JUNTA ROSQUEADA
CAMPO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção se refere a juntas rosqueadas que servem, em particular, para conectar tubos e criar colunas utilizadas na indústria de hidrocarbonetos, especialmente no campo de OCTG (Oil Country Tubular Goods ou tubos de aço para transporte de derivados de petróleo) e como tubulações de plataformas marítimas.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [0002] Nos últimos anos, procurar petróleo ou, de forma mais genérica, hidrocarbonetos vem se tornando uma atividade cada vez mais exigente no que se refere a equipamentos e dispositivos, já que os campos ou reservas de petróleo e gás se localizam em terras mais profundas ou mais difíceis de atingir e também no fundo do mar. O processo de sondar e explorar campos de hidrocarboneto requer equipamentos mais resistentes a desafios ambientais como cargas mais pesadas e corrosão, fatores que não eram tão importantes no passado.
[0003] Em algumas aplicações, as juntas rosqueadas podem ser sujeitas a deformação das vedações da junta.
[0004] As juntas modernas são projetadas geralmente com vedações de metal a metal feitas pelo contato entre duas superfícies, normalmente em um ou em ambos os extremos da porção rosqueada da junta, interferindo no intervalo elástico do módulo de elasticidade para obter uma magnitude de pressão apropriada. No entanto, em algumas situações são necessárias
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2/15 vedações resilientes para substituir ou complementar as vedações metálicas, prevenindo a penetração de fluidos externos nas frestas das roscas.
[0005] Portanto, é um requerimento estrutural que as vedações das juntas sejam resistentes à penetração externa ou interna de fluidos, ou pelo menos que não permitam uma troca continua dos fluidos já penetrados com os fluidos circundantes, de modo a reduzir a taxa de corrosão.
[0006] Atualmente, uma solução técnica comum para o problema de vedar externamente uma conexão rosqueada é usar anéis do tipo O-ring ou anéis de vedação resilientes de vários cortes transversais, feitos de materiais elastoméricos ou compostos.
[0007] Tanto os complexos anéis de vedação resilientes como os simples anéis O-ring realizam sua função vedatória com base na interferência geométrica diametral entre o pino e a caixa, a qual é pré-definida com respeito a pelo menos um dos componentes da junta. Essa interferência geométrica aparece após a preparação da conexão, deformando elasticamente o anel de vedação e induzindo, portanto, pressões de contato entre a vedação e cada um dos pinos e caixas, criando uma barreira mecânica que veda a junta. A pressão do fluido externo provê uma energização adicional do anel de vedação, aumentando a
deformação e a aderência ao |
lugar |
onde o |
anel |
de vedação está |
aloj ado. |
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[0008] Um exemplo de |
anel |
O-ring |
é |
apresentado em |
US6173968, para a vedação |
de uma |
junta |
entre |
um pino e uma |
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3/15 caixa. Um anel O-ring oferece suporte a um anel de apoio anular com substancialmente o mesmo diâmetro. 0 anel de apoio anular se separa para permitir uma expansão radial, possuindo uma maior espessura em sua periferia externa do que em sua periferia interna. Quando a junta a ser vedada está sob alta pressão, o anel de vedação faz com que o anel de apoio se expanda radialmente para cobrir qualquer brecha entre os componentes que estejam sendo vedados, mantendo a capacidade de vedação mesmo em condições de alta temperatura e evitando que o anel de vedação seja expelido para a brecha. A pressão varia segundo a profundidade do mar, sendo que a eficiência da vedação se vê reduzida quando o anel O-ring está sujeito à ação de pressões mais baixas.
[0009] Neste documento a pressão externa na junta determina também a pressão que age sobre o anel O-ring. Quando pressões de contato mais altas são necessárias para o anel O-ring, uma interferência geométrica mais alta é requerida entre o anel 0ring e os componentes da junta. Isso pode causar a ruptura da vedação.
[0010] Outra forma de melhorar a eficiência da capacidade de vedação do anel O-ring é aumentando a interferência geométrica, a qual é alcançada na maioria dos casos ao fazer com que o anel de vedação seja radialmente maior do que seu alojamento. Porém, quanto maior for o anel de vedação, mais exposto ele estará a danos durante a preparação, especialmente quando for pré-montado no componente da caixa e forçado a cobrir toda a área rosqueada do pino.
[0011] Nesse caso, outros inconvenientes podem surgir.
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Diversas variáveis de conexão geométrica originadas durante o processo de fabricação, como ovalidade, excentricidade e rugosidade, criam interferência irregular sobre toda a circunferência das superfícies de vedação produzindo, portanto, pressões de contato irregulares e reduzindo a capacidade de vedação.
[0012] Na prática, a capacidade de vedação devido a interferência geométrica é limitada pela geometria dos elementos resilientes, principalmente tamanho e comprimento radiais, em relação à sua capacidade de serem friccionados contra as roscas e contra qualquer outra superfície de interferência durante o encaixe sem serem danificados.
RESUMO DA INVENÇÃO [0013] É, portanto, um objetivo da presente invenção disponibilizar uma junta rosqueada que supere os inconvenientes anteriormente mencionados.
[0014] O principal objetivo da presente invenção é oferecer uma junta com um anel de vedação inovador, garantindo tanto um encaixe inicial simples e confiável como uma alta eficiência de vedação durante a operação.
[0015] Os objetivos acima mencionados são alcançados de acordo com a presente invenção mediante uma junta de tubo rosqueado, definindo um eixo que compreende um tubo rosqueado macho, denominado pino, e um tubo rosqueado fêmea, denominado caixa, sendo que o pino se adapta para ser ajustado na caixa, um anel de vedação que possui uma superfície cilíndrica externa, uma superfície interna contendo uma ou mais nervuras
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5/15 anulares que dela sobressaem, uma primeira base com pelo menos uma porção de forma frustocônica, uma segunda base com pelo menos uma porção de forma frustocônica axialmente oposta à primeira base, onde a primeira e a segunda base são inclinadas em direção ao eixo, sendo que a superfície externa é mais ampla do que a superfície interna e sendo que o anel de vedação está interposto entre o pino e a caixa em estreito contato de vedação com uma superfície interna de uma ranhura anular da caixa através da superfície cilíndrica externa e em estreito contato de vedação com uma superfície externa do pino mediante as nervuras anulares, sendo que a junta rosqueada é oferecida com meios de ativamento hidráulicos capazes de pressurizar o anel de vedação contra esse pino para melhorar a vedabilidade da junta.
[0016] Na junta rosqueada da invenção, o anel de vedação está alojado no componente da caixa, sendo ativado e energizado através da pressurização de um fluido injetado externo, sendo que a injeção e a pressurização desse fluido são realizadas mediante uma válvula sem retorno, fixa ao componente da caixa.
[0017] O alojamento para o anel de vedação é uma ranhura anular formada no componente da caixa da junta rosqueada. Ele aloja e protege o anel de vedação contra choques antes de ser ativado pelo fluido pressurizador. Esse alojamento é configurado para fornecer uma cavidade impermeável que contorne o anel de vedação e possibilite sua energização.
[0018] A caixa da junta rosqueada que incorpora esta vedação é feita de tal forma que o anel de vedação se ative em
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6/15 uma superfície cilíndrica, preferentemente a do corpo do tubo, fazendo com que o pino não precise ser modificado. Dessa maneira, o desempenho da junta sob cargas de tensão permanece intacto.
[0019] Tanto a ranhura anular, como a válvula sem retorno e
o anel |
de |
vedação |
estão |
contidos completamente |
na |
espessura |
de |
parede |
da |
caixa, |
o que |
apresenta a vantagem |
de |
preservar |
a |
estrutura |
e o desempenho do encaixe, além |
de |
proteger |
o |
sistema de vedação. A estruturação completa via FEA e o teste em escala completo produziram uma interação otimizada do anel de vedação com a ranhura anular, sendo que a junta rosqueada da invenção pode suportar cargas axiais elevadas.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [0020] Os objetivos anteriores e outros objetivos irão se tornar mais evidentes ao fazer-se referência à seguinte descrição detalhada e às figuras anexas, sendo que:
[0021] A Figura 1 ilustra uma visão em perspectiva de um corte parcial da junta de acordo com a presente invenção;
[0022] A Figura 2 ilustra uma visão de corte ao longo de um plano axial de uma configuração da junta de acordo com a invenção;
[0023] A Figura 2a ilustra uma visão de corte ao longo de um plano axial de um detalhe da caixa da junta de acordo com a invenção;
[0024] A Figura 3 ilustra uma visão de corte ao longo de um
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plano |
axial de uma configuração de um |
elemento |
da junta |
de |
acordo |
com a invenção; |
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A Figura 4 ilustra uma visão |
de |
corte ao |
longo de |
um |
plano |
axial de outra configuração de |
um |
elemento |
da junta |
de |
acordo |
com a invenção; |
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A Figura 5 ilustra uma visão |
de |
corte ao |
longo de |
um |
plano |
axial de outra configuração de |
um |
elemento |
da junta |
de |
acordo com a invenção;
[0027] A Figura 6 ilustra uma visão de corte de um detalhe ampliado da junta de acordo com a invenção em um primeiro estágio de trabalho;
[0028] A Figura 7 ilustra uma visão de corte de um detalhe ampliado da junta de acordo com a invenção em um segundo estágio de trabalho;
[0029] A Figura 8 ilustra uma visão de corte ao longo de um plano axial de outra configuração da caixa da junta de acordo com a invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA [0030] Com referência particular às figuras, ilustra-se uma junta rosqueada indicada de forma geral pelo numeral de referência 1, conectando dois tubos, um tubo macho 3, também denominado normalmente de pino, com um diâmetro externo nominal D, e um tubo fêmea 2, também denominado normalmente de caixa, com um diâmetro externo nominal Dl.
[0031] O pino 3 possui uma porção rosqueada 5, com roscas
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8/15 macho de perfil adequado, por ex., trapezoidal, e a caixa 2 possui uma porção rosqueada interna 4 com roscas fêmeas.
[0032] O eixo em comum do tubo, do pino e da caixa é indicado pela letra A.
[0033] A caixa 2 termina com uma ponta 6. A porção da caixa 2 próxima à ponta 6 compreende uma superfície não rosqueada 7.
[0034] Preferentemente, mas não necessariamente, a junta 1 possui uma vedação de metal a metal entre a ponta do pino e o ombro da caixa (não ilustrado nas figuras).
[0035] Com referência particular às configurações da figura 1, ilustra-se um alojamento configurado como uma ranhura anular 10 localizada na parte da caixa 2 que fica entre o fim da rosca 4 e a ponta 6, a qual aloja um anel 11 formando, assim, uma vedação externa quando a junta 1 é encaixada.
[0036] Na maior parte dos casos, o anel de vedação 11 realiza a função de vedação externa, sendo colocado entre a caixa 2 e o pino 3 ou o corpo do tubo.
[0037] O anel de vedação 11 impede o vazamento de fluidos externos para dentro da região rosqueada da junta 1. Porém, o anel de vedação 11 pode ser usado em outras partes de uma junta rosqueada, caso necessário.
[0038] O anel de vedação 11 é ativado quando um fluido externo é injetado e pressurizado através de uma válvula para dentro do alojamento, sendo que essa pressão gerada na câmara age sobre a superfície 25, deformando e forçando o anel de
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9/15 vedação 11 tanto contra os lados 14, 15, 16, 17 do alojamento 10 como contra o pino 3, para produzir uma barreira mecânica que veda a junta 1.
[0039] A ranhura ou alojamento 10 segura, oculta e protege o anel de vedação antes da injeção do fluido de ativamento, correspondente à posição ilustrada na figura 6. Em conjunto com o anel de vedação, ela forma uma câmara de pressão anular impermeável quando o fluido de ativamento é injetado e pressurizado através de uma válvula 20. A válvula 20 é uma válvula sem retorno que é fixada à caixa 2, sendo que a ponta da mesma está vantajosamente nivelada com a superfície da caixa para prevenir danos à válvula ou situações de perigo para os operadores. A injeção do fluido de ativamento, bem como os subsequentes processos de energização e ativamento do sistema de vedação, são realizados uma vez que a junta 1 esteja em sua posição final de encaixe.
[0040] O anel de vedação 11 é ativado contra uma superfície
cilíndrica |
do componente do pino 3 ou no corpo do tubo, |
dependendo |
da posição do alojamento ao longo da caixa. Essa |
superfície |
onde o anel de vedação 11 entra em contato com o |
pino 3 pode ser tanto laminada como usinada, correspondendo vantajosamente, mas não exclusivamente, à região que compreende a parte não rosqueada. Dessa maneira, a geometria do pino não é modificada e, portanto, a eficiência de tensão da junta permanece inalterada.
[0041] O fluido de ativamento pode ser um fluido de alta ou baixa viscosidade, como um óleo, graxa, material impermeabilizante, gel, etc., ou um polímero que se
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10/15 solidifique após a injeção, ou mesmo o fluido presente na parte de fora da conexão, isto é, o mesmo fluido que veda pretendendo evitar o vazamento na junta.
[0042] Uma vantagem da invenção é que o anel de vedação 11 está protegido, já que permanece oculto durante o encaixe, evitando que sofra qualquer tipo de dano, sendo que esse objetivo se alcança sem afetar o desempenho da junta.
[0043] Outra vantagem da invenção é o fato de que as pressões de contato implementadas pelo sistema de vedação são proporcionais à pressão do fluido de ativamento, sendo que essas pressões são conhecidas e definidas no momento de injetar e pressurizar o fluido de ativamento. Por outro lado, a magnitude dessa pressão de ativamento é completamente independente da pressão gerada pelo fluido externo na junta. Além disso, as pressões de contato produzidas pelo anel de vedação 11 também são independentes de parâmetros geométricos da junta em si, como ovalidade, excentricidade, rugosidade e tipo de conexão, sendo uniformes sobre a circunferência completa da junta 1, já que a geometria, a forma e o comprimento tanto da vedação como das áreas de contato, são variáveis independentes do tipo de junta.
[0044] A superfície interna do anel de vedação 11 é configurada com várias nervuras protuberantes 9 melhorando, portanto, a vedabilidade, já que as nervuras adjacentes 9 oferecem várias barreiras subsequentes contra o fluido externo quando o anel de vedação é carregado. Caso uma ou mais barreiras apresentem vazamento, ainda assim as barreiras subsequentes poderão suportar a pressão externa e garantir uma
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11/15 capacidade de vedação suficiente.
[0045] Em uma primeira configuração da junta rosqueada 1, ilustrada na figura 2, a geometria da ranhura anular possui uma forma de rabicho ou cunha no corte axial, isto é, sua forma é tal que a largura do corte, medida paralelamente ao eixo A, diminui na direção do eixo, com duas superfícies laterais 16, 17 inclinadas uma em direção à outra.
[0046] Nesta configuração, a ranhura também possui vantajosamente duas superfícies planas anulares 14, 15, opostas e paralelas uma à outra. Essa forma particular da ranhura 10, quando a junta 1 é encaixada, força a que o anel de vedação 11 se encolha e seja energizado ao ser pressionado pelo fluido de ativamento na câmara anular 13.
[0047] A seção do anel de vedação 11 em um plano axial está configurada para ser alojada na ranhura 10 e possui várias formas alternativas, algumas das quais são ilustradas na figura 5, complementar àquela da ranhura 10. Possui uma primeira base 26 com uma porção de forma frustocônica, uma segunda base 27 com uma porção de forma frustocônica axialmente oposto à primeira base, estando a primeira 26 e segunda 27 bases inclinadas em direção ao eixo A, de forma tal que sua superfície externa 25 é mais ampla do que a superfície interna do anel de vedação com nervuras 9.
[0048] Em uma configuração alternativa da ranhura 10, ilustrada na figura 2a, a ranhura 10 possui uma seção simples de rabicho, sendo que o anel de vedação 11 associado possui preferentemente uma forma como as que se ilustram nas figuras
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12/15 [0049] Nas configurações das figuras 3 e 5, o anel de vedação 11 também possui uma porção 28, 29 de cada primeira e segunda bases que possuem a forma de uma coroa anular.
[0050] Essas formas do anel de vedação 11 produzem superfícies de contato otimizadas, além de deformação otimizada do anel de vedação.
[0051] A profundidade radial da ranhura 10 e a espessura do anel de vedação 11 são definidas de acordo com a espessura de parede da caixa 2, levando em consideração o requerimento de ocultar completamente a vedação na ranhura 10 quando a câmara 13 não estiver pressurizada.
[0052] A ranhura 10 possui uma largura de cerca de 15 mm e o anel de vedação possui uma largura similar, menor, maior ou igual à largura da ranhura, dependendo da geometria da ranhura, da forma e do material do anel de vedação, bem como do tipo e da pressão do fluido de ativamento.
[0053] A pressão na câmara 13 pode ser definida em um valor entre cerca de lOOpsi (=6,89 bar) e 5000psi (=344,73 bar). Esse intervalo confere um bom padrão de deformação do anel de vedação, adequado para o intervalo esperado de condições operacionais, tanto no estado transiente como no estado estacionário, além de uma razão deformação/pressão em pontos concentradores, necessários para avaliar a integridade da vedação. Outra vantagem de uma pressão dessa magnitude é um bom padrão de contato entre a vedação e a ranhura, necessário para avaliar a cavidade impermeável, além de uma boa magnitude
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13/15 e padrão de contato entre a vedação e o pino, necessários para avaliar a capacidade de vedação da junta.
[0054] Os fluidos de ativamento para pressurizar o anel de vedação 11 podem ser um fluido de alta ou baixa viscosidade, como óleo, graxa, material impermeabilizante, gel, etc. ou um polímero que se solidifique após a injeção, ou mesmo o fluido presente na parte de fora da conexão, isto é, o mesmo fluido que veda evita o vazamento na junta.
[0055] Uma vantagem adicional da junta rosqueada 1 é que sua eficiência de tensão pode ser melhorada mediante esse anel de vedação 11. Ele torna supérflua a necessidade de criar uma região sem roscas (isto é, de roscas com cristas truncadas) nas extremidades da rosca, o que é feito para evitar danos ao anel de vedação durante o período de pré-encaixe no pino, já que nesse caso o anel de vedação precisa ser arrastado sobre as roscas. A pior condição de pressão no anel de vedação é produzida na última região da rosca, a qual possui um maior diâmetro do que a ponta do pino, razão pela qual as roscas são truncadas. Portanto, nesse caso, perde-se uma importante altura de rosca para proteger o anel de vedação 11. De forma contrária, a junta de acordo com a invenção permite, caso requerido por razões estruturais, esticar a região rosqueada ou evitar o uso de roscas truncadas ou inexistentes, já que o anel de vedação é montado na ranhura da caixa que, por sua vez, o oculta e protege.
[0056] Com referência particular à figura 8, ilustra-se outra configuração de uma junta de acordo com a invenção, contendo dois anéis de vedação 11, 11' inseridos em duas
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14/15 ranhuras anulares 10, 10' formadas na caixa 2. Nesta configuração, um anel de vedação 11 é colocado na porção da caixa próxima à sua ponta 6 que após o encaixe enfrenta a porção do pino 3 após a porção rosqueada 5. A segunda votação 11' é posicionada na porção sem rosca da caixa 2 a qual, após o encaixe, enfrenta a porção do pino anterior próximo à sua ponta.
[0057]
Nessa configuração, o anel de vedação
11', como o anel de vedação 11, pode ser formado de acordo com uma das variantes descritas acima.
Alternativamente, caso seja apropriado para obter os melhores resultados de vedação, o anel de vedação 11 e 11' podem ser formados diferentemente um do outro: o primeiro anel de vedação de acordo com uma variante entre aquelas descritas acima e o segundo anel de vedação de acordo com uma variante diferente.
[0058] Em algumas configurações especificas da junta, os dois anéis podem ser ativados com diferentes pressões do fluido ativante, de forma tal que a pressão exercida por um anel de vedação seja ou maior ou menor do que a outra.
[0059] Alternativamente em outra configuração não ilustrada nas figuras, a junta 1 pode ser usada somente com o anel de vedação 11 na posição indicada na figura 8, mas sem o anel de vedação 11' . Esta configuração pode ser usada, por exemplo, mas não necessariamente, em combinação com uma vedação metal a metal localizada nas proximidades da ponta do pino 3.
[0060] A junta da invenção em suas várias configurações pode quase completamente evitar vazamentos, proporcionando
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15/15 impermeabilidade total.
[0061] A invenção deve ser usada preferentemente no campo de OCTG e conexões de tubo de linha para a indústria de petróleo e gás, especialmente em plataformas marítimas.