ES2230465T3 - Junta roscada tubular con hilos trapezoidales con cara de hilo abombada convexa. - Google Patents

Abstract

Junta roscada tubular (100, 300) compuesta por un elemento roscado macho (1) en el extremo de un primer tubo (101, 301) y de un elemento roscado hembra (2) en el extremo de un segundo tubo (202, 302), dicho elemento roscado macho incluye exteriormente una rosca macho (103, 303) con hilos trapezoidales sobre sensiblemente toda la longitud de la rosca macho y dicho elemento roscado hembra incluye interiormente una rosca hembra (104, 304) con hilos trapezoidales sensiblemente sobre toda la longitud de la rosca hembra que casa con la rosca macho, dichas roscas machos y hembras están enroscadas una dentro de la otra con un par de enroscado determinado (Tf) de modo que por lo menos una cara de hilo macho (21, 321) está en contacto bajo presión de contacto con la cara correspondiente del hilo hembra (22, 322), caracterizada porque por lo menos una cara (125, 128, 325) de hilo bajo presión de contacto posee antes del enroscado una forma abombada convexa continua sobre la anchura de la cara considerada y está en contacto puntual con la cara correspondiente (26, 27, 326) del elemento con el que casa, presentando dicha cara abombada convexa sobre su anchura, excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes, uno o varios radios de curvatura (R1, R3) comprendidos entre 2 y 60 mm.

Description

Junta roscada tubular con hilos trapezoidales con cara de hilo abombada convexa.

La invención se refiere a las juntas roscadas tubulares compuestas por un elemento roscado macho y un elemento roscado hembra con hilos trapezoidales dispuestos en el extremo de tubos para ser conectados, dichos elementos roscados pueden estar dispuestos tanto en el extremo de tubos de gran longitud como de tubos de corta longitud como pueden ser los coples.

Este tipo de juntas roscadas tubulares son especialmente utilizadas para constituir columnas de tubos de revestimiento o de producción o sartas de perforación para pozos de hidrocarburos o para pozos similares como pueden ser los pozos para la geotermia.

Así por ejemplo, están definidos por las especificaciones API 5B y 5CT del American Petroleum Institute (API) con roscas cónicas con hilos trapezoidales denominados "Buttress".

Los hilos trapezoidales comprenden un flanco de enchufe en el lado de los hilos dirigido hacia el extremo libre del elemento roscado considerado, un flanco de carga en el lado opuesto de los hilos, una cresta de hilo de anchura distinta de cero y un fondo de hilo de anchura igualmente distinta de cero, dichos flancos de carga y flancos de enchufe presentan una orientación sensiblemente perpendicular al eje del elemento roscado (inclinación de +3º para los flancos de carga, de +10º para los flancos de enchufe, por ejemplo en el caso del hilo API Buttress).

Los hilos trapezoidales son definidos de esta manera en el presente documento por oposición a otros tipos de hilos definidos por las especificaciones del API anteriormente citadas, a saber, los hilos triangulares o triangulares redondeados ("redondos") cuyos flancos de carga y de enchufe están fuertemente inclinados en relación con la perpendicular al eje del elemento roscado (de 30º por ejemplo) y cuyas crestas y fondos de hilo tienen una anchura sensiblemente igual a cero. Éstos presentan, en relación con los hilos triangulares o redondos, importantes ventajas con respecto al riesgo inaceptable de desengranaje ("jump out").

Las juntas roscadas tubulares con hilos trapezoidales según API han sido objeto de numerosos desarrollos, especialmente para mejorar su resistencia a las solicitaciones muy diversas resultantes de las condiciones de explotación (tracción axial, compresión axial, flexión, torsión, presión interior o exterior ...) y su sellado a los fluidos que circulan por el interior o por el exterior de estas juntas bajo este tipo de solicitaciones. Estas mejoras están por ejemplo descritas en los documentos EP 488 912, EP 707 133, EP 454 147, WO 00/14441.

Otros tipos de juntas roscadas con hilos trapezoidales descritas por ejemplo en las patentes US 4 521 042 o US 4 570 982 y destinadas al mismo uso emplean roscas cilíndricas, especialmente roscas en dos pasos.

De manera general, las caras de los hilos trapezoidales de las juntas roscadas del estado actual de la técnica, es decir, los flancos de hilos así como las crestas y fondos de hilos, se muestran rectilíneos en sección axial excepto al nivel de los enlaces entre caras, enlaces que presentan generalmente un radio de enlace o un chaflán; es por ello por lo que, en el presente documento, llamaremos caras rectilíneas a dichas caras.

En todos estos tipos de juntas roscadas tubulares, se desarrolla, al final del enroscado de los elementos roscados uno dentro del otro, un contacto con presión de contacto entre por lo menos una cara de hilo macho y la cara correspondiente del hilo hembra. Según el tipo de rosca, esta presión de contacto puede desarrollarse entre crestas y fondos de hilo que casan entre sí, entre flancos de carga, entre flancos de enchufe o entre varias de estas caras.

El desarrollo de una presión de contacto entre caras correspondientes de hilos trapezoidales (y eventualmente entre otras superficies como pueden ser superficies de sello y superficies transversales de tope dispuestas correspondientemente sobre los elementos roscados) resulta de la necesidad de enroscar la junta roscada con un par notable de enroscado.

Una vez conectada la junta roscada con un par de enroscado determinado, se constata en las juntas roscadas conocidas que es suficiente aplicar un par apenas superior en valor absoluto al par de enroscado para, según el sentido de este par, sobreapretar o desenroscar la junta roscada.

Un sobreapriete puede especialmente producirse en el momento del descenso en rotación de una columna de tubos hacia el fondo de pozos de hidrocarburos inclinados, cuando no horizontales, y ocasionar una desviación de posicionamiento relativo de los elementos machos y hembras que puede tener como consecuencia nefasta el riesgo de fugas en las juntas roscadas.

Un desenroscado accidental en un pozo puede tener consecuencias todavía más graves.

Por lo tanto, con esta invención, se ha buscado realizar juntas roscadas tubulares con hilos trapezoidales que, una vez enroscados, requieran, para ir más allá de su posición de enroscado o para desenroscarlas, unos pares sensiblemente superiores en valor absoluto al par denominado par de enroscado, sin que estas juntas roscadas tubulares sean sensibles al desgarre.

También se ha buscado evitar los desgarres que resultan de presiones de contacto excesivas entre las caras correspondientes de hilo, especialmente entre flancos correspondientes de hilo.

Se ha buscado evitar, en particular, los desgarres en el caso de roscas con ajuste por interferencia axial o con hilos en cuña descritas por ejemplo respectivamente en las solicitudes de patente WO 00/14441 y WO 94/29627, en las que un contacto ajustado por interferencia se produce al mismo tiempo entre flancos de carga y flancos de enchufe de los hilos, cuyas presiones de contacto desarrolladas entre los flancos en contacto ajustado por interferencia son muy sensibles a la geometría efectiva de los hilos machos y hembras y, por lo tanto, a su aparejamiento.

Esto obliga a mecanizar las roscas con una gran precisión y, en consecuencia, supone un coste elevado. También se ha buscado que este tipo de juntas roscadas tubulares con hilos en cuña o hilos con ajuste por interferencia axial puedan estar mecanizadas con unas tolerancias dimensionales normales, por ejemplo del orden de 0,01 mm.

La junta roscada tubular según la invención comprende un elemento roscado macho en el extremo de un primer tubo y de un elemento roscado hembra en el extremo de un segundo tubo.

El elemento roscado macho incluye exteriormente una rosca macho con hilos trapezoidales sensiblemente sobre toda la longitud de la rosca y el elemento roscado hembra incluye interiormente una rosca hembra que casa con la rosca macho, es decir, de forma y de disposición adaptadas a su enroscado. Los elementos roscados machos y hembras están enroscados unos dentro de otros con un par de enroscado determinado, de tal modo que, por lo menos una cara de hilo macho, está bajo presión de contacto con la cara correspondiente de la rosca hembra.

Por rosca, se entiende una rosca con una única o varias partes roscadas. En este último caso, los hilos son trapezoidales sensiblemente sobre toda la longitud de cada una de las partes roscadas.

Por lo menos una cara de hilo bajo presión de contacto de una rosca posee antes del enroscado una forma abombada convexa continua sobre la anchura de la cara considerada y está en contacto denominado puntual con la cara correspondiente de la rosca con la que casa.

En el presente documento, se entiende por cara abombada convexa una cara de hilo que se muestra como curvilínea convexa en sección axial. Asimismo, se entiende respectivamente por cara abombada cóncava y por cara rectilínea las caras que se muestran como tales en sección axial (excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes).

El término "anchura" de cara designa, en el presente documento, la dimensión de la cara vista en sección axial. El término "anchura" de cara designa, en consecuencia, la dimensión esencialmente axial de crestas o de fondos de hilo y la dimensión esencialmente radial de flancos de hilo.

El término "hilo trapezoidal" corresponde a la definición general dada anteriormente, aún cuando algunas caras no son rectilíneas en el caso de la presente invención. Engloba hilos trapezoidales con ángulos de flancos de carga y de enchufe tanto positivos como negativos o iguales a cero (hilos cuadrados, en forma de gancho, de semicola de milano o de cola de milano), cuya convención de signo está ilustrada en los modos de realización expuestos más adelante en el texto.

Una cara abombada convexa, tal como está definida, crea con la cara correspondiente de la rosca con la que casa un contacto que se muestra, según una sección que pasa por el eje de la conexión, como puntual o sensiblemente puntual con tal que, por supuesto, los radios de curvatura de las caras correspondientes estén adaptados.

La presión de contacto resultante de dicho contacto puntual es máxima al nivel del punto de contacto y decrece en cada lado de este punto más o menos rápidamente según las desviaciones de radio de curvatura de las dos caras en contacto y las características de elasticidad de los materiales en contacto.

La curvatura de la cara abombada convexa se elige para que la junta roscada según la invención presente, una vez enroscada bajo el par de enroscado determinado comparativamente con una junta roscada convencional, cuyas caras de hilos machos y hembras son todas rectilíneas, una resistencia sensiblemente acrecentada al desenroscado o al sobreapriete.

Efectivamente, es necesario, de manera sorprendente, aplicar un par netamente superior en valor absoluto al par de enroscado, esto es un promedio de par superior en por lo menos un 5% al par de enroscado para, según el sentido del par aplicado, sobreapretar o desenroscar la junta roscada según la invención, una vez ésta está enroscada con el par de enroscado especificado. A priori cabría esperar lo contrario, es decir, que una resistencia acrecentada al desenroscado/sobreapriete para la junta roscada con caras de hilos rectilíneas que presenta a priori mayores superficies de rozamiento.

Además, teniendo en cuenta las cargas a las que están sometidas las caras de hilos de juntas roscadas tubulares, especialmente en el caso de juntas roscadas tubulares empleadas para la explotación de pozos de hidrocarburos que poseen menores anchuras y alturas de hilo, el entendido en la técnica no se sentía hasta el presente incitado a establecer contactos puntuales, por lo tanto, no repartidos, entre caras correspondientes bajo presión de contacto de hilos trapezoidales.

La curvatura de dicha cara abombada convexa está igualmente adaptada a la geometría de la cara correspondiente en contacto para que la presión máxima no ocasione una plastificación del material de las caras en contacto puntual.

Ventajosamente para ello, dicha cara abombada convexa presenta sobre su anchura, excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes, uno a varios radios de curvatura comprendidos entre 2 y 60 mm y preferentemente entre 3 y 20 mm.

Dicha cara abombada convexa puede estar realizada sobre la totalidad o sobre una parte de la longitud de la rosca considerada, pero está preferentemente realizada sobre toda la longitud de la rosca considerada y, por lo tanto, sobre toda la longitud de cada una de las partes roscadas, cuando la rosca incluye varias partes roscadas.

Preferentemente, dicha cara abombada convexa posee una curvatura uniforme sobre la anchura de la cara considerada excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes.

Preferentemente también, dicha cara abombada convexa posee una curvatura uniforme sobre toda la longitud de la rosca.

Preferentemente también, una cara abombada convexa corresponde con una cara rectilínea sobre la rosca con la que casa.

De una manera muy preferente, no existe sino una sola cara abombada convexa dispuesta sobre una sola rosca, macho o hembra.

Según un modo de realización preferida de la invención, las roscas macho y hembra de la junta roscada son cónicas con hilos que interfieren radialmente el uno sobre el otro y dicha cara abombada convexa es una cresta de hilo.

Según otro modo de realización preferido de la invención, dicha cara abombada convexa es un flanco de hilo macho o hembra y uno u otro de los hilos, macho o hembra, comprende un medio para hacer flexible el flanco abombado convexo o el flanco correspondiente a éste sobre la rosca con la que casa.

Preferentemente, el flanco abombado convexo es un flanco de carga.

En una variante de este segundo modo de realización, el flanco abombado convexo es un flanco de enchufe.

La flexión del flanco, calificado así de flexible en lo que sigue del presente documento, aumenta con la presión de contacto durante o al final del enroscado y permite especialmente que los hilos se adapten a las desviaciones de cotas dimensionales de las roscas macho y hembra en relación con las cotas nominales sin generar una excesiva presión de contacto.

Preferentemente, en este segundo modo de realización de la invención, dicho medio para hacer flexible el flanco abombado convexo o el flanco correspondiente a éste es una ranura dispuesta sobre la cresta de hilo adyacente al flanco flexible.

La flexión de la parte de hilo entre la ranura y el flanco flexible en el momento de un contacto bajo presión de contacto induce, en una representación en sección axial, una rotación del flanco flexible alrededor de un centro de rotación situado al pie del flanco flexible.

Preferentemente, la profundidad de la ranura es inferior o igual a la altura de hilo en donde está realizada.

Preferentemente también, la ranura posee en su abertura una anchura inferior o igual a las 2/3 partes de la anchura del hilo en donde está realizada, con una anchura de hilo medida a media altura de ésta.

Preferentemente todavía, el fondo de la ranura es redondeado siguiendo un radio superior o igual a 0,2 mm.

Ventajosamente, en el supuesto de que el medio para disminuir la rigidez de un flanco de hilo sea una ranura, el ángulo llamado "ángulo de flanco abombado convexo", formado por la tangente al flanco abombado convexo a media altura de éste y la perpendicular al eje de la conexión, es diferente del ángulo llamado "ángulo de flanco correspondiente", formado por la tangente al flanco correspondiente al flanco abombado convexo, tomada igualmente a media altura de dicho flanco correspondiente, y la perpendicular al eje de la conexión.

Tal diferencia entre estos ángulos comporta un desplazamiento del punto de contacto entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente a lo largo de estos flancos en el momento de la flexión del flanco flexible al final del enroscado o en función de las solicitaciones axiales en servicio.

Tal desplazamiento del punto de contacto evita que se tenga que solicitar siempre el mismo punto del flanco abombado convexo y del flanco correspondiente, lo que tiende a reducir los riesgos de desgarre de estos flancos después de varios enroscados y desenroscados.

Muy ventajosamente en este caso, los valores del ángulo de flanco abombado convexo y del ángulo de flanco correspondiente son tales que el primer contacto entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente tiene lugar sobre el flanco flexible del lado de la cresta de hilo donde está implantada la ranura.

Muy ventajosamente también, el signo del valor algebraico del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo y el ángulo de flanco correspondiente es tal que el punto de contacto entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente se desplaza en el transcurso del enroscado hacia el centro de rotación del flanco flexible.

Muy ventajosamente todavía, el valor del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo y el ángulo de flanco correspondiente es tal que el punto de contacto final entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente, una vez que la junta roscada está totalmente enroscada, se sitúa fuera de una cuarta parte de la anchura del flanco abombado convexo situado en el extremo de éste, en el lado del pie de hilo.

Tal disposición permite evitar concentraciones de tensión excesivas y nefastas al nivel del pie de hilo.

Los valores del ángulo de flanco abombado convexo y del ángulo de flanco correspondiente para obtener tales efectos técnicos pueden determinarse mediante cálculo o ensayos tal como se verá en los modos de realización expuestos.

Preferentemente, el valor absoluto del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo y el ángulo de flanco correspondiente está comprendido entre 1 y 5º.

Preferentemente, sobre la junta roscada según la invención, cada elemento macho y hembra comprende por lo menos una superficie de sello, en donde cada superficie de sello macho interfiere radialmente con una superficie de sello hembra correspondiente sobre la junta roscada tubular en estado de posición enroscada.

Preferentemente también sobre la junta roscada según la invención, cada elemento macho y hembra comprende por lo menos una superficie anular transversal de tope, de por lo menos una superficie de tope macho apoyada contra una superficie de tope hembra correspondiente sobre la junta roscada tubular en estado de posición enroscada.

Las figuras que siguen a continuación describen de forma esquemática y no limitativa diferentes modos de realización y de utilización de las juntas roscadas tubulares según la invención.

La figura 1 describe una conexión roscada de cople que incluye dos juntas roscadas con roscas cónicas e hilos trapezoidales.

La figura 2 describe una conexión roscada integral que incluye una junta roscada con roscas cilíndricas de dos pasos e hilos trapezoidales.

La figura 3 describe algunos hilos trapezoidales de una junta roscada según la invención del tipo de la figura 1 en la que las crestas de hilo hembras son abombadas convexas: la figura 3A se refiere únicamente a la rosca hembra, la figura 3B se refiere únicamente a la rosca macho y la figura 3C se refiere a la conexión terminada de los elementos de las figuras 3A y 3B.

La figura 4 describe algunos hilos de otra junta roscada según la invención, con la junta roscada del tipo de la figura 1 con unos hilos trapezoidales con ajuste por interferencia axial, cuyo flanco de enchufe macho es abombado convexo.

La figura 5 describe una variante de la junta roscada de la figura 4.

La figura 6 describe algunos hilos de otra junta roscada según la invención, del tipo de la figura 2 con unos hilos trapezoidales en cuña de anchura variable cuyo flanco de carga macho es abombado convexo.

Las figuras 4 a 6 comprenden cada una 4 subfiguras señaladas con las referencias de A a D: la referencia A se refiere a la rosca hembra únicamente mientras que la referencia B se refiere a la rosca macho únicamente. La referencia C se refiere a la conexión de los elementos de las referencias A y B en proceso de enroscado en el punto en el que las caras correspondientes se ponen en contacto. La referencia D se refiere a la conexión terminada de los elementos de las referencias A y B.

Las figuras 1 a 6 no son a escala sino que se han exagerado las características de las juntas roscadas para hacerlas más evidentes o facilitar la comprensión de su funcionamiento.

La figura 7 representa la repartición de las presiones de contacto entre cresta macho y fondo hembra de hilos trapezoidales interferentes, en ella, la figura 7A es relativa al contacto entre cresta y fondo rectilíneos de una junta roscada del estado actual de la técnica mientras que la figura 7B es relativa al contacto entre fondo rectilíneo y cresta abombada convexa de la junta roscada de la figura 3C.

La figura 8 es un gráfico que representa el desplazamiento del punto de contacto ajustado por interferencia en el caso de los hilos de la figura 4 en función del enroscado para diferentes configuraciones angulares de los flancos de enchufe.

La figura 9 es un gráfico que representa la rotación del flanco de enchufe flexible de la figura 4 en función del enroscado para diferentes configuraciones angulares de los flancos de enchufe.

La figura 10 es un gráfico que representa el desplazamiento del punto de contacto ajustado por interferencia en el caso de los hilos de la figura 4 en función del enroscado para diferentes radios de curvatura de la cara abombada convexa.

La figura 11 representa algunos hilos de otra junta roscada según la invención del tipo de la figura 1 con roscas cónicas e hilos trapezoidales interferentes.

La figura 1 representa una conexión roscada de cople 200 entre dos tubos de gran longitud 101, 101'.

Se entiende por tubos de gran longitud los tubos de varios metros de longitud, por ejemplo de alrededor de 10 m de longitud.

Dichos tubos están habitualmente conectados para constituir unas columnas de tubos de revestimiento o de producción para los pozos de hidrocarburos o sartas de perforación para los mismos pozos.

Los tubos pueden estar realizados con todo tipo de aceros no aleados, aceros de baja o de alta aleación, e incluso aleaciones férreas o no férreas para que se adapten a las diferentes condiciones de servicio: nivel de solicitación mecánica, carácter corrosivo del fluido interior o exterior de los tubos.

Se pueden utilizar asimismo tubos de acero de baja resistencia a la corrosión recubiertos por ejemplo de un material sintético que impida cualquier contacto entre el acero y el fluido corrosivo.

Los tubos 101, 101' están provistos en sus extremos de unos elementos roscados machos idénticos 1, 1' y están conectados a través de un cople 202 provisto en cada extremo de un elemento roscado hembra 2, 2'.

Los elementos roscados machos 1, 1' están respectivamente conectados mediante enroscado dentro de los elementos roscados hembras 2, 2' de forma que constituyen dos juntas roscadas 100, 100' simétricas, unidas por un talón 10 de algunos centímetros de longitud.

El talón 10 del cople posee un diámetro interior sensiblemente idéntico al de los tubos 101, 101', de modo que la corriente de un fluido que circule interiormente no es perturbada.

Puesto que las juntas roscadas 100, 100' son simétricas, sólo se describirá el funcionamiento de una de estas juntas.

El elemento roscado macho 1 comprende una rosca macho 3 con hilos trapezoidales derivados del tipo denominado "Buttress" según la especificación API 5B; esta rosca macho 3 es cónica y está dispuesta en la parte exterior del elemento macho y está separada del extremo libre 7 de dicho elemento por un borde no roscado 11. El extremo libre 7 es una superficie anular sensiblemente transversal de tope.

Lindando con el extremo libre 7 sobre la superficie exterior del borde 11 se encuentra una superficie cónica de asentamiento 5 cuya conicidad es superior a la de la rosca macho 3.

El elemento hembra 2 comprende unos medios que casan con los del elemento macho 1, es decir que por su forma corresponden y por su disposición están destinados a cooperar con los medios machos.

Por lo tanto, el elemento hembra 2 comprende interiormente una rosca hembra cónica 4 y una parte no roscada entre la rosca y el talón 10.

Esta parte no roscada comprende especialmente una superficie anular de orientación sensiblemente transversal de tope 8 que forma un espaldón en el extremo del talón y una superficie cónica de asentamiento 6 a continuación del espaldón.

Después del enroscado completo de la rosca macho dentro de la rosca hembra, las superficies transversales de tope 7 y 8 están en apoyo la una contra la otra, mientras que las superficies de asentamiento 5, 6 interfieren radialmente y, por ello, están bajo presión de contacto metal-metal. Por lo tanto, las superficies de asentamiento 5, 6 constituyen unas superficies de sello que hacen que la junta roscada quede sellada incluso con presiones de fluido interior o exterior elevadas y con diferentes solicitaciones (tracción axial, compresión axial, flexión, torsión, ...).

También se puede integrar en las roscas un anillo de sellado de un material sintético como puede ser un fluoropolímero para realizar o reforzar el sellado.

Otro ejemplo de conexión roscada entre dos tubos de gran longitud está ilustrado en la figura 2, este tipo de conexión 300 no emplea más que una junta roscada, que de esta forma se califica de integral.

El tubo 301 está provisto en uno de sus extremos de un elemento roscado macho 1, el segundo tubo 302 estando provisto de un elemento roscado hembra 2 en el extremo correspondiente.

El elemento roscado macho 1 comprende una rosca macho exterior constituida, en el caso de la figura 2, de dos pasos o gradas cilíndricas 303, 303', con hilos trapezoidales separados por una superficie anular transversal 307 de un espaldón central que forma un tope, la grada de menor diámetro 303' está dispuesta en el lado del extremo libre 309' del elemento y dicho extremo libre 309' es una superficie anular transversal.

Entre la parte roscada 303' y la superficie de extremo 309' se encuentra exteriormente una superficie de asentamiento cónica 311'.

Al lado opuesto, sobre el elemento macho, la parte roscada 303 se prolonga por una parte no roscada que comprende una superficie de asentamiento cónica 311 y una superficie anular transversal 309 que forma un espaldón.

El elemento roscado hembra 2 comprende interiormente unos medios hembras que casan con unos medios machos.

Por lo tanto, el elemento hembra 2 comprende una rosca hembra constituida por 2 gradas cilíndricas 304, 304' separadas por una superficie anular transversal 308 de un espaldón central que forma un tope, la grada de mayor diámetro 304 está dispuesta hacia el extremo libre anular transversal 310 del elemento hembra.

El elemento hembra comprende además dos superficies cónicas de asentamiento 312, 312' que corresponden a las superficies de asentamiento machos 311, 311' y una superficie anular transversal 310' que forma un espaldón en el extremo del elemento opuesto al extremo libre 310.

En estado enroscado, las partes roscadas machos 303, 303' están enroscadas respectivamente dentro de las partes roscadas hembras 304, 304' y las superficies de tope de los espaldones centrales 307, 308 están en apoyo una contra la otra. Las superficies transversales de extremo 309, 309' están casi en contacto con las del espaldón respectivamente 310, 310' y constituyen topes auxiliares para el tope principal central 307, 308.

Las superficies de asentamiento machos 311, 311' interfieren radialmente con las superficies de asentamiento hembras 312, 312', respectivamente, desarrollando unas presiones de contacto metal-metal elevadas capaces de asegurar el sellado de la junta con respecto a los fluidos exteriores o interiores.

En variantes no representadas, la conexión roscada de cople puede presentar unas roscas cilíndricas y la conexión integral unas roscas cónicas.

Las roscas pueden también consistir cada una en dos partes roscadas cónicas de conicidad idéntica o diferente o del tipo cilíndrico-cónico, a su vez, las partes roscadas de una misma rosca pueden ser con varios pasos o sin pasos.

En las figuras 1 y 2, las roscas han sido esquematizadas por las generatrices o las fundas de cresta de hilo y de fondo de hilo.

Las figuras siguientes permiten describir los hilos de las juntas roscadas según diversas variantes de la invención.

La figura 3 es relativa a unas roscas cónicas con hilos trapezoidales interferentes radialmente y con crestas de hilo abombadas convexas de una junta roscada 100 de la figura 1.

La figura 3B representa los hilos machos 21 de este tipo de junta roscada que tienen una forma trapezoidal clásica en sección axial y que incluyen un flanco de carga 23, un flanco de enchufe 25, una cresta de hilo 29 y un fondo de hilo 27. Su altura es h1 y su anchura a media altura es de 2,5 mm (rosca del tipo 5 hilos por pulgada).

Las crestas y los fondos de hilos están dispuestos sobre superficies cónicas de igual conicidad definida por el semiángulo en la cresta \gamma entre el cono "primitivo" simbolizado por su generatriz 37 y la dirección del eje de la conexión.

Las crestas de hilo 29 y los fondos de hilo 27 son rectilíneos excepto al nivel de los enlaces con los flancos; estos enlaces presentan de forma ampliamente conocida un radio del orden de la fracción de mm para limitar las concentraciones de tensiones de los fondos de hilo y la fragilidad de las aristas; las crestas de hilo 29 y los fondos de hilo 27 están dispuestos sobre superficies cónicas de semiángulo en la cresta \gamma.

Los flancos de carga 23 y de enchufe 25 son igualmente rectilíneos y forman respectivamente un ángulo \alpha y \beta con la perpendicular al eje de la conexión.

En el presente caso, \alpha es ligeramente negativo (el flanco 23 está un poco fuera de la vertical del fondo de hilo 27) mientras que el ángulo \beta es positivo y de mayor inclinación.

Como consecuencia de ello, los flancos forman entre sí un ángulo \delta tal que los hilos trapezoidales 21 son menos anchos en su cresta 29 que en su base.

Los hilos hembras 22 están representados en la figura 3A.

Su forma es sensiblemente trapezoidal y adaptada al enroscado con los hilos machos 21. Su altura h2 es ligeramente superior a la h1 de los hilos machos 21 y su anchura a media altura es de 2,5 mm (rosca del tipo de 5 hilos por pulgada).

Las crestas de hilo hembra 128 y los fondos de hilo hembra 30 son tangentes a, o están dispuestos sobre superficies cónicas de semiángulo en la cresta \gamma idéntica a la relativa a los hilos hembras.

Los fondos de hilo hembra 30 son rectilíneos, excepto al nivel de los enlaces con los flancos que presentan como los hilos machos un radio de enlace.

Las crestas de hilo hembra 128 son abombadas convexas de manera continua sobre toda su anchura, es decir que no presentan discontinuidad sobre su anchura.

Poseen un radio R3 igual a 5 mm (excepto al nivel de los enlaces con los flancos que presentan un radio de enlace inferior adaptado a los radios de enlace de los hilos machos).

Los flancos de carga 24 y de enchufe 26 forman respectivamente los mismos ángulos \alpha y \beta con la perpendicular al eje de la conexión que los flancos correspondientes 23, 25 de la rosca macho.

Cuando se enrosca la rosca macho 3 dentro de la rosca hembra 4, en un momento determinado se produce un contacto entre la cresta de hilo hembra 128 abombada convexa y el fondo de hilo macho 27, ya que se ha hecho lo necesario desde el punto de vista geométrico (h2 > h1) para que subsista un juego entre la cresta de hilo macho 29 y el fondo de hilo hembra 30, que los dos son rectilíneos: véase la Figura 3C.

Teniendo en cuenta la presencia de los topes 7, 8 (véase la figura 1), que están en apoyo el uno sobre el otro una vez que la junta roscada está enroscada, los elementos machos y hembras se encuentran bajo tracción axial, lo que provoca que los flancos de carga 23, 24 se encuentren todos bajo presión de contacto. De lo contrario, existe un juego entre flancos de enchufe macho y hembra 25, 26.

El contacto denominado interferente entre la cresta de hilo hembra 128 abombada convexa y el fondo de hilo macho 27 se produce puntualmente en O que se encuentra sensiblemente en medio de la cresta abombada 128 y del fondo rectilíneo 27.

La curvatura de la cresta de hilo hembra 128 abombada convexa permite acrecentar la resistencia al desenroscado o al sobreapriete de la junta roscada según la invención.

La figura 7A muestra esquemáticamente la repartición de las presiones de contacto sobre una junta roscada del estado actual de la técnica entre una cresta de hilo hembra 28 de forma rectilínea y un fondo de hilo macho 27 correspondiente de forma igualmente rectilínea.

Las flechas P_{c} dan la medida de la presión local de contacto en cada punto de contacto repartido; se puede constatar que los valores de presión de contacto P_{c} son más elevados en cada extremo R, S, T, U de los segmentos de contacto.

Como consecuencia de ello la grasa introducida para lubrificar las roscas y evitar el desgarre tiende a quedar retenida en el interior del segmento de contacto.

Una vez terminado el enroscado con un par T_{f} dado, es suficiente ejercer, sobre una junta roscada de este tipo del estado actual de la técnica, un par T_{s} de valor apenas superior a T_{f} para retomar el enroscado teniendo en cuenta la presencia del lubrificante retenido en los segmentos de contacto. Esto comporta un desplazamiento relativo de los elementos machos y hembras y un posicionamiento inadecuado de los medios de sellado.

Las técnicas recientes de perforación de pozos inclinados oblicua cuando no horizontalmente requieren especialmente hacer rodar los tubos y las juntas roscadas que los conectan en el momento de su descenso dentro del pozo y, por lo tanto, someter las juntas roscadas a un par de torsión importante. Es imperativo que una rotación de este tipo no ocasione fugas en servicio.

De la misma manera, para desenroscar una junta roscada, es necesario ejercer un par T_{b} de sentido opuesto a T_{f}, pero este par es sobre una junta roscada del estado actual de la técnica en valor absoluto idéntico al par de enroscado T_{f}.

La figura 7B muestra que una suave curvatura de las crestas de hilo hembra 128 permite eliminar el hueco mediano de presión de contacto y, por lo tanto, la retención del lubrificante entre las crestas de hilo hembra 128 y los fondos de hilo macho 27 interferentes, creando al contrario un pico mediano de presión de contacto.

Entonces es necesario ejercer un par T netamente superior a T_{f} en valor absoluto para sobreapretar o desenroscar la junta roscada.

Así se han realizado diferentes ensayos de enroscado-desenroscado con juntas roscadas del tipo VAM TOP ® (según el catálogo VAM ® nº 940 editado en julio de 1994 por Vallourec Oil & Gas) modificadas según la figura 3 y con las siguientes características:

\bullet

tubos de acero de baja aleación tratados para un grado API L80 (límite de elasticidad superior o igual a 552 MPa)

\bullet

diámetro exterior de los tubos: 177,8 mm (7'')

\bullet

espesor de los tubos: 10,36 mm (29 lb/ft)

\bullet

roscas de 5 hilos por pulgada

\bullet

conicidad de rosca = 6,25% (\gamma = 1,79º).

Se han medido los valores de par de desenroscado T_{b} para un enroscado con un par T_{f} para 4 juntas roscadas diferentes y diferentes niveles de par de enroscado.

En 11 ensayos de enroscado-desenroscado realizados, la desviación relativa entre T_{f} y T_{b} varía en valor absoluto entre el 3% y el 14% y con una media del 7,5%.

La elección de un radio de curvatura R3 demasiado suave conlleva un pico mediano de presión de contacto demasiado acusado y, en consecuencia, un riesgo de plastificación del material y/o de desgarre de los hilos después de varios usos de las juntas roscadas; ello también induce a una disminución de la anchura de los flancos de carga 23, 24 y, por lo tanto, de la carga máxima de tracción axial aceptable: un radio de curvatura R3 superior o igual a 2 mm se adapta sin lugar a dudas.

La elección de un radio de curvatura R3 demasiado grande no permite ya obtener el efecto deseado y, por lo tanto, conlleva un riesgo de retención del lubrificante: un radio de curvatura R3 inferior o igual a 60 mm y preferiblemente a 20 mm es el adecuado.

Se podría mejorar todavía más la característica ventajosa de resistencia al desenroscado o al sobreapriete de la junta roscada según la invención realizando además un flanco de carga macho o hembra ligeramente abombado convexo para así evitar cualquier aprisionamiento de grasa en medio de los flancos de carga.

La figura 4 es relativa a unas roscas cónicas con hilos trapezoidales con ajuste por interferencia axial de una junta roscada 100 de la figura 1.

Se entiende por hilos trapezoidales con ajuste por interferencia axial los hilos, tal como han sido descritos en el documento WO 00/14441, en los que la anchura de los hilos a media altura es superior a la anchura igualmente a media altura de los espacios entre hilos correspondientes de la rosca con la que casa, lo que induce a un ajuste por interferencia axial de los dos flancos de hilo de una rosca por los de la rosca con la que casa y recíprocamente.

La figura 4B representa algunos hilos machos 21 que tienen una forma sensiblemente trapezoidal en sección axial y que incluyen un flanco de carga 23, un flanco de enchufe 125, una cresta de hilo 29 y un fondo de hilo 27.

Las crestas y fondos de hilos son rectilíneos (excepto al nivel de los enlaces con los flancos que presentan un radio del orden de la fracción de mm para limitar las concentraciones de tensiones de los fondos de hilo y la fragilidad de las aristas) y están dispuestos sobre unas superficies cónicas de igual conicidad definida por el semiángulo en la cresta \gamma entre el cono "primitivo" simbolizado por su generatriz 37 y la dirección del eje de la conexión.

Los hilos presentan en toda su longitud una ranura helicoidal 31 de eje sensiblemente perpendicular al eje de la conexión que se abre sobre la cresta de hilo, aproximadamente a la mitad de su anchura.

La ranura 31 tiene un perfil en V con el fondo redondeado, el ángulo entre los dos brazos de la V es del orden de 35º y el radio en el fondo de la ranura 61 de 0,4 mm.

Su anchura en la abertura es del orden del 35% de la anchura de la cresta de hilo 29 y su profundidad es del orden del 60% de la altura del hilo 21.

El flanco de carga 23 es rectilíneo (excepto al nivel de los enlaces con las crestas y fondos de hilo como ya se ha indicado más arriba) y está ligeramente fuera de la vertical del fondo de hilo; el ángulo \alpha de este flanco de carga en relación con la perpendicular al eje de la conexión es por ello muy ligeramente negativo, igual a -3º.

El flanco de enchufe 125, que es adyacente a la cresta de hilo 29, es del tipo abombado convexo en toda su anchura MP; presenta un radio de curvatura uniforme R1 de varios mm, excepto al nivel de los enlaces con las crestas y fondos de hilo donde el radio de curvatura es inferior, del orden de la fracción de mm.

La tangente 39 al flanco de enchufe tomada a media altura del hilo forma un ángulo A con la perpendicular al eje de la conexión.

La anchura de hilo tomada a media altura de hilo es \ell1 mientras que \ell3 representa el espacio entre dientes de hilo a media altura; la suma (\ell1 + \ell3) es entonces igual al paso de hilo.

La figura 4A representa algunos hilos trapezoidales hembras 22 de forma adaptada a la de los hilos machos 21.

Los hilos hembras 22 poseen 4 caras rectilíneas (excepto al nivel de los enlaces con las crestas y fondos de hilo que presentan, de forma ampliamente conocida, un radio del orden de la fracción de mm para limitar las concentraciones de tensiones de los fondos de hilo y la fragilidad de las aristas), a saber:

-

un flanco de carga 24 que está fuera de la vertical del fondo de hilo 30 y con una inclinación de un ángulo \alpha en relación con la perpendicular del eje de la conexión, siendo este ángulo \alpha idéntico al ángulo del flanco de carga macho,

-

un flanco de enchufe 26 con una inclinación de un ángulo B en relación con la perpendicular al eje de la conexión, siendo el ángulo B ligeramente superior al ángulo A de la figura 4B,

-

una cresta de hilo 28 dispuesta sobre una superficie cónica de semiángulo en la cresta \gamma idéntica a la de la superficie cónica relativa a la rosca macho,

-

un fondo de hilo 30 igualmente dispuesto sobre una superficie cónica de semiángulo en la cresta \gamma.

Los ángulos \alpha y B son diferentes, siendo su diferencia \delta tal que los hilos 22 son menos anchos en su cresta 28 que en su base.

\ell2 representa la anchura del hilo hembra a media altura mientras que \ell4 representa el espacio entre dientes de hilo hembra a media altura; la suma (\ell2 + \ell4) representa el paso del hilo hembra que es idéntico al paso del hilo macho.

En la configuración de la junta roscada de la figura 4, \ell1 es superior a \ell4 y \ell2 es superior a \ell3, lo que tiene como consecuencia que, en el momento del enroscado, los dos flancos machos 23, 125 llegarán, en un momento determinado, teniendo en cuenta la conicidad de las roscas, a estar en contacto con los dos flancos hembras 24, 26; y, siguiendo el enroscado, los hilos 21, 22 serán sometidos a un ajuste por interferencia axial, de donde les viene el calificativo de hilos con ajuste por interferencia axial que se da a este tipo de hilos.

La figura 4C representa la posición de hilos macho 21 y hembra 22 en cuanto se produce el primer contacto durante el enroscado.

Los flancos de carga 23, 24 rectilíneos de ángulo \alpha están en contacto repartido sobre toda su anchura común.

Las crestas de hilos 29, 28 están todavía alejadas de los fondos de hilos correspondientes 30, 27.

Los flancos de enchufe 125, 26 están en contacto en el punto O que está situado sobre el arco MP, más cerca de M que de P, sobre el flanco macho 125 e igualmente más cerca de Q que de N sobre el flanco hembra 26. Por lo tanto, entonces el contacto tiene lugar en el lado de la cresta de hilo macho donde está implantada la ranura 31.

El contacto desfasado hacia M es consecuencia de que el ángulo A de la tangente 39 al flanco abombado convexo 125 a media altura de hilo es menor que el ángulo B constante del flanco hembra rectilíneo 26, en donde el punto O corresponde al punto donde la tangente al flanco abombado convexo 125 forma un ángulo igual a B en relación con la perpendicular al eje de la conexión.

Cuando se prosigue el enroscado más allá de la posición ilustrada por la figura 4C, debido a las roscas cónicas, los hilos machos tienden a penetrar en cuña en los huecos entre los hilos hembras y recíprocamente para los hilos hembras a penetrar en cuña dentro de los huecos entre los hilos machos, generando una presión de contacto ajustado por interferencia entre los flancos correspondientes. Esta presión de contacto aumenta cuando se prosigue el enroscado debido a la forma trapezoidal de los hilos y a la conicidad de los hilos.

En ausencia de cualquier ranura sobre unos hilos machos y hembras trapezoidales clásicos, teniendo en cuenta la realización de los hilos en material con módulo de elasticidad elevado del tipo del acero, los dos flancos forman rápidamente un tope extremadamente rígido y entonces ya no se puede proseguir el enroscado.

Ello no representaría ningún inconveniente grave si la geometría de los hilos fuera perfectamente reproducible, condición que de hecho no se produce.

Unas tolerancias normales de mecanizado de \pm 0,01 mm sobre las anchuras de hilo macho y hembra son susceptibles de acarrear una desviación de 0,02 mm sobre el ajuste por interferencia axial o apriete igual a (\ell1 - \ell4) o (\ell2 - \ell3).

Esta desviación comporta, debido a la conicidad de las roscas, unas desviaciones inaceptables de posicionamiento del elemento roscado macho/ elemento roscado hembra, e induce especialmente a desviaciones de interferencia radial al nivel de las superficies de sello 5, 6 y, por lo tanto, a riesgos inaceptables de fugas en servicio.

La ranura 31 que se abre sobre la cresta de hilo 29 adyacente al flanco de enchufe abombado convexo 125 permite que las dos partes 33, 35 de hilo macho 21 se deformen por flexión bajo la presión de contacto ajustado por interferencia resultante de la prosecución del enroscado más allá del primer contacto: la ranura 31 permite así flexibilizar la estructura del hilo macho 21 y disminuir la rigidez del flanco de enchufe 125.

La deformación de las dos partes 33, 35 de hilo macho es proporcional a la presión de contacto, dado que se hace trabajar el material del hilo macho 21 dentro del campo elástico, y el hilo hembra lleno 22 puede considerarse en una primera aproximación como rígido y la rigidez del resorte constituido por la parte de hilo 35 entre la ranura 31 y el flanco de enchufe flexible se determina por la geometría de esta parte de hilo 35 y por la elasticidad del material, por ejemplo, del acero del que está constituida.

La curvatura del flanco de enchufe macho abombado convexo 125 permite hacer trabajar a la ranura de forma óptima: en ausencia de tal curvatura, es decir si el flanco de enchufe macho fuera rectilíneo de ángulo igual a B, habría un acercamiento por translación de las partes 33, 35 del diente de hilo macho, lo cual provocaría una disminución importante del radio R2 en el fondo de ranura y un riesgo de cizallamiento de la raíz de las partes de hilo 33, 35.

La curvatura del flanco de enchufe macho 125 permite, al contrario, la rotación progresiva del flanco de enchufe abombado convexo 125, convertido así en flexible en el transcurso de la prosecución del enroscado, así como una repartición de las presiones de contacto según la teoría de Hertz.

El centro de rotación del flanco de enchufe flexible 125 está sensiblemente situado en P, al pie del flanco de enchufe flexible 125.

La figura 4D ilustra el posicionamiento de los hilos al final del enroscado.

La parte 35 del hilo comprendida entre ranura 31 y flanco de enchufe flexible 125 ha rodado en un cierto ángulo para permitir la adaptación del encaje entre flancos de hilos machos y hembras.

El punto de contacto inicial O se ha desplazado a O' en dirección del punto P a lo largo del arco MP.

Un desplazamiento del tipo OO' es beneficioso ya que permite no hacer trabajar siempre el mismo punto de los flancos de enchufe en el transcurso del enroscado y, por lo tanto, limitar los riesgos de desgarre.

Vemos así que es preferible realizar el primer contacto en O sobre la mitad de la anchura del arco MP opuesta a P y, si ello es posible, cerca del extremo M opuesto a P, es decir del lado de la cresta de hilo 29 donde está implantada la ranura 31.

La elección del radio de curvatura R1 del flanco abombado convexo 125 define el desplazamiento OO' para los ángulos A y B determinados.

Los gráficos siguientes de 8 a 10 resultan de unos estudios sobre juntas roscadas del tipo VAM TOP ® (según el catálogo VAM ® nº 940 editado en julio de 1994 por Vallourec Oil & Gas) modificadas según la figura 4 y con las siguientes características:

\bullet

tubos de acero de baja aleación tratados para un grado API L80 (límite de elasticidad superior o igual a 552 MPa);

\bullet

diámetro exterior de los tubos: 177,8 mm (7'');

\bullet

espesor de los tubos: 10,36 mm (29 lb/fi);

\bullet

roscas de paso de 6 mm y conicidad = 6,25% (\gamma = 1,79º);

\bullet

altura de hilo 1,8 mm; anchura de hilo 3,5 mm;

\bullet

\alpha = -3º; B (ángulo de flanco de enchufe hembra) = 13º; \delta = 10º;

\bullet

A (ángulo de flanco de enchufe macho a media altura) variable entre 9º y 14º;

\bullet

radio R1 del flanco de enchufe macho abombado convexo variable entre 5 y 20 mm;

\bullet

apriete (o ajuste por interferencia axial FA) variable entre 0 y 0,14 mm (0,04 mm buscado);

\bullet

profundidad de ranura: 1 mm; anchura de ranura en su abertura = 1,4 mm;

\bullet

radio R2 de fondo de ranura = 0,4 mm;

\bullet

centro del fondo de ranura situado a 2,3 mm del flanco de carga.

El gráfico de la figura 8 muestra el desplazamiento DC del punto de contacto O a lo largo del arco MP del flanco flexible 125 de la figura 4 en función del apriete FA sobre el flanco de enchufe para diferentes valores del ángulo A comprendidos entre 9º y 14º.

Se constata en la figura 8 que a un ángulo A mayor, más rápido es el desplazamiento DC del flanco 125.

Cuando el ángulo A es menor que el ángulo B, se verifica que el punto de contacto inicial O está situado sobre la mitad de la anchura del arco MP del lado opuesto al centro de rotación P.

El ángulo A no puede ser menor que 9º, ya que, de ser así, el punto O correría el riesgo de quedar fuera del arco MP, más allá de M.

Tampoco son deseables valores del ángulo A superiores a 12º, ya que el punto de contacto final O' podría quedar más allá de P para algunas parejas de elementos roscados macho-hembra mal aparejados.

Un funcionamiento en servicio con un punto de contacto O' cercano a P se revela además no óptimo, ya que llevaría a concentraciones de tensión al pie del hilo como en el caso de un contacto entre dos flancos rectilíneos.

Un valor del ángulo A de 10º parece perfectamente adaptado para el caso presente, dado que el punto de contacto final O' conlleva un pico de tensión que en el peor de los casos está situado apenas más allá de la mitad de la anchura del flanco del lado de P.

La figura 9 muestra sobre las mismas juntas roscadas la evolución del ángulo de rotación RFE del flanco flexible 125 en función del apriete FA.

Incluso entonces, la rotación del flanco 125 es tanto más rápida cuanto mayor es el ángulo A.

Es preferible elegir un ángulo A relativamente bajo (10º) para limitar así la amplitud de la rotación con el apriete.

De esta manera, la presión de contacto variará poco en función del apriete real obtenido.

El gráfico de la figura 10 muestra, para el mismo tipo de junta roscada, para diferentes radios de curvatura R1 del flanco 125, la influencia del apriete FA sobre el desplazamiento DC del punto de contacto, manteniéndose el ángulo A constante e igual a 10º.

Para un radio de curvatura R1 de 20 mm, el contacto inicial tiene lugar en M y el punto de contacto se desplaza rápidamente a lo largo del arco MP a medida que va avanzando el apriete.

Con un radio de curvatura R1 menor, se desplaza más el punto de contacto inicial O hacia P y más disminuye la velocidad de desplazamiento en función del apriete.

Un radio R demasiado por debajo de 5 mm se muestra nefasto si lo que se pretende es conservar un punto de contacto inicial O sobre la mitad de la anchura del arco MP opuesto a P.

De esta forma, se puede escoger convenientemente un radio de curvatura R1 del flanco de enchufe abombado convexo 125 entre 3 y 30 mm.

Se obtiene el mismo efecto de aumento de la resistencia de la junta roscada al desenroscado o al sobreapriete en el caso de hilos según la figura 4 que en el caso de juntas roscadas con crestas de hilo abombadas convexas según la figura 3, pero el aumento de esta resistencia es mucho más importante en el caso de hilos con ajuste por interferencia axial con flanco de enchufe abombado convexo que en el caso de los hilos de la figura 3, siendo no obstante el mecanismo de aumento de esta resistencia idéntico al presentado en la figura 7.

Se ha constatado una gran mejora en la resistencia al desenroscado gracias a unos ensayos de enroscado-desenroscado que han sido efectuados sobre dos juntas roscadas similares a las presentadas para los ensayos de las figuras de 8 a 10 pero que presentan características geométricas distintivas opuestas a las de la figura 4: el elemento roscado macho es convencional con un hilo macho con caras rectilíneas mientras que el elemento roscado hembra incluye un hilo hembra que presenta un flanco de enchufe abombado convexo y una ranura que se abre en cresta de hilo hembra.

Para un ángulo entre tangente al flanco de enchufe hembra abombado convexo y perpendicular al eje de la conexión (tomado a media altura de hilo) igual a 11º, un radio R1 de flanco de enchufe hembra abombado convexo igual a 10 mm y un apriete igual a 0,02 mm, el par de desenroscado T_{b} se ha elevado para una de las juntas roscadas al 130% y para la otra junta roscada al 123% del par de enroscado T_{f}.

La figura 5 es una variante de la figura 4. En esta figura 5, el hilo macho 21 posee igualmente un flanco de enchufe 125 abombado convexo de ángulo A a mitad de la anchura del flanco pero no incluye ranura.

Una ranura 32 está, por el contrario, dispuesta sobre el hilo hembra 22 y permite la flexión del flanco de enchufe hembra 26 rectilíneo que corresponde al flanco de enchufe abombado convexo 125 en condición de contacto ajustado por interferencia en el momento del enroscado.

En la configuración de la figura 5, el ángulo A es mayor que el ángulo B. Tal configuración permite, como puede observarse en las figuras 5C y 5D, un primer contacto en O sobre la mitad de la anchura del flanco de enchufe flexible 26 del lado de la cresta de hilo hembra 28 donde está implantada la ranura 32. Esta configuración permite igualmente el desplazamiento OO' del punto de contacto hacia el centro de rotación Q.

El funcionamiento de la junta roscada de la figura 5 es, por otro lado, similar al descrito en la figura 4.

La figura 6 muestra la aplicación a la junta roscada 300 de la figura 2 de un hilo con ranura y flanco de enchufe abombado convexo a una rosca cilíndrica con hilos trapezoidales denominados cuñas o de anchura variable, siendo dichas roscas con hilos en cuña especialmente conocidas por la patente US Re 30647.

La rosca macho 303' de la figura 6B comprende unos hilos del género trapezoidal de cola de milano y de anchura variable.

Los hilos trapezoidales machos 321 comprenden:

-

una cresta de hilo 329 rectilínea paralela al eje de la junta roscada;

-

un fondo de hilo 327 igualmente rectilíneo y paralelo al eje de la junta roscada;

-

un flanco de enchufe 325 rectilíneo que está fuera de la vertical del fondo de hilo 327, siendo por ello contado con valores negativos el ángulo \beta entre flanco de enchufe y perpendicular al eje de la conexión;

-

un flanco de carga 323 abombado convexo de radio R1 (fuera de los enlaces con las crestas y los fondos de rosca).

El flanco 323 es de tal modo que la tangente 339 a media altura de hilo forma un ángulo A con la perpendicular al eje de la conexión.

Los ángulos \beta y A son de tal modo que los hilos son más anchos en su cresta 329 que en su base (hilos de cola de milano).

Estos hilos son denominados de paso constante y de anchura variable porque la anchura del hilo aumenta (y porque, en consecuencia, el espacio entre dientes de hilos disminuye) al alejarse del extremo libre del elemento roscado: tenemos así \ell3.1 superior a \ell3.2 en la figura 7B.

La rosca hembra 304' correspondiente está representada en la figura 6A.

Los hilos hembras 322 son del tipo denominado de cola de milano de anchura variable y adaptados a los hilos machos 321.

Las crestas de hilo 328 y fondos de hilo 330 son rectilíneos y paralelos al eje de la conexión.

Los flancos de carga 324 y de enchufe 326 son igualmente rectilíneos; los dos están fuera de la vertical de los fondos de hilos 330 de modo que sus ángulos respectivos B y \beta en relación con la perpendicular al eje de la conexión se cuentan con valores negativos.

La anchura de los hilos \ell2 a media altura disminuye con la progresiva aproximación al extremo libre del elemento de modo que \ell2.1 es superior a \ell2.2 en la figura 6A.

Los hilos hembras 322 incluyen además sobre toda su longitud una ranura helicoidal 332 cuyo eje es sensiblemente perpendicular al eje de la conexión y que se abre sobre la cresta de hilo 328.

Esta ranura tiene un perfil en V con fondo redondeado de radio R2 igual a 0,4 mm.

Cuando se enroscan las roscas 303', 304' una dentro de la otra, se comienza por asociar hilos de anchura menor en huecos de anchura mayor pero a medida que se va enroscando, este juego disminuye hasta su anulación en un momento determinado representado en la figura 6C: los flancos de carga macho y hembra 323, 324 están en contacto puntual en O y los flancos de enchufe macho y hembra 325, 326 están en contacto repartido.

Como en el caso de la figura 5, el punto O está situado sobre el segmento NQ del lado de la cresta de hilo 328 donde está implantada la ranura 332.

Ello es consecuencia, como lo precedente, del hecho de que el ángulo A es menor que el ángulo B en valor absoluto.

Si se prosigue el enroscado más allá del simple contacto entre flancos, los hilos cada vez más anchos tienden a situarse en los huecos cada vez más estrechos: se produce entonces un ajuste por interferencia axial progresivo en cuña de los flancos, de donde proviene el calificativo "cuña" de este tipo de rosca; como en el caso de las figuras 4 o 5, sólo se puede proseguir el enroscado si se permite que los flancos se deformen elásticamente.

La función de la ranura 332 ventajosamente asistida por la forma abombada convexa del flanco de carga 323 es permitir dicha deformación elástica de los flancos.

Las funciones de la ranura 332 y del flanco abombado convexo 323 son parecidas a las de las ranuras 31, 32 y del flanco abombado convexo 125 de las figuras 4 y 5, siendo rectilíneo el flanco flexible 324 como en el caso de la figura 5.

Se puede elegir convenientemente el radio de curvatura R1 del flanco de carga macho 323 para acrecentar la resistencia de la junta roscada al desenroscado o al sobreapriete por un mecanismo idéntico al presentado en la figura 7.

Debe observarse que las juntas roscadas de las figuras 4 a 6 pueden igualmente ser adaptadas a unas roscas cónicas con hilos en cuña de anchura variable del tipo divulgado en el documento WO 94/29627. Tal adaptación resulta fácil para el entendido en la técnica teniendo en cuenta las indicaciones precedentes.

De este modo se puede realizar, siempre dentro del alcance de la presente invención, una junta roscada tubular con ajuste por interferencia axial según la figura 4 que presente una interferencia radial entre las crestas de uno de los hilos, macho o hembra, y el fondo de hilo con el que casa al final del enroscado.

También se puede realizar, siempre dentro del alcance de la presente invención, una junta roscada tubular con roscas cónicas interferentes cuyos flancos de carga machos o flancos de carga hembras sean abombados convexos y cuyos hilos machos o hembras presenten una ranura que se abre en cresta de hilo para acomodar las variaciones de contacto entre flancos de carga debidas a solicitaciones variables de tracción, compresión o flexión en servicio.

Tales variaciones de contacto son susceptibles, sobre hilos macizos (= sin ranura) con flancos de carga rectilíneos de inducir el desarrollo de fisuras de fatiga ("pitting") sobre estos flancos de carga.

Los diferentes modos de realización de la presente invención descritos o no descritos pueden por otro lado ser aplicados tanto a conexiones roscadas integrales como a conexiones roscadas de cople.

Se puede por ejemplo realizar una junta roscada tal como en las figuras 11 cuyos hilos hembras (fig. 11 A) trapezoidales poseen caras completamente rectilíneas mientras los hilos machos (fig. 11 B) correspondientes tienen forma general también trapezoidal pero con un flanco de carga 123 convexo tal como en la figura 6B.

La altura h1 de los hilos machos es un poco inferior a la altura h2 de los hilos hembras y la anchura de los hilos machos o hembras es ligeramente inferior a la anchura de los espacios entre hilos correspondientes tal como en las figuras 3A, 3B de modo que después del enroscado (fig. 11C) las crestas de hilo hembras 28 interfieren radialmente con los fondos de hilo machos 27 mientras existe un juego radial entre crestas de hilo machos 29 y fondos de hilo hembras 30. Además los flancos de carga machos 123 y hembras 24 están en apoyo mientras existe un juego axial entre flancos de enchufe machos 24 y hembras 26.

Los hilos hembras 22 son macizos mientras los hilos machos 21 tienen una ranura 31 similar a la de la figura 4, que permite acomodar las variaciones de presión de contacto en servicio.

La curvatura del flanco de carga macho 123 permite, además de los efectos sobre la resistencia al sobreapriete y al desenroscado, muy ventajosamente, dominar la anchura del contacto y la localización del contacto entre flancos de carga 123, 24 como indicado anteriormente cuando la cara abombada convexa es un flanco de enchufe (véase figuras 4 y 5).

Efectos similares pudieran ser obtenidos realizando un flanco de carga hembra abombado convexo, el flanco de carga macho siendo rectilíneo.

Efectos similares pudieran también obtenerse en juntas roscadas con roscas cónicas e hilos denominados "rugged threads" tal como las descritas en los documentos EP 454 147 o JP 08281061 cuyos flancos de carga machos y hembras están en apoyo mientras los flancos de enchufe machos y hembras están en contacto al final del enroscado, los hilos de por lo menos una rosca tienen un flanco de carga o un flanco de enchufe o flancos de carga y de enchufe abombados convexos.

Claims (21)

1. Junta roscada tubular (100, 300) compuesta por un elemento roscado macho (1) en el extremo de un primer tubo (101, 301) y de un elemento roscado hembra (2) en el extremo de un segundo tubo (202, 302), dicho elemento roscado macho incluye exteriormente una rosca macho (103, 303) con hilos trapezoidales sobre sensiblemente toda la longitud de la rosca macho y dicho elemento roscado hembra incluye interiormente una rosca hembra (104, 304) con hilos trapezoidales sensiblemente sobre toda la longitud de la rosca hembra que casa con la rosca macho, dichas roscas machos y hembras están enroscadas una dentro de la otra con un par de enroscado determinado (T_{f}) de modo que por lo menos una cara de hilo macho (21, 321) está en contacto bajo presión de contacto con la cara correspondiente del hilo hembra (22, 322), caracterizada porque por lo menos una cara (125, 128, 325) de hilo bajo presión de contacto posee antes del enroscado una forma abombada convexa continua sobre la anchura de la cara considerada y está en contacto puntual con la cara correspondiente (26, 27, 326) del elemento con el que casa, presentando dicha cara abombada convexa sobre su anchura, excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes, uno o varios radios de curvatura (R1, R3) comprendidos entre 2 y 60 mm.

2. Junta roscada tubular según la reivindicación 1, caracterizada porque la cara abombada convexa está realizada sobre toda la longitud de la rosca en cuestión.

3. Junta roscada tubular según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dicha cara abombada convexa posee una curvatura uniforme sobre la anchura de dicha cara abombada convexa excepto al nivel de los enlaces con las caras adyacentes y sobre toda la longitud de la rosca donde está realizada.

4. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizada porque una cara abombada convexa (125, 128, 325) de una rosca (21, 321) corresponde con una cara rectilínea (26, 27, 326) sobre la rosca con la que casa (22, 322).

5. Junta roscada tubular según la reivindicación 4, caracterizada porque sólo incluye una única cara abombada convexa dispuesta sobre una sola de las dos roscas.

6. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizada porque las roscas machos y hembras son cónicas con hilos que interfieren radialmente uno sobre el otro y porque dicha cara abombada convexa es una cresta de hilo (128).

7. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizada porque dicha cara abombada es un flanco de hilo (125, 323) y porque uno u otro de los hilos, macho (21) o hembra (22, 322), incluye un medio (31, 32, 332) para hacer flexible el flanco abombado convexo (125) o el flanco correspondiente (26, 324) a éste sobre la rosca con la que casa.

8. Junta roscada tubular según la reivindicación 7, caracterizada porque el medio para hacer flexible el flanco abombado convexo o el flanco correspondiente a éste es una ranura (31, 32, 332) dispuesta sobre la cresta de hilo (29, 28, 328) adyacente al flanco flexible.

9. Junta roscada tubular según la reivindicación 8, caracterizada porque la profundidad de la ranura es inferior o igual a la altura del hilo donde está realizada.

10. Junta roscada tubular según la reivindicación 8 o 9, caracterizada porque la ranura posee una anchura en su abertura inferior o igual a las 2/3 partes de la anchura del hilo donde está realizada tomada a media altura del hilo.

11. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 8 a 10, caracterizada porque el fondo de la ranura está redondeado siguiendo un radio (R2) superior o igual a 0,2 mm.

12. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 8 a 11, caracterizada porque el ángulo (A) denominado "de flanco abombado convexo" entre la tangente (39, 339) al flanco abombado convexo a media altura de dicho flanco abombado convexo y la perpendicular al eje de la conexión es diferente del ángulo (B) denominado "ángulo de flanco correspondiente" entre la tangente (26, 326) al flanco correspondiente al flanco abombado convexo tomada igualmente a media altura de dicho flanco correspondiente y la perpendicular al eje de la conexión.

13. Junta roscada tubular según la reivindicación 12, caracterizada porque los valores del ángulo de flanco abombado convexo (A) y del ángulo de flanco correspondiente (B) son tales que el primer contacto (O) en el momento del enroscado entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente tiene lugar sobre el flanco flexible del lado de la cresta de hilo (29, 28, 328) donde está implantada la ranura.

14. Junta roscada tubular según la reivindicación 12 o 13, caracterizada porque el signo del valor algebraico del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo (A) y el ángulo de flanco correspondiente (B) es tal que el punto de contacto entre el flanco abombado convexo y el flanco correspondiente se desplaza durante el enroscado hacia el centro de rotación del flanco flexible.

15. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 12 a 14, caracterizada porque el valor del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo (A) y el ángulo de flanco correspondiente (B) es tal que el punto de contacto final (O') entre flanco abombado convexo y flanco correspondiente se sitúa fuera de la cuarta parte de la anchura del flanco flexible situado en el extremo de éste, del lado pie de hilo.

16. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 12 a 15, caracterizada porque el valor absoluto del desfase entre el ángulo de flanco abombado convexo (A) y el ángulo de flanco correspondiente (B) está comprendido entre 1º y 5º.

17. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 7 a 16, caracterizada porque el flanco abombado convexo es un flanco de carga (323).

18. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 7 a 16, caracterizada porque el flanco abombado convexo es un flanco de enchufe (125).

19. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 7 a 18, caracterizada porque la junta roscada es del tipo comprendido entre las con hilos interferentes radialmente, las con hilos denominados "rugged threads", las con hilos con ajuste par interferencia axial, las con hilos en cuña y anchura variable.

20. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 7 a 19, caracterizada porque cada elemento macho y hembra incluye por lo menos una superficie de sello, y cada superficie de sello macho (5, 305) interfiere radialmente con una superficie de sello hembra correspondiente (6, 306) sobre la junta roscada tubular en estado de posición enroscada.

21. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 20, caracterizada porque cada elemento macho y hembra comprende por lo menos una superficie anular transversal de tope, por lo menos una superficie de tope macho (7, 307) estando en apoyo contra una superficie de tope hembra correspondiente (8, 308) sobre la junta roscada tubular en estado de posición enroscada.