BRPI0314468B1 - Threaded pipe joint - Google Patents

Description

JUNÇÃO DE TUBO ROSCADA

CAMPO TÉCNICO A presente invenção refere-se a uma junção de tubo roscada, particularmente para as junções de tubulações utilizadas na indústria da extração de óleo e gás. Tais tubulações podem ser empregadas como encanamentos para bombear gás ou óleo e como forros dos próprios poços .

ESTADO DA TÉCNICA A montagem de tubulações ou segmentos de tubulação para a formação de colunas de perfuração utilizadas na indústria de óleo e gás é geralmente executada através da utilização de junções roscadas. A maior parte das aplicações é coberta pelas conexões padrão descritas e especificadas pelo American Petroleum Institute (API). Essas conexões têm limitações quando submetidas às condições de cargas extremas que são cada vez mais comuns em poços de óleo e gás, especialmente aquelas relacionadas com a elevada pressão interna ou externa do gás onde o risco de vazamentos será eliminado, enquanto resistem ao mesmo tempo às condições de elevadas cargas mecânicas causadas pela tensão, compressão, flexão ou torque.

Uma solução fornecida para aumentar a resistência da vedação para junções de óleo e gás é a vedação de metal a metal colocada em vários pontos da junção, dependendo do desenho da junção selecionado. Esse tipo de vedação em uma junção roscada forma uma barreira contra a pressão do gás ou liquido enquanto a rosca preenche principalmente os requisitos mecânicos e as características de conexão e assentamento. Os exemplos desses tipos de junções incluem a API "Extreme-line". Várias alternativas de desenho de vedação em vedações de metal a metal foram propostas na técnica anterior Uma das soluções de vedação de metal a metal é aquela que compreende uma superfície de vedação externa anular frusto-cônica localizada na extremidade do membro macho da junção, a qual fica em contato com uma correspondente superfície de vedação interna anular frusto-cônica localizada no membro fêmea da junção. Devido à superfície de vedação afunilada e à posição de montagem final definitiva, é desenvolvida uma interferência radial entre ambas as superfícies, a qual, mediante a promoção de tensões de contato elevadas, é uma garantia de vedação.

Uma característica técnica importante das superfícies de vedação frusto-cônicas é o desenvolvimento de tensões de contato altamente concentradas na borda formada pela interseção da superfície de vedação frusto-cônica do membro macho e da superfície cilíndrica compreendida entre a superfície de vedação e a zona roscada. A distribuição da tensão ao longo de uma seção axial de uma junção do estado da técnica é mostrada em detalhes na Figura 6. A concentração da tensão de contato pode ser calculada através de análise numérica, e é originada nas diferenças de rigidez entre os membros machos e fêmeas da junção que provocam a rotação relativa da extremidade do membro macho. A distribuição das tensões de contato ao longo da superfície de vedação também é afetada pelas condições de carga diferentes às quais a junção é submetida: por exemplo, a tensão, a compressão, a pressão interna, a pressão externa. 0 surgimento de tensões de contato elevadas durante a composição, as quais são normalmente mais altas do que o limite convencional de elasticidade nominal do material, é um risco evidente para a ocorrência de esfoladura na junção.

Quando uma combinação de vedação do tronço-cone é utilizada, as tensões de contato na superfície de vedação apresentam uma distribuição descrita por uma função do tipo de Hertz. As tensões de contato máximas e o comprimento do contato eficaz estão relacionadas com a intensidade da força do contato e o raio da superfície toroidal. A intensidade da força de contato pode ser relacionado com a interferência geométrica entre as superfícies de vedação macho e fêmea e as dimensões do membro macho e do membro fêmea da junção. 0 documento de patente U.S. N° 4.623.173 descreve uma junção roscada com uma superfície de vedação toroidal de um raio maior do que 100 mm. Dependendo das dimensões particulares da junção, ou seja, seu diâmetro e espessura de parede, uma vedação de esfera-cone com um raio grande da esfera pode apresentar tensões de contato na vedação não altas o bastante para assegurar a função de vedação em operação, aumentando o risco de vazamentos sob condições extremas. Por outro lado, se for desejável eliminar esse inconveniente, a maneira usual de aumentar as tensões de contato de vedação é através do aumento da interferência diamétrica, mas isto aumenta o nível das tensões médias que agem dentro da junção, bem como a distância de deslizamento percorrida pelos membros macho e fêmea durante o processo de composição, aumentando o risco de esfoladura.

No outro extremo, o uso de um raio muito pequeno da esfera é vantajoso de um ponto de vista de pressão de contato de vedação máxima, mas aumenta o risco de esfoladura da junção devido a essa tensão de contato particularmente alta geralmente maior do que o limite convencional de elasticidade do material. Uma outra desvantagem dessa alternativa é a área reduzida da superfície de contato de vedação que pode aumentar o risco de vazamentos. A condição de superfície não perfeita e a presença de aspereza, lubrificante, partículas sólidas, etc., requerem um comprimento mínimo de contato com pressão de contato acima de um valor mínimo.

Nessas junções, os sulcos preferidos são com o perfil trapezoidal para aumentar desse modo a capacidade da própria junção no caso do uso em poços muito profundos, e do tipo de Poços de Alcance Estendido com deslocamentos horizontais muito importantes. Para aumentar a resistência estrutural do sulco, diversos desenhos de junções estão utilizando um conceito de contato de flanco a flanco, no qual o flanco de conexão e o flanco de carga dos sulcos de um dos dois membros ficam em contato com o flanco correspondente do outro membro durante a montagem e na conclusão da montagem.

Um inconveniente principal da utilização do conceito de sulcos trapezoidais é que o contato nos flancos de conexão e nos flancos de carga durante a composição aumenta o risco de esfoladura bem como o torque requerido, tornando a operação de montagem instável e reduzindo a possibilidade de reutilização de tais junções. SUMÁRIO DA INVENÇÃO 0 objetivo principal da presente invenção é a eliminação dos inconvenientes acima mencionados por meio de uma junção, permitindo a produção de colunas de perfuração com excelentes propriedades de vedação para a faixa mais ampla de condições operacionais comuns hoje em dia, assegurando um desempenho ideal até mesmo depois de diversas operações de montagem e desmontagem.

Um outro objetivo da invenção é a apresentação de uma junção com alta resistência às cargas da operação.

Os objetivos acima mencionados e outros ainda que serão melhor esclarecidos a seguir são atingidos de acordo com a presente invenção por meio de uma junção de tubo roscada que compreende um tubo com uma porção de extremidade roscada de membro macho e um tubo com uma porção de extremidade roscada de membro fêmea com paredes substancialmente cilíndricas, sendo que o membro macho tem uma superfície de vedação toroidal colocada em sua porção de extremidade perto da respectiva porção roscada que acopla para fins de vedação, quando os membros macho e membro se encontram na posição montada, uma superfície de vedação frusto-cônica correspondente do membro fêmea colocada na proximidade da respectiva porção roscada caracterizada pelo fato de que a superfície de vedação toroidal tem um valor de raio Rs compreendido na faixa da fórmula: na qual: δ = interferência de vedação radial; E = módulo de Young do material; tn = espessura da ponta do pino; OD = diâmetro externo do tubo;

Oad = limite convencional de elasticidade do material; wt = espessura da parede do tubo;

Rn = raio da ponta do pino; v = coeficiente de Poisson (= 0,3); b = comprimento ativo da pressão de contato, BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Outras vantagens e aspectos da invenção tornar-se-ão aparentes a partir da descrição detalhada de uma realização preferida da mesma, apresentada a seguir a titulo de exemplo não limitador por meio das figuras em anexo onde: a Figura 1 mostra uma vista secional ao longo de um plano longitudinal da junção de acordo com a invenção em uma posição montada; a Figura 2 mostra um detalhe ampliado da junção da Figura 1; a Figura 3 mostra um detalhe ampliado, em uma escala maior, da porção de vedação da junção da Figura 1 em uma posição montada; a Figura 4 mostra um detalhe ampliado, em uma escala maior, da porção de vedação da junção da Figura 1 em uma posição desmontada; a Figura 5 mostra um gráfico com a variação na pressão de contato de vedação sob condições de carga diferentes para uma junção de acordo com a invenção, a Figura 6 mostra a distribuição da tensão na porção de vedação ao longo de uma seção axial de uma junção do estado da técnica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA REALIZAÇÃO PREFERIDA

Com referência às figuras, uma junção de acordo com a presente invenção será descrita agora como um exemplo não limitador. A junção compreende um membro macho 1 dotado de uma superfície roscada frusto-cônica externa na extremidade do mesmo, e um membro fêmea 2, dotado de uma superfície roscada frusto-cônica correspondente interna colocada na porção de extremidade de uma tubulação ou de uma luva de conexão de tubulação. A extremidade dianteira do membro macho compreende uma superfície de afunilamento frusto-cônica côncava 9 orientada axialmente, a qual é pressionada de encontro a uma superfície de rolamento frusto-cônica convexa 10 que forma um ressalto do membro fêmea, na conclusão da operação de montagem. Uma borda externa 13 é definida pela interseção entre a superfície de afunilamento frusto-cônica côncava frontal 9 da ponta do pino e a superfície de vedação toroidal radialmente orientada 11. Com a junção na posição montada, a superfície de vedação toroidal 11 do membro macho 1 passa a ficar apoiada de encontro a uma superfície de vedação frusto-cônica côncava radialmente orientada 12 correspondente do membro fêmea 2 que é conectada à superfície de rolamento frusto-cônica convexa 10 correspondente do dito membro.

As posições relativas da superfície de afunilamento 9 e da superfície de apoio 10 comparada com aquelas da superfície de vedação 11 correspondente do membro macho e do membro fêmea 12 são determinadas de maneira tal que, durante a composição dos dois membros, o contato exercido pela superfície de afunilamento 9 e pela superfície de apoio 10 define uma interferência positiva diamétrica δ definida pela diferença entre os diâmetros nominais iniciais DA do membro macho e DB do membro fêmea em condições não carregadas, entre a superfície de vedação macho 11 e a superfície de vedação fêmea 12, medida em um plano ortogonal ao eixo longitudinal X da junção localizada a uma distância C da borda 13 do membro macho. Esse ponto C coincide com o ponto de tangente entre o plano secional longitudinal e a linha circunferencial de tangente entre a superfície de vedação toroidal 11 do membro macho 1 e a superfície de vedação frusto-cônica côncava 12 do membro fêmea 2. A interferência diamétrica δ entre a superfície de vedação toroidal 11 do membro macho 1 e a superfície de vedação frusto-cônica 12 do membro fêmea 2 é compensada através da expansão diamétrica do membro fêmea 2 e da compressão diamétrica simultânea do membro macho 1. Para uma determinada interferência diamétrica δ, a pressão de contato desenvolvida entre os membros macho e fêmea é relacionada com as respectivas geometrias. Quanto maior a interferência δ, maior a pressão de contato média que origina entre os membros macho e fêmea. Normalmente, a interferência de vedação diamétrica varia de 0,2 mm a 1,0 mm, dependendo do diâmetro da junção, isto é, quanto maior o diâmetro, maior a interferência de vedação diamétrica. A distribuição de tensão particular na superfície de vedação é definida pela geometria particular das próprias superfícies de vedação. O comprimento "b", chamado de comprimento de. contato, é o comprimento medido axialmente nas superfícies de vedação 11, 12 em que a pressão de contato é desenvolvida. O valor de "b" está diretamente relacionado com o desenho particular das superfícies de vedação em contato e o nível de interferência δ. Se "b" for curto, isto irá produzir distribuições de pressão de contato de vedação concentradas elevadas, ao passo que se "b" for longo, isto irá causar uma distribuição mais ampla de tensões de contato mais baixas.

Se um cilindro de um raio Rs e uma superfície plana estiver em contato com uma força F que pressiona os dois membros agindo perpendicular à superfície plana ao longo da linha de contato, a pressão de contato entre ambos os membros é descrita por uma função de Hertz, contanto que não ocorra nenhuma plasticidade. na qual Pmax é a pressão de contato máxima, E é o módulo de Young, Rs é o raio do cilindro, F é a força de contato e L é o comprimento da linha de contato. Tal como pode-se observar, para um determinado material a Pmax está diretamente relacionada com o raio do cilindro e a força de contato entre os membros macho e fêmea.

De acordo com um aspecto importante da invenção, a pressão de contato máxima desenvolvida entre as superfícies de vedação 11 e 12 é mais elevada do que um número predefinido de vezes do que a pressão interna dos meios, por exemplo, gás ou óleo, para a vedação. Desta maneira, um valor limite mínimo para a pressão de contato máxima desenvolvida na vedação é assegurado, a de fim controlar o comportamento da vedação sob condições de carga diferentes. Uma vez que a força de contato relacionada com a interferência diamétrica S é condicionada por sua vez pelo desenvolvimento de tensões globais e pelas condições geométricas da montagem, a pressão de contato máxima está fortemente relacionada com a escolha do raio da superfície de vedação toroidal máximo.

De acordo com a invenção, o raio máximo Rs da superfície de vedação toroidal macho é definido pela seguinte relação: na qual δ = interferência de vedação radial; Ε = módulo de Young do material; tn = espessura da ponta do pino; OD = diâmetro externo do tubo; aad = limite convencional de elasticidade do material; wt = espessura da parede do tubo;

Rn = raio da ponta do pino; v = coeficiente de Poisson (= 0,3); b = comprimento ativo da pressão de contato. O uso de uma superfície de vedação toroidal com um raio muito pequeno Rs é benéfico de um ponto de vista da capacidade de vedação, uma vez que a pressão de contato elevada é crítica para agir como uma barreira para a pressão interna. Por outro lado, se Rs for demasiadamente pequeno a pressão de contato é muito elevada, conforme fica evidente na fórmula de Hertz, e arriscado em termos de esfoladura devido às elevadas tensões de contato concentradas, e a capacidade de vedação devido a um comprimento de contato muito curto em que as pressões de contato são desenvolvidas. A fim de evitar os problemas acima mencionados, o comprimento de contato "b" nas superfícies de vedação 11 e 12 em que a pressão de contato de vedação é desenvolvida é escolhido mais longo do que um determinado valor mínimo, o qual para condições de superfície comuns e tratamentos de superfície é fixado em 0,5 mm. Então, de acordo com a teoria de Hertz e tal como mostrado pela análise de Elementos Finitos, para determinadas condições do material, dimensões da junção e interferência de vedação geométrica, o raio da superfície de vedação macho Rs afeta diretamente o comprimento ao longo do qual a pressão de contato entre ambas as superfícies de vedação é produzida.

Também de acordo com a presente invenção, o raio mínimo Rs min das superfícies de vedação toroidais macho é definido pela seguinte relação, a partir da função da teoria de Hertz: na qual b = comprimento ativo da pressão de contato, com um valor de 0,5 mm, e V0 é fornecido pela seguinte fórmula: Os seguintes exemplos mostram valores para o raio máximo e mínimo Rs para tubulações de óleo típicas diferentes, utilizando valores representativos para δ e tn/wt, calculados ao se utilizar as fórmulas acima: Caso seja necessário reduzir o número do raio de vedação diferente para diâmetros diferentes da tubulação, de acordo com uma realização preferida da presente invenção duas faixas de raios preferidas podem ser definidas para duas faixas de diâmetros de tubulação simples, ao se utilizar a fórmula acima.

Uma melhora no desempenho da vedação sob condições de carga diferentes é obtida através de uma realização vantajosa da junção onde as vantagens da geometria da vedação descrita acima são utilizadas em combinação com uma geometria de sulco tal como descrito mais adiante. 0 comportamento ideal da junção de acordo com a invenção sob cargas de tensão ou de compressão é fornecido mediante a utilização de um perfil de sulco trapezoidal para os membros macho e fêmea 1, 2 em que as possibilidades de movimentos relativos axiais entre os membros são minimizadas. Desta maneira, o movimento e os efeitos nas superfícies de vedação são ambos minimi zados. 0 sulco é desse modo provido com uma abertura ou um distanciamento com uma dimensão de 0,15 mm ou menos entre o flanco de conexão 6 do membro macho 1 e o flanco de conexão 5 correspondente do membro fêmea 2, na posição de montagem final. Tal combinação do sulco com a vedação de acordo com a invenção resulta em uma junção com boa resistência estrutural para minimizar os movimentos de vedação e as solicitações plásticas na vizinhança da região de vedação. A Figura 5 mostra a variação na pressão de contato de vedação para uma junção de acordo com a invenção, onde o eixo X expressa a relação entre a pressão de contato de vedação e a pressão de vedação máxima, para condições de carga extremas até 100% do Limite de Elasticidade Especificado Mínimo do material.

Uma vantagem adicional da invenção é obtida com o emprego do ângulo γ, definido pelo ressalto interno 10 e pela superfície de afunilamento 9 e um plano ortogonal ao eixo X da junção, com um valor compreendido em uma faixa de -5o a -15°. Desta maneira, a junção da invenção elimina o perigo da produção de salto da vedação ou de elevadas deformações na vedação.

Tal faixa de valores também tem a grande vantagem de que impede a ocorrência de problemas de esfoladura ou deformação durante a composição. Por um lado, um ângulo menor do que -5o deve tornar provável a ocorrência de um problema de salto sob elevadas cargas de compressão ou torques elevados. Por outro lado, ângulos maiores do que -20° devem provocar grandes deformações sob elevadas cargas de compressão ou condições de torque elevado. A junção da presente invenção pode ser utilizada tanto quando o membro fêmea é disposto em uma extremidade de tubulação quanto quando é utilizada uma luva de conexão com dois membros fêmea em ambas as extremidades. A partir do que foi descrito, fica aparente que a invenção atinge todos os objetivos estabelecidos no preâmbulo.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1 . JUNÇÃO DE TUBO ROSCADA, a qual compreende um membro de tubo roscado macho (1) e um membro de tubo roscado fêmea (2) com paredes substancialmente cilíndricas, sendo que o membro macho (1) tem uma superfície de vedação toroidal (11) colocada em sua porção de extremidade perto da sua porção roscada acoplando para fins de vedação, quando os membros macho e fêmea (1, 2) estão na posição montada, uma superfície de vedação frusto-cônica correspondente (12) do membro de tubo roscado fêmea (2) colocada perto de uma porção roscada, caracterizada pelo fato de que a superfície de vedação toroidal de raio Rs tem um valor compreendido na faixa de 30 a 100 mm quando o OD é maior do que 140 mm e fica compreendido na faixa de 30 a 70 quando o OD não é superior a 140 mm.

2. JUNÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de ser dotada de um sulco com perfil trapezoidal e com um afastamento igual ou menor do que 0,15 mm entre o flanco de conexão (6) do membro macho (1) e o flanco de conexão (5) correspondente do membro fêmea (2) na posição montada.

3. JUNÇÃO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o membro macho (1) tem uma superfície de afunilamento f rusto-cônica (9) da extremidade dianteira que forma um ângulo (g) compreendido em uma faixa entre -15° e -5o com um plano ortogonal a um eixo longitudinal (X) definido pela junção.

4. JUNÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o membro macho (1) é disposto na extremidade de um segmento de tubulação e o membro fêmea (2) é disposto na extremidade de uma luva de conexão de tubulação com duas extremidades fêmeas.

5. JUNÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o membro macho (1) é disposto na parte de extremidade de um primeiro segmento de tubulação e o membro fêmea (2) é disposto na extremidade de um segundo segmento de tubulação.

6. JUNÇÃO, a qual compreende um tubo de comprimento definido com uma porção de pelo menos uma extremidade dotada de sulco na superfície exterior, caracterizado pelo fato de ser adaptado para formar o membro macho (1) da junção que tem as características de uma ou mais das reivindicações 1 a 5.

7. JUNÇÃO, a qual compreende um tubo de comprimento definitivo com uma porção de pelo menos uma extremidade dotada de sulco na superfície interna, caracterizado pelo fato de ser adaptado para formar o membro fêmea (2) da junção que tem as características de uma ou mais das reivindicações 1 a 5.