BRPI0812121B1

BRPI0812121B1 - Junta roscada e método de montagem para uma junta roscada

Info

Publication number: BRPI0812121B1
Application number: BRPI0812121-4A
Authority: BR
Inventors: Nestor J. Santi
Original assignee: Tenaris Connections B.V.
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2019-10-15
Also published as: NO344287B1; EP2028403B1; DE602007013892D1; BRPI0812121A2; RU2451229C2; JP2010537134A; EP2028403A1; CA2686233A1; CN101802473A; NO20093280L; AR068022A1; US20110042946A1; CA2686233C; MX2009013360A; RU2009148850A; WO2009027308A1; US8215680B2; CN101802473B

Abstract

junta roscada e método de montagem para uma junta roscada uma junta roscada tem uma interferência entre as raízes de rosca de pino e cumes de rosca da caixa de valor que consiste entre 1% e 5% da espessura média da conexão, e uma raiz de raio r de flanco de carga que consiste de variação de 0,2 mm e 0,4 mm e um tratamento de superfície que consiste de jateamento com granalha (shot peening) aplicado ao início e extremidade da área roscada do pino. em outras modalidades a interferência pode ser entre as raízes de rosca da caixa e cumes de rosca do pino.

Description

JUNTA ROSCADA E MÉTODO DE MONTAGEM PARA UMA JUNTA ROSCADA

Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se às juntas roscadas, em especial para os tubos de conexão de extensão pré-definida para criar filamentos utilizados na indústria de hidrocarbonetos, especialmente para uso no campo de tubos petrolíferos OCTG (Oil Country Tubular Goods) e tubulação em aplicações offshore.

[002]

Antecedentes da invenção [003] A busca por petróleo ou geralmente os hidrocarbonetos tornaram-se mais exigentes em termos de peças metálicas e dispositivos nos últimos anos por campos de petróleo e gás ou reservatórios que estão localizados mais profundamente ou em locais de difícil acesso. Prospecção e exploração de campos de hidrocarbonetos em águas profundas, tornaram-se comum e necessita de peças metálicas que sejam mais resistentes aos desafios ambientais como fadiga e corrosão, que eram antes menos importantes.

[004] Para a extração de petróleo e gás dos campos que estão abaixo do fundo do mar são utilizadas as plataformas off-shore que são ancoradas ao fundo do mar e são utilizadas cordas que são convencionalmente chamado de tubo ascendente.

[005] Essas cordas são imersas no mar e estão sujeitos a movimentos causados por correntes marítimas e movimentos de ondas de superfície. Devido a estes movimentos contínuos e periódicos do mar, as cordas não permanecem imóveis, portanto estão sujeitas aos movimentos laterais de pequeno valor que

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2/15 podem produzir deformações em certas partes da junta e devem suportar as cargas que induzem tensões de fadiga nos tubos, principalmente na zona da junta roscada. Estas tensões tendem a provocar rupturas nos tubos nas proximidades da rosca e há uma necessidade de melhorar a resistência à fadiga das juntas roscadas.

[006] Atualmente, o desempenho de fadiga e o design para conexões roscadas para a indústria de petróleo e gás são adaptadas e extrapoladas de outros campos da engenharia. Ainda não existem normas específicas ou design/dimensionamento das especificações. Os conceitos básicos podem ser encontrados no Padrão Britânico/Código de prática BS7608 para o design de fadiga e avaliação de estruturas de aço, e DNV Classe B da curva S-N.

[007] As soluções já foram propostas na técnica para aumentar a vida útil à fadiga das juntas roscadas.

[008] Documento EP1726861 revela um método para a fabricação de uma junta roscada para tubo de um poço de petróleo onde um micro jateamento com granalha (micro-shot peening) é aplicado para melhorar a sua resistência à fratura de fadiga.

[009] O método descrito aumenta a vida útil à fadiga para alcançar o objetivo através da aplicação de jateamento com granalha (shot peening) à junta roscada sob condições específicas:

[0010] Pressão de pulverização: 0,4 MPa. Distância de pulverização: 100 a 150 mm. Tempo de pulverização: cerca de 1 sec/cm². Material de partícula de granalha: aço carbono de 0,8 a 1,0% C (HRC60 ou mais). O diâmetro da partícula é

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3/15 selecionado como mostra a Tabela 4 deste documento propõe também uma combinação de tratamentos de carburação e nitretação que podem melhorar ainda mais a resistência à fratura de fadiga.

[0011] Ainda há espaço para melhoria da vida útil à fadiga da junta roscada.

Resumo da Invenção [0012] É, portanto, um objeto da presente invenção fornecer uma junta roscada que supere os inconvenientes acima mencionados.

[0013] O objeto principal da presente invenção é fornecer uma junta com aumento de vida útil à fadiga.

[0014] Os objetos acima mencionados são realizados de acordo com a presente invenção por meio de uma junta roscada que consiste de um tubo de rosca macho, definido como pino, e um tubo de rosca fêmea, definida como caixa, o pino sendo fornecido com um primeiro rebordo de apoio, a caixa sendo fornecida com um segundo flange de apoio, os referidos primeiro e segundo flanges de apoio têm uma forma complementar, o pino sendo adaptado para ser montados (construídos) na caixa, onde uma interferência é fornecida entre as raízes de rosca de um pino ou uma caixa de cumes roscados de um outro pino ou caixa medida de acordo com as dimensões nominais do pino e caixa, o valor da interferência sendo incluído entre 1% e 5% da espessura média da parede do tubo, em que há fornecido uma raiz para raio R de flanco de carga tendo um valor de cerca de M da altura da rosca e em que a junta tem um tratamento de superfície que consiste de

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4/15 jateamento com granalha (shot peening) aplicado ao início e extremidade da área roscada do pino.

[0015] Outro objeto da invenção é fornecer um método de montagem (construção) para a junta roscada na invenção.

De acordo com a invenção reivindicada o objetivo de melhorar a resistência à fadiga da junta roscada é alcançado por uma ação combinada de vários recursos que aparecem no final da operação de montagem em uma junta que tem sido adequadamente proj etada:

a) fornecimento de altas cargas radiais, as chamadas cargas de aro, em função da interferência da raiz para cume para melhorar a resistência à fadiga;

b) fornecimento de cargas elevadas de flange para melhorar a resistência à fadiga;

c) fornecimento de raiz ampliada para raio R de flanco, que reduz a concentração de tensão nas raízes de rosca;

d) além disso uma adequada preparação da superfície do pino e da superfície da caixa constituída principalmente por um tratamento de jato com granalha (shot peening), aumenta ainda mais a resistência à fadiga da junta.

[0016] A junta roscada desta invenção pode ser montada com o auxílio dos conhecidos revestimentos, lubrificantes líquidos ou sólidos, sistemas dope-free, etc.

[0017] Graças aos recursos mencionados na junta da invenção, as cargas axiais de tensão são transferidas através do habitual contato de flanco para flanco, uma vez que a interferência axial é escolhida para estar dentro dos valores dos padrões normais utilizado na indústria. Por outro lado, as cargas radiais na parte roscada atingem valores superiores

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5/15 ao normal, e isso garante uma melhor resistência à fadiga e prolonga a vida útil operacional da junta.

[0018] Essas cargas radiais na área de rosca dependem principalmente da interferência geométrica radial que é realizada pelo controle dos diversos diâmetros e tolerâncias que configuram uma extremidade do tubo roscado.

[0019] O valor dessa interferência medido de acordo com as dimensões nominais do pino e caixa, que antes de montar os dois membros, não seja inferior a 1% da espessura média da junta ou conexão, ou seja, a adição da espessura média de pino e caixa, no caso do menor peso coberto pela variação do desenho do tubo; e não superior a 5% da espessura média da junta, ou seja, além disso, a espessura média de pino e caixa, no caso do peso pesado coberto pela variação do desenho do tubo.

[0020] Estes valores de interferência garantem que o nível de tensões na junta seja mantido sob controle evitando assim os fatores de alta concentração de tensão.

Nos seguintes exemplos da tabela de valores adequados de interferência são mostrados no caso de dois tubos com diferentes diâmetros e peso:

Diâmetro do tubo	Peso	em Interferência	Interferência
em centímetros	kg/m	em %	em pm
24,45	4, 97	3%	370
33,98	13,25	2%	360

[0021] No entanto, outros parâmetros também contribuem para alcançar as cargas radiais desejadas. Estes parâmetros

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6/15 são o diâmetro do tubo e a espessura, o tipo de rosca, as propriedades do material, como módulo de Young (elasticidade), as propriedades de superfície de cada membro da conexão, etc.

Breve Descrição dos Desenhos [0022] Os precedentes e outros objetos se tornarão mais facilmente visíveis, referindo-se a seguinte descrição detalhada e os desenhos anexados em que:

[0023] A Figura 1 mostra uma visão seccional em um plano axial longitudinal da junta de acordo com a presente invenção;

[0024] As Figuras 2a e 2b mostram visões aumentadas de uma modalidade específica da junta da fig.1, [0025] A Figura 3 mostra um gráfico com curvas que representam a direção do torque da montagem (construção) aplicada à junta da invenção.

[0026] A Figura 4 mostra um gráfico comparativo com os resultados dos testes de fadiga.

Descrição detalhada das modalidades preferidas da invenção [0027] Com referência particular para as figuras, é mostrada uma junta roscada indicada de modo geral com numeral de referência 1, conectando dois tubos, um tubo macho, ou pino 2, com um diâmetro nominal externo D, e um tubo fêmea ou caixa 3 do diâmetro nominal externo D1.

[0028] O pino 2 tem uma parte roscada 4 com roscas macho de perfil adequado, por exemplo, trapezoidal, e a caixa 3 tem uma parte interna roscada 5 com rosca fêmea de forma correspondente.

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7/15

[0029]	O eixo comum do	tubo e o pino e	a caixa são
indicados	com A.
[0030]	O design da	área	roscada da junta	é baseado no
método de	Taguchi, que	usa a	teoria de matrizes	ortogonais.

Dr. Taguchi desenvolveu um método baseado em experiências de Arranjo Ortogonal que oferece variância muito reduzida para o experimento com melhores ajustes de parâmetros de controle. Este método tira vantagem do conhecimento prévio sobre o produto/processo. “Arranjo Ortogonal fornece um conjunto (mínimo) de experimentos bem equilibrados e as proporções de Sinal para Ruído (S/N) do Dr. Taguchi servem de funções objetivo para otimização e previsão de melhores resultados. A relação sinal para ruído tem de ser maximizados minimizando os efeitos do ruído, o nível de ruído é mostrado como um erro que deve ser mantido baixo, caso contrário, a seleção dos parâmetros não foi concluída e parte do ruído é realmente um sinal não identificado adequadamente no início do teste.

[0031] Os parâmetros a avaliar, utilizando a metodologia foram definidos conforme mostrado abaixo, com dois possíveis estados:

- Raios do perfil roscado (0,2, 0,3 mm);

- Interferência de rosca (0,9%, 4% da espessura média da conexão);

- Tratamento de superfície (martelado, sem proteção);

- Torque no flange (inferior a 16272 N.m, superior a 24408 N.m), que visa valores devido à inércia das pinças de montagem.

[0032] Os parâmetros acima citados foram combinados, tal como solicitados pela metodologia de Taguchi para o Design de

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8/15 experimentos usando uma matriz ortogonal L8 - oito ensaios experimentais. Os experimentos foram realizados em dois níveis de tensão em um tubo com um diâmetro externo de 244 mm e uma espessura de 13,84 mm. A Tabela I resume os parâmetros.

Tabela I - Matriz de Taguchi L8 e resultados do teste

Número do Teste	Torque no flange (kN.m)	Interferência de rosca (% diâmetro)	Raio (mm)	Tratamento de Superfície
1	<16	0, 9%	0,3	P
2	<16	0, 9%	0,2	B
3	<16	4%	0,2	B
4	<16	4%	0,3	P
5	>24	0, 9%	0,3	B
6	>24	0, 9%	0,2	P
7	>24	4%	0,2	P
8	>24	4%	0,3	B

[0033] No gráfico abaixo pode ser visto a diferença de uma conexão padrão e os resultados das conexões fabricadas de acordo com a tabela acima, sendo a combinação mais eficaz a utilização de maior interferência, uma energia mais elevada no flange, um raio maior e a superfície martelada. Os

principais	efeitos	são	vistos na área	acima do	limite de
fadiga do	material,	~ 90	MPa.
[0034]	Seguindo	esta	metodologia de	design	particular

quando as cargas axiais de tensão são transferidas através de

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9/15 habitual contato flanco para flanco, definindo uma interferência axial dentro das escalas de valores usados na técnica das juntas, as cargas radiais nas roscas da junta da invenção são definidas para atingirem valores mais elevados do que os valores da técnica, o que garante uma melhor resistência à fadiga.

[0035] O valor dessas cargas radiais depende principalmente da interferência geométrica radial, que é alcançada através de um projeto apropriado de vários diâmetros e tolerâncias de pino e caixa.

De preferência, uma raiz alargada para o raio R de flanco de carga que oferece uma vantagem para a resistência à fadiga de j unta.

[0036] Para as roscas de pino e caixa, para suportar adequadamente as tensões originadas pela maior interferência radial, entre o raio R flanco de carga e de raiz é do maior valor, como mostrado em particular na figura 2b.

[0037] Testes mostraram que o uso dos procedimentos de interferência radial de raiz para cume produz menor concentração de tensão, que resume ao fornecimento do raio R alargado.

[0038] A alta tensão radial mencionada pode ser produzida tanto entre os cumes das roscas de pino e raízes de rosca da caixa, deixando um espaço livre entre as raízes de rosca de pino e os cumes de rosca da caixa (esta modalidade não é mostrada nas figuras), ou vice-versa, como mostrado na figura 2b. Também as duas opções podem estar presentes ao mesmo tempo na mesma junta.

[0039] O raio R pode ter um valor máximo, que apenas é

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10/15 limitado pela necessidade de manter a eficiência de tensão da junta, especialmente no esgotamento das roscas. Se o raio for muito grande, a tendência ao aumento de desengate.

[0040] O valor do raio R tem sido definido cerca de M da altura de rosca e, devido à aplicação de possíveis tamanhos, este valor pode ser entre 0,2 e 0,4 mm com um valor ótimo de 0,3 mm. Este valor tem comprovado para otimizar o desempenho da junta roscada, de acordo com os resultados dos testes realizados.

[0041] Além de um tratamento de endurecimento da superfície como o jateamento com granalha (shot peening), nitretação, carburação, e trabalho a frio é fornecido para a junta. Isso produz vários efeitos.

[0042] Primeiramente, ele fornece compressão de micro précargas, que melhora a resistência à fadiga, como mostrado pelas bem conhecidas análises de fadiga. Assim, a invenção utiliza o jateamento com granalha (shot peening) que garante maior pré-carga.

[0043] Em segundo lugar, o tratamento de superfície aumenta a dureza de superfície. É mostrado, e detalhado nas teorias de solda fria, que o esfolamento (atrito) entre duas superfícies é reduzido se a dureza e acabamento da superfície são diferentes. Tal tratamento, quando aplicado ao pino ou caixa, ou em diferentes valores sobre diferentes membros da junta para produzir diferentes propriedades de superfície, ou em áreas selecionadas dos pinos e/ou caixas mesmos, de preferência a região da rosca, também pode reduzir a tendência de atrito e, portanto, a presença de micro-fissuras devido a esse atrito que poderia afetar negativamente o

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11/15 desempenho da fadiga. Por exemplo, a fosfatação de uma das superfícies para torná-la diferente dos outros contribui muito para reduzir o atrito. No entanto, fosfatação sozinha não é eficaz quando as cargas elevadas são envolvidas e combiná-la também com um processo de endurecimento, como o chamado tratamento de o jateamento com granalha (shot peening), garante tais propriedades e aumenta a resistência da junta para as pressões elevadas de contato.

[0044] Tal tratamento de endurecimento de superfície é aplicado ao pino, que é em geral mais carregado do que a caixa, e mais especificamente para o início e a extremidade da área de rosca, que são objeto de maior concentração de tensão. Isto seria uma distribuição de tensões mais homogêneas ao longo de toda a rosca.

[0045] Os corretos parâmetros do processo para o jateamento com granalha (shot peening) foram definidos depois de vários testes que levam à otimização dos resultados.

Um dos parâmetros do processo principal é a intensidade de jateamento com granalha (shot peening), que pode ser medido pelo teste de Almen, padronizado pela norma SAEJ442a. De

acordo	com os	resultados	dos testes	realizados, uma
intensidade de invenção.	Almen entre	006A e 015A é	adequada para a
[0046]	Outro	parâmetro	importante é	o diâmetro das

granalhas (aço esférica ou partículas de vidro), que deve ser definido de acordo com a geometria das peças a serem tratadas. [0047] Para a presente invenção, um diâmetro de granalha esférica entre 0,15 mm e 0,35 mm é adequado.

[0048] Vantajosamente, a junta roscada da invenção pode

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12/15 ainda alcançar um aumento da vida útil à fadiga quando, durante a montagem, uma energização axial adicional é fornecida para a junta introduzindo cargas elevadas nos flanges 6 e 7 entre o pino e a caixa. Isto é realizado dando a junta um torque extra de montagem e, portanto, uma carga extra sobre o flange. Isto tem o efeito surpreendente que uma melhor resistência à fadiga é obtida na junta.

Esta carga adicionada produz um efeito adicional de compressão, tende a tensão na caixa 3 e comprime o pino 2, melhorando assim a resistência à tensão, fadiga. Isto é alcançado através de um equilíbrio da distribuição das tensões sobre a extensão completa da junta 1, especialmente sobre o pino 2.

[0049] Com referência ao gráfico da fig. 3, que mostra um gráfico Cartesiano onde o eixo de abscissas representa o número de voltas de montagem e o eixo vertical representa o valor de torque. O gráfico mostra duas curvas 10 e 11.

[0050] A curva 10 representa a tendência de torque para uma junta da técnica durante a montagem de acordo com a prática habitual. Ponto a da curva 10 mostra o ponto de partida para a operação de montagem. O segmento a-b, mostra o aumento gradual do torque devido à interferência habitual radial que é comum na técnica das juntas. O segmento b-c, mostra o aumento do valor do torque devido à energização dos flanges de apoio entre o pino e a caixa.

[0051] A curva 11 mostra a tendência do torque que é aplicado a uma junta de acordo com o método da invenção. O segmento de a-b da curva mostra o aumento gradual do torque com um ângulo de inclinação que é causado pela maior

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13/15 interferência radial entre dos cumes e as raízes das roscas de pino e caixa. O segmento de curva d-e representa o forte aumento de torque causada pela energização dos flanges de apoio 6 e 7 até um valor correspondente a uma montagem feita de acordo com as práticas usuais dos conhecidos métodos de montagem. O segmento de e-f representa o torque extra que é de modo convencional aqui também chamado de torque Δ, de acordo com o método de montagem da invenção.

[0052] Há dois pontos que vale a pena observar ao analisar o método de montagem da invenção:

1) ponto de torque do flange d, onde a inclinação da curva aumenta de repente, mostra que a montagem chegou a assumir a posição onde o flange 6 do pino 2 confina com o flange 7 da caixa 3. Este ponto d marca a extremidade da primeira parte da curva 11, onde a interferência da rosca tem sido a única resistência ao torque aplicado.

2) Do ponto d para ponto de torque final f, onde as extremidades de montagem, a curva torna-se quase uma linha vertical, uma vez que os valores de torque aumentam de repente em uma fração de uma volta comparada à parte anterior da curva. A razão é que uma interferência axial deve ser superada, consumindo a energia de torque correspondente, que será armazenada como energia elástica na junta.

[0053] O torque extra é aplicado no final da montagem do pino 2 para a caixa 3. Por exemplo: quando uma operação de montagem convencional atinge um torque final que produz cargas de cerca de 50% do limite de elasticidade, o “torque Δ aplicado pelo método da invenção aumenta as cargas até um 80% do limite de elasticidade. Estes valores podem variar

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14/15 dentro de toda a variação possível entre 1% e 99%.

[0054] Para cada tipo de junta comercial foram definidos os valores otimizados específicos, que foram projetados, testados e validados de acordo com o seguinte esquema.

[0055] Em uma primeira etapa, os parâmetros da junta são levados em consideração, como diâmetro, espessura, tipo de aço, tipo de rosca. Os melhores parâmetros de montagem são pré-avaliados, modelados e simulados.

Numa segunda etapa, os valores são testados em grande escala e o processo inicial é retro-alimentado, em um ciclo iterativo.

[0056] Como uma terceira e última etapa, a montagem da junta passar por testes de validação adicional, simulando condições reais de operação, a fim de validar e qualificar a junta e o processo de montagem.

[0057] Como consequência da complexidade do processo, os parâmetros de montagem não são definidos em termos de parâmetros absolutos, como o diâmetro ou espessura da parede da conexão, por exemplo. O torque Δ ou segmento de e-f da curva 11 é definido como um torque adicional ou uma extensão do torque contra o giro da curva. Como uma regra geral, nem o torque normal, nem o torque Δ excedem a elasticidade do material na região do flange. De modo vantajoso, o “torque Δ é definido com um valor entre 10% e 50% do torque normal ou é tal que o valor de torque final, ou seja, o torque normal somado ao torque Δ, atinge ou um valor compreendido entre 50 % e 90% da resistência do aço. O torque de montagem normal ou máximo é definido pelos fabricantes para cada junta específica.

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15/15 [0058] A invenção é usada de preferência no campo de tubos petrolíferos OCTG e conexões de tubulações para a indústria de petróleo e gás, especialmente em aplicações offshore.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Junta roscada caracterizada por consistir de um tubo de rosca macho (2), definido como pino, e um tubo de rosca fêmea (3), definida como caixa, o pino sendo fornecido com um primeiro flange de apoio (6), a caixa sendo fornecida com um segundo flange de apoio (7), os referidos primeiro e segundo flange de apoio têm uma forma complementar, o pino (2) sendo adaptado para ser montados (construídos) na caixa (3), onde uma interferência é fornecida entre as raízes de rosca de um pino ou uma caixa de cumes roscados de um outro pino ou caixa medida de acordo com as dimensões nominais do pino e caixa, o valor da interferência sendo incluído entre 1% e 5% da espessura média da parede do tubo, em que há fornecido uma raiz para raio R de flanco de carga tendo um valor de 1/4 da altura da rosca e em que a junta tem um tratamento de superfície que consiste de jateamento com granalha aplicado ao início e extremidade da área roscada do pino (2).

2. Junta roscada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o raio R tem um valor entre 0,20 e 0,40mm. 3. Junta roscada de acordo com a reivindicação 2,

caracterizada pelo fato de que o raio R tem um valor de 0,30 mm.

4. Método de montagem para uma junta roscada conforme definida na reivindicação 1, caracterizado por compreender as etapas:

a) inserir a parte roscada do pino na parte roscada de caixa,

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b) aplicar um torque para montagem do pino na caixa até o primeiro e segundo flanges de apoio,

c) aplicar um torque extra até um valor entre 50% e 90% da resistência do aço na parte mais submetida à tensão da junta (1) ser atingido.
5. Método de montagem para uma junta roscada conforme definida na reivindicação 1, caracterizado por compreender as etapas:

a) inserir a parte roscada do pino na parte roscada de caixa,

b) aplicar um torque para montagem do pino na caixa até o primeiro e segundo flanges de apoio,

c) aplicar um torque extra até um valor entre 10% e 50% do torque normal de montagem definido pelos produtores para cada junta específica.