift und der Kupplung, bis die gegenüberliegenden Flanken in Kontakt kommen, und übertragen dann eine Belastung zur neu kontaktierenden Flanke.
Jedes der beschriebenen Merkmale verbessert die Ermüdungsfestigkeit der fertigen Anordnung gegenüber einer zyklischen seitlichen Belastung. Der Einbau aller Merkmale in einem einzigen Kupplungsaufbau ergibt ein Ausmaß an Ermüdungsfestigkeit, das mit der von Schulter-, Stauch- und Schweißkupplungen konkurrieren kann. Dieses verbesserte Verhalten wird erreicht, indem man Schraubkupplungen verwendet, die die Schweiß- und Stauchkosten von Gerätekupplungen und speziellen Steigrohrkupplungen eliminiert. Bei extremen Belastungen, wo die teureren Steigrohrkupplungen erforderlich sind, um extremen Seitenbelastungen zu begegnen, kann die erfindungsgemäße Kupplung im Mittelabschnitt der Steigrohrreihe verwendet werden, wo die zyklischen Biegekräfte gemäßigter sind.
Die vorstehende Beschreibung und die Beispiele veranschaulichen ausgewählte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In ihrem Lichte sind für einen Fachmann auf diesem Gebiet Variationen und Modifikationen ersichtlich, die alle in den Rahmen und Anwendungsbereich der Erfindung fallen.

Claims

Kupplung (11) für eine Schraubverbindung (10), die verwendet wird, um die Enden (12a) röhrenförmiger Rohrsektionen (12) aneinander zu befestigen, mit: einem röhrenförmigen Kupplungskörper (11) mit axial verlaufenden inneren Gewindeflächen (11a, 11b) an jedem Ende des Kupplungskörpers; sich verjüngenden äußeren Oberflächen, die auf dem Kupplungskörper (11) ausgebildet sind, wobei sich jede der Oberflächen von einem zentralen Abschnitt des Kupplungskörpers in Richtung auf das Ende (11f) des Körpers erstreckt und im Durchmesser in axialer Richtung vom zentralen Abschnitt in Richtung auf das Ende des Körpers abnimmt, gekennzeichnet durch: die sich verjüngenden äußeren Oberflächen, die sich axial entlang dem Kupplungskörper über eine Kegelfläche erstrecken, um einen Steifigkeitsgradienten zwischen 0,3556 und 1,016 pro Zentimeter (0,15 bis 0,4 pro Inch) der axialen Kegellänge zu schaffen.
Kupplung nach Anspruch 1, ferner mit einer innen ausgebildeten ringförmigen Dichtfläche (11c) im Kupplungskörper zwischen den inneren Gewindeflächen für einen Eingriff mit den Ende der Rohrsektion.
Kupplung nach Anspruch 2, worin die sich verjüngenden äußeren Oberflächen sich axial entlang dem Kupplungskörper über eine Kegellänge erstrecken, die gleich zumindest ein Viertel der axialen Länge der Gewindefläche (11a) ist, die unter dem Ende des Kupplungskörpers liegt.
Kupplung nach Anspruch 2, worin eine Kupplungsfläche an jedem Ende der Kupplung (11) ausgebildet ist und die Dicke der Kupplungsfläche geringer als die Dicke einer Gewindelänge und die Kupplungsdicke beim letzten voll ausgebildeten Gewinde in der Kupplung in der Nähe des Kupplungsendes ist.
Kupplung nach Anspruch 4, worin die Kupplungsfläche eine Dicke von ungefähr 0,127 cm (0,050 Inch) hat.
Kupplung nach Anspruch 1, worin die Wanddicke und der maximale Außendurchmesser der Rohrsektion, mit der die Kupplung verbunden werden soll, genutzt werden, um eine Kegellänge so auszuwählen, daß ein gewünschter Steifigkeitsgradienten erhalten wird.
Kupplung nach Anspruch 6, worin die axiale Gewindelänge genutzt wird, um einen gewünschten Steifigkeitsgradienten auszuwählen.
Kupplung nach Anspruch 1, worin der größte Durchmesser des Kegels an einem Punkt im Bereich des letzten Kupplungsgewindes (12f) in Richtung auf das Kupplungsende beginnt, das so positioniert ist, daß es mit dem Außengewinde einer Rohrsektion (12) ganz in Eingriff steht, mit der die Kupplung verbunden werden soll.
Schraubverbindung (10), mit: einem Rohrstift (12a) auf dem Ende des röhrenförmigen Rohrkörpers (12), wobei der Stift ein schraubenförmig ausgebildetes Gewinde mit einem Fluchtpunkt (12g) (engl. vanishing point) auf der äußeren Oberfläche des Rohrs aufweist; einer Kupplung (11) mit einem röhrenförmigen Kupplungskörper mit axial verlaufenden inneren Gewindeflächen (11a, 11b) an jedem Ende des Körpers, wobei die inneren Gewindeflächen jeweils einen axialen Verlauf haben, der sich am Eingriffspunkt einer der Gewindeflächen mit dem Fluchtpunkt (12g) vorbei erstreckt, wenn die Kupplungsgewinde der einen Fläche mit den Stiftgewinden verschraubt sind; wobei die Kupplung auf dem Kupplungskörper ausgebildete, sich verjüngende äußere Oberflächen aufweist, die sich jeweils von einem zentralen Abschnitt des Kupplungskörpers in Richtung auf das Ende des Körpers (11f) erstrecken und deren Durchmesser in axialer Richtung vom zentralen Abschnitt in Richtung auf das Ende des Körpers abnimmt; gekennzeichnet durch: die sich verjüngenden äußeren Oberflächen, die sich axial entlang dem Kupplungskörper über eine Kegellänge erstrecken, um einen Steifigkeitsgradienten von 0,3556 bis 1,016 pro cm (0,15 bis 0,4 pro Inch) einer axialen Kegellänge zu schaffen.
Schraubverbindung nach Anspruch 9, ferner mit einer innen ausgebildeten ringförmigen Dichtfläche (11c) im Kupplungskörper zwischen den inneren Gewindeflächen für einen Eingriff mit den Ende einer Rohrsektion (12a).