BR112015017303B1

BR112015017303B1 - acoplamento de parafuso para tubos de aço

Info

Publication number: BR112015017303B1
Application number: BR112015017303-9A
Authority: BR
Inventors: Takuya Nagahama; Masaki Yoshikawa; Jun Takano; Takamasa Kawai; Osamu Sonobe
Original assignee: Jfe Steel Corporation
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2021-01-19
Also published as: JPWO2014115191A1; MX2015009511A; WO2014115191A1; JP5949953B2; BR112015017303A2; EP2949983A1; MX367486B; US10202809B2; US20150368987A1; EP2949983A4

Abstract

ACOPLAMENTO DE PARAFUSO PARA TUBOS DE AÇO. A presente invenção refere-se a um acoplamento de parafuso, no qual a superfície periférica externa (31) da seção de ponta de um pino (3) possui um formato cônico único, a superfície de vedação (21) de uma caixa (1) tem um formato de superfície curvado convexo para fora, e o ponto de vedação (xp) definido pela equação dada é pelo menos 0,51 cm (0,2 polegada).

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção refere-se a uma junta rosqueável para tubos de aço e, em particular, a uma junta rosqueável para tubos de aço que têm alta vedabilidade e alta resistência à compressão adequada para uso na conexão de tubos de poço de óleo que inclui tubagem e revestimento geralmente usados no prospecto para poços de óleo e poços de gás, e na produção, isto é, tubos de aço, assim como os produtos tubulares para indústria petroleira (OCTG), tubos elevatórios e tubos de oleoduto.

TÉCNICA ANTERIOR

[0002] As juntas rosqueáveis são amplamente usadas na conexão de tubos de aço, tais como tubos de poço petrolífero, as quais são usadas nas instalações de produção de óleo. Para a conexão de tubos de aço para uso na produção e na prospecção de óleo ou gás, as juntas rosqueáveis de padrões típicos baseadas no padrão do Instituto Americano de Petróleo (API) foram convencionalmente usadas. No entanto, como os poços de óleo bruto e os poços de gás natural aumentaram recentemente em profundidade, e os poços horizontais e os poços direcionais têm aumentado mais que poços verticais, os ambientes de escavação e produção estão se tornando severos. Além dis-so, um aumento no desenvolvimento de poços sob ambientes hostis, tais como o mar e as regiões polares, diversificam as condições de desempenho para as juntas rosqueáveis, tais como resistência à compressão, resistência à flexão e desempenho de vedação à pressão externa (resistência à pressão externa). Por essa razão, essa tendência aumenta o uso de juntas rosqueáveis especiais que têm alto desempenho, as quais são chamadas de junta premium, e a demanda por melhora adicional do desempenho de tais juntas está aumentada.

[0003] A junta premium é geralmente uma junta tipo acoplamento sendo que um par de membros machos rosqueáveis externamente (no presente documento, referido como pinos) formados nas extremidades dos tubos e um membro fêmea rosqueável internamente (no presente documento, referido como uma caixa) são acoplados. Cada um dos pinos inclui uma rosca cônica, uma porção de vedação (especificamente, uma porção de vedação metal com metal) e uma porção de ombro (especificamente, uma porção de ombro de torque). A caixa conecta os pinos entre si. A rosca cônica é importante para fixar fortemente a junta do tubo. A porção da vedação serve para assegurar a vedabilidade devido ao fato de que a caixa e os pinos entram em contato metal com metal entre si nessa porção. A porção de ombro serve como um suporte quando a junta está/é apertada.

[0004] A Figura 3 é um diagrama explicativo esquemático de uma junta premium para tubos de poço de óleo, sendo que é uma vista em corte transversal longitudinal de uma junta rosqueável para tubos cilíndricos. O item (a) é uma vista completa, (b) é uma vista ampliada das porções rosqueáveis (Região B1) em (a), e (c) é uma vista ampliada da região próxima à ponta do pino (Região B2) em (a). A junta ros- queável inclui pinos 3 e uma caixa 1 que corresponde aos pinos 3. Cada um dos pinos 3 inclui uma porção macho rosqueável externamente 7 formada na face periférica externa dos mesmos e uma porção da ponta 8 (ponta do pino 8). A ponta do pino 8 é uma porção desrros- queável disposta na extremidade do pino 3, de forma que seja adja-centeà porção macho rosqueável externamente 7. A ponta do pino 8 inclui uma porção de vedação 11 na face periférica externa da mesma e uma porção de ombro de torque 12 na face extrema da mesma. A caixa 1, que fica voltada para o pino 3, tem uma porção fêmea ros- queável internamente 5, uma porção de vedação 13, e a porção de ombro 14 na face interna da mesma, que respectivamente são capa- zes de encaixar ou entrar em contato com a porção macho rosqueável externamente 7, a porção de vedação 11 e a porção de ombro de torque 12 do pino 3.

[0005] As juntas rosqueáveis que são particularmente resistentes a uma carga de pressão externa têm sido propostas. Por exemplo, a Literatura de Patente 1 descreve uma junta rosqueável do tipo vedação radial em que a ponta do pino adjacente à extremidade do pino entra em contato metal com metal com a face interna da caixa em uma direção radial, e a porção de contato serve como uma porção da vedação. A ponta do pino que é descontínua em relação à porção de vedação (descontínua nessa face periférica externa da ponta do pino que está fora de uma linha de extensão da face de vedação na direção radial) está disposta entre a porção de vedação e a porção de ombro, e a ponta do pino não está em contato com a caixa. Nessa junta ros- queável, uma vez que a porção de vedação está disposta de maneira a estar separada da extremidade do pino, a alta vedabilidade pode ser obtida mesmo se a espessura do pino for relativamente pequena.

LISTA DE CITAÇÃO LITERATURA DE PATENTE

[0006] PTL 1: Patente Japonesa n° 4535064

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA DA TÉCNICA

[0007] No entanto, a junta rosqueável descrita na Literatura de Pa tente 1 tem um problema em que a forma do pino se torna complexa e a produtividade diminui, devido ao fato de que é necessário formar a ponta do pino de maneira a ser descontínua em relação à porção da vedação.

SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA

[0008] Para resolver o problema descrito acima, os inventores reali zaram estudos nos quais foram executados cálculos de simulação que usam a análise de elementos finitos (FEA) e experiências. Como resultado, os inventores concluíram que uma junta rosqueável que tem uma forma da ponta do pino simples e que tem alta vedabilidade mesmo em um ambiente de pressão externa pode ser obtida ao limitar um ponto de vedação definido por uma equação específica que está em uma faixa específica e através do mesmo atingiu a presente invenção.

[0009] A presente invenção é conforme a seguir. (1) Uma junta rosqueável para tubos de aço compreende; um pino que inclui uma porção macho rosqueável externamente, uma ponta de pino que se estende a partir de uma porção macho rosqueável externamente em direção a uma extremidade do tubo, e uma porção de ombro disposta na extremidade da ponta do pino, e uma caixa que inclui uma porção fêmea rosqueável internamente que é acoplada de modo rosqueável à porção macho ros- queável externamente, uma face de vedação que fica voltada para uma face periférica externa da ponta do pino, e uma porção de ombro que entra em contato com a porção de ombro do pino, em que o pino e a caixa estão acoplados de modo ros- queável entre si de tal forma que a face periférica externa da ponta do pino e a face de vedação da caixa entrem em contato metal com metal entre si e a porção de contato serve como uma porção de vedação, caracterizado pelo fato de que a face periférica externa da ponta do pino tem um formato cônico único, a face de vedação da caixa tem um formato curvado convexo exteriormente, e um ponto de vedação xp definido pela seguinte equação que é maior ou igual a 0,51 cm (0,2 polegada).

[00010] Aqui, p é uma pressão da face de contato, x é uma distância de uma extremidade do pino em uma direção do eixo geográfico do tubo e x1 e x2 são respectivamente um limite inferior e um limite superior de um domínio de x que corresponde à porção de vedação.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO

[00011] De acordo com a presente invenção, pode ser obtida uma junta rosqueável para tubos de aço que têm uma forma da ponta de pino simples e têm alta vedabilidade mesmo sob um ambiente de pressão externa.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[00012] A Figura 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática que ilustra uma modalidade exemplificativa da presente invenção.

[00013] A Figura 2 inclui vistas em corte longitudinais esquemáticas que ilustram uma modalidade exemplificativa da presente invenção.

[00014] A Figura 3 inclui vistas em corte longitudinais esquemáticas que ilustram uma junta rosqueável de saída para tubos de aço.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[00015] Como ilustrado nas Figuras 1 e 2, a junta rosqueável para tubos de aço de acordo com a presente invenção inclui um pino 3 e uma caixa 1. O pino 3 inclui uma porção macho rosqueável externamente 7, uma ponta de pino 8 que se estende a partir da porção macho rosqueável externamente 7 em direção a uma extremidade do tubo, e uma porção de ombro 12 disposta na extremidade da ponta do pino 8. A caixa 1 inclui uma porção fêmea rosqueável internamente 5 que é acoplada de modo rosqueável à porção macho rosqueável externamente 7, uma face de vedação 21 que fica voltada para uma face periférica externa da ponta do pino 8 do pino 3, e uma porção de om-bro 14 que entra em contato com a porção de ombro 12 do pino 3. O pino 3 e a caixa 1 são acoplados de modo rosqueável entre si, de tal maneira que a face periférica externa da ponta do pino 8 e a face de vedação 21 da caixa 1 entrem em contato metal com metal, e a porção de contato sirva como uma porção de vedação 20. Isto é, a junta ros- queável para tubos de aço, de acordo com a presente invenção, corresponde a uma junta premium do tipo vedação radial convencional.

[00016] De acordo com a presente invenção, com base na estrutura descrita acima, como ilustrado na Figura 1, a face periférica externa da ponta do pino 8 (face periférica externa da ponta do pino 31) tem uma forma cônica única e a face de vedação 21 da caixa 1 que tem uma forma curvada convexa exteriormente, e um ponto de vedação xp definido pela equação supracitada 1 (também mostrada na Figura 1) é maior ou igual a 0,51 cm (0,2 polegada) (= 0,2 polegada x 25,4 mm/polegada = 5,08 mm). A Figura 1 inclui um gráfico esquemático em que p está representado em relação a x.

[00017] Se xp for maior que ou igual a 0,51 cm (0,2 polegada), o diâmetro do pino é impedido de ser consideravelmente reduzido em um ambiente de pressão externa, e a alta vedabilidade pode ser mantida. Existe um vão na base da ponta do pino 41, que é um vão que se estende a partir de uma fronteira da porção vedada 20 próxima da porção rosqueável em direção a uma extremidade da porção rosqueá- vel. O vão da base da ponta do pino 41 está conectado ao exterior da junta rosqueável através de um vão de rosca, que é um vão entre as porções rosqueáveis que se enredam entre si. Portanto, em um ambiente de pressão externa, uma pressão externa atua no vão da base da ponta do pino 41 e aplica uma força de pressionamento na face periférica externa na ponta do pino 31. Se xp for menor que 0,51 cm (0,2 po-legada), o pino 3 não pode opor-se à força de pressão, o diâmetro externo do pino é consideravelmente reduzido, o contato entre a face periférica externa da ponta do pino 31 e a face de vedação 21 se torna frouxo, e a vedabilidade não pode ser mantida.

[00018] Por outro lado, mesmo se xp for aumentado para um nível maior que cerca de 2,54 cm (1,0 polegada), a vedabilidade não é adicionalmente melhorada, e é mais provável que a produtividade diminua devido ao fato de que o comprimento da ponta do pino que inclui a porção de vedação se torna muito longo. Então, é preferível que xp seja menor ou igual a cerca de 2,54 cm (1,0 polegada).

[00019] Ao calcular o ponto de vedação xp, os limites superiores e inferiores x1 e x2 do intervalo do integral são definidos como as coordenadas x de dois pontos de interseção da face periférica externa da ponta do pino 31 e da face de vedação 21 (os dois pontos de interseção respectivamente correspondem a um ponto extremo da porção de vedação 20 próximo à extremidade do pino e um ponto extremo da porção de vedação 20 próximo à porção rosqueável) quando as vistas em corte transversal do pino 3 e a caixa 1 que têm o mesmo tamanho são colocadas uma sobre a outra de modo que os eixos geométricos do tubo e as faces do ombro do pino 3 e a caixa 1 coincidam entre si. Aqui, o eixo geométrico de x é paralelo à direção dos eixos geométricos do tubo e tem uma origem na extremidade da ponta do pino. Isto é, x é a distância da extremidade da ponta do pino na direção do eixo geométrico do tubo. A pressão da face de contato p que é obtida como uma função de x ao realizar um cálculo FEA que simula o LP2 das séries A do teste ISO 13679. No cálculo FEA, assume-se que o tamanho do elemento está na faixa de 0,00025 a 0,025 cm (0,001 a 0,01 polegada) e a caixa e o pino são corpos elastoplásticos.

EXEMPLO

[00020] As amostras das juntas rosqueáveis que incluem pinos que têm um diâmetro externo de 9+5/8 polegadas e uma espessura de 1,38 cm (0,545 polegadas feito através da usinagem das extremidades de tubos de aço, e as caixas que correspondem aos pinos foram preparadas de forma que os pinos tenham formas cônicas diferentes e/ou as caixas tenham face de vedação que tenha formas curvadas exteri- ormente diferentes. Para cada umas dessas amostras, a pressão da face de contato p foi obtida ao realizar um cálculo FEA que simula LP2 do teste de série A da ISO 13679, e o ponto de vedação xp foi calculado a partir da pressão da face de contato p através do uso da equação 1. Além disso, os testes de série A foram realizados em cada uma das amostras. A tabela 1 mostra os resultados.

[00021] Como mostrado na Tabela 1. Fica evidente que a vedabili- dade dos exemplos da invenção é melhor do que a do exemplo comparativo.

LISTA DOS NÚMEROS DE REFERÊNCIA 1: caixa 3: pino 5: porção fêmea rosqueável internamente 7: porção macho rosqueável externamente 8: ponta (ponta do pino) 11, 13, 20: porção de vedação (especialmente, porção de vedação metal com metal) 12, 14: porção de ombro (especificamente, porção de ombro de torque) 21: face de vedação 31: face periférica externa da ponta do pino (face periférica externa da ponta do pino) 41: vão da base da ponta do pino

Claims

1. Junta rosqueável para tubos de aço que compreende: um pino (3) que inclui uma porção macho rosqueável externamente (7), em que uma ponta do pino se estende da porção macho ros- queável externamente (7) em direção a uma extremidade do pino, e uma porção de ombro (12) disposta na extremidade da ponta do pino (8), e uma caixa (1) que inclui uma porção fêmea rosqueável in-ternamente (5) para ser acoplada de modo rosqueável à porção macho rosqueável externamente (7), uma face de vedação (21) que fica voltada para uma face periférica externa (31) da ponta do pino (8), e uma porção de ombro (14) que entra em contato com a porção de ombro (12) do pino (3), em que o pino (3) e a caixa (1) são acoplados de modo rosqueável entre si, de tal maneira que a face periférica externa (31) da ponta do pino (8) e a face de vedação (21) da caixa (1) entrem em contato metal com metal entre si, e a porção de contato sirva como uma porção de vedação (20), a face periférica externa (31) da ponta do pino (8) tem um formato cônico único, e a face de vedação (21) da caixa (1) tem uma formato convexo curvado para fora, caracterizada pelo fato de que um ponto de vedação xp definido pela equação a seguir é maior que, ou igual a 5,08 mm (0,2 polegada),

p (x) é uma pressão de face de contato, que é obtida como uma função de x ao realizar um cálculo FEA que simula o LP2 das séries A do teste da ISO 13679:2002, em que o tamanho do elemento está na faixa de 0,0254 mm a 0,254 mm (0,001 a 0,01 polegada) e a caixa e o pino são corpos elastoplásticos, x está a uma distância de uma extremidade do pino (3) em uma direção do eixo geométrico do tubo, e x1 e x2 são, respectiva-mente, um limite inferior e um limite superior de um domínio de x que corresponde à porção da vedação (20).