ES2236207T3 - Elemento roscado tubular achaflanado resistente a la fatiga. - Google Patents
Elemento roscado tubular achaflanado resistente a la fatiga.Info
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Abstract
Elemento roscado tubular macho o hembra (2, 51, 62) de perfil antifatiga para una junta roscada tubular (100, 200) apta para resistir esfuerzos tanto estáticos como cíclicos, realizado en el extremo de un tubo (101, 102, 202), que comprende una rosca macho (3) en su superficie periférica exterior o una rosca hembra (4) en su superficie periférica interior según que el elemento roscado sea de tipo macho o hembra, comprendiendo dicho elemento roscado tubular un achaflanado en forma de ranura de revolución (30, 31) de la pared del elemento roscado realizado en correspondencia con la rosca (3, 4) a partir de la superficie periférica (103, 104) del elemento roscado tubular opuesta a aquélla en la que esté realizada la rosca sin afectar a la geometría de los hilos (11, 12) de la rosca, caracterizado porque el grosor de la pared medido a partir del fondo de hilo está reducido por la ranura (30, 31) por lo menos al nivel de los primeros hilos enroscados para reducir su rigidez, los primeros hilos enroscados comprendiendo el primer hilo enroscado y los hilos siguientes y porque, al nivel de la ranura, el grosor de pared medido a partir del fondo de hilo es mínimo en un plano transversal (40, 41) denominado plano transversal de grosor mínimo de pared situado en un intervalo entre el primer hilo enroscado (21, 22) y el sexto hilo enroscado.
Description
Elemento roscado tubular achaflanado resistente a
la fatiga.
La presente invención se refiere a un elemento
roscado tubular macho o hembra de una junta roscada tubular
particularmente apta para resistir los esfuerzos, tanto estáticos
como cíclicos.
La presente invención se refiere también a una
junta roscada tubular particularmente apta para resistir los
esfuerzos tanto estáticos como cíclicos.
Las juntas roscadas tubulares comprenden un
elemento roscado macho en el extremo de un primer tubo y un
elemento roscado hembra en el extremo de un segundo tubo que puede
ser un tubo de gran longitud o bien un copie. Estas juntas roscadas
se utilizan especialmente para constituir columnas de tubos de
forrado o de producción o trenes de varillas de perforación para
pozos de hidrocarburos o para pozos similares tales como, por
ejemplo, pozos para la geotermia.
El American Petroleum Institute (API) define en
su especificación API 5B juntas roscadas entre tubos de forrado o
entre tubos de producción especialmente con roscas cónicas de hilos
triangulares redondeados o trapezoidales.
Se conocen igualmente otros tipos de juntas
roscadas que emplean roscas cilíndricas o cónicas de doble etapa:
véanse por ejemplo las patentes US 4 521 042 y US 5 687 999.
Hasta hace poco tiempo, los tubos de forrado o de
producción debían ser esencialmente capaces de resistir las
diferentes combinaciones de esfuerzos estáticos (tracción axial y
compresión axial, flexión plana, presión interior o exterior) a
pesar de su grosor limitado, a causa de la necesidad de enfilar
diversas columnas de diámetros diferentes las unas en las otras
para poder explotar un pozo profundo.
Por el contrario, las varillas de perforación que
sólo se utilizan para excavar los pozos están sometidas a esfuerzos
cíclicos (dinámicos) importantes pero, en cambio, no están
sometidas a exigencias respecto al volumen, haciéndose descender,
en un momento dado, un solo tren de varillas de un diámetro
dado.
Los esfuerzos cíclicos, si no están estrictamente
limitados, conducen en servicio a roturas por fatiga iniciadas en
la raíz de los hilos, generalmente por el lado de los flancos de
carga que están bajo carga en servicio, más particularmente al nivel
de los últimos hilos enroscados de cada uno de los elementos
roscados de las varillas de perforación.
Se designan en lo que sigue del presente
documento por primeros hilos los hilos que, en sección longitudinal
que pasa por el eje del elemento roscado, están situados por el
lado del extremo libre del elemento roscado. Los últimos hilos son
por consiguiente aquéllos que están situados en el otro extremo de
la rosca.
Por hilos enroscados se entienden en primer lugar
los hilos de una junta roscada tubular que transfieren la carga de
un elemento roscado tubular al elemento roscado tubular
conjugado.
Cuando la junta roscada está sometida a esfuerzos
de tracción, los hilos enroscados son aquéllos cuyos flancos de
carga están en contacto y transfieren la carga de un elemento
roscado al elemento roscado conjugado.
Por extensión, se entiende por hilos enroscados
de un elemento roscado tubular en el presente documento los hilos
destinados a transferir la carga sobre los hilos correspondientes
de un elemento tubular conjugado cuando estos dos elementos
roscados tubulares sean conectados para constituir una junta roscada
tubular.
La posición de los hilos enroscados de un
elemento roscado tubular es conocida por el dibujo del elemento
roscado. Es un dato teórico definido por las dimensiones nominales
de los elementos roscados que deben ser conectados.
La posición de los últimos o de los primeros
hilos enroscados puede por lo tanto estar perfectamente definida en
un elemento roscado tubular destinado a una junta roscada.
Sin embargo, el problema de la resistencia a la
fatiga no se plantea ya solamente para las varillas de perforación,
sino también para las columnas de tubos de explotación de ciertos
pozos para hidrocarburos.
Las juntas roscadas tubulares que permiten
constituir tales columnas deben entonces ser capaces de soportar a
la vez esfuerzos estáticos elevados y esfuerzos cíclicos.
Se vuelven a encontrar ahora tales exigencias de
resistencia a los esfuerzos en las columnas submarinas que unen el
fondo del mar con las plataformas de explotación de los
hidrocarburos en el mar.
Tales columnas de tubos, denominadas
"risers" en el léxico anglosajón del técnico en la materia,
están sometidas en efecto a los esfuerzos cíclicos causados en
particular por las corrientes que inducen que la columna se ponga a
vibrar, por las olas, por las mareas y el desplazamiento eventual
de las mismas plataformas, todos ellos esfuerzos que inducen
esencialmente esfuerzos cíclicos de flexión y/o de
tracción-compresión.
Tales exigencias de resistencia a los esfuerzos
se hallan asimismo en pozos terrestres, especialmente durante el
descenso de los tubos en rotación para cementar los pozos en el
caso muy frecuente de pozos desviados de la vertical que presentan
codos, el cual descenso en rotación genera entonces flexión
rotati-
va.
va.
Es por ello que se ha intentado mejorar las
juntas roscadas tubulares para tubos de forrado, de producción o
para "risers" de manera que se aumente su resistencia a la
fatiga.
El estado de la técnica de las conexiones
roscadas tubulares o no tubulares (del tipo
tornillo-tuerca, por ejemplo) propone medios para
mejorar la resistencia a la fatiga de las conexiones roscadas
sometidas a cargas de tracción axiales que pueden variar
cíclicamente.
La solicitud de patente WO 00/06936 describe un
elemento roscado hembra para una junta roscada tubular cuya
superficie periférica exterior es cónica con un diámetro que
disminuye a medida que se acerca al extremo libre hembra de manera
que el grosor de materia bajo la rosca es reducido al nivel de los
primeros hilos. Resulta también de ello una gran sensibilidad a los
choques del extremo libre hembra que es muy delgado.
Este documento WO/06936 describe también un
achaflanado en la superficie interior periférica del elemento macho
roscado cerca de su extremo libre. Este achaflanado poco profundo
se extiende, según la figura 2 de dicho documento, desde el
extremo libre macho por una parte cilíndrica bajo el labio macho y
termina por un chaflán cónico bajo el segundo hilo macho de manera
que el grosor de la pared del elemento es mínimo al nivel del labio
fuera de los hilos enroscados.
Ninguna función particular resulta divulgada como
asociada con este achaflanado pero se observa que este permite
asegurar la continuidad del diámetro interno en la conexión entre
elementos macho y hembra y así reducir las turbulencias en la
circulación del fluido interior a pesar de las diferencias de
diámetro interior de los tubos debidas a tolerancias de
fabricación.
Numerosos documentos, entre ellos la patente US 5
779 416 y las solicitudes de patente JP 04.157.280 y JP 04.157.283
utilizan una ranura en forma de U más allá de los últimos hilos
machos enroscados en la parte no roscada bajo tracción del elemento
roscado macho. Una ranura de este tipo presenta en particular el
inconveniente de reducir la sección crítica de la junta roscada que
es la sección de la pared más forzada en tracción axial y por lo
tanto de reducir las prestaciones estáticas en tracción de la junta
roscada.
La patente US 3 933 074 describe una tuerca para
una conexión empernada cuya rosca interior es interrumpida al nivel
de los primeros hilos enroscados por varias acanaladuras axiales en
hueco dispuestas regularmente por la periferia de la rosca de
manera que se desplace la zona de transferencia máxima de esfuerzo
de tracción axial entre tornillo y tuerca desde el primer hilo
hembra enroscado hacia el medio de longitud axial de la tuerca.
Estas acanaladuras, cuya longitud puede alcanzar
la mitad de la longitud de la rosca y cuya profundidad puede ir
hasta el 80% de la altura de hilo, aumentan la flexibilidad de los
primeros hilos enroscados pero reducen aproximadamente en 20% la
superficie de carga de los hilos en la zona en la que están
realizadas, lo cual es un inconveniente cuando se trata de obtener
una resistencia elevada a los esfuerzos estáticos y obtener una
junta roscada tubular estanca entre el interior y el exterior de
los tubos.
Además, las soluciones para los pernos en los
cuales las tuercas están apoyadas por el lado de los primeros hilos
contra la cabeza de tornillo (por el lado de los últimos hilos de
tornillo) no son forzosamente directamente aplicables a juntas
roscadas tubulares.
La patente FR 1 317 815 describe una ranura
anular de perfil en cubeta relativamente poco profunda realizada
por la superficie periférica exterior de un elemento roscado hembra
de una varilla de perforación.
Según las figuras de esta patente, la ranura está
dispuesta en el medio de la rosca y no afecta a la pared al nivel
de los primeros o los últimos hilos. Permite extender las
concentraciones de esfuerzo sobre el conjunto de la rosca macho
aumentando los esfuerzos al nivel de los hilos situados bajo la
ranura hacia el medio de la rosca.
Esta patente, sin embargo, no dice a qué
esfuerzos corresponden los campos de esfuerzos ilustrados en estas
figuras (torsión, tracción, compresión, flexión); parece que se
trate de los esfuerzos que resultan simplemente del estado de
enroscado de los elementos roscados de las varillas de
perforación.
Se observará también que, siempre según las
figuras de esta patente, la ranura presenta un fondo plano paralelo
al eje de la junta roscada y unos flancos abruptos, sensiblemente
normales al fondo de ranura y a la superficie periférica
exterior.
Las solicitudes de patente JP
58-187684 y EP 0 032 265 describen un elemento
roscado macho provisto de una ranura anular de perfil en cubeta
realizada por la superficie periférica interior del elemento
roscado al nivel del labio no roscado en extremo libre o realizada
esencialmente al nivel de este labio.
En estos dos documentos se prevé un labio para
mejorar otras características de una junta roscada tubular
distintas de la resistencia a la fatiga (resistencia al gripado, a
la corrosión bajo esfuerzo, enclavamiento de los elementos roscados
en su posición) y nada sugiere en estos dos documentos que una
ranura realizada bajo el labio macho (y eventualmente sobresaliendo
ligeramente por debajo de los dos primeros hilos machos en el caso
del documento japonés) pueda mejorar la resistencia a la fatiga de
una junta roscada tubular.
En la presente invención se ha tratado de
realizar un elemento roscado tubular macho o hembra para juntas
roscadas tubulares que sea particularmente resistente, a la
vez:
a) a los esfuerzos estáticos, especialmente de
tracción axial, de compresión axial, de flexión, de torsión, de
presión interior o exterior, de desencajado durante el enroscado,
simples o combinados (por ejemplo tracción + presión interior);
b) a los esfuerzos cíclicos, en particular de
flexión y de tracción-compresión.
En lo que sigue del presente documento, un
elemento roscado de este tipo se ha diseñado como que posee un
perfil antifatiga.
También se ha tratado de que el elemento roscado
tubular según la invención pueda realizarse con todo tipo de
roscas, cónicas, cilíndricas, combinadas
cilíndrico-cónicas, con una o varias etapas, con
hilos trapezoidales o triangulares, interferentes o no
interferentes; las roscas no interferentes podrán ser por ejemplo
del tipo descrito en la solicitud EP 454 147 con contacto
simultáneo de los dos flancos con los del hilo conjugado (también
denominadas "rugged thread"), con ajuste por interferencia
axial del tipo descrito en el documento WO 00/14441 o de tipo cuña
de anchura variable como se describe por ejemplo en la patente US Re
30 647.
Se ha tratado además de que el elemento roscado
pueda realizarse fácilmente y controlarse fácilmente.
El elemento roscado según la invención debe
poderse utilizar para constituir juntas roscadas destinadas a
columnas de tubos de producción de hidrocarburos, de forrado de
pozos o de explotación submarina ("risers") o destinados a
utilizaciones similares.
Se ha tratado además de realizar juntas roscadas
tubulares estancas, especialmente a los gases, incluso bajo
esfuerzos cíclicos.
El elemento roscado según la invención debe poder
ser utilizado, en variante, para constituir trenes de varillas de
perforación.
También se ha tratado de realizar una junta
roscada tubular en la cual uno solo de los elementos roscados, por
ejemplo el elemento hembra, se ha modificado para resistir los
esfuerzos cíclicos pero que acepta a un elemento roscado conjugado
no modificado.
En variante, se ha tratado también de realizar
una junta roscada tubular en la cual los dos elementos roscados se
han modificado para que resistan los esfuerzos cíclicos.
El elemento roscado tubular macho o hembra
denominado de perfil antifatiga está realizado en el extremo de un
tubo y comprende una rosca macho en su superficie periférica
exterior o una rosca hembra en su superficie periférica interior
según que el elemento roscado tubular sea del tipo macho o del tipo
hembra.
Este elemento roscado tubular está destinado a
ser conectado por enroscado a un elemento roscado tubular del tipo
conjugado (es decir hembra si el elemento roscado considerado es
macho, y viceversa) para constituir una junta roscada tubular apta
para resistir los esfuerzos tanto estáticos como cíclicos.
Este elemento roscado tubular comprende un medio
que aumenta la flexibilidad de los primeros hilos enroscados y que
pretende con ello disminuir la transferencia de carga entre los
primeros hilos enroscados del elemento roscado tubular y los
últimos hilos enroscados de un elemento roscado tubular conjugado
cuando estos dos elementos forman una junta roscada tubular
sometida a esfuerzos de tracción.
Este medio comprende un achaflanado en forma de
ranura de la pared del elemento roscado a partir de la superficie
periférica opuesta a aquélla en la que esté realizada la rosca. La
ranura no afecta a la geometría de los hilos, estando realizada
entre la envolvente de los fondos de hilo y la superficie periférica
opuesta a la de la rosca.
Está realizada en correspondencia con la
rosca.
Según la invención definida en la reivindicación
1, la ranura es tal que, al nivel de los primeros hilos enroscados,
el grosor de pared bajo la rosca, es decir el grosor de pared
medido a partir del fondo de hilo, está reducido por la ranura.
La función de esta ranura es disminuir la rigidez
de la pared bajo la rosca al nivel de los primeros hilos
enroscados, variando la rigidez de la pared con el grosor de ésta
bajo la rosca.
Tal disminución de la rigidez de la pared reduce
la rigidez de los primeros hilos enroscados (o aumenta su
flexibilidad) y disminuye por lo tanto a su nivel la transferencia
de carga en tracción y resulta de ello una disminución del pico de
esfuerzos al nivel de los últimos hilos enroscados en un elemento
roscado conjugado al elemento roscado considerado y enroscado en
posición a éste para constituir una junta roscada tubular.
Con una dimensión de ranura idéntica, el inventor
ha constatado que la disposición de la ranura según la invención
permitía optimizar y garantizar las características de
funcionamiento tanto estáticas como dinámicas (fatiga) del elemento
roscado considerado enroscado en posición a un elemento roscado
conjugado en una junta roscada tubular.
Preferentemente, la ranura comienza bajo el
primer hilo enroscado de la rosca.
Preferentemente, la ranura acaba en un intervalo
axial, comprendido entre una sección de medio de la rosca y una
sección situada al nivel de los últimos hilos enroscados.
Preferentemente, la ranura según la invención
posee una forma de revolución con respecto al eje del elemento
roscado tubular en una misma sección transversal. La misma
disminuye por lo tanto la rigidez de la misma manera
circunferencialmente alrededor del elemento roscado tubular.
También preferentemente, la ranura según la
invención disminuye en su vertical la rigidez de la pared que
soporta los hilos de manera variable pero progresiva siguiendo una
dirección axial del elemento roscado tubular.
Tal disposición evita la constitución de
concentración local de esfuerzos susceptible de destruir el efecto
beneficioso de la disminución de la rigidez de la estructura sobre
la transferencia de las cargas, o incluso de crear inicios de
rotura por fatiga.
Al nivel de la ranura según la invención, el
grosor de pared bajo la rosca es mínimo en un plano transversal
preferentemente situado en un intervalo entre los hilos enroscados
primero y sexto.
Muy preferentemente, este grosor mínimo de pared
bajo la rosca es superior o igual a la altura de hilo y
ventajosamente sensiblemente igual a dos veces la altura de
hilo.
La idea de una ranura tan profunda va contra la
opinión general que apunta a reforzar la robustez de los elementos
roscados teniendo en cuenta su aplicación en condiciones a menudo
difíciles en la obra de perforación y los esfuerzos que deben
soportar en servicio a pesar de un grosor limitado.
También muy preferentemente, el grosor de pared
bajo la rosca al nivel de la ranura es mínimo y constante por una
longitud axial no nula.
También muy preferentemente, debido a la ranura,
el grosor de pared bajo la rosca está comprendido entre el 100 y el
120% del grosor mínimo de pared bajo la rosca en una zona
denominada "zona de baja rigidez".
Esta zona de baja rigidez está dispuesta
alrededor del plano transversal de grosor mínimo de pared bajo la
rosca y se extiende por una longitud axial superior o igual a tres
pasos de hilo.
Esto permite una disminución sensiblemente máxima
de rigidez en un intervalo suficiente para prevenirse de las
variaciones de posicionado real de los primeros hilos enroscados
con respecto al dibujo debido a las tolerancias de fabricación
sobre el elemento roscado tubular.
Preferentemente, el perfil de la ranura es tal
que la sección crítica del elemento roscado para los esfuerzos
axiales, especialmente de tracción está situada fuera del
achaflanado, también preferentemente, debido a la ranura, el grosor
de pared bajo la rosca al nivel de los tres últimos hilos
enroscados está comprendido entre el 80% y el 100% del grosor en la
zona no achaflanada. La totalidad de la carga de tracción debe en
efecto ser absorbida por la sección crítica de la pared al nivel
del último hilo de la ros-
ca.
ca.
Preferentemente, la ranura posee flancos cuya
inclinación con respecto al eje del elemento roscado tubular es
inferior o igual a 45°.
Preferentemente, el flanco de ranura dirigido
hacia el lado del extremo libre del elemento roscado es globalmente
más inclinado que el otro flanco de ranura con respecto al eje del
elemento roscado.
También preferentemente, el perfil de ranura es
una curva constituida por una serie de arcos de circunferencia de
radio finito o infinito enlazados tangencialmente el uno al otro,
correspondiendo los arcos de circunferencia de radio infinito a
segmentos de recta.
También preferentemente, la ranura se enlaza a la
parte corriente no socavada de la superficie periférica en la que
está realizada por una zona de enlace tangencial de forma
tórica.
En variante, la ranura puede estar llenada
parcial o totalmente de un material cuyo módulo de elasticidad es
inferior al del elemento roscado tubular.
Preferentemente aún, sea cual fuere el modo de
realización de la ranura según la invención, los hilos son de forma
trapezoidal.
La invención se refiere igualmente a una junta
roscada tubular de resistencia elevada a los esfuerzos estáticos y
cíclicos, que comprende un elemento roscado tubular macho en el
extremo de un primer tubo conectado por enroscado a un elemento
roscado tubular hembra en el extremo de un segundo tubo por medio de
una rosca macho en el elemento roscado tubular macho y de una rosca
hembra en el elemento roscado tubular hembra.
Por tubo se entiende tanto un tubo de gran
longitud como un tubo de pequeña longitud, tal como un cople.
La junta roscada tubular según la invención se
caracteriza porque por lo menos uno de los elementos roscados
tubulares, el macho o el hembra, es del tipo con achaflanado según
la invención definida anteriormente.
Ventajosamente desde el punto de vista de las
prestaciones en esfuerzos cíclicos, los dos elementos macho y
hembra son del tipo con achaflanado según la invención.
Otras ventajas y características de la invención
aparecerán en la descripción detallada que sigue y en los dibujos
anexos. La descripción detallada y los dibujos anexos podrán por lo
tanto no solamente servir para hacer comprender mejor la invención
sino también contribuir a su definición, en su caso.
Las figuras que siguen describen de manera no
limitativa un modo de realización y de utilización de elementos
roscados tubulares y de juntas roscadas tubulares según la
invención.
Las figuras 1 a 7 son semisecciones
longitudinales que pasan por el eje del elemento roscado tubular o
de la junta roscada tubular considerada.
La figura 1 representa un elemento roscado
tubular hembra según la invención.
La figura 2 representa un elemento roscado
tubular macho del estado de la técnica.
La figura 3 representa una junta roscada tubular
según la invención obtenida por conexión de los elementos roscados
de las figuras 1 y 2.
La figura 4 representa un elemento roscado
tubular macho según la invención.
La figura 5 representa otra junta roscada tubular
según la invención obtenida por conexión de los elementos roscados
de las figuras 1 y 4.
La figura 6 representa una conexión roscada
tubular con copie que comprende dos juntas roscadas tubulares según
la invención del tipo de la figura
3.
3.
La figura 7 representa una variante del elemento
roscado tubular hembra según la invención de la figura 1.
La figura 2 representa un elemento roscado
tubular macho 1 del estado de la técnica.
Este elemento roscado macho 1 está realizado en
el extremo de un tubo 101.
Comprende una rosca macho 3 constituida por una
parte roscada cónica de longitud L_{FM} mecanizada en la
superficie periférica exterior 105 del tubo 101.
Los hilos 11 de la rosca 3 son de forma
trapezoidal. Poseen por el lado opuesto al extremo libre 7 del
elemento roscado 1 un flanco 13 de carga que permite transferir la
carga de un elemento roscado 3 al elemento roscado conjugado 4
cuando estos dos elementos roscados son conectados para constituir
una junta roscada tubular y son sometidos a una
tracción axial.
tracción axial.
El primer hilo 21 es el que está dispuesto por el
lado del extremo libre 7 del elemento roscado 1.
El hilo 23 es el último hilo de la rosca y es un
hilo desvaneciente, es decir un hilo cuya cúspide está truncada
por la superficie periférica exterior 105 del tubo 101.
Los hilos 21 y 23 son respectivamente los hilos
primeros y últimos concebidos para estar enroscados con los hilos
correspondientes de un elemento roscado tubular hembra en la junta
roscada conectada (véase más adelante la figura 3).
La superficie periférica interior 103 del
elemento roscado 1 que es la superficie opuesta a la 104 en la cual
está realizada la rosca se extiende uniformemente desde el cuerpo
del tubo 101 hasta el extremo libre 7 del elemento roscado.
La figura 2 muestra también un labio no roscado
opcional dispuesto entre el primer hilo 21 y el extremo libre 7.
Este labio presenta en su superficie periférica exterior una
superficie de asiento 5.
La pared bajo la rosca está constituida por la
materia de la pared entre el fondo de hilo 19 y la superficie
periférica interior 103.
Esta pared no es infinitamente rígida, pero posee
cierta rigidez, en particular una rigidez axial que es proporcional
al grosor de pared bajo la rosca.
Esta rigidez varía muy ligeramente de un extremo
al otro de la rosca debido a la conicidad de la rosca, pero esta
variación es limitada dado que la conicidad de la rosca es pequeña
(6,25% en el caso de las roscas "Buttress" según la
especificación API 5B).
La figura 1 representa un elemento roscado
tubular hembra 2 según la invención.
El elemento roscado hembra 2 está realizado en el
extremo de un tubo 102.
Comprende una rosca hembra 4 constituida por una
parte roscada cónica de longitud L_{FF} mecanizada en la
superficie periférica interior del tubo 102.
Esta rosca hembra 4 es conjugada de la rosca
macho 3 del elemento roscado macho 1, es decir que tienen el mismo
paso de rosca, la misma conicidad, el mismo diámetro primitivo de
referencia y la misma forma de hilo.
Los hilos 12 de la rosca hembra 4 son también de
forma trapezoidal. Comprenden un flanco de carga 14 conjugado del
flanco de carga 13 de las roscas machos 3.
El primer hilo es el 22 dispuesto por el lado del
extremo libre 10 del elemento roscado 2 y el último hilo es el 24
dispuesto en el otro extremo de la rosca. Son también los primeros
y últimos hilos enroscados como se verá más adelante.
La superficie periférica externa 104 es la
opuesta a la superficie en la cual está realizada la rosca 4.
Esta superficie está socavada o achaflanada al
nivel de la rosca 4 por una ranura 30 de flanco muy poco
inclinado: el flanco 36 por el lado de extremo libre está inclinado
en 15° y el flanco 38 en 9° con respecto al eje XX del elemento
roscado 2; el flanco 36 es por lo tanto globalmente más inclinado
que el flanco 38 con respecto a este eje.
La ranura 30 reduce significativamente el grosor
de materia bajo la rosca y por lo tanto la rigidez de la pared
bajo la rosca.
La reducción de grosor causada por la ranura
alcanza en el caso presente más del 80% del grosor de pared bajo
la rosca medida en el punto B en la zona no achaflanada.
La ranura comienza en A al nivel del primer hilo
enroscado 22.
Debido a la posición de la ranura, la rigidez de
la pared de la rosca al nivel de los primeros hilos enroscados
(hilo 22 y los tres a la derecha de éste en la figura 1) disminuye,
lo que aumenta por consiguiente la flexibilidad de los primeros
hilos enroscados.
Una ranura que comenzara fuera de la rosca por el
lado del extremo libre 10 no tendría una mayor eficacia o no
tendría mucha más eficacia sobre la resistencia a la fatiga y
disminuiría la robustez del extremo libre 10.
Una ranura que comenzara más lejos bajo la rosca
tendría el peligro de hacer crítica, para los esfuerzos estáticos
de tracción axial, una sección de pared bajo la rosca al nivel del
fondo de ranura D o un poco más allá, mientras que la sección
crítica normal es la que se halla bajo el último hilo; resultaría
de ello una degradación de las prestaciones estáticas de la junta
roscada, en particular en tracción axial.
La ranura 30 tiene una forma de revolución
alrededor del eje del elemento roscado tubular 12.
El perfil de la ranura 30 en sección longitudinal
está constituido por una serie de arcos de circunferencia o de
segmentos de recta tangentes el uno al otro de modo que la rigidez
de la estructura varía de manera muy progresiva siguiendo una
dirección axial.
El perfil del fondo de la ranura está
particularmente constituido por arcos de gran radio que puede ser
incluso infinito, lo que corresponde entonces a segmentos de recta,
por ejemplo paralelos a la conicidad de la rosca.
El grosor de pared bajo la rosca es mínimo
(e_{min}) en el punto D que está situado entre los hilos
enroscados 4° y 5°. En el punto D en el plano de sección transversal
40, la rigidez de la pared bajo la rosca es por ello mínima.
Ventajosamente, tal como se ha indicado
anteriormente, el fondo de ranura puede seguir, por una pequeña
longitud axial, del orden de dos pasos de hilo, una recta de
inclinación idéntica a la conicidad de la rosca de modo que el
grosor de pared bajo la rosca, y por lo tanto la rigidez de pared,
es mínimo y constante por esta longitud axial.
El grosor e_{min2} medido perpendicularmente a
la conicidad es igual a la altura de hilo h_{f}.
La rigidez de la pared bajo la rosca es casi
mínima en una zona de baja rigidez situada entre los puntos E y F
en donde el grosor es solamente poco superior al grosor
e_{min2}: el grosor está allí por ejemplo comprendido entre el
100% y el 120% del grosor mínimo; la rigidez varía allí en las
mismas proporciones con respecto al valor mínimo de la
rigidez.
La distancia axial entre los puntos E y F está
comprendida entre 3 y 4 pasos de hilos, encuadrando los puntos E y
F el punto D del plano 40 en donde el grosor y la rigidez son
mínimos.
La ranura 30 acaba en 34 por el lado opuesto al
extremo libre 10, al nivel de los últimos hilos enroscados. En B,
justo más allá del último hilo enroscado, no existe ya ranura.
La rigidez de la pared bajo la rosca al nivel de
los 3 últimos hilos enroscados prácticamente no disminuye, por lo
tanto, con respecto a la de la pared no achaflanada, dado que el
grosor de la pared bajo la rosca al nivel de los últimos hilos
enroscados está comprendido entre el 80% y el 100% del grosor de
pared bajo la rosca e_{T2} en la zona no achaflanada (en B, por
ejemplo). Resulta de ello que la sección crítica del elemento
roscado 2 para los esfuerzos de tracción axial es la sección en B
que no disminuye con respecto a la de un elemento roscado similar
pero sin ranura.
La ranura 30 se enlaza en 32 a la superficie
periférica exterior 104 no socavada del tubo 102 por una
superficie tórica cuyo perfil en sección longitudinal es un arco de
circunferencia.
Se enlaza también en 34 por el lado de extremo
libre por una superficie tórica a una superficie cilíndrica 106 de
diámetro inferior al de la superficie 104 de modo que el grosor de
pared en A es reducido con respecto al grosor de pared en B.
Se observará la presencia opcional de una
superficie transversal 8 de tope y de una superficie de asiento 6
más allá de la rosca 4 yendo hacia el cuerpo del tubo.
La figura 3 representa la conexión de los
elementos roscados de las figuras 1 y 2 para formar una junta
roscada tubular 100. En esta junta roscada 100, las roscas machos y
hembras 3, 4 de los elementos roscados 1 y 2 han sido enroscadas
por ejemplo hasta que las superficies transversales opcionales 7 y
8 de los elementos roscados 1 y 2 estén a tope.
Las superficies opcionales de asiento 5 y 6 están
en contacto bajo presión de contacto y forman un par de
superficies de sello metal-metal.
La junta roscada tubular 100 es sometida a
esfuerzos de tracción axial debido por ejemplo al peso de los
tubos montados verticalmente en columna en un pozo.
La junta roscada 100 es además, en el caso
representado en la figura 3, sometida a esfuerzos de tracción axial
por la reacción de las superficies transversales 7, 8 puestas a
tope bajo un par elevado de varios KN.m que pone en tracción los
flancos de carga 13, 14.
Al no ser reducida la sección crítica del
elemento roscado 2 para los esfuerzos de tracción axial con
respecto a la de un elemento roscado similar pero sin ranura, las
prestaciones estáticas de la junta roscada 100 para los esfuerzos de
tracción axial no varían con respecto a la de una junta roscada
del estado de la técnica.
A estos esfuerzos estáticos pueden superponerse
esfuerzos cíclicos.
Cada hilo de una rosca debe transferir al hilo
correspondiente de la rosca conjugada una parte de la carga de
tracción.
Esta parte no es constante de un hilo al otro de
una misma rosca y la función de la ranura 30 en el elemento roscado
hembra es la de equilibrar la transferencia de carga entre los
diferentes hilos, por lo menos por el lado de los primeros hilos
hembras enroscados y de los últimos hilos machos enroscados en el
caso de la figura 3.
Sin esta ranura, la transferencia de carga sería
mucho más importante al nivel de estos hilos. Los últimos hilos
machos serían entonces sometidos a fuertes esfuerzos ampliados aún
más por un efecto geométrico de concentración de los esfuerzos en
la raíz de estos hilos en el radio de enlace entre el flanco de
carga y el fondo de hilo. Los radios de enlace serían entonces,
por el juego combinado de una transferencia de carga excesiva y de
una concentración de esfuerzos, el lugar de inicio de fisuras de
fatiga para juntas roscadas sometidas a cargas cíclicas, mientras
que tal aumento de esfuerzos en el caso de cargas estáticas es
incapaz de conducir a roturas.
El equilibrado de la transferencia de cargas
obtenido según la presente invención por disminución de la rigidez
de la pared bajo los primeros hilos hembras, así como la elección
conocida en sí de grandes radios de enlace entre flancos de carga
13, 14 y fondos de hilo 19, 18 permiten reducir suficientemente los
esfuerzos en las zonas críticas para evitar riesgos de rotura por
fatiga en servicio, al nivel de los últimos hilos machos enroscados
correspondientes a los primeros hilos hembras enroscados.
Se observará que, debido a la ausencia de ranura
en el elemento roscado macho, la transferencia de cargas se
mantiene desequilibrada al nivel de los primeros hilos machos
enroscados y con los últimos hilos hembras enroscados, pero se
encuentran menos frecuentemente fisuras de fatiga iniciadas en estas
zonas en las juntas roscadas del estado de la técnica.
Se observará finalmente que la elección de hilos
trapezoidales es preferible para evitar el riesgo de hinchado
radial del elemento hembra al nivel de la zona EF de baja rigidez
al final del apriete; tal hinchado podría causar el desencajado
catastrófico de los elementos roscados 1, 2 y la caída de la
columna en el pozo.
La figura 5 representa una variante 200 de junta
roscada tubular según la invención en la cual cada uno de los dos
elementos roscados, macho y hembra, está provisto de una
ranura.
El elemento roscado hembra 2 es entonces idéntico
al de la figura 1.
El elemento roscado macho 51 está representado en
la figura 4.
El elemento roscado macho 51 de esta figura
deriva del elemento roscado macho 1 de la figura 2 socavando una
ranura 31 en la superficie periférica interior 103 de este
elemento roscado, siendo esta superficie periférica 103 la
superficie opuesta a la superficie en la cual está realizada la
rosca macho 3.
La ranura 31 comienza bajo el primer hilo 21 que
es el primer hilo enroscado (véase la figura 5) y acaba hacia el
medio de la rosca.
La misma disminuye la rigidez de la pared bajo la
rosca al nivel de los primeros hilos machos.
Esta disminución es máxima en G situado entre los
hilos machos enroscados 2° y 3°, en el plano 41 en donde el grosor
de pared bajo la rosca es mínimo. Este grosor mínimo e_{min2} es
aproximadamente igual a dos veces la altura de hilo.
La disminución de la rigidez es sensiblemente
máxima en una zona de baja rigidez entre H e I, siendo la distancia
axial entre estos dos puntos un poco superior a tres pasos de
hilo.
Los flancos 37, 39 de la ranura 31 son muy poco
inclinados; se enlazan en la superficie periférica interna 103 del
elemento roscado macho 51 por superficies tóricas en 33, 35.
La misma ranura 31 posee un perfil constituido
por una serie de varios arcos de circunferencia tangentes el uno al
otro. Los radios de estos arcos de circunferencia son elevados, en
particular en fondo de ranura.
Teniendo en cuenta el perfil y la disposición de
la ranura 31, la sección crítica del elemento roscado 51 para los
esfuerzos de tracción axial es la que se halla al nivel del último
hilo enroscado 23; esta sección crítica no es reducida con respecto
a la de un elemento roscado similar pero sin ranura.
La junta roscada 200 de la figura 5 después del
enroscado en posición del elemento roscado macho 51 en el elemento
roscado hembra 2 permite todavía mejores prestaciones en fatiga que
la 100 de la figura 3, puesto que se ha realizado una ranura en
cada uno de los elementos y se ha uniformizado la transferencia de
carga en los dos extremos de cada elemento.
Sus prestaciones estáticas para los esfuerzos de
tracción axial no varían con respecto a las de las juntas roscadas
del estado de la técnica, no siendo reducida la sección crítica de
los elementos roscados 2 y 51 con respecto a la de los elementos
roscados similares pero sin ranura.
La figura 6 representa una conexión roscada con
copie constituida por dos juntas roscadas tubulares 100, 100'.
Los elementos roscados machos 1, 1' están
realizados en el extremo de los tubos de gran longitud.
Los elementos roscados hembras 2, 2' están
realizados en cabeza-soporte en un copie tubular
202 que puede considerarse como un tubo muy corto.
Cada junta roscada 100, 100' es idéntica a la de
la figura 3.
Este tipo de conexión conocido no requiere ningún
otro comentario.
La función de las ranuras 30, 30' en el 202 es
idéntica a la de la ranura 30 del elemento roscado hembra 2 de las
figuras 1 y 3.
Se ha tratado de estimar la ganancia sobre el
valor del esfuerzo máximo \sigma_{max} en el radio de enlace
entre el flanco de carga 13 y el fondo de hilo 19 de los últimos
hilos machos enroscados más cargados de una junta roscada tubular
del tipo de la figura 3 comparativamente con los mismos hilos de
una junta roscada del estado de la técnica sin ranura.
Teniendo en cuenta los resultados de resistencia
a la fatiga, se estima que la ganancia sobre el esfuerzo
\sigma_{max} debida a la ranura es del orden del 20% sobre
estos hilos, lo que da un crecimiento muy importante de la duración
de vida en fatiga.
La presente invención cubre igualmente modos de
realización, de acuerdo con la reivindicación 1, que permitan
disminuir la rigidez de la pared bajo la rosca al nivel de los
primeros hilos enroscados de manera equivalente con respecto a la
ranura descrita en detalle.
La presente invención cubre igualmente modos de
realización, de acuerdo con la reivindicación 1, en los cuales el
medio de disminuir la rigidez de la pared bajo la rosca al nivel
de los primeros hilos enroscados no esté constituido únicamente por
la ranura.
La ranura 30 puede así, por ejemplo, tal como se
representa en la figura 7, estar parcial o totalmente llenada de
una materia 50 de módulo de elasticidad inferior a la del elemento
roscado tubular 62. Esta materia 50 puede ser en particular
adherente a la superficie de la ranura y ser, por ejemplo, una
materia sintética.
La presente invención cubre también modos de
realización, de acuerdo con la reivindicación 1 de elemento roscado
en los cuales la rosca comprende varias partes roscadas
distintas.
Claims (20)
1. Elemento roscado tubular macho o hembra (2,
51, 62) de perfil antifatiga para una junta roscada tubular (100,
200) apta para resistir esfuerzos tanto estáticos como cíclicos,
realizado en el extremo de un tubo (101, 102, 202), que comprende
una rosca macho (3) en su superficie periférica exterior o una
rosca hembra (4) en su superficie periférica interior según que el
elemento roscado sea de tipo macho o hembra, comprendiendo dicho
elemento roscado tubular un achaflanado en forma de ranura de
revolución (30, 31) de la pared del elemento roscado realizado en
correspondencia con la rosca (3, 4) a partir de la superficie
periférica (103, 104) del elemento roscado tubular opuesta a
aquélla en la que esté realizada la rosca sin afectar a la
geometría de los hilos (11, 12) de la rosca, caracterizado
porque el grosor de la pared medido a partir del fondo de hilo está
reducido por la ranura (30, 31) por lo menos al nivel de los
primeros hilos enroscados para reducir su rigidez, los primeros
hilos enroscados comprendiendo el primer hilo enroscado y los hilos
siguientes y porque, al nivel de la ranura, el grosor de pared
medido a partir del fondo de hilo es mínimo en un plano transversal
(40, 41) denominado plano transversal de grosor mínimo de pared
situado en un intervalo entre el primer hilo enroscado (21, 22) y
el sexto hilo enroscado.
2. Elemento roscado tubular según la
reivindicación 1, caracterizado porque, al nivel de la
ranura, el plano transversal de grosor mínimo de pared (40, 41) esta
situado en un intervalo entre el segundo hilo enroscado y el sexto
hilo enroscado.
3. Elemento roscado tubular según la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque
la ranura comienza bajo el primer hilo enroscado (21, 22).
4. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la ranura
termina en un intervalo axial comprendido entre una sección de
medio de la rosca y una sección situada al nivel de los últimos
hilos enroscados.
5. Elemento roscado tubular según cualquiera las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, al nivel de la
ranura, el grosor mínimo de pared medido a partir del fondo de
hilo (e_{min1}, e_{min2}) es superior o igual a la altura de
hilo (h_{f}).
6. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el grosor
mínimo de pared medido a partir del fondo de hilo (e_{min1},
e_{min2}) es sensiblemente igual a dos veces la altura de hilo
(h_{f}).
7. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el grosor
mínimo de pared medido a partir del fondo de hilo es constante por
una distancia axial no nula.
8. Elemento roscado tubular según la
reivindicación 7, caracterizado porque en una zona de
grosor mínimo de pared, el fondo de ranura sigue una pendiente
similar a la de la rosca por una distancia axial del orden de dos
pasos de hilo.
9. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque, debido a
la ranura, el grosor de pared medido a partir del fondo de hilo
está comprendido entre el 100% y el 120% del grosor mínimo de pared
(e_{min1}, e_{min2}) en una zona (EF, HI) denominada zona de
baja rigidez dispuesta alrededor del plano transversal de grosor
mínimo de pared (40, 41), extendiéndose esta zona de baja rigidez
por una longitud axial superior o igual a tres pasos de hilo.
10. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el perfil
de la ranura es tal que la sección crítica del elemento roscado
para los esfuerzos de tracción está situada fuera del
achaflanado.
11. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque, debido a
la ranura, el grosor de pared medido a partir del fondo de hilo al
nivel de los tres últimos hilos enroscados está comprendido entre el
80% y el 100% del grosor de pared medido a partir del fondo de hilo
fuera del achaflanado (e_{T1}, e_{T2}).
12. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la ranura
posee flancos (36, 37, 38, 39) cuya inclinación con respecto al eje
del elemento roscado tubular es inferior o igual a 45°.
13. Elemento roscado tubular según la
reivindicación 12, caracterizado porque el flanco de ranura
(36, 37) dirigido hacia el lado del extremo libre del elemento
roscado tubular es inclinado con respecto al eje (XX) de dicho
elemento roscado tubular.
14. Elemento roscado tubular según la
reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque el flanco de
ranura dirigido hacia el lado del extremo libre del elemento roscado
es globalmente más inclinado con respecto al eje del elemento
roscado que el flanco de ranura dirigido hacia el lado opuesto
(38, 39).
15. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque el perfil
de la ranura es una curva regular constituida por una serie de
arcos de circunferencias de radios finitos o infinitos enlazados
tangencialmente el uno al otro.
16. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque la ranura
se enlaza a la parte corriente no socavada de la superficie
periférica en donde la ranura está realizada por una zona de enlace
tangencial (32, 33, 35) de forma tórica.
17. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque la ranura
está parcial o totalmente llenada de un material (50) cuyo módulo
de elasticidad es inferior al del elemento roscado tubular.
18. Elemento roscado tubular según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque la rosca
es de hilos trapezoidales (11, 12).
19. Junta roscada tubular (100, 200) destinada a
resistir esfuerzos tanto estáticos como cíclicos que comprende un
elemento roscado tubular macho en el extremo de un primer tubo
(101) conectado por enroscado a un elemento roscado tubular hembra
dispuesto en el extremo de un segundo tubo (102, 202) por medio de
una rosca macho (3) en el elemento roscado tubular macho y de una
rosca hembra (4) en el elemento roscado tubular hembra,
caracterizada porque por lo menos uno de los dos elementos
roscados tubulares, macho o hembra, es del tipo (2, 51, 62) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.
20. Junta roscada tubular (100, 200) según la
reivindicación 19, caracterizada porque los dos elementos
roscados tubulares, macho y hembra, son del tipo (2, 51, 62) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.
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