BRPI0407502B1

BRPI0407502B1 - União roscada para tubulações

Info

Publication number: BRPI0407502B1
Application number: BRPI0407502-1A
Authority: BR
Inventors: Matteo Morotti; Diego Dell'Erba; Giuseppe Della Pina
Original assignee: Tenaris Connections B.V.
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2018-02-14
Also published as: HK1083884A1; EA200501235A1; PE20040744A1; OA13025A; JO2350B1; ITRM20030065A1; DE602004010076D1; AU2004211486A1; CA2515176A1; DE602004010076T2; WO2004072533A1; JP2006515394A; GT200400018A; US20040183297A1; ATE378541T1; MXPA05008576A; EP1599689B1; CA2515176C; EA007133B1; CN1748106A

Abstract

"união roscada para tubulações". a invenção refere-se a uma união roscada para tubulações onde as roscas são revestidas com uma camada de lubrificante seco que apresenta uma espessura de entre 5 micra e 30 micra e nas qual o volume vazio nominal (nvv) do espaço (6,7) entre a rosca do tubo macho e a rosca do tubo fêmea é dimensionado por meio da seguinte formula (i): nvv [cm^ 3^] <243> 4 x od [pol.] na qual, od é o diâmetro nominal externo e wt é a espessura da parede dos tubos.

Description

(54) Título: UNIÃO ROSCADA PARA TUBULAÇÕES (51) Int.CI.: F16L 15/06 (30) Prioridade Unionista: 13/02/2003 IT RM2003A000065 (73) Titular(es): TENARIS CONNECTIONS B.V.

(72) Inventor(es): MOROTTI, MATTEO; DELL'ERBA, DIEGO; DELLA PINA , GIUSEPPE

1/10 “UNIÃO ROSCADA PARA TUBULAÇÕES

CAMPO DE APLICAÇÃO [001] A presente invenção refere-se a uma união roscada para ligar tubulações que são particularmente utilizadas na indústria de extração de petróleo e gás natural. As referidas tubulações podem ser utilizadas simultaneamente como encanamentos para bombear gás ou petróleo e como revestimentos para poços de perfuração. DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA [002] Em campos petrolíferos, é prática comum utilizar encanamentos metálicos de um cumprimento definido, ligados para formar uma coluna para atingir a profundidade na qual os reservatórios de gás ou de petróleo são descobertos para extração.

[003] Esta técnica de extração exige o revestimento interno gradativo do poço durante o procedimento de perfuração, usando tubos metálicos, os assim chamados “casing”. Assim que a profundidade deseja tenha sido atingida, uma coluna de tubos metálicos de diâmetro menor, os conhecidos “tubing” são inseridos no “casing” ou revestimento, para bombear o líquido ou os hidrocarbonetos de gases para a superfície. Ambos a coluna para o revestimento e a coluna para o “tubing” são feitos a partir de segmentos montados por uniões roscadas do tipo macho e fêmea, os chamados membros espiga e estojo (“pin” e “box”).

[004] Para possibilitar a operação de montagem, é comum fazer uso de um lubrificante para facilitar a união dos conectores. O lubrificante normalmente usado contém pequenas partículas e metal pesado, tai como chumbo ou cobre. Estes metais pesados são perigosos para a saúde e ao meio ambiente.

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2/10 [005] Além do risco de poluição, um outro problema que tem de ser contornado é a determinação da quantidade de lubrificante, já que o desempenho das uniões é muito sensitivo às variações das referidas quantidades.

[006] De modo geral ocorre um agarro de metal (galling) já que uma quantidade de lubrificante menor que a quantidade necessária não assegura a lubrificação correta e não possibilita a levada pressão de contato gerada pela interferência quando as roscas macho e fêmea têm de serem mantidas.

[007] Um problema oposto ao descrito é encontrado no uso de dopagens e é o conheço sobre-dopagem (over-doping) ou excesso de dopagem, que gera a dificuldade, durante o roscado de uma união, de se desfazer do excesso de dopagem nas extremidades das roscas dos segmentos do tubo. A dopagem arrastada ou entranhamento pode, como resultado disto, desenvolver pressões elevadas na união. Em circunstâncias particulares, tais pressões são capazes de produzir uma deformação plástica dos segmentos de tubulações na porção roscada e podem conduzir ao colapso do membro espiga. Uma vez ocorrido esse fenômeno, a união perde a sua eficiência e os segmentos de tubulações e/ou a luva deverá ser substituída.

[008] O entranhamento ocorre quando a dopagem não tem espaço suficiente para penetrar os interstícios da rosca ou então se não houver espaço suficiente para fluir pelo lado externo da conexão.

[009] O problema menciona ainda é mais sério no caso de haver uma união com mais de uma vedação. Neste caso, o lubrificante é aprisionado entre as duas vedações, impossibilitado de fluir em afastamento, sendo impossível reduzir a pressão elevada que se desenvolve.

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3/10 [0010] Uma possível solução para o problema acima é prover, como reservatório para o lubrificante, um espaço vazio obtido entre as duas vedações.

[0011] A desvantagem resultando da provisão de um reservatório de lubrificante consiste na criação de um espaço vazio considerável entre as vedações que gera uma perda de continuidade e que pode assim reduzir o desempenho da união.

[0012] Ainda que o lubrificante seja aplicado na quantidade correta, os mesmos problemas referidos anteriormente podem ocorrer, principalmente se existe uma falta de uniformidade na distribuição sobre toda a área da união.

[0013] Neste sentido, deve se considerar que a operação de aplicação do lubrificante é realizada na plataforma no momento no qual a coluna é descida para o interior do poço é, por consequência, particularmente oneroso em termos de tempo e recurso. As condições frequentemente adversas tornam problemáticas ambas as dopagens precisas de quantidade de lubrificante e sua aplicação nas partes da união.

[0014] De modo a se atingir profundidades ainda maiores nas quais são encontrados acúmulos de hidrocarbonetos, os níveis de desempenho exigidos pelo mercado são continuamente maiores conforme demonstrado pelo aumento na espessura das paredes utilizadas na extração de petróleo.

[0015] De modo a se lidar com os problemas citados, tem-se proposto soluções referentes a dosagem e dimensionamento dos espaços que passem a ser ocupados pelo lubrificante.

[0016] Uma solução para o problema descrito do aprisionamento de lubrificante tem sido proposto na parte

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US N° 4,830,411 que fixa a extensão mínima do espaço vazio entre a rosca macho e a rosca fêmea. Dito valor é fixado em

0,6mm²/passo. No referido espaço vazio o lubrificante pode se expandir e impedir os problemas do aprisionamento.

[0017] Uma outra forma de otimizar o desempenho das uniões, principalmente quando as tubulações trabalham em compressão, consiste em reduzir o intervalo entre o lado agudo das roscas macho e fêmea, como é descrito na publicação WO0066928, que sugere um valor para o referido intervalo de rosca de 0,05mm.

[0018] Como resultado do descrito acima, considerando-se, por exemplo, uma união roscada com 6TPI (filetes por polegada), com uma altura de cada filete de 1mm, o espaço vazio acima da rosca macho e da rosca fêmea, em conformidade com os ensinamentos da patente US N° 4,830,411, tem que ser de no mínimo 0,26mm de modo a se impedirem problemas de pressão do lubrificante. Desta forma, o espaço vazio total acima representa uma diferença de diâmetro de 0,52mm, entre o exterior do tubo macho e o interior do tubo fêmea.

[0019] A área da seção crítica de uma união é a área de uma coroa circular, e a referida área é diferente para a espiga e para o estojo. Para a espiga é definida pelo diâmetro interno (ID) da tubulação, por um lado e pelo diâmetro no sulco da última rosca engranzada, enquanto que para o estojo a referida coroa circular é definida pelo diâmetro externo (OD) da tubulação e pelo diâmetro no sulco da última rosca engranzada.

[0020] Consequentemente, se considerarmos constantes as grandezas OD e ID das tubulações, a referida diferença de 0,52mm entre o lado externo da espiga e o lado interno do estojo pode reduzir o desempenho da união.

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5/10 [0021] Além disso, por conta do grande intervalo sobre os lados carregados da rosca, a porção roscada não trabalha quando são aplicadas cargas compressivas.

[0022] Daí surge que impedir problemas de pressão do lubrificante e atingir alto desempenho na união são requisitos que seguem direções opostas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0023] A finalidade principal da presente invenção é eliminar as desvantagens acima referidas.

[0024] Um objetivo da presente invenção é prover uma união para tubulações na qual possa ser utilizado um lubrificante seco.

[0025] Uma vantagem obtida com a utilização de um lubrificante seco aplicado nas partes cooperantes na união na conclusão do processo de fabricação das tubulações é o de impedir a necessidade de realizar operações de lubrificação durante operação.

[0026] Como consequência do fato de não ser necessário um espaço para conter lubrificante em excesso, é possível se otimizar a geometria da união, as dimensões da rosca e as tolerâncias, reduzindo-se os espaços vazios e consequentemente, aumentando-se o desempenho da união.

[0027] Um outro objeto da presente invenção é o de otimizar todas as dimensões da união de modo a se reduzir o volume total do espaço vazio nele existente.

[0028] Um outro objetivo é obter um dimensionamento correto das características geométricas e dimensionais da rosca e da união.

[0029] De acordo com a solução proposta com a união da presente invenção, o aumento na área crítica da união pode ser maior que 3%.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

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A Fig. 1 mostra uma união de utilização comum na indústria de extração de petróleo;

As Figs. 2, 3, 4 e 6 são vistas ampliadas de partes da união;

A Fig. 5 mostra uma modalidade preferida de uma união tipo quase nivelada (“near flush”) com dimensões gerais não muito maiores que o corpo da tubulação;

A Fig. 7 mostra uma união roscada e casada provida com uma primeira junta metal para metal e um anel de vedação na parte terminal da área roscada; e

A Fig. 8 mostra uma união de descarga “integral flush”, isto é, com dimensões gerais iguais àquelas do corpo da tubulação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE MODALIDADES PREFERIDAS DA INVENÇÃO [0030] A figura 1 mostra uma união que compreende um membro macho ou espiga 1, com rosca externa 3 e um membro fêmea ou estojo 2 com interna 4.

[0031] Após estudos precisos tendo por objetivo a obtenção de uma otimização no dimensionamento das uniões, tem-se revelado possível definir relações matemáticas entre vários parâmetros dos tubos.

[0032] Pode-se considerar uma espessura de revestimento do lubrificante seco de entre 5 micra e 30 micra.

[0033] A área gT do espaço livre entre os filetes engranzados na seção da união se considerado o plano na direção axial é inferior a 0,4mm²/passo.

g_T < 0,4mm²/passo [0034] A referida área vazia gT indicada com a referencia 5, está representada na figura 2. A mesma pode ser calculada, por exemplo, com assistência de um CAD ou similar ao se considerar a área 6 na forma idealizada, tal como representada na figura 3.

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7/10 [0035] Se considerarmos uma rosca com 4TPI e uma altura de dente de 1,5mm, a área ocupada por um revestimento de 30 micra de espessura é aproximadamente

0,3mm². Consequentemente, com vistas a impedir qualquer contato inesperado entre os lados dos filetes, a dimensão ₂ máxima da referida área e fixada em 0,4mm .

[0036] Uma segunda relação fica definida entre o volume nominal vazio NVV e o diâmetro nominal externo OD do tubo indicado em centímetros, determinado pela seguinte fórmula:

NW[cm³] <4 x OD[ cm] [0037] Define-se como volume nominal vazio um índice da medida de espaço vazio presente na união.

[0038] O valor do parâmetro NVV tem que ser calculado avaliando-se os espaços vazios entre as duas vedações mais distantes.

[0039] A extensão desses espaços tem que ser calculada considerando-se:

[0040] - O espaço efetivo nos das roscas entre crestas e vales quando duas roscas estão em engranzamento mútuo na configuração nominal. O cálculo é realizado com a seguinte fórmula:

G _T= g _T x ( P T L + IT L x k) x T PI onde:

₂

G_T é a área total vazia na rosca (mm )

PTL é o comprimento de rosca perfeito (cm)

ITL é o comprimento de rosca imperfeito (cm)

TPI é o número de roscas por centímetro (cm^-1) k é uma constante que assume que no comprimento de rosca imperfeito, os espaços vazios são maiores que os espaços vazios na rosca perfeita por conta das crestas das roscas que são cortadas. Na fórmula apresentada, o valor de

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8/10 k é 5 e é calculado simulando-se o engranzamento das roscas em uma porção de roscas imperfeitas.

[0041] - Outros espaços vazios GC, designados pela referencia 7, da união, que são mostrados na figura 4, devem ser calculados quando o elemento macho e o elemento fêmea são casados na configuração nominal. Neste caso, o volume nominal vazio NVV é:

N V V = π( G _T[mm ² ] + G _c[mm ² ]) x O D [mm] [0042] Uma terceira relação é definida entre o volume nominal vazio NVV, o diâmetro OD e a espessura nominal do corpo do tubo Wt. O referido volume nominal vazio NVV, calculado conforme descrito, tem que ser correlacionado com a seguinte fórmula:

N VV [cm ³ ]

O D[ cm] x jWt[mm] [0043] Wt aparece sob a raiz quadrada já que tem que ser considerado que NVV representa a soma de um volume fixo (principalmente na região de vedação e da rosca imperfeita) e de um volume linear que aumenta com o comprimento de rosca perfeito.

[0044] Como resultado, o aumento no volume vazio devido ao comprimente diferente da rosca por conta da espessura de parede diferente, é melhor aproximado pela raiz quadrada principalmente porque o volume vazio para cada passo individual de rosca é muito pequeno se comparado à quantidade total de espaço vazio presente na união.

[0045] Os valores dos referidos parâmetros são representados na Tabela 1.

Diâmetro	Área Vazia	Vol. Vazio	NVV	NVV
Nom. (cm)	(mm²)	(cm³)	OD	O D x^WWt
19,5	59,9	37	4,8	1,24

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27

57,4

49,2

4,58

1,3

[0046] Uma outra modalidade preferida da união é representada na Figura 5.

[0047] Esta mostra uma união com uma rosca cônica em dois estágios, com encosto central, destinada particularmente, para uso com lubrificantes secos.

[0048] Na referida união, os dois estágios assumem um valor de conicidade de 8,5% sobre o diâmetro, com um perfil de rosca, como na figura 6, com um ângulo α de 4° e um ângulo β de 20°.

[0049] De acordo com essa modalidade referida, os parâmetros anteriormente citados assumem os seguintes valores:

Diâmetro Nom. (cm)	Área Vazia (mm²)	Gt (mm²)	Vol. Vazio (cm³)	NVV OD	NVV
0 DxjWt
19,5	43,1	0,28	26,6	3,43	0,88
27	57,4	0,28	33	3	0,83

[0050] Uma outra modalidade preferida da união conforme a invenção é mostrada na figura 7. Essa construção refere-se a uma união roscada casada com uma rosca cônica de estágio simples. Esta união compreende um ombro para topejamento, colocado em uma posição correspondente à ponta do tubo macho, uma vedação metal-a-metal e uma gaxeta do tipo anel de vedação na região da rosca. A conicidade da rosca é de 6,25% no caso de 5 TPI e 8,5% no caso de 4 TPI. O perfil da rosca é um dente de serra modificado do tipo

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API com um ângulo no lado de carga de 3° e um ângulo do lado de penetração de 25°.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. União roscada para tubulações que compreende uma espiga (1, 1', 1) e um estojo (2, 2', 2), cada um tendo uma extremidade, uma respectiva porção roscada, caracterizada pelo fato de que as respectivas porções roscadas são revestidas com uma camada de lubrificante seco apresentando uma espessura de entre 5 pm e 30 pm, e na qual um volume vazio nominal (NW) de espaço (6, 7) entre o membro espiga e o membro de estojo são dimensionados de modo a satisfazer a seguinte fórmula:

,νρν[«?!³] < 4 X 0D[rm] onde OD é o diâmetro externo das referidas tubulações.
2. União roscada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o volume vazio nominal NW do espaço (6, 7) é dimensionado de modo a satisfazer a seguinte fórmula:

íVW [cm³]

- , < 1 □D [cm] X Wí [mm] onde Wt é a espessura da parede das referidas tubulações.
3. União roscada, de acordo com a reivindicação 2 , caracterizada pelo fato de que a área g_T do espaço livre (5, 6) entre as roscas engatadas na seção da união quando consideradas sobre um plano axial é menor que 0,4 mm²/passo.
4. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que cada um dos referidos elementos macho e fêmea é dotado com pelo menos um elemento de vedação.

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5. União roscada, de acordo com a reivindicação

4, caracterizada pelo fato de que a espiga tem duas porções externas roscadas (12, 13) com perfil de cone truncado, que estão axialmente escalonadas e separadas por um ombro (9'), e que o estojo tem duas porções internas roscadas (10, 11) com perfil de cone truncado, que estão axialmente escalonadas e separadas por um ombro ( 9 ” ) , que atua como batente durante o ato de aparafusar.
6. União roscada, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a espiga tem uma porção externa roscada de perfil de cone truncado e que o estojo tem uma porção interna roscada de perfil de cone truncado, cada um dos membros de espiga e de estojo sendo providos com um conjunto de ombro em pelo menos uma respectiva extremidade das referidas porções roscadas, adaptadas para agir como topejamento durante a conjugação.

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