BR112021003160B1

BR112021003160B1 - Conexão roscada para tubo de aço

Info

Publication number: BR112021003160B1
Application number: BR112021003160-0A
Authority: BR
Inventors: Masaaki Sugino; Yousuke Oku; Keita INOSE
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2018-10-02
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2024-01-30
Also published as: US11624460B2; EP3862607A1; WO2020070968A1; CN112840151B; CA3114740A1; AR116533A1; CN112840151A; CA3114740C; EP3862607B1; SA521421413B1; JPWO2020070968A1; EP3862607A4; JP7066870B2; BR112021003160A2; RU2757621C1; US20210332917A1

Abstract

conexão roscada para tubo de aço. é fornecida uma conexão roscada com boa capacidade de vedação contra pressão interna e pressão externa, evitando asperezas. uma conexão roscada 1 inclui um pino 10 e uma caixa 20. o pino 10 inclui uma borda de pino 11, uma vedação com metal do pino 13 e uma superfície usinada interna cilíndrica 14. a vedação com metal do pino 13 inclui uma superfície de conicidade de vedação do pino 16 e uma superfície de curvatura de vedação do pino 17. a caixa 20 inclui uma vedação com metal da caixa 22 paralela à superfície de conicidade de vedação do pino 16. a vedação com metal do pino 13 faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa 22 no ponto de vedação sp. a conexão roscada satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2), l (maior) lm (maior) ls (1) e tb/tp (maior)1,6 (2). l é o comprimento da borda do pino 11; lm é a distância entre a ponta ap do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica 14; ls é a distância entre a ponta ap do pino 10 e o ponto de vedação sp; tb é a espessura da parede da caixa 20 medida no ponto de vedação sp quando a conexão é montada; e tp é a espessura da parede do pino 10 medida no ponto de vedação sp.

Description

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 dois tubos de aço.

Descrição da Técnica Anterior

[0002] Tubos de aço chamados tubos de poço de petróleo são usados, por exemplo, para prospecção ou produção de petróleo ou gás natural em poços de petróleo ou poços de gás natural (neste documento referidos coletivamente como “poços de petróleo” ou semelhantes), desenvolvimento de 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.

[0003] Essas conexões roscadas para tubos de aço são geralmente categorizadas como tipo acoplamento e tipo integral. Uma conexão tipo acoplamento conecta um par de tubos, um dos quais é um tubo de aço e o outro é um acoplamento. Nesse caso, uma rosca macho é fornecida na periferia externa de cada uma das extremidades do tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna de cada uma das extremidades do acoplamento. Em seguida, uma rosca macho do tubo de aço é aparafusada na rosca fêmea do acoplamento de modo que elas estejam montadas e conectadas. Uma conexão tipo integral conecta um par de tubos que são ambos tubos de aço e não usa um acoplamento separado. Nesse caso, uma rosca macho é fornecida na periferia externa de uma extremidade de cada tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna da outra extremidade. Em seguida, a rosca macho de um tubo de aço é aparafusada na rosca fêmea do outro tubo de aço de modo que elas estejam montadas e conectadas.

[0004] Uma porção de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma rosca macho é fornecida inclui um elemento a ser inserido em uma rosca fêmea e, assim, é usualmente mencionado como “pino”. Uma porção de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma rosca fêmea é fornecida inclui um elemento para receber uma rosca macho e, assim, é mencionada como “caixa”. Um pino e uma caixa constituem extremidades de tubos e são, assim, de forma tubular.

[0005] Um poço de petróleo é perfurado enquanto a sua parede lateral é reforçada por tubos de poço de petróleo para evitar que a parede lateral se colapse durante a escavação, o que resulta em vários tubos de poço de óleo dispostos um no outro. Nos últimos anos, tanto poços terrestres como offshore vêm se tornando cada vez mais profundos. Nesses ambientes, conexões roscadas nas quais os diâmetros interno e externo das porções de conexão são geralmente idênticos aos diâmetros interno e externo dos tubos de aço são frequentemente utilizadas para conectar tubos de poço de petróleo a fim de melhorar a eficiência ao desenvolver poços de petróleo. O uso dessas conexões roscadas minimiza as folgas entre os múltiplos tubos de poço de petróleo dispostos um no outro, o que melhora a eficiência no desenvolvimento de um poço de petróleo profundo sem aumentar significativamente o diâmetro do poço. É necessária uma conexão roscada para ter boa capacidade de vedação contra um fluido de pressão do ambiente interno (neste documento também referida como “pressão interna”) e um fluido de pressão do ambiente externo (neste documento também referida como “pressão externa”) de acordo com as restrições nos diâmetros interno e externo descritas acima. Geralmente, a capacidade de vedação contra a pressão interna é chamada de “capacidade de vedação contra pressão interna”, enquanto a capacidade de vedação contra a pressão externa é chamada de “capacidade de vedação contra pressão externa”.

[0006] Conexões roscadas conhecidas que garantem a capacidade de vedação incluem aquelas que têm uma vedação que usa contato metal-metal (neste documento referida como “vedação com metal”). Uma vedação com metal é um arranjo no qual o diâmetro de uma superfície de vedação do pino é ligeiramente maior do que o diâmetro de uma superfície de vedação da caixa (a diferença entre esses diâmetros será referida como “quantidade de interferência da vedação”) e, quando a conexão roscada é montada e as superfícies de vedação são encaixadas uma na outra, a quantidade de interferência da vedação reduz o diâmetro da superfície de vedação do pino e aumenta o diâmetro da superfície de vedação da caixa e cada uma das superfícies de vedação tenta retornar aos seus diâmetros originais e, assim, produzem forças de recuperação elástica, o que produz pressões de contato nas superfícies de vedação para obter um contato estreito ao longo de toda a circunferência, fornecendo assim a capacidade de vedação.

[0007] JP 2012-247028 A (Documento de Patente 1) divulga uma conexão roscada para tubo de aço que pode garantir capacidade de vedação estável ao resolver o desvio do eixo e da espessura da parede no pino (consulte o parágrafo [0010]). Nessa conexão roscada, a periferia externa do nariz do pino tem uma forma curva projetando-se para fora. A periferia interna do nariz da caixa é de forma cônica. O pino é criado pela usinagem de sua periferia radialmente interna e externa. O comprimento axial da região usinada da periferia interna, ou seja, comprimento do intervalo usinado interno, não é menor do que o comprimento axial a partir da ponta do nariz do pino até o ponto de vedação, que é aquela posição na periferia externa do nariz do pino que faz o primeiro contato com a periferia interna do nariz da caixa durante a montagem da rosca. Para as porções de pino no intervalo usinado interno, a razão de desvio da espessura da parede (= (espessura máxima da parede ao longo da circunferência - espessura mínima da parede ao longo da circunferência) / espessura média da parede ao longo da circunferência * 100 (%)) em uma determinada seção transversal não é superior a 6%. Além disso, o comprimento do intervalo usinado interno não é maior do que o comprimento axial que começa da ponta do nariz do pino até a extremidade traseira da vedação, que forma a extremidade da vedação adjacente à porção roscada (consulte o parágrafo [0011] e a FIG. 1).

[0008] Os seguintes documentos da técnica anterior são incorporados neste documento por referência.

[0009] [Documento de Patente 1] JP 2012-247028 A [Documento de Patente 2] WO2019/082612A1 [Documento de Patente 3] JP Hei5(1993)-87275 A (Patente U.S. N° 5137310) [Documento de Patente 4] JP 2006-526747 A

SUMÁRIO

[0010] Um objeto da presente divulgação é fornecer uma conexão roscada para tubo de aço com boa capacidade de vedação contra pressão interna e capacidade de vedação contra pressão externa, evitando asperezas durante a montagem.

[0011] Uma conexão roscada de acordo com a presente divulgação é uma conexão roscada para conectar dois tubos de aço, incluindo: um pino tubular formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço; e uma caixa tubular, sendo o pino inserido na caixa de modo que a caixa e o pino sejam montados. O pino inclui: uma borda do pino formada por uma porção da ponta do pino; uma rosca macho fornecida em uma periferia externa do pino e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino; uma vedação com metal do pino fornecida em uma periferia externa da borda do pino; uma superfície usinada interna cilíndrica fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica sendo paralela a um eixo dos tubos de aço em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno de um tubo de aço; e uma superfície de liberação fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica e uma superfície periférica interna de um tubo de aço, a superfície de liberação sendo conectada à superfície usinada interna cilíndrica e a superfície periférica interna de um tubo de aço. A vedação com metal do pino inclui: uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino; e uma superfície de curvatura de vedação do pino suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação do pino e sendo convexa para fora em vista em seção longitudinal. A caixa inclui: uma rosca fêmea correspondente à rosca macho e fornecida em uma periferia interna da caixa; e uma vedação com metal da caixa voltada para a vedação com metal do pino e fornecida na periferia interna da caixa. A vedação com metal da caixa inclui uma superfície de conicidade de vedação da caixa voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino e fornecida na periferia interna da caixa, a superfície de conicidade de vedação da caixa sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada antes da montagem, em que a vedação com metal do pino faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa em uma borda entre a superfície de conicidade de vedação do pino e a superfície de curvatura de vedação do pino quando a conexão é montada. A conexão roscada satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2), L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0012] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino medido na direção axial do tubo de aço; Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica medida na direção axial do tubo de aço; e Ls é a distância entre a ponta do pino e a borda medida na direção axial do tubo de aço. Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa medida na posição em que a caixa faz contato com a borda após a conclusão da montagem; e tp é a espessura da parede do pino medida na borda.

[0013] Outra conexão roscada de acordo com a presente divulgação é uma conexão roscada para conectar dois tubos de aço, incluindo: um pino tubular formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço; e uma caixa tubular, sendo o pino inserido na caixa de modo que a caixa e o pino sejam montados. O pino inclui: uma borda do pino formada por uma porção da ponta do pino; uma rosca macho fornecida em uma periferia externa do pino e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino; uma vedação com metal do pino fornecida em uma periferia externa da borda do pino; uma superfície usinada interna cilíndrica fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica sendo paralela a um eixo dos tubos de aço em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno de um tubo de aço; e uma superfície de liberação fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica e uma superfície periférica interna de um tubo de aço, a superfície de liberação sendo conectada à superfície usinada interna cilíndrica e a superfície periférica interna de um tubo de aço. A vedação com metal do pino inclui uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino. A caixa inclui: uma rosca fêmea correspondente à rosca macho e fornecida em uma periferia interna da caixa; e uma vedação com metal da caixa voltada para a vedação com metal do pino e fornecida na periferia interna da caixa. A vedação com metal da caixa inclui uma superfície de conicidade de vedação da caixa voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino e fornecida na periferia interna da caixa, a superfície de conicidade de vedação da caixa sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada antes da montagem; e uma superfície de curvatura de vedação da caixa suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação da caixa e sendo convexa para dentro em vista em seção longitudinal. A vedação com metal do pino faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa em uma borda entre a superfície de conicidade de vedação da caixa e a superfície de curvatura de vedação da caixa quando a conexão é montada. A conexão roscada satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2),L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0014] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino medido na direção axial do tubo de aço; Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica medida na direção axial do tubo de aço; e Ls é a distância entre a ponta do pino e a posição na qual o pino faz contato com a borda após a conclusão da montagem medida na direção axial do tubo de aço. Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa medida na borda; e tp é a espessura da parede do pino medida na posição na qual o pino faz contato com a borda após a conclusão da montagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0015] [FIG. 1] A FIG. 1 é uma vista esquemática em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, de uma conexão roscada tipo acoplamento de acordo com uma primeira modalidade. [FIG. 2] A FIG. 2 é uma vista esquemática em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, de uma conexão roscada tipo integral diferente da conexão roscada da FIG. 1. [FIG. 3] A FIG. 3 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, do pino da conexão roscada mostrada na FIG. 1 ou 2. [FIG. 4] A FIG. 4 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, da caixa da conexão roscada mostrada na FIG. 1 ou 2. [FIG. 5] A FIG. 5 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, ilustrando as formas do pino e da caixa mostrados nas FIG. 3 e 4 encontradas quando são montados e antes da deformação. [FIG. 6] A FIG. 6 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, ilustrando as formas do pino e da caixa mostrados nas FIG. 3 e 4 encontradas quando são montados e após a deformação. [FIG. 7] A FIG. 7 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, de um pino de uma conexão roscada de acordo com uma segunda modalidade. [FIG. 8] A FIG. 8 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, de uma caixa da conexão roscada de acordo com a segunda modalidade mostrada na FIG. 7. [FIG. 9] A FIG. 9 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, ilustrando as formas do pino e da caixa mostrados nas FIG. 7 e 8 encontradas quando são montados e antes da deformação. [FIG. 10] A FIG. 10 é uma vista em seção longitudinal, retirada ao longo do eixo do tubo, ilustrando as formas do pino e da caixa mostrados nas FIG. 7 e 8 encontradas quando são montados e após a deformação. [FIG. 11] A FIG. 11 é um gráfico que ilustra a relação entre a espessura da parede da caixa/espessura da parede do pino e o pico da pressão de contato durante o carregamento da pressão interna/pressão de contato máxima durante a montagem. [FIG. 12] A FIG. 12 é um gráfico que ilustra a relação entre o comprimento da superfície usinada interna cilíndrica e a pressão de contato máxima durante o carregamento da pressão interna/pico da pressão de contato durante a montagem. [FIG. 13] A FIG. 13 é um gráfico que ilustra a relação entre o comprimento da superfície usinada interna cilíndrica e o ângulo de arqueamento da borda do pino durante a montagem.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS

[0016] [Prevenção de Asperezas] Uma quantidade de interferência da vedação (isto é, margem de ajuste) é fornecida para a vedação com metal da conexão roscada; durante a montagem, as superfícies de vedação do pino e da caixa deslizam uma sobre a outra enquanto em contato com altas forças de contato; após a conclusão da montagem, elas mantêm suas altas forças de contato para fornecer capacidade de vedação. A resistência a asperezas depende de vários fatores, incluindo lubrificação, tratamento da superfície, taxa de deslizamento, a condutividade térmica da matriz, etc.; particularmente, a resistência a asperezas depende em grande parte da pressão de contato local durante o deslizamento de contato, isto é, a pressão de contato máxima das superfícies de vedação.

[0017] Os fabricantes de conexões roscadas especiais têm tentado reduzir a pressão de contato local durante a montagem, elaborando vários designs. Por exemplo, a quantidade de interferência da vedação pode ser reduzida, ou a distância de deslizamento de contato pode ser reduzida ao aumentar a inclinação das superfícies de vedação (ou ângulo de conicidade se houver superfícies de conicidade).

[0018] Se a primeira abordagem for aplicada e a quantidade de interferência da vedação for reduzida excessivamente, as forças de contato após montagem são insuficientes, reduzindo potencialmente a capacidade de vedação. Se a última abordagem for aplicada, a capacidade de vedação sob cargas combinadas, por exemplo, as forças de contato de vedação ao receber uma alta carga de compressão e, em seguida, receber uma alta carga de tração, diminui em uma grande quantidade, reduzindo de forma potencial e substancial.

[0019] Ou seja, ocorreu aos inventores que tanto a boa resistência a asperezas quanto a boa capacidade de vedação podem ser alcançadas se a pressão de contato local (isto é, pressão de contato máxima) das superfícies de vedação for baixa sob deslizamento de contato durante a montagem e for alta após o fim do deslizamento na conclusão da montagem.

[0020] Os inventores tentaram descobrir uma construção de vedação que concretize a ideia técnica acima. Eles descobriram que, se as superfícies de vedação do pino e da caixa forem superfícies de conicidade com a mesma inclinação e uma extremidade da superfície de conicidade mais curta do pino e da caixa tiver uma superfície de curvatura suavemente conectada a essa superfície de conicidade, então grandes larguras das superfícies de conicidade podem deslizar por contato durante a maior parte do processo de montagem, reduzindo assim a pressão de contato local (isto é, pressão de contato máxima) para evitar asperezas e, após a conclusão da montagem, a borda do pino “deforma-se por arqueamento” devido à interferência da vedação de modo que a posição de contato principal da vedação mova-se para a borda entre uma superfície de conicidade da vedação e a superfície de curvatura em sua extremidade, dessa forma reduzindo a largura de contato para aumentar a pressão de contato máxima, proporcionando assim uma boa capacidade de vedação. Essa borda, que representa a posição de contato principal da vedação após a conclusão da montagem (ou seja, a borda entre a superfície de conicidade da vedação e a superfície de curvatura em sua extremidade) será referida neste documento como ponto de vedação (SP).

[0021] Mais exatamente, se a superfície de conicidade da vedação com metal do pino for mais curta do que a superfície de conicidade da vedação com metal da caixa, uma extremidade da superfície de conicidade da vedação com metal do pino (localizada mais longe da ponta do pino) é fornecida com uma superfície de curvatura suavemente conectada à superfície de conicidade. Pelo contrário, se a superfície de conicidade da vedação com metal da caixa for mais curta do que a superfície de conicidade da vedação com metal do pino, uma extremidade da superfície de conicidade da vedação com metal da caixa (localizada mais perto da abertura da caixa) é fornecida com uma superfície de curvatura suavemente conectada à superfície de conicidade.

[0022] A “deformação por arqueamento” acima mencionada da borda do pino significa que a borda do pino, quando forçada pela interferência da vedação para reduzir seu diâmetro, deforma-se para curvar-se radialmente para dentro como se estivesse se arqueando conforme visto em uma seção longitudinal do pino contendo o eixo do tubo.

[0023] Devido a essa deformação por arqueamento do pino, mesmo que o ângulo da superfície de conicidade da vedação com metal do pino seja igual ao ângulo da superfície de conicidade da vedação com metal da caixa antes da montagem, ele gradualmente torna-se maior durante a montagem, especialmente na última metade do processo, e é maior do que o ângulo da superfície de conicidade da vedação com metal da caixa no momento da conclusão da montagem, de modo que o contato ocorre principalmente na borda entre a superfície de conicidade da superfície de metal e a superfície de curvatura em sua extremidade (isto é, ponto de vedação).

[0024] [Capacidade de Vedação Contra Pressão Externa] Quando uma carga de pressão externa é aplicada a uma conexão roscada, incluindo uma única vedação com metal localizada mais perto da ponta do pino do que a rosca macho (ou seja, mais perto do interior da caixa do que a rosca fêmea), a carga de pressão externa também penetra no interior da conexão através dos espaços entre as roscas ou atua no lubrificante preenchendo os espaços entre as roscas; em ambos os casos, os efeitos da carga de pressão externa atingem uma posição imediatamente antes do ponto de vedação dentro da conexão.

[0025] Para a carga de pressão externa acima mencionada, a maioria dos padrões de teste para conexões roscadas, como ISO 13679 e API 5C5, especifica magnitudes que não causam deformação por colapso do corpo do tubo de aço. No entanto, como um pino fornecido com uma rosca macho ou vedação com metal geralmente tem uma espessura de parede menor do que o corpo do tubo de aço, a carga de pressão externa que penetra no interior da conexão faz com que o pino inteiro reduza significativamente seu diâmetro (em comparação com o corpo do tubo de aço); no pior dos cenários, a vedação com metal abre-se e causa um vazamento. Ou seja, quanto maior a espessura da parede do pino, melhor para manter a capacidade de vedação contra altas cargas de pressão externa.

[0026] Por outro lado, para alcançar um contato de vedação uniforme da vedação com metal ao longo de toda a sua circunferência sem interrupção, a espessura da parede de uma vedação com metal, especialmente a do pino, precisa ser uniforme ao longo de toda a circunferência (a caixa, especialmente a caixa de uma conexão tipo acoplamento, geralmente é usinada interna e externamente e, portanto, tem pouca variação em sua espessura de parede ao longo da circunferência). Assim, se uma conexão roscada deve ser fornecida em um tubo de aço com uma periferia interna com grande desvio de eixo e espessura da parede, particularmente um tubo de aço semelhante, a periferia interna da ponta do pino é usinada para uniformizar a espessura da parede da vedação com metal.

[0027] No entanto, ocorreu aos inventores que deveria haver um comprimento adequado para a usinagem da periferia interna da ponta do pino, pois, se a periferia interna da ponta do pino for usinada mais do que o necessário, isso prejudica a capacidade de vedação contra pressão externa.

[0028] [Capacidade de Vedação Contra Pressão Interna] Quando uma carga de pressão interna é aplicada, a pressão interna aplicada às porções da periferia interna entre uma vedação com metal, especialmente a do pino, e a rosca macho funciona para aumentar o diâmetro dessas porções do pino, dessa forma pressionando a superfície de vedação do pino na superfície de vedação da caixa com mais força para amplificar as forças de contato da vedação, melhorando assim a capacidade de vedação.

[0029] Por outro lado, a pressão interna aplicada às porções de superfície interna localizadas mais perto do interior da caixa do que a vedação com metal (em uma conexão tipo de acoplamento, as porções da periferia interna posicionadas entre as vedações com metal em ambas as extremidades do conexão) trabalha para aumentar o diâmetro dessas porções da caixa e atua de forma a tentar separar a superfície de vedação da caixa da superfície de vedação do pino e reduzir as forças de contato da vedação, reduzindo assim a capacidade de vedação.

[0030] Ou seja, se a capacidade de vedação sob uma carga de pressão interna é boa ou ruim depende de qual é maior entre o efeito de pressão da vedação do pino devido à carga de pressão interna e a ação da vedação da caixa para tentar separar. Os inventores presumiram que a magnitude desse efeito ou ação depende da resistência das porções de pino/caixa perto da vedação do pino e da vedação da caixa contra deformação (isto é, sua rigidez), ou seja, a razão entre as espessuras da parede, e descobriram que há uma razão de espessura de parede adequada entre a vedação do pino e a vedação da caixa para manter e melhorar a capacidade de vedação contra pressão interna.

[0031] [Sumário de Modalidades] Para permitir que as ideias técnicas descritas acima se materializem, os presentes inventores descobriram que é o comprimento usinado da superfície periférica interna da borda do pino que controla a deformação por arqueamento da borda do pino causada pela quantidade de interferência da vedação e a deformação da borda do pino com diâmetro reduzido causada pela carga de pressão externa, e fizeram uma extensa pesquisa para descobrir o intervalo adequado usando o método dos elementos finitos elasto-plásticos. Eles descobriram que o limite da superfície usinada interna cilíndrica da borda do pino está adequadamente localizado entre o ponto de vedação da vedação do pino e o ponto inicial da rosca macho.

[0032] Em outras palavras, esse intervalo adequado é L>Lm>Ls, onde L é o comprimento da borda do pino medido na direção do eixo do tubo, Ls é a distância entre o ponto de vedação da superfície de vedação do pino e a ponta do pino, e Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada cilíndrica interna.

[0033] Os inventores fizeram pesquisas adicionais sobre a razão da espessura da parede tb da caixa medida no ponto de vedação em relação à espessura da parede tp do pino medida no ponto de vedação, o que contribui significativamente para a melhoria da capacidade de vedação contra pressão interna, usando uma análise de elementos finitos elasto-plásticos. Eles descobriram que tb/tp>1,6 fornece boa capacidade de vedação contra pressão interna.

[0034] Se a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica for ajustada para o intervalo acima, a superfície de vedação do pino está em contato com e desliza na superfície de vedação da caixa ao longo de uma grande largura na maior parte do tempo durante a montagem, minimizando assim a pressão de contato local para melhorar a resistência contra asperezas, ao passo que a borda do pino deforma-se por arqueamento a um grau suficiente após a conclusão da montagem, de modo que a posição de contato principal (ou seja, ponto de vedação) move-se para a borda entre o superfície de vedação do pino e a superfície de curvatura localizada na extremidade da superfície de vedação do pino, reduzindo assim a largura de contato e aumentando a pressão de contato local para melhorar a capacidade de vedação. A pressão externa que penetrou pelo espaço entre as roscas até uma posição diretamente anterior ao ponto de vedação tenta reduzir o diâmetro de todo o pino; no entanto, as porções do pino que têm espessuras de parede menores resultantes de usinagem interna estão localizadas mais perto da ponta do que a rosca; assim, mesmo que essas porções sejam forçadas pela pressão externa a reduzir seu diâmetro, a rigidez da rosca adjacente ajuda a minimizar o deslocamento com diâmetro reduzido, dessa forma reduzindo a diminuição da capacidade de vedação contra pressão externa. Como a vedação da caixa tem uma espessura de parede significativamente maior do que a vedação do pino, o efeito da pressão interna atuando na superfície interna entre a vedação com metal do pino e a rosca macho, de pressionar a superfície de vedação do pino na superfície de vedação da caixa, supera o efeito da pressão interna de aumentar o diâmetro da superfície de vedação da caixa, melhorando assim a capacidade de vedação contra pressão interna também.

[0035] Com base nas descobertas descritas acima, os presentes inventores inventaram as conexões roscadas descritas abaixo.

[0036] Uma conexão roscada de acordo com uma modalidade é uma conexão roscada para conectar dois tubos de aço, incluindo: um pino tubular formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço; e uma caixa tubular, sendo o pino inserido na caixa de modo que a caixa e o pino sejam montados. O pino inclui: uma borda do pino formada por uma porção da ponta do pino; uma rosca macho fornecida em uma periferia externa do pino e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino; uma vedação com metal do pino fornecida em uma periferia externa da borda do pino; uma superfície usinada interna cilíndrica fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica sendo paralela a um eixo dos tubos de aço em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno de um tubo de aço; e uma superfície de liberação fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica e uma superfície periférica interna de um tubo de aço, a superfície de liberação sendo conectada à superfície usinada interna cilíndrica e a superfície periférica interna de um tubo de aço. A vedação com metal do pino inclui: uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino; e uma superfície de curvatura de vedação do pino suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação do pino e sendo convexa para fora em vista em seção longitudinal. A caixa inclui: uma rosca fêmea correspondente à rosca macho e fornecida em uma periferia interna da caixa; e uma vedação com metal da caixa voltada para a vedação com metal do pino e fornecida na periferia interna da caixa. A vedação com metal da caixa inclui uma superfície de conicidade de vedação da caixa voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino e fornecida na periferia interna da caixa, a superfície de conicidade de vedação da caixa sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada antes da montagem. A vedação com metal do pino faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa em uma borda entre a superfície de conicidade de vedação do pino e a superfície de curvatura de vedação do pino após conclusão da montagem. A conexão roscada satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2), L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0037] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino medido na direção axial do tubo de aço; Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica medida na direção axial do tubo de aço; e Ls é a distância entre a ponta do pino e a borda medida na direção axial do tubo de aço. Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa medida na posição em que a caixa faz contato com a borda após a conclusão da montagem; e tp é a espessura da parede do pino medida na borda.

[0038] Uma conexão roscada de acordo com outra modalidade é uma conexão roscada para conectar dois tubos de aço, incluindo: um pino tubular formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço; e uma caixa tubular, sendo o pino inserido na caixa de modo que a caixa e o pino sejam montados. O pino inclui: uma borda do pino formada por uma porção da ponta do pino; uma rosca macho fornecida em uma periferia externa do pino e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino; uma vedação com metal do pino fornecida em uma periferia externa da borda do pino; uma superfície usinada interna cilíndrica fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica sendo paralela a um eixo dos tubos de aço em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno de um tubo de aço; e uma superfície de liberação fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica e uma superfície periférica interna de um tubo de aço, a superfície de liberação sendo conectada à superfície usinada interna cilíndrica e a superfície periférica interna de um tubo de aço. A vedação com metal do pino inclui uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino. A caixa inclui: uma rosca fêmea correspondente à rosca macho e fornecida em uma periferia interna da caixa; e uma vedação com metal da caixa voltada para a vedação com metal do pino e fornecida na periferia interna da caixa. A vedação com metal da caixa inclui uma superfície de conicidade de vedação da caixa voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino e fornecida na periferia interna da caixa, a superfície de conicidade de vedação da caixa sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada antes da montagem; e uma superfície de curvatura de vedação da caixa suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação da caixa e sendo convexa para dentro em vista em seção longitudinal. A vedação com metal do pino faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa em uma borda entre a superfície de conicidade de vedação da caixa e a superfície de curvatura de vedação da caixa quando a conexão é montada. A conexão roscada satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2),L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0039] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino medido na direção axial do tubo de aço; Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica medida na direção axial do tubo de aço; e Ls é a distância entre a ponta do pino e a posição na qual o pino faz contato com a borda após a conclusão da montagem medida na direção axial do tubo de aço. Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa medida na borda; e tp é a espessura da parede do pino medida na posição na qual o pino faz contato com a borda após a conclusão da montagem.

[0040] Preferencialmente, a conexão roscada satisfaz a seguinte expressão, (3),Lm>Lp (3).

[0041] Na expressão (3), Lp é a distância entre a ponta do pino e a extremidade da vedação com metal do pino mais próxima da rosca macho medida na direção axial do tubo de aço.

[0042] O pino pode incluir ainda um ressalto do pino formado por uma superfície de ponta da borda do pino. A caixa pode incluir ainda um ressalto da caixa voltado para o ressalto do pino e em contato com o ressalto do pino durante a montagem.

[0043] A superfície de conicidade de vedação do pino e a superfície de conicidade de vedação da caixa podem, cada uma, ter um ângulo de conicidade de 1 a 22 graus antes da montagem.

[0044] A superfície de curvatura de vedação do pino ou a superfície de curvatura de vedação da caixa podem, cada uma, ter um raio de curvatura não maior que 80 mm antes da montagem.

[0045] A superfície de liberação pode ser de forma cônica.

[0046] A superfície de liberação pode ter um ângulo de conicidade de 5 a 30 graus antes da montagem.

[0047] As modalidades da conexão roscada para tubo de aço serão agora descritas com referência aos desenhos. Os componentes iguais e correspondentes são identificados com os mesmos caracteres nos desenhos e a mesma descrição não será repetida.

[0048] [Primeira Modalidade] A FIG. 1 é uma vista esquemática em seção longitudinal de uma conexão roscada 1 para tubo de aço de acordo com uma primeira modalidade. Como mostrado na FIG. 1, a conexão roscada 1 é usada para conectar dois tubos de aço 2. A conexão roscada 1 inclui um pino tubular 10 e uma caixa tubular 20. O pino 10 é formado por uma porção de ponta de cada tubo de aço 2. O pino 10 é inserido na caixa 20 de modo que a caixa 20 e o pino 10 sejam montados.

[0049] A conexão roscada 1 mostrada na FIG. 1 é uma conexão tipo acoplamento que inclui um acoplamento 3. O acoplamento 3 conecta os dois tubos de aço 2. O acoplamento 3 inclui duas caixas 20.

[0050] Como alternativa, a conexão roscada 1 pode ser uma conexão tipo integral. Como mostrado na FIG. 2, a conexão roscada tipo integral 1 também é usada para conectar dois tubos 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, enquanto o outro tubo de aço inclui a caixa 20.

[0051] Nas FIGS. 1 e 2, CL indica a direção axial em relação ao tubo de aço 2 (neste documento referida simplesmente como “direção do eixo do tubo”).

[0052] Como mostrado na FIG. 3, o pino 10 inclui uma borda de pino 11, uma rosca macho 12, uma vedação com metal do pino 13, uma superfície usinada interna cilíndrica 14 e uma superfície de liberação 15. A borda do pino 11 é formada por uma porção de ponta do pino 10. A rosca macho 12 é fornecida na periferia externa do pino 10 e localizada mais longe da ponta AP do pino 10 do que a borda do pino 11. A vedação macho do pino 13 é fornecida na periferia externa da borda do pino 11. A superfície usinada interna cilíndrica 14 é fornecida na periferia interna da borda do pino 11 e localizada em um intervalo predeterminado Lm a partir da ponta do pino 10, e é formada para ser paralela ao eixo do tubo de aço 2 (neste documento referida simplesmente como “eixo do tubo”) em vista em seção longitudinal e tem um diâmetro maior do que o diâmetro interno do tubo de aço 2. A superfície de liberação 15 é fornecida na periferia interna da borda do pino 11 e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica 14 e a superfície periférica interna 18 do tubo de aço 2, e está conectada à superfície usinada interna cilíndrica 14 e à superfície periférica interna 18 do aço tubo 2.

[0053] A vedação com metal do pino 13 inclui uma superfície de conicidade de vedação do pino 16 e uma superfície de curvatura de vedação do pino 17. A superfície de conicidade de vedação do pino 16 tem um diâmetro que diminui gradualmente conforme vai em direção à ponta AP do pino 10, e é de forma cônica. A superfície de curvatura de vedação do pino 17 é suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação do pino 16 e é convexa para fora em vista em seção longitudinal. Mais especificamente, a superfície de curvatura de vedação do pino 17 pode ser conectada à superfície de conicidade de vedação do pino 16 de modo que elas sejam dispostas na direção de suas tangentes. Mais especificamente, a superfície de curvatura de vedação do pino 17 e a superfície de conicidade de vedação do pino 16 podem ser conectadas de modo que o normal da superfície de curvatura de vedação do pino 17 e o normal da superfície de conicidade de vedação do pino 16, conforme determinado no ponto de conexão, estejam alinhados.

[0054] Como mostrado na FIG. 4, a caixa 20 inclui uma rosca fêmea 21 e uma vedação com metal da caixa 22. A rosca fêmea 21 corresponde à rosca macho 12 e é fornecida na periferia interna da caixa 20. A vedação com metal da caixa 22 está voltada para a vedação com metal do pino 13 e é fornecida na periferia interna da caixa 20.

[0055] A vedação com metal da caixa 22 inclui uma superfície de conicidade de vedação da caixa 23. A superfície de conicidade de vedação da caixa 23 está voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino 16 e é fornecida na periferia interna da caixa 20. Como mostrado na FIG. 5, a superfície de conicidade de vedação da caixa 23 é paralela à superfície de conicidade de vedação do pino 16 e tem um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino 16 por uma quantidade de interferência predeterminada (2*ΔS) antes da montagem.

[0056] Como mostrado na FIG. 6, a vedação com metal do pino 13 está em contato de vedação com a vedação com metal da caixa 23 na borda SP entre a superfície de conicidade de vedação do pino 16 e a superfície de curvatura de vedação do pino 16 durante a montagem.

[0057] A conexão roscada 1 satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2): L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0058] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino 11 medido na direção do eixo do tubo CL. Lm é a distância entre a ponta AP do pino 10 e o limite da superfície usinada interna cilíndrica 14 medida na direção do eixo do tubo CL. Ls é a distância entre a ponta AP do pino 10 e a borda SP medida na direção do eixo do tubo CL.

[0059] Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa 20 medida na posição em que a caixa faz contato com a borda SP após a conclusão da montagem. tp é a espessura da parede do pino 10 medida na borda SP.

[0060] Preferencialmente, a conexão roscada satisfaz a seguinte expressão, (3), Lm>Lp (3).

[0061] Na expressão (3), Lp é a distância entre a ponta AP do pino 10 e a extremidade EG da vedação com metal do pino 13 mais próxima da rosca macho 12 medida na direção do eixo do tubo CL.

[0062] De acordo com a presente modalidade, o pino 10 inclui ainda um ressalto do pino 19. O ressalto do pino 19 é formado pela superfície da ponta da borda do pino 11. A caixa 20 inclui ainda um ressalto da caixa 29. O ressalto da caixa 29 está voltado para o ressalto do pino 19 e está em contato com o ressalto do pino 19 durante a montagem. As superfícies de conicidade de vedação do pino e da caixa 16 e 23 têm ângulos de conicidade no intervalo de 1 a 22 graus antes da montagem. A superfície de curvatura de vedação do pino 17 tem um raio de curvatura não maior do que 80 mm antes da montagem. A superfície de liberação 15 é de forma cônica. A superfície de liberação 15 tem um ângulo de conicidade no intervalo de 5 a 30 graus antes da montagem.

[0063] Raciocínio por trás de Lm>Ls: A vedação com metal de uma conexão roscada para tubo de aço exibe sua capacidade de vedação quando a vedação com metal do pino cujo diâmetro foi reduzido pela quantidade de interferência da vedação e a vedação com metal da caixa cujo diâmetro foi aumentado entram em contato estreito ao longo de toda a circunferência devido à força de recuperação elástica criada quando elas tentam retornar aos seus diâmetros originais. A magnitude dessa força de recuperação elástica está intimamente relacionada à rigidez das vedações do pino e da caixa, onde quanto maior a espessura da parede (ou seja, quanto menos facilmente elas podem ser deformadas), maior se torna a força de recuperação elástica e quanto menor a espessura da parede (ou seja, quanto mais facilmente elas podem ser deformadas), menor se torna a força de recuperação elástica. Se houver variações na espessura da parede das vedações com metal ao longo da direção circunferencial, a força de contato da vedação também varia ao longo da direção circunferencial, resultando em porções com contato forte e porções com contato fraco, de modo que um vazamento pode ocorrer facilmente nas porções com contato fraco, levando a uma condição de vedação instável. Para fazer com que as vedações entrem em contato firme uma com a outra de modo uniforme ao longo de toda a circunferência, a espessura da parede do contato de vedação do pino e as porções do pino localizadas mais perto de sua ponta do que o contato de vedação do pino devem ser uniformes ao longo de toda a circunferência (a vedação do pino é escolhida neste documento porque tem uma espessura de parede menor do que a vedação da caixa).

[0064] Lm>Ls é para que a espessura da parede da vedação do pino e as porções do pino localizadas mais perto de sua ponta do que a vedação do pino sejam uniformes ao longo de toda a circunferência, estabilizando assim a capacidade de vedação. Se Lm<Ls, especialmente em um tubo de aço sem costura, os efeitos das variações na espessura da parede ao longo da direção circunferencial alcançariam a vedação do pino, impedindo um contato firme entre as vedações que seja uniforme ao longo de toda a circunferência, resultando em uma capacidade de vedação instável.

[0065] [Segunda Modalidade] Uma conexão roscada 1 de acordo com uma segunda modalidade, mostrada nas FIGS. 7 a 10, é diferente da conexão roscada 1 de acordo com a primeira modalidade mostrada nas FIGS. 3 a 6 nos pontos a seguir. Isto é, de acordo com uma primeira modalidade, a superfície de conicidade de vedação do pino 16 é mais curta do que a superfície de conicidade de vedação da caixa 23; de acordo com a segunda modalidade, a superfície de conicidade de vedação da caixa 23 é mais curta do que a superfície de conicidade de vedação do pino 16. Além disso, de acordo com a primeira modalidade, a vedação com metal do pino 13 é conectada suavemente à superfície de conicidade de vedação do pino 16 e inclui uma superfície de curvatura de vedação do pino 17 que é convexa para fora em vista em seção longitudinal; de acordo com a segunda modalidade, a vedação com metal da caixa 22 é conectada suavemente à superfície de conicidade de vedação da caixa 23 e inclui uma superfície de curvatura de vedação da caixa 27 que é convexa para dentro em vista em seção longitudinal.

[0066] Semelhante à conexão roscada 1 de acordo com a primeira modalidade, a conexão roscada 1 de acordo com a segunda modalidade satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2):L>Lm>Ls (1), e tb/tp>1,6 (2).

[0067] Na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino 11 medido na direção do eixo do tubo. Lm é a distância entre a ponta AP do pino 10 e o limite da superfície usinada interna cilíndrica 14 medida na direção do eixo do tubo CL. Ls é a distância entre a ponta AP do pino 10 e a posição (SP) na qual o pino faz contato com a borda SP após a conclusão da montagem medida na direção do eixo do tubo CL.

[0068] Na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa 20 medida na borda SP. tp é a espessura da parede do pino 10 medida na posição em que o pino faz contato com a borda SP após a conclusão da montagem.

[0069] 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.

EXEMPLOS

[0070] Para verificar os efeitos das modalidades acima descritas, foi realizada uma análise de simulação numérica usando o método dos elementos finitos elasto-plásticos.

[0071] <Condições de teste> A análise dos elementos finitos elasto-plásticos usou a conexão roscada tipo acoplamento mostrada na FIG. 1. As condições de teste comuns foram as seguintes: Dimensões do tubo de aço: 9-5/8 polegadas, n° 53,5 (com um diâmetro externo de 244,48 mm e uma espessura de parede de 13,84 mm) Classe do material: aço L80 de acordo com os padrões da API (American Petroleum Institute) (com um limite de escoamento de 552 N/mm2, módulo de elasticidade de 210 kN/mm2 e coeficiente de Poisson de 0,3). Formas e dimensões das roscas: roscas trapezoidais tipo dente de serra conforme a API (com um ângulo de flanco de carga de -3 graus, um ângulo de flanco de acoplamento de 10 graus, uma altura de rosca macho de 1,978 mm, um passo de rosca de 6,35 mm (4TPI) e uma conicidade de rosca de 1/16) Comprimento (L) da borda do pino: 15 mm Ângulo de conicidade das superfícies de conicidade de vedação do pino e da caixa: 15 graus Raio de curvatura das superfícies de curvatura de vedação do pino e da caixa: 5 mm Ângulo de conicidade da superfície de liberação: 15 graus 5

[0072] Sob as condições de teste comuns listadas acima, 17 conexões roscadas (modelos) foram criadas, conforme listado abaixo na Tabela 1.

[0073]

[0074] <Método de Avaliação> Análise (1): Análise de simulação de montagem de conexão roscada Quando o pino e a caixa foram montados, a rotação ocorreu até o ressalto e a seguir a rotação ocorreu em 1/100 de volta.

[0075] Análise (2): Avaliação e análise da capacidade de vedação contra pressão interna Uma pressão interna simples com 100% do limite de escoamento do tubo de aço foi aplicada a toda a superfície começando na superfície interna da conexão (isto é, superfície interna do tubo de aço) e terminando na vedação com metal.

[0076] Análise (3): Avaliação e análise da capacidade de vedação contra pressão externa Uma pressão externa simples com 100% da pressão de colapso de acordo com a norma API5C3 foi aplicada a toda a superfície começando na superfície externa da conexão (isto é, superfície externa do tubo de aço) e terminando na vedação com metal.

[0077] A análise (1) avaliou a facilidade com que ocorreram asperezas durante a montagem. O indicador usado para avaliar a facilidade com que ocorreram asperezas foi a quantidade integral de pressão de contato que foi gerada durante um processo de montagem (começando com o ressalto e terminando com 1/100 de volta), Pintegral (pressão de contato x distância de deslizamento), medida em uma posição especificada na superfície periférica externa da borda do pino. A quantidade integral de pressão de contato Pintegral é um indicador da quantidade de calor de atrito gerado em uma posição especificada na superfície periférica externa da borda do pino; quanto menor for esse valor, menor será o risco de asperezas.

[0078] A Tabela 1 mostra os valores máximos de Pintegral para os modelos. Nos modelos, exceto no modelo 2, ou seja, nos modelos 1 e 3 a 17, o desalinhamento da conicidade de vedação era de 0 graus, ou seja, a superfície de conicidade de vedação do pino e a superfície de conicidade de vedação da caixa eram paralelas. Descobriu-se que os modelos 1 e 3 a 17 tiveram valores de Pintegral menores do que o modelo 2 e riscos de asperezas menores do que o modelo 2.

[0079] A análise (2) avaliou a capacidade de vedação contra pressão interna. Como ilustrado pela FIG. 11, uma comparação dos valores da pressão de contato máxima durante o carregamento da pressão interna para os modelos 1, 13 e 17, que eram diferentes apenas no diâmetro externo do acoplamento, revela que os modelos 1 e 13 tiveram maiores pressões de contato máximas e portanto, melhores capacidades de vedação contra pressão interna do que o modelo 17.

[0080] A análise (3) avaliou a capacidade de vedação contra pressão externa. Como ilustrado pela FIG. 12, para os modelos com a mesma posição Ls do ponto de vedação e o mesmo diâmetro externo do acoplamento (C/P OD), foram plotados os valores da pressão de contato máxima durante o carregamento da pressão externa, o que revela que os modelos 6 , 8, 10, 11, 15 e 16, nos quais o comprimento Lm da superfície usinada interna cilíndrica era maior do que o comprimento L da borda do pino (= 15 mm), tiveram menores capacidades de vedação contra pressão externa.

[0081] Uma consideração dos resultados de ambas as análises (1) e (3) revela que cada um dos modelos 1, 4, 7, 9, 13 e 14 forneceu um ângulo de arqueamento suficiente produzido pela quantidade de interferência da vedação, como mostrado na FIG. 13, e teve uma pressão de contato máxima alta durante o carregamento da pressão externa e, portanto, teve boa resistência a asperezas e capacidade de vedação contra pressão externa. Além disso, os resultados da análise (2) revelam que a capacidade de vedação contra pressão interna também é boa se tb/tp> 1,6.

[0082] Esses resultados mostram que os modelos 1, 4, 7, 9, 13 e 14 tiveram melhores resistências a asperezas e melhores capacidades de vedação contra pressão interna e pressão externa do que os outros modelos.

EXPLICAÇÃO DE CARACTERES

[0083] 1: conexão rosqueada 2: tubo de aço 10: pino 11: borda do pino 12: rosca macho 13: vedação com metal do pino 14: superfície usinada interna cilíndrica 15: superfície de liberação 16: superfície de conicidade de vedação do pino 17: superfície de curvatura de vedação do pino 18: superfície periférica interna do tubo de aço 19: ressalto do pino 20: caixa 21: rosca fêmea 22: vedação com metal da caixa 23: superfície de conicidade de vedação da caixa 27: superfície de curvatura de vedação da caixa 29: ressalto da caixa ΔS: quantidade de interferência da vedação SP: borda (ponto de vedação) L: comprimento da borda do pino Lm: distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica Ls: distância entre a ponta do pino e o ponto de vedação tb: espessura da parede da caixa medida no ponto de vedação tp: espessura da parede do pino medida no ponto de vedação

Claims

1. Conexão roscada (1) para conectar dois tubos de aço (2), caracterizada por compreender: um pino tubular (10) formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço (2); e uma caixa tubular (20), o pino (10) sendo inserido na caixa (20) de modo que a caixa (20) e o pino (10) sejam montados, o pino (10) incluindo: uma borda do pino (11) formada por uma porção de ponta do pino (10); uma rosca macho (12) fornecida em uma periferia externa do pino (10) e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino (11); uma vedação com metal do pino (13) fornecida em uma periferia externa da borda do pino (11); uma superfície usinada interna cilíndrica (14) fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado a partir da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica (14) sendo paralela a um eixo dos tubos de aço (2) em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno do tubo de aço; e uma superfície de liberação (15) fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica (14) e uma superfície periférica interna (18) do tubo de aço (2), a superfície de liberação (15) conectada à superfície usinada interna cilíndrica (14) e à superfície periférica interna (18) do tubo de aço (2), a vedação com metal do pino (13) incluindo: uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico (16) tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino; e uma superfície de curvatura de vedação do pino (17) suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação do pino (16) e sendo convexa para fora em vista em seção longitudinal, a caixa (20) incluindo: uma rosca fêmea (21) correspondente à rosca macho (12) e fornecida em uma periferia interna da caixa (20); e uma vedação com metal da caixa (22) voltada para a vedação com metal do pino (13) e fornecida na periferia interna da caixa (20), a vedação com metal da caixa (22) incluindo uma superfície de conicidade de vedação da caixa (23) voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino (16) e fornecida na periferia interna da caixa (20), a superfície de conicidade de vedação da caixa (23) sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino (16) e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada (ΔS) antes da montagem, em que a vedação com metal do pino (13) faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa (22) em uma borda (SP) entre a superfície de conicidade de vedação do pino (16) e a superfície de curvatura de vedação do pino (17) após conclusão da montagem, e a conexão roscada (1) satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2), L>Lm>Ls (1) e tb/tp>1,6 (2), em que, na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino (11) medido na direção axial do tubo de aço (2), Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica (14) medida na direção axial do tubo de aço (2), Ls é a distância entre a ponta do pino e a borda (SP) medida na direção axial do tubo de aço (2), na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa (20) medida na posição em que a caixa (20) faz contato com a borda (SP) após a conclusão da montagem, e tp é a espessura da parede do pino (10) medida na borda (SP).

2. Conexão roscada (1) para conectar dois tubos de aço (2), caracterizada por compreender: um pino tubular (10) formado por uma porção de ponta de um dos tubos de aço (2); e uma caixa tubular (20), o pino (10) sendo inserido na caixa (20) de modo que a caixa (20) e o pino (10) sejam montados, o pino (10) incluindo: uma borda do pino (11) formada por uma porção de ponta do pino (10); uma rosca macho (12) fornecida em uma periferia externa do pino (10) e localizada mais longe de uma ponta do pino do que a borda do pino (11); uma vedação com metal do pino (13) fornecida em uma periferia externa da borda do pino (11); uma superfície usinada interna cilíndrica (14) fornecida em uma periferia interna da borda do pino e localizada em um intervalo predeterminado a partir da ponta do pino, a superfície usinada interna cilíndrica (14) sendo paralela a um eixo dos tubos de aço (2) em vista em seção longitudinal e tendo um diâmetro maior do que um diâmetro interno do tubo de aço; e uma superfície de liberação (15) fornecida na periferia interna da borda do pino e localizada entre a superfície usinada interna cilíndrica (14) e uma superfície periférica interna (18) do tubo de aço (2), a superfície de liberação (15) conectada à superfície usinada interna cilíndrica (14) e à superfície periférica interna (18) do aço tubo (2), a vedação com metal do pino (13) incluindo uma superfície de conicidade de vedação do pino cônico (16) tendo um diâmetro que diminui gradualmente em direção à ponta do pino, a caixa (20) incluindo: uma rosca fêmea (21) correspondente à rosca macho (12) e fornecida em uma periferia interna da caixa (20); e uma vedação com metal da caixa (22) voltada para a vedação com metal do pino (13) e fornecida na periferia interna da caixa (20), a vedação com metal da caixa (22) incluindo: uma superfície de conicidade de vedação da caixa (23) voltada para a superfície de conicidade de vedação do pino (16) e fornecida na periferia interna da caixa (20), a superfície de conicidade de vedação da caixa (23) sendo paralela à superfície de conicidade de vedação do pino (16) e tendo um diâmetro menor que a superfície de conicidade de vedação do pino por uma quantidade de interferência da vedação predeterminada (ΔS) antes da montagem; e uma superfície de curvatura de vedação da caixa (27) suavemente conectada à superfície de conicidade de vedação da caixa (23) e sendo convexa para dentro em vista em seção longitudinal, em que a vedação com metal do pino (13) faz contato de forma vedante com a vedação com metal da caixa (22) em uma borda (SP) entre a superfície de conicidade de vedação da caixa (16) e a superfície de curvatura de vedação da caixa (17) após conclusão da montagem, e a conexão roscada (1) satisfaz as seguintes expressões, (1) e (2), L>Lm>Ls (1) e tb/tp>1,6 (2), em que, na expressão (1), L é o comprimento da borda do pino (11) medido na direção axial do tubo de aço (2), Lm é a distância entre a ponta do pino e o limite da superfície usinada interna cilíndrica (14) medida na direção axial do tubo de aço (2), Ls é a distância entre a ponta do pino e a posição na qual o pino faz contato com a borda (SP) após a conclusão da montagem medida na direção axial do tubo de aço (2),na expressão (2), tb é a espessura da parede da caixa (20) medida na borda (SP), e tp é a espessura da parede do pino (10) medida na posição em que o pino (10) faz contato com a borda (SP) após a conclusão da montagem.

3. Conexão roscada (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por a conexão roscada (1) satisfazer a seguinte expressão, (3),Lm>Lp (3), onde, na expressão (3), Lp é a distância entre a ponta do pino e a extremidade da vedação com metal do pino (13) mais próxima da rosca macho (12) medida na direção axial do tubo de aço (2).

4. Conexão roscada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por o pino (10) incluir ainda um ressalto do pino (19) formado por uma superfície de ponta da borda do pino (11), e a caixa (20) incluir ainda um ressalto da caixa (29) voltado para o ressalto do pino (19) e em contato com o ressalto do pino (19) durante a montagem.

5. Conexão roscada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por a superfície de conicidade de vedação do pino (16) e a superfície de conicidade de vedação da caixa (23) terem, cada uma, um ângulo de conicidade de 1 a 22 graus antes da montagem.

6. Conexão roscada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por a superfície de curvatura de vedação do pino (17) ou a superfície de curvatura de vedação da caixa (23) terem, cada uma, ter um raio de curvatura não maior que 80 mm antes da montagem.

7. Conexão roscada (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por a superfície de liberação (15) ser de forma cônica.

8. Conexão roscada (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizada por a superfície de liberação (15) ter um ângulo de conicidade de 5 a 30 graus antes da montagem.