BRPI0818829B1

BRPI0818829B1 - União roscada para tubulações de aço

Info

Publication number: BRPI0818829B1
Application number: BRPI0818829-7A
Authority: BR
Inventors: Keiichi Nakamura; Masaaki Sugino; Michihiko Iwamoto; Gabriel Briquet; Claire Patureau; Daly Daly; Sylvain Beigneux; Bertrand Maillon; Suguru Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2019-07-30
Also published as: WO2009060552A1; CN101960195A; AU2008325839A1; US9568125B2; MY154621A; CA2703249A1; EG26542A; MX2010004779A; JP2011501075A; AU2008325839B2; PL2210030T3; PL2210030T5; ES2553724T3; EA017155B1; EP2210030A1; EA201070581A1; AR068895A1; CA2703249C; WO2009060729A1; EP2210030B2

Abstract

união roscada para tubulações de aço uma união roscada para tubulações de aço compreendendo um pino (1) e uma caixa (2). o pino tem uma rosca macho (11) e um lábio (12) que compreende (i) uma superfície de vedação (13) e (ii) uma parte de nariz (16) provida com uma superfície de ombro. a caixa tem uma rosca fêmea (21), uma superfície de vedação (23) e uma superfície de ombro. a superfície de ombro do pino compreende duas superfícies adjacentes distintas, um ombro principal (14) no lado interno e um ombro secundário (15) no lado externo. correspondentemente, a superfície de ombro da caixa compreende duas superfícies adjacentes distintas, um ombro principal (24) no lado interno e o ombro secundário (25) no lado externo, as superfícies de ombro principal do pino e da caixa são dispostas de modo tal a impedir uma deformação para dentro de forma radial da extremidade do lábio e as superfícies de ombro secundários de pino e caixa ficam dispostas de tal modo que limitam uma deformação radialmente externa da extremidade do lábio. o ombro principal do pino tem uma dimensão radial maior do que o dito ombro secundário do pino, e pelo menos uma superfície de ombro principal do pino está em apoio axial com pelo menos a superfície de ombro principal correspondente da caixa.

Description

“UNIÃO ROSCADA PARA TUBULAÇÕES DE AÇO”

CAMPO DA TÉCNICA

Esta invenção refere-se a uma união roscada para uso em conexão com tubulações de aço, tal como tubos para revestimentos de poços (OCTG), que inclui tubos e revestimentos, primariamente usados para a produção e a exploração de poços de petróleo ou poços de gás, tubulações para risers, tubulações para oleodutos e similares. Mais particularmente, a presente invenção se refere a uma união roscada para tubulações de aço do tipo dotado de uma superfície de vedação e uma superfície de ombro em adição a uma parte roscada e que tem excelentes propriedades de vedação para pressões interna e externa e excelente resistência à compressão, quando repetidamente sujeitas a cargas combinadas.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

A tecnologia usada para conectar tubulações de aço usadas em equipamentos de indústria de produção de petróleo, tal como tubos para revestimentos de poços, tubulações para risers, tubulações para oleodutos incluem uniões roscadas. As uniões roscadas para tubulações de aço são constituídas por um pino com um elemento de rosca macho provido na extremidade de um primeiro elemento tubular e uma caixa, que é um elemento de rosca fêmea provido na extremidade de um segundo elemento tubular. A união é apertada por engatamento da rosca macho e da rosca fêmea.

As uniões roscadas padrão são prescritas pelos padrões da API (American Petroleum Institute), mas nos últimos anos, os ambientes para a exploração e a produção de óleo cru e gás natural se tornaram mais severos. Como resultado, está ocorrendo o maior uso de uniões especiais de alto desempenho citadas como uniões premium, que não são prescritas pelos padrões API.

Em uma típica união premium, em adição a uma rosca afunilada para conectar firmemente as tubulações de aço, o pino e a caixa têm superfícies de vedação que podem formar uma vedação metal-metal para proporcionar

2/28 superfícies de ombro de torque e desempenho de vedação que atuam como batente durante o aperto (construção).

No passado, como os poços verticais eram predominantes, era suficiente que a união roscada de OCTG resistisse à carga de tensão devido ao peso das tubulações e impedisse o vazamento de fluido de alta pressão que passava através do mesmo. Contudo, nos últimos anos, os poços se tornaram mais profundos, e poços desviados e poços horizontais que se curvam no subsolo estão aumentando, e o desenvolvimento de poços em ambientes hostis, tal como no oceano e em regiões polares, está aumentando. Portanto, as propriedades requeridas para as uniões roscadas estão se tornando mais variadas e mais restritas, como exemplificadas pela resistência à compressão, resistência ao dobramento, a capacidade de vedação contra pressão externa e a facilidade do uso no campo.

Como resultado, testes de qualificação para as uniões roscadas se tornaram mais severos. Nos testes da Série A dos recentes padrões ISO 13679; alternâncias da pressão interna e da pressão externa combinadas com a tensão ou compressão (pressão interna + tensão, pressão interna + compressão, pressão externa + tensão e pressão externa + compressão) (aqui citada como cargas combinadas repetidas) são aplicadas três vezes. Tais condições severas de teste não eram anteriormenté consideradas para o desenvolvimento das uniões roscadas.

Como ilustrado na Figura 2, uma união premium típica tem uma estrutura na qual uma parte não roscada 12 citada como uma parte de lábio é provida na extremidade de uma parte roscada dotada de uma rosca macho afunilada 11 provida em um pino 1, que é um elemento de rosca macho. Uma superfície de vedação 13 para formar uma vedação de metal com metal é provida na superfície periférica externa da parte de lábio. Uma superfície de ombro de torque 14 é provida na superfície de extremidade da parte de lábio (e, consequentemente, na superfície de extremidade do pino).

Naturalmente, uma caixa 2, que é um elemento de rosca fêmea

3/28 correspondente, é provida com uma rosca fêmea 21, uma superfície de vedação 23 e uma superfície de ombro 24 na traseira da caixa, que corresponde a ou fica . conjugada com a rosca macho 11, a superfície de vedação 13 e a superfície de ombro da superfície de extremidade 14, respectivamente, do pino 1.

Uma sobreposição na direção radial, citada como interferência, é provida entre as superfícies de vedação do pino e da caixa. Esse tipo de união roscada é designada de modo que, se a união for apertada até que as superfícies de ombro do pino e da caixa entrem em contado entre si, as superfícies de vedação de ambos os elementos estão em contato intimo em torno de toda a periferia, e a vedação é provida pelo contato metal com metal.

O desempenho da vedação acima descrito é exibido no grau mais alto quando o aperto é executado com um torque adequado no período a partir do momento em que os ombros se apoiam até que os ombros sejam submetidos à deformação plástica (quando ocorre um estado de aperto normal).

As superfícies de ombro atuam não somente como batentes para o aperto, mas também atuam para conter quase todas as cargas de compressão que atuam na união. Portanto, se as superfícies do ombro não são espessas, ou se os ombros não são rígidos, eles não podem suportar uma carga compressiva maior.

A técnica anterior destinada a aumentar a resistência à pressão externa e a resistência à compressão de uma união premium é descrita no WO 2004/109173 (Documento de Patente 1). Aquela união roscada aumenta muito a resistência à pressão externa ao prover uma parte que não contata a caixa (citada abaixo como uma parte de nariz) entre a superfície do ombro e a superfície de vedação da superfície de extremidade do pino. Ao mesmo tempo, o ângulo afunilado da parte de nariz é feito em 0 grau (uma superfície cilíndrica) ou é feito menor do que àquele da superfície de vedação. Devido à provisão da parte de nariz, uma diminuição na espessura da superfície de ombro da superfície de extremidade é impedida, e um aumento na resistência à compressão pode ser obtido.

Contudo, na união roscada descrita no Documento de Patente 1,

4/28 quando uma alta força de compressão e de pressão externa são simultaneamente aplicadas, e quando uma força de tensão e de pressão interna são . subsequentemente aplicadas de forma simultânea, foi observado pelos inventores que pode existir um risco de desenvolvimento de um vazamento.

O WO 00/08367 (Documento de Patente 2) descreve uma união roscada na qual uma região de contato de aperto é provida em duas localizações de uma parte de lábio, a saber, uma região de contato de aperto próxima da parte roscada é definida como uma superfície de vedação e uma região de contato de aperto próxima da superfície de extremidade (superfície de ombro) é definida como uma parte protetora. A parte protetora que é uma segunda região de contato provida em uma localização próxima da extremidade da parte de lábio tem o objetivo de fornecer uma primeira vedação para a pressão interna (e assim proteger a superfície de vedação) e para otimizar as forças e momentos experimentados pelo lábio.

Na união roscada descrita no Documento de Patente 2, a quantidade de interferência da parte de proteção é ajustada para ser mais alta do que a quantidade de interferência da superfície de vedação (pelo menos 1,15 vezes e no máximo 1,3 vezes) de modo a reter uma quantidade suficiente de pressão de contato na parte protetora, enquanto uma pressão de contato moderada é obtida na superfície de vedação. Em adição, como o Documento de Patente 2 incita a ajustar distâncias suficientes a partir do ombro para a parte protetora, a partir da parte protetora da superfície de vedação e a partir da superfície de vedação para a rosca, a parte de lábio é designada para ser extremamente longa, de modo que uma espessura suficiente (dimensão radial) da superfície de ombro não possa ser obtida. Como resultado, quando uma carga de compressão alta é aplicada, a união pode não resistir de forma suficiente à carga de compressão, e se acredita que seu desempenho de compressão pode ser inadequado.

O DE 4446806 (Documento de Patente 3) descreve uma união roscada do mesmo tipo descrito no Documento de Patente 2.

A patente N² US 4.473.245 (Documento de Patente 4) descreve uma

5/28 união roscada na qual uma vedação de metal com metal é provida no exterior da tubulação e um ombro de torque proporciona uma vedação de metal com metal .adicional. Na união roscada descrita no Documento de Patente 4, contudo, a espessura de uma parte de lábio é designada para ser muito fina, de modo que seja difícil assegurar a resistência à alta pressão externa e a alta compressão.

A patente N^s US 3.489.437 (Documento de Patente 5) descreve uma união roscada na qual uma vedação de metal com metal e um ombro são providos. Contudo, na união roscada descrita no Documento de Patente 5, a parte de lábio é designada de acordo com a mesma regra que uma típica união premium na Figura 2, de modo que ela não é considerada uma garantia à resistência contra alta pressão externa e a alta compressão.

A patente N^e US 3.870.351 (Documento de Patente 6) descreve uma união roscada caracterizada por suas superfícies de ombro terem um perfil particular. Na união roscada descrita no Documento de Patente 6, as superfícies de ombro são perfis arredondados (sendo que a superfície de ombro de um dentre o pino e a caixa é convexa e que a outra é côncava) e, então, funcionam para formar uma segunda vedação. Essa estrutura é projetada para equalizar o contato entre as superfícies de vedação da primeira vedação pela supressão do desalinhamento ou pela flexão do lábio na direção do eixo geométrico da tubulação ao tempo da construção.

Contudo, em uma união roscada descrita no Documento de Patente 6, apesar da equalização do contato de vedação ou da pressão de vedação da primeira vedação ser levada em consideração, está fora de questão o uso da união roscada em uma situação onde uma alta força de compressão e alta pressão externa atuam de forma simultânea na mesma. Como ilustrado na Figura 7 desse documento de patente, existe um espaço entre o lado externo da superfície de ombro côncava da caixa e a borda externa da superfície de ombro convexa do pino. Em uma situação onde uma alta força de tensão e uma alta pressão externa atuam na mesma, as superfícies de ombro do pino e da caixa podem se separar facilmente devido a uma alta força tensional da ponta do lábio que pode facilmente

6/28 ser deformada ou ser movida na direção do lado externo (isto é, na direção em que se expande o diâmetro). Portanto, em uma união roscada descrita do Documento . de Patente 6, é difícil controlar e suprimir a deformação ou o movimento da ponta do pino na direção do lado externo, conforme descrito acima. Adicionalmente, se a superfície do ombro do pino tiver um perfil convexo, a parte de borda mais interna da superfície de ombro da caixa, que é côncava, é tão fina que a superfície de ombro da caixa tende a ser submetida a uma deformação plástica pesada quando uma alta carga de compressão é aplicada na união.

Documento de Patente 1: WO 2004/109173

Documento de Patente 2: WO 00/08367

Documento de Patente 3: DE 4446806

Documento de Patente 4: Patente N² US 4.473.245

Documento de Patente 5: Patente N² US 3.489.437 Documento de Patente 6: Patente N² US 3.870.351 DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

O objetivo dessa invenção é prover uma união roscada do tipo premium para tubulações de aço que resolvem os problemas acima descritos da técnica anterior e que tem uma excelente resistência à compressão e que pode em muito aumentar o desempenho de vedação total quanto sujeita a cargas combinadas repetidas.

Conforme descrito no Documento de Patente 1, é conhecido que a resistência à pressão externa é altamente aperfeiçoada em uma união roscada do tipo premium para tubulações de aço pela provisão de uma parte de nariz que não contata a caixa entre a superfície de vedação da parte de lábio e a superfície de ombro da superfície de extremidade de um pino.

Contudo, quando um alto torque ou uma alta carga compressiva atuam na união roscada tendo uma parte de nariz, a união pode algumas vezes desenvolver vazamentos. Os inventores observaram após diversos estudos que uma razão para o desenvolvimento de vazamentos é ligada à parte longa do nariz que não é sustentada e pode se mover na direção radial (a direção perpendicular

7/28 ao eixo geométrico da união); a superfície de ombro na superfície de extremidade da parte de lábio do pino assim deforma de maneira instável nessa direção, a deformação plástica se desenvolve devido ao dobramento de toda a parte de lábio, envolvendo um risco para o desempenho de vedação produzida pelo contato de metal com metal das superfícies de vedação localizadas próximas das roscas a serem comprometidas. Consequentemente, de modo a se obter boas propriedades de vedação estáveis contra a pressão interna e externa em uma união roscada para as tubulações de aço tendo uma parte de nariz, uma estrutura que impede a deformação instável da superfície de ombro da parte de lábio do pino é necessária. Adicionalmente, de modo a impedir a deformação instável ao mesmo tempo em que mantém uma resistência ao torque e boas propriedades de vedação contra a pressão interna e externa, uma estrutura que garanta a extensão da parte de lábio do pino e a espessura da superfície de ombro é necessária.

De acordo com a presente invenção, a deformação na direção radial da superfície de ombro da superfície de extremidade da parte de lábio do pino pode ser suprimida ao fazer uma parte principal da superfície de ombro (citada abaixo como a superfície de ombro principal) ter uma forma para aguentar a deformação na direção da superfície interna e ao prover um sub-ombro secundário como um ombro secundário para aguentar a deformação na direção da superfície externa. A saber, a superfície de ombro é imobilizada de modo que a deformação não ocorra na direção tanto da superfície interna quanto da superfície externa. De modo a manter uma boa resistência à compressão, a maior parte da espessura da superfície de ombro do pino é ocupada pelo ombro principal tendo uma inclinação suave com a superfície perpendicular da direção axial da união. O ombro secundário não recebe substancialmente carga compressiva, e é suficiente para ele parar a deformação na direção radial externa da extremidade do pino. Portanto, a espessura do ombro secundário é preferencialmente tão pequena quanto possível. Somente quando uma alta carga de compressão atua na união roscada entre o pino e a caixa, a superfície de ombro do pino é sustentada de forma estável pela superfície de ombro da caixa ao apoiar ambas as superfícies de ombro

8/28 principal e secundário, e uma deformação não estável na direção radial da extremidade da parte de lábio é impedida, desse modo assegurando uma boa resistência à compressão.

A presente invenção é uma união roscada para tubulações de aço compreendendo um pino e uma caixa, em que o pino tem uma rosca macho e um lábio compreendendo (i) uma superfície de vedação e (ii) uma parte de nariz provida com uma superfície de ombro, em que a caixa tem uma rosca fêmea, uma superfície de vedação e uma superfície de ombro, sendo que a rosca macho fica inter engatada com a rosca fêmea, sendo que a superfície de vedação do pino fica em contato de vedação com a superfície de vedação correspondente da caixa, sendo que a superfície de ombro do pino fica disposta em uma face de extremidade do pino, sendo que a superfície de vedação do pino fica localizada em um lado de extremidade da tubulação próximo da rosca macho, em que a parte de nariz existente entre a superfície de vedação e a superfície de ombro, em que a dita parte de nariz não contata uma parte da caixa voltada para a dita parte de nariz do pino, caracterizada pelo fato de a superfície de ombro do pino compreende duas superfícies adjacentes distintas, o ombro principal no lado interno e o ombro secundário no lado externo, e pelo fato de que a superfície de ombro correspondente da caixa voltada para a superfície de ombro do pino compreende duas superfícies adjacentes distintas, um ombro principal no lado interno e um ombro secundário no lado externo, as ditas superfícies de ombro principais do pino e da caixa sendo dispostas de tal modo para impedir uma deformação radialmente para dentro da extremidade do lábio, as ditas superfícies de ombro secundários do pino e da caixa sendo dispostas de modo a limitar uma deformação radialmente externa da extremidade do lábio, o dito ombro principal do pino tendo uma dimensão radial maior do que o ombro secundário do pino, pelo menos a dita superfície de ombro principal do pino estando em apoio axial com pelo menos a superfície de ombro principal correspondente da caixa.

Aqui, a frase “superfície de ombro do pino compreende duas

9/28 superfícies adjacentes distintas” significa que os ângulos da superfície de ombro principal e da superfície de ombro secundário com relação a um plano .perpendicular ao eixo geométrico da união roscada são claramente distintos.

Nas modalidades citadas da presente invenção, a superfície de ombro principal do pino é uma superfície de ombro oposta tendo um ângulo negativo com relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico de união e a superfície de ombro secundário tem um ângulo positivo.

A frase “A superfície de ombro principal do pino é uma superfície de ombro oposta tendo um ângulo negativo com relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico da união” significa que uma superfície de ombro tendo um ângulo de inclinação tal que a parte mais interna da superfície de ombro principal é a traseira da parte mais externa (a parte adjacente a superfície de ombro secundário) na direção de avanço do pino ao apertar a união roscada. De forma similar, a frase “superfície de ombro secundário tem um ângulo positivo” significa que a superfície de ombro secundário tendo um ângulo de inclinação com relação a seus ângulos de referência tal que a parte mais externa da superfície de ombro secundário está na traseira da parte mais interna (a parte adjacente da superfície de ombro principal) na direção de avanço do pino no aperto da união roscada. Esses ângulos de inclinação estão então na faixa entre -90 e +90 graus.

Em uma modalidade preferida da presente invenção, somente a superfície de ombro principal do pino está em apoio axial com a superfície de ombro principal correspondente da caixa. Não existe então contato de aperto substancial e, mais preferencialmente, nenhum contato de forma alguma entre os ombros secundários do pino e da caixa. O desempenho de vedação entre a superfície de vedação do pino e da caixa é obtido de forma mais eficiente.

Em uma outra modalidade, pelo menos uma parte da parte de nariz do pino tem uma superfície periférica externa que não está no prolongamento da superfície de vedação do pino. A frase “Pelo menos uma parte da parte de nariz tem uma superfície periférica externa que não está no prolongamento da superfície de vedação” significa que a forma da superfície externa de uma parte ou de toda a

10/28 parte de nariz é substancialmente diferente daquela da superfície de vedação.

A dita parte da parte de nariz tendo uma forma diferente a partir da . superfície de vedação é preferencialmente uma região se estendendo para pelo menos metade do comprimento na direção axial da parte de nariz e é assim nomeada uma parte principal da parte de nariz. Por exemplo, a dita parte (principal) da parte de nariz pode ser uma superfície cilíndrica que não é inclinada com relação à direção axial, ou ela pode ser uma superfície afunilada com um pequeno ângulo de inclinação. Uma região que é a restante da parte de nariz é preferencialmente uma região mais curta do que metade do comprimento axial e ela pode ter a mesma forma que a superfície de vedação (a saber, ela pode ser uma extensão da superfície de vedação).

Em outra das modalidades preferidas, o valor absoluto do ângulo das superfícies de ombro principal do pino e da caixa é de 5 a 25 graus com relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico da união (a saber, o ângulo da superfície de ombro do pino está na faixa de -5 a -25 graus), e o ângulo de inclinação de suas superfícies de ombro secundário são de 5 a 30 graus com relação ao eixo geométrico da união (de +60 a +85 graus com relação a um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união), e o ângulo de inclinação das superfícies de vedação do pino e da caixa está na faixa de 5 a 25 graus com relação ao eixo geométrico da união. O ângulo de inclinação das superfícies de ombro secundário (com referência ao eixo geométrico da união) é preferencialmente maior do que o ângulo de inclinação das superfícies de vedação. Como resultado, mesmo se a superfície de ombro se deformar na direção axial, uma diminuição no desempenho de vedação devida à deformação da superfície de vedação é impedida.

De modo a aumentar a resistência à compressão, é vantajoso que a espessura (dimensão radial) da superfície de ombro na extremidade do pino seja feita tão grande quanto possível e que a seção transversal das partes mais próximas da extremidade do que a superfície de vedação (a saber, a parte de nariz) seja feita tão grande quanto possível. Para esse fim, em sua parte principal

11/28 como definida acima, a parte de nariz preferencialmente tem uma inclinação menor do que a inclinação da superfície de vedação e da superfície de ombro secundário com relação ao eixo geométrico da união. Especificamente, a forma da superfície externa da parte principal da parte de nariz do pino pode ser feita como uma superfície cilíndrica (com uma inclinação de 0 grau com relação ao eixo geométrico da união) ou uma superfície de cone truncado tendo uma inclinação com relação ao eixo geométrico da união, que é menor do que a inclinação da superfície de vedação ou da superfície de ombro secundário com referência ao mesmo eixo geométrico.

Se a superfície externa da parte de nariz contatar a superfície interna da caixa após o aperto da união roscada, existe um risco para que o desempenho da vedação da união roscada seja danificado. Portanto, de modo a impedir esse contato com certeza, uma folga (distância radial entre as superfícies de não contato) de pelo menos 0,1 mm é preferencialmente provida entre essas superfícies na região principal acima descrita da parte de nariz. A superfície interna da caixa nessa região preferencialmente tem uma forma similar àquela da parte de nariz do pino, e a folga entre as duas é preferencialmente feita uniforme na região principal.

Como acima mencionado na explanação de “pelo menos uma parte da parte de nariz tem uma superfície periférica externa que não está no prolongamento da superfície de vedação”, uma superfície parcial da parte de nariz do pino adjacente a superfície de vedação pode ter a mesma inclinação como a da superfície de vedação.

A união entre a superfície de ombro secundário e a superfície de ombro principal do pino preferencialmente forma um ápice arredondado tendo um raio de no máximo 1,5 mm.

As superfícies de vedação do pino e da caixa podem ambas ser uma superfície de cone truncado, mas fazer uma das superfícies de vedação uma superfície de cone truncado e a outra superfície de vedação uma superfície curva de rotação (superfície tórica) tendo um raio de curvatura de pelo menos 20 mm ou

12/28 uma combinação de uma superfície curva de rotação e uma superfície de cone truncado, aumenta o desempenho de vedação da união.

As superfícies de ombro secundário tanto do pino quanto da caixa são preferencialmente superfícies de cone truncado. As superfícies de ombro principal tanto do pino quanto da caixa são preferenciaímente superfícies em cone truncado, mas é também possível ser uma superfície curvada projetante (superfície tórica convexa) e a outra ser uma superfície curva reentrante (superfície tórica côncava) ou uma combinação de tais superfícies curvas com superfícies planas como descrito no WO 2007/017082. Como uma alternativa, as superfícies de ombro principal podem ter uma forma escalonada como descrito no documento N^eUS 4.611.838, tal forma escalonada impedindo uma deformação interna da extremidade do pino.

A espessura (dimensão radial) da superfície de ombro principal é preferencialmente de pelo menos 1,5 vezes a espessura da superfície de ombro secundário.

Em uma união roscada do tipo premium para tubulações de aço de acordo com a presente invenção, uma parte de nariz que não contata a caixa é provida na extremidade da parte de lábio de um pino, e a forma das superfícies de ombro das superfícies de extremidade da mesma é feita de uma estrutura de ombro dupla tendo uma superfície de ombro principal e uma superfície de ombro secundário, por meio das quais um bom desempenho de compressão é obtido. Como resultado, o desempenho de vedação quando uma carga combinada é repetidamente aplicada é muito aumentado e os vazamentos não mais ocorrem em um teste de Série A de acordo com os padrões ISO 13679.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma vista em corte transversal esquemática das vizinhanças da parte de lábio de uma união roscada para tubulações de aço de acordo com a presente invenção, na qual a parte principal da parte de nariz é uma superfície em cone truncado.

A Figura 2 é uma vista em corte transversal esquemática de uma

13/28 união roscada premium típica para OCTG do tipo de acoplamento convencional, (A) sendo uma vista parcial ilustrando somente um lado, e (B) sendo uma vista da totalidade.

A Figura 3 é uma vista em corte transversal esquemática de uma união roscada para tubulações de aço de acordo com a presente invenção.

A Figura 4 é uma vista em corte transversal esquemática das vizinhanças da parte de lábio de uma união roscada para tubulações de aço de acordo com a presente invenção, na qual a parte principal do nariz é uma superfície cilíndrica.

A Figura 5 é uma vista em corte transversal esquemática da forma de uma rosca.

As Figuras 6(A) até 6(D) são diagramas esquemáticos ilustrando ranhuras formadas na superfície de ombro de um pino. A Figura 6(A) é uma vista em perspectiva parcial, as Figuras 6(B) até 6(C) são vistas de extremidade e a Figura 6(D) ilustra um perfil axial de um pino de uma caixa próximo da extremidade do pino.

As Figuras 7 e 8 ilustram ranhuras formadas na superfície de ombro de um pino.

MELHOR MODO PARA EXECUTAR A INVENÇÃO

Abaixo, uma união roscada para tubulações de aço de acordo com esta invenção será explicada ao mesmo tempo em que se faz referência aos desenhos.

As Figuras 1, 3 e 4 são vistas em corte transversal esquemáticas de uma união roscada para tubulações de aço de acordo com a presente invenção. Essa união roscada é um tipo de união roscada do tipo premium compreendendo um pino 1 e uma caixa 2. Consequentemente, o pino 1 compreende uma parte roscada tendo uma rosca macho 11 e uma parte de lábio 12 situada no lado de extremidade frontal da parte roscada e tendo uma superfície de vedação 13. Uma superfície de ombro é provida na superfície de extremidade da ponta da parte de lábio. Como ilustrado nessas figuras, a superfície de vedação 13 do pino 1 é

14/28 usualmente posicionada adjacente a ou na vizinhança da parte roscada da parte de lábio 12. A caixa 2 tem uma parte roscada tendo uma rosca fêmea 21 que se engranza com a rosca macho 11 do pino 1, uma superfície de vedação 23 que pode contatar de forma vedante a superfície de vedação 13 do pino (para obter uma vedação de contato de metal com metal), e uma superfície de ombro que contata a superfície de ombro do pino na direção axial da união.

Como ilustrado na Figura 5, a rosca macho 11 do pino 1 e a rosca fêmea 21 da caixa 2 são ambas roscas afuniladas, com o diâmetro da crista da rosca e a raiz da rosca diminuindo gradualmente na direção da extremidade do pino. De forma similar, as superfícies de vedação 13 e 23 do pino 1 e da caixa 2 são superfícies afuniladas cujo diâmetro diminui na direção da extremidade do pino.

Uma parte da rosca macho mais próxima do ponto da parte roscada do pino 1 (o lado adjacente da parte de lábio 12) pode ser uma rosca não engatante que não engranza com a rosca fêmea 21 da caixa 2. Nesse caso, como ilustrado na Figura 3, uma ranhura circunferencial 32 é preferencialmente formada na parte da caixa 2 em oposição à rosca não engatante do pino. Dessa maneira, a rigidez do lábio é aumentada e a resistência da união para compressão é aumentada. Com o mesmo objeto, a espessura da parede do pino e da caixa pode ser aumentada na direção da superfície de ombro (o diâmetro interno é diminuído) pela redução do diâmetro ou pela forjabilidade.

A parte de lábio 12 do pino 1 tem uma parte de nariz 16, que é uma região de não contato que não contata a parte oposta da caixa, entre a superfície de vedação 13 e a superfície de ombro em sua extremidade. Portanto, o comprimento da parte de lábio é aumentado quando comparado com uma união roscada premium usual ilustrada na Figura 2 que não tem uma região de não contato na parte frontal da superfície de vedação do pino.

Na presente invenção, a superfície de ombro de extremidade do pino 1 tem uma estrutura dê dois níveis compreendendo uma superfície de ombro principal 14 no lado de superfície interna da união e uma superfície de ombro

15/28 secundário 15 no lado da superfície externa da união. A espessura 46 (a espessura projetada em um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união) da superfície de ombro principal 14 é maior do que a espessura 47 da superfície de ombro secundário 15. A superfície de ombro principal 14 do pino 1 é uma superfície de ombro oposta, na qual o ângulo 42 com relação a um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união é um ângulo negativo. Por outro lado, o ângulo da superfície de ombro secundário 15 com relação a um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união é positivo. Claro, a superfície de ombro da caixa 2 que contata as superfícies de ombro 14 e 15 do pino 1 compreende, de forma correspondente, uma superfície de ombro principal 24 no lado da superfície interna da união e uma superfície de ombro secundário 25 no lado da superfície externa da união.

Com uma união premium usual, o desempenho compressivo de aproximadamente 40 a 60% da tensão de escoamento do corpo da tubulação é demandado e, em alguns poços de petróleo, o desempenho compressivo excedendo 80% é necessário. Claro, uma carga compressiva é suportada não somente pelos ombros, mas também pelas partes roscadas, e se forem usadas roscas que tenham uma boa capacidade para suportar uma carga compressiva, a carga sobre os ombros pode ser reduzida àquele limite. Contudo, a espessura da parte de lábio 41 (a espessura da parede do pino na metade da superfície de vedação 13) é feita pelo menos 25% e, preferencialmente, pelo menos 50% da espessura da parede do corpo da tubulação, de modo que a parte de lábio irá ter a resistência à compressão demandada para tal.

Quanto maior são as espessuras da superfície de vedação e da parte de nariz da parte de lábio, maior será sua capacidade para vedar contra a pressão externa, assim quando um chanfro 17 é formado na superfície interna da extremidade da parte de lábio, de modo a impedir a turbulência pelo aumento da circularidade, o ângulo do chanfro 17 com relação ao eixo geométrico da união é preferencialmente um ângulo pouco menor, na faixa de 9 a 30 graus. Apesar de não ser esse o caso nas Figuras 1, 3 e 4, um chanfro com um ângulo pequeno

16/28 pode de forma similar ser provido na superfície interna da caixa 2 adjacente ao pino 1.

A forma das superfícies de vedação 13 e 23 do pino 1 e da caixa 2 pode ser feita de uma linha reta que é inclinada com relação ao eixo geométrico da união ou uma linha curva tal como um arco circular (a anterior irá ser citada como uma superfície de cone truncado e a última irá ser citada como uma superfície curva de rotação), ou ela pode ser uma superfície de rotação formada pela rotação de um segmento de linha que é uma combinação de ambas linhas em torno do eixo geométrico da união (a saber, uma combinação de uma superfície de cone truncado e uma superfície curva de rotação). Preferencialmente, a superfície de vedação de um dentre o pino 1 e a caixa 2 é feita de uma superfície de cone truncado, e a superfície de vedação da outra é uma superfície curvada de rotação ou uma combinação de uma superfície curvada de rotação e uma superfície de cone truncado. Como resultado, o desempenho de vedação da união é aumentado, e se torna difícil que a roçadura ocorra.

Se a inclinação 44 (ângulo de inclinação) das superfícies de vedação 13 e 23 com relação ao eixo geométrico da união for muito escarpa, ela leva a uma diminuição na pressão de contato de vedação no tempo de uma carga de tensão, enquanto se a inclinação for muito suave, ela facilita a ocorrência de roçadura devido a um aumento na distância de deslizamento. O ângulo de inclinação 44 das superfícies de vedação está na faixa de 5 a 25 graus e, preferencialmente, na faixa de 10 a 20 graus. Quando as roscas afuniladas são empregadas, o ângulo de inclinação 44 das superfícies de vedação é maior do que o ângulo de inclinação das roscas 11,21. Por exemplo, o ângulo de inclinação das roscas está entre 1 a 5 graus e, preferencialmente, em torno de 1,6 graus.

Se um ângulo oposto de pelo menos uma certa proporção for conferido às superfícies de ombro principal 14 e 24 do pino 1 e da caixa 2, a deformação da parte de lábio quando uma carga compressiva é aplicada se torna uniformemente espalhada na direção externa radialmente, e o desempenho de vedação da união aumenta. Contudo, se o ângulo oposto for muito grande, a

17/28 deformação plástica excessiva pode ocorrer na superfície de ombro principal 24 da caixa, desse modo impondo o efeito de estabilização da deformação e aumentando o desempenho de vedação da união. Portanto, o ângulo oposto 42 das superfícies de ombro principal 14 e 24 é tal que o valor absoluto da inclinação 42 da superfície de ombro principal 14 do pino 1 com relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico da união (que é realmente um ângulo negativo) é de 5 a 25 graus e, preferencialmente, de 10 a 20 graus.

As superfícies de ombro secundário 15 e 25 do pino 1 e da caixa 2 atuam como batentes que suprimem a deformação externa excessiva da extremidade da parte de lábio 12 do pino 1. Portanto, as superfícies de ombro secundário 15 e 25 não entram em contato uma com outra em um estado de aperto normal, quando uma carga compressiva alta está atuando ou um torque de aperto excessivo é aplicado, ele contata e suprime a deformação externa da parte de lábio.

A interferência diametral geométrica (diferença em diâmetro medida em um plano de referência antes do aperto do pino e da caixa) das superfícies de ombro secundário é no máximo 1,1 vezes maior do que nas superfícies de vedação e, preferencialmente, é substancialmente igual à interferência diametral geométrica das superfícies de vedação. A expressão “substancialmente igual” permite uma variação de até 5%.

Ao projetar as superfícies de ombro secundário 15 e 25 do pino e da caixa de modo a ter aproximadamente a mesma interferência que aquela entre as superfícies de vedação 13 e 23 em um estado de aperto normal, o lábio inteiro do pino irá se dobrar para dentro (diminuição no diâmetro), devido ao efeito da interferência nas superfícies de vedação do pino e da caixa, e a superfície de ombro secundário do pino irá se dobrar para dentro por pelo menos a mesma proporção que a interferência das superfícies de vedação, de modo que o contato não irá ocorrer entre as superfícies de ombro secundário do pino e da caixa.

Contudo, é permitido que os ombros secundários 15 e 25 contatem um ao outro em um estado de aperto normal. Nesse caso, a pressão de contato

18/28 dos ombros secundários é feita no máximo de 50% da pressão de contato das superfícies de vedação, de modo a não ter um efeito adverso nas propriedades de vedação.

O estado de aperto normal significa que o pino e a caixa de uma união roscada são apertados para alcançar um torque de aperto adequado que é prescrito pelo fabricante da união, de acordo com a forma e o material da união. No estado de aperto normal, as superfícies de ombro (as superfícies de ombro principal no caso de uma união roscada de acordo com a presente invenção) do pino e da caixa contatam uma a outra com uma certa proporção de interferência sem escoamento total ou a deformação plástica excessiva.

A inclinação 43 das superfícies de ombro secundário 15 e 25 com relação ao eixo geométrico da união é de pelo menos 5 graus e no máximo de 30 graus (a saber, a inclinação com relação à direção perpendicular ao eixo geométrico da união é de pelo menos +60graus e no máximo de +85 graus) e é, preferencialmente, maior do que àquela da vedação (inclinação 44) do ponto de vista da garantia de espessura suficiente das superfícies de ombro principal 14 e 24 e da supressão da deformação das superfícies de ombro na direção perpendicular a do eixo geométrico da união (na direção radial).

Preferencialmente, a superfície de vedação do pino, a superfície externa da parte de nariz do pino e a superfície de ombro secundário do pino não são alinhadas e, por essa razão, a superfície de vedação da caixa, a superfície interna da parte da caixa voltada para a superfície externa da parte de nariz do pino e a superfície de ombro secundário da caixa não são alinhadas.

A partir do ponto de vista da manutenção da resistência à compressão e da resistência ao torque, a espessura da superfície de ombro secundário 15 do pino 1 (a espessura projetada em um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união) é menor do que a espessura da superfície de ombro principal 14. Preferencialmente, a espessura da superfície de ombro principal 14 do pino 1 é pelo menos 1,5 vezes a espessura da superfície de ombro secundário 15, mais preferencialmente, é de pelo menos 2,5 vezes e no máximo de 6 vezes e,

19/28 ainda mais preferencialmente, é de pelo menos 3 vezes e no máximo de 5 vezes.

O comprimento 45 da parte de nariz 16 do pino 1 (a saber, o comprimento na direção axial de toda a parte de nariz, isso que dizer a região de não contato do pino e da caixa, incluindo a região da superfície de ombro secundário que pode estar em contato com a caixa) varia com o tamanho da união roscada, mas se não for muito curto, o efeito das propriedade de vedação crescentes contra a pressão externa desaparece, enquanto se ele for muito longo, o efeito das propriedade de vedação crescente satura. Na faixa dos tamanhos de tubulação usados na OCTG (um diâmetro externo de aproximadamente de 50 a 550 mm), é preferencialmente feito de aproximadamente de 4 a 20 mm.

De modo a aumentar a resistência à compressão, é vantajoso que a espessura da superfície de ombro da extremidade do pino 1 seja feita tão grande quanto possível e que o volume de parte da parte de lábio 12 mais próxima da extremidade que a superfície de vedação 13 (a saber, a parte de nariz 16 e a superfície de ombro 14, 15) seja tão grande quanto possível. Para esse fim, a superfície externa da parte de nariz é preferencialmente uma superfície cilíndrica (tendo um ângulo de inclinação com relação ao eixo geométrico da união de 0 grau) ou uma superfície de cone truncado tendo uma inclinação com relação ao eixo geométrico da união, que é menor do que a inclinação da superfície de vedação e o ombro secundário sobre uma região parcial do mesmo na direção axial e, preferencialmente, sobre uma região principal tendo um comprimento de pelo menos uma metade do comprimento na direção axial. Nesse caso, a superfície interna da parte da caixa 2 oposta a parte de nariz 16 é preferencial mente feita de uma superfície cilíndrica ou de uma superfície de cone truncado (por exemplo, com a mesma inclinação ou uma inclinação substancialmente similar) similar a forma da parte de nariz por pelo menos metade do comprimento na direção axial, de modo a formar uma folga uniforme a partir da superfície externa da parte de nariz.

Em uma modalidade na qual a superfície externa da parte principal da parte de nariz 16 é feita de uma superfície em cone truncado (a saber, uma

20/28 superfície afunilada) (ilustrada na Figura 1 e na Figura 3), a superfície interna da caixa tendo uma forma em cone truncado que se opõem a parte principal da parte de nariz funciona como um guia, de modo a tornar possível executar o aperto ao mesmo tempo em que centraliza a parte de lábio do pino, desse modo as superfícies de vedação 13 e 23 do pino 1 e da caixa 2 contatam de forma estável e a capacidade de vedação é aumentada, e a roçadura pode ser impedida. No caso em que a superfície periférica externa da parte de nariz do pino e da superfície interna da parte de caixa oposta à parte de nariz do pino tem uma parte tendo uma forma substancialmente em cone truncado, o ângulo afunilado dos mesmos é preferencialmente menor do que 10 graus.

Por outro lado, em uma modalidade na qual a parte de nariz tem uma superfície cilíndrica (Figura 4), a espessura (46+47) da superfície de ombro e a espessura 41 da superfície de vedação 13 podem ser tão grandes quanto possível dentro de um limite da espessura de parede da tubulação, de modo que a resistência à compressão seja aumentada. Mesmo em uma modalidade na qual a superfície externa da parte de nariz seja em cone truncado, a espessura da superfície de ombro pode ser mantida próxima àquela em uma modalidade com uma superfície cilíndrica ao tornar possível que o contato ocorra na superfície de ombro secundário ao tempo do aperto.

Se a superfície externa da parte de nariz do pino contata a superfície interna da superfície oposta da caixa após o aperto, existe a possibilidade de a capacidade da vedação ser diminuída. De modo a impedir esse contato, a folga (distância radial) entre a superfície externa da parte principal da parte de nariz do pino e a superfície interna da parte oposta da caixa é preferencial mente pelo menos 0,1 mm em um estado de aperto normal da união roscada. A folga é preferencialmente no máximo de 1,0 mm, uma vez que uma folga muito grande pode induzir a superfície interna da caixa a perder sua capacidade de guiar a parte de nariz do pino durante o aperto.

Contudo, como ilustrado na Figura 4, uma região parcial da parte de nariz 16 adjacente a superfície de vedação 13 do pino 1 pode ter a mesma

21/28 inclinação que a superfície de vedação 13 (a saber, pode se tornar uma extensão da superfície de vedação e ter uma forma claramente diferente da parte principal da parte de nariz 16 (uma superfície cilíndrica no exemplo ilustrado)) e/ou uma região parcial adjacente a superfície de ombro secundário 25 na parte da caixa 2 oposta a parte de nariz pode ter a mesma inclinação que a superfície de ombro secundário 25 (pode se tornar uma extensão da superfície de ombro secundário e ter uma forma claramente diferente da superfície interna da parte da caixa voltada para a parte principal da parte de nariz do pino). Como resultado, não somente o efeito da parte de nariz, mas também o bom desempenho do aperto ao mesmo tempo em que centraliza a parte de lábio do pino é obtido. Nesse caso também, a parte principal da parte de nariz 16 tem claramente uma forma diferente a partir da superfície de vedação 13 e da superfície de ombro secundário 15 em ambos os lados das mesmas.

A união entre a superfície de ombro principal 14 e a superfície de ombro secundário 15 do pino 1 forma um ápice arredondado 49 com um raio de pelo menos 1,5 mm. Como resultado, a área de contato da superfície de ombro principal e da superfície de ombro secundário pode ser maximizada, e um aumento na resistência à compressão e a supressão da deformação na direção radial da superfície de ombro são obtidas.

Como discutido anteriormente, uma união roscada de acordo com a presente invenção pode exibir um alto desempenho sob compressão devido a uma parte de nariz, que é provida próxima do nariz de uma parte de lábio de um pino de modo a não contatar a superfície oposta de uma caixa, e devido a uma estrutura de ombro em duas etapas tendo uma superfície de ombro principal e uma superfície de ombro secundário para a superfície de ombro na extremidade do pino.

Contudo, uma graxa lubrificante que é um fluido usado ao tempo da montagem da união roscada pode permanecer no espaço 50 entre o pino e a caixa formada na área da parte de nariz (daqui por diante, o espaço irá ser citado como um espaço do nariz). Na conclusão da montagem, a pressão no espaço do nariz

22/28 é aumentada pelo lubrificante confinado no espaço, e a pressão aumentada pode induzir a pressão de contato entre as superfícies de vedação 13 do pino e da caixa a diminuir e, assim, diminuir a capacidade de vedação da união.

Em uma modalidade preferencial da presente invenção, a superfície de ombro de pelo menos um dentre o pino e a caixa tem pelo menos uma ranhura ou concavidade de sangria se estendendo a partir do espaço do nariz para a superfície interna da união roscada. Assim, a ranhura se estende através tanto da superfície de ombro principal quanto da superfície de ombro secundário do pino e/ou da caixa. É possível localizar uma parte da ranhura da superfície de ombro do pino e a parte restante do mesmo na superfície de ombro da caixa. Assim, o espaço do nariz 50 se comunica com o espaço interno da união roscada através da ranhura. Portanto, quando a pressão do fluido confinado no espaço do nariz é aumentada, ela pode escapar para o espaço interno da união roscada através da ranhura.

Pode-se permitir que o fluido no espaço do nariz escape por um orifício atravessante se estendendo para dentro da parte de ombro, mas a formação de tal orifício atravessante é mais difícil.

Em uma modalidade particularmente preferencial, como ilustrado nas Figuras 6(A) a 6(D), pelo menos uma ranhura é provida na superfície de ombro do pino.

No caso ilustrado na Figura 6(A), a superfície de ombro do pino, que é a superfície de extremidade da parte de lábio, tem uma ranhura compreendo duas partes de ranhura, isto é, uma primeira ou uma parte de ranhura externa 51A e uma segunda ou uma parte de ranhura interna 51B. A parte de ranhura externa 51A se estende obliquamente através da superfície de ombro secundário 15, e a parte de ranhura interna 51B se estende obliquamente através da superfície de ombro principal 14. A Figura 6(B) ilustra uma vista de extremidade da parte de lábio tendo três ranhuras cada uma tendo duas partes de ranhura 51 A, 51B localizadas ao longo da circunferência da extremidade de lábio. A Figura 7 ilustra uma ilustração fotográfica de uma extremidade de pino tendo uma ranhura com as

23/28 tais duas ranhuras escalonadas sobre superfície de ombro.

De modo a obter a função acima descrita, as partes de ranhura 51A e 51B devem se comunicar uma com a outra. Para esse fim, como ilustrado na Figura 6(D), junto com a parte circunferência mais interna do ombro da caixa que está oposta ao ápice 49 do ombro do pino (a união ou interface entre a superfície de ombro principal e a superfície de ombro secundário do pino), uma concavidade 52 pode ser provida como um canal de conexão de modo a estender a partir de um ponto oposto da extremidade interna da parte de ranhura externa 51A para um ponto oposto da extremidade externa da parte de ranhura interna 51B, desse modo as partes de ranhura 51 A, 51B no ombro do pino se comunicam uma com a outra através da concavidade 52 se estendendo ao longo do ápice circunferencial 49 no ombro da caixa. Alternativamente, esse canal de conexão entre as partes de ranhura 51A e 51B pode ser obtido pela formação de um chanfro ou concavidade na superfície do ombro de pino ao longo do ápice circunferencial 49, de modo a estender a partir da extremidade interna da parte de ranhura externa 51A para a extremidade externa da parte de ranhura interna 51B. Mais preferencialmente, tal concavidade ou canal de conexão pode ser formado em ambas a superfície de ombro do pino e a superfície de ombro da caixa.

Como ilustrado na Figura 6(C), a parte de ranhura externa 51A e a parte de ranhura interna 51B podem ser posicionadas tal que elas diretamente se comunicam uma com a outra (a saber, a extremidade interna da parte de ranhura externa 51A é conectada na extremidade externa da parte de ranhura interna 51B). A Figura 8 ilustra uma ilustração fotográfica da parte de ombro de uma extremidade de pino tendo uma parte de ranhura interna e uma externa diretamente conectadas uma na outra. Essa disposição compartilha com a formação de um canal de conexão conforme descrito acima apesar da abertura de ranhura (formação de ranhuras) ser de algum modo mais fácil quando as partes de ranhura interna e externa estão localizadas nas mesmas posições circunferenciais como ilustrado na Figura 6(A). Em ambos os casos, a formação de ranhuras ou concavidades de sangria pode ser executada usando um sistema de usinagem NC

24/28 (controle numérico).

Em uma outra modalidade, a parte de ranhura externa 51A da superfície de ombro secundário e a parte de ranhura interna 51B da superfície de ombro principal podem se estender em uma direção radial ao invés do que em uma direção oblíqua como ilustrado nas Figuras 6(A) a 6(C), preferencial mente de tal modo que essas duas partes de ranhuras se estendendo radialmente estejam diretamente conectadas uma na outra. Nesse caso, o comprimento de cada parte de ranhura é minimizado de modo que o fluido possa escapar facilmente, e as ranhuras possam ser formadas sem um sistema de usinagem NC. Contudo, uma máquina de formação de ranhura especial é necessária.

Nas modalidades ilustradas nas Figuras 6(B) e 6(C), cada uma das três ranhuras compreendendo uma parte de ranhura interna e externa para estabelecer a comunicação entre o espaço de nariz e o espaço interno da união roscada são providas em distâncias iguais ao longo da circunferência da superfície de ombro na extremidade de pino. Pode existir pelo menos uma de tal ranhura, e não existe limite superior no número de ranhuras, apesar de oito serem suficientes. Preferencialmente, o ombro do pino e/ou da caixa tem a partir de duas até quatro de tais ranhuras.

A forma em corte transversal das ranhuras não é restritiva, mas elas podem ter uma área de seção transversal suficiente para permitir que o fluido passe através das mesmas. A profundidade das ranhuras é preferencialmente pelo menos 0,1 mm e, mais preferencialmente, pelo menos 0,2 mm. De modo a impedir uma diminuição significativa no desempenho da união roscada sob compressão devido a uma diminuição na área de contato da superfície de ombro principal induzida pela formação de ranhuras, o comprimento circunferencial de cada uma das partes de ranhura interna e externa é preferencialmente tal que cada ranhura se estenda sobre no máximo 180 graus ao longo da circunferência da superfície de ombro. Assim, se três partes de ranhura forem providas tanto no ombro principal e quanto no ombro secundário como ilustrado nas Figuras 6(B) ou 6(C), cada parte de ranhura preferencialmente se estende ao longo de um arco com um ângulo de

25/28

180 graus ou menor e, mais preferencialmente, com um ângulo de 120 graus ou menor.

As ranhuras podem ser formadas na superfície de ombro da caixa ao invés do pino. Quando uma pluralidade de ranhuras são providas na direção circunferencial, algumas das ranhuras podem ser formadas no pino com a ranhura ou ranhuras restantes e na caixa. Quando uma ranhura compreende uma parte de ranhura externa e uma interna como ilustrado nas Figuras 6(A) a 6(C), é também possível formar a parte de ranhura externa no pino e a parte de ranhura interna na caixa, ou vice versa.

A forma de uma união roscada para tubulações de aço exceto aquela descrita acima pode ser a mesma que aquela de uma união roscada convencional para tubulações de aço do tipo união premium.

Por exemplo, a rosca macho 11 e a rosca fêmea 21 do pino 1 e da caixa 2 de uma união roscada das tubulações de aço de acordo com esta invenção podem ser roscas afuniladas como àquelas de uma união roscada convencional típica para tubulações de aço (tal como uma rosca trapezoidal especificada por uma rosca de contraforte API ou uma rosca tendo uma forma trapezoidal derivada a partir da forma de rosca de contraforte API). Tem havido muitas propostas com relação à forma (por exemplo, os ângulos de inclinação do flanco de puncionamento do flanco de carga da rosca, o chanfro, a folga entre os flancos de puncionamento, a separação entre as superfícies de crista e as partes de raiz, e o raio de curvatura das partes arredondadas) de uma rosca afunilada para uma união roscada para tubulações de aço, e quaisquer dessas podem ser empregadas. Por exemplo, apesar de não ilustrado na Figura 5, um chanfro (uma mudança no nível produzido pela inclinação) pode ser provido no flanco de puncionamento (a superfície lateral da rosca no lado direito na Figura 5) de uma ou ambas a rosca macho e a rosca fêmea.

Em uma rosca afunilada da rosca macho 11 e da rosca fêmea 12, a superfície de crista e a parte de raiz de cada crista podem ser feitas paralelas à parte afunilada da rosca afunilada, mas preferencialmente elas são feitas paralelas

26/28 a direção axial da união. Ao fazer isso, problemas devido a desvios do ângulo de puncionamento ao tempo das operações de conexão no campo podem ser diminuídos.

Como é bem conhecido, as uniões roscadas para tubulações de aço incluem tipos de acoplamento e tipos integrais. Em um tipo de conexão típica, um pino é formado na superfície externa de ambas as extremidades das tubulações de aço a serem conectadas, e uma caixa é formada na superfície interna de ambos os lados de um acoplamento, que é um elemento separado. Em um tipo integral, um pino é formado na superfície externa de uma extremidade de uma tubulação de aço, uma caixa é formada na superfície interna da outra extremidade, e as tubulações de aço são conectadas sem usar um acoplamento. A presente invenção pode ser aplicada em ambos esses dois tipos de uniões roscadas para tubulações de aço.

EXEMPLOS

De modo a ilustrar os efeitos dessa invenção, um teste de Série A de acordo com os padrões ISO 13679 foi executado em cinco tubulações de aço ilustradas na Tabela 1.

As tubulações de teste #1 a #5 ilustradas na Tabela 1 têm a forma básica de uma união roscada do tipo acoplamento (união T&C) para o OCTG ilustrado na Figura 2. Existem três tamanhos de medições de revestimento 244,47 mm (9 a 5/8 polegadas), 53,5# (diâmetro externo de 244,48 mm e espessura de parede de 13,84 mm), 273,05 mm (10 a 3/4 polegadas), 60,7# (diâmetro externo de 273,05 mm e espessura de parede de 13,84 mm), e 273,05 mm (10 a 3/4 polegadas), 65,7# (diâmetro externo de 273,05 mm e espessura de parede de

15,11 mm).

O material das tubulações foi um material L80 (aço carbono) de padrões API (American Petroleum Institute). Para comparação, #4 foi um material Q125 (aço carbono) de acordo com os padrões API. O comprimento na direção axial da parte de nariz 45 do pino e o comprimento na direção axial da região principal de não contato 48 da parte de nariz são ilustrados na Tabela 1. A

27/28 superfície externa da região principal da parte de nariz e a superfície interna oposta da caixa foram ambas uma superfície de cone truncado, como ilustrado na Figura 1, para peças de teste #1 a #4 ou uma superfície cilíndrica, como ilustrado na Figura 4, para a peça de teste #5. A separação entre o pino e a caixa na parte principal da parte de nariz foi de 0,2 mm para peças de teste #1 a #4 e de 0,9 mm para peças de teste #5. O ângulo da parte chanfrada 17 é 15 graus para todas as peças de teste. Os resultados do teste de um teste da Série A de acordo com os padrões ISO 13679 são também ilustrados na Tabela 1.

Como ilustrado na Tabela 1, mesmo se o tamanho ou o material de uma união de acordo com a presente invenção mudar, não existe qualquer ocorrência de vazamento, e existe uma clara diferença no desempenho em comparação com uma união fora do escopo da presente invenção, para a qual vazamentos ocorrem.

A presente invenção foi explicada acima com relação a uma modalidade específica, mas essa explicação não é mais do que um exemplo, e a presente invenção não está limitada à mesma.

Em particular, as pessoas especializadas na técnica irão entender que a presente invenção pode aplicar de forma simétrica o pino e a caixa com uma superfície de vedação de caixa localizada em um lábio se estendendo na extremidade livre da caixa e um ombro de caixa localizado na extremidade livre da caixa, todas as características descritas aqui acima tendo sido transferidas do pino para a caixa e vice versa.

Tabela 1

Comentários-	Esta invenção	Esta invenção	Esta invenção	Esta invenção	Exemplo comparativo
Resultados de teste	Bom	Bom	Bom	Bom	Vazamento de pressão interna
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------! I Comprimento na I direção axial da parte de nariz (mm)	£ Φ £ 2 ro tj (D co ^c s	13,5	15,5 I___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________	10 σ>	13,5	14,0
O 0 Q S c S CO Φ φ £ tr -õ 8	10,2	12,2	CM CD	10,2	14,0
Razão de espessura das superfícies de ombro (principal/secundário)	rco	CO CO	rTf	CO	i 1
Ângulo (°)	Superfície de ombro principal	m	10 *	10 1	IO V“ 1	0
Superfície de ombro secundário	0 CM	0 CM	0 CM	O CM	Nenhuma
. Superfície de vedação	•xr·	Tf	xr	Tf t^-	Tj-
Material da União	0 CO	O 00 —1	0 00 —1	Q125	O 00
Tamanho	9 a 5/8”, 53,5#	£ « 0 0 CO	ω tn 0 co	9 a 5/8”, 53,5#	9 a 5/8”, 53,5#
Número	T“	CM	CO		10

1/5

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. União roscada para tubulações de aço, a união roscada compreendendo um pino (1) e uma caixa (2), o pino (1) tendo uma rosca macho (11) e um lábio (12) compreendendo (i) uma superfície de vedação (13) e (ii) uma parte de nariz (16) provida com uma superfície de ombro, sendo que a caixa tem uma rosca fêmea (21), uma superfície de vedação (23) e uma superfície de ombro, sendo que a rosca macho fica inter engatada com a rosca fêmea, sendo que a superfície de vedação (13) do pino (1) fica em contato de vedação com a superfície de vedação correspondente (23) da caixa (2), sendo que a superfície de ombro do pino (1) fica disposta em uma face de extremidade do pino (1), a superfície de ombro do pino (1) compreendendo duas superfícies adjacentes distintas, o ombro principal (14) no lado interno e o ombro secundário (15) no lado externo, a superfície de ombro correspondente da caixa (2) voltada para a superfície de ombro do pino compreendendo duas superfícies adjacentes distintas, um ombro principal (24) no lado interno e um ombro secundário (25) no lado externo, sendo que as ditas superfícies de ombro principal (14, 24) do pino (1) e da caixa (2) estão dispostas de modo a impedir uma deformação radialmente para dentro da extremidade do lábio (12), sendo que as ditas superfícies de ombro secundário (15, 25) do pino (1) e da caixa (2) estão dispostas de modo a limitar uma deformação radialmente externa da extremidade do lábio (12), sendo que o dito ombro principal (14) do pino (1) tem uma espessura na direção radial maior do que o dito ombro secundário (15) do pino (1), sendo que pelo menos a dita superfície de ombro principal do pino (1) fica em apoio axial pelo menos com a superfície de ombro principal correspondente da caixa (2), pelo menos uma parte da porção do nariz (16) do pino (1) tendo uma superfície periférica externa que não está no prolongamento da superfície de vedação do pino (1), caracterizado pelo fato de que a superfície de vedação do pino (1) está localizada próxima à rosca macho (11), e dita superfície periférica

Petição 870190008523, de 25/01/2019, pág. 13/17
2/5 externa da porção do nariz (16) existe entre a superfície de vedação (13) do pino e da superfície de ombro do pino, e dita superfície periférica externa da dita porção do nariz (16) não contata a porção da caixa (2) voltada para dita porção do nariz (16) do pino (1), onde a superfície de vedação (13) do pino (1), a superfície externa da porção do nariz (16) do pino (1) e a superfície de ombro secundário do pino (1) não estão alinhadas, e em que a superfície de vedação (23) da caixa (2), a superfície interna da porção da caixa (2) voltada para a superfície externa da porção do nariz (16) do pino (1) e a superfície de ombro secundário (25) da caixa (2) não estão alinhadas, em que o pino (1) compreende um ápice arredondado entre a superfície de ombro secundário e a superfície de ombro principal, com um raio menor que 1,5 mm, em que apenas a superfície de ombro principal entre as superfícies de ombro na extremidade do pino (1) está em apoio axial com a superfície de ombro principal correspondente da caixa (2), em que ambas as superfícies de ombro secundário do pino (1) e da caixa (2) são superfícies de cone truncado.

2. União roscada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície de ombro principal do pino (1) é uma superfície de ombro oposta dotada de um ângulo negativo em relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico da união.
3. União roscada, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a superfície de ombro secundário do pino (1) tem um ângulo positivo em relação a um plano perpendicular ao eixo geométrico da união.
4. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a superfície de ombro secundário do pino (1) é designada para interferir com a superfície de ombro secundário da caixa (2), a interferência diametral geométrica entre as superfícies de ombro secundário do pino (1) e da caixa (2) sendo iguais a ou menores do que 1,1 vezes a interferência diametral geométrica entre as

Petição 870190008523, de 25/01/2019, pág. 14/17

3/5 porções de vedação do pino (1) e caixa (2).
5. União roscada, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a diferença no diâmetro medido num plano de referência antes de apertar o pino e a caixa entre as superfícies de ombro secundário do pino (1) e caixa (2) é substancialmente igual à diferença no diâmetro medido num plano de referência antes de apertar o pino e a caixa entre as porções de vedação do pino (1) e caixa (2).
6. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato de que o ângulo do ombro oposto em relação a um plano perpendicular ao do eixo geométrico da união está entre 5 e 25 graus.
7. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as superfícies de ombro apresentam um formato substancialmente de cone truncado.
8. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a superfície de ombro principal e a superfície de ombro secundário do pino (1) podem ser suportadas pela superfície de ombro principal correspondente e pela superfície de ombro secundário da caixa (2), quando elas recebem carga compressiva.
9. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que as superfícies de vedação (13, 23) do pino (1) e da caixa (2) são inclinadas em relação ao eixo geométrico da união roscada de um ângulo compreendido entre 5 e 25 graus.
10. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que as superfícies de ombro secundário do pino (1) e caixa (2) são inclinadas em relação ao eixo geométrico da união roscada de um ângulo compreendido entre 5 e 30 graus.
11. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a inclinação das

Petição 870190008523, de 25/01/2019, pág. 15/17

4/5 superfícies de ombro secundário é maior do que a inclinação das superfícies de vedação (13, 23).
12. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que uma parte principal da parte de nariz (16) do pino (1) está em um ajuste de folga com a parte de face da caixa (2) com um valor mínimo de ajuste de folga de 0,1 mm em diâmetros.
13. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a inclinação da superfície de vedação (23) da caixa (2), a superfície interna da parte de caixa (2) voltada para a superfície externa da parte de nariz (16) do pino (1) e a parte de ombro secundário da caixa (2) é repetitiva.
14. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a dimensão radial do ombro principal (14) é pelo menos 1,5 vezes maior do que a dimensão radial do ombro secundário (15).
15. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a superfície periférica externa da parte de nariz (16) do pino (1) e a superfície interna da parte de caixa (2) voltada para a dita parte de nariz (16) do pino (1) têm um formato substancialmente cilíndrico.
16. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que superfície periférica externa da parte de nariz (16) do pino (1) e a superfície interna da parte de caixa (2) voltada para a dita parte de nariz (16) do pino (1) têm formato substancialmente de cone truncado e o ângulo afunilado é inferior a 10 graus.
17. União roscada, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que a superfície de ombro de pelo menos um elemento do pino (1) e caixa (2) tem pelo menos uma ranhura que se estende desde o espaço entre a parte de nariz (16) do pino

Petição 870190008523, de 25/01/2019, pág. 16/17

5/5 (1) e a parte da caixa (2) oposta à parte de nariz (16) até o espaço interno da união roscada.
18. União roscada, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a ranhura compreende uma primeira parte de ranhura formada no ombro secundário e uma segunda parte de ranhura formada no ombro principal que se comunica diretamente com a primeira parte de ranhura na interface entre o ombro secundário (14, 24) e o ombro principal (15, 25).
19. União roscada, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a ranhura compreende uma primeira parte de ranhura formada no ombro secundário (15, 25) e uma segunda parte de ranhura formada no ombro principal (14, 24) que não se comunica diretamente com a primeira parte de ranhura na interface entre o ombro secundário (15, 25) e o ombro principal (14, 24), a segunda parte de ranhura se comunicando com a primeira parte de ranhura através de um canal de conexão.
20. União roscada, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o canal de conexão é uma concavidade formada na superfície de ombro da caixa (2).
21. União roscada, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o canal de conexão é uma concavidade formada na superfície de ombro do pino (1).
22. União roscada, de acordo com a reivindicação 20 ou 21, caracterizado pelo fato de que a concavidade é formada por chanfradura ou formação de ranhura.