ES2352653T3 - Junta roscada para tubería de acero y método para el tratamiento superficial de la junta roscada. - Google Patents
Junta roscada para tubería de acero y método para el tratamiento superficial de la junta roscada. Download PDFInfo
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Abstract
Un proceso para el tratamiento superficial de una junta roscada para tuberías de acero que comprende un perno (1) y una caja (2), teniendo cada uno una superficie de contacto que incluye una porción roscada (3) y una porción de contacto metálica no roscada (4), en el que el proceso comprende la etapa de: aplicar un fluido de recubrimiento que contiene una resina y un polvo lubricante en un disolvente a la superficie de contacto de al menos uno del perno y la caja, y caracterizado por comprender además: secar el recubrimiento aplicado mediante calentamiento de múltiples etapas que incluye, al menos, la primera etapa de calentamiento en el intervalo de temperatura de 70ºC a 150ºC y la segunda etapa de calentamiento en el intervalo de más de 150ºC a 380ºC, para formar un recubrimiento de lubricante sólido sobre la superficie de contacto.
Description
Junta roscada para tubería de acero y método
para el tratamiento superficial de la junta roscada.
Esta invención se refiere, en general, a una
junta roscada para tuberías de acero, para su uso en la conexión
entre sí de tuberías de pozos de petróleo. Más particularmente, esta
invención se refiere a una junta roscada para tuberías de acero que
tiene un recubrimiento de lubricante sólido que tiene excelente
resistencia al gripado, estanqueidad al gas y propiedades de
prevención del óxido y que no requiere la aplicación de una grasa
compuesta que contenga un polvo de metal pesado, cuya aplicación se
llevaba a cabo convencionalmente antes de realizar cada vez el
apriete con el fin de evitar el gripado de la junta. La invención se
refiere a un proceso para el tratamiento superficial que puede
formar dicho recubrimiento de lubricante sólido.
Las tuberías de pozos de petróleo que son
tuberías de acero usadas en la perforación de pozos de petróleo
están conectadas entre sí por una junta roscada para tuberías de
acero. La junta roscada está compuesta por un perno que tiene una
rosca macho y una caja que tiene una rosca hembra.
Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1,
una rosca 3A macho está normalmente formada sobre la superficie
externa en ambos extremos de una tubería A de acero para formar un
perno 1, y una rosca 3B hembra está formada en ambos lados de la
superficie interna de un miembro de junta separado en forma de un
acoplamiento B con forma de manguito para formar una caja 2: Como
se muestra en la Figura 1, la tubería A de acero se transporta
normalmente en un estado en el que un acoplamiento B está
previamente conectado a un extremo.
Una junta roscada para tuberías de acero está
sometida a presiones compuestas debido a las fuerzas de tracción
axial producidas por el peso de la tubería de acero y el
acoplamiento y las presiones internas y externas subterráneas, y
también está sometida a calor subterráneo. Por tanto, se requiere
que una junta roscada mantenga la estanqueidad al gas
(sellabilidad) sin dañarse incluso en tales condiciones. Además,
durante el proceso de bajada de las tuberías de pozos de petróleo
es frecuente el caso en el que una junta que ha sido apretada una
vez se afloje (se suelte) y luego se vuelva a apretar. Por tanto, de
acuerdo con el API (Instituto Americano del Petróleo), se desea que
no haya casos de agarrotamiento grave, llamado gripado, y que se
mantenga la estanqueidad al gas incluso si el apriete (enroscado) y
el aflojamiento (desenroscado) se llevan a cabo diez veces para
juntas para entubado y tres veces para juntas para encamisado.
En los últimos años, con el fin de mejorar la
estanqueidad al gas, se ha introducido generalmente el uso de
juntas roscadas especiales que pueden formar un sellado
metal-metal. En este tipo de junta roscada, cada uno
de un perno y una caja tienen una porción de contacto metálica no
roscada, además de una porción roscada que tiene una rosca macho o
hembra, y tanto la porción roscada como la porción de contacto
metálica no roscada forman una superficie de contacto entre el
perno y la caja. Las porciones de contacto metálicas no roscadas
del perno y la caja se ponen en contacto íntimo entre sí para formar
una porción de sellado metal-metal y contribuir a un
aumento en la estanqueidad al gas.
En dicha una junta roscada que puede formar un
sellado metal-metal se ha usado una grasa lubricante
con alta lubricidad, llamada grasa compuesta. Esta grasa, que es un
tipo de lubricante líquido, se aplica a la superficie de contacto
de al menos uno del perno y la caja antes del apriete. Sin embargo,
esta grasa contiene una gran cantidad de polvos de metal pesado
nocivos. Cuando la grasa que se sale fuera a la periferia durante el
apriete se limpia con un agente de limpieza, la grasa compuesta y
el agente de limpieza usado fluyen al océano o la tierra y producen
contaminación medioambiental, y esto ha llegado a considerarse un
problema. Además, existía el problema de que la aplicación de grasa
y la limpieza que se repetían antes de cada apriete disminuían la
eficiencia de trabajo en el
campo.
campo.
Como juntas roscadas para tuberías de acero que
no necesitan la aplicación de una grasa compuesta, los documentos
JP 08-103724A, JP 08-233163A, JP
08-233164A y JP 09-72467A desvelan
juntas roscadas en las que un recubrimiento de lubricante sólido
que comprende una resina como aglutinante y disulfuro de molibdeno o
disulfuro de tungsteno como lubricante sólido se aplica a una
porción roscada y una porción de contacto metálica no roscada
(concretamente a la superficie de contacto) de al menos uno de un
perno y una caja.
En estas publicaciones de patente japonesas, con
el fin de aumentar la adhesión entre el recubrimiento de lubricante
sólido y el sustrato de acero se desvela cómo formar, como capa de
pintura base para el recubrimiento de lubricante sólido, una capa
de recubrimiento de conversión química de fosfato de manganeso o una
combinación de una capa de nitruro y una capa de recubrimiento de
conversión química de fosfato de manganeso, o proporcionar a la
superficie de contacto de una rugosidad superficial que tiene una
Rmáx de 5-40 \mum. El documento JP
08-103724A desvela que un recubrimiento de
lubricante sólido se forma realizando el secado al horno de un
recubrimiento aplicado con calentamiento durante
20-30 minutos en el intervalo de temperatura de
150-300ºC.
\newpage
Puede esperarse que el uso de una junta roscada
en la que la superficie de contacto de un perno y una caja tiene un
recubrimiento de lubricante sólido formado por el tratamiento
superficial para proporcionar lubricidad a la misma haría posible
prescindir de la aplicación de una grasa compuesta y, por tanto,
evitar los problemas anteriormente mencionados con respecto al
entorno y la eficiencia de trabajo.
Sin embargo, con un recubrimiento de lubricante
sólido convencional no es posible obtener un alto efecto
anti-gripado tal como puede obtenerse mediante la
aplicación de una grasa compuesta, y un defecto por agarrotamiento
llamado gripado se produce después de repetirse varias veces el
apriete y el aflojamiento. Por tanto, el efecto de un recubrimiento
de lubricante sólido convencional era insuficiente para prevenir el
gripado.
La disminución en la resistencia al gripado y la
estanqueidad al gas de una junta roscada era significativo,
particularmente cuando el periodo de almacenamiento de la junta
roscada desde su transporte desde la fábrica (es decir, desde la
formación de un recubrimiento de lubricante sólido) hasta su uso
real en un sitio de perforación para el apriete era largo (algunas
veces dura más de uno o dos años).
Además, recientemente se ha deseado una junta
roscada resistente al calor para tuberías de acero para uso en
pozos de petróleo a alta temperatura en los que la temperatura
alcanza 250-300ºC, que es superior a la temperatura
en pozos de petróleo convencionales, o en pozos de petróleo de
inyección de vapor en los que se inyecta vapor a una alta
temperatura próxima a la temperatura crítica (por ejemplo,
aproximadamente 350ºC) con el fin de mejorar la recuperación de
petróleo. Por tanto, se ha requerido una junta roscada para
garantizar la resistencia al gripado y la estanqueidad al gas
cuando una junta que ha sido apretada se somete a un ensayo de
calentamiento a una temperatura de aproximadamente 350ºC y luego se
somete a un aflojamiento y se vuelve a apretar. Con el
recubrimiento de lubricante sólido convencional descrito
anteriormente era difícil asegurar estas propiedades requeridas para
una junta roscada resistente al calor.
El documento US 6.027.145 desvela un proceso de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objeto de esta invención es proporcionar un
proceso para el tratamiento térmico de una junta roscada para
tuberías de acero que pueda formar un recubrimiento de lubricante
sólido que tenga excelente resistencia al gripado, que pueda
suprimir eficazmente la aparición de gripado tras el apriete y el
aflojamiento repetidos, incluso con una junta roscada resistente al
calor para tuberías de acero.
Es otro objeto de esta invención proporcionar
una junta roscada para tuberías de acero que pueda aliviar una
disminución en la resistencia al gripado y la estanqueidad al gas
sin usar una grasa compuesta cuando se almacena durante un periodo
prolongado desde la formación de un recubrimiento de lubricante
sólido hasta su uso en el sitio.
De acuerdo con un aspecto, la presente invención
es un proceso para el tratamiento superficial de una junta roscada
para tuberías de acero que comprende un perno y una caja, teniendo
cada uno una superficie de contacto que incluye una porción roscada
y una porción de contacto metálica no roscada, en el que el proceso
comprende la etapa de:
- aplicar un fluido de recubrimiento que contiene un aglutinante de resina y un polvo lubricante en un disolvente a la superficie de contacto de al menos uno del perno y la caja, y
- caracterizado por comprender además:
- secar el recubrimiento aplicado mediante calentamiento en múltiples etapas que incluye, al menos, una primera etapa de calentamiento en el intervalo de temperatura de 74ºC a 150ºC y una segunda etapa de calentamiento en el intervalo de más de 150ºC a 380ºC para formar un recubrimiento de lubricante sólido sobre la superficie de contacto.
\vskip1.000000\baselineskip
El proceso puede incluir adicionalmente, antes
de la etapa de aplicación del recubrimiento, una etapa de
calentamiento de la superficie de contacto que va a recubrirse hasta
una temperatura de 50ºC a 200ºC.
El recubrimiento de lubricante sólido formado de
acuerdo con el proceso de la presente invención puede poseer una
dureza de 70-140 en la escala de Rockwell M y una
fuerza de adherencia de al menos 500 N/m como se determina por el
método de SAICAS (Sistema de Análisis de Corte Superficial e
Interfacial).
Se ha encontrado que una causa de resistencia al
gripado insuficiente de un recubrimiento de lubricante sólido
convencional formado sobre la superficie de contacto de una junta
roscada para tuberías de acero es una dureza insuficiente del
recubrimiento que se produce por un secado insuficiente del
recubrimiento.
Un recubrimiento de lubricante sólido para una
junta roscada se forma, en general, aplicando un fluido de
recubrimiento que contiene una resina y un polvo lubricante (por
ejemplo, polvo de disulfuro de molibdeno) en un disolvente volátil a
la superficie de contacto de la junta roscada, seguido de
calentamiento para secar (o secar en horno) el recubrimiento
aplicado. En el caso en el que el recubrimiento aplicado se seque
mediante calentamiento a una temperatura de
150-300ºC como se empleaba en la técnica anterior,
aunque el calentamiento se lleve a cabo durante un periodo
prolongado, no es posible evaporar completamente el disolvente, y
una mínima cantidad del disolvente y la humedad están confinados en
el recubrimiento secado y conduce a la formación de defectos de
intervalo, que evitan que el recubrimiento tenga suficiente dureza y
resistencia al gripado. Dicho recubrimiento de lubricante sólido se
quita cuando se repiten el apriete y el aflojamiento, y termina
gastándose completamente, produciéndose así el contacto
metal-metal y causando el gripado.
De acuerdo con el proceso de la presente
invención descrito anteriormente, el secado se completa realizando
el secado mediante al menos dos etapas que comprenden una primera
etapa de calentamiento a una menor temperatura y una segunda etapa
de calentamiento a una mayor temperatura, dando como resultado la
formación de un recubrimiento de lubricante sólido que tiene una
dureza mayor que la obtenida en el caso en el que el secado se
realice calentando a una temperatura fijada, como se empleaba en la
técnica anterior, y que está mejorado con respecto a la resistencia
al gripado, resistencia al desgaste, adhesión y propiedades de
prevención del óxido y adaptada incluso al entorno de pozos de
petróleo a alta temperatura.
Una causa para una disminución en la resistencia
al gripado y la estanqueidad al gas encontrada en una junta roscada
convencional que tiene un recubrimiento de lubricante sólido que
comprende una resina y un polvo lubricante sobre la superficie de
contacto de la misma, cuando la junta se almacena durante un largo
periodo, es que las propiedades de prevención del óxido del
recubrimiento de lubricante sólido son notablemente inferiores a las
de una grasa compuesta, de manera que no puede proteger
completamente la superficie de contacto de la junta roscada de la
oxidación durante el almacenamiento. Si se produce óxido sobre la
superficie de contacto del perno o la caja durante el almacenamiento
de dicha junta roscada, la adhesión del recubrimiento de lubricante
sólido de la junta disminuye notablemente, y se produce la formación
de burbujas y el pelado del recubrimiento. Además, la rugosidad de
la superficie de contacto aumenta debido al óxido. Como resultado,
cuando las tuberías de acero se conectan apretando una junta
roscada, el apriete se vuelve inestable, conduciendo a la aparición
de gripado durante el apriete o el aflojamiento y a una disminución
en la estanqueidad al gas.
Se encontró que la oxidación durante el
almacenamiento de una junta roscada que tiene un recubrimiento de
lubricante sólido se produce principalmente por el envejecimiento o
el deterioro con el tiempo de la resina usada como aglutinante en el
recubrimiento de lubricante sólido, formándose particularmente
fisuras en el recubrimiento debido al deterioro de la resina por luz
ultravioleta y permitiendo que la humedad penetre por las fisuras.
Con el fin de prevenir que un recubrimiento de lubricante sólido se
deteriore por la luz ultravioleta se ha encontrado que es eficaz la
adición de partículas inorgánicas finas de apantallamiento de
ultravioleta, no un agente absorbente de ultravioleta orgánico, y
que la oxidación de una junta roscada durante el almacenamiento a
largo plazo se suprima significativamente por un recubrimiento de
lubricante sólido que contiene partículas finas de apantallamiento
de ultravioleta.
Preferentemente, las partículas finas de
apantallamiento de ultravioleta son partículas finas de una o más
sustancias seleccionadas entre óxido de titanio, óxido de cinc y
óxido de hierro, y tienen un diámetro medio de partícula de
0,01-0,1 \mum y están presentes en el
recubrimiento de lubricante sólido con una proporción másica de
0,1-50 partes con respecto a 100 partes del
aglutinante de resina.
En la presente invención, un polvo lubricante es
preferentemente un polvo de una o más sustancias seleccionadas entre
disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno, grafito, nitruro de
boro y politetrafluoroetileno.
También se prefiere que la superficie de
contacto sobre la que se forma un recubrimiento de lubricante sólido
tenga una capa de recubrimiento poroso como un recubrimiento
primario subyacente al recubrimiento de lubricante
sólido.
sólido.
La Figura 1 es un diagrama que muestra
esquemáticamente un montaje típico de una tubería de acero y un
acoplamiento roscado en el momento del transporte de la tubería de
acero.
La Figura 2 es un diagrama que muestra
esquemáticamente una porción de conexión de una junta roscada para
tuberías de acero de acuerdo con la presente invención.
Las Figuras 3a y 3b son diagramas que muestran
ejemplos del patrón de calentamiento (perfil de temperatura) de la
primera etapa de calentamiento y la segunda etapa de calentamiento
en un proceso para el tratamiento superficial de una junta roscada
para tuberías de acero de acuerdo con la presente invención.
La Figura 2 es un diagrama que muestra
esquemáticamente la estructura de una junta roscada típica para
tuberías de acero. En la Figura, 1 es un perno, 2 es una caja, 3 es
una porción roscada, 4 es una porción de contacto metálica no
roscada y 5 es una porción sobresaliente. En la siguiente
descripción, una porción de contacto metálica no roscada también se
denominará simplemente en lo sucesivo como porción de contacto
metálica.
\newpage
Como se muestra en la Figura 2, una junta
roscada típica está compuesta por un perno 1 que tiene una porción 3
roscada (más precisamente, una porción de rosca macho) y una porción
4 de contacto metálica no roscada formada sobre la superficie
exterior en un extremo de una tubería de acero, y una caja 2 que
tiene una porción 3 roscada (más precisamente, una porción de rosca
hembra) y una porción 4 de contacto metálica no roscada formada
sobre la superficie interna de un miembro de junta roscada (un
acoplamiento). Sin embargo, la localización de un perno y una caja
no se limita a la descrita. Por ejemplo, puede omitirse un
acoplamiento formando un perno en un extremo de una tubería de acero
y una caja en el otro extremo de la tubería, o puede formarse un
perno (una rosca macho) sobre un acoplamiento estando una caja
formada en ambos extremos de una tubería de acero.
La porción 3 roscada y la porción 4 de contacto
metálica (no roscada) sobre cada uno del perno y la caja constituyen
una superficie de contacto de la junta roscada. Se requiere la
superficie de contacto, y particularmente la porción de contacto
metálica no roscada que es más susceptible al gripado, para tener
resistencia al gripado. Para este fin, en la técnica anterior, una
grasa compuesta que contiene un polvo de metal pesado se aplicó a la
superficie de contacto, pero el uso de una grasa compuesta implica
muchos problemas desde los puntos de vista del entorno y de la
eficiencia de trabajo.
De acuerdo con la presente invención, un fluido
de recubrimiento que contiene una resina aglutinante y un polvo
lubricante en un disolvente se aplica a la superficie de contacto de
al menos uno del perno y la caja, y el recubrimiento aplicado se
seca mediante calentamiento para formar un recubrimiento de
lubricante sólido. El recubrimiento de lubricante sólido formado
sobre la superficie de contacto de una junta roscada se somete a
alta presión de deslizamiento mientras que la junta roscada se
aprieta y se afloja repetidamente, produciéndose así partículas de
desgaste que comprenden el polvo lubricante. Se supone que estas
partículas de desgaste que contienen un polvo lubricante se
distribuyen por toda la superficie de contacto para contribuir a la
prevención del contacto metal-metal en la interfaz
de contacto y al alivio de fricción, presentándose así un efecto
anti-gripado.
Es deseable que la superficie de contacto de al
menos uno del perno y la caja a la que se aplica un fluido de
recubrimiento se haga rugosa previamente, de forma que la superficie
tenga una rugosidad (Rmáx) de 5-40 \mum, que es
superior a la rugosidad superficial tal y como se ha mecanizado
(3-5 \mum), con el fin de mejorar adicionalmente
el efecto logrado por la presente invención. Si el valor de Rmáx de
la superficie que va a recubrirse es inferior a 5 \mum, el
recubrimiento lubricante sólido resultante puede haber disminuido la
adhesión. Por otro lado, si es superior a 40 \mum, la superficie
recubierta puede producir una fricción elevada y promover el
desgaste abrasivo del recubrimiento de lubricante sólido, y el
recubrimiento puede no resistir al apriete y al aflojamiento
repetidos de la junta. Sin embargo, desde luego que el efecto de la
presente invención puede obtenerse, incluso aunque la rugosidad
superficial no esté en el intervalo descrito anteriormente.
El método de hacer rugosa la superficie puede
ser un método de hacer rugosa la propia superficie del acero, tal
como chorreando con arena o granalla y sumergiendo en una disolución
de ácido fuerte, tal como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido
nítrico o ácido fluorhídrico para hacer rugosa la superficie. Otro
método posible es formar una capa de recubrimiento (subyacente)
primaria que tenga una superficie más rugosa que la superficie de
acero para hacer rugosa la superficie que va a recubrirse.
Los ejemplos de un método para formar dicha una
capa de recubrimiento primaria incluyen dicho método de formación de
un recubrimiento de conversión química como un tratamiento con
fosfato, oxalato o borato (en el que la rugosidad superficial de la
capa cristalina aumenta a medida que crecen los cristales que se
forman), un método de electrometalizado con un metal tal como cobre
o hierro (en el que los picos o los puntos elevados se metalizan
preferentemente, de manera que la superficie sea ligeramente
rugosa), un método de metalizado por impacto en el que las
partículas que tienen un núcleo de hierro recubierto con cinc o una
aleación de cinc-hierro se chorrean usando fuerza
centrífuga o presión neumática para formar un recubrimiento de cinc
o una aleación de cinc-hierro, un método de
nitruración suave que forma una capa de nitruro (por ejemplo,
tratamiento con Tufftride), un método de recubrimiento metálico
compuesto en el que se forma un recubrimiento poroso que comprende
partículas finas sólidas en un metal, y similares.
Desde el punto de vista de la adhesión de un
recubrimiento de lubricante sólido se prefiere un recubrimiento
poroso, particularmente un recubrimiento de conversión química
formado fosfatando (con fosfato de manganeso, fosfato de cinc,
fosfato de hierro-manganeso o fosfato de
cinc-calcio) o un recubrimiento de cinc o una
aleación de cinc-hierro formado por metalizado por
impacto. Un recubrimiento más preferido es un recubrimiento de
fosfato de manganeso desde el punto de vista de la adhesión o un
recubrimiento de cinc o de aleación de cinc-hierro
desde el punto de vista de la prevención del óxido. Tanto un
recubrimiento de fosfato formado por tratamiento de conversión
química como un recubrimiento de cinc o de aleación de
cinc-hierro formado por metalizado por impacto son
porosos, de forma que pueden proporcionar un recubrimiento de
lubricante sólido formado sobre la misma con un aumento de la
adhesión.
adhesión.
Cuando se forma una capa de recubrimiento
primaria, el espesor de la capa no está limitado, pero está
preferentemente en el intervalo de 5-40 \mum desde
los puntos de vista de la prevención del óxido y la adhesión. Con un
espesor inferior a 5 \mum no puede lograrse una prevención del
óxido suficiente. Un espesor superior a 40 \mum puede producir una
disminución en la adhesión de un recubrimiento de lubricante sólido
formado sobre la misma.
\newpage
La resina presente en un recubrimiento de
lubricante sólido puede ser cualquier resina que pueda funcionar
como aglutinante. Una resina que tiene resistencia térmica y un
nivel razonable de dureza y resistencia al desgaste es adecuada. Los
ejemplos de dicha resina incluyen resinas termoestables, tales como
resinas epoxis, resinas de poliimida, resinas de policarbodiimida,
poliétersulfonas, resinas de poliéter-éter-cetona,
resinas fenólicas, resinas de furano, resinas de urea y resinas
acrílicas, además de resinas termoplásticas tales como resinas de
poliamidaimida, resinas de polietileno, resinas de silicona y
resinas de poliestireno.
Aunque el polvo lubricante puede ser cualquier
polvo que presente lubricidad, en vista de la alta carga que se
aplica, es deseable usar un polvo de una o más sustancias
seleccionadas entre disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno,
grafito, nitruro de boro y PTFE (politetrafluoroetileno).
Particularmente se prefiere un polvo de disulfuro de molibdeno y/o
disulfuro de tungsteno, proporcionando ambos una alta relajación del
desgaste y la fricción, o una mezcla de los mismos con otro polvo o
polvos lubricantes.
Preferentemente, el polvo lubricante tiene un
diámetro medio de partícula en el intervalo de
0,5-60 \mum. Si es inferior a 0,5 \mum, el polvo
tiende a agregarse y puede ser difícil la dispersión uniforme del
polvo en un fluido de recubrimiento. Como resultado, hay casos en
los que no se forma un recubrimiento de lubricante sólido deseado
que tenga un polvo lubricante uniformemente disperso en él, dando
como resultado una resistencia al gripado insuficiente. Por otra
parte, si el diámetro medio de partícula del polvo lubricante es
superior a 60 \mum, la resistencia del recubrimiento de lubricante
sólido puede disminuirse hasta un grado tal que no pueda evitarse la
aparición de gripado.
La proporción del polvo lubricante con respecto
al aglutinante de resina es preferentemente tal que la proporción
másica de polvo lubricante con respecto a aglutinante esté en el
intervalo de 0,3-9,0, desde el punto de vista de la
resistencia al gripado. Si la proporción másica del polvo lubricante
con respecto al aglutinante es inferior a 0,3, la cantidad de polvo
lubricante en las partículas de desgaste anteriormente descritas
puede ser insuficiente, y la resistencia al gripado puede llegar a
ser escasa. Por otro lado, si la proporción másica es superior a
9,0, el recubrimiento de lubricante sólido puede tener una
resistencia insuficiente, por lo que no puede resistir una alta
presión y tiene una disminución de la adhesión a la superficie del
sustrato, provocando así que se deterioren la resistencia al gripado
y la estanqueidad al gas. La proporción másica del polvo lubricante
con respecto al aglutinante está preferentemente en el intervalo de
0,5-9,0, en vista de la resistencia al gripado y más
preferentemente en el intervalo de 1,0-8,5,
considerándose adicionalmente la adhesión.
Un disolvente que se usa para formar un fluido
de recubrimiento puede ser un único disolvente o un disolvente mixto
seleccionado entre diversos disolventes de bajo punto de ebullición,
que incluyen hidrocarburos (por ejemplo, tolueno) y alcoholes (por
ejemplo, alcohol isopropílico). Preferentemente, el disolvente tiene
una temperatura de ebullición de 150ºC o inferior.
El fluido de recubrimiento usado para formar un
recubrimiento de lubricante sólido puede contener un constituyente o
constituyentes adicionales, además de un disolvente, una resina y un
polvo lubricante. Por ejemplo, pueden añadirse uno o más polvos
seleccionados entre polvo de cinc, un pigmento de cromo y alúmina.
Además, puede estar presente un colorante de forma que el
recubrimiento de lubricante sólido resultante sea coloreado. Si es
apropiado, el fluido de recubrimiento puede contener uno o más
aditivos, tales como un dispersante, un agente antiespumante y un
espesante.
En una realización de la presente invención, se
añaden partículas finas de apantallamiento de ultravioleta al fluido
de recubrimiento para formar un recubrimiento de lubricante sólido
que comprenda un polvo lubricante, una resina y partículas finas de
apantallamiento de ultravioleta. Por tanto, es posible mejorar
significativamente las propiedades de prevención del óxido de un
recubrimiento de lubricante sólido, a la vez que se mantienen su
resistencia al gripado y la estanqueidad al gas, por lo que se
inhibe la oxidación de la superficie de contacto de una junta
roscada producida por el envejecimiento del recubrimiento de
lubricante sólido formado sobre la misma, y de ahí que también se
supriman la aparición de gripado y una disminución en la
estanqueidad al gas debido a la oxidación. Como resultado, aunque
una junta roscada que tiene un recubrimiento de lubricante sólido
formada sobre la misma se almacene al aire libre durante un periodo
prolongado, se evita que sufra un deterioro significativo en las
propiedades, y mejora significativamente su fiabilidad como
producto.
Algunas veces se añade un agente orgánico
absorbente de ultravioleta (por ejemplo, benzotriazol o su derivado)
a las composiciones de recubrimiento con el fin de mejorar su
alterabilidad a la intemperie. En la presente invención, dicho
agente orgánico absorbente de ultravioleta no es eficaz.
Las partículas finas de apantallamiento de
ultravioleta que se usan en la presente invención no están limitadas
con tal que sean partículas finas que tengan una alta absorbancia e
índice de refracción en la región ultravioleta
(300-400 nm de longitud de onda). Los ejemplos de
materiales de tales partículas finas incluyen óxido de titanio,
óxido de cinc, óxido de hierro, sulfato de bario, sílice, partículas
compuestas de circonia y una poliamida, y mica sintética en la que
se incluye hierro.
Por motivo de un efecto menos adverso sobre la
resistencia al gripado se prefieren óxido de titanio, óxido de cinc,
óxido de hierro, sulfato de bario y sílice. Son más preferidos óxido
de titanio, óxido de cinc y óxido de hierro en vista de la
dispersabilidad uniforme de las partículas finas en un
recubrimiento.
Como las partículas finas de apantallamiento de
ultravioleta es preferible usar las denominada partículas
ultrafinas, que tienen un diámetro medio de partícula en el
intervalo de 0,01-0,1 \mum, desde el punto de
vista del equilibrio entre las propiedades de apantallamiento de
ultravioleta o el envejecimiento con el tiempo de un recubrimiento
de lubricante sólido y la resistencia al gripado del mismo, aunque
pueden usarse partículas más grandes hasta aquellas que tienen un
diámetro medio de partícula del orden de 2 \mum. Si las partículas
finas de apantallamiento de ultravioleta tienen un diámetro medio de
partícula inferior a 0,01 \mum, tienen una fuerte tendencia hacia
la agregación y pueden distribuirse irregularmente en un
recubrimiento de lubricante sólido, y la resistencia al
envejecimiento del recubrimiento puede ser insuficiente. Las
partículas finas de apantallamiento de ultravioleta que tienen un
diámetro medio de partícula superior a 0,1 \mum pueden inhibir las
propiedades de anti-gripado de un polvo lubricante,
deteriorándose así la resistencia al gripado de un recubrimiento de
lubricante sólido.
El contenido de partículas finas de
apantallamiento de ultravioleta en un recubrimiento de lubricante
sólido es preferentemente tal que la proporción másica de las
partículas con respecto a 100 partes del aglutinante esté en el
intervalo de 0,1-50 y, más preferentemente,
1-30. Si la cantidad de partículas finas de
apantallamiento de ultravioleta es inferior a 0,1 partes basadas en
100 partes de la resina, el efecto de protección ultravioleta puede
llegar a ser insuficiente, y el recubrimiento de lubricante sólido
puede no inhibir el envejecimiento, haciendo así imposible mantener
propiedades de prevención del óxido, estanqueidad al gas y
resistencia al gripado durante el apriete y el aflojamiento
repetidos. La adición de partículas finas de apantallamiento de
ultravioleta en una cantidad superior a 50 partes basadas en 100
partes de la resina puede tener un efecto adverso sustancial sobre
la resistencia, la adhesión y la resistencia al gripado de un
recubrimiento de lubricante sólido.
El fluido de recubrimiento descrito
anteriormente que comprende una resina aglutinante, un polvo
lubricante y opcionalmente partículas finas de apantallamiento de
ultravioleta en un disolvente, se aplica a la superficie de contacto
(porción roscada y porción de contacto metálica no roscada) de al
menos uno del perno y la caja. La aplicación puede realizarse por
cualquier método adecuado conocido en la técnica, incluyendo
recubrimiento mediante cepillo, inmersión y pulverización con
aire.
Es deseable que la aplicación se realice de
manera que se forme un recubrimiento de lubricante sólido que tenga
un espesor de al menos 5 \mum y no superior a 50 \mum. Con un
recubrimiento de lubricante sólido que tiene un espesor inferior a 5
\mum, la cantidad del polvo lubricante presente en el mismo puede
ser pequeña, y la eficacia del recubrimiento para mejorar la
lubricidad puede disminuir. Si el espesor del recubrimiento de
lubricante sólido es superior a 50 \mum, hay casos en los que la
estanqueidad al gas disminuye debido al ajuste insuficiente durante
apriete, o si la presión aumenta con el fin de garantizar la
estanqueidad al gas, el gripado puede producirse fácilmente, o el
recubrimiento de lubricante sólido puede pelarse fácilmente.
Después de la aplicación, el recubrimiento
aplicado se seca mediante calentamiento para formar un recubrimiento
que tiene un aumento de la dureza. La temperatura de calentamiento
es de 150ºC a 380ºC. La duración del calentamiento puede
determinarse basándose en el tamaño de una junta roscada para
tuberías de acero, y es preferentemente al menos 20 minutos y más
preferentemente 30-60 minutos.
De acuerdo con la presente invención, este
calentamiento para secar un recubrimiento aplicado se realiza
mediante al menos dos etapas. Por tanto, inicialmente, la primera
etapa de calentamiento se lleva a cabo a una menor temperatura para
evaporar suficientemente el disolvente y la humedad del interior del
recubrimiento mientras que el recubrimiento permanece fluido.
Después, la segunda etapa de calentamiento se realiza en un
intervalo de temperatura que es superior al de la primera etapa de
calentamiento para evaporar adicionalmente el disolvente y la
humedad, haciéndose así posible la formación de un recubrimiento de
lubricante sólido que tiene una alta dureza y una alta resistencia
al desgaste. El recubrimiento de lubricante sólido presenta
excelente resistencia al gripado incluso en el entorno de pozos de
petróleo a alta temperatura. También posee excelentes propiedades de
prevención del óxido.
Específicamente, un recubrimiento aplicado se
seca mediante calentamiento de múltiples etapas que incluye, al
menos, la primera etapa de calentamiento en el intervalo de
temperatura de 70ºC a 150ºC y la segunda etapa de calentamiento en
el intervalo de más de 150ºC a 380ºC. El periodo de calentamiento
(duración de la retención de temperatura) para cada etapa de
calentamiento puede determinarse dependiendo del tamaño de una junta
roscada para tuberías de acero, y es preferentemente al menos 20
minutos y más preferentemente 30-60 minutos.
La primera etapa de calentamiento que se realiza
a una temperatura inferior a 70ºC no es suficientemente eficaz para
evaporar el disolvente y la humedad del interior del recubrimiento
aplicado. Si se realiza a una temperatura superior a 150ºC, el
recubrimiento aplicado se solidifica, mientras que el disolvente y
la humedad todavía permanecen dentro, dando como resultado un
endurecimiento insuficiente del recubrimiento. Con respecto a la
temperatura para la segunda etapa de calentamiento, si es 150ºC o
inferior, es difícil eliminar completamente el disolvente y la
humedad del recubrimiento, y si es superior a 380ºC, no puede
obtenerse una dureza adecuada en vista de la resistencia al calor
del propio recubrimiento de lubricante sólido. El intervalo de
temperatura para la primera etapa de calentamiento es
preferentemente 80ºC-140ºC desde el punto de vista
de la facilidad de evaporación del disolvente y la humedad, y el
intervalo de temperatura para la segunda etapa de calentamiento es
preferentemente 180ºC y 350ºC en vista de la dureza del
recubrimiento.
Las Figuras 3a y 3b muestran ejemplos de
perfiles de temperatura (patrones de calentamiento) del
calentamiento de dos etapas que está constituido por la primera y la
segunda etapa de calentamiento. Como se muestra en la Figura 3a, la
primera etapa de calentamiento puede ir seguida de un enfriamiento
antes de empezar la segunda etapa de calentamiento, o como se
muestra en la Figura 3b, la primera y la segunda etapa de
calentamiento pueden llevarse a cabo consecutivamente.
Además, la propia primera etapa de calentamiento
y/o la propia segunda etapa de calentamiento pueden realizarse
mediante calentamiento de múltiples etapas de manera que todo el
calentamiento se realice a temperaturas de tres o más etapas. Sin
embargo, desde el punto de vista de la economía se prefiere el
calentamiento de dos etapas constituido por la primera y la segunda
etapa de calentamiento.
Además, tanto la primera como la segunda etapa
de calentamiento, y particularmente la primera etapa de
calentamiento, no necesitan realizarse manteniendo una temperatura
constante como se muestra en las figuras, pero el calentamiento
puede realizarse mientras que se sube lentamente la temperatura. En
éste último caso, para la primera etapa de calentamiento, si la
duración de tiempo requerida para subir la temperatura de 70ºC a
150ºC es 20 minutos o más, dicho calentamiento se considera la
primera etapa de calentamiento de acuerdo con la presente invención.
En la técnica anterior, cuando un recubrimiento aplicado se calienta
a una temperatura de 150ºC a 300ºC, por ejemplo, la duración de
tiempo requerida para subir la temperatura de 70ºC a 150ºC es
generalmente como máximo 5 minutos, y ésta es claramente diferente
de la presente invención.
Antes de la aplicación de un fluido de
recubrimiento es deseable calentar (es decir, precalentar) la
superficie de contacto que va a recubrirse (superficie de
recubrimiento) a una temperatura de 50ºC a 200ºC con el fin de
aumentar la adhesión del recubrimiento de lubricante sólido
resultante. El precalentamiento a una temperatura inferior a 50ºC
proporciona poco efecto sobre la mejora de la adhesión. Si la
temperatura de precalentamiento es superior a 200ºC, el fluido de
recubrimiento aplicado (recubrimiento aplicado) tiene una viscosidad
disminuida, haciéndose así difícil formar un recubrimiento de
lubricante sólido con un espesor suficiente, y de hecho disminuye la
adhesión del recubrimiento. La duración del precalentamiento puede
determinarse de acuerdo con el tamaño de la junta roscada para
tuberías de acero, y se prefiere que la temperatura de la superficie
de recubrimiento se mantenga en el intervalo anteriormente
mencionado durante toda la aplicación del recubrimiento. Sin
embargo, puede obtenerse algún efecto sobre la mejora de la adhesión
aunque la temperatura inmediatamente antes del comienzo de la
aplicación del recubrimiento esté en el intervalo descrito
anteriormente sin posterior retención de la temperatura durante la
aplicación del recubrimiento.
Tanto el precalentamiento como el calentamiento
después de la aplicación del recubrimiento pueden llevarse a cabo
por un método habitual conocido tal como calentamiento en horno o
calentamiento con aire caliente. Con el fin de calentar una caja, es
eficiente y económico calentarla en un horno de calentamiento para
mantener la superficie a una temperatura predeterminada. Un perno
puede calentarse insertando sólo la porción del extremo roscado en
un horno de calentamiento o mediante calentamiento con aire caliente
para mantener la superficie a una temperatura predeterminada. Para
el calentamiento de múltiples etapas anteriormente mencionado, como
es necesario controlar la temperatura dentro de un cierto intervalo,
el calentamiento es preferentemente mediante calentamiento en horno.
La atmósfera en el horno no está limitada y es suficiente aire
atmosférico.
Cuando un recubrimiento aplicado se seca
mediante el calentamiento de múltiples etapas anteriormente
mencionado puede formarse un recubrimiento de lubricante sólido bien
endurecido. Preferentemente, el recubrimiento de lubricante sólido
resultante tiene un valor de dureza en el intervalo de
70-140 expresado como una dureza en la escala de
Rockwell M recomendada por JIS-K7202 (a continuación
simplemente denominada en lo sucesivo una dureza Rockwell M). Un
recubrimiento que tiene una dureza Rockwell M inferior a 70 puede
producir un rápido aumento en la cantidad de desgaste cuando se
somete a una fricción por deslizamiento que se produce durante el
apriete y el aflojamiento repetidos de la junta roscada, produciendo
una resistencia al gripado insuficiente. Si esta dureza del
recubrimiento es superior a 140, el desgaste es demasiado ligero
para proporcionar partículas de desgaste a la superficie de contacto
en una cantidad suficiente para prevenir el gripado de la
superficie. En vista de la resistencia al gripado, la dureza
Rockwell M del recubrimiento está más preferentemente en el
intervalo de 90-140.
Un recubrimiento de lubricante sólido que
contiene disulfuro de molibdeno y/o disulfuro de tungsteno como
polvo lubricante y que se ha secado por un método de secado
convencional de calentamiento de una etapa tiene una dureza Rockwell
M del orden de 50. De acuerdo con la presente invención, es posible
que una junta roscada para tuberías de acero que tiene un
recubrimiento de lubricante sólido que contiene disulfuro de
molibdeno y/o disulfuro de tungsteno como polvo lubricante tenga una
mayor dureza de recubrimiento que está en el intervalo de
70-140 de la dureza Rockwell M.
Se desea que un recubrimiento de lubricante
sólido formado sobre una junta roscada para tuberías de acero tenga
excelente adhesión. Esto es porque el recubrimiento se somete a
tensión de cizalla bajo una alta carga durante el apriete y el
aflojamiento de la junta, y si la adhesión es baja, el recubrimiento
termina pelándose y dejando de presentar un suficiente efecto
anti-gripado.
Hay diversos métodos para evaluar la adhesión de
un recubrimiento. Un método simple y muy conocido es el llamado
ensayo de corte de rejilla (pelado de cinta adhesiva). Sin embargo,
este método no puede emplearse para probar un recubrimiento de
lubricante sólido de una junta roscada ya que la adhesión deseada
para el mismo es mucho mayor que el nivel medible por el ensayo de
corte de rejilla.
Los presentes inventores encontraron que la
adhesión (resistencia al pelado) de un recubrimiento de lubricante
sólido formado sobre una junta roscada puede evaluarse
cuantitativamente mediante la fuerza de adherencia medida por el
método de SAICAS (Sistema de Análisis de Corte Superficial e
Interfacial) detallado en la revista en lengua japonesa, "Toso
Gijutsu (Técnica de Recubrimiento)", abril de 1995, pág.
123-135, y que cuando esta fuerza de adherencia de
un recubrimiento de lubricante sólido está a al menos un cierto
valor se previene el pelado del recubrimiento durante el apriete y
el aflojamiento, aunque tenga una alta dureza.
De acuerdo con el método de SAICAS, una arista
de corte afilada se fuerza contra la superficie de un recubrimiento
bajo una carga, mientras que el sustrato al que se adhiere el
recubrimiento se mueve en una dirección horizontal, cortando así
oblicuamente el recubrimiento desde la superficie hasta la interfaz
con el sustrato. Después de que la arista alcance la interfaz, la
carga aplicada se ajusta de manera que la arista de corte pueda
moverse horizontalmente a lo largo de la interfaz. La fuerza de
adherencia del recubrimiento puede determinarse como la fuerza de
pelado por anchura de pelado (anchura de la arista de corte) (N/m)
requerida para pelar el recubrimiento, mientras que la arista se
mueve a lo largo de la interfaz. Un dispositivo de medición para el
método de SAICAS se comercializa en el mercado por
Daipla-Wintes bajo el nombre comercial SAICAS.
En una realización preferida de la presente
invención, un recubrimiento de lubricante sólido formado sobre la
superficie de contacto de una junta roscada como sustrato tiene una
fuerza de adherencia de al menos 500 N/m como se mide por el método
de SAICAS. Si la fuerza de adherencia del recubrimiento para el
sustrato es inferior a 500 N/m, el recubrimiento puede no presentar
un efecto anti-gripado suficiente.
Un recubrimiento de lubricante sólido que se ha
secado mediante calentamiento de múltiples etapas de acuerdo con la
realización anteriormente mencionada de la presente invención tiende
a presentar fuerza de adherencia mejorada en comparación con un
recubrimiento similar que se ha secado de un modo convencional. La
fuerza de adherencia puede mejorarse adicionalmente realizando el
engrosamiento superficial descrito anteriormente y/o precalentando
el sustrato, si fuera necesario.
Aunque un recubrimiento de lubricante sólido
puede aplicarse a la superficie de contacto tanto del perno como de
la caja, los objetos de la presente invención pueden lograrse
aplicando el recubrimiento a sólo uno de estos elementos, y esto es
ventajoso en términos de coste. En dichos casos, el recubrimiento de
lubricante sólido se forma mediante una operación relativamente
fácil si se forma sobre la superficie de contacto de una caja, que
es más corta. El otro elemento de la junta (preferentemente un
perno) al que no se aplica el recubrimiento de lubricante sólido
puede estar sin recubrir. En particular, cuando el perno y la caja
están temporalmente apretados entre sí antes del transporte como se
muestra en la Figura 1, puede prevenirse que el otro elemento de la
junta, por ejemplo, el perno, se oxide aunque su superficie de
contacto esté sin recubrir (por ejemplo, aunque esté tal y como se
ha mecanizado), ya que la superficie de contacto del perno se pone
en contacto íntimo con el recubrimiento formado sobre la superficie
de contacto de la caja mediante el apriete temporal. El
recubrimiento de lubricante sólido puede aplicarse a sólo una parte
de la superficie de contacto, particularmente sólo a la porción de
contacto metálica.
Sin embargo, cuando una caja está conectada a un
perno de una tubería de acero en un extremo de la tubería como se
muestra en la Figura 1, el otro perno de la tubería de acero que se
localiza en el extremo opuesto de la tubería y la mitad sin conectar
de la caja quedan expuestos a la atmósfera. Estas superficies de
contacto expuestas del perno y la caja pueden someterse a un
tratamiento superficial adecuado para proporcionar la prevención de
la oxidación con o sin lubricidad, y/o pueden protegerse mediante la
unión de un protector adecuado. Tal tratamiento superficial puede
aplicarse a la superficie de contacto del otro elemento de la junta
anteriormente mencionado.
Una junta roscada para tuberías de acero de
acuerdo con lo anterior puede apretarse sin aplicar una grasa
compuesta, pero puede aplicarse un aceite al recubrimiento de
lubricante sólido o a la superficie de contacto del elemento de
unión que va a conectarse, si se desea. En el último caso, el aceite
que se aplica no está restringido y puede usarse cualquiera de un
aceite mineral, un aceite de éster sintético y un aceite animal o
vegetal. Al aceite pueden añadírsele diversos aditivos tales como un
agente que previene el óxido y un agente de presión extrema que se
han usado convencionalmente para aceites lubricantes. Si dicho un
aditivo es un líquido, puede usarse solo como un aceite que va a
aplicarse.
Los agentes de prevención del óxido útiles
incluyen sulfonatos de metales básicos, fenatos de metales básicos,
carboxilatos de metales básicos y similares. Como agente de presión
extrema pueden usarse agentes conocidos tales como aquellos que
contienen azufre, fósforo o cloro y sales organometálicas. Además,
al aceite pueden añadírsele otros aditivos tales como un
antioxidante, un depresor del punto de congelación y un mejorador
del índice de viscosidad.
Lo anterior proporciona una junta roscada para
tuberías de acero que tiene un recubrimiento de lubricante sólido
sobre la superficie de contacto de la misma, presentando el
recubrimiento resistencia al gripado, estanqueidad al gas,
resistencia al desgaste y propiedades de prevención del óxido
mejoradas. Como resultado, la junta roscada puede inhibir el gripado
durante el apriete y el aflojamiento repetidos sin aplicación de una
grasa compuesta. Este efecto se mantiene cuando la junta se usa para
excavar un pozo de petróleo crudo en un entorno de alta temperatura,
tal como un pozo de petróleo profundo a alta temperatura o un pozo
de petróleo de inyección de vapor, o dura cuando la junta roscada se
deja al aire libre durante un periodo prolongado antes del uso de la
junta en un sitio de perforación.
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La presente invención se describirá más
completamente mediante los siguientes ejemplos. Estos ejemplos son
puramente para fines ilustrativos y no pretenden restringir la
presente invención. En la siguiente descripción, la superficie de
contacto de un perno se denomina en lo sucesivo una superficie de
perno, y la superficie de contacto de una caja se denomina en lo
sucesivo una superficie de caja.
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Ejemplos 1-7 y
Ejemplos comparativos
1-4
La superficie de perno y la superficie de caja
de una junta roscada para tuberías de acero [diámetro externo: 7
pulgadas (178 mm), espesor de pared: 0,408 pulgadas (10,4 mm)]
hechas de un material seleccionado de un acero al carbono A, un
acero de Cr-Mo B, un acero al 13% de Cr C y un acero
de alta aleación D que tienen cada una una composición mostrada en
la Tabla 1 (produciéndose el gripado más fácilmente con D, y siendo
el gripado sucesivamente cada vez más difícil con C, B y A) se
sometieron a una de las combinaciones de tratamiento superficial
(pretratamiento superficial y opcionalmente formación de un
recubrimiento de lubricante sólido) mostradas en la Tabla 2 como Nº
1 a 5 como se describen más adelante para cada ejemplo. La Tabla 2
muestra la rugosidad superficial en Rmáx (R) de la superficie
pretratada y el espesor (t) de una capa de recubrimiento primaria
(recubrimiento de pretratamiento), además del espesor de un
recubrimiento lubricante (t) y la proporción másica de un polvo
lubricante con respecto a una resina (aglutinante) (M). En estos
ejemplos, el pretratamiento se aplicó a la superficie de contacto de
cada uno del perno y la caja, pero se formó un recubrimiento de
lubricante sólido sobre uno de la superficie de perno o la
superficie de caja. A la superficie de perno o la superficie de caja
sobre la que no se formó un recubrimiento de lubricante sólido se
aplicó un aceite común que previene la oxidación comercialmente
disponible que no contenía polvo de metal pesado con el fin de
prevenir la oxidación de la superficie. El ensayo de apriete y de
aflojamiento se llevó a cabo sin eliminar el aceite de prevención de
la oxidación.
El fluido de recubrimiento que se usó para
formar el recubrimiento de lubricante sólido era una dispersión en
la que un polvo lubricante estaba disperso en una disolución de una
resina disuelta en un disolvente. El disolvente que se usó era un
disolvente mixto de etanol/tolueno (50/50) para una resina de
poliamidaimida,
N-metil-2-pirrolidona/xileno
(65/35) para una resina fenólica y tetrahidrofurano/ciclohexano
(50/50) para una resina epoxi. El precalentamiento del sustrato
antes de la aplicación del fluido de recubrimiento y el
calentamiento para secar después de la aplicación se llevaron ambos
a cabo en aire atmosférico usando un horno de calentamiento. La
Tabla 3 muestra un número para el tipo de tratamiento superficial
(en la Tabla 2), la temperatura de precalentamiento del sustrato
(temperatura del sustrato antes de aplicar el fluido de
recubrimiento) y las condiciones de calentamiento para el secado del
recubrimiento aplicado después de aplicarse el fluido (temperatura X
duración del calentamiento para la primera etapa de calentamiento y
la segunda etapa de calentamiento).
Por separado, las mismas combinaciones de
pretratamiento y formación de un recubrimiento de lubricante sólido
como se muestra en la Tabla 2 se realizaron en una chapa de acero
(10 mm X 50 mm X 2 mm de espesor) que tenía la misma composición que
la tubería de acero usada como sustrato. Por tanto, el
pretratamiento que se realizó fue el mismo que se realizó sobre la
superficie de contacto del elemento sobre la que se formó un
recubrimiento de lubricante sólido (es decir, caja para Nº 1 a 4 y
perno para Nº 5 en la Tabla 2). El recubrimiento de lubricante
sólido resultante se midió para la fuerza de adherencia y la dureza.
La fuerza de adherencia del recubrimiento se midió usando un
dispositivo de medición SAICAS BN-1 fabricado por
Daipla-Wintes. La dureza del recubrimiento se midió
en términos de la escala de Rockwell M de acuerdo con
JIS-K7202. Los resultados de estas mediciones
también se muestran en la Tabla 3.
Usando una junta roscada que había sido sometida
a tratamiento superficial como se ha descrito anteriormente se llevó
a cabo una prueba repitiendo las operaciones de apriete y de
aflojamiento hasta 20 veces en el modo mostrado en la Tabla 4 a la
vez que se examinaba la aparición de agarrotamiento o gripado. Por
tanto, como se muestra en la Tabla 4, el apriete y el aflojamiento
se llevaron a cabo a temperatura ambiente para las series primera a
cuarta, sexta a decimocuarta y decimosexta a vigésima de operación,
y para las series quinta y decimoquinta, después de llevarse a cabo
el apriete, la junta roscada se sometió a calentamiento durante 24
horas a 350ºC y luego se enfrió antes de llevarse a cabo el
aflojamiento a temperatura ambiente. Las condiciones de apriete y de
aflojamiento se correspondieron con las condiciones de uso para una
junta roscada resistente al calor. La velocidad de apriete era 10
rpm y el par de apriete era 14 kN m (10340 pie\cdotlibra). Los
resultados de la aparición de agarrotamiento o gripado se muestran
en la
Tabla 5.
Tabla 5.
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Una junta roscada hecha de un acero al carbono
de tipo A mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento
superficial.
La superficie de caja se pretrató chorreando con
arena del Nº 60 de manera que tuviera una rugosidad superficial de
31 \mum. Después, la caja se precalentó hasta 60ºC y sobre la
superficie de contacto se formó un recubrimiento de lubricante
sólido de una resina de poliamidaimida que contenía un polvo
lubricante de disulfuro de molibdeno y que tenía un espesor de 30
\mum. El recubrimiento de lubricante sólido contuvo disulfuro de
molibdeno con una proporción másica de disulfuro de molibdeno con
respecto a resina de poliamidaimida de 4 : 1. El secado del
recubrimiento aplicado se realizó por la primera etapa de
calentamiento durante 30 minutos a 100ºC y, después de enfriarse
hasta temperatura ambiente, por la segunda etapa de calentamiento
durante 30 minutos a 260ºC.
La superficie de perno se trató sólo por
molienda a máquina (rugosidad superficial: 3 \mum).
En los siguientes ejemplos no se indican los
datos mostrados en la Tabla 2.
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Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1,
excepto que la temperatura a la que la caja se precalentó antes del
recubrimiento se cambió de 60ºC a 100ºC y las condiciones para el
calentamiento después de la aplicación se cambiaron de tal forma que
la primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 100ºC fue
directamente seguida por la segunda etapa de calentamiento durante
30 minutos a 260ºC sin enfriamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
Una junta roscada hecha de un acero de
Cr-Mo de tipo B mostrado en la Tabla 1 se sometió al
siguiente tratamiento superficial.
La superficie de caja se pretrató, después de la
molienda a máquina, formándose un recubrimiento de conversión
química de fosfato de manganeso sobre la misma. Después, la caja se
precalentó hasta 130ºC y sobre la superficie se formó un
recubrimiento de lubricante sólido de una resina epoxi que contenía
un polvo lubricante de una mezcla de disulfuro de molibdeno y
grafito (proporción másica = 9 : 1). El secado del recubrimiento
aplicado se realizó por la primera etapa de calentamiento durante 30
minutos a 100ºC y, después de enfriarse hasta temperatura ambiente,
por la segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a
230ºC.
La superficie de perno sólo se trató mediante
molienda a máquina.
\vskip1.000000\baselineskip
Se repitió el procedimiento del Ejemplo 3,
excepto que la temperatura para la primera etapa de calentamiento
después de la aplicación del recubrimiento se cambió de 100ºC en el
Ejemplo 3 a 70ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Una junta roscada hecha de un acero al 13% de Cr
de tipo C mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento
superficial.
La superficie de caja se pretrató, después de la
molienda a máquina, mediante electrometalizado para formar un
recubrimiento de cobre. Después, la caja se precalentó hasta 180ºC y
sobre la superficie de caja se formó un recubrimiento de lubricante
sólido de una resina fenólica que contenía un polvo lubricante de
disulfuro de tungsteno. El secado del recubrimiento aplicado se
realizó por la primera etapa de calentamiento durante 20 minutos a
80ºC y, después de enfriarse hasta temperatura ambiente, por la
segunda etapa de calentamiento durante 60 minutos a 170ºC.
La superficie de perno sólo se trató mediante
molienda a máquina.
\vskip1.000000\baselineskip
Una junta roscada hecha de un acero de alta
aleación de tipo D mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente
tratamiento superficial.
La superficie de caja se pretrató, después de la
molienda a máquina, mediante metalizado por chorreado para formar un
recubrimiento de aleación de cinc-hierro. Después,
la caja se precalentó hasta 100ºC y sobre la superficie de caja se
formó un recubrimiento de lubricante sólido de una resina de
poliamidaimida que contenía un polvo lubricante de disulfuro de
molibdeno. El secado del recubrimiento aplicado se realizó por la
primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 80ºC y, después
de enfriarse hasta temperatura ambiente, por la segunda etapa de
calentamiento durante 40 minutos a 170ºC.
La superficie de perno sólo se trató mediante
molienda a máquina.
\vskip1.000000\baselineskip
Una junta roscada hecha de un acero al carbono
de tipo A mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento
superficial.
La superficie de caja sólo se sometió a
pretratamiento que se realizó por molienda a máquina y luego
formando un recubrimiento de conversión química de fosfato de
manganeso sobre la misma.
La superficie de perno se pretrató, después de
la molienda a máquina, formándose un recubrimiento de conversión
química de fosfato de cinc sobre la misma. Después, sólo la porción
de perno se colocó en un horno de calentamiento para precalentarla
hasta 100ºC y sobre la superficie del perno se formó un
recubrimiento de lubricante sólido de una resina de poliamidaimida
que contenía un polvo lubricante de disulfuro de molibdeno. El
secado del recubrimiento aplicado se realizó por la primera etapa de
calentamiento durante 20 minutos a 140ºC y, después de enfriarse
hasta temperatura ambiente, por la segunda etapa de calentamiento
durante 30 minutos a 280ºC, mientras que sólo la porción de perno se
colocó en un horno de calentamiento durante el calentamiento.
Como puede verse a partir de la Tabla 3, el
recubrimiento de lubricante sólido formado en cada uno de los
Ejemplos 1 a 7 se endureció y tenía una dureza Rockwell M de al
menos 80. También tenía una fuerza de adherencia satisfactoria de al
menos 2500 N/m como se mide por el método de SAICAS. La comparación
entre los Ejemplos 1 y 2 muestra que una mayor temperatura de
precalentamiento en el Ejemplo 2 produjo una ligera disminución de
la dureza del recubrimiento, pero una mejora de la fuerza de
adherencia. La comparación entre los Ejemplos 3 y 4 muestra que una
mayor temperatura para la primera etapa de calentamiento en el
Ejemplo 3 produjo un mayor valor en tanto la dureza del
recubrimiento como la fuerza de adherencia debido al secado más
completo del recubrimiento.
La Tabla 5 muestra que en algunas de las juntas
roscadas de los Ejemplos 1-7 se produjo un ligero
agarrotamiento en las series 15ª y posteriores de un ensayo de
apriete y de aflojamiento repetidos que simuló un pozo de aceite a
alta temperatura, pero incluso en tales casos el apriete y el
aflojamiento pudo repetirse 20 veces por el revestimiento
superficial en todos los ejemplos sin problemas con respecto a la
estanqueidad al gas. La aparición de un ligero agarrotamiento en los
Ejemplos 5 y 6 se debió al material de acero de la junta roscada,
que es susceptible a agarrotamiento y gripado. Si se formara el
mismo recubrimiento de lubricante sólido que en el Ejemplo 5 ó 6
sobre una junta roscada del tipo de acero A o B, se supone que no se
produciría agarrotamiento. En el Ejemplo 4, como la temperatura para
la primera etapa de calentamiento era inferior como se ha expuesto
anteriormente, el recubrimiento resultante tuvo una dureza
ligeramente baja y, por tanto, se produjo un ligero agarrotamiento
en las series 17ª y posteriores.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo Comparativo
1
Una junta roscada hecha de un acero al carbono
de tipo A mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento
superficial.
La superficie de caja se pretrató, después de la
molienda a máquina, formándose un recubrimiento de conversión
química de fosfato de manganeso sobre la misma. Después, la caja se
precalentó hasta 175ºC y sobre la superficie de caja se formó un
recubrimiento de lubricante sólido de una resina epoxi que contenía
un polvo lubricante de una mezcla de disulfuro de molibdeno y
grafito (proporción másica = 9 : 1). El secado del recubrimiento
aplicado se realizó por un calentamiento de una etapa durante 50
minutos a 150ºC.
La superficie de perno sólo se trató mediante
molienda a máquina.
Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de
apriete y de aflojamiento se produjo un ligero agarrotamiento en la
primera serie. El apriete y el aflojamiento para la segunda serie
transcurrió después del revestimiento superficial, pero el gripado
(agarrotamiento grave) se produjo hasta tal punto que el
aflojamiento fue imposible, por lo que se finalizó el ensayo.
Este ejemplo se corresponde con un caso en el
que sólo se realizó la primera etapa de calentamiento en la presente
invención para el secado. En este caso, aunque el disolvente y la
humedad se evaporaron hasta cierto grado del interior del
recubrimiento, la evaporación no se completó ya que no se realizó la
segunda etapa de calentamiento, y el recubrimiento resultante tenía
una baja dureza. Además, aunque se realizó el precalentamiento, la
fuerza de adherencia también era insuficiente. Por tanto, la
insuficiente dureza y fuerza de adherencia del recubrimiento de
lubricante sólido parecieron ser las responsables de la aparición
prematura de gripado.
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Ejemplo Comparativo
2
Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1,
excepto que la temperatura de precalentamiento se aumentó a 180ºC y
la aplicación del recubrimiento fue seguida del calentamiento que se
realizó por un calentamiento de una etapa durante 50 minutos a
240ºC.
Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de
apriete y de aflojamiento se produjo un ligero agarrotamiento en la
quinta serie. El apriete y el aflojamiento para la sexta serie
avanzó después del revestimiento superficial, pero el gripado se
produjo en la sexta serie, por lo que se finalizó el ensayo.
Este ejemplo ilustra un método de calentamiento
convencional y se corresponde con un caso en el que sólo se realizó
la segunda etapa de calentamiento en la presente invención. En este
caso, como no se realizó la primera etapa de calentamiento a una
menor temperatura, el recubrimiento húmedo solidificó rápidamente, y
el disolvente y la humedad se confinaron dentro del recubrimiento,
causando así una gran fluctuación en la dureza y la fuerza de
adherencia del recubrimiento de lubricante sólido resultante. Como
resultado, se cree que el gripado se produjo fácilmente.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo Comparativo
3
Se repitió el procedimiento del Ejemplo
Comparativo 1, excepto que la temperatura de precalentamiento se
redujo a 130ºC y la aplicación del recubrimiento fue seguida del
calentamiento que se realizó por la primera etapa de calentamiento
durante 30 minutos a 50ºC y, después de enfriarse hasta temperatura
ambiente, por la segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a
230ºC.
Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de
apriete y de aflojamiento se produjo un ligero agarrotamiento en la
séptima serie. El apriete y el aflojamiento para la sexta serie
avanzó después del revestimiento superficial, pero el gripado se
produjo en la novena serie, por lo que se finalizó el ensayo. Como
la temperatura para la primera etapa de calentamiento era demasiado
baja, se supone que la evaporación del disolvente y la humedad del
interior del recubrimiento que estaba solidificando fue insuficiente
y, como en el caso del Ejemplo Comparativo 2 que se corresponde con
un método de calentamiento convencional, la dureza y la fuerza de
adherencia del recubrimiento de lubricante sólido resultante
fluctuaron localmente, causando así el gripado.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo Comparativo
4
Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1,
excepto que la caja pretratada no se precalentó y la aplicación del
recubrimiento fue seguida del calentamiento que se realizó por la
primera etapa de calentamiento durante 20 minutos a 100ºC y, después
de enfriarse hasta temperatura ambiente, por la segunda etapa de
calentamiento durante 30 minutos a 410ºC.
Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de
apriete y de aflojamiento se produjo un ligero agarrotamiento en la
primera serie. El apriete y el aflojamiento para la segunda serie
avanzó después del revestimiento superficial, pero el gripado se
produjo hasta tal punto que el aflojamiento fue imposible, por lo
que se finalizó el ensayo.
Este resultado parecía deberse a la temperatura
para la segunda etapa de calentamiento, que era demasiado alta, por
lo que la evaporación del disolvente y la humedad del interior del
recubrimiento de lubricante sólido era insuficiente y el propio
recubrimiento de lubricante sólido se volvió blando y se peló
rápidamente durante el apriete en la primera serie.
Claims (7)
1. Un proceso para el tratamiento superficial de
una junta roscada para tuberías de acero que comprende un perno (1)
y una caja (2), teniendo cada uno una superficie de contacto que
incluye una porción roscada (3) y una porción de contacto metálica
no roscada (4),
en el que el proceso comprende la etapa de:
aplicar un fluido de recubrimiento que contiene
una resina y un polvo lubricante en un disolvente a la superficie de
contacto de al menos uno del perno y la caja, y caracterizado
por comprender además:
secar el recubrimiento aplicado mediante
calentamiento de múltiples etapas que incluye, al menos, la primera
etapa de calentamiento en el intervalo de temperatura de 70ºC a
150ºC y la segunda etapa de calentamiento en el intervalo de más de
150ºC a 380ºC, para formar un recubrimiento de lubricante sólido
sobre la superficie de contacto.
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2. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1, en el que el proceso incluye adicionalmente, antes
de la etapa de aplicación del recubrimiento, una etapa de
calentamiento de la superficie de contacto que va a recubrirse hasta
una temperatura de 50ºC a 200ºC.
3. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1 ó 2, en el que el recubrimiento de lubricante
sólido que se forma tiene una dureza de 70-140 en la
escala de Rockwell M.
4. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1 ó 2, en el que el recubrimiento de lubricante
sólido formado tiene una fuerza de adherencia de al menos 500 N/m
como se determina por el método de SAICAS (Sistema de Análisis de
Corte Superficial e Interfacial).
5. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1 ó 2, en el que el polvo lubricante es un polvo de
una o más sustancias seleccionadas de disulfuro de molibdeno,
disulfuro de tungsteno, grafito, nitruro de boro y
politetrafluoroetileno.
6. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1 ó 2, en el que la superficie de contacto a la que
se aplica el fluido de recubrimiento tiene una rugosidad superficial
de 5-40 \mum de Rmáx.
7. Un proceso como se expone en la
reivindicación 1 ó 2, en el que la superficie de contacto a la que
se aplica el fluido de recubrimiento tiene una capa de recubrimiento
poroso formada por pretratamiento.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001112884 | 2001-04-11 | ||
| JP2001-112884 | 2001-04-11 | ||
| JP2001-134576 | 2001-05-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2352653T3 true ES2352653T3 (es) | 2011-02-22 |
Family
ID=43557985
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES02717105T Expired - Lifetime ES2352653T3 (es) | 2001-04-11 | 2002-04-11 | Junta roscada para tubería de acero y método para el tratamiento superficial de la junta roscada. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2352653T3 (es) |
-
2002
- 2002-04-11 ES ES02717105T patent/ES2352653T3/es not_active Expired - Lifetime
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