ES2211146T3 - Conexion roscada de dos tubos metalicos con elevado par de enroscado. - Google Patents
Conexion roscada de dos tubos metalicos con elevado par de enroscado.Info
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Abstract
Conexión roscada (100) de dos tubos metálicos que comprende un elemento macho (1) en el extremo de un primer tubo metálico enroscado en un elemento hembra (2) en el extremo de un segundo tubo metálico, incluyendo el elemento macho (1) exteriormente una rosca macho (3) cónica, con hilos trapezoidales (11, 71, 31) que comprenden dos flancos, a saber un flanco (13, 73, 33) de carga y un flanco (15, 75, 35) de enchufe, siendo la anchura l 3) en la cresta (17, 77, 39) de hilo macho inferior a la anchura (l 1) en la base del hilo macho, incluyendo el elemento hembra (2) interiormente una rosca hembra (4) cónica de hilos trapezoidales (12, 72, 32) de forma conjugada a la forma de la rosca macho (3), siendo la anchura (l 3, l 4) de las crestas de hilo en cada una de las roscas macho y hembra superior a la anchura (l 6, l 5) de los fondos de hilo de la rosca conjugada, caracterizada porque el elemento macho (1) se posiciona por enroscado en el elemento hembra (2) en una posición relativa de estos dos elementos situada más allá de la posición en la cual, en el curso del enroscado, los dos flancos (13, 15, 73, 75, 33, 35) de los hilos machos (11, 71, 31) entran en contacto con los dos flancos (14, 16, 74, 76, 34, 36) de los hilos hembras (12, 72, 32), de manera que se induzca un ajuste por interferencia axial de los hilos machos por parte de los hilos hembras y recíprocamente.
Description
Conexión roscada de dos tubos metálicos con
elevado par de enroscado.
La invención se refiere a las conexiones o
ensamblajes o sistemas de montaje roscados de dos tubos metálicos
con rosca cónica y hilos trapezoidales.
Se conocen sistemas de montaje de este tipo, en
particular utilizados para constituir columnas de tubos de
revestimiento o de producción o columnas de vástagos de perforación
para los pozos de hidrocarburos.
En lo que sigue del presente documento, la
expresión "ensamblaje roscado de dos tubos metálicos" o
"sistema de montaje roscado de dos tubos metálicos" o
"conexión roscada de dos tubos metálicos" cubre tanto conexión
denominada integral entre dos tubos de gran longitud como la
conexión entre un primer tubo de gran longitud y un segundo tubo de
pequeña longitud tal como, por ejemplo, un cople.
El American Petroleum Institute (API) define:
- -
- en su especificación API 5CT, unos tubos metálicos y unos sistemas de montaje por roscado de tubos metálicos para la explotación y el revestimiento de pozos de hidrocarburos,
- -
- y, en su especificación API 5B, formas normalizadas de rosca cónica para tales sistemas de montaje.
Los hilos de estos sistemas de montaje pueden ser
del tipo trapezoidal e incluir entonces en cada uno de los
elementos macho y hembra un fondo de hilo, una cresta de hilo y dos
flancos, a saber un flanco de carga y un flanco de introducción o
enchufe (en adelante, "enchufe").
Los fondos de hilo y las crestas de hilo son lo
más frecuentemente paralelos al cono de la rosca.
Los flancos de carga se denominan así porque,
apoyándose el uno sobre el otro cuando el sistema de montaje o
conexión es sometido a esfuerzos de tracción, por ejemplo debido al
peso de los tubos, permiten que la conexión soporte dichos
esfuerzos de tracción. Los flancos de carga están situados en los
hilos en oposición a los flancos de enchufe.
Durante el enroscado de una conexión de este
tipo, teniendo en cuenta la conicidad de las roscas, en un momento
dado correspondiente a una posición relativa dada de los elementos
macho y hembra, los fondos de hilo de uno de los elementos entran
en contacto con las crestas de hilos del otro elemento.
Si se prosigue el enroscado del elemento macho en
el elemento hembra más allá de esta posición, los hilos machos
pasan a interferirse radialmente con los hilos hembras, lo que
conduce a un hinchamiento del elemento hembra y a una contracción
del macho; tal interferencia debe limitarse para no desarrollar
esfuerzos o deformaciones excesivas.
La interferencia diametral entre los puntos
conjugados de dos superficies de revolución que se interfieren
radialmente se define de manera general como la diferencia de
diámetro de la sección recta de las superficies en estos puntos,
diferencia medida antes del montaje o ensamblaje y contada
positivamente cuando las dos superficies una vez ensambladas
ejercen una presión de contacto entre los puntos conjugados.
Para limitar estos esfuerzos o estas
deformaciones, se puede disponer una superficie de apoyo anular de
orientación sensiblemente transversal con respecto al eje del
sistema de montaje en cada uno de los elementos macho y hembra,
superficies de apoyo posicionadas de forma tal que entren en
contacto la una con la otra en un momento dado del enroscado y que
definan así exactamente una posición de final del apriete.
La posición del final del apriete está por
ejemplo determinada por el par necesario para llegar a esta
posición.
La utilización de superficies de apoyo a tope
para posicionar la conexión presenta otras ventajas:
- -
- disposición bajo tensión de los flancos de carga de las roscas de la conexión que quedan entonces listos para soportar los esfuerzos de tracción a los cuales es susceptible de estar sometida la conexión en servicio,
- -
- posicionado exacto de los elementos macho y hembra que permite garantizar, cuando cada uno de los elementos macho y hembra de la conexión incluye una superficie de sello que se interfiere radialmente con la dispuesta en el elemento conjugado, una presión elevada de contacto metal-metal entre las superficies, sin peligro de plastificarlas,
- -
- reducidos riesgos de desenroscado accidental debido al par de enroscado que debe vencerse antes de poder desenroscar la conexión, estando bien definido este par y siendo siempre superior a un valor mínimo.
La patente EP 488.912 describe un sistema de
montaje de este tipo que posee roscas cónicas enroscadas la una en
la otra, un par de superficies de sello metal-metal
que interfieren radialmente y un par de superficies de apoyo a tope,
a saber una superficie cónica cóncava en el extremo del elemento
macho y una superficie anular convexa que forma un resalte interior
en el elemento hembra.
Un sistema de montaje roscado de este tipo puede
ser enroscado con pares nominales de enroscado que pueden llegar
hasta 34 kN.m (25000 Ibf.ft) por ejemplo, lo que es suficiente en
la mayor parte de los casos.
Sin embargo, puede ser necesario enroscar el
sistema de montaje con pares aún más elevados, especialmente en el
caso de tubos de revestimiento para pozos desviados múltiples o
para pozos horizontales que permiten explotar una amplia zona a
partir de un solo punto.
La utilización de técnicas de disposición en
rotación de la columna que incluye vástagos de perforación en el
extremo ("drilling liner") permite, por otra parte, una mejor
cimentación de los pozos horizontales pero necesita sistemas de
montaje de tubos enroscados con pares superiores al par de
disposición de la columna en rotación, si se desea evitar una
rotación de los elementos roscados los unos con respecto a los
otros durante la disposición en rotación de la columna, rotación
entre los elementos que es susceptible de modificar las
características de utilización de las conexiones, en particular su
estanqueidad.
La siguiente tabla 1 da una idea del nivel de los
pares de enroscado deseados para tales aplicaciones.
| Diámetro exterior del tubo | Nivel de par de enroscado | ||
| (mm) | ('') | (kN.m) | (Ibf.ft) |
| 101,6 - 139,7 | 4'' — 5''1/2 | 20 - 34 | 15000 - 25000 |
| 168,3 - 177,8 | 6''5/8 — 7'' | 27 - 41 | 20000 - 30000 |
| 244,5 | 9''5/8 | 54 - 88 | 40000 - 65000 |
Las superficies de apoyo a tope no pueden
soportar tales niveles de par sin deterioro, salvo que se aumente
la anchura radial de las superficies de apoyo, sino que es entonces
necesario emplear tubos de un grosor muy grande que pueden ser
incompatibles con las exigencias de utilización.
Es pues necesario utilizar otros medios distintos
de las superficies de apoyo a tope para absorber pares de enroscado
elevados.
La solicitud de patente WO 94/29627 describe un
sistema de montaje roscado con rosca cónica y hilos trapezoidales
denominados cuñas, en forma general de cola de milano y, más
particularmente, de semicola de milano.
Estos hilos se denominan cuñas o hilos de anchura
variable porque la anchura de los hilos macho y hembra varía de un
extremo de la rosca al otro y de manera coordinada entre la rosca
macho y la rosca hembra.
Estos hilos se denominan en semicola de milano
porque quedan en la vertical de los fondos de hilo por un solo lado
de éstos, ya sea por el lado de los flancos de carga, ya sea por el
lado de los flancos de enchufe, y porque el ángulo entre el flanco
de carga y la normal al eje de la conexión y el ángulo entre el
flanco de enchufe y dicha normal son tales que la anchura de los
hilos es mayor en su cresta que en su base.
Cuando se introduce el elemento macho en el
elemento hembra según este documento WO 94/29627, las crestas de
hilos más estrechas se enfrentan con los fondos de hilos más anchos
y existe un importante espacio axial entre los flancos conjugados
de las roscas.
A medida que se enrosca el elemento macho en el
elemento hembra, el espacio axial disminuye hasta una posición en
la cual los dos flancos machos entran en contacto con sus
conjugados hembras.
Más allá de esta posición, los flancos hembras
ajustan por interferencia los flancos machos y de ello resulta una
elevación muy rápida de la curva de par de enroscado en función de
la rotación.
Un sistema de montaje de este tipo según el
documento WO 94/25627 permite, ciertamente, hacer pasar un par
importante de enroscado teniendo en cuenta la superficie
desarrollada de las roscas, pero presenta varios inconvenientes
notables.
En primer lugar, los hilos cuñas de anchura
variable son caros de mecanizar y delicados de controlar.
Además, los ángulos agudos de las colas de milano
o de las semicolas de milano, dispuestos por el lado del flanco de
carga y/o por el lado del flanco de enchufe, constituyen ángulos
vivos sensibles a los golpes y las rebabas producidas por tales
golpes deterioran el funcionamiento del sistema de montaje.
Estos ángulos vivos inducen igualmente efectos de
entalla en el pie de los hilos y por consiguiente una mayor
fragilidad en servicio.
Se ha buscado, en la presente invención, la
realización de una conexión roscada apta para ser enroscada bajo un
par T de enroscado elevado que esté exento de estos inconvenientes
y, en particular, una conexión roscada en la que el mecanizado de
sus elementos sea económico y que pueda ser fácilmente manipulado
en obra.
Además, se ha buscado la obtención de una
conexión roscada para la cual se obtiene el par deseado de
enroscado después de una rotación notable, por ejemplo del orden de
una vuelta, o incluso más.
Además, se ha buscado que, en ciertas
configuraciones, la pendiente de la curva par de enroscado –
rotación disminuya a partir de un nivel de par dado y traduzca así
una característica de autolimitación del par de enroscado.
Además, se ha buscado la obtención de una
conexión que sea particularmente estanca a los fluidos interior y/o
exteriormente, incluso después de varios
enroscados-desenroscados.
La conexión roscada entre dos tubos metálicos
según la presente invención comprende un elemento macho, en el
extremo de un primer tubo, enroscado en un elemento hembra, en el
extremo de un segundo tubo.
El elemento macho incluye exteriormente una rosca
macho cónica con hilos trapezoidales, la anchura de cuyas crestas
de hilo es inferior a la de la base de hilo.
El elemento hembra incluye interiormente una
rosca hembra cónica con hilos trapezoidales de forma conjugada con
la de la rosca macho.
Por rosca hembra de forma conjugada con la de la
rosca macho, se entiende aquí que la conicidad y el paso de la
rosca hembra son más o menos idénticos a los de la rosca macho y
que la forma de los hilos hembras es sensiblemente idéntica a la de
los hilos machos, siendo la inclinación de los flancos de carga y de
enchufe de los hilos hembras respecto al eje de la conexión en
particular idéntica a la de los flancos correspondientes de los
hilos machos, siendo la anchura de las crestas de hilo hembra
inferior a la de su base como en los hilos machos. Desde luego,
recíprocamente, la rosca macho es entonces de forma conjugada con
la de la rosca hembra.
La anchura de las crestas de hilo en cada una de
las roscas macho y hembra es superior a la de los fondos de hilo de
la rosca conjugada.
El elemento macho es posicionado por enroscado en
el elemento hembra en una posición relativa de estos dos elementos
situada más allá de aquélla en la cual, en el curso del enroscado,
los dos flancos de los hilos machos entran en contacto con los dos
flancos de los hilos hembras, de manera que se induzca un ajuste
axial por interferencia de los hilos machos por los hilos hembras y
recíprocamente.
Teniendo en cuenta la forma conjugada de los
hilos trapezoidales machos y hembras utilizados y debido a que su
anchura en la cresta de hilo es inferior a la anchura en la base,
los hilos machos y hembras penetran radialmente en cuña en los
huecos conjugados a medida que tiene lugar la progresión axial de
los hilos en el curso del enroscado e inducen así, más allá de la
posición de contacto de los dos flancos conjugados, un ajuste axial
por interferencia de los hilos machos por parte de los hilos
hembras y recíprocamente.
Este ajuste por interferencia por toda la
superficie de los flancos se traduce en la posibilidad de absorber
en los hilos un nivel elevado de par T de enroscado.
Las características de tales hilos hacen que
puedan realizarse de manera económica, que sean controlados
cómodamente y que sean poco frágiles en la utilización.
La solicitud de patente EP 454.147 describe
también una conexión roscada con rosca cónica y hilos
trapezoídales, la anchura de cuyas crestas de hilo hembra es mayor
que la anchura de los fondos de hilo macho y que, al final del
apriete, presenta los dos flancos de la rosca de un elemento en
contacto con los de la rosca del elemento conjugado, por lo menos
en una parte de la rosca.
Sin embargo, según este documento EP 454.147,
sólo se busca la realización de un simple contacto, incluso por lo
demás sólo parcial, entre flancos conjugados de manera que, en el
caso de que el sistema de montaje estuviera sometido a esfuerzos de
compresión después de haber estado sometido a esfuerzos de
tracción, no exista un reposicionado de los flancos de enchufe
debido a un espacio axial preexistente al nivel de estos últimos,
reposicionado susceptible de inducir una plastificación del metal,
en particular de las superficies de sello, y por ello de inducir un
peligro o riesgo ulterior de fuga cuando el sistema de montaje esté
de nuevo sometido a esfuerzos de tracción. Para obtener un contacto
simple de este tipo de los flancos de los hilos al final del
ensamblaje, el documento EP 454147 prevé imperativamente el empleo
de medios de posicionado de los elementos, a saber una superficie
de apoyo transversal en cada elemento, siendo apta cada superficie
de apoyo para ser dispuesta a tope con la del elemento conjugado.
Los flancos de enchufe conjugados macho y hembra son dispuestos de
forma que se determine entre ellos un espacio axial mínimo antes de
la entrada en contacto de las superficies de apoyo, espacio axial
que se reduce a cero o a casi cero cuando las superficies de apoyo
son dispuestas a tope. Estas superficies transversales a tope
permiten además, clásicamente, absorber el par de enroscado, no
divulgando en forma alguna el documento EP 454147 un sistema de
montaje roscado con elevado par de enroscado.
En la presente invención, al final del enroscado,
la interferencia diametral entre las crestas de hilo de cada una de
las dos roscas macho y hembra y los fondos de hilo de la rosca
conjugada es preferentemente negativa o nula.
Muy preferentemente, para lograrlo, cuando los
dos flancos de la rosca macho entran en contacto con sus conjugados
de la rosca hembra durante el enroscado, subsiste un espacio radial
entre crestas y fondos de hilos conjugados por lo menos igual a
0,15 mm.
En una variante preferida, la interferencia
diametral entre las crestas de hilo de una sola de las dos roscas
macho o hembra y los fondos de hilo de la rosca conjugada es
positiva al final del enroscado.
Preferentemente, para obtener un ajuste axial por
interferencia eficaz de los hilos por efecto de cuña, el ángulo
\delta entre el flanco de carga y el flanco de enchufe de los
hilos macho o hembra es inferior o igual a 20º.
Dicho ángulo está preferentemente comprendido
entre 7º y 20º y más particularmente es próximo a 10º.
Preferentemente aún, las crestas de hilo de cada
una de las roscas macho y hembra quedan en la vertical de los
fondos de hilo de la misma rosca por el lado de los flancos de
carga, contándose el ángulo a entre el flanco de carga y la normal
al eje de la conexión por ello, negativamente y teniendo un valor
comprendido entre 0 y -15º.
Ventajosamente, si se desea atenuar un efecto de
cuña demasiado brutal que implique una pendiente dT/dN demasiado
elevada de la curva del par de enroscado en función del número de
vueltas, por lo menos una de las roscas macho y/o hembra incluye
una ranura que desemboca en la cresta de hilo por la totalidad o
una parte de la longitud de la rosca o de las roscas.
Una ranura de este tipo aumenta la flexibilidad
del hilo y disminuye un poco las fuerzas de ajuste por
interferencia, tanto más cuanto la ranura posea una profundidad y
una anchura importantes. Resulta de ello una clara disminución de
la pendiente dT/dN de la curva del par de enroscado en función del
número de vueltas al precio de una ligera disminución del par
máximo de enroscado. Se puede así optimizar el conjunto de las dos
características, par máximo de enroscado y pendiente dT/dN.
Se conocen, por el documento FR 2.408.061,
conexiones roscadas con hilos trapezoidales en los cuales uno de
los hilos presenta una especie de ranura que desemboca en la cresta
de hilo.
Sin embargo esta ranura está estrechamente
asociada con estructuras de flancos de hilo que permiten obtener
una conexión denominada autoblocante, es decir resistente al
desenroscado: para ello, la inclinación de los flancos de hilo con
ranura es diferente de la inclinación de los flancos de hilo sin
ranura y es tal que la anchura de la ranura en su desembocadura
disminuye durante el enroscado bajo los esfuerzos de flexión que
resultan de las diferencias de orientación de los flancos de hilos
conjugados.
Este documento no divulga en forma alguna la
función de los medios de la conexión según la invención y no se
aplica a hilos que posean características según la invención, en
particular una forma conjugada con las roscas machos o hembras.
Preferentemente, según la invención, la ranura
tiene una profundidad como máximo igual a la altura de hilo y la
anchura de la ranura en su desembocadura en la cresta de hilo es
como máximo igual a los 2/3 de la anchura de hilo, siendo la altura
de hilo la distancia radial medida perpendicularmente al eje de la
conexión entre el cono envolvente de las crestas de hilo y el de los
fondos de hilo y midiéndose la anchura de hilo paralelamente al eje
de la conexión a media altura del hilo.
Preferentemente aún, la ranura tiene, según un
plano longitudinal axial, un perfil en U de ramas paralelas o no o
en V con un fondo redondeado.
Muy preferentemente, el fondo redondeado de la
ranura presenta un radio por lo menos igual a 0,2 mm para evitar
las concentraciones de esfuerzos en el fondo de ranura.
Preferentemente aún, cada uno de los elementos
macho y hembra comprende por lo menos una superficie de sello,
teniendo cada superficie de sello macho una orientación
sensiblemente longitudinal e interfiriéndose radialmente con una
superficie de sello conjugada hembra al final del apriete, de manera
que se realice la estanqueidad o sello de la conexión.
Siempre preferentemente, cada uno de los
elementos macho y hembra comprende por lo menos una superficie de
apoyo de orientación sensiblemente transversal, entrando por lo
menos una superficie de apoyo macho en contacto contra una
superficie de apoyo hembra al final del apriete para posicionar de
manera exacta las superficies de sello y definir así su
interferencia.
Las superficies de apoyo de este tipo no tienen
en cambio por función el definir la posición del final de apriete a
la entrada o llegada en contacto de los flancos de enchufe de los
hilos.
Las figuras siguientes ilustran modos
particulares y no limitativos de realización de la invención.
La figura 1 representa en semisección axial un
extremo de tubo o de cople que incluye un elemento hembra de una
conexión roscada según la invención.
La figura 2 representa en semisección axial un
extremo de otro tubo que incluye un elemento macho de una conexión
roscada según la invención.
La figura 3 representa en semisección axial la
conexión roscada obtenida después del enroscado de los elementos de
las figuras 1 y 2.
La figura 4 representa esquemáticamente en
semisección axial un detalle de algunos hilos hembras del elemento
hembra de la figura 1.
La figura 5 representa esquemáticamente en
semisección axial un detalle de algunos hilos machos del elemento
macho de la figura 2.
La figura 6 representa esquemáticamente en
semisección axial un detalle de algunos hilos según las figuras 4 y
5 en curso de apriete, siendo la conexión del tipo de la figura
3.
Las figuras 7 y 8 representan una variante de las
figuras 4 y 5.
La figura 9 representa esquemáticamente en
semisección axial un detalle de algunos hilos según las figuras 7 y
8 una vez conectados.
La figura 10 representa una curva del par T de
enroscado en función del número de vueltas N de enroscado en dos
variantes de la conexión de la figura 6.
La figura 11 representa una variante de la figura
4 con una ranura en los hilos hembras.
La figura 12 representa una variante de la figura
5 con una ranura en los hilos machos.
La figura 13 representa una curva del par T de
enroscado en función del número de vueltas N de enroscado en dos
variantes de la conexión de los elementos de las figuras 11 y
12.
La figura 14 representa la aplicación de la
presente invención a una conexión roscada con cople.
La figura 3 representa una conexión roscada 100
entre un elemento macho 1 en el extremo de un primer tubo metálico
101, y un elemento hembra 2, en el extremo de un segundo tubo
metálico 102, que puede ser un tubo de gran longitud o un cople.
Las conexiones roscadas de este tipo permiten por ejemplo constituir
columnas de tubos de revestimiento o de producción para los pozos
de hidrocarburos.
El elemento macho 1 representado en la figura 2
incluye en su superficie exterior una rosca macho cónica 3 con
hilos trapezoidales y su extremo, que es también el extremo del
primer tubo, presenta una superficie extrema macho 7, anular y
transversal.
El elemento hembra 2 representado en la figura 1
incluye en su superficie interior una rosca hembra cónica 4
conjugada de la rosca macho 3.
El apriete de los tubos 101, 102 se obtiene
enroscando la rosca macho 3 del elemento macho 1 en la rosca hembra
4 del elemento hembra 2.
La conexión o ensamblaje de la figura 3 incluye
opcionalmente, en cada uno de los elementos, unos medios
adicionales cuando se desea que la conexión sea particularmente
estanca, a saber:
- a) en el elemento macho, una superficie macho 5, exterior y cónica, de sello, cuya conicidad es en general superior a la de la rosca macho 3; la conicidad de la superficie macho 5 de sello referida al diámetro es por ejemplo del 20%;
- b) en el elemento hembra:
- - una superficie hembra 6, interior y cónica, de sello, cuya conicidad es sensiblemente idéntica a la de la superficie macho 5 de sello,
- - un resalte interior con una superficie 8 de apoyo, anular y transversal.
La superficie extrema macho 7 puede ser, de
manera conocida en sí, cónica cóncava de un semiángulo en el
vértice muy abierto, por ejemplo 75º, siendo en este caso convexa
la superficie hembra 8 de apoyo, con el mismo semiángulo en el
vértice.
Los medios adicionales 5, 6, 8, que son
opcionales respecto a la invención, funcionan de la manera
siguiente en la conexión 100.
La superficie macho 5 de sello se interfiere
radialmente con la superficie hembra 6 de sello, es decir que su
diámetro en un punto de referencia es, antes del apriete, superior
al diámetro del punto conjugado del la superficie hembra 6 de
sello, diámetro igualmente medido antes del apriete.
Durante el enroscado, una vez se ha obtenido el
contacto entre las superficies de sello, la prosecución del
enroscado induce una interferencia diametral creciente de las
superficies de sello.
La posición exacta de final del apriete está
determinada por la entrada en contacto de la superficie extrema
macho 7 contra la superficie 8 de apoyo del resalte interior
hembra, lo que define un valor exacto de interferencia entre las
superficies 5, 6 de sello.
La posición de final de apriete puede
determinarse en particular por un valor dado del par de
enroscado.
La forma cónica cóncavo-convexa
de las superficies 7, 8 de apoyo impide el desencajado de las
superficies de apoyo y aumenta la presión de contacto de las
superficies de sello.
Las figuras 4, 5 y 6 precisan las características
de las roscas macho y hembra de una conexión según la
invención.
La rosca macho 3 (fig. 5) es una rosca cónica de
paso P, la línea directriz 21 de cuya superficie primitiva (o,
abreviadamente, línea primitiva) está inclinada con un ángulo
\gamma respecto al eje de la conexión, tal como \gamma = arc tg
(TT/200), siendo TT la conicidad de la rosca referida al diámetro y
expresada en %.
Los hilos machos 11 son hilos trapezoidales que
presentan una cresta 17 de hilo y dos flancos 13 y 15 y están
separados por un fondo 19 de hilo.
Las crestas 17 de hilo y los fondos 19 de hilo
son paralelos a la línea primitiva macho 21.
Los flancos comprenden un flanco 13 de carga y un
flanco 15 de enchufe, estando dirigido este último hacia la
superficie extrema macho 7.
Los flancos 13 de carga y de enchufe 15 están
respectivamente inclinados con un ángulo \alpha y \beta con
respecto a la normal al eje de la conexión y presentan entre sí un
ángulo \delta.
Las crestas 17 de hilo quedan en la vertical de
los fondos 19 del hilo por el lado de los flancos 13 de carga en la
representación de la figura 5 de manera que se evite un desencajado
de los hilos durante el apriete. Por convención, el ángulo \alpha
se cuenta entonces negativamente, contándose positivamente el
ángulo \beta del lado que no queda en la vertical.
El ángulo \delta es igual a la suma algebraica
(\alpha + \beta) y su cresta está dirigida hacia el exterior de
la rosca macho de modo que los hilos machos \ell 1 posean una
anchura \ell 1, en su base, superior a la \ell 3 de su
cresta.
La rosca hembra 4 (fig. 4) presenta
características conjugadas de las características de la rosca macho
3.
La línea primitiva hembra 22 de la rosca hembra
está inclinada con un ángulo \gamma en el eje de la conexión,
idéntico al de la inclinación de la línea primitiva macho 21.
Las crestas 20 y los fondos 18 de hilo hembra son
paralelos a la línea primitiva hembra 22.
Los flancos 14 de carga y 16 de enchufe del hilo
hembra están inclinados respectivamente con un ángulo \alpha y
\beta con respecto a la normal al eje de la conexión y forman
entre sí un ángulo \delta, siento cada uno de estos ángulos
idéntico al ángulo de hilo macho correspondiente.
La anchura \ell 3 de la cresta 17 de hilo macho
es ligeramente superior a la anchura \ell 6 del fondo 18 del hilo
hembra, por ejemplo en 0,2 mm.
La anchura \ell 4 de la cresta 20 de hilo
hembra es ligeramente superior a la anchura \ell 5 del fondo 19
del hilo macho, por ejemplo en 0,2 mm.
Cuando se enrosca la rosca macho 3 en la rosca
hembra 4, en un momento dado ilustrado por la figura 6, los dos
flancos 13, 15 de los hilos machos 11 entran en contacto con los
dos flancos 14, 16 de los hilos hembras 12, sensiblemente por toda
la altura de estos flancos.
Esto resulta del hecho de que la anchura \ell
3, \ell 4 de las crestas del hilo macho y hembra es superior que
la anchura de los fondos conjugados \ell 6, \ell 5 y de la
forma trapezoidal conjugada de los hilos, con \ell 1 > \ell
3 y \ell 2 > \ell 4.
Si se prosigue el enroscado, los hilos machos 11
penetran radialmente en cuña en los huecos hembras e igualmente los
hilos hembras 12 se hunden radialmente en cuña en los huecos
machos.
Debido a ello, existe un ajuste por interferencia
axial de los flancos de los hilos machos y hembras y es necesario
aumentar fuertemente el par para proseguir el enroscado. De ello
resulta una pendiente muy fuerte dT/dN de la curva del par en
función del número de vueltas N del enroscado, teniendo en cuenta la
superficie de flancos ajustados por interferencia que están en
contacto por sensiblemente toda su altura y por su longitud.
La pendiente dT/dN es función del módulo de
elasticidad del metal de los elementos, de la conicidad TT de la
rosca, de la longitud de la rosca, del diámetro medio de ésta, de
la altura de hilo, del ángulo \delta entre flancos de un mismo
hilo y del coeficiente de fricción entre hilos macho y hembra. Por
lo tanto es posible prever la pendiente dT/dN.
Para que los hilos macho y hembra puedan penetrar
radialmente en los huecos conjugados, es ventajoso que el ángulo
\delta de la cuña formada por los flancos de los hilos 11, 12 no
sea demasiado grande y quede, por ejemplo, inferior a 20º.
Un ángulo \delta demasiado pequeño tampoco es
deseable puesto que el fenómeno de cuña sería más difícil de
emplear: se preferirá elegir el ángulo \delta en el intervalo
[7º, 20º], prefiriéndose de hecho un ángulo \delta de 10º.
La elección de hilos con flanco 13, 14 de carga
con ángulo \alpha negativo, por ejemplo de ángulo \alpha = -3º
permite además elegir un ángulo \beta de +13º, suficientemente
inclinado para permitir un enchufe fácil de los hilos.
El valor máximo del par de enroscado T admisible
está determinado por el límite de elasticidad del metal de los
elementos. Es por lo tanto igualmente posible prever el valor
máximo del par de enroscado T admisible.
Para obtener un efecto de cuña óptimo sin
esfuerzos excesivos en los elementos macho y hembra y permitir el
flujo de la grasa que se dispone en los hilos antes del apriete, se
puede hacer lo necesario para suprimir cualquier interferencia
radial entre las crestas (17, 20) de hilo de cada una de las dos
roscas macho y hembra (3, 4) y los fondos (18, 19) de hilo de la
rosca conjugada (4, 3). En este caso, por lo tanto, se concebirán
los hilos y en particular su anchura para que la interferencia
diametral entre las crestas de hilo de cada una de las dos roscas
macho y hembra y los fondos de hilo de la rosca conjugada sea
negativa o nula al final del enroscado.
En particular se pueden concebir los hilos para
que en el momento del primer contacto en los dos flancos (fig. 6)
el valor x1 del espacio radial entre la cresta 17 de hilo
macho y el hueco 18 de hilo hembra y el valor x2 del espacio
radial entre la cresta 20 de hilo hembra y el hueco 19 de hilo macho
sean por lo menos iguales a 0,15 mm.
A falta de suprimir toda interferencia radial
entre las crestas de hilo de cada una de las dos roscas macho y
hembra (3, 4) y los fondos de hilo de la rosca conjugada (4, 3) se
pueden concebir, en variante, los hilos 71, 72, en particular su
anchura y su altura, para crear una interferencia diametral
positiva entre las crestas de hilo de una de las dos roscas macho o
hembra y los fondos de hilo de la rosca conjugada al final del
enroscado.
Una variante de este tipo se representa en las
figuras 7, 8 y 9 para, respectivamente, la rosca hembra 4, la rosca
macho 3 y la conexión de ambas: al final del apriete (figura 9),
existe un espacio x entre las crestas 77 de hilo macho y los fondos
78 de hilo hembra mientras que las crestas 80 de hilo hembra se
interfieren radialmente con los fondos 79 de hilo macho. Una
disposición de este tipo influye relativamente poco en el nivel de
par de enroscado.
Preferentemente, en esta variante, el contacto
entre las crestas 80 de hilo hembra y los fondos 79 de hilo macho
se produce antes que el contacto entre los flancos conjugados 73,
74, 75, 76.
La figura 10 muestra una curva de par de
enroscado T en función del número de vueltas N para la geometría
siguiente de tubos de una conexión según la figura 6:
- diámetro de tubos: 177,80 mm
- grosor de tubos: 10,36 mm (29Ib/ft)
- material de tubos: acero poco aleado de límite
de elasticidad \geq 551 MPa
- roscas con 5 hilos por pulgada (1 pulgada =
25,4 mm)
- conicidad de las roscas TT = 6,25% respecto al
diámetro (\gamma = 1,79º)
- ángulo \alpha del flanco de carga = -3º
- ángulo \beta del flanco de enchufe: +9º y
+13º
- ángulo \delta entre flancos: 6º y 10º.
En esta gráfica, la abscisa N = 0 corresponde al
primer contacto en los dos flancos 13-14 y
15-16 de los hilos conjugados.
Para los hilos con \beta = +9º (\delta = 6º),
se ha obtenido un par de más de 35 kN.m (26.000 Ibf.ft) en 0,8
vuelta, lo que corresponde a una pendiente de 44,5 kN.m/vuelta.
Para los hilos con \beta = +13º (\delta =
10º), se ha obtenido un par de 45,9 kN.m (33.850 Ibf.ft) en 0,47
vuelta, lo que corresponde a una pendiente de 97,5 kN.m/vuelta.
Una rosca de este tipo, con flancos de hilos
ajustados por interferencia, permite enroscar los elementos macho y
hembra con un par muy elevado sin que exista necesidad de un tope,
pero un par de este tipo se obtiene entonces después de una
rotación de una fracción de vuelta de los elementos macho y hembra,
que puede resultar insuficiente en particular si se desea disponer
superficies de sello en los elementos macho y hembra tales como, por
ejemplo, los 5, 6 de la figura 3.
El desarrollo de una presión de contacto dada
entre tales superficies de sello necesita, en efecto, una rotación
de un elemento con respecto al otro del orden de una vuelta después
de la entrada en contacto de las superficies de sello y un
posicionado exacto de los elementos macho y hembra al final del
montaje o apriete, posicionado obtenido con la ayuda de un tope
constituido por dos superficies transversales en apoyo tales como
7, 8 en la figura 3.
Por ello, es difícil garantizar una estanqueidad
(o sello) satisfactoria en servicio en una conexión roscada con
hilos de flancos ajustados por interferencia del tipo de las
figuras 4, 5, 6, superficies de sello y superficies transversales
de apoyo a tope del tipo de la figura 3, teniendo en cuenta las
tolerancias necesarias de fabricación de los elementos macho y
hembra.
Es claro que la disminución del ángulo \delta
entre flancos de hilos permitiría reducir la pendiente de la curva
de par de enroscado en función del número de vueltas pero, a menos
de utilizar un ángulo \alpha muy negativo, inferior a -15º, lo
que no es deseable, sería necesario disminuir fuertemente el ángulo
\beta en los flancos de enchufe, lo que tampoco se desea.
Las formas de hilos ilustradas en las figuras 11
y 12 permiten resolver los problemas de compatibilidad entre
valores elevados del par nominal de enroscado y un valor no
demasiado elevado, del orden de 10 kN.m/vuelta, por ejemplo, de la
pendiente dT/dN de la curva del par en función del número de
vueltas.
Los hilos de las figuras 11 y 12 son
particularmente ventajosos en el caso de una conexión con
superficies de sollo y topes del género de la figura 3.
Los hilos machos 31 de la figura 12 presentan,
como en la figura 5, un flanco 33 de carga inclinado con un ángulo
\alpha negativo con respecto a la normal al eje de la conexión,
un flanco 35 de enchufe inclinado con un ángulo \beta positivo
con respecto a esta misma normal y una cresta 39 de hilo y están
separados por un fondo 37 de hilo.
Los hilos hembras 32 de la figura 11 presentan
características correspondientes a las de los hilos machos 31 de la
figura 12 con un flanco 34 de carga, un flanco 36 de enchufe, una
cresta 38 de hilo y un fondo 40 de hilo, teniendo el mismo paso y
la misma orientación que los de los hilos machos 31 con respecto al
eje de la conexión.
La anchura de las crestas 39, 38 de hilo macho y
hembra es superior a la de los fondos 40, 37 de hilo conjugados, de
modo que, en un momento dado del enroscado, los flancos machos 33,
35 están ambos en contacto con sus conjugados hembras 34, 36
mientras que subsiste un espacio radial entre crestas 39, 38 de hilo
y fondos 40, 37 de hilo conjugado, pero también se podría utilizar
una variante no representada en la cual existe una interferencia
radial positiva entre la cresta de hilo de una sola rosca y el
fondo de hilo conjugado.
El hilo macho 31 presenta una ranura 61 que
desemboca en la cresta 39 de hilo macho, ranura cuyo perfil es en V
con fondo redondeado, siendo el eje de la V sensiblemente normal al
eje de la conexión.
La profundidad de la ranura 61, medida
radialmente, es igual al 65% de la altura del hilo macho 31 y su
fondo es un arco de circunferencia de radio 0,4 mm.
El ángulo entre las dos ramas de la V de la
ranura 61 es de 35º e induce en el hilo macho 31 de la figura 12
una anchura de ranura en su desembocadura en la cresta de hilo
igual al 34% de la anchura de hilo macho tomada a media altura.
El hilo hembra 32 presenta una ranura 62 que
desemboca en la cresta 38 de hilo hembra, de igual geometría que la
ranura 61 del hilo macho 31 y dispuesta en el hilo hembra de la
misma forma que la ranura 61.
Las ranuras 61, 62 de este tipo transforman cada
uno de los hilos 31, 32, sometidos a esfuerzos de compresión en los
dos flancos 33, 34, 35, 36 en dos vigas empotradas 63+65, 64+66,
sometidas a esfuerzos de flexión.
La flexibilidad que resulta de ello induce una
disminución de las fuerzas de ajuste por interferencia cuando se
enrosca la conexión más allá del punto de contacto simultáneo de
los flancos y por consiguiente una disminución de la pendiente
dT/dN de la curva del par de enroscado en función de la
rotación.
La profundidad de ranura y su anchura en su
desembocadura en la cresta de hilo son parámetros sobre los que se
puede actuar para obtener una pendiente dT/dN de la curva de par de
enroscado en función de la rotación que no sea demasiado elevada,
que quede por ejemplo del orden de 20 kN.m/vuelta.
La profundidad de ranura debe ser inferior o
igual a la altura de hilo puesto que, de lo contrario, se
debilitaría la estructura de la conexión de una manera
inaceptable.
La anchura de ranura en su desembocadura en la
cresta de hilo debe ser inferior o igual a los 2/3 de la anchura
del hilo medida a media altura de éste para conservar una rigidez
suficiente en correspondencia con las vigas 63, 65, 64, 66.
El radio de 0,4 mm para el fondo de ranura
permite limitar las concentraciones de esfuerzo en el fondo de
ranura.
Como lo muestra la curva E de la figura 13, una
estructura de este tipo, de hilos con ranura, permite realizar el
enroscado bajo un par nominal superior al valor mínimo deseado para
la dimensión considerada de tubos (27 kN.m: véase la tabla 1). La
curva de par de enroscado presenta un cambio de pendiente dT/dN más
allá de 25 kN.m: la pendiente es del orden de 24 kN.m/vuelta al
inicio y baja por encima de 25 kN.m a unos 9 kN.m/vuelta, lo que
permite una autolimitación del par de enroscado y un posicionado
exacto de los topes y superficies de sello. A título de
comparación, la curva D de la figura 13, relativa a unos hilos
similares pero sin ranura, presenta una pendiente relativamente
constante del orden de 40 kN.m/vuelta.
La conexión según la presente invención puede
realizarse según numerosas variantes, no siendo en forma alguna
limitativos los pocos ejemplos de realización presentados.
En particular, la presente invención puede
aplicarse también a:
- -
- una conexión 100 roscada denominada integral, estando dispuesto un elemento macho 1 en el extremo de un primer tubo metálico 101 de gran longitud y estando dispuesto un elemento hembra 2 en el extremo de un segundo tubo metálico 102 igualmente de gran longitud;
- -
- una conexión 200 roscada denominada con cople representado en la figura 14, en el cual dos tubos metálicos 101, 101' de gran longitud que incluyen un elemento macho 1, 1' en el extremo están conectados por medio de un cople metálico 202 el cual está provisto, en cada uno de sus extremos, de un elemento hembra 2, 2', empleando tal conexión roscada con cople de este tipo dos conexiones 100, 100' roscadas según la invención.
Claims (15)
1. Conexión roscada (100) de dos tubos metálicos
que comprende un elemento macho (1) en el extremo de un primer tubo
metálico enroscado en un elemento hembra (2) en el extremo de un
segundo tubo metálico, incluyendo el elemento macho (1)
exteriormente una rosca macho (3) cónica, con hilos trapezoidales
(11, 71, 31) que comprenden dos flancos, a saber un flanco (13, 73,
33) de carga y un flanco (15, 75, 35) de enchufe, siendo la anchura
\ell 3) en la cresta (17, 77, 39) de hilo macho inferior a la
anchura (\ell 1) en la base del hilo macho, incluyendo el
elemento hembra (2) interiormente una rosca hembra (4) cónica de
hilos trapezoidales (12, 72, 32) de forma conjugada a la forma de
la rosca macho (3), siendo la anchura (\ell 3, \ell 4) de las
crestas de hilo en cada una de las roscas macho y hembra superior a
la anchura (\ell 6, \ell 5) de los fondos de hilo de la rosca
conjugada, caracterizada porque el elemento macho (1) se
posiciona por enroscado en el elemento hembra (2) en una posición
relativa de estos dos elementos situada más allá de la posición en
la cual, en el curso del enroscado, los dos flancos (13, 15, 73, 75,
33, 35) de los hilos machos (11, 71, 31) entran en contacto con los
dos flancos (14, 16, 74, 76, 34, 36) de los hilos hembras (12, 72,
32), de manera que se induzca un ajuste por interferencia axial de
los hilos machos por parte de los hilos hembras y
recíprocamente.
2. Conexión roscada según la reivindicación 1,
caracterizada porque la interferencia diametral entre las
crestas (17, 20) de hilo de cada una de las dos roscas macho y
hembra (3, 4) y los fondos (18, 19) de hilo de la rosca conjugada
(4, 3) es negativa o nula al final del enroscado.
3. Conexión roscada según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque subsiste un espacio radial (x1,
x2) por lo menos igual a 0,15 mm entre las crestas y los fondos
de hilos conjugados cuando los dos flancos (13, 15) de los hilos
machos entran en contacto con sus conjugados hembras (14, 16)
durante el enroscado.
4. Conexión roscada según la reivindicación 1,
caracterizada porque la interferencia diametral entre las
crestas (77, 80) de hilo de una sola de ambas roscas, macho o
hembra (3, 4), y los fondos (78, 79) de hilo de la rosca conjugada
(4, 3) es positiva al final del enroscado.
5. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el ángulo
\delta entre el flanco (13, 14, 73, 74, 33, 34) de carga y el
flanco (15, 16, 35, 36, 75, 76) de enchufe de los hilos macho o
hembra es inferior o igual a 20º.
6. Conexión roscada según la reivindicación 5,
caracterizada porque el ángulo \delta está comprendido
entre 7 y 20º.
7. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque, para cada una
de las roscas macho y hembra (3, 4), las crestas (17, 20, 77, 80,
39, 38) de hilo quedan en la vertical de los fondos (19, 18, 79,
78, 37, 40) de hilo por el lado de los flancos (13, 14, 73, 74, 33,
34) de carga, estando comprendido el ángulo (\alpha) entre dichos
flancos de carga y la normal a la conexión entre 0 y -15º.
8. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque por lo menos
una de las roscas macho y/o hembra (3, 4) incluye una ranura (61,
62) que desemboca en la cresta (39, 38) de hilo, en la totalidad o
en parte de la longitud de la rosca o de las roscas.
9. Conexión roscada según la reivindicación 8,
caracterizada porque la ranura (61, 62) tiene una
profundidad como máximo igual a la altura de hilo.
10. Conexión roscada según la reivindicación 8 ó
9, caracterizada porque la ranura (61, 62) posee una anchura
en su desembocadura en la cresta (39, 38) de hilo como máximo igual
a los 2/3 de la anchura de hilo medida a media altura de hilo.
11. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque la ranura (61,
62) posee un perfil en U o en V con fondo redondeado.
12. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque cada uno de
los elementos macho y hembra (1, 2) comprende por lo menos una
superficie (5, 6) de sello, teniendo cada superficie macho (5) de
sello una orientación sensiblemente longitudinal e interfiriéndose
radialmente con una superficie hembra conjugada (6) de sello al
final del apriete.
13. Conexión roscada según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque cada uno de
los elementos macho y hembra (1, 2) comprende por lo menos una
superficie (7, 8) de apoyo de orientación sensiblemente
transversal, estando por lo menos una superficie macho (7) de apoyo
a tope con una superficie hembra (8) de apoyo al final del
apriete.
14. Conexión roscada (100) según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque comprende
un elemento macho (1) dispuesto en el extremo de un primer tubo
metálico (101) de gran longitud y un elemento hembra (2) dispuesto
en el extremo de un segundo tubo metálico (102) igualmente de gran
longitud.
\newpage
15. Utilización de dos conexiones roscadas (100,
100') según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para conectar
dos tubos metálicos (101, 101') de gran longitud que incluyen un
elemento macho (1, 1') en el extremo por medio de un cople metálico
(202), el cual está provisto en cada uno de sus extremos de un
elemento hembra (2, 2').
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