BRPI0920855B1

BRPI0920855B1 - Junta rosqueada para tubos de aço

Info

Publication number: BRPI0920855B1
Application number: BRPI0920855-0A
Authority: BR
Inventors: Takashi Okada; Keiichi Nakamura; Masaaki Sugino; Suguru Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Mannesmann Oil & Gas France
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2020-09-15
Also published as: JP5492885B2; AU2009307315A1; UA100314C2; EA021308B1; AU2009307315B2; CN102187139A; EP2337982B1; MY154419A; WO2010047406A1; CA2739711C; BRPI0920855A8; EP2337982A1; EP2337982A4; BRPI0920855A2; JP2012506000A; MX2011004112A; EA201170589A1; NO2337982T3; CA2739711A1; AR073945A1

Abstract

junta rosqueada para tubos de aço. em uma junta rosqueada para tubos de aço compreende um pino (1) e uma caixa (2), cada um tendo uma parte rosqueada (11 ou 21), uma superfície de vedação (13 ou 23) e uma superfície de ombro (14, 15 ou 24, 25), a superfície de vedação (13) do pino (1) é formada por uma superfície afunilada, e a superfície de vedação (23) da caixa (2) é formada por uma parte de primeira superfície curva com um grande raio de curvatura na faixa de 15 a 120 mm, uma parte de superfície afunilada, e a segunda parte da superfície curva com um grande raio de curvatura de novo na faixa de 15 a 120 mm.

Description

Campo Técnico

[0001] Esta invenção geralmente refere-se a uma junta rosqueada usada para conectar tubos de aço como produtos tubulares petrolíferos (OCTG) incluindo tubulação e revestimento usados para a exploração e produção de óleo cru e gás natural, tubos de riser, e tubos de linha. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a uma junta rosqueada para tubos de aço que possuem uma parte rosqueada, uma superfície de vedação, e uma superfície de ombro e que possui excelente desempenho de vedação de resistência à pressão.

Técnica dos antecedentes

[0002] Juntas rosqueadas para tubos de aço, que são amplamente usados para conectar tubos de aço usados em equipamento das indústrias de produção de petróleo tal como produtos tubulares petrolíferos e tubos de riser, são constituídos por um pino, que é um elemento com roscas externas ou macho fornecidas na extremidade de um primeiro membro tubular, e uma caixa, que é um elemento com roscas internas ou fêmeas fornecidas na extremidade de um segundo membro tubular. A conexão de uma junta rosqueada é conduzida por engate de rosqueamento das roscas macho e das roscas fêmeas, que são ambas as roscas cônicas.

[0003] Tipicamente, o primeiro membro tubular é um tubo tal como um tubo de aço para uso em produtos tubulares petrolíferos e o segundo membro tubular é um membro diferente na forma de um acoplamento. Este tipo de junta rosqueada para tubos de aço é referida como um tipo de acoplamento. Em uma junta do tipo de acoplamento, um pino é formado e ambas as extremidades do tubo, é uma caixa é formada em ambos os lados do acoplamento. Há também juntas rosqueadas integrais para tubos de aço nas quais um pino é formado na superfície externa em uma extremidade de um tubo e uma caixa é formada na superfície interna da outra extremidade do tubo. Neste caso, o primeiro membro tubular é um primeiro tubo, e o Segundo membro tubular é um segundo tubo, e os dois tubos são conectados sem um acoplamento.

[0004] Produtos tubulares petrolíferos são usualmente conectados uns aos outros se usando juntas rosqueadas padrão prescritas pelos padrões API (American Petroleum Institute). Contudo, nos últimos anos, como os ambientes nos quais escavação e produção de óleo cru e gás natural são conduzidas, têm se tomado cada vez mais severos, juntas rosqueadas de alto desempenho especial referidas como juntas Premium são cada vez mais usadas.

[0005] Em uma junta Premium, tanto o pino quanto a caixa possuem, em adição às juntas cônicas que tomam possível fixar o pino e a caixa, uma superfície de vedação fornecida em uma superfície periférica na proximidade das roscas e uma superfície de ombro que age como uma tampa durante a conexão da junta. Interferência radial é fornecida entre as superfícies de vedação do pino e da caixa. Quando a junta está apertada até que a superfície do ombro do pino e da caixa confine uma à outra, as superfícies de vedação de ambos os membros contatam uma à outra estreitamente em volta de toda a periferia da junta de modo a formar uma vedação por contato metal- a-metal. As superfícies de ombro não funcionam somente como tampas na hora do aperto, mas também suporta uma carga compressiva atuando na junta.

[0006] As figuras 7(A) e 7(B) mostram vistas explicativas esquemáticas de uma típica junta rosqueada Premium para tubos de aço do tipo acoplamento nos quais a figura 7(B) é uma vista total e a figura 7(A) é uma vista alargada de uma parte da junta. Como mostrado nas figuras 7(A) e 7(B), este tipo de junta rosqueada para tubos de aço possui um pino 1 que é um elemento rosqueado macho fornecido na parte de extremidade de um tubo e uma caixa 2 que é um elemento rosqueado fêmea correspondente fornecido em ambos os lados de um acoplamento. Em sua superfície externa, o pino 1 possui juntas macho cônicas 11 e uma parte de ponta cilíndrica não rosqueada referida como um lábio (referido abaixo como uma parte de lábio) 12 adjacente às juntas macho 11. A parte de lábio 12 possui uma superfície de vedação 13 em sua periferia externa e uma superfície de ombro 14 em sua superfície de extremidade. A superfície de vedação 13 é uma superfície cônica (superfície frustocônica) que decresce gradualmente em diâmetro em direção à ponta do pino.

[0007] Correspondentemente, a caixa 2 possui, em sua superfície interna, juntas fêmeas cônicas 21, a superfície de vedação 23, e uma superfície de ombro 24 que pode engatar de maneira rosqueada ou com contato ou confinamento contra as juntas macho cônicas 11, a superfície de vedação de metal 13, e a superfície de ombro 14, respectivamente, do pino 1. Como mostrado na figura, uma parte de lábio que possui uma superfície de ombro em sua superfície de extremidade é na maioria dos casos fornecida na ponta do pino. Um intervalo 31 entre o pino e a caixa é formado na extremidade da parte do lábio adjacente às juntas macho para o propósito de coletar um lubrificante líquido ou semi-sólido que foi aplicado às superfícies do pino e/ou caixa para prevenir aspereza e infiltrações para fora da superfície aplicada durante o aperto (composição) da junta devido ao contato íntimo das juntas e as superfícies de vedação do pino e da caixa.

[0008] Poços verticais anteriores foram dominantes. Em tais poços, uma junta rosqueada para tubo de aços tinha desempenho suficiente se podia resistir à carga de tensão do peso dos tubos conectados à mesma e se podia prevenir vazamento de fluido de alta pressão passando através de seu interior. Contudo, nos últimos anos, como os poços tornaram-se mais profundos, como poços inclinados ou poços horizontais que possuem um furo de poço que é curvado no subterrâneo têm aumentado em número, e conforme o desenvolvimento de poços em ambientes severos tal como no fundo do mar ou em regiões polares têm aumentado, uma forte demanda tem se desenvolvido para um aumento em resistência à compressão e aperfeiçoamentos em desempenho de vedação de juntas rosqueadas para tubos de aço, particularmente sob pressões internas e externas.

[0009] Para aperfeiçoar a resistência à compressão e desempenho de vedação de uma junta rosqueada Premium sob pressões interna e externa, o documento de patente WO 2004/109173 (a seguir referido como Documento de Patente 1) propõe uma junta rosqueada para tubos de aço que, como mostrado na Figura 2, possui uma parte de lábio estendida que inclui uma parte de nariz 16 entre a superfície de vedação 13 e a superfície de ombro 14 na extremidade de um pino 1. A parte do nariz 16 do pino 1 fornece uma região sem contato 18 na qual as superfícies opostas do pino 1 e da caixa 2 não entram em contato uma com a outra. Por outro lado, as superfícies de vedação 13 e 23 e as superfícies de ombro 14 e 24 do pino e da caixa entram em contato uma com a outra. Pelo prolongamento da parte de lábio do pino 1 de modo a formar uma parte do nariz 16 que possui uma região sem contato 18 com uma superfície externa cilíndrica que não entra em contato com a caixa entre a superfície de extremidade e a superfície de vedação 13 do pino, a espessura da parede da parte labial e, portanto a espessura da parede da superfície de ombro e a superfície de vedação podem ser aumentadas dentro das restrições de uma espessura de parede de tubo limitada, e a resistência à compressão de uma junta rosqueada para tubos de aço e sua habilidade para formar um vedante que é resistente à pressão externa e interna, pode ser significativamente aumentada.

[00010] É revelado no Documento de Patente 1 que como mostrado na Figura 4, a superfície de vedação de uma caixa pode ser da forma que possui uma combinação de uma superfície toroidal (R) (uma superfície formada pela rotação de um arco sobre o centro do eixo geométrico da junta) no lado da superfície de vedação perto da parte rosqueada e uma superfície cônica (TA) (uma superfície formada por rotação de uma linha reta sobre o centro do eixo geométrico da junta) no lado da superfície de vedação perto do ombro, enquanto a superfície de vedação de um pino é formada de uma superfície cônica preferencialmente com a mesma inclinação que a superfície cônica TA da caixa. Esta forma pode aumentar a estabilidade da pressão de contato das superfícies de vedação do pino e da caixa sob uma variedade de condições de operação.

[00011] A Figura 5 é uma vista esquemática que mostra diferentes formas da superfície de vedação de uma caixa que entra em contato com uma forma cônica da superfície de vedação de um pino. A Figura 5(A) mostra um exemplo no qual a superfície de vedação de uma caixa é constituída somente por uma superfície cônica (TA), A Figura 5(B) mostra um exemplo no qual é constituído somente por uma superfície curvada (R), e a Figura 5(C) mostra um exemplo no qual é constituído por uma combinação de uma superfície cônica (TA) e uma superfície curvada (R). Em cada caso, o pino é constituído somente por uma superfície cônica.

[00012] Como mostrado na Figura 5(A), quando a caixa é uma superfície cônica de vedação (TA) como na superfície de vedação do pino, o contato entre as superfícies de vedação do pino e da caixa é concentrado na borda 51 da mesma mais perto das juntas. Como mostrado na Figura 5(B), quando a superfície de vedação da caixa é uma superfície curvada (R) e a do pino é uma superfície cônica, a área de contato entre as superfícies de vedação do pino e da caixa diminui, e a estabilidade do contato pode piorar. Como mostrado na Figura 5(C), quando a superfície de vedação da caixa é uma superfície combinada constituída por uma superfície cônica (TA) e uma superfície curvada (R) e aquela do pino é uma superfície cônica, como descrito no Documento de Patente 1, a estabilidade de contato pode ser aumentada sob uma variedade de condições de uso.

[00013] US 2002/0017788 revela um conector de tubo tendo um elemento de pino que possui uma seção rosqueada externa cônica entre um ombro externo e uma face terminal do pino, uma primeira seção de pino sem rosca entre o ombro externo e a seção rosqueada externa, e uma segunda seção de pino sem rosca entre a seção rosqueada externa e a face terminal do pino. Um elemento de caixa é provido para engate rosqueado com o elemento de pino tendo uma seção rosqueada interna cônica entre um ombro interno e uma face terminal de caixa, uma primeira seção de caixa sem rosca entre o ombro interno e a seção rosqueada interna, e uma segunda seção de caixa sem rosca entre a seção rosqueada interna e a face terminal de caixa. Adequadamente, a segunda seção de pino sem rosca e a primeira seção de caixa sem rosca na área da junta interna é pelo menos duas vezes tão longo quanto a primeira seção de pino sem rosca e a segunda seção de caixa sem rosca na área da junta externa.

Sumário da Invenção

[00014] A junta rosqueada para tubos de aço proposta no Documento de Patente 1 no qual a superfície de vedação de uma caixa é feita de uma combinação de uma superfície toroidal mais perto da parte rosqueada e uma superfície cônica mais perto do ombro normalmente exibe desempenho de vedação adequada mesmo quando uma carga compressiva ou de tensão é aplicada enquanto a pressão interna ou externa está sendo aplicada à junta rosqueada.

[00015] Contudo, sob condições de testes severos para desempenho de vedação como especificado em ISO 13679 no qual uma carga de compressão e de tensão e uma pressão interna e pressão externa de uma magnitude tal que o corpo do tubo sofre deformação plástica sobre toda sua superfície são repetidamente aplicadas, os presentes inventores descobriram que mesmo uma junta rosqueada como acaba de ser descrita pode desenvolver micro aspereza em suas superfícies de vedação. Tais condições de testes de vedação severos forma estabelecidas na luz das condições de uso de produtos tubulares petrolíferos, que têm se tornado cada vez mais severas nos últimos anos. Portanto, mesmo com a acima descrita junta rosqueada para tubos de aço, a micro aspereza pode se desenvolver sob algumas condições, e no pior caso, o desempenho de vedação é comprometido.

[00016] O objetivo da presente invenção é o de resolver o problema de micro aspereza que pode desenvolver nas superfícies de vedação de uma junta rosqueada para tubos de aço.

[00017] Os presentes inventores desempenharam investigações da forma das superfícies de vedação da junta rosqueada para tubos de aço na base da forma descrita no Documento de Patente 1, e obtiveram as seguintes descobertas por análise usando o método de elemento finito (FEM) e por testes de vedação. (1) Em um teste de vedação severo como definido no ISO 13679, por exemplo, no qual uma carga compressiva e de tensão ou uma pressão externa e interna de uma magnitude tal que um corpo de tubo sofre deformação plástica sobre toda sua superfície são repetidamente aplicadas muitas vezes, as superfícies de vedação deslizam na direção do eixo geométrico para frente e para trás com uma amplitude de minuto durante o teste. Como um resultado, quando o pico de pressão de contato é grande tal como quando há uma grande quantidade de interferência, as superfícies de vedação tornam-se ásperas e desenvolvem micro asperezas devido a este deslizamento para frente e para trás de minuto. (2) Esta micro aspereza ocorre mais facilmente no lado do ombro (ou traseira) das superfícies de vedação da caixa. Isto é devido à pressão externa, a parte rosqueada do pino sofre uma diminuição no diâmetro e o engate rosqueado das juntas do pino e da caixa torna-se perdido, como um resultado, a amplitude do acima descrito deslizamento para frente e para trás aumenta. Em adição, sob uma carga devido à pressão externa, devido a uma reação à diminuição no diâmetro da parte rosqueada do pino, a ponta do lábio do pino reciprocamente sofre um aumento no diâmetro (como visto em um corte transversal longitudinal, a deformação ocorre de tal modo que a ponta do lábio dobra para fora). Portanto, a região do contato primário entre as superfícies de vedação do pino e da caixa desloca do lado rosqueado em direção ao lado do ombro.

[00018] A Figura 6 é uma vista esquemática que mostra as localizações de contato entre as superfícies de vedação de um pino e uma caixa. Mais especificamente mostra as localizações de contato da superfície de vedação 13 de um pino e a superfície de vedação 23 de uma caixa. A superfície de vedação 23 da caixa é distinguida de regiões contíguas pela borda 51 e borda 56. As superfícies de vedação normalmente entram em contato uma com a outra em uma região mais perto da parte rosqueada na hora da composição como mostrado esquematicamente pela região de distribuição de pressão de contato 61. Contudo, se uma pressão externa é aplicada, o contato ocorre em uma região mais perto dos ombros como mostrado esquematicamente pela região de distribuição de pressão de contato 62.

[00019] Baseado nas descobertas acima descritas, os presentes inventores confirmaram que a ocorrência de micro aspereza em um teste de vedação severo pode ser prevenida fornecendo para a superfície de vedação de uma caixa, um grande raio de curvatura no lado traseiro (ombro) da mesma, em adição a um grande raio de curvatura no lado oposto mais perto da parte rosqueada. Isto é pensado para ser assim porque o contato das superfícies de vedação do pino e da caixa nas quais uma parte de extremidade do lado do ombro da superfície de vedação da caixa possui um grande raio de curvatura que previne o pico da pressão de contato de se tornar grande nesta parte de extremidade, como experimentado quando esta parte de extremidade possui um pequeno raio de curvatura (um raio de curvatura R de 1 mm a 6 mm, por exemplo.

[00020] Uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção compreende um pino e uma caixa na qual o pino possui juntas macho e uma parte de lábio que possui uma superfície de vedação e uma superfície de ombro e a caixa possuem juntas fêmeas, uma superfície de vedação, e uma superfície de ombro, na hora da composição, as juntas macho de forma rosqueada engatando com as juntas fêmeas, a superfície de vedação do pino entra em contato de forma vedante com a superfície de vedação correspondente da caixa, e a superfície de ombro do pino confinando a superfície de ombro da caixa, caracterizado nisto que a superfície de vedação do pino é uma superfície cônica e a superfície de vedação da caixa compreende, na direção das juntas fêmeas em direção à superfície de ombro, uma primeira parte de superfície curvada, uma superfície cônica, e uma segunda parte de superfície curvada, em que a parte de superfície afunilada é uma superfície produzida girando uma linha reta inclinada em relação ao eixo geométrico da junta, sobre o eixo geométrico da junta, a superfície afunilada é uma superfície produzida girando uma linha reta inclinada em relação ao eixo geométrico da junta, sobre o eixo geométrico da junta, a primeira superfície curva tem um raio de curvatura de 15 mm a 120 mm e a segunda superfície curva tem um raio de curvatura de 15 mm a 120 mm.

[00021] A primeira parte de superfície curvada com um grande raio de curvatura pode compreender uma pluralidade de superfícies curvadas. Similarmente, a segunda parte de superfície curvada com um grande raio de curvatura pode compreender uma pluralidade de superfícies curvadas.

[00022] O termo "superfície de vedação" usado no presente refere-se a uma região que inclui uma parte não rosqueada onde um pino e uma caixa entram em contato intimamente um com o outro de modo a formar um vedante de contato metal-a-metal, à prova de gás. A expressão "entrando em contato de forma vedante" indica desempenhando tal contato íntimo entre as superfícies de vedação do pino e da caixa. Em cada um dos pino e caixa, a superfície de vedação é distinguida de regiões contíguas por um ponto onde a inclinação é descontínua ou por uma curva que possui um pequeno raio de curvatura (no máximo 6 mm).

[00023] As superfícies curvadas são superfícies que possuem um raio de curvatura R de 15 mm a 120 mm. Contanto que uma superfície de vedação de uma junta rosqueada, que é a parte principal projetada pela presente invenção e que normalmente tem um comprimento de 2.5 a 8 mm, seja a questão, se a primeira ou segunda parte de superfície curvada possui um raio de curvatura R que excede 120 mm, a forma da superfície curvada se aproxima aquela de uma superfície cônica (uma superfície que possui corte transversal em linha reta na direção do eixo geométrico da junta rosqueada) de modo que esta parte da superfície de vedação não pode mais funcionar como uma superfície curvada (uma superfície que possui um corte transversal em linha curva na direção do eixo geométrico da junta rosqueada) no comprimento limitado da superfície de vedação. Se o raio de curvatura R da primeira ou segunda parte de superfície curva é menor que 15 mm, a pressão de contato aplicada a esta parte curva na superfície de vedação torna-se alta, e a estabilidade de contato da superfície de vedação é comprometida.

[00024] Uma superfície curva com um grande raio de curvatura é uma superfície produzida girando uma curva (um arco de um círculo, um arco de uma elipse, uma parábola, ou semelhante) que possui o grande raio de curvatura acima descrito sobre o eixo geométrico da junta rosqueada (eixo geométrico da junta), que está em alinhamento com o eixo geométrico de um tubo de aço conectado pela junta rosqueada. Como atestado anteriormente, cada uma das primeira e segunda partes de superfície curva podem ser formadas de uma combinação de uma pluralidade de superfícies curvas cada uma possuindo um grande raio de curvatura.

[00025] Uma superfície cônica é uma superfície produzida girando uma linha reta que é inclinada com respeito ao eixo geométrico da junta sobre o eixo geométrico da junta.

[00026] Uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção funciona mais efetivamente quando o ângulo de inclinação das superfícies de vedação do pino e da caixa é de 5 a 25 graus com respeito ao eixo geométrico da junta. O ângulo de inclinação da superfície de vedação significa a inclinação com respeito ao eixo geométrico da junta das superfícies cônicas nas superfícies de vedação do pino e da caixa, nomeadamente, a parte de superfície cônica na superfície de vedação da caixa e a superfície cônica de vedação do pino.

[00027] Preferencialmente uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção possui uma estrutura de um pino na qual a superfície de ombro do pino é disposta na superfície de extremidade do pino, a superfície de vedação do pino está posicionada na proximidade das extremidades das juntas macho no lado mais perto da superfície de extremidade do pino, e uma parte do nariz que não entra em contato com a parte oposta da caixa é fornecida entre a superfície de vedação e a superfície de ombro do pino. Tal junta rosqueada pode exibir desempenho aperfeiçoado com respeito à resistência à compressão e resistência a uma carga combinada tal como compressão ou tensão combinada com pressão externa.

[00028] É também preferível em uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção que a superfície de ombro do pino compreenda duas superfícies contíguas distintas, superfície de ombro principal no lado interno radial e sub-superfície de ombro no lado externo radial, e a superfície de ombro correspondente da caixa opondo-se à superfície de ombro do pino compreendendo duas superfícies contíguas distintas, superfície de ombro principal no lado interno radial e sub-superfície de ombro no lado externo radial, as superfícies de ombro principais do pino e caixa sendo dispostas de modo a prevenir uma deformação interior radial da parte de extremidade do lábio, as sub-superfícies de ombro do pino e caixa sendo disposta de modo a limitar uma deformação exterior radial da parte de extremidade do lábio, a superfície de ombro principal do pino que possui uma dimensão radial maior que a sub-superfície de ombro do pino, e ao menos a superfície de ombro principal do pino sendo no confinamento do eixo geométrico com a superfície de ombro principal correspondente ou oposta da caixa.

[00029] Em uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção, a superfície de vedação da caixa é formada por uma primeira e segunda partes de superfície curva ambas com um grande raio de curvatura e uma superfície cônica entre essas duas partes de superfície curva. Como um resultado, quando uma carga de tensão e uma carga de compressão e uma pressão externa e interna de uma magnitude que causa deformação plástica sobre toda a superfície do corpo do tubo são repetidamente aplicadas , a ocorrência de micro aspereza nas superfícies de vedação do pino e da caixa podem ser reduzidas.

[00030] Além disso, através de uma junta rosqueada para tubos de aço com uma superfície de vedação da estrutura acima descrita tendo uma parte de ponta, que não entra em contato com a parte contrária de uma caixa entre a superfície de vedação e a superfície do ombro de um pino ou tendo uma superfície principal e uma de sub-ombro em que a superfície principal do ombro é fornecida de modo a evitar a deformação radial para dentro da parte final do lábio do pino e a superfície do sub-ombro é fornecida de forma a limitar a deformação radialmente para fora da parte final do lábio, é possível melhorar a resistência à compressão e o desempenho geral de vedação com a carga combinada que inclui a compressão e pressões externas ou tensões e pressões externas.

BREVE EXPLICAÇÃO DOS DESENHOS

[00031] As Figuras I (A) e I (B) mostram cortes transversais esquemáticos de uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção em que figura I (A) é uma vista parcial dos arredores da parte do lábio de um pino e a Figura I (B) é uma visão geral mostrando o pino e uma caixa.

[00032] A Figura 2 é uma visão esquemática transversal mostrando a proximidade da parte labial do pino de uma junta rosqueada para tubos de aço descritos no Documento de Patente 1.

[00033] As Figuras 3 (A) a 3 () mostram vistas esquemáticas de uma superfície de vedação de uma caixa em uma junta rosqueada para aço, em que as figuras 3 (A) e 3 (B) mostram uma superfície de vedação de acordo com a presente invenção compreendendo uma primeira parte de superfície de curva com um grande raio de curvatura (RA), uma parte de superfície afunilada (TA), e uma segunda parte de superfície curva com um grande raio de curvatura (RB), a Figura 3 (C) mostra uma superfície de vedação de acordo com a presente invenção tendo uma estrutura que compreende uma terceira parte de superfície curva com um grande raio de curvatura (RC), uma primeira parte de superfície curva com um grande raio de curvatura (RA), uma parte de superfície afunilada (TA), e uma segunda parte de superfície curva com um grande raio de curvatura (RB) e a Figura 3 (D) mostra uma superfície de vedação de uma junta rosqueada comparativa compreendendo uma parte de superfície curva, com um grande raio de curvatura (RA) e uma parte de superfície afunilada (TA).

[00034] A Figura 4 é uma vista esquemática mostrando um exemplo das superfícies de vedação de um pino e uma caixa de uma junta rosqueada para tubos de aço descritos no Documento de Patente 1, e compreendendo uma parte de superfície curva, com um grande raio de curvatura (R) e uma parte de superfície afunilada (TA) como na Figura 3 (D).

[00035] As Figuras 5 (A) a 5 (C) mostram vistas esquemáticas explicando as formas das superfícies de vedação de uma caixa e um pino. A Figura 5 (A) é um exemplo em que a caixa tem uma superfície afunilada (TA) e um pino tem uma superfície afunilada (TA), a Figura 5 (B) é um exemplo em que uma caixa tem uma superfície curva (RA) e um pino tem uma superfície afunilada (TA), e na Figura 5 (C) é um exemplo em que uma caixa tem uma superfície combinada que inclui uma superfície afunilada (TA) e uma superfície curva (RA), enquanto um pino tem uma superfície afunilada (TA).

[00036] A Figura 6 é uma vista esquemática mostrando as partes de contato de uma superfície de vedação.

[00037] A Figura 7 mostra cortes transversais esquemáticos de uma junta de primeira linha convencional típica para produtos tubulares de produtos tubulares petrolíferos do tipo de engate, a Figura 7 (A) sendo uma vista parcial mostrando apenas um lado da junta e a Figura 7 (B), sendo uma vista global.

MODOS DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[00038] Ajunta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção será explicada ao se referir aos desenhos.

[00039] As Figuras I (A) e I (B) mostram cortes transversais esquemáticos de uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção. A Figura I (A) é uma vista parcial mostrando a proximidade do lábio de um pino e Figura I (B) é uma visão geral mostrando o pino e uma caixa. Esta junta rosqueada é do tipo de junta rosqueada de primeira linha e é constituída por um pino 1 e uma caixa 2 cada um tendo roscas afuniladas e uma superfície de vedação sem rosca. A Figura I (B) mostra um exemplo de segmentos afunilados.

[00040] O pino 1 compreende uma parte rosqueada tendo roscas macho 11 e uma parte do lábio 12 com uma superfície de vedação 13 posicionada mais próxima da extremidade do tubo que a parte rosqueada. A superfície da extremidade da ponta da parte do lábio forma uma superfície de ombro. Como mostrado nos desenhos, a superfície de vedação 13 do pino 1 normalmente é posicionada na lateral da parte labial 12, que fica ao lado ou na proximidade da parte rosqueada 11.

[00041] A caixa 2 tem uma parte rosqueada tendo roscas fêmeas 21 que interagem de modo rosqueado com as roscas machos 11 do pino 1, uma superfície de vedação 23, que contata a superfície de vedação 13 do pino 1, de modo a formar um selo íntimo (uma vedação de metal para metal), e uma superfície de ombro, que encosta contra a superfície do ombro do pino na direção axial da junta.

[00042] Uma parte das roscas machos adjacentes à parte labial 12 pode ser uma rosca não engajada ou incompleta, que não combina com a rosca fêmea 21 da caixa 2.

[00043] A parte labial 12 do pino 1 da junta rosqueada para tubos de aço mostrada na Figura 1, que tem uma espessura média 41 é alongada para que ela tenha uma parte de ponta 16 entre a superfície de vedação 13 e a extremidade do pino 1. A parte de ponta forma uma região sem contato 18 em que o pino não entra em contato com a superfície oposta da caixa para um determinado comprimento axial. Assim, a parte labial é maior em comparação com a junta de primeira linha típica mostrada na Figura 7.

[00044] A maior parte da região sem contato 18 de cada um dos pinos e a caixa pode ser formada por uma superfície afunilada (com um diâmetro decrescente em direção à ponta do pino), como mostrado na Figura I (A) ou superfície cilíndrica com um diâmetro uniforme, como mostrado na Figura 2. A folga radial na parte principal da região sem contato entre o pino e a caixa é de preferência constante ao longo de seu comprimento.

[00045] Conforme o ilustrado, a parte de ponta 16 com um comprimento axial 45 inclui a região sem contato tendo um comprimento axial 48 e uma parte de ombro com um comprimento axial 49 (na modalidade ilustrada, o comprimento axial 49 é de uma parte de sub-ombro 15 como descrito abaixo), enquanto a parte de lábio 12 inclui a superfície de vedação 13 e parte de ponta 16. O comprimento axial 45 da parte de ponta 16 do pino 1 é de cerca de 4 a 22 mm, para um tubo do tamanho usado em produtos tubulares petrolíferos tendo um diâmetro exterior de cerca de 50 a 550 mm. O comprimento axial da parte sem contato 48 na parte de ponta16 do pino 1, de preferência compreende cerca de 45 a 90% do comprimento axial da parte de ponta 45.

[00046] Quanto maior for a espessura da superfície de vedação e parte de ponta da parte de lábio, maior será sua capacidade de vedação contra a pressão externa, assim quando um chanfro 17 é formado na superfície interna da extremidade do lábio, a fim de evitar turbulência, aumentando a circularidade, o ângulo do chanfro 17 com relação ao eixo da junta será de preferência um ângulo menor na faixa de 9 a 30 graus. Um chanfro com um ângulo raso pode igualmente ser estabelecido na superfície interna da caixa 2 vizinha ao pino 1, como mostrado na Figura 2.

[00047] Neste exemplo, a superfície do ombro na extremidade do pino 1 tem um contorno em duas etapas, compreendendo uma parte principal de superfície do ombro 14 no lado radialmente interno da junta e uma parte de superfície do sub-ombro 15 no lado radialmente externo da junta. A parte principal de superfície do ombro 14 do pino 1 é uma superfície reversa de ombro com um ângulo negativo 24 com relação a um plano perpendicular ao eixo da junta. Por outro lado, a parte de superfície do sub-ombro 15 tem um ângulo positivo 43 em relação a um plano perpendicular ao eixo da junta. A parte principal do ombro 14 tem uma dimensão radial 46 (espessura projetada em um plano perpendicular ao eixo da junta), que é maior do que a dimensão radial 47 da superfície do sub-ombro 15.

[00048] Correspondentemente, a superfície do ombro da caixa 2 tem um contorno em duas etapas compreendendo uma parte principal mais espessa de superfície do ombro 24 no lado radialmente interno da junta e uma parte mais fina de superfície do sub-ombro 25 no lado radialmente externo da junta. De preferência, a junção entre a parte principal da superfície do ombro 14 e a parte de superfície do sub-ombro 15 do pino forma um ápice arredondado com um raio de, no máximo, 1,5 mm e a caixa 2 tem um rebaixo arredondado entre a parte principal de ombro 24 e parte do sub-ombro 25.

[00049] O ângulo reverso 42 das principais superfícies do ombro 14 e 24 é de forma que o valor absoluto (na realidade é um ângulo negativo) do declive 42 da superfície principal do ombro 14 do pino 1, em relação a um plano perpendicular ao eixo da junta é de preferência 5 a 25 graus e mais de preferência 8 a 20 graus.

[00050] O declive 43 das superfícies de sub-ombro 15 e 25 com relação ao eixo da junta é, de preferência 5 a 30 graus (ou seja, o declive em relação a uma direção perpendicular ao eixo da junta é de pelo menos +60 graus e no máximo +85 graus), e mais de preferência é maior do que o declive 44 das superfícies de vedação.

[00051] As superfícies do sub-ombro 15 e 25 são normalmente concebidas de modo a não manter contato entre si durante um estado normal de confecção. As superfícies do sub-ombro destinam-se a manter contato entre si quando uma elevada carga de compressão é aplicada à rosca ou quando um torque de aperto excessivo é aplicado de modo a suprimir a deformação exterior do lábio. No entanto, as superfícies do sub-ombro 15 e 25 podem ser concebidas de modo a manter contato entre si durante um estado normal de confecção enquanto o desempenho das superfícies de vedação 13 e 23 não seja prejudicado.

[00052] Em uma modalidade de uma junta rosqueada com uma superfície de ombro com as duas etapas de contorno descritas acima, o comprimento axial 45 da parte de ponta 16 do pino 1 é substancialmente igual à soma do comprimento axial 48 da região de não contato 18 e do comprimento axial 18 da parte da superfície do sub-ombro 15 que é também normalmente não tem contato com a superfície oposta da caixa.

[00053] Com uma junta rosqueada da modalidade mostrada nas Figuras I (A) e I (B), fornecendo uma parte de ponta 16 com uma região sem contato 18 em uma posição mais próxima à extremidade do pino que a superfície de vedação 13 e fornecendo a forma da superfície de ombro na extremidade do pino com um contorno em duas etapas, incluindo uma parte principal da superfície do ombro 14 e uma parte de superfície sub-ombro 15, uma deformação instável da parte de lábio trie é suprimida, uma excelente resistência à compressão é obtida, e o desempenho geral de vedação sob uma carga repetida combinada é melhorada.

[00054] Em uma junta rosqueada para tubos de aço de acordo com a presente invenção, a superfície de vedação de um pino tem uma superfície afunilada, enquanto a superfície de vedação de uma caixa compreende, no sentido das roscas fêmeas e para a parte de ombro, uma parte de superfície curva com um grande raio de curvatura, uma parte de superfície afunilada, e uma segunda parte da superfície curva com um grande raio de curvatura. Ou seja, a primeira parte de superfície de curva fica mais próxima para as roscas fêmeas e a segunda parte de superfície curva fica mais perto da parte do ombro.

[00055] Como mencionado anteriormente, uma superfície com um grande raio de curvatura tem um raio de curvatura R de 15 a 120 mm. Uma superfície com um grande raio de curvatura é produzida pela rotação de uma linha curva com a curvatura grande acima descrita (um arco circular, um arco elíptico, uma parábola, ou semelhantes) em torno do eixo da junta. Uma pluralidade dessas porções de superfície curvas pode ser combinada em uma superfície com um raio de curvatura grande.

[00056] Uma superfície afunilada é formada pela rotação de uma linha reta que é inclinada em relação ao eixo da junta em torno do eixo da junta.

[00057] A Figura 3 (A) a 3 (D) mostram vistas esquemáticas de uma superfície de vedação de uma caixa de uma junta rosqueada. As Figuras 3 (A) a 3 (C) mostram exemplos de uma caixa de vedação de acordo com a presente invenção. A Figura 3 (A) mostra uma superfície de vedação tendo uma parte de superfície de curva com um raio de curvatura grande (RA), uma parte de superfície afunilada (TA), e uma segunda parte de superfície curva com um raio de curvatura grande (RB). Da mesma forma, a Figura 3 (B) mostra uma superfície de vedação tendo uma parte de superfície de curva com um raio de curvatura grande (RA), uma parte de superfície afunilada (TA), e uma segunda parte de superfície curva com um raio de curvatura grande (RB), mas o comprimento de pelo menos uma da primeira e segunda partes da superfície curva e a parte de superfície afunilada é diferente daquela da superfície de vedação mostrada na Figura I (A). A Figura 3 (C) mostra uma superfície de vedação com uma terceira superfície curva com um raio de curvatura grande (RC) é adicionada antes de uma primeira parte de superfície curva com um raio de curvatura grande (RA), seguida por uma parte de superfície afunilada (TA) e uma segunda parte superfície curva com um raio de curvatura grande (RB). A Figura 3 (D) mostra um exemplo comparativo de uma superfície de caixa de vedação tendo apenas uma parte de superfície curva com um raio de curvatura grande (RA) e uma parte de superfície afunilada (TA), conforme descrito no Documento de Patente 1 e mostrado na Figura 4.

[00058] A superfície de vedação 23 se distingue das regiões vizinhas por um ponto onde o declive varia de forma descontínua ou por uma curva com um pequeno raio de curvatura R (no máximo 6 mm). Nas Figuras 3 (A) a 3 (D), a superfície de vedação 23 possui fronteiras 51 e 56 em ambas as extremidades com pequenos raios de curvatura Rx e Ry (ambos de no máximo 6 mm), respectivamente. Na Figura 3 (A), a faixa ou o comprimento axial da superfície de vedação é demonstrado pelo número de referência 58. Como mencionado anteriormente, o comprimento axial da superfície de vedação é de aproximadamente 2,5 a 8 mm com um tubo do tamanho usado em produtos tubulares petrolíferos (com um diâmetro exterior de cerca de 50 a 550 mm).

[00059] A Figura 3 (A) é obtida pela adição de uma segunda parte de superfície curva, com um grande raio de curvatura 55 (RB) para o exemplo comparativo de uma superfície de vedação 23 mostrado na Figura 3 (D), que compreende uma primeira parte de superfície curva com um grande raio de curvatura 53 (AR) e uma parte de superfície afunilada 54 (TA). Ao fornecer uma segunda parte de superfície curva com um grande raio de curvatura 55 (RB), do lado da parte de superfície afunilada mais próxima da parte do ombro, o problema de micro desgastes pode ser reduzido. O raio de curvatura e o comprimento axial da segunda parte de superfície curva (RB) podem ser o mesmo ou diferentes dos da primeira parte de superfície curva (RA), desde que ambos tenham um grande raio de curvatura. Preferencialmente, o raio de curvatura da primeira parte de superfície curva (RA) é maior do que a segunda parte de superfície curva (RB).

[00060] A Figura 3 (B) é um exemplo que é o mesmo exemplo da Figura 3 (A), exceto que a proporção dos comprimentos de uma superfície com um grande raio de curvatura 53 (RA) e uma parte de superfície afunilada 54 (TA) é variada. A proporção do comprimento da parte da superfície afunilada 54 é de preferência de 1 a 6 e mais de preferência cerca de 0,1 a 0,45, e mais de preferência cerca de 0,1 a 0,3 de toda a extensão da superfície de vedação. Assim, o comprimento axial da parte afunilada 54 é de preferência, pelo menos, 0,5 mm e mais de preferência pelo menos 1 mm.

[00061] Na Figura 3 (C), uma terceira parte de superfície curva com um grande raio de curvatura 52 (RC) é fornecida entre a primeira superfície curva com um grande raio de curvatura 53 (AR) e a fronteira 51 (Rx) da Figura 3 (A). O grande raio de curvatura RC da superfície 52 é preferencialmente menor do que o grande raio de curvatura RA da superfície 53. Como resultado, as superfícies de vedação do pino e da caixa de não entram em contato com a fronteira 51, que tem um pequeno raio de curvatura Rx, e a pressão de contato nesta área pode ser diminuída. Como resultado, um contato mais estável entre as superfícies de vedação pode ser alcançado.

[00062] O ângulo de declive (ângulo de inclinação) da parte de superfície afunilada (TA) na superfície de vedação da caixa é de preferência o mesmo que a da superfície afunilada, que constitui apenas a superfície de vedação do pino, embora uma pequena diferença de 5 0 pode ser permitida entre os ângulos de declive do pino e da caixa.

[00063] Como mencionado anteriormente, o ângulo de declive da parte de superfície afunilada em uma superfície de vedação de uma caixa de acordo com a presente invenção e a da superfície afunilada do pino é de preferência 5 a 25 graus e mais de preferência 8 a 20 graus, a fim de garantir que as superfícies de vedação cumpram a sua função de vedação de modo eficaz. Se este ângulo for muito íngreme (muito grande), a pressão de contato de vedação no momento da aplicação de uma carga de tensão diminui, enquanto se for muito rasa (muito pequeno), os desgastes podem facilmente ocorrer devido a um aumento na distância de deslize.

[00064] A explicação acima diz respeito principalmente à junta rosqueada para tubos de aço mostrado na Figura 1 com uma região afunilada sem contato e as superfícies de ombro com contorno em duas etapas, mas a estrutura das superfícies de vedação 13, 23 do pino e da caixa de acordo com presente invenção também é eficaz com uma junta rosqueada para tubos de aço com uma parte de ponta como o mostrado na figura 2 com uma região cilíndrica sem contato e superfícies de ombro geralmente verticais. Também pode ser aplicada às superfícies de vedação 13, 23 de uma junta de primeira linha típica, como mostrado na Figura 7.

Exemplos

[00065] Para ilustrar os efeitos da presente invenção, uma Série A de ensaio especificado pela norma ISO 13679 foi realizado em uma junta de rosca para o invólucro medindo 23 cm de diâmetro e pesando 24 kg por 30 cm (pé exterior de 244,48 milímetros e espessura de 13,84 mm). Um pino foi formado no exterior em ambas as extremidades de um tubo de aço e uma caixa foi formada no interior em ambos os lados de um acoplamento. Ajunta rosqueada submetida a este ensaio que foi feito de aço L80 (aço carbono) especificado pelo API (American Petroleum Institute) tinha a forma de normas básicas de uma rosca para OCTGs do tipo de acoplamento mostrado na Figura 7, exceto para a forma de sua parte de lábio, que foi um lábio estendido tendo um formato como mostrado na Figura I (A) ou a Figura 2, incluindo uma superfície de vedação, uma superfície de ombro e uma região sem contato entre a superfície de vedação com a superfície de ombros para cada pino e caixa. O ângulo de inclinação da superfície afunilada (parte) nas superfícies de vedação do pino e da caixa foi de 14 graus. Duas juntas rosqueadas (A) e (B) em que as formas da superfície de vedação da caixa são diferentes entre si foram fornecidas por um ensaio de estanqueidade a gás.

[00066] Em uma junta rosqueada (A), que foi um exemplo de acordo com a presente invenção, o pino tinha uma parte de lábio da forma mostrada na Figura I (A) incluindo uma superfície de vedação afunilada, uma região afunilada sem contato, e uma superfície de ombro com contorno em duas etapas com uma parte de superfície principal do ombro e uma parte de superfície sub-ombro. O comprimento axial 45 da parte do lábio do pino foi de 15 mm, e o comprimento axial 49 da parte de superfície do sub-ombro foi 3,99 mm. O ângulo reverso 42 da parte principal de superfície do ombro era de 15 graus e o ângulo de declive 43 da parte de superfície do sub-ombro com relação ao eixo da junta foi de 20 graus. O ângulo de chanfro 17 com relação ao eixo da junta foi de 15 graus. A caixa que tinha o formato mostrado na Figura I (A) tinha uma superfície de vedação da forma mostrada na Figura 3 (A) em que começa a partir do lado mais próximo para as roscas fêmeas, tinha uma superfície curva com um grande raio de curvatura 53, com um raio R60 (para um comprimento axial de 1,75 mm), uma parte de superfície afunilada 54 (para um comprimento axial de 1,0 mm) e uma superfície curva com um grande raio de curvatura 55 com um raio R25 (para um comprimento axial de 1,0 mm). R60 e R25 indicam que o raio de curvatura é de 60 mm e 25 mm, respectivamente. O ângulo de declive da parte de superfície afunilada na superfície de vedação da caixa foi de 14°, como na superfície de vedação afunilada do pino.

[00067] Na outra junta rosqueada (B), o pino tinha um lábio da forma mostrada na Figura 2, incluindo uma superfície de vedação afunilada e uma região cilíndrica sem contato. O comprimento axial do lábio foi de 15 mm. A caixa correspondente tinha uma superfície de vedação da forma mostrada na Figura 3 (D), com uma superfície curva com um grande raio de curvatura 53 com um raio R60 (para um comprimento axial de 1,75 mm) e uma parte de superfície afunilada 54 (para um comprimento axial de 1,75 mm). O ângulo de declive da parte de superfície afunilada na superfície de vedação da caixa foi de 14 °, como na superfície de vedação afunilada do pino.

[00068] Quando essas duas juntas rosqueadas foram submetidas ao ensaio rígido Série A especificado pela norma ISO 13679, segundo o qual a carga combinada de tensão, compressão e pressão interna e externa foi repetidamente aplicada, e nenhum micro desgaste ocorreu na junta rosqueada (A), de acordo com a presente invenção. Com essa junta rosqueada, nenhum vazamento foi observado, as superfícies de vedação após este teste de estanqueidade a gás eram lisas e a rugosidade superficial ou semelhantes não foram observadas.

[00069] Em contraste, na junta rosqueada (B), conforme descrito no Documento de Patente 1 foi observada a ocorrência de micro desgastes, e como resultado, o vazamento também foi encontrado.

[00070] A explicação acima é de modos específicos da presente invenção, mas essa explicação é apenas um exemplo, e a presente invenção 10 não se limita a estes modos.

Claims

1. Junta rosqueada para tubos de aço que compreende um pino (1) e uma caixa (2) na qual o pino (1) tem roscas machos (11) e uma parte labial (12) tendo uma superfície de vedação (13) e uma superfície de ombro (14), e a caixa (2) tem roscas fêmeas (21), uma superfície de vedação (23), e uma superfície de ombro (24), sendo que ao tempo de confecção, as roscas machos (11) interagem com as roscas fêmeas (21), a superfície de vedação (13) do pino (1) contata de modo vedante a superfície de vedação (23) da caixa (2), e a superfície de ombro (14) do pino (1) encosta na superfície de ombro (24) da caixa (2), CARACTERIZADA pelo fato da superfície de vedação (13) do pino (1) ser constituída unicamente por uma parte de superfície afunilada, e a superfície de vedação (23) da caixa (2) compreende, na direção das roscas fêmea (21) para a superfície de ombro (24), uma primeira superfície curva (53), uma superfície afunilada (54), e uma segunda superfície curva (55), sendo que a parte de superfície afunilada é uma superfície produzida girando uma linha reta inclinada em relação ao eixo geométrico da junta sobre o eixo geométrico da junta, a superfície afunilada é uma superfície produzida girando uma linha reta inclinada em relação ao eixo geométrico da junta sobre o eixo geométrico da junta, a primeira superfície curva (53) tem um raio de curvatura de 15 mm a 120 mm e a segunda superfície curva (55) tem um raio de curvatura de 15 mm a 120 mm.

2. Junta rosqueada para tubos de aço, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a primeira superfície curva (53) compreende uma pluralidade de superfícies curvas.

3. Junta rosqueada para tubos de aço, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que a segunda superfície curva (55) compreende uma pluralidade de superfícies curvas.

4. Junta rosqueada para tubos de aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o ângulo de declive da superfície de vedação afunilada do pino (1) e a superfície afunilada (54) da superfície de vedação da caixa (2) com relação ao eixo da junta é de 5 a 25 graus.

5. Junta rosqueada para tubos de aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a superfície de ombro (14) do pino (1) é disposta na superfície final do pino (1), a superfície de vedação (13) do pino (1) é disposta nas imediações das roscas machos (11) entre as roscas machos (11) e a extremidade do tubo, e uma região sem contato (18) em que o pino (1) e a caixa (2) não mantêm contato entre si é disposta em cada um do pino (1) e da caixa (2) em uma posição entre a superfície de vedação (13) e a superfície de ombro (14).

6. Junta rosqueada para tubos de aço, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que a superfície de ombro (14, 24) de cada um do pino (1) e da caixa (2) inclui duas diferentes superfícies adjacentes constituídas por uma superfície principal de ombro no lado radialmente interno e uma superfície de sub-ombro no lado radialmente externo, as superfícies principais de ombro do pino (1) e caixa (2) sendo dispostas de forma a evitar a deformação radial para dentro da parte final da parte labial (12), as superfícies de sub-ombro do pino (1) e caixa (2) sendo dispostas de forma a limitar a deformação radialmente para fora da parte final da parte labial (12), a dimensão radial da superfície principal de ombro do pino (1) sendo maior do que a da superfície de sub-ombro do pino (1), e pelo menos a superfície principal de ombro do pino (1) adjacente a superfície principal de ombro da caixa (2) em direção axial na confecção.