BR112013004282B1

BR112013004282B1 - conexão tubular roscada

Info

Publication number: BR112013004282B1
Application number: BR112013004282-6A
Authority: BR
Inventors: Russell ELDER; Bertrand Maillon
Original assignee: Vallourec Oil And Gas France; Nippon Steel Corporation
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2021-03-09
Also published as: WO2012025461A3; UA110034C2; MX2013002180A; CN103140645B; CN103140645A; JP5908905B2; EP2609279A2; AR082715A1; US20120043756A1; JP2013536339A; US20130015657A1; US10215314B2; EP2609279B1; CA2807087C; PL2609279T3; AU2011295130A1; EA025974B1; MX364135B; WO2012025461A2; BR112013004282A2

Abstract

CONEXÃO TUBULAR ROSCADA. A presente invenção refere-se a uma conexão tubular roscada incluindo um primeiro tubo e um segundo tubo. O primeiro tubo inclui um elemento em forma de pino que se estende desde uma extremidade de um corpo principal do primeiro tubo até uma extremidade terminal do primeiro tubo. O segundo tubo inclui um elemento em forma de caixa que se estende desde uma extremidade de um corpo principal do segundo tubo até uma extremidade terminal do segundo tubo. Uma área de seção transversal de uma seção transversal crítica de pino situa-se no intervalo limitado de aproximadamente, 5% da área de seção transversão de uma seção transversal de cada uma das seções transversais críticas de pino e caixa situam-se no intervalo limitado de, aproximadamente, 5% das soma das áreas de seção transversal de uma seção transversal crítica intermediária de caixa do elemento em forma de caixa e de uma seção transversal crítica intermédia de pino do elemento em forma de pino.

Description

[0001] Proporciona-se uma conexão tubular roscada. Mais particularmente, proporciona-se uma conexão tubular roscada com uma elevada eficiência de resistência à tração.

[0002] A presente descrição refere-se a uniões ou conjuntos de tubos a unir por roscas. Os tubos descritos no presente documento são utilizados na indústria e, em particular, conjuntos ou uniões roscadas utilizados em colunas-linhas para tubagem ou para linhas de acessórios de produção tubulares ou para uma coluna de revestimento ou um revestimento de subsuperfície [liner] ou uma coluna ascendente para a operação ou prospecção ou exploração de poços de petróleo ou gás. Os conjuntos ou uniões roscados descritos no presente documento também podem ser utilizados para qualquer fim em que seja desejável montar oleodutos ou acessórios tubulares, tais como, por exemplo, em instalações geotérmicas ou termoeléctricas. O conjunto roscado descrito no presente documento é particularmente útil na montagem de tubos metálicos utilizados como colunas de revestimento de poços de petróleo ou de gás, ou para os assim denominados revestimentos de subsuperfície para além do fundo da coluna de revestimento, como explicado abaixo.

[0003] São conhecidos vários tipos de conjuntos para tubos de transporte de petróleo ou gás que produzem resultados satisfatórios do ponto de vista das características mecânicas e impermeabilidade, mesmo sob duras condições de utilização. Alguns destes conjuntos implicam a utilização de tubos equipados com roscas macho tronco- cônicas nas duas extremidades, que são montados por acoplamentos tendo duas roscas fêmea tronco-cônicas correspondentes. Esta forma de montagem tem a vantagem de tornar os dois componentes da montagem rígidos, devido à existência da interferência positiva que se pode criar entre as roscas macho e as roscas fêmeas.

[0004] No entanto, o diâmetro externo destes acoplamentos é maior do que o dos tubos correspondentes e, quando estes conjuntos são utilizados com tubos de colunas de revestimento, os acoplamentos obrigam à perfuração de furos com um maior diâmetro para acomodar o diâmetro externo dos acoplamentos. No caso de poços muito profundos, com uma profundidade superior a 4000 metros, o diâmetro inicial das primeiras colunas de revestimento de poço e, consequentemente, o diâmetro do poço na proximidade da superfície, pode ser duas vezes maior utilizando estes acoplamentos do que o que seria necessário utilizando acoplamentos finos tendo um diâmetro externo apenas ligeiramente maior do que os tubos correspondentes das colunas de revestimento.

[0005] Para evitar esta dificuldade, pode-se utilizar conjuntos sem um acoplamento ou manga. Neste caso, cada um dos elementos tubulares possui uma extremidade com rosca macho e uma extremidade com rosca fêmea, constituindo um conjunto fino. Estes conjuntos ou uniões são, de um modo geral, denominados conjuntos ou uniões integrais, ao contrário de conjuntos ou uniões que empregam um acoplamento ou manga. A mesma necessidade para as uniões integrais também é satisfeita no caso de revestimentos de subsuperfície que são suspensos na coluna de revestimento no fundo da mesma, não são cimentados ao furo de sondagem e, muitas vezes, estendem-se na horizontal para alcançar a formação de produção de petróleo ou gás. Em particular, a exploração de reservatórios de gás não convencionais, tais como os assim denominados reservatórios de gás de xisto, necessitam de um pequeno diâmetro e de revestimentos de subsuperfície com uniões integrais.

[0006] Conjuntos integrais são, de um modo geral, constituídos por tubos que incluem um diâmetro expandido na extremidade correspondente às roscas fêmea e um diâmetro reduzido na extremidade correspondente às roscas macho. Isto é feito de modo a ter material suficiente na espessura dos tubos para assegurar a resistência geométrica e mecânica do conjunto que une os tubos.

[0007] Também é possível reforçar a resistência do conjunto macho-fêmea utilizando roscas em duas seções sucessivas, ou degraus, em vez de apenas numa única. Cada um dos degraus de rosca tem diâmetros de rosca diferentes e está separado por uma zona de encosto central de forma anelar. Esta zona de encosto permite obter um aperto suficiente das roscas, ao passo que, ao mesmo tempo, evita um enroscamento excessivo. No caso de roscas com flancos de carga negativos, a zona de encosto permite apertar essas roscas nos seus flancos negativos e isso reduz os riscos de desenroscamento devido à ação de tensões de tração que podem ou não ser combinadas com fortes pressões.

[0008] Uma zona de encosto entre degraus de rosca tem, de preferência, uma resistência elevada a fim de impedir o avanço do elemento macho para o interior do elemento fêmea num determinado ponto, de modo a evitar um enroscamento excessivo. Neste caso, a zona de encosto funciona como um ressalto de batente central. Pode- se chegar a este resultado, quando a zona de encosto central se encontra numa zona onde os dois componentes do conjunto têm uma grande seção transversal e são configurados de modo a ficarem firmemente ligados entre si.

[0009] Estruturas de ressalto central mais complexas podem ser utilizadas entre os degraus de rosca, a fim de permitir que o ressalto central também funcione como vedante. No entanto, a fim de obter uma boa vedação, é necessário dispor de um aperto elástico das superfícies em contacto, porque, de outro modo, corre-se o risco de o aperto ficar a dever-se apenas a uma deformação plástica. Neste caso, a união perde rapidamente as suas qualidades estanques ao longo de variações de carga sucessivas (por exemplo, ciclos de pressão interna-pressão externa) ou devido às operações de enroscamento desenroscamento. Esta perda de capacidade estanque deve-se, essencialmente, ao facto de as superfícies serem danificadas por deformação plástica e, mesmo, por gripagem.

SUMÁRIO DE ASPECTOS EXEMPLIFICATIVOS DOS AVANÇOS

[00010] Em um exemplo, proporciona-se uma conexão tubular roscada incluindo um primeiro tubo (também denominado primeiro elemento tubular) e um segundo tubo (também denominado segundo elemento tubular). A conexão pode ser, por exemplo, uma conexão semiembutida roscada. O primeiro tubo inclui um elemento em forma de pino (também denominado extremidade tubular macho) que se estende desde uma extremidade de um corpo principal do primeiro tubo até uma extremidade terminal do primeiro tubo. O corpo principal do primeiro tubo pode ter um diâmetro interior e um diâmetro exterior substancialmente constantes ao longo de uma direção axial do primeiro tubo. O elemento em forma de pino compreende duas seções deslocadas radialmente (degraus) de roscas externas. As duas seções deslocadas radialmente das roscas externas incluem uma primeira seção de rosca e uma segunda seção de rosca. A primeira seção de rosca está separada da segunda seção de rosca por uma primeira superfície de encosto, também denominada ressalto central. A primeira seção de rosca está localizada entre a extremidade terminal do primeiro tubo e a primeira superfície de encosto, e a segunda seção de rosca está localizada entre a primeira superfície de encosto e a extremidade do corpo principal do primeiro tubo.

[00011] O segundo tubo inclui um elemento em forma de caixa (também denominado extremidade tubular fêmea), que se estende desde uma extremidade de um corpo principal do segundo tubo até uma extremidade terminal do segundo tubo. O corpo principal do segundo tubo pode ter um diâmetro interior e um diâmetro exterior substancialmente constantes ao longo de uma direção axial do segundo tubo. O elemento em forma de caixa inclui duas seções deslocadas radialmente (degraus) de roscas internas. As duas seções deslocadas radialmente de roscas internas incluem uma terceira seção de rosca e uma quarta seção de rosca. A terceira seção de rosca está separada da quarta seção de rosca por uma segunda superfície de encosto, também denominada ressalto central. A terceira seção de rosca está localizada entre a extremidade terminal do segundo tubo e a segunda superfície de encosto, e a quarta seção de rosca está localizada entre a segunda superfície de encosto e a extremidade do corpo principal do segundo tubo.

[00012] Cada um dos dois degraus de roscas afuniladas inclui uma parte de entrada [run-in] num lado de uma extremidade terminal de um respectivo de entre o primeiro elemento tubular e o segundo elemento tubular e uma parte de saída[run-out] no lado oposto. Cada parte de entrada no primeiro elemento tubular engata-se numa parte de saída do segundo elemento tubular e cada parte de entrada no segundo elemento tubular engata-se numa parte de saída do primeiro elemento tubular. Um diâmetro exterior da caixa não é superior a 10% (de preferência, não superior a 6%) de um diâmetro exterior nominal do primeiro e segundo elementos tubulares.

[00013] O elemento em forma de pino tem uma seção transversal crítica de pino (PCCS) localizada num fundo de rosca da segunda seção de rosca que está mais próxima da extremidade do corpo principal do primeiro tubo. A PCCS é submetida a uma tensão total transferida através de todas as roscas do pino. O elemento em forma de caixa tem uma seção transversal crítica de caixa (BCCS) localizada num fundo de rosca da quarta seção de rosca que está mais próxima da extremidade do corpo principal do segundo tubo. A BCCS é submetida a uma tensão total transferida através de todas as roscas da caixa. O elemento em forma de caixa tem uma seção transversal crítica intermédia de caixa (BICCS) localizada num fundo de rosca da terceira seção de rosca que está mais próxima da segunda zona de encosto do segundo tubo. A BICCS é submetida a uma tensão transferida através da terceira seção de rosca da caixa. O elemento em forma de pino tem uma seção transversal crítica intermédia de pino (PICCS) localizada num fundo de rosca da primeira seção de rosca que está mais próxima da primeira zona de encosto do primeiro tubo. A PICCS é submetida a uma tensão transferida através da primeira seção de rosca do pino.

[00014] Os, primeiro e segundo, tubos satisfazem as seguintes relações: O valor da PCCS situa-se no intervalo limitado de, aproximadamente, ± 5% de BCCS e, cada um dos valores de PCCS e BCCS situa-se no intervalo limitado de, aproximadamente, ± 5% (BICCS + PICCS).

BREVE DESCRIÇÃO DAS VÁRIAS VISTAS DOS DESENHOS

[00015] Uma apreciação mais completa da invenção e muitas das suas vantagens inerentes serão facilmente captadas à medida que esta é melhor compreendida ao recorrer à descrição detalhada que se segue quando considerada em associação com os desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 é uma vista em corte de uma união com os elementos tubulares, macho e fêmea, montados um no outro; A Figura 2 é uma vista em corte pormenorizada do ressalto batente e da parte de vedação separada da união ilustrada na Figura 1; A Figura 3 é uma vista em corte pormenorizada de uma das partes de entrada de rosca da união ilustrada na Figura 1; A Figura 4 é uma vista em corte de uma união que inclui um ressalto central e vedantes de extremidade próximo das extremidades terminais do pino e da caixa; e, A Figura 5 é uma vista em corte parcial ao longo do eixo X1-X1 de um perfil de uma seção roscada tronco-cônica macho.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[00016] Determinada terminologia utilizada na descrição que se segue é apenas por questões práticas e não é limitativa. Pretende-se que os termos "conjunto" ou "união" ou "junção" tenham o mesmo significado na descrição que se segue, salvo a situação em que cada um destes termos é utilizado num contexto particular que confere um sentido determinado ao termo. Pretende-se que o termo "tubos" abranja qualquer tipo de tubos ou componentes tubulares ou acessórios tubulares actualmente existentes ou que possam ser utilizados na indústria. Pretende-se que os termos "zona de encosto" ou "superfície de encosto" ou "ressalto" tenham o mesmo significado na descrição que se segue, salvo a situação em que cada um destes termos é utilizado num contexto particular que confere um sentido determinado ao termo.

[00017] Uma solução, descrita na Patente U.S. N° 5687999, inclui o posicionamento de duas superfícies vedantes metal-metal impermeáveis a fluidos nas extremidades interna e externa da união, para além das extremidades das partes roscadas. A totalidade do conteúdo da Patente U.S. N° 5687999 é incorporada no presente documento a título de referência e as Figuras 2 e 3 da Patente U.S, N° 5687999 são reproduzidas como Figuras 4 e 5 da presente divulgação.

[00018] Como mostrado na Figura 4, neste exemplo, cada elemento macho e fêmea tem uma região com duas seções roscadas, respectivamente, seções 4, 5 de enroscamento, para o elemento 1 macho e seções 6, 7 de enroscamento para o elemento 2 fêmea, entre as quais se situa uma superfície de encosto de forma anelar ou ressalto 24. As partes centrais destas seções 4, 5 e 6, 7 de enroscamento são tronco-cônicas.

[00019] As quatro seções 4, 5 de enroscamento tronco-cônicas do elemento macho e 6, 7 do elemento fêmea, têm, em cada uma das suas extremidades, uma zona de roscas de fuga (diminuição de altura) em que as alturas das roscas diminuem até um valor de zero. A diminuição da altura das roscas pode ser conseguida por maquinagem dos topos das roscas para um diâmetro constante em relação ao eixo do elemento macho ou fêmea para gerar uma assim denominada parte de rosca de saída ou por maquinagem de fundos de rosca com diâmetro constante em relação ao eixo para gerar uma assim denominada parte de rosca de entrada. Ao unir os dois elementos, macho e fêmea, as suas roscas engatam-se completamente nos alojamentos correspondentes, tanto nas partes centrais das roscas como nas zonas de extremidade com as roscas de fuga.

[00020] Como mostrado na Figura 4, nestas zonas de extremidade, os topos e fundos das roscas de fuga são limitados na direção do exterior ou do interior pela convergência de um diâmetro 16, 17 maior tronco-cônico ou de um diâmetro 18, 19 menor tronco-cônico, cada um dos quais prolonga a superfície da parte central do enroscamento, e um diâmetro 20, 21 menor cilíndrico ou um diâmetro 22, 23 maior cilíndrico. Pode-se ver que a diferença entre os diâmetros destas superfícies 21 e 22 cilíndricas corresponde à altura "D" radial da zona de encosto de forma anelar ou ressalto 24, na zona central do conjunto 3. Esta zona de encosto de forma anelar ou ressalto 24 é constituída/o pelo encosto das duas superfícies do elemento 1 macho e elemento 2 fêmea uma à outra.

[00021] Na união ilustrada na Figura 4, a zona 24 de encosto não exerce qualquer função de impermeabilização ou vedação. Em particular, a zona 24 de encosto não proporciona uma vedação em todas as condições normais de funcionamento do conjunto. Em vez disso, duas superfícies 27 vedantes metal-metal estanques a fluidos são dispostas nas extremidades, interna e externa, da união, para além das extremidades das partes roscadas.

[00022] Como mostrado na figura 5, os flancos de carga das roscas macho, tais como 30, tem uma linha geratriz com uma inclinação A negativa de, aproximadamente, -3° a -20°, em relação a uma linha que se estende perpendicularmente ao eixo X1 -X1 do elemento. Após o enroscamento, a cooperação entre estas roscas com flanco de carga negativo e zona 24 de encosto permite apertar um elemento 1 macho contra um elemento 2 fêmea. Isto elimina, praticamente, o risco de separação ou cisão nas roscas.

[00023] Na conexão ilustrada nas Figuras 4 e 5, as superfícies do ressalto (ou zona de encosto) nos elementos macho e fêmea, perpendiculares ao eixo X1-X1, aumentam, para uma dada diferença D radial, a resistência mecânica da união. Consequentemente, é também possível dar um valor tão grande quanto possível às espessuras críticas, E2 no elemento 1 macho e El no elemento 2 fêmea. A ausência de superfícies estanques metal/metal na zona central - superfícies centrais cuja eficácia é, como já se explicou, não satisfatória de acordo com a Patente U.S. N° 5687999, devido à rigidez desta zona - faz com que seja possível aproximar as duas seções de enroscamento tronco-cônicas uma da outra e, assim, melhorar, de acordo com a referida patente, a ação de junção entre os dois elementos macho e fêmea.

[00024] No entanto, devido ao espaço radial ocupado pelas superfícies 27 e 28 de vedação localizadas em locais de parede espessa na conexão mostrada na Figura 4, as propriedades de vedação elevada desta conexão não dão origem a uma elevada eficiência de resistência à tração. Em particular, os requerentes determinaram que a eficiência de resistência à tração da conexão mostrada na Figura 4 só alcança uma eficiência de resistência à tração de 70 a 80%. A eficiência de resistência à tração de uma conexão é a razão entre a menor "seção crítica" das roscas e a seção transversal de corpo de tubo e limita o desempenho da conexão. Por outro, o aumento da espessura das extremidades das partes macho e fêmea diminui o tamanho da área de ressalto central e, portanto, reduz a resistência da conexão à compressão.

[00025] As Figuras 1-3 ilustram uma conexão exemplificativa que tem uma eficiência de resistência à tração de 90%, ou mais. Como explicado em mais detalhe abaixo, o presente exemplo não utiliza o ressalto central como um vedante. Em outro aspecto, o presente exemplo maximiza o binário de aperto da conexão e a sua resistência à compressão ao empregar uma grande área de ressalto. O presente exemplo também emprega roscas com flancos de carga negativos para evitar o risco de as roscas se desenroscarem sob tensão, por exemplo, num poço de petróleo.

[00026] A Figura 1 mostra uma conexão que inclui um primeiro elemento tubular e um segundo elemento tubular. O primeiro elemento tubular está dotado com uma extremidade 101 tubular macho e o segundo elemento tubular está dotado com uma extremidade 102 tubular fêmea. A extremidade 101 tubular macho do primeiro elemento tubular é denominada "pino" e a extremidade 102 fêmea do segundo elemento tubular é denominada "caixa". O exemplo da Figura 1 é uma conexão roscada semiembutida, istoé, uma conexão em que o diâmetro exterior da caixa é apenas ligeiramente maior do que o diâmetro exterior do tubo, em que os dois elementos, pino 101 e caixa 102, são formados como extremidade. Cada um de entre o pino 101 e a caixa 102 inclui dois degraus de roscas afuniladas e um ressalto 124 central retilíneo. O pino inclui uma seção 104 de rosca de pequeno diâmetro e uma seção 105 de rosca de grande diâmetro. A caixa inclui uma seção 106 de rosca de pequeno diâmetro e uma seção 107 de rosca de grande diâmetro. A conexão tem uma parte (104, 106) de rosca interna e uma parte (105, 107) de rosca externa. Entre estas duas partes, há uma parte 125 de vedação e uma parte 124 de ressalto distinto.

[00027] A configuração das roscas da conexão mostrada na Figura 1 é semelhante à descrita no exemplo das Figuras 4 e 5. Assim, cada degrau de rosca compreende uma parte de entrada, no lado da extremidade livre (extremidade terminal) do elemento e uma parte de saída no lado oposto. Cada parte de entrada no pino 101 engata-se numa parte de saída na caixa 102 e cada parte de entrada na caixa 102 engata-se numa parte de saída no pino 101. As seções de entrada e de saída podem ser seções de entrada/de saída completas ou seções de entrada/de saída incompletas, isto é, neste último caso, a altura das roscas não diminui para zero. O ritmo com que a altura das roscas diminui também pode mudar ao longo da seção de entrada/de saída para evitar uma parte de rosca comprida. Além disso, como será discutido em maior detalhe recorrendo à Figura 3, o ponto de transição entre as seções de entrada e de saída das roscas engatadas pode não se encontrar no mesmo local.

[00028] A fim de aumentar a eficiência de resistência à tração da conexão ilustrada na Figura 1, para além de uma conexão de dois degraus com partes de entrada e de saída nas extremidades de cada rosca, este exemplo inclui um equilíbrio particular entre quatro seções críticas da conexão. Estas seções incluem uma seção transversal crítica de pino (PCCS) 171, uma seção transversal crítica intermédia de caixa (BICCS) 172, uma seção transversal crítica intermédia de pino (PICCS) 173, e uma seção transversal crítica de caixa (BCCS) 174. A PCCS 171 é uma área de seção transversal do pino 101 (também denominada extremidade tubular macho), que é submetida a uma tensão total transferida através de todas as roscas e que está localizada numa extremidade 101 tubular macho oposta à extremidade livre (extremidade terminal) da extremidade 101 tubular macho. A BCCS 174 é uma área de seção transversal da caixa (também denominada extremidade tubular fêmea) 102, que é submetida a uma tensão total transferida através de todas as roscas e que está localizada numa extremidade da extremidade 102 tubular fêmea oposta à extremidade terminal da extremidade 102 tubular fêmea. A BICCS 172 é uma área de seção transversal da extremidade 102 tubular fêmea, que é submetida a uma tensão transferida através da parte 107 de rosca externa da extremidade 102 tubular fêmea e que está localizada numa extremidade da parte 107 de rosca externa oposta à extremidade livre (extremidade terminal) da extremidade 102 tubular fêmea. A PICCS é uma área de seção transversal da extremidade 101 tubular macho, que é submetida a uma tensão transferida através da parte 104 de rosca interna da extremidade 101 tubular macho e que está localizada numa extremidade da parte 104 de rosca interna oposta à extremidade livre (extremidade terminal) da extremidade 101 tubular macho.

[00029] Se uma área de seção transversal de uma destas quatro seções críticas salientadas da conexão não for suficientemente elevada, pode resultar uma ruptura nesse local. As PCCS e BCCS representam um risco de ruptura próximo da extremidade de, respectivamente, o pino 101 e a caixa 102. A PICCS e BICCS somadas representam o risco de ruptura por tensão próximo do ressalto 124 central. Os requerentes do presente pedido reconheceram que a eficiência de resistência à tração melhorada pode ser conseguida ao satisfazer-se a seguinte relação particular: PCCS ~ (BICCS + PICCS) ~ BCCS No presente exemplo, o símbolo "~" significa igual com uma tolerância de ± 5%.

[00030] Os requerentes reconheceram que o equilíbrio da eficiência entre as quatro seções críticas supracitadas na forma estabelecida acima maximiza e mantém a eficiência da conexão (~ 90%), ao mesmo tempo que maximiza a área de ressalto, de modo a obter uma maior resistência de binário e, ainda, garantir o desempenho axial da conexão.

[00031] Além disso, a relação entre seções críticas pode envolver diferenças mais pequenas de 2% ou mesmo 1%. De preferência, a soma de PICCS e BICCS é maior do que o valor mais elevado da PCCS e BCCS para evitar a ruptura próximo do ressalto central.

[00032] Como será discutido, no que se refere aos exemplos comparativos descritos abaixo, a conexão ilustrada na Figura 4 não segue a relação anteriormente referida entre seções críticas. Em vez disso, a conexão da Figura 4 apresenta razões de seções críticas de conexão mais baixas (em % em relação à seção transversal de tubo) e, portanto, uma eficiência de resistência à tração da conexão (isto é, a mais pequena das razões de conexão) que é menor do que para o exemplo apresentado na Figuras 1-3.

[00033] Na conexão da Figura 4, o espaço radial ocupado pelas superfícies 27, 28 vedantes nas extremidades espessas do elemento 1 macho e elemento 2 fêmea reduzem as PCCS e BCCS. Por outro lado, o exemplo nas Figuras 1-3 inclui uma configuração de vedação central que permite que as extremidades espessas da rosca 105 de grande diâmetro no pino e da rosca 106 de diâmetro pequeno na caixa sejam mais espessas do que para a conexão da Figura 4, sem grandes inconvenientes, e, assim, assegurar a nova relação entre

[00034] Como mostrado na Figura 2, o vedante 125 do presente exemplo encontra-se numa localização central, ao lado, afastado e distinto do ressalto 124. Uma superfície 152 vedante no pino 101 proporciona uma vedação, na direção radial, com uma superfície 162 vedante na caixa 102. As superfícies 154 e 164 de ressalto central, respectivamente, na caixa 102 e pino 103, estão situadas entre os dois degraus de roscas afuniladas e formam ressaltos batentes. Assim, quando a conexão é constituída, as superfícies 154 e 164 de ressalto do pino e caixa ficam engatadas e as superfícies 152 e 162 vedantes do pino e caixa contactam de modo estanque, devido à interferência radial entre si. No entanto, as superfícies 154 e 164 de ressalto no pino e caixa não são concebidas para formar uma vedação, mesmo que possam estar em contacto estanque quando a conexão não está sob tensão. Em particular, quando o pino e caixa estão sob tensão experimentada, tipicamente, durante o funcionamento normal, as superfícies 154 e 164 de ressalto não formam uma vedação.

[00035] A escolha de um único vedante central na Figura 1, em vez de dois vedantes 27, 28 terminais na Figura 4, permite diminuir o espaço radial ocupado pelos vedantes e, então, aumentar a PCCS, BCCS e/ou a área do ressalto. Essa escolha também faz com que a conexão seja menos sensível ao risco de o pino se soltar da caixa, devido a uma pressão de lubrificante em caso de aplicação excessiva, não ficando o lubrificante confinado entre vedantes terminais.

[00036] As superfícies 152 e 162 vedantes do vedante 125 podem ser superfícies cônicas com uma inclinação substancialmente igual ou uma das superfícies 152 e 162 pode ser uma superfície abaulada com uma forma convexa, por exemplo, uma superfície tórica definida por um raio de toro entre 10 e 100 mm, e a outra superfície pode ser cônica. A inclinação da superfície cônica pode ser escolhida entre dois limites, num lado, para limitar o espaço radial ocupado pelo vedante 125 e, no outro lado, para limitar o risco de gripagem das superfícies vedantes. Por exemplo, pode seleccionar-se uma inclinação de vedante de 1/6 (16,7%).

[00037] Como mostrado na Figura 2, as superfícies da caixa e do pino são configuradas para proporcionar uma folga 181 radial entre uma superfície 153 no pino e a superfície 163 correspondente na caixa. Estas superfícies não constituem e não podem constituir uma vedação. A folga 181 limita a interação entre o vedante 125 e o ressalto 124 batente durante uma aplicação de carga externa. Especificamente, a parte 125 de vedante é separada do ressalto 124, a fim de limitar a influência da deformação do ressalto sobre a parte 125 de vedante durante tensão e compressão, e, portanto, a fim de maximizar o desempenho da conexão sob condições de carga cíclica. A folga axial da folga 181 pode estar compreendida, por exemplo, entre 3 mm e 15 mm, e a folga radial (folga radial é metade da folga diametral que é a diferença de diâmetro) pode estar compreendida, por exemplo, entre 0,125 mm e 0,4 mm.

[00038] Entre o ressalto 124 e o degrau de rosca maior, também há superfícies 155 e 165 cilíndricas, respectivamente, no pino 101 e caixa 102. Também há sempre uma folga 182 radial entre estas superfícies 155, 165 cilíndricas. As superfícies 155, 165 cilíndricas não constituem e não podem constituir uma vedação. A folga 182 é uma folga radial que tem uma folga compreendida, por exemplo, entre 0,1 mm e 2 mm, no aperto.

[00039] Uma terceira folga, folga 183, está localizada entre o vedante 125 e as roscas no lado oposto ao vedante 125, elemento rígido à folga 181. A folga 183 é uma folga radial que é formada entre as superfícies 151 e 161 cilíndricas, respectivamente, no pino 101 e caixa 102. A folga 183 tem uma folga compreendida entre, por exemplo, 0,1 mm e 2 mm no aperto.

[00040] A minimização das folgas 182, 183 pode aumentar ou (PICC + BICCS) ou a área do ressalto, mas pode dificultar a conexão.

[00041] Como mencionado acima, as entradas das roscas de pino e caixa são baseadas na conexão cilíndrica - cônica ilustrada na Figura 4. A existência de uma entrada de pino cilíndrica - cônica na seção roscada externa e uma entrada de caixa cilíndrica - cônica na seção roscada interna maximiza a área de ressalto do seguinte modo: (comprimento de entrada cilíndrica * inclinação de rosca)/2 = aumento de altura do ressalto devido a uma parte de rosca de entrada. Como há uma parte de rosca de entrada de cada lado do ressalto 124 (uma no pino, a outra na caixa), o aumento da altura total do ressalto será a soma dos aumentos devidos a cada parte de rosca de entrada. A Figura 3 ilustra uma vista em corte detalhada de uma das partes de entrada de rosca da união ilustrada na Figura 1. Especificamente, a Figura 3 ilustra uma parte de saída de roscas 107 da caixa 102 e uma parte de entrada de roscas 105 do pino 101. As linhas 193 e 194 representadas são linhas que seguem um caminho afunilado, enquanto as linhas 191 e 192 representam um diâmetro cilíndrico. Fundos de pino na parte de rosca de entrada são afunilados, embora se encontrem numa superfície cilíndrica limitada pela linha 192, devido à forma da inserção de maquinagem.

[00042] O ponto de transição entre a seção de entrada e de saída de roscas engatadas não é necessariamente no mesmo local. No exemplo da Figura 3, o ponto de transição entre o topo cilíndrico da caixa e o topo afunilado da caixa é identificado pela referência J e o ponto de transição entre o funo cilíndrico do pino e o fundo afunilado do pino é identificado pela referência K. O comprimento cilíndrico de rosca das partes de entrada pode estar compreendido, por exemplo, entre 3 a 4 passos de rosca. Com a conexão da Figura 3, uma quantidade adicional de material G pode ser dedicada à altura de ressalto, quando comparado com um caso em que se seguiu um fundo de rosca de entrada convencional que segue a linha 195.

[00043] A inclinação de rosca pode estar compreendida entre 1/18 (5,555%) e 1/8 (12,5%). Seleccionar a inclinação de rosca para cada tamanho de conexão ajuda a: 1. assegurar a eficiência da conexão PCCS ~ (BICCS + PICCS) ~ BCCS; 2. assegurar uma área de rosca suficiente desenvolvida para evitar desapertos; e 3. maximizar a altura de ressalto, para maximizar a capacidade de binário e/ou resistência a cargas de compressão ou cargas de flexão. A inclinação de rosca pode ser diferente entre duas roscas 104 (106) e 105 (107) escalonadas.

[00044] O comprimento de duas partes de rosca, interna e externa, pode ser igual ou diferente, a fim de maximizar a eficiência das seções transversais intermédias. O comprimento de parte de rosca interna pode ser, por exemplo, 100% a 50% da parte de rosca externa.

[00045] Além disso, a área total de rosca desenvolvida pode ser superior a 130%, mas não superior a 250% da menor seção crítica entre PCCS e BCCS.

[00046] As tabelas que se seguem comparam as dimensões de uma conexão feita de acordo com a conexão ilustrada na Figura 4 com uma conexão feita de acordo com a conexão ilustrada nas Figuras 1-3. A Tabela 1 é um exemplo das dimensões de quatro conexões diferentes construídas utilizando a conexão ilustrada nas Figuras 1-3. Como observado acima, esta conexão pode obter uma eficiência de resistência à tração de 90% ou mais. Como pode ser visto na Tabela 1, as seções críticas poderiam ter diferenças que vão de 3% a um valor tão baixo quanto 1%. Nas tabelas que se seguem, PBCS refere- se à área de seção transversal nominal do corpo de tubo (= π*(OD - espessura de parede de tubo)*(espessura de parede de tubo)). Também se deve salientar que a área de ressalto é sistematicamente superior a 25%. O aumento do diâmetro exterior na caixa define uma categoria de conexão (embutida/semiembutida/std) e influencia favoravelmente a eficiência global de resistência à tração da conexão e do binário da área de ressalto. Como pode ser visto na Tabela 1, os exemplos estão no lado superior do intervalo possível de um aumento do diâmetro exterior para uma conexão de tipo semiembutida.

Tabela 1. Dimensões Exemp ificativas para Conexão Mosi trada nas

[00047] A Tabela 2 é um exemplo das dimensões para quatro conexões diferentes construídas utilizando a conexão ilustrada na Figura 4. Como observado acima, esta conexão só consegue atingir uma eficiência de resistência à tração de 70-80% ou mais. Como pode ser visto na Tabela 2, as seções críticas podem ter diferenças que são tão elevadas quanto 9% e 10%. Esta conexão também obtém uma área de ressalto entre 20 e 25%, menor do que para a conexão das Figuras 1-3. Tabela 2. Dimensões Comparativas para a Conexão Mostrada na Figura 4.

[00048] Obviamente, são possíveis inúmeras modificações e variações da presente invenção à luz dos ensinamentos anteriores. Deve, por conseguinte, ser compreendido que, no âmbito das reivindicações anexas, a invenção pode ser implementada de outra forma para além da que foi especificamente descrita no presente documento.

[00049] Em particular, podem utilizar-se outros tipos de ressaltos diferentes do ressalto 124 retilíneo da Figura 1, por exemplo, pode utilizar-se um ressalto invertido tendo um ângulo negativo de 20° ou menos em relação a uma perpendicular ao eixo de conexão.

[00050] Roscas de gancho da Figura 5 também podem ser substituídas por outros perfis de rosca.

[00051] Também se pode utilizar lubrificação a seco no lugar do lubrificante composto convencional (RP API 5A3) para implementar pequenas folgas 182, 183 radiais.

Claims

1. Conexão tubular roscada, caracterizada pelo fato de que compreende: um primeiro tubo, incluindo o primeiro tubo um elemento em forma de pino (1, 101) estendido desde uma extremidade de um corpo principal do primeiro tubo até uma extremidade terminal do primeiro tubo, incluindo o elemento em forma de pino duas seções deslocadas radialmente de roscas externas (4, 104, 5, 105), incluindo as duas seções deslocadas radialmente de roscas externas uma primeira seção de rosca (4, 104) e uma segunda seção de rosca (5, 105), sendo a primeira seção de rosca separada da segunda seção de rosca por uma primeira superfície de encosto (24, 124, 154), estando a primeira seção de rosca localizada entre a extremidade terminal do primeiro tubo e a primeira superfície de encosto e estando a segunda seção de rosca localizada entre a primeira superfície de encosto e a extremidade do corpo principal do primeiro tubo; e, um segundo tubo, incluindo o segundo tubo um elemento em forma de caixa (2, 102) estendido desde uma extremidade de um corpo principal do segundo tubo até uma extremidade terminal do segundo tubo, incluindo o elemento em forma de caixa duas seções deslocadas radialmente de roscas internas (6, 106, 7, 107), incluindo as duas seções deslocadas radialmente de roscas internas uma terceira seção de rosca (6, 106) e uma quarta seção de rosca (7, 107), sendo a terceira seção de rosca separada da quarta seção de rosca por uma segunda superfície de encosto ( 24, 124, 164), estando a terceira seção de rosca localizada entre a extremidade terminal do segundo tubo e a segunda superfície de encosto e estando a quarta seção de rosca localizada entre a segunda superfície de encosto e a extremidade do corpo principal do segundo tubo, em que o elemento em forma de pino inclui uma seção transversal crítica de pino (PCCS) localizada num fundo engatado de rosca da segunda seção de rosca que está mais próxima da extremidade do corpo principal do primeiro tubo, o elemento em forma de caixa inclui uma seção transversal crítica de caixa (BCCS) localizada num fundo engatado de rosca da quarta seção de rosca que está mais próxima da extremidade do corpo principal do segundo tubo, o elemento em forma de caixa inclui uma seção transversal intermédia de caixa (BICCS) localizada num fundo engatado de rosca da terceira seção de rosca que está mais próxima da segunda zona de encosto do segundo tubo e o elemento em forma de pino inclui uma seção transversal crítica intermédia de pino (PICCS) localizada num fundo engatado de rosca da primeira seção de rosca que está mais próxima da primeira zona de encosto do primeiro tubo, e, em que os primeiro e segundo tubos satisfazem as seguintes relações: o valor da PCCS situa-se no intervalo limitado entre + 5% e -5% de BCCS e, cada um dos valores de PCCS e BCCS situa-se no intervalo limitado entre +5% e -5% (BICCS + PICCS), em que o pino inclui uma primeira superfície vedante central (152) localizada entre a primeira seção de rosca e a primeira superfície de encosto e a caixa inclui uma segunda superfície vedante central (162) localizada entre a quarta seção de rosca e a segunda superfície de encosto, e, em que, num estado enroscado, a primeira superfície vedante central engata-se na segunda superfície vedante central, numa direção radial, de modo a formar uma vedação estanque a fluidos (125) que se estende numa direção axial da conexão tubular roscada e é separada e distinta da primeira e segunda superfícies de encosto.

2. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, no estado enroscado, a vedação estanque a fluidos é separada das, primeira e segunda, superfícies de encosto na direção axial da conexão tubular roscada por uma primeira parte de folga (181), sendo o pino e a caixa afastados um do outro, na direção radial, na primeira parte de folga de modo a formar uma primeira folga entre o pino e a caixa na primeira parte de folga.

3. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a primeira folga inclui uma folga axial compreendida entre 3 mm e 15 mm, e uma folga radial compreendida entre 0,125 mm e 0,4 mm.

4. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que, no estado enroscado, a conexão tubular roscada inclui uma segunda parte de folga (182), estando a segunda parte de folga localizada entre a segunda superfície de encosto e a terceira seção de rosca na caixa, e entre a primeira superfície de encosto e a segunda seção de rosca no pino, estando o pino e a caixa afastados um do outro, na direção radial, na segunda parte de folga de modo a formar uma segunda folga entre o pino e a caixa na segunda parte de folga, e, em que, no estado enroscado, a conexão tubular roscada inclui uma terceira parte de folga (183), estando a terceira parte de folga localizada entre a segunda superfície vedante central e a quarta seção de rosca de caixa, e entre a primeira superfície vedante central e a primeira seção de rosca no pino, estando o pino e a caixa afastados um do outro, na direção radial, na terceira parte de folga de modo a formar uma terceira folga entre o pino e a caixa na terceira parte de folga.

5. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as primeira, segunda, terceira e quarta, seções de rosca incluem, cada uma, roscas tendo flancos de carga com uma inclinação negativa.

6. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que as primeira, segunda, terceira e quarta seções de rosca são, cada uma, tronco-cônicas e incluem, cada uma, uma parte de rosca de entrada numa primeira extremidade, uma parte de rosca de saída numa segunda extremidade e uma parte de rosca de altura total entre a parte de rosca de entrada e a parte de rosca de saída.

7. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que uma inclinação de cada uma das primeira, segunda, terceira e quarta seções de rosca está compreendida num intervalo entre 1/18 e 1/8.

8. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a parte de rosca de saída de, pelo menos uma, das primeira, segunda, terceira e quarta seções de rosca é uma rosca de saída parcial.

9. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que um comprimento da primeira e da quarta seções de rosca é igual a um comprimento da segunda e da terceira seções de rosca.

10. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que um comprimento da primeira e da quarta seções de rosca e quarto está compreendido num intervalo de 50% a 100% de um comprimento da segunda e da terceira seções de rosca.

11. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma das PCCS e BCCS situa- se no intervalo limitado entre +3% e -3% (BICCS + PICCS).

12. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que cada uma das PCCS e BCCS situa- se no intervalo limitado entre +2% e -2% (BICCS + PICCS).

13. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que (BICCS + PICCS) é maior que PCCS e BCCS.

14. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma eficiência de resistência à tração da conexão tubular roscada é, pelo menos, 90%.

15. Conexão tubular roscada de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que uma inclinação da primeira seção de rosca é diferente da inclinação da secunda seção de rosca.