BR0109604B1 - elemento rosqueado tubular desbastado que resiste à fadiga e junta rosqueada tubular. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTOROSQUEADO TUBULAR DESBASTADO QUE RESISTE À FADIGA EJUNTA ROSQUEADA TUBULAR".

A presente invenção refere-se a um elemento rosqueado tubularmacho ou fêmea de uma junta rosqueada tubular especialmente capaz deresistir às solicitações tanto estáticas quanto cíclicas.

A presente invenção refere-se também a uma junta rosqueada es-pecialmente capaz de resistir às solicitações tanto estáticas quanto cíclicas.

As juntas rosqueadas tubulares compreendem um elementorosqueado macho na extremidade de um primeiro tubo e um elemento ros-queado fêmea na extremidade de um segundo tubo que pode ser um tubode grande comprimento ou uma luva. Essas juntas rosqueadas são notada-mente utilizadas para constituir colunas de tubos de revestimento interno deconsolidação ou de produção ou trens de perfuração para poços de hidro-carbonetos ou para poços similares, tais como, por exemplo, poços para ageotermia.

O American Petroleum Institute (API) define em sua especifica-ção API 5B juntas rosqueadas entre tubos de revestimento interno de conso-lidação ou entre tubos de produção com notadamente rosqueamentos côni-cos de filetes triangulares arredondados ou trapezoidais.

Outros tipos de juntas rosqueadas também são conhecidos queempregam rosqueamentos cilíndricos ou cônicos de duplo nível: ver, por e-xemplo, as patentes US 4 521 042 e US 5 687 999.

Até pouco tempo atrás, os tubos de revestimento de consolida-ção interna ou de produção deviam essencialmente ser capazes de resistiràs diferentes combinações de solicitações estáticas, (tração axial, compres-são axial, flexão plana, pressão interna ou exterior) apesar da espessuralimitada dos mesmos que resulta da necessidade, para que se possa explo-rar um poço profundo, de enfiar umas nas outras diversas colunas de diâme-tros diferentes.

Ao contrário, as hastes de perfuração que só são utilizadas paracavar os poços, são submetidas a solicitações cíclicas (dinâmicas) grandesmas, em contrapartida, não são submetidas a exigências de volume, um sótrem de hastes de um diâmetro dado sendo descido a um momento dado.

As solicitações cíclicas, se elas não são estritamente limitadas,levam em serviço a rupturas por fadiga iniciadas na raiz dos filetes geral-mente no lado dos flancos de sustentação que estão sob carga em serviço,mais especialmente ao nível dos últimos filetes engatados com cada um doselementos rosqueados das hastes de perfuração.

Na seqüência do presente documento, são designados comoprimeiros filetes os filetes que, em corte longitudinal que passa pelo eixo doelemento rosqueado, estão situados no lado da extremidade livre do ele-mento rosqueado. Os últimos filetes são, em conseqüência disso, aquelessituados na outra extremidade do rosqueamento.

Por filetes engatados, entende-se, portanto, primeiro os filetesde uma junta rosqueada tubular que transferem a carga de um elementorosqueado tubular para o elemento rosqueado tubular conjugado.

Quando a junta rosqueada é submetida a esforços de tração, osfiletes engatados são aqueles dos quais os flancos de sustentação estão emcontato e transferem a carga de um elemento rosqueado para o elementorosqueado conjugado.

Por extensão, entende-se como filetes engatados de um ele-mento rosqueado tubular no presente documento, os filetes destinados atransferir a carga para os filetes correspondentes de um elemento tubularconjugado, quando esses dois elementos rosqueados tubulares estiveremunidos para constituir uma junta rosqueada tubular.

A posição dos filetes engatados de um elemento rosqueado tu-bular é conhecida pelo desenho do elemento rosqueado. Esse é um dadoteórico definido pelas dimensões nominais dos elementos rosqueados quedevem ser unidos.

A posição dos últimos ou dos primeiros filetes engatados pode,portanto, perfeitamente ser definida em um elemento rosqueado tubular des-tinado a uma junta rosqueada.

O problema de resistência à fadiga não se apresenta mais dora-vante somente para as hastes de perfuração, mas também para as colunasde tubos de exploração de certos poços para hidrocarbonetos.

As juntas rosqueadas tubulares que permitem constituir tais co-lunas devem, nesse caso, ser capazes de suportar ao mesmo tempo gran-des solicitações estáticas e solicitações cíclicas.

Tais exigências de resistências às solicitações são encontradasagora nas colunas submarinas que ligam o fundo do mar com as plataformasde exploração no mar dos hidrocarbonetos.

Tais colunas de tubos ditas "risers" na linguagem anglo-saxônicado profissional, são de fato submetidas às solicitações cíclicas causadasnotadamente pelas correntes que induzem colocações em vibração da colu-na, pelo vagalhão, pelas marés e pelo deslocamento eventual das própriasplataformas, todas solicitações que induzem essencialmente tensões cíclicasde flexão e/ou de tração-compressão.

Tais exigências de resistência às solicitações também são en-contradas em poços terrestres, notadamente por ocasião da descida em ro-tação de tubos para cimentar os poços no caso muito freqüente de poçosdesviados da vertical que apresentam cotovelos, descida em rotação quegera, nesse caso, uma flexão rotativa.

É por essa razão que se procurou melhorar as juntas rosquea-das tubulares para tubos de revestimento interno de consolidação, de produ-ção ou para "risers" de maneira a aumentar a resistência à fadiga das mes-mas.

O estado da técnica das uniões rosqueadas tubulares ou não-tubulares (do tipo parafuso-porca, por exemplo) propõe meios para melhorara resistência à fadiga das uniões rosqueadas submetidas a cargas de traçãoaxiais que podem variar ciclicamente.

O pedido de patente WO 00/06936 descreve um elemento ros-queado fêmea para uma junta rosqueada tubular cuja superfície periféricaexterior é cônica com um diâmetro que diminui à medida que há uma apro-ximação da extremidade livre fêmea, de modo que a espessura de matériasob o rosqueamento é reduzida ao nível dos primeiros filetes. Disso resultatambém uma grande sensibilidade aos choques da extremidade livre fêmeaque é muito fina.

Numerosos documentos entre os quais a patente US 5 779 416e os pedidos de patentes JP 04.157.280 e JP 04.157 283 utilizam uma ca-nelura em forma de U depois dos últimos filetes machos engatados na partenão-rosqueada sob tração do elemento rosqueado macho. Uma tal caneluraapresenta notadamente o inconveniente de reduzir a seção crítica da juntarosqueada que é a seção da parede mais solicitada em tração axial, e por-tanto, de reduzir os desempenhos estáticos em tração da junta rosqueada.

A patente US 3 933 074 descreve uma porca para uma uniãocavilhada da qual o rosqueamento interno é interrompido ao nível dos pri-meiros filetes engatados por várias caneluras axiais vazadas dispostas re-gularmente na periferia do rosqueamento de maneira a deslocar a zona detransferência máxima de tensão de tração axial entre o parafuso e a porca apartir do primeiro filete fêmea engatado na direção do meio de comprimentoaxial da porca.

Essas caneluras cujo comprimento pode atingir a metade docomprimento do rosqueamento e cuja profundidade pode ir até 80% da altu-ra de filete, aumentam a flexibilidade dos primeiros filetes engatados masreduzem de cerca de 20% a superfície de sustentação dos filetes na zonaem que elas são realizadas, o que é um inconveniente quando se procuraobter uma resistência grande às solicitações estáticas e obter uma junta ros-queada tubular estanque entre a parte de dentro e o exterior dos tubos.

Por outro lado, as soluções para as cavilhas nas quais as porcasestão apoiadas no lado dos primeiros filetes contra a cabeça de parafuso (nolado dos últimos filetes de parafuso) não são obrigatoriamente diretamenteaplicáveis a juntas rosqueadas tubulares.

A patente FR 1 317 815 descreve uma canelura anular de perfilem cubeta relativamente pouco profunda realizada na superfície periféricaexterior de um elemento rosqueado fêmea de uma haste de perfuração.

De acordo com as Figuras dessa patente, a canelura é dispostano meio do rosqueamento e não afeta a parede ao nível dos primeiros oudos últimos filetes. Ela permite espalhar as concentrações de tensão na tota-lidade do rosqueamento macho aumentando para isso as tensões ao níveldos filetes situados sob a canelura na direção do meio do rosqueamento.

Essa patente não diz, no entanto, a quais solicitações corres-pondem os campos de tensões ilustrados nessas Figuras (torção, tração,compressão, flexão); parece que se trata das tensões que resultam sim-plesmente do estado de atarraxamento dos elementos rosqueados dashastes de perfuração.

Também será notado que, ainda de acordo com as Figuras des-sa patente, a canelura apresenta um fundo plano paralelo ao eixo da junta edos flancos abruptos, sensivelmente normais no fundo de canelura e na su-perfície periférica exterior.

Os pedidos de patente JP 58-187684 e EP 0 032 265 descrevemum elemento rosqueado macho munido de uma canelura anular de perfil emcubeta realizada na superfície periférica interna do elemento rosqueado aonível do lábio não-rosqueado na extremidade livre ou essencialmente reali-zada ao nível desse lábio.

Um lábio é previsto nesses dois documentos para melhorar ou-tras características de uma junta rosqueada tubular que não sejam a resis-tência à fadiga (resistência à gripagem, à corrosão sob tensão, travamentodos elementos rosqueados na posição) e nada sugere nesses dois docu-mentos que uma canelura realizada sob o lábio macho (e que eventualmenteexcede ligeiramente sob os dois primeiros filetes machos no caso do docu-mento japonês) possa melhorar a resistência à fadiga de uma junta rosque-ada tubular.

Procurou-se na presente invenção, realizar um elemento ros-queado tubular macho ou fêmea para juntas rosqueadas tubulares, que sejaespecialmente resistente ao mesmo tempo:

a) às solicitações estáticas, notadamente de tração axial, decompressão axial, de flexão, de torção, de pressão interna ou exterior, dedesencaixe por ocasião do atarraxamento, simples ou combinadas (porexemplo, tração + pressão interna);b) às solicitações cíclicas, notadamente de flexão e de tração-compressão.

Um tal elemento rosqueado foi designado na seqüência do pre-sente documento como possuindo um perfil antifadiga.

Também se buscou que o elemento rosqueado tubular de acor-do com a invenção, possa ser realizado com todas as espécies de rosquea-mentos, cônicos, cilíndricos, combinados cilíndrico-cônicos, de um ou váriosníveis, de filetes trapezoidais ou triangulares, interferentes ou não-interferentes; os rosqueamentos não-interferentes poderão, por exemplo, serdo tipo descrito no pedido EP 454 147 de contato simultâneo dos dois flan-cos com os flancos do filete conjugado (ditos também "rugged thread"), defretagem axial do tipo descrito no documento WO 00/14441 ou de tipo comcanto de largura variável, como descrito, por exemplo, na patente US Re30 647.

Por outro lado, buscou-se que o elemento rosqueado possa serfacilmente realizado e facilmente controlado.

O elemento rosqueado de acordo com a invenção, deve poderser utilizado para constituir juntas rosqueadas destinadas a colunas de tubosde produção de hidrocarbonetos, de revestimento interno de consolidaçãode poços ou de exploração submarina ("risers") ou destinados a usos similares.

Por outro lado, buscou-se realizar juntas rosqueadas tubularesestanques, notadamente aos gases, mesmo sob solicitações cíclicas.

O elemento rosqueado de acordo com a invenção, deve em va-riante poder ser utilizado para constituir trens de hastes de perfuração.

Também se buscou realizar uma junta rosqueada tubular na qualsó um dos elementos rosqueados, por exemplo, o elemento fêmea, foi modi-ficado para resistir às solicitações cíclicas, mas que acomoda um elementorosqueado conjugado não-modificado.

Em variante, também se buscou realizar uma junta rosqueadatubular na qual os dois elementos rosqueados foram modificados para resis-tir às solicitações cíclicas.O elemento rosqueado tubular macho ou fêmea dito de perfilantifadiga é realizado na extremidade de um tubo e possui um rosquea-mento macho em sua superfície periférica exterior ou um rosqueamento fê-mea em sua superfície periférica interna de acordo com que o elemento ros-queado tubular é do tipo macho ou fêmea.

Esse elemento rosqueado tubular é destinado a ser unido poratarraxamento com um elemento rosqueado tubular do tipo conjugado (ouseja, fêmea se o elemento rosqueado considerado é macho e reciproca-mente) para constituir uma junta rosqueada tubular própria para resistir àssolicitações tanto estáticas quanto cíclicas.

Esse elemento rosqueado tubular compreende um meio queaumenta a flexibilidade dos primeiros filetes engatados e que visa atravésdisso, diminuir a transferência de carga entre os primeiros filetes engatadosdo elemento rosqueado tubular e os últimos filetes engatados de um ele-mento rosqueado tubular conjugado quando esses dois elementos formamuma junta rosqueada tubular submetida a esforços de tração.

Esse meio compreende um desbastamento em forma de canelu-ra da parede do elemento rosqueado a partir da superfície periférica opostaà superfície na qual é realizado o rosqueamento. A canelura não afeta a ge-ometria dos filetes, sendo realizada entre o invólucro dos fundos de filete e asuperfície periférica oposta à superfície do rosqueamento.

Ela é realizada perpendicularmente ao rosqueamento.

De acordo com a invenção, a canelura é tal que, ao nível dosprimeiros filetes engatados, a espessura de parede sob o rosqueamento, ouseja, a espessura de parede medida a partir do fundo de filete, é reduzidapela canelura.

A função dessa canelura é diminuir a rigidez da parede sob orosqueamento ao nível dos primeiros filetes engatados, a rigidez da paredevariando com a espessura dessa última sob o rosqueamento.

Uma tal diminuição de rigidez da parede reduz a rigidez dos pri-meiros filetes engatados ou aumenta a flexibilidade dos mesmos e diminui,portanto, ao nível dos mesmos, a transferência de carga em tração e dissoresulta uma diminuição do pico de tensões ao nível dos últimos filetes en-gatados em um elemento rosqueado conjugado com o elemento rosqueadoconsiderado e atarraxado em posição a esse último para constituir uma juntarosqueada tubular.

Para uma dimensão de canelura idêntica, o inventor constatouque a disposição da canelura de acordo com a invenção, permitia otimizar egarantir as características de funcionamento tanto estáticas quanto dinâmi-cas (fadiga) do elemento rosqueado considerado atarraxado em posição aum elemento rosqueado conjugado em uma junta rosqueada tubular.

Preferencialmente, a canelura começa sob o primeiro filete en-gatado do rosqueamento.

Preferencialmente, a canelura termina em um intervalo axialcompreendido entre uma seção de meio do rosqueamento e uma seção si-tuada ao nível dos últimos filetes engatados.

Preferencialmente, a canelura de acordo com a invenção possuiuma forma de revolução em relação ao eixo do elemento rosqueado tubularem uma mesma seção transversal. Ela diminui, portanto, a rigidez da mesmamaneira circunferencialmente em torno do elemento rosqueado tubular.

Preferencialmente também, a canelura de acordo com a inven-ção diminui em seu aprumo a rigidez da parede que sustenta os filetes demaneira variável mas progressiva de acordo com uma direção axial do ele-mento rosqueado tubular.

Uma tal disposição evita a constituição de concentração local detensões suscetível de destruir o efeito benéfico da diminuição de rigidez daestrutura sobre a transferência das cargas, e mesmo de criar inícios de rup-tura por fadiga.

Ao nível da canelura de acordo com a invenção, a espessura dacanelura sob o rosqueamento é mínima em um plano transverso preferenci-almente situado em um intervalo entre os primeiro e sexto filetes engatados.

Muito preferencialmente, essa espessura mínima de parede sobo rosqueamento é superior ou igual à altura de filete e vantajosamente sen-sivelmente igual a duas vezes a altura de filete.A idéia de uma canelura tão profunda vai contra a opinião geralque visa reforçar a robustez dos elementos rosqueados levando-se em con-sideração a utilização dos mesmos em condições com freqüência difíceis nocanteiro de perfuração e as solicitações que eles devem suportar em serviçoapesar de uma espessura limitada.

Muito preferencialmente também, a espessura da parede sob orosqueamento ao nível da canelura é mínima e constante em um compri-mento axial não-nulo.

Muito preferencialmente também, devido à canelura, a espessu-ra de parede sob o rosqueamento está compreendida entre 100 e 120% daespessura mínima de parede sob o rosqueamento em uma zona dita "zonade pequena rigidez".

Essa zona de pequena rigidez é disposta em torno do planotransverso de espessura mínima de parede sob o rosqueamento e se esten-de em um comprimento axial superior ou igual a três passos de filete.

Isso permite uma diminuição sensivelmente máxima de rigidezem um intervalo suficiente para se premunir das variações de posiciona-mento real dos primeiros filetes engatados em relação ao desenho devido àstolerâncias de fabricação no elemento rosqueado tubular.

Preferencialmente, o perfil da canelura é tal que a seção críticado elemento rosqueado para os esforços axiais notadamente de tração estásituada fora do desbastamento, preferencialmente também, devido à canelu-ra, a espessura de parede sob o rosqueamento ao nível dos três últimos fi-letes engatados está compreendida entre 80% e 100% da espessura nazona não-desbastada. A totalidade da carga de tração deve, de fato, ser ab-sorvida pela seção crítica da parede ao nível do último filete do rosquea-mento.

Preferencialmente, a canelura possui flancos cuja inclinação emrelação ao eixo do elemento rosqueado tubular é inferior ou igual a 45°.

Preferencialmente, o flanco de canelura dirigido para o lado daextremidade livre do elemento rosqueado é globalmente mais inclinado doque o outro flanco de canelura em relação ao eixo do elemento rosqueado.Preferencialmente também, o perfil de canelura é uma curvaconstituída por uma série de arcos de círculo de raio finito ou infinito unidostangencialmente um com o outro, os arcos de círculo de raio infinito corres-pondendo a segmentos de reta.

Também preferencialmente, a canelura se conecta com a partecorrente não-vazada da superfície periférica na qual ela é realizada por umazona de conexão tangencial de forma tórica.

Em variante, a canelura pode ser cheia parcialmente ou total-mente com um material do qual o módulo de elasticidade é inferior ao mó-dulo de elasticidade do elemento rosqueado tubular.

Ainda preferencialmente, qualquer que seja o modo de realiza-ção da canelura de acordo com a invenção, os filetes têm uma forma trape-zoidal.

A invenção também se refere a uma junta rosqueada tubular degrande resistência às solicitações estáticas e cíclicas, que compreende umelemento rosqueado tubular macho na extremidade de um primeiro tubo uni-do por atarraxamento a um elemento rosqueado tubular fêmea na extremi-dade de um segundo tubo por meio de um rosqueamento macho no ele-mento rosqueado macho e de um rosqueamento fêmea no elemento ros-queado tubular fêmea.

Por tubo, entende-se tanto um tubo de grande comprimentoquanto um tubo de pequeno comprimento, tal como uma luva.

Vantajosamente, pelo menos um dos dois elementos rosquea-dos macho ou fêmea é do tipo com desbastamento de acordo com a inven-ção.

Muito vantajosamente do ponto de vista dos desempenhos emsolicitações cíclicas, os dois elementos macho e fêmea são do tipo comdesbastamento de acordo com a invenção.

Outras vantagens e características da invenção aparecerão nadescrição detalhada abaixo e nos desenhos anexos. A descrição detalhadae os desenhos anexos poderão, portanto, não somente servir para fazercompreender melhor a invenção, mas também contribuir para sua definição,se for o caso.

As Figuras abaixo descrevem, de maneira não-limitativa, ummodo de realização e de utilização de elementos rosqueados tubulares e dejuntas rosqueadas tubulares de acordo com a invenção.

As Figuras 1 a 7 são meio-cortes longitudinais que passam peloeixo do elemento rosqueado tubular.

A Figura 1 representa um elemento rosqueado tubular fêmea deacordo com a invenção.

A Figura 2 representa um elemento rosqueado tubular macho deacordo com o estado da técnica.

A Figura 3 representa uma junta rosqueada tubular de acordocom a invenção obtida por união dos elementos rosqueados das Figuras 1 e 2.

A Figura 4 representa um elemento rosqueado tubular macho deacordo com a invenção.

A Figura 5 representa uma outra junta rosqueada tubular deacordo com a invenção obtida por união dos elementos rosqueados das Fi-guras 1 e 4.

A Figura 6 representa uma união rosqueada tubular com luvaque possui duas juntas rosqueadas tubulares de acordo com a invenção dotipo da Figura 3.

A Figura 7 representa uma variante do elemento rosqueado tu-bular fêmea de acordo com a invenção da Figura 1.

A Figura 2 representa um elemento rosqueado tubular macho 1do estado da técnica.

Esse elemento rosqueado macho 1 é realizado na extremidadede um tubo 101.

Ele possui um rosqueamento macho 3 constituído por uma parterosqueada cênica de comprimento Lfm usinado na superfície periférica ex-terna 105 do tubo 101.

Os filetes 11 do rosqueamento 3 têm uma forma trapezoidal.Eles possuem no lado oposto à extremidade livre 7 do elemento rosqueado1, um flanco de sustentação 13 que permite transferir a carga de um ele-mento rosqueado 3 para o elemento rosqueado conjugado 4 quando essesdois elementos rosqueados são unidos para constituir uma junta rosqueadatubular e são submetidos a uma tração axial.

O primeiro filete 21 é o filete disposto no lado da extremidadelivre 7 do elemento rosqueado 1.

O filete 23 é o último filete do rosqueamento e é um filete desva-necente, ou seja, um filete do qual o vértice é truncado pela superfície perifé-rica exterior 105 do tubo 101.

Os filetes 21 e 23 são, respectivamente, os primeiros e últimosfiletes projetados para ser engatados com os filetes correspondentes de umelemento rosqueado tubular fêmea na junta rosqueada unida (ver mais adi-ante a Figura 3).

A superfície periférica interna 103 do elemento rosqueado 1 queé a superfície oposta à superfície 104 na qual é realizado o rosqueamento,se estende uniformemente a partir do corpo do tubo 101 até a extremidadelivre 7 do elemento rosqueado.

A Figura 2 mostra também um lábio não-rosqueado opcionaldisposto entre o primeiro filete 21 e a extremidade livre 7. Esse lábio apre-senta em sua superfície periférica exterior uma superfície de apoio 5.

A parede sob o rosqueamento é constituída pela matéria da pa-rede entre o fundo de filete 19 e a superfície periférica interna 103.

Essa parede não é infinitamente rígida, mas possui uma rigidez,notadamente uma rigidez axial que é proporcional à espessura de paredesob o rosqueamento.

Essa rigidez varia muito ligeiramente de uma extremidade para aoutra do rosqueamento devido à conicidade do rosqueamento, mas essavariação é limitada pois a conicidade do rosqueamento é pequena (6,25% nocaso dos rosqueamentos "Buttress" de acordo com a especificação API 5B).

A Figura 1 representa um elemento rosqueado tubular fêmea 2de acordo com a invenção.O elemento fêmea 2 é realizado na extremidade de um tubo 102.

Ele possui um rosqueamento fêmea 4 constituído por uma parterosqueada cônica de comprimento Lff usinado na superfície periférica inter-na do tubo 102.

Esse rosqueamento fêmea 4 é conjugado com o rosqueamentomacho 3 do elemento rosqueado macho 1, ou seja, que eles têm o mesmopasso de rosqueamento, a mesma conicidade, o mesmo diâmetro primitivode referencia e a mesma forma de filete.

Os filetes 12 do rosqueamento fêmea 4 também têm uma formatrapezoidal. Eles possuem um flanco de sustentação 4 conjugado com oflanco de sustentação 13 dos filetes machos 3.

O primeiro filete é o filete 22 disposto no lado da extremidadelivre 10 do elemento rosqueado 2 e o último filete é o filete 24 disposto naoutra extremidade do rosqueamento. Eles são também os primeiros e úIti-mos filetes engatados como será visto mais adiante.

A superfície periférica externa 104 é a superfície oposta à su-perfície na qual é realizado o rosqueamento 4.

Essa superfície é vazada ou desbastada perpendicularmente aorosqueamento 4 por uma canelura 30 de flanco muito pouco inclinado: oflanco 36 no lado da extremidade livre é inclinado a 15° e o flanco 38 a 9oem relação ao eixo XX do elemento rosqueado 2; o flanco 36, é portanto,globalmente mais inclinado do que o flanco 38 em relação a esse eixo.

A canelura 30 reduz significativamente a espessura de matériasob o rosqueamento e, portanto, a rigidez da parede sob o rosqueamento.

A redução de espessura causada pela canelura atinge no casopresente mais de 80% da espessura de parede sob o rosqueamento medidano ponto B na zona não-desbastada.

A canelura começa em A ao nível do primeiro filete engatado 22.

Devido à posição da canelura, a rigidez da parede do rosquea-mento ao nível dos primeiros filetes engatados (filete 22 e os três à direitadesse último na Figura 1) é diminuída, o que aumenta, em conseqüênciadisso, a flexibilidade dos primeiros filetes engatados.Uma canelura que começasse fora do rosqueamento no lado daextremidade livre 10 não teria mais eficácia ou não teria mais eficácia sobrea resistência em fadiga e diminuiria a robustez da extremidade livre 10.

Uma canelura que começasse mais adiante sob o rosqueamentoapresentaria o risco de tornar crítica para as solicitações estáticas de traçãoaxial uma seção de parede sob o rosqueamento ao nível do fundo de cane-lura D ou um pouco mais adiante enquanto que a seção crítica normal éaquela sob o último filete; disso resultaria uma degradação dos desempe-nhos estáticos da junta rosqueada, notadamente em tração axial.

A canelura 30 tem uma forma de revolução em torno do eixo doelemento rosqueado tubular 12.

O perfil da canelura 30 em corte longitudinal é constituído poruma série de arcos de círculo ou de segmentos de reta tangentes um ao ou-tro de modo que a rigidez da estrutura varia de maneira muito progressiva deacordo com uma direção axial.

O perfil do fundo da canelura é notadamente constituído por ar-cos de grande raio que pode mesmo ser infinito, o que corresponde, nessecaso, a segmentos de reta, por exemplo, paralelos à conicidade do rosque-amento.

A espessura de parede sob o rosqueamento é mínima (emin) noponto D que está situado entre os 4- e 59 filetes engatados. No ponto D noplano de seção transversa 40, a rigidez da parede sob o rosqueamento émínima devido a isso.

Vantajosamente, como foi indicado mais acima, o fundo de ca-nelura pode seguir em um pequeno comprimento axial, da ordem de doispassos de filete, uma reta de inclinação idêntica à conicidade do rosquea-mento de modo que a espessura de parede sob o rosqueamento e, portanto,a rigidez de parede é mínima e constante nesse comprimento axial.

A espessura emin2 medida perpendicularmente à conicidade éigual à altura de filete hf.

A rigidez da parede sob o rosqueamento é quase mínima emuma zona de pequena rigidez situada entre os pontos E e F, em que a es-pessura só é pouco superior à espessura emin2: a espessura y está, porexemplo, compreendida entre 100% e 120% da espessura mínima; a rigidezy varia nas mesmas proporções em relação ao valor mínimo da rigidez.

A distância axial entre os pontos EeF está compreendida entre3 e 4 passos de filetes, os pontos EeF enquadrando o ponto D do plano 40onde a espessura e a rigidez são mínimas.

A canelura 30 termina em 34 no lado oposto à extremidade livre10, ao nível dos últimos filetes engatados. Em B, justo depois do último fileteengatado, não há mais canelura.

A rigidez da parede sob o rosqueamento ao nível dos 3 últimosfiletes engatados não é, portanto, quase diminuída em relação à rigidez daparede não-desbastada pois a espessura da parede sob o rosqueamento aonível dos últimos filetes engatados está compreendida entre 80% e 100% daespessura de parede sob o rosqueamento et2 na zona não-desbastada (emB, por exemplo). Disso resulta que a seção crítica do elemento rosqueado 2para as solicitações em tração axial é a seção em B que não é diminuída emrelação à seção de um elemento rosqueado semelhante mas sem canelura.

A canelura 30 se une em 32 com a superfície periférica exterior104 não-vazada do tubo 102 por uma superfície tórica da qual o perfil emcorte longitudinal é um arco de círculo.

Ela se une também em 34 no lado da extremidade livre por umasuperfície tórica a uma superfície cilíndrica 106 de diâmetro inferior ao diâ-metro da superfície 104 de modo que a espessura de parede em A é reduzi-da em relação à espessura de parede em B.

Será notada a presença opcional de uma superfície transversal 8de batente e de uma superfície de apoio 6 depois do rosqueamento 4 indo-se na direção do corpo do tubo.

A Figura 3 representa a união dos elementos rosqueados dasFiguras 1 e 2 para formar uma junta rosqueada tubular 100. Nessa juntarosqueada 100, os rosqueamentos machos e fêmeas 3, 4 dos elementosrosqueados 1 e 2 foram atarraxados, por exemplo, até que as superfíciestransversais opcionais 7 e 8 dos elementos rosqueados 1 e 2 estejam embatente.

As superfícies opcionais de apoio 5 e 6 estão em contato sobpressão de contato e formam um par de superfícies de apoio de estanquei-dade metal-metal.

A junta rosqueada tubular 100 é submetida a esforços de traçãoaxial devido, por exemplo, ao peso dos tubos montados verticalmente emcoluna dentro de um poço.

A junta rosqueada 100 é por outro lado, no caso representadona Figura 3, submetida a esforços de tração axial pela reação das superfí-cies transversais 7, 8 colocadas em batente sob um torque grande de váriosKN.m que coloca em tração os flancos de sustentação 13, 14.

A seção crítica do elemento rosqueado 2 para as solicitações detração axial não sendo diminuída em relação à seção crítica de um elementorosqueado semelhante mas sem canelura, os desempenhos estáticos dajunta rosqueada 100 para as solicitações de tração axial são os mesmos emrelação ao desempenho de uma junta rosqueada do estado da técnica.

A esses esforços estáticos podem vir se sobrepor esforços cíclicos.

Cada filete de um rosqueamento deve transferir para o filete cor-respondente do rosqueamento conjugado uma parte da carga de tração.

Essa parte não é constante de um filete para o outro de ummesmo rosqueamento e o papel da canelura 30 em um elemento rosqueadofêmea é de equilibrar a transferência de carga entre os diferentes filetes,pelo menos no lado dos primeiros filetes fêmeas engatados e dos últimosfiletes machos engatados no caso da Figura 3.

Sem essa canelura, a transferência de carga seria muito maiorao nível desses filetes. Os últimos filetes machos seriam, nesse caso, sub-metidos a grandes tensões ainda mais amplificadas por um efeito geométri-co de concentração das tensões na raiz desses filetes no raio de conexãoentre o flanco de sustentação e o fundo de filete. Os raios de conexão seri-am nesse caso, pelo jogo combinado de uma transferência de carga exces-siva e de uma concentração de tensões, o lugar de iniciação de fissuras defadiga para juntas rosqueadas submetidas a cargas cíclicas enquanto queum tal aumento de tensões, no caso de cargas estáticas, é incapaz de levara rupturas.

O equilíbrio da transferência de cargas obtido de acordo com apresente invenção por diminuição da rigidez da parede sob os primeiros fi-Ietes fêmeas, assim como a escolha conhecida em si de grandes raios deconexão entre flancos de sustentação 13, 14 e fundos de filete 19, 18 per-mitem reduzir suficientemente as tensões nas zonas críticas para evitar ris-cos de ruptura por fadiga em serviço, ao nível dos últimos filetes machosengatados que correspondem aos primeiros filetes fêmeas engatados.

Será notado que, devido à ausência de canelura no elementorosqueado macho, a transferência de cargas permanece desequilibrada aonível dos primeiros filetes machos engatados e dos últimos filetes fêmeasengatados mas se encontra com menos freqüência uma fissura de fadigainiciada nessas zonas nas juntas rosqueadas do estado da técnica.

Será notado finalmente que a escolha de filetes trapezoidais épreferível para evitar o risco de inchação radial do elemento macho ao nívelda zona EF de pequena rigidez no final de atarraxamento; uma tal inchaçãopoderia causar o desencaixe catastrófico dos elementos rosqueados 1, 2 e aqueda da coluna dentro do poço.

A Figura 5 representa uma variante 200 de junta rosqueada tu-bular de acordo com a invenção, na qual cada um dos dois elementos ros-queados, macho e fêmea é munido de uma canelura.

O elemento rosqueado fêmea 2, é nesse caso, idêntico ao ele-mento rosqueado fêmea da Figura 1.

O elemento rosqueado macho 51 está representado na Figura 4.

O elemento rosqueado macho 51 dessa Figura é derivado doelemento rosqueado macho 1 da Figura 2 cavando-se uma canelura 31 nasuperfície periférica interna 103 desse elemento rosqueado, essa superfícieperiférica 103 sendo a superfície oposta à superfície na qual é realizado orosqueamento macho 3.

A canelura 31 começa sob o primeiro filete 21 que é o primeirofilete engatado (ver a Figura 5) e termina no meio do rosqueamento.

Ela diminui a rigidez da parede sob o rosqueamento ao nível dosprimeiros filetes machos.

Essa diminuição é máxima em G situado entre os 2Q e 39 filetesmachos engatados, no plano 41 onde a espessura de parede sob o rosque-amento é mínima. Essa espessura mínima emin2 é igual a cerca de duas ve-zes a altura de filete.

A diminuição de rigidez é sensivelmente máxima em uma zonade pequena rigidez entre H e I, a distância axial entre esses dois pontossendo um pouco superior a três passos de filete.

Os flancos 37, 39 da canelura 31 são muito pouco inclinados;eles se conectam com a superfície periférica interna 103 do elemento ros-queado macho 51 por superfícies tóricas no 33, 35.

A própria canelura 31 possui um perfil constituído por uma sériede vários arcos de círculo tangentes um ao outro. Os raios desses arcos decírculo são grandes, notadamente no fundo da canelura.

Levando-se em consideração o perfil e a disposição da canelura31, a seção crítica do elemento rosqueado 51 para as solicitações de traçãoaxial é aquela ao nível do último filete engatado 23, essa seção crítica não édiminuída em relação à seção crítica de um elemento rosqueado semelhantemas sem canelura.

A junta rosqueada 200 da Figura 5 depois de atarraxamento naposição do elemento rosqueado macho 51 no elemento rosqueado fêmea 2permite desempenhos em fadiga ainda melhores que a junta 100 da Figura3, visto que uma canelura foi realizada em cada um dos elementos e que atransferência de carga foi uniformizada nas duas extremidades de cada ele-mento.

Seus desempenhos estáticos para as solicitações de tração axialsão os mesmos em relação aos desempenhos de juntas rosqueadas do es-tado da técnica, a seção crítica dos elementos rosqueados 2 e 51 não sendodiminuída em relação à seção crítica de elementos rosqueados semelhantesmas sem canelura.A Figura 6 representa uma união rosqueada com luva constituí-da por duas juntas rosqueadas tubulares 100, 100'.

Os elementos rosqueados machos 1,1' são realizados na ex-tremidade dos tubos de grande comprimento.

Os elementos rosqueados fêmeas 2, 2' são realizados pés comcabeça em uma luva tubular 202 que pode ser considerada como um tubomuito curto.

Cada junta rosqueada 100, 100' é idêntica à junta da Figura 3.

Esse tipo de união conhecida não precisa de outro comentário.

A função das caneluras 30, 30' na luva 202 é idêntica à funçãoda canelura 30 do elemento rosqueado fêmea 2 das Figuras 1 e 3.

Procurou-se estimar o ganho no valor da tensão máxima σmax noraio de conexão entre o flanco de sustentação 13 e o fundo de filete 19 dosúltimos filetes machos engatados que são os mais carregados de uma juntarosqueada tubular do tipo da Figura 3 comparativamente aos mesmos filetesde uma junta rosqueada do estado da técnica sem canelura.

Levando-se em consideração os resultados de resistência emfadiga, estima-se que o ganho na tensão σmax devido à canelura é da ordemde 20% nesses filetes, o que dá um acréscimo muito grande da duração devida em fadiga.

A presente invenção também cobre modos de realização quepermitem diminuir a rigidez da parede sob o rosqueamento ao nível dos pri-meiros filetes engatados de maneira equivalente em relação à canelura des-crita em detalhe.

A presente invenção também cobre modos de realização, nosquais o meio de diminuir a rigidez da parede sob o rosqueamento ao níveldos primeiros filetes engatados não é unicamente constituído pela canelura.

A canelura 30 pode, desse modo por exemplo, como represen-tado na Figura 7, ser parcialmente ou totalmente cheia com uma matéria 50de módulo de elasticidade inferior ao módulo de elasticidade do elementorosqueado tubular 62. Essa matéria 50 pode notadamente ser aderente àsuperfície da canelura e ser, por exemplo, uma matéria sintética.A presente invenção cobre também modos de realização deelemento rosqueado nos quais o rosqueamento possui várias partes rosque-adas distintas.

Nesse caso, as reivindicações objetos da presente invenção de-vem ser interpretadas no sentido em que a canelura é realizada pelo menosna parte rosqueada, onde a flexibilidade dos primeiros filetes seria a maisreduzida na ausência de canelura e levaria a um risco de iniciação de fissurade fadiga.

Em variante desse caso, a canelura pode ser realizada sob cadaparte rosqueada de maneira a aumentar a flexibilidade dos primeiros filetesengatados de cada parte rosqueada.

Claims (20)

1. Elemento rosqueado tubular macho ou fêmea (2, 51, 62) deperfil antifadiga para uma junta rosqueada tubular (100, 200) capaz de resis-tir a solicitações tanto estáticas quanto cíclicas, realizado na extremidade deum tubo (101, 102, 202), que possui um rosqueamento macho (3) em suasuperfície periférica exterior ou um rosqueamento fêmea (4) em sua superfí-cie periférica interna de acordo com que o elemento rosqueado é do tipomacho ou fêmea, o dito elemento rosqueado tubular possuindo um desbas-tamento em forma de canelura (30, 31) da parede do elemento rosqueadorealizado perpendicularmente ao rosqueamento (3, 4) a partir da superfícieperiférica (103, 104) do elemento tubular oposta à superfície na qual é reali-zado o rosqueamento sem afetar a geometria dos filetes (11, 12) do rosque-amento, caracterizado pelo fato de que a espessura de parede sob o ros-queamento é reduzida pela canelura (30, 31) pelo menos ao nível dos pri-meiros filetes engatados de maneira a diminuir a rigidez desses últimos.

2. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a canelura começa sob o primeiro filete en-gatado (21, 22).

3. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 1ou a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a canelura termina emum intervalo axial compreendido entre uma seção de meio do rosqueamentoe uma seção situada ao nível dos últimos filetes engatados.

4. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a canelura (30, 31) pos-sui uma forma de revolução em relação ao eixo (XX) do elemento rosqueadotubular.

5. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a canelura (30, 31) dimi-nui em seu aprumo a rigidez da parede que sustenta os filetes de maneiravariável mas progressiva de acordo com uma direção do elemento rosquea-do tubular.

6. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que, ao nível da canelura, a espessura de paredesob o rosqueamento é mínima em um plano transverso (40, 41) situado emum intervalo entre o primeiro filete engatado (21, 22) e o sexto filete engata-do (28, 29).

7. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que, ao nível da canelura, a espessura mínima deparede sob o rosqueamento (emini, emin2) é superior ou igual à altura de filete (ht).

8. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 6caracterizado pelo fato de que a espessura mínima de parede sob o ros-queamento (emini, emin2) é sensivelmente igual a duas vezes a altura de filete (ht).

9. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a espessura da parede sob o rosqueamento émínima e constante em uma distância axial não-nula.

10. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que, devido à canelura,a espessura de parede sob o rosqueamento está compreendida entre 100%e 120% da espessura mínima de parede sob o rosqueamento em uma zona(EF, Hl) dita zona de pequena rigidez disposta em torno do plano transversode espessura mínima de parede sob o rosqueamento (40, 41), essa zona depequena rigidez se estendendo em um comprimento axial superior ou igual atrês passos de filete.

11. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o perfil da caneluraé tal que a seção crítica do elemento rosqueado para os esforços de traçãoestá situada fora do desbastamento.

12. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que, devido à canelura,a espessura de parede sob o rosqueamento ao nível dos três últimos filetesengatados está compreendida entre 80% e 100% da espessura de paredesob o rosqueamento fora do desbastamento (eu, ej2).

13. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a canelura possuiflancos (36, 37, 38, 39) cuja inclinação em relação ao eixo do elemento ros-queado tubular é inferior ou igual a 45°.

14. Elemento rosqueado tubular de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o flanco de canelura dirigido para o ladoda extremidade livre do elemento rosqueado (36, 37) é globalmente maisinclinado em relação ao eixo do elemento rosqueado do que o flanco de ca-nelura dirigido para o lado oposto (38, 39).

15. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que o perfil de caneluraé uma curva regular constituída por uma série de arcos de círculo de raiosfinitos ou infinitos unidos tangencialmente um com o outro.

16. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de que a canelura se co-necta com a parte corrente não-vazada da superfície periférica na qual acanelura é realizada por uma zona de conexão tangencial (32, 33, 35) deforma tórica.

17. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que a canelura é parci-almente ou totalmente cheia com um material (50) do qual o módulo de elas-ticidade é inferior ao módulo de elasticidade do elemento rosqueado tubular.

18. Elemento rosqueado tubular de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de que o rosqueamentotem filetes trapezoidais (11, 12).

19. Junta rosqueada tubular (100, 200) destinada a resistir a so-licitações tanto estáticas quanto cíclicas que compreende um elemento ros-queado tubular macho na extremidade de um primeiro tubo (101) unido poratarraxamento a um elemento rosqueado tubular fêmea na extremidade deum segundo tubo (102, 202) por meio de um rosqueamento macho (3) noelemento rosqueado tubular macho e de um rosqueamento fêmea (4) noelemento rosqueado tubular fêmea, caracterizada pelo fato de que pelo me-nos um dos dois elementos rosqueados tubulares, macho ou fêmea, é dotipo (2, 51, 62) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18.

20. Junta rosqueada tubular (100, 200) de acordo com a reivin-dicação 19, caracterizada pelo fato de que os dois elementos rosqueadostubulares, macho e fêmea, são do tipo (2, 51, 62) como definido em qualqueruma das reivindicações 1 a 18.