BR112020003943A2

BR112020003943A2 - conexão roscada para tubo de aço

Info

Publication number: BR112020003943A2
Application number: BR112020003943-8A
Authority: BR
Inventors: Masaaki Sugino; Yousuke Oku; Keita INOSE
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2020-09-08
Also published as: PL3702656T3; US20200248509A1; CN111051756B; EP3702656A1; AR113368A1; AU2018354891B2; CN111051756A; UA122858C2; US11313181B2; JPWO2019082612A1; JP6817459B2; BR112020003943B1; EP3702656A4; MX2020002337A; EA038876B1; WO2019082612A1; CA3074210A1; EP3702656B1; AU2018354891A1; CA3074210C

Abstract

É fornecida uma conexão roscada para tubo de aço que melhora sua vedabilidade contra pressão interna, mantendo a alta vedabilidade contra pressão externa de uma conexão roscada com um nariz usado em um tubo de aço com diâmetro grande e espessura de parede grande. Em uma conexão roscada para conectar corpos de tubos de aço, cada um com um diâmetro externo igual ou superior a 7 polegadas e uma espessura de parede igual ou maior que 0,7 polegadas, a Expressão (1) na descrição é satisfeita e tB/tL>1,4, onde delta [mm] é a folga entre a superfície externa do pino e a superfície interna da caixa no momento do encaixe, medida na borda entre a superfície afunilada do pino e a superfície redonda do pino, D [polegada] é o diâmetro externo do corpo do tubo de aço, t [polegada] é a espessura da parede do corpo do tubo de aço, L [mm] é a distância entre um ponto de articulação, que é uma posição, na região de contato entre a superfície de vedação do pino e a superfície de vedação da caixa, que está mais próxima da ponta do pino, e a ponta do pino no encaixe, medida ao longo da direção do eixo do tubo, tL [mm] é a espessura da parede do pino, medida no ponto de articulação, e tB [mm] é a espessura da parede da caixa medida no ponto de articulação.

Description

CONEXÃO ROSCADA PARA TUBO DE AÇO CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente divulgação refere-se a uma conexão roscada para tubo de aço e, mais particularmente, a uma conexão roscada para conectar tubos de aço 5 com grandes diâmetros e grandes espessuras de parede.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

[0002] Tubos de aço chamados tubos de poços de petróleo são usados, por exemplo, para prospecção ou produção de petróleo ou gás natural em poços de petróleo ou poços de gás natural (doravante designados coletivamente como 10 "poços de petróleo” ou semelhantes), desenvolvendo recursos não convencionais como areia betuminosa ou gás de xisto, recuperação ou armazenamento de dióxido de carbono (Captura e Armazenamento de dióxido de carbono (CCS)), geração de energia geotérmica ou em fontes termais. Uma conexão roscada é usada para conectar tubos de aço. 15 [0003] Essas conexões roscadas para tubos de aço são geralmente categorizadas como tipo de acoplamento e tipo integral. Uma conexão de tipo acoplamento conecta um par de tubos, um dos tubos é um tubo de aço e o outro tubo é um tubo curto chamado de acoplamento. Neste caso, uma rosca macho é fornecida sobre a periferia externa de ambas as extremidades do tubo de aço, 20 enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna de ambas as extremidades do acoplamento. Em seguida, a rosca macho do tubo de aço é enroscada dentro de uma rosca fêmea do acoplamento, de modo que eles estejam montados e conectados. Uma conexão de tipo integral conecta um par de tubos que são ambos tubos de aço e não usa um acoplamento separado. Neste caso, 25 uma rosca macho é fornecida na periferia externa de um dos tubos de aço, enquanto uma rosca fêmea é formada na periferia interna da outra extremidade. Em seguida, a rosca macho de um tubo de aço é enroscada dentro rosca fêmea do outro tubo de aço, de modo que eles estejam montados e conectados.

[0004] Uma parte de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma 30 rosca macho é fornecida inclui um elemento a ser inserido em uma rosca fêmea e,

portanto, é usualmente mencionado como "pino". Uma parte de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma rosca fêmea é fornecida inclui um elemento para receber uma rosca macho e, portanto, é mencionada como "caixa". Um pino e uma caixa constituem extremidades de tubos e são, assim, de forma tubular. 5 [0005] Um poço de petróleo é perfurado enquanto sua parede lateral é reforçada por tubos de poço de petróleo para impedir que a parede lateral desmorone durante a escavação, o que resulta em vários tubos de poço de petróleo dispostos um no outro. Nos últimos anos, os poços terrestres e marítimos tornaram- se cada vez mais profundos; em tais ambientes, para conectar tubos de poço de 10 petróleo, são usadas com frequência conexões roscadas nas quais os diâmetros interno e externo das porções de conexão são geralmente iguais aos diâmetros interno e externo dos tubos de aço para melhorar a eficiência no desenvolvimento de poços de petróleo. O uso dessas conexões roscada minimiza as folgas anulares entre os vários tubos de poço de petróleo dispostos um no outro, o que melhora a 15 eficiência no desenvolvimento de um poço de petróleo profundo sem aumentar significativamente o diâmetro do poço. É necessária que uma conexão roscada tenha uma vedabilidade contra o fluido de pressão do ambiente interno (doravante denominado também como “pressão interna”) e o fluido de pressão do ambiente externo (doravante denominado também como “pressão externa”), de acordo com 20 as restrições nos diâmetros interno e externo descritas acima. Geralmente, a vedabilidade contra a pressão interna é chamada de “vedabilidade contra pressão interna”, enquanto a vedabilidade contra a pressão externa é chamada de “vedabilidade contra pressão externa”.

[0006] Conexões roscadas conhecidas que asseguram a vedabilidade 25 incluem aquelas que têm uma vedação que usa um contato de metal com metal (doravante mencionada como “vedação metálica”). Uma vedação de metal é uma disposição no qual o diâmetro de uma superfície de vedação de pino é ligeiramente maior que o diâmetro de uma superfície de vedação de caixa (a diferença entre esses diâmetros será chamada de “quantidade de interferência”) e, quando a 30 conexão roscada é encaixada e as superfícies de vedação são ajustadas uma à outra, a quantidade de interferência faz com que o diâmetro da superfície de vedação do pino diminua e o diâmetro da superfície de vedação da caixa aumente e cada uma das superfícies de vedação tenta recuperar seus diâmetros originais e, assim, gera forças de recuperação elásticas, que produzem pressões de contato 5 nas superfícies de vedação para fazer com que elas adiram umas às outras ao longo de toda a periferia, proporcionando vedabilidade.

[0007] A patente JP 2006-526747 A (Documento de Patente 1) divulga uma técnica usada para uma conexão roscada para tubo de aço, incluindo um pino e uma caixa, em que um nariz é fornecido no pino para melhorar a vedação da 10 pressão externa enquanto mantém sua vedabilidade contra pressão interna.

[0008] A patente JP 2015-132285 A (Documento de Patente 2) divulga uma técnica usada para uma conexão roscada para tubo de aço, incluindo um pino e uma caixa, em que o atrito deve ser evitado, garantindo a vedabilidade contra pressão interna e externa. 15 [0009] A patente japonesa Nº 4535064 (Documento de Patente 3) instrui que uma conexão roscada incluindo uma vedação de metal e um nariz tem uma vedabilidade contra pressão externa mais alta do que uma conexão roscada sem nariz.

[0010] Os seguintes documentos da técnica anterior são incorporados neste 20 documento por referência. [Documento de Patente 1] JP 2006-526747 A [Documento de Patente 2] JP 2015-132285 A [Documento de Patente 3] Patente Japonesa No. 4535064

SUMÁRIO DA INVENÇÃO 25 [0011] Um objetivo da presente divulgação é fornecer uma conexão roscada que melhora sua capacidade de vedação por pressão interna, mantendo a alta vedabilidade contra pressão externa de uma conexão roscada com um nariz usado em um tubo de aço com diâmetro grande e espessura de parede grande.

[0012] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com a presente 30 divulgação é uma conexão roscada para conectar corpos de tubo de aço, cada um com um diâmetro externo igual ou superior a 7 polegadas e uma espessura de parede igual ou superior a 0,7 polegadas. A conexão roscada inclui um pino tubular e uma caixa tubular. A caixa é encaixada no pino conforme o pino é inserido nela. O pino inclui um nariz, uma superfície de ressalto do pino, uma superfície afunilada 5 do pino, uma superfície redonda do pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação do pino. O nariz é fornecido em uma parte da ponta do pino e tem um diâmetro externo menor que o diâmetro interno de uma parte da caixa que fica de frente para a parte da ponta do pino quando a conexão é encaixada. A superfície de ressalto do pino é fornecida em uma ponta do nariz. A superfície afunilada do 10 pino é fornecida na periferia externa do nariz. A superfície redonda do pino é fornecida em uma borda entre a superfície de ressalto do pino e a superfície do afunilada do pino. A rosca macho é fornecida sobre uma periferia externa do pino. A superfície de vedação do pino é fornecida na periferia externa do pino e está localizada entre o nariz e a rosca macho. A caixa inclui uma superfície de ressalto 15 de caixa, uma rosca fêmea e uma superfície de vedação de caixa. A superfície de ressalto da caixa está voltada para a superfície de ressalto do pino e está em contato com a superfície de ressalto do pino quando a conexão é encaixada. A rosca fêmea corresponde à rosca macho e está localizada em uma periferia interna da caixa. A superfície de vedação da caixa está voltada para a superfície de 20 vedação do pino e está em contato com a superfície de vedação do pino após o encaixe.

[0013] A expressão (1) fornecida abaixo é satisfeita e tB/ tL > 1.4, onde δ [mm] é a folga entre a superfície externa do pino e a superfície interna da caixa no momento do encaixe, medida na borda entre a superfície afunilada do pino e a 25 superfície redonda do pino, D [polegada] é o diâmetro externo do corpo do tubo de aço, t [polegada] é a espessura da parede do corpo do tubo de aço, L [mm] é a distância entre um ponto de articulação, que é uma posição, na região de contato entre uma superfície de vedação do pino e a superfície de vedação da caixa, que está mais próxima da ponta do pino, e a ponta do pino após o encaixe, medida ao 30 longo da direção do eixo do tubo, tL [mm] é a espessura da parede do pino, medida no ponto de articulação, e tB [mm] é a espessura da parede da caixa medida no ponto de articulação.

[0014] 0.30+min(antL+bnD, n=1,2,3)>δ>min(antL+bnD, n=1,2,3) (1). 5 [0015] Neste documento, min é uma função que leva o mínimo dos três fatores entre parênteses, a1=(L/t)×0,0115×(tL/t)−1,68778−0,00247×(tL/t)−2,02052; b1=(L/t)×0,0076×(tL/t)-0,65672-0,00120×(tL/t)-1,06817; a2=(L/t)×0,00725×(tL/t)-1,67341-0,00157×(tL/t)-1,93212; 10 b2=0; a3=−(L/t)×0,00256×(tL/t)−2,40620+0,00372×(tL/t)−2,19899; e b3=(L/t)×0,01986×(tL/t)−0,88615−0,01048×(tL/t)−1,00532.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] [FIG. 1] A FIG. 1 é uma vista transversal longitudinal esquemática de 15 uma conexão roscada tipo acoplamento de acordo com uma modalidade. [FIG. 2] A FIG. 2 é uma vista transversal longitudinal esquemática de uma conexão roscada tipo integral, que é diferente da conexão da FIG. 1. [FIG. 3] A FIG. 3 é uma vista transversal longitudinal de qualquer uma das conexões roscadas das FIGS. 1 e 2 ao longo da direção do eixo do tubo, 20 mostrando o nariz e as partes próximas. [FIG. 4] A FIG. 4 é uma vista transversal longitudinal de uma conexão roscada diferente da FIG. 3 tomada ao longo da direção do eixo do tubo, mostrando o nariz e as partes próximas. [FIG. 5] A FIG. 5 é um gráfico que mostra a correlação entre a folga 25 no nariz e a vedabilidade contra pressão externa.

MODALIDADES PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[0017] [Vedabilidade Contra Pressão Externa] Em uma conexão roscada para tubos de aço com uma espessura de parede grande, os valores de pressão externa de acordo com a norma API 5C3 30 estão próximos dos valores de pressão externa de 100% VME (ou seja, os valores de carga do material em si, sem forças de colapso adicionais). Se uma pressão externa muito alta for aplicada, pode ocorrer um vazamento de pressão externa mesmo em uma conexão roscada para tubos de aço com uma espessura de parede grande. 5 [0018] Os presentes inventores fizeram uma extensa pesquisa e identificaram as causas dos vazamentos de pressão externa. Ou seja, uma alta pressão externa que penetrou nas roscas reduz o diâmetro de todas as partes do pino localizadas na parte traseira da vedação de metal, enquanto nenhuma pressão externa penetra nas partes localizadas à frente da vedação de metal e, portanto, 10 seu diâmetro não diminui e, como resultado, as partes do pino localizadas mais próximas à ponta do que a rosca macho, incluindo a vedação de metal e o nariz (doravante denominado “entalhe do pino”), são deformadas radialmente para fora. Assim, o ponto de vedação se move em direção à ponta do pino a partir da superfície adequada para a vedação (ou seja, superfície que foi tratada para 15 fornecer uma rugosidade superficial adequada ou submetida a outro tratamento de superfície adequado para permitir a formação de uma vedação metálica, e foi ajustada pelo deslizamento apropriado durante o encaixe da conexão) ou o entalhe do pino entra em contato com a periferia interna da caixa, de modo que as forças de contato da vedação diminuam significativamente, reduzindo significativamente 20 a vedabilidade contra pressão externa.

[0019] Com base nessas novas descobertas, os presentes inventores assumiram que a vedabilidade contra pressão externa, mesmo em uma conexão roscada para tubos de aço com uma espessura de parede grande, pode ser impedida de diminuir significativamente se um limite inferior for definido na folga δ 25 para evitar que a ponta do nariz entre em contato intenso com a periferia interna da caixa, mesmo quando uma pressão externa alta é aplicada. Em seguida, eles adotaram a teoria da casca cilíndrica elástica para estimar a quantidade de deformação do nariz (que é metade da quantidade de aumento de diâmetro) encontrada quando uma pressão externa é aplicada e identificaram o limite inferior 30 adequado para a folga δ.

[0020] [Vedabilidade Contra Pressão Interna] Quando uma pressão interna é aplicada, o diâmetro do entalhe do pino aumenta para amplificar as forças de contato da vedação. No entanto, em um tubo de aço com um diâmetro grande e uma espessura de parede grande, se a 5 espessura da parede da caixa for pequena em relação ao pino, também será grande a quantidade de aumento no diâmetro da caixa resultante da aplicação de pressão interna, reduzindo a amplificação das forças de contato de vedação. Em vista disso, os presentes inventores assumiram que deveria haver um valor adequado da razão da espessura da parede de vedação do pino e da caixa para 10 aumentar a amplificação das forças de contato de vedação para melhorar a vedabilidade contra pressão interna.

[0021] Com base nesses resultados, os presentes inventores criaram uma conexão roscada para tubo de aço que melhora a vedabilidade contra pressão interna, mantendo a alta vedabilidade contra pressão externa de uma conexão 15 roscada com um nariz usado em um tubo de aço de diâmetro grande e uma espessura de parede grande.

[0022] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com uma modalidade é uma conexão roscada para conectar corpos de tubo de aço, cada um com um diâmetro externo igual ou superior a 7 polegadas e uma espessura de 20 parede igual ou superior a 0,7 polegadas. A conexão roscada inclui um pino tubular e uma caixa tubular. A caixa é encaixada no pino conforme o pino é inserido nela. O pino inclui um nariz, uma superfície de ressalto do pino, uma superfície afunilada do pino, uma superfície redonda do pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação do pino. O nariz é fornecido em uma parte da ponta do pino e tem um 25 diâmetro externo menor que o diâmetro interno de uma parte da caixa que fica de frente para a parte da ponta do pino quando a conexão é encaixada. A superfície de ressalto do pino é fornecida em uma ponta do nariz. A superfície afunilada do pino é fornecida na periferia externa do nariz. A superfície redonda do pino é fornecida em uma borda entre a superfície de ressalto do pino e a superfície do 30 afunilada do pino. A rosca macho é fornecida sobre uma periferia externa do pino.

A superfície de vedação do pino é fornecida na periferia externa do pino e está localizada entre o nariz e a rosca macho. A caixa inclui uma superfície de ressalto de caixa, uma rosca fêmea e uma superfície de vedação de caixa. A superfície de ressalto da caixa está voltada para a superfície de ressalto do pino e está em 5 contato com a superfície de ressalto do pino quando a conexão é encaixada. A rosca fêmea corresponde à rosca macho e está localizada em uma periferia interna da caixa. A superfície de vedação da caixa está voltada para a superfície de vedação do pino e está em contato com a superfície de vedação do pino após o encaixe. 10 [0023] A expressão (1) fornecida abaixo é satisfeita e tB/ tL > 1.4, onde δ [mm] é a folga entre a superfície externa do pino e a superfície interna da caixa no momento do encaixe, medida na borda entre a superfície afunilada do pino e a superfície redonda do pino, D [polegada] é o diâmetro externo do corpo do tubo de aço, t [polegada] é a espessura da parede do corpo do tubo de aço, L [mm] é a 15 distância entre um ponto de articulação, que é uma posição, na região de contato entre a superfície de vedação do pino e a superfície de vedação da caixa, que está mais próxima da ponta do pino, e a ponta do pino após o encaixe, medida ao longo da direção do eixo do tubo, tL [mm] é a espessura da parede do pino, medida no ponto de articulação, e tB [mm] é a espessura da parede da caixa medida no ponto 20 de articulação.

[0024] 0.30+min(antL+bnD, n=1,2,3)>δ>min(antL+bnD, n=1,2,3) (1).

[0025] Neste documento, min é uma função que leva o mínimo dos três fatores entre parênteses. a1, a2, a3, b1, b2 e b3 são definidos da seguinte forma: 25 a1=(L/t)×0,0115×(tL/t)−1,68778−0,00247×(tL/t)−2,02052; b1=(L/t)×0,0076×(tL/t)-0,65672-0,00120×(tL/t)-1,06817; a2=(L/t)×0,00725×(tL/t)-1,67341-0,00157×(tL/t)-1,93212; b2=0; a3=−(L/t)×0,00256×(tL/t)−2,40620+0,00372×(tL/t)−2,19899; e 30 b3=(L/t)×0,01986×(tL/t)−0,88615−0,01048×(tL/t)−1,00532.

[0026] Na conexão roscada para tubo de aço de acordo com a modalidade, é estabelecido um limite inferior na folga δ que, mesmo quando uma pressão externa alta que penetrou nas roscas reduz o diâmetro de todas as partes do pino localizadas na parte traseira da superfície de vedação do pino e, em uma reação a 5 ela, o nariz é deformado em relação ao ponto de articulação, a vedabilidade contra pressão externa derivada do nariz pode ser mantida. O limite superior da folga δ é o limite inferior da folga mais 0,3 mm para impedir que a quantidade de corte ou o número de passagens durante a usinagem aumente desnecessariamente.

[0027] Por outro lado, visto que um limite inferior na razão de espessura da 10 parede tB/ tL, 1.4, é definido, o aumento do diâmetro da caixa derivado de uma aplicação de pressão interna pode ser minimizado mesmo em um tubo de aço com um diâmetro grande e uma espessura de parede grande. Isso aumenta a amplificação das forças de contato da vedação, melhorando a vedabilidade da pressão interna. 15 [0028] Assim, a conexão roscada de acordo com a presente modalidade melhora a vedabilidade contra pressão interna, mantendo a alta vedabilidade contra pressão externa de uma conexão roscada com um nariz usado em um tubo de aço com um grande diâmetro e uma espessura de parede.

[0029] De preferência, tB/ tL> 2,0, e mais preferencialmente tB/ tL> 2,2. 20 [0030] A conexão roscada pode ser do tipo integral ou acoplamento.

[0031] O nariz pode ter um limite elástico de compensação de 0,2% 1,05 ou mais vezes o limite elástico de compensação de 0,2% do corpo do tubo de aço, antes do encaixe e conforme medido na direção circunferencial.

[0032] Métodos específicos para aumentar o limite elástico de compensação 25 de 0,2% incluem a redução a frio em uma extremidade do tubo antes de rosquear ou o fortalecimento da têmpera por aquecimento de alta frequência, por exemplo.

[0033] Pelo menos um tratamento de conversão química, jateamento de areia e revestimento metálico pode ser aplicado a pelo menos uma das roscas macho e rosca fêmea, pelo menos uma superfície de vedação do pino e superfície 30 de vedação da caixa e pelo menos uma da superfície de ressalto do pino e da superfície de ressalto da caixa.

[0034] [Modalidades] As modalidades da conexão roscada para tubos de aço serão agora descritas com referência aos desenhos. Os componentes iguais e correspondentes 5 nos desenhos são rotulados com os mesmos caracteres de referência e suas descrições não serão repetidas.

[0035] FIG. 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada 1 para tudo de aço de acordo com uma modalidade. Como mostrado na FIG. 1, a conexão roscada 1 é uma conexão roscada para conectar os corpos de 10 tubos de aço 2. A conexão roscada 1 inclui pinos tubulares 10 e uma caixa tubular

20. A caixa 20 é encaixada nos pinos 10 à medida que os pinos 10 são inseridos nela. O corpo do tubo de aço 2 de cada pino 10 é a parte do tubo de aço incluindo o pino 10 que não está localizado dentro da caixa 20 após a inserção. O corpo do tubo de aço 2 tem um diâmetro externo de 7 polegadas ou mais e uma espessura 15 de parede de 0,7 polegadas ou mais. Ou seja, a conexão roscada 1 é usada para tubos de aço com diâmetros relativamente grandes e com espessuras de parede relativamente grandes.

[0036] A conexão roscada 1 mostrada na FIG. 1 é do tipo acoplamento e inclui um acoplamento 3. O acoplamento 3 conecta dois tubos de aço. O 20 acoplamento 3 inclui duas caixas 20.

[0037] Alternativamente, a conexão roscada 1 pode ser do tipo integral. Como mostrado na FIG. 2, a conexão roscada tipo integral 1 também é uma conexão roscada para conectar os corpos de tubo de aço 2 e inclui um pino 10 e uma caixa 20. Na conexão roscada tipo integral 1, um tubo de aço inclui o pino 10, 25 enquanto o outro tubo de aço inclui a caixa 20.

[0038] Como mostrado na FIG. 3, o pino 10 inclui um nariz 11, uma superfície de ressalto do pino 12, uma superfície afunilada do pino 15, uma superfície redonda de pino 16, uma rosca macho 13 e uma superfície de vedação de pino 14. O nariz 11 é fornecido em uma parte de ponta do pino 10 e tem um diâmetro externo menor 30 que o diâmetro interno da parte da caixa 20 que fica de frente para a parte de ponta do pino 10 quando a conexão é encaixada. A superfície de ressalto do pino 12 é fornecida em uma ponta do nariz 11. A superfície afunilada do pino 15 é fornecida na periferia externa do nariz 11. A superfície redonda do pino 16 é fornecida na borda entre a superfície do ressalto do pino 12 e a superfície afunilada do pino 15. 5 A rosca macho 13 é fornecida sobre a periferia externa do pino 10. A superfície de vedação do pino 14 é fornecida na periferia externa do pino 10 e localizada entre o nariz 11 da rosca macho 13.

[0039] A caixa 20 inclui uma superfície de ressalto da caixa 21, uma rosca fêmea 22, uma superfície de vedação da caixa 23, uma superfície afunilada da 10 caixa 24 e uma superfície redonda da caixa 25. A superfície de ressalto da caixa 21 está voltada para a superfície de ressalto do pino 12 e está em contato com a superfície de ressalto do pino 12 quando a conexão é encaixada. A rosca fêmea 22 corresponde à rosca macho 13 e está localizada sobre a periferia interna da caixa

20. A superfície de vedação da caixa 23 está voltada para a superfície de vedação 15 do pino 14 e está em contato com a superfície de vedação do pino 14 após o encaixe. A superfície afunilada da caixa 24 está voltada para a superfície afunilada do pino 15. A superfície redonda da caixa 25 está voltada para a superfície redonda do pino 16.

[0040] Se a folga entre a superfície externa do pino 10 e a superfície interna 20 da caixa 20 durante o encaixe, medida na borda entre a superfície afunilada pino 15 e a superfície redonda do pino 16, é indicada por δ [mm], o diâmetro externo do corpo do tubo de aço 2 é indicado por D [polegadas], a espessura da parede do corpo do tubo de aço 2 é indicado por t [polegadas], a distância entre o ponto de articulação PP e a ponta do pino 10 após o encaixe, medida ao longo da direção 25 do eixo do tubo CL, é indicada por L [mm], a espessura da parede do pino 10, medida no ponto de articulação PP, que é uma posição, na região de contato entre a superfície de vedação do pino 14 e a superfície de vedação da caixa 23, que está mais próxima da ponta do pino 10, é denotada por tL [mm] e a espessura da parede da caixa medida no ponto de articulação PP é denotada por tB [mm], então, a 30 Expressão (1) fornecida abaixo é satisfeita e tB/ tL> 1,4.

[0041] 0.30+min(antL+bnD, n=1,2,3)>δ>min(antL+bnD, n=1,2,3) (1).

[0042] Neste documento, min é uma função que leva o mínimo dos três fatores entre parênteses. 5 a1, a2, a3, b1, b2 e b3 são definidos da seguinte forma: a1=(L/t)×0,0115×(tL/t)−1,68778−0,00247×(tL/t)−2,02052; b1=(L/t)×0,0076×(tL/t)-0,65672-0,00120×(tL/t)-1,06817; a2=(L/t)×0,00725×(tL/t)-1,67341-0,00157×(tL/t)-1,93212; b2=0; 10 a3=−(L/t)×0,00256×(tL/t)−2,40620+0,00372×(tL/t)−2,19899; e b3=(L/t)×0,01986×(tL/t)−0,88615−0,01048×(tL/t)−1,00532.

[0043] Como o diâmetro externo D e a espessura da parede t do corpo do tubo de aço 2 não são exatamente constantes ao longo de todo o corpo do tubo de aço 2, o diâmetro externo D pode ser representado pelo diâmetro externo médio e 15 a espessura da parede t pode ser representada pela espessura média da parede. O diâmetro externo médio é obtido medindo, ao longo de cada uma das duas direções perpendiculares uma à outra, o diâmetro externo do corpo do tubo de aço 2 antes do encaixe em uma posição de 1 polegada da superfície de extremidade da caixa da conexão após o encaixe e a média das medições. Da mesma forma, a 20 espessura média da parede é obtida medindo, em cada um dos 8 pontos dispostos circunferencialmente (com um passo de 45°), a espessura da parede do corpo do tubo de aço 2 antes do encaixe em uma posição 1 polegada da superfície de extremidade da caixa da conexão após o encaixe e a média das medições.

[0044] No nariz 11 mostrado na FIG. 3, a superfície afunilada do pino 15 é 25 substancialmente paralela à superfície afunilada da caixa 24. Ou seja, a distância entre a superfície afunilada do pino 15 e a superfície afunilada da caixa 24 é substancialmente constante. Alternativamente, como mostrado na FIG. 4, a distância entre a superfície afunilada do pino 15 e a superfície afunilada da caixa 24 pode aumentar gradualmente à medida que vai em direção à ponta do nariz 11. 30 Em tais implementações, a área de contato entre a superfície de vedação do pino

14 e a superfície de vedação da caixa 23 após o encaixe é maior que a área de contato mostrada na FIG. 3 e pode essencialmente fornecer um contato de superfície (ou contato de linha em uma seção transversal longitudinal). Assim, a posição do ponto de articulação PP conforme determinado ao longo da direção do 5 eixo do tubo CL pode variar dependendo da força de aperto e da quantidade de deformação, ou seja, deformação do nariz 11.

[0045] Embora as modalidades tenham sido descritas, a presente invenção não está limitada às modalidades supracitadas e várias modificações são possíveis sem se afastar do espírito da invenção. 10 EXEMPLOS

[0046] Para verificar os efeitos das modalidades descritas acima, uma análise de simulação numérica foi realizada pelo método dos elementos finitos elasto-plásticos.

[0047] <Condições do Teste> 15 Para análise de elementos finitos elasto-plásticos, foi usado um modelo de conexão roscada tendo a construção básica mostrada na FIG. 1. As condições comuns de teste são fornecidas abaixo.

[0048] -Tamanho do tubo de aço: 14 polegadas, n° 100 (com um diâmetro externo de 355,6 mm e uma espessura de parede de 17,78 mm) 20 -Material: Aço P110 (com um limite elástico de 862 N/mm2, um módulo elástico de 205 kN/mm2, e uma razão de Poisson de 0,3), de acordo com os padrões do American Petroleum Institute (API) -Tipo de conexão roscada: tipo acoplamento (com diâmetro externo de 386 mm) 25 -Forma e tamanho da rosca: rosca contraforte trapezoidal com um ângulo de flanco de carga de −3 °, um ângulo de flanco de penetração de 10°, uma altura de rosca macho de 1,978 mm, um passo de rosca de 6,35 mm (4 TPI) e um afunilamento de rosca de 1/16 -Tamanho do nariz: L=17 mm, tL= 10,3 mm 30 - Condições de encaixe: aperto até o ressalto e aperto adicional com

1/100 voltas -Condições de carga: (1) pressão interna: carga pura de pressão interna com 100% do limite elástico do corpo do tubo de aço 5 (2) pressão externa: carga pura de pressão externa com 100% do limite elástico (100% de acordo com as normas API 5C3) do corpo do tubo de aço

[0049] Uma pressão interna foi aplicada às superfícies periféricas internas do pino e caixa, bem como a todas as superfícies localizadas dentro dos contatos da vedação de metal (por exemplo, a superfície periférica externa do nariz do pino, a 10 superfície periférica interna da parte da caixa correspondente ao nariz do pino e as superfícies de ressalto do pino e da caixa).

[0050] Uma pressão externa foi aplicada às superfícies periféricas externas do pino e caixa, bem como a todas as superfícies localizadas para fora dos contatos da vedação de metal (por exemplo, as superfícies de rosca do pino e da caixa). 15 [0051] <Método de Avaliação> Conforme mostrado na Tabela 1 fornecida abaixo, o encaixe foi simulado para os Modelos 1 a 6 nas condições de teste acima e foi analisado antes do cálculo das vedabilidades contra pressão interna e externa. Cada uma das vedabilidades contra pressão interna e externa foi obtida dividindo-se a força de 20 contato de vedação (ou, mais exatamente, a força de contato de vedação por unidade de comprimento circunferencial) produzida quando uma pressão interna ou externa nas condições de carga descritas acima foi aplicada pela força de contato de vedação no encaixe (ou seja, razão de redução na força de contato da vedação em comparação com o valor após encaixe). A vedabilidade é a razão da 25 força de contato de vedação produzida quando uma carga de pressão é aplicada em relação à força de contato de vedação após o encaixe, e quanto maior o valor, melhor a vedabilidade.

[0052] Tabela 1

Vedabilidade Vedabilidade Razão de espessura Contra Modelo Folga δ [mm] Contra de parede tB/tL Pressão Pressão Interna Externa 1 0,15 2,25 1,21 0,81 2 0,48 2,25 1,23 0,81 3 0,08 2,25 1,21 0,77 4 0,14 1,38 0,8 0,91 5 0,3 2,25 1,22 0,81 6 0,06 2,25 1,21 0,71

[0053] Nos presentes testes, 0,43 mm>δ>0,13 mm. Assim, os Modelos 1 e 5 são exemplos inventivos, enquanto os Modelos 2 a 4 e 6 são exemplos comparativos. O Modelo 2 tem uma folga δ igual ou superior ao limite superior (0,43 mm). Os Modelos 3 e 6 têm uma folga δ igual ou menor que o limite inferior (0,13 5 mm). O Modelo 4 possui uma razão de espessura de parede tB/tL igual ou menor que o limite inferior (1.4).

[0054] Os valores de vedabilidade contra pressão externa dos modelos diferentes do Modelo 4 são mostrados na FIG. 5. Como ficará claro neste gráfico, a vedabilidade contra pressão externa muda significativamente, dependendo da 10 folga δ estar acima ou abaixo do limite inferior. Ou seja, quando a folga δ fica abaixo do limite inferior, a vedabilidade contra pressão externa diminui significativamente. Provavelmente, isso ocorre porque o nariz 11 se deforma ou distorce, de modo que sua ponta encosta na periferia interna da caixa 20.

[0055] Para o Modelo 4, que possui uma razão de espessura de parede 15 menor que o limite inferior, a vedabilidade contra pressão interna é muito baixa. O Modelo 2 possui vedabilidade contra pressão interna e externa, substancialmente iguais às dos Modelos 1 e 5; no entanto, como uma folga δ igual ou superior ao limite superior significa uma quantidade maior de corte, o custo de produção do Modelo 4 é alto.

[0056] Os resultados acima demonstram que as conexões roscadas dos exemplos inventivos têm melhores vedabilidades contra pressão interna e externa do que as conexões roscadas dos exemplos comparativos.

EXPLICAÇÃO DOS CARACTERES 5 [0057] 1: conexão roscada para tubo de aço 2: corpo do tubo de aço 10: pino 11: nariz 12: superfície de ressalto do pino 10 13: rosca macho 14: superfície de vedação do pino 15: superfície afunilada do pino 16: superfície redonda do pino 20: caixa 15 21: superfície de ressalto da caixa 22: rosca fêmea 23: superfície de vedação da caixa 24: superfície afunilada da caixa 25: superfície redonda da caixa 20

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Conexão roscada para conectar corpos de tubos de aço, cada um com um diâmetro externo igual ou superior a 7 polegadas e uma espessura de parede igual ou superior a 0,7 polegadas, caracterizada pelo fato de que a conexão roscada compreende: um pino tubular; e uma caixa tubular configurada para ser encaixada no pino conforme o pino é inserido nela, o pino incluindo: um nariz fornecido em uma parte da ponta do pino e tendo um diâmetro externo menor que o diâmetro interno de uma parte da caixa que fica de frente para a parte da ponta do pino quando a conexão é encaixada; uma superfície de ressalto do pino fornecida em uma ponta do nariz; uma superfície afunilada do pino fornecida em uma periferia externa do nariz; uma superfície redonda do pino fornecida em uma borda entre a superfície de ressalto do pino e a superfície afunilada do pino; uma rosca macho fornecida na periferia externa do pino; e uma superfície de vedação do pino fornecida na periferia externa do pino e está localizada entre o nariz e a rosca macho, a caixa incluindo: uma superfície de ressalto da caixa voltada para a superfície de ressalto do pino e configurada para estar em contato com a superfície de ressalto do pino quando a conexão é encaixada; uma rosca fêmea correspondendo à rosca macho e localizada em uma periferia interna da caixa; e a superfície de vedação da caixa voltada para a superfície de vedação do pino e configurada para entrar em contato com a superfície de vedação do pino após o encaixe, em que a Expressão (1) fornecida abaixo é satisfeita e tB/ tL>1,4, 0,30+min(antL+bnD, n=1,2,3)>δ>min(antL+bnD, n=1,2,3) (1),

onde δ [mm] é a folga entre a superfície externa do pino e a superfície interna da caixa no momento do encaixe, medida na borda entre a superfície afunilada do pino e a superfície redonda do pino, D [polegada] é o diâmetro externo do corpo do tubo de aço, t [polegada] é a espessura da parede do corpo do tubo de aço, L [mm] é a distância entre um ponto de articulação, que é uma posição, na região de contato entre a superfície de vedação do pino e a superfície de vedação da caixa, que está mais próxima da ponta do pino, e a ponta do pino após o encaixe, medida ao longo da direção do eixo do tubo, tL [mm] é a espessura da parede do pino, medida no ponto de articulação, e tB [mm] é a espessura da parede da caixa medida no ponto de articulação, em que min é uma função que leva o mínimo dos três fatores entre parênteses, a1=(L/t)×0,0115×(tL/t)−1,68778−0,00247×(tL/t)−2,02052; b1=(L/t)×0,0076×(tL/t)-0,65672-0,00120×(tL/t)-1,06817; a2=(L/t)×0,00725×(tL/t)-1,67341-0,00157×(tL/t)-1,93212; b2=0; a3=−(L/t)×0,00256×(tL/t)−2,40620+0,00372×(tL/t)−2,19899; e b3=(L/t)×0,01986×(tL/t)−0,88615−0,01048×(tL/t)−1,00532.

2. Conexão roscada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que tB/tL>2,0.

3. Conexão roscada, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a conexão roscada é do tipo acoplamento.

4. Conexão roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o nariz tem limite elástico de compensação de 0,2%, 1,05 ou mais vezes um limite elástico de compensação de 0,2% do corpo do tubo de aço, antes do encaixe e medido em uma direção circunferencial.

5. Conexão roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que pelo menos um dos tratamentos de conversão química, jateamento de areia e revestimento metálico é aplicado a pelo menos uma das roscas macho e rosca fêmea, pelo menos uma da superfície de vedação do pino e a superfície de vedação da caixa e pelo menos uma da superfície de ressalto do pino e da superfície de ressalto da caixa.