ES2387558T3 - Empalme roscado para tuberías de acero - Google Patents

Abstract

Un empalme roscado para una tubería de acero que tiene un miembro (11) de punta dotado de una roscaahusada macho (12), una porción (4) que forma una junta metálica, y una porción (5) que forma un tope de torsión yun miembro (21) de tuerca que tiene una rosca ahusada hembra (22), una porción que forma una junta metálica yuna porción que forma un tope de torsión correspondientes a las de la porción de punta, caracterizado porque lasroscas que constituyen la rosca ahusada macho (12) y la rosca ahusada hembra (22) tienen una primera porción derosca trapezoidal que no tiene contacto simultáneo en los flancos (16) de carga y en los flancos (17) de penetración,y una segunda porción de rosca trapezoidal que tiene contacto en los flancos (16) de carga y en los flancos (17) depenetración y que tiene separaciones en las superficies (14) del fondo de la rosca y las superficies (18) de la crestade la rosca, en el que la primera porción de rosca trapezoidal tiene contacto en los flancos (16) de carga y lasuperficie (14) del fondo de la rosca, y separaciones en la superficie (18) de cresta de la rosca y los flancos (17) depenetración.

Description

Empalme roscado para tuberías de acero.

La presente invención versa acerca de un empalme roscado para conectar tuberías de acero como las tuberías de los pozos petrolíferos, tuberías ascendentes y tuberías de conducción usadas en la exploración y la producción de pozos petrolíferos y pozos de gas, y, en particular, versa acerca de un empalme roscado para tuberías de acero que tiene una resistencia a la compresión y una resistencia a la presión externa excelentes, capacidad de sellado contra la presión interna y la presión externa bajo una carga compresiva y, preferentemente, también una operatividad excelente durante la instalación in situ.

El documento EP1296088 A1 da a conocer un empalme con roscas ahusadas que comprende una rosca ahusada macho y una rosca ahusada hembra acopladas entre sí de forma roscada, teniendo las formas de rosca de las roscas macho y hembra una sección transversal constante en toda la longitud de una porción de rosca completa.

Típicamente, se usan empalmes roscados como medio de conexión de tuberías de pozos petrolíferos. En años recientes, ha habido una aplicación creciente de empalmes roscados en tuberías de acero que, convencionalmente, han sido conectadas mediante soldadura, tales como las tuberías ascendentes y las tuberías de conducción.

Hasta ahora, un empalme roscado estándar era aquel que satisficiese los estándares API (American Petroleum Institute), pero, en años recientes, los entornos de excavación y producción de crudo y de gas natural se están volviendo más difíciles, de modo que hay un uso creciente de empalmes roscados especiales a los que se denomina empalmes mejorados.

Las Figuras 1 (a) y 1(b) son una vista esquemática en corte transversal de un ejemplo de un empalme mejorado y una vista ampliada de una porción del mismo. Normalmente, un empalme mejorado tiene roscas ahusadas 12 y 22, una porción 4 de junta metálica y una porción 5 de tope de torsión. El lado en el que se proporciona la rosca ahusada macho 12 se denomina punta 11 y el lado en el que se proporciona una rosca hembra 22 se denomina tuerca 21 .

Las Figuras 1 (a) y 1 (b) son una vista esquemática en corte transversal de un ejemplo de una conexión mejorada y una vista ampliada de una porción de la misma. Normalmente, una conexión mejorada tiene roscas ahusadas 12 y 22, una porción 4 de junta metálica y una porción 5 de tope de torsión. El lado en el que se proporciona la rosca ahusada macho 12 se denomina punta 11 y el lado en el que se proporciona una rosca hembra 22 se denomina tuerca 21 .

Las disposiciones y la combinación de las roscas ahusadas, las porciones de junta metálica y las porciones del tope de torsión, el número de cada uno de los que se proporcionan y similares varían con el uso del empalme. Por ejemplo, las porciones del tope de torsión son instaladas en las posiciones A, B Y C mostradas en la Figura 2(a), es decir, en la posición A, que está en el lado exterior de las roscas, en la posición B, que está entre las roscas, y en la posición C, que está hacia el interior de las roscas.

Por ejemplo, hay casos en los que una porción de junta metálica y una porción de tope de torsión están dispuestas en el lado interior del empalme (Figura 2(b», otros en los que una porción de junta metálica está dispuesta en el lado interior del empalme y una porción de tope de torsión está dispuesta en el lado interior y el lado exterior (Figura 2(c», otros en los que se proporciona una porción de junta metálica en el lado interior y el lado exterior y se proporciona una porción de tope de torsión en el medio (Figura 2(d», y otros en los que se proporciona una porción de junta metálica en el medio y en el lado interior y el lado exterior y se proporciona una porción de tope de torsión en el lado exterior (Figura 2(e».

Tal como se muestra en las Figuras 3(a) y 3(b), los empalmes incluyen tipos de acoplamiento (véase la Figura 3(a» en los que tuberías de acero que tienen una punta (un miembro roscado macho) en ambos extremos están conectadas por medio de un acoplamiento que tiene una tuerca (un miembro roscado hembra) proporcionada en ambos extremos de un tubo corto, y un tipo integral (véase la Figura 3(b» en el que tubos de acero en los que se proporciona una punta en un extremo y se proporciona una tuerca en el extremo opuesto se conectan directamente entre sí.

A continuación se describirán con detalle los componentes de un empalme usando como ejemplo la estructura más típica, que se muestra en la Figura 1 y en la Figura 2(b).

Concretamente, la mayoría de las roscas usadas en un empalme mejorado son aquellas que se asemejan a una rosca trapezoidal, denominadas roscas trapezoidales API, mostradas en las Figuras 4(a) y 4(b). En esta rosca, los flancos que hacen contacto firme en el momento de completar la conexión se denominan flancos 16 de carga, y los flancos en el otro lado se denominan flancos 17 y 23 de penetración. Con una rosca trapezoidal habitual, hay contacto en la superficie 14 del fondo de rosca y una separación en la superficie 18 de la cresta de la rosca.

Se exhibe hermeticidad al gas, que es una de las propiedades importante de un empalme mejorado, dotando a las porciones de junta metálica con cierta cantidad de interferencia determinada por diseño.

Aquí, interferencia se refiere al encaje a presión de las superficies de la junta y es un valor dado por (diámetro de la porción de la junta metálica de la tuerca) menos (diámetro de la porción de junta metálica de la punta).

Para obtener una conexión roscada firme, también se proporciona interferencia en las porciones ahusadas roscadas. En el caso de la rosca trapezoidal descrita en lo que antecede, hay un firme contacto en el fondo de la rosca debido a la interferencia de las porciones de la rosca.

En este caso, la interferencia es el valor dado por (diámetro de la porción de rosca de la tuerca) menos (diámetro de la porción de rosca de la punta).

Aquí, las porciones de tope de torsión actúan como topes para proporcionar un encaje adecuada entre las porciones de la junta metálica.

Un empalme mejorado puede mostrar sus propiedades al máximo haciendo que las porciones de tope de torsión colinden dentro del intervalo de deformación elástica y completen la conexión en un estado en el cual se genere dentro del empalme una fuerza de conexión en la dirección axial.

Si las porciones de tope de torsión no colindan, no se genera una fuerza de conexión en la dirección axial y el grado de apriete se vuelve inadecuado, mientras que si las porciones de tope de torsión colindan entre sí con demasiada fuerza, las porciones de tope de torsión acaban experimentando una deformación plástica y las propiedades de hermeticidad de las porciones colindantes de la junta metálica acaban disminuyendo.

En el pasado predominaban los pozos verticales, de modo que las propiedades fundamentales requeridas de los empalmes mejorados eran la capacidad de soportar una carga de tracción debida a la gravedad y una capacidad de sellado contra fluidos internos y externos.

Sin embargo, en años recientes, están aumentando los pozos horizontales y los pozos inclinados, y también han venido a usarse empalmes roscados para conectar tuberías ascendentes para campos petrolíferos submarinos.

Las Figuras 5(a) y 5(b) explican esquemáticamente estos estados. Tal como se muestra en la Figura 5(a), un pozo petrolífero 33 en el fondo del mar está conectado, mediante tuberías ascendentes 35 que descienden verticalmente, con una plataforma petrolera 34 en la superficie del mar, por lo que una gran fuerza compresiva actúa sobre la tubería ascendente. Además, recientemente, tal como se muestra en la Figura 5(b), hay casos en los que las tuberías 31 de los pozos petrolíferos se extienden en dirección horizontal o en los que las tuberías 32 del pozo petrolífero están dobladas. Cuando se instalan tuberías de pozos petrolíferos bajo tierra en un pozo horizontal o similar, para hacer pasar un tubo recto de pozo petrolífero a través de una porción curvada dentro del suelo, el tubo del pozo petrolífero es insertado mientras se lo hace girar y, en ese momento, una gran fuerza compresiva actúa sobre las porciones de empalme.

Por lo tanto, la capacidad de soportar la compresión es una nueva propiedad que ha venido a demandarse de un empalme mejorado.

Además, en años recientes, debido a la mayor profundidad de los pozos petrolíferos o a la excavación y la producción en emplazamientos que tienen propiedades deficientes del suelo, hay casos en los que las tuberías de los pozos petrolíferos experimentan grandes presiones externas debidas a la carga de fluidos distintos de los productos (crudo y gas natural) fuera de la perforación del pozo o la contracción y el derrumbamiento del pozo.

En tales condiciones, la capacidad de sellado contra la presión externa para prevenir la penetración de fluidos a alta presión desde el exterior ha venido a ser recientemente una propiedad demandada.

Típicamente, los pozos petrolíferos tienen una profundidad entre aproximadamente 3.000 metros y 6.000 metros, y se insertan tubos de pozo petrolífero que tienen una longitud de aproximadamente 8-10 metros en una perforación de pozo desde la superficie del suelo o desde encima de una plataforma en la superficie del mar mientras están conectados por los empalmes roscados descritos en lo que antecede. Normalmente, para instalar bajo tierra tuberías de pozos petrolíferos en un solo pozo petrolíferos, la conexión de empalmes roscados se lleva a cabo aproximadamente de 300 a 750 veces.

Una vez que comienza la instalación subterránea, continúa día y noche hasta que se completa la instalación, y requiere aproximada de dos a tres días. Si la conexión de un empalme requiere un minuto extra, por ejemplo, la instalación total acaba requiriendo de 6 a 12 horas extra. Esto resulta un costos adicionales de mano de obra para operaciones in situ y costos de alquiler de equipos, lo que lleva a un aumento de los costes.

Por lo tanto, la facilidad de la conexión de un empalme roscado es una propiedad sumamente importante.

Resistencia a la compresión

Entre las roscas que tienen el objeto de aumentar la resistencia a la compresión, hay una rosca en la que se hace que los flancos de carga y los flancos de penetración de una rosca trapezoidal hagan contacto y se proporcionan

separaciones en la superficie del fondo de rosca y la superficie de la cresta de la rosca (a la que se hace referencia más abajo como rosca reforzada).

La Figura 6(a) es una vista explicativa esquemática de una forma en corte transversal de una rosca reforzada 22, y la Figura 6(b) es una vista explicativa que muestra la distribución de fuerzas en la misma.

Este tipo de rosca reforzada 25 ya se ha dado a conocer en el documento 1 de patente y en el documento 2 de patente enumerados más abajo en la presente descripción. En el primero, el ángulo del flanco de carga está limitado a _200 a 00, y en el último está limitado a 00 a +30

•

En una rosca reforzada 25, los flancos 17 de penetración de las roscas 12 y 22 hacen contacto, de modo que los flancos 17 de penetración de la rosca pueden soportar una carga compresiva, y tiene una resistencia sumamente elevada a la fuerza compresiva. Por otra parte, hay contacto en los flancos 16 de carga y los flancos 17 de penetración de las roscas 12 y 22, de modo que la tolerancia de la rosca 19 tiene una influencia sumamente grande en el par generado por la rosca.

Con un empalme mejorado, la conexión se controla normalmente con base en el par. Concretamente, se monitoriza la reacción del par durante la conexión, y la conexión se completa cuando se alcanza un par prescrito de conexión. Sin embargo, con una rosca reforzada, la variación en el par debida a las tolerancias de la rosca es sumamente grande, de modo que resulta difícil establecer un par de conexión adecuado.

Un par adecuado indica un par de conexión que puede hacer que los topes colinden dentro del intervalo de deformación elástica para todos los productos creados con las tolerancias de fabricación. Sin embargo, en casos extremos, el par al comienzo del contacto de los topes (denominado par de tope) de un producto dentro de las tolerancias supera el par en el que los topes experimentan una deformación plástica (denominado más abajo sobrepar) para otro producto que está dentro de las tolerancias, y ya no existe un par adecuado.

La situación descrita en lo que antecede (denominada generalmente problema de tope elevado) es inevitable con las técnicas de control de fabricación actuales (tolerancias permisibles de fabricación), particularmente con respecto a las roscas reforzadas de diámetro pequeño que tienen un diámetro exterior de 12,7 cm o menos.

Ninguno de los documentos de la técnica anterior descritos en lo que antecede tiene descripción alguna con respecto a este problema de tope elevado, por lo que no dan a conocer ningún procedimiento para solucionarlo.

Capacidad de sellado contra la presión externa

Con el objeto de mejorar la capacidad de sellado contra la presión externa, en el documento 3 de patente, por ejemplo, una gran porción de un miembro de punta aumenta en grosor por reducción de sección (reducción del diámetro interno del extremo del tubo).

Además, en el documento 4 de patente, se hace que la resistencia a la deformación del extremo de una punta aumente todo lo posible proporcionando una rosca macho tan cercana como resulte posible al tope de torsión del extremo de la punta.

Fundamentalmente, en cualquiera de las técnicas anteriores descritas en lo que antecede, la resistencia a la deformación en respuesta a la presión externa (resistencia a la contracción) aumenta al aumentar el grosor de la pared del miembro interior o de la porción de conexión entre el tope de torsión en el extremo de la punta y de la porción roscada para reducir la disminución en diámetro y se evita que se forme una separación en una junta metálica.

Cualquiera de estas técnicas anteriores tiene el efecto de aumentar la capacidad de sellado contra la presión externa.

Sin embargo, en el documento 3 de patente, es necesario llevar a cabo la reducción de sección en una longitud considerable del extremo del tubo (probablemente alrededor de 100 -200 mm), de modo que se requiere un tren de laminación de muchísima potencia, y el troquel reductor se deteriora rápidamente, de modo que hay la preocupación de que los costes de fabricación se vuelvan muy grandes. Además, el diámetro interior de un empalme se reduce en una proporción considerable, de modo que la turbulencia cuando pasan fluidos internos a través de la porción del empalme se vuelve importante y existe la preocupación de que cause erosión. Además, en el caso de una tubería de pozo petrolífero, dísmínuye el tamaño de la tubería que puede ser insertada en su interior, por lo que el diseño de sarta acaba teniendo una eficiencia sumamente deficiente.

En el documento 4 de patente, existe el efecto de que la disminución en la interferencia de la porción de la junta metálica pueda limitarse hasta cierto grado en la cantidad que se reduce la disminución en el diámetro de la porción de conexión entre el tope de torsión en el extremo de la punta y la porción de la rosca, pero, comparada con la técnica del documento 3 de patente, en la que el grosor del borde de la punta aumenta directamente, su efecto es limitado.

Facilidad de conexión

La técnica anterior con el objeto de aumentar la facilidad de conexión incluye el documento 5 de patente y el documento 6 de patente.

Esta técnica anterior tiene el aumento de aumentar la velocidad de conexión y de las propiedades de penetración.

Propiedades de penetración se refiere a con cuánta facilidad puede llevarse a cabo la inserción hasta un estado en el que el acoplamiento de las roscas comienza en el momento de insertar la punta de un miembro roscado macho en la tuerca de un miembro roscado hembra. Cuanto mayor sea la facilidad para insertar una punta de forma estable en la porción más posterior de una tuerca incluso cuando hay una gran desviación entre el eje de la punta y de la tuerca

o de los ángulos entre ellas, mejor serán las propiedades de penetración del empalme. La velocidad de conexión es el número de rotaciones en las que un empalme puede ser apretado. Cuanto mayor es

el ahusamiento de la rosca, menor es la altura de la rosca, mayor es el paso de rosca, y cuanto mayor es el número de crestas de la rosca, menor es el número de rotaciones requeridas para la conexión. La técnica anterior descrita en lo que antecede se marca como objetivo mejorar las propiedades de penetración y la

velocidad de conexión, fundamentalmente, empleando una rosca de filetes múltiples o ajustando la pendiente de la

superficie de la cresta de la rosca o la altura de la rosca. Sin embargo, la técnica anterior descrita en lo que antecede solo mejora la facilidad de conexión, pero no puede decirse de ella que mejore la resistencia a la compresión.

Documento 1 de patente Patente japonesa número 2705505 Documento 2 de patente Solicitud de patente japonesa publicada pendiente de examen Hei 11-294650 Documento 3 de patente Solicitud de patente japonesa publicada pendiente de examen 2002-22070 Documento 4 de patente Solicitud de patente japonesa publicada pendiente de examen 2001-317668 Documento 5 de patente Solicitud de patente japonesa publicada pendiente de examen Hei 11-201344 Documento 6 de patente Solicitud de patente japonesa pUblicada pendiente de examen Hei 11-223284 Divulgación de la invención Problema a ser resuelto por la invención El objeto de la presente invención es proporcionar medios que puedan mantener el excelente resistencia a la

compresión de una rosca reforzada y que, a la vez, puedan suprimir las variaciones de par, que son un problema de las roscas reforzadas, hasta un nivel reducido que puedan ser fabricados con las técnicas actuales de control de la tolerancia, que puedan garantizar la resistencia a la presión externa y que puedan aumentar la operatividad in situ y, en particular, la velocidad de conexión.

Medios para resolver el problema Para resolver los problemas de la presente invención, los presentes inventores consideraron, desde el punto de vista

de la mecánica, por qué una rosca reforzada tiene una gran variación en el par en comparación con una rosca trapezoidal. Se dará por sentado que un miembro de punta y un miembro de tuerca están fabricados con una interferencia de 2l>

hasta un estado inmediatamente antes del tope. Considerando esta situación en su conjunto, se genera una fuerza F de acoplamiento en la dirección radial en las porciones de acoplamiento por la interferencia 2l>.

En una rosca trapezoidal, la fuerza de acoplamiento es soportada por los flancos de carga y el fondo de la rosca, de modo que el equilibrio de fuerzas entre la fuerza C1de contacto en el fondo de la rosca, la fuerza C2 de contacto en los flancos de carga y la fuerza de acoplamiento puede ser mostrada como en las Figuras 4(a) y 4(b). Pueden establecerse las cuatro ecuaciones siguientes con base en el ángulo a de los flancos de carga con respecto a la dirección radial y el ángulo 13 del fondo de la rosca con respecto a la dirección axial del empalme (o, en otras palabras, el ángulo del ahusamiento de la rosca).

f¡ = el cos/3

f2 = e2 sena

el sen/3 = e2cosa

F=f¡+f2 ... Ecuación 1

Por otra parte, en una rosca reforzada, la fuerza de acoplamiento es soportada por los flancos de carga y los flancos de penetración, de modo que el equilibrio de fuerzas entre las fuerzas C3 y C4 de contacto de cada flanco y la fuerza F de acoplamiento puede mostrarse como en las Figuras 6(a) y 6(b). Si el ángulo de los flancos de penetración con respecto a la dirección radial es e, se establecen las cuatro ecuaciones siguientes.

f3 = e3 sena

f4 = e4 sena

3 cosB= e4 cosa

F=f3+ f4 .. . Ecuación 2

Como resultado de la resolución de las Ecuaciones 1 y 2, las fuerzas C1 a C4 de contacto de cada una de las superficies de la rosca puede ser expresa en términos de la fuerza F de acoplamiento como sigue.

el =F cosa/ ( sena senf3 + cos a cos/3)

2 =Fsen/3/(senasenf3+cosacosf3) 3 =Fcosa/(senacosB+senBcosa) 4 = FcosB/(senacosB+senBcosa) .. . Ecuación 3

Aquí, si el coeficiente de fricción de las roscas es ~ yel radio equivalente es R, puede estimarse el par de conexión de las roscas multiplicando la resistencia de rozamiento debida a las fuerzas C1 a C4 de contacto por la longitud del brazo R.

Par de conexión de una rosca trapezoidal Te =(el + e2 )pR

Par de conexión de una rosca reforzada TR = ( e3 +e4 ) pR ... Ecuación 4

Como ejemplo típico, si el ángulo a del flanco de carga es 3°, en ángulo 13 del fondo de la rosca es 1,8°, el ángulo e del flanco de penetración de una rosca reforzada es 30° y la interferencia 20 de la rosca (o, en otras palabras, la fuerza F de acoplamiento), el coeficiente de fricción ~ y el radio equivalente R de la rosca son los mismos para cada tipo, se calcula que el par de conexión T R de una rosca reforzada es 3,3 veces el par de conexión T B de una rosca trapezoidal.

En el ámbito de la mecánica elástica, la interferencia O es casi proporcional a la fuerza F de acoplamiento, de modo que también puede decirse que la variación de par 1::.TR cuando el intervalo de tolerancia de fabricación de la interferencia es igual a 1::.0 es 3,3 veces 1::.TB.

En una rosca reforzada, otro factor que aumenta la variación de par además de los descritos en lo que antecede es la tolerancia de fabricación del ancho de rosca. Por ejemplo, si el ancho de rosca se hace demasiado pequeño (si el ancho del surco de rosca se vuelve demasiado grande), la rosca hembra retrocede en la dirección radial con respecto a una posición de engarce prescrita y, en esa medida, disminuye la interferencia sustancial.

Si la tolerancia de fabricación del ancho de rosca (en la dirección axial) tanto para la rosca macho como para la rosca hembra es ~a, por la relación mostrada en la Figura 7, el intervalo de tolerancia de la interferencia en la dirección radial de una rosca reforzada aumenta exactamente en el intervalo ~fJa dado por la siguiente ecuación.

l1t5a = 411a( tan a + tan O) ... Ecuación 5

Normalmente, el intervalo de la tolerancia de fabricación ~a de un ancho de rosca es del orden de 1/5 del intervalo de tolerancia de fabricación de la interferencia 1::,.6, de modo que el sustancial intervalo de tolerancia de interferencia I::,.fJtotal =1::,.6 + 1::,.6a de una rosca reforzada es aproximadamente 2,3 veces la de una rosca trapezoidal (1::,.6), y, si se considera la variación de par, es realmente 7,5 veces mayor.

Un empalme propiamente dicho es un cuerpo elastoplástico, su forma es más complicada y hay influencias además de los cálculos teóricos. Sin embargo, aunque se tomen en consideración, se calcula que la variación de par de una rosca reforzada es aproximadamente 4 o 5 veces la de una rosca trapezoidal.

A partir de las consideraciones anteriores basadas en la mecánica, los presentes inventores llegaron a la conclusión de que es inevitable que la variación de par de una rosca reforzada sea grande, teniendo en cuenta las actuales tolerancias de fabricación. A la vez, se centraron de nuevo en el hecho de que la variación de par de una rosca trapezoidal es pequeña en comparación con sus tolerancias de fabricación, y percibieron que si ambos tipos de rosca se combinan en un solo empalme, puede obtenerse la estabilidad del par de una rosca trapezoidal mientras se mantiene la excelente resistencia a la compresión de una rosca reforzada, y lograron la presente invención.

Después, los presentes inventores estudiaron el mecanismo cuando ocurre una fuga de presión externa en el típico empalme mejorado de la Figura 1, y estudiaron los requisitos de una junta resistente contra la presión externa.

Con casi todas las porciones de la junta metálica de los empalmes mejorados se genera una gran fuerza de contacto al encajar entre sí en la dirección radial las superficies de la junta, que son superficies cónicas o superficies formadas por una curva en rotación, para generar una fuerza de contacto y producir un intimo contacto entre las superficies de la junta.

Cuando se aplica presión externa durante un periodo prolongado, la presión externa penetra por las separaciones en las porciones de acoplamiento roscado al interior del empalme inmediatamente anteriores a la junta metálica, y actúa una fuerza en la dirección que tiende a separar entre sí el miembro de punta y el miembro de tuerca en la dirección radial.

Concretamente, desde el punto de vista del miembro de punta, una presión externa, que es casi la misma que la que actúa en el cuerpo de la tubería, actúa sobre la superficie de la rosca macho hasta inmediatamente antes de la porción de la junta metálica y, en la medida en que el grosor de su pared es menor que la del cuerpo del tubo, su resistencia a la deformación por contracción (para distinguirla de la rigidez a la flexión, que será descrita en lo que sigue, será denominada aquí rigidez a la contracción) es menor, y aumenta la reducción en su diámetro.

Si el extremo más exterior de un miembro de punta es un extremo libre, su rigidez a la flexión (como una cáscara cilíndrica) contra la presión externa se vuelve mínima, de modo que se flexiona mucho (experimenta una deformación por flexión).

Como consecuencia de esta reducción en diámetro y de la deformación por flexión, disminuye la interferencia de la junta, es decir, la fuerza de contacto de la junta, y se cree que se desarrollan fugas en la porción de la junta metálica cuando cae por debajo de un límite prescrito.

En consecuencia, para obtener una junta que no tenga fugas con facilidad en respuesta a la presión externa, son concebibles los tres procedimientos siguientes: (i) aumentar la interferencia (inicial) de la junta, (ii) aumentar la rigidez a la contracción del miembro de punto (concretamente, aumentando el grosor de la pared del miembro de punta), y (iii) aumentar la rigidez a la flexión de la porción de la junta metálica del extremo de la punta.

Con el procedimiento (i) descrito anteriormente, si se hace demasiado grande, se convierte en la causa de la aparición de excoriación (agarrotamiento) en el momento de la conexión, de modo que hay un límite superior para proporcionar un equilibrio con la resistencia a la escoriación. Determinar el límite superior implica diversos factores de diseño de un empalme roscado, por lo que en la presente invención no se usó el enfoque del procedimiento (i).

El procedimiento (ii) descrito anteriormente es un procedimiento que la técnica anterior percibió y utilizó (documento 3 de patente y documento 4 de patente), pero tiene problemas tales como la dificultad de fabricación.

En la técnica anterior no se ve el procedimiento (iii) descrito anteriormente. Sin embargo, se cree que puede obtenerse el efecto previsto aumentando el grosor del borde hasta cierto punto.

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se logró el concepto de la presente invención, que es que la capacidad de sellar contra la presión externa puede aumentar más de forma efectiva considerando la forma de una porción de junta metálica (porción de reborde) que tiene una forma que, simultáneamente, realiza los procedimientos

(ii) y (iii).

5 Por último, como procedimiento de realizar simultáneamente el concepto de la rosca compuesta descrita en lo que antecede y el concepto de la porción de la junta metálica o forma de reborde, si una rosca se divide en dos o más porciones y se proporcionan una porción de rosca reforzada y una porción de rosca trapezoidal y se proporciona una porción de junta metálica entre ambas porciones, el grosor de la pared de la porción de la junta metálica en el lado de la punta puede aumentar considerablemente y puede extenderse el extremo de la porción de la junta metálica, y puede incrementarse su rigidez a la flexión.

Aquí, la presente invención es como sigue.

(1) Un empalme roscado para una tubería de acero que tiene un miembro de punta dotado de una rosca ahusada macho, una porción que forma una junta metálica y una porción que forma un tope de torsión y un miembro de tuerca que tiene una rosca ahusada hembra, una porción que forma una junta metálica y una porción que forma un

15 tope de torsión correspondientes a las de la porción de punta, caracterizado porque las roscas que constituyen la rosca ahusada macho y la rosca ahusada hembra tienen una primera porción de rosca trapezoidal que no tiene contacto simultáneo en los flancos de carga y en los flancos de penetración, y una segunda porción de rosca trapezoidal que tiene contacto en los flancos de carga y en los flancos de penetración y que tiene separaciones en las superficies del fondo de la rosca y las superficies de la cresta de la rosca.

(2) Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en (1) en el que la primera porción de rosca trapezoidal tiene contacto en los flancos de carga y las superficies del fondo de la rosca, y separaciones en la superficie de cresta de la rosca y los flancos de penetración.

25 (3) Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en (1) o (2) caracterizado porque el ángulo del flanco de carga con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería es como mínimo _10· y como máximo +10·, y el ángulo del flanco de penetración es como mínimo +15· y como máximo +50·.3

(4) Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (3) caracterizado porque la separación a en la dirección axial en los flancos de penetración de la primera porción de rosca trapezoidal satisface la siguiente ecuación:

o<8<[(tana+tan8)/2Jx8

en la que a es el ángulo del flanco de carga, e es el ángulo del flanco de penetración y li es la interferencia de la rosca (sobre el diámetro).

(5) Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (4) caracterizado porque

35 el ángulo del flanco de carga en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro interior de los flancos de carga de la rosca hembra es como mínimo de 25· y como máximo de 60· con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.

(6)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (5) caracterizado porque el ángulo del flanco de penetración en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro interior de los flancos de penetración de la rosca hembra es como mínimo de 25· y como máximo de 60· con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.

(7)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (6) caracterizado porque

el ángulo del flanco de carga en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro exterior de los flancos de carga de la rosca macho es 45 como mínimo de 25· y como máximo de 60· con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.

(8)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (7) caracterizado porque el ángulo del flanco de penetración en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro exterior de los flancos de penetración de la rosca macho es como mínimo de 25· y como máximo de 60· con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.

(9)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (8) caracterizado porque la segunda porción de rosca trapezoidal tiene una porción de rosca incompleta en la rosca ahusada macho.

55 (10) Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en (4) caracterizado porque la segunda porción de rosca trapezoidal tiene una porción de rosca incompleta en la rosca ahusada macho y la cantidad de reducción e (sobre el radio) de la altura de la rosca macho en la porción de rosca incompleta de la rosca ahusada macho satisface la siguiente ecuación:

c> a/(tan a + tane)

(11)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (10) que tiene una porción que forma una junta metálica entre la primera porción de rosca trapezoidal y la segunda porción de rosca trapezoidal.

(12)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en (11) caracterizado porque se proporciona otra porción que forma una junta metálica, además de la porción que forma una junta metálica descrita en lo que antecede.

(13)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de (1) a (12) en el que la rosca es una rosca de filetes múltiples.

(14)

Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en (13) caracterizado porque una cualquiera de la rosca macho y la rosca hembra tiene las mismas dimensiones y la misma forma de rosca para cada cresta de la rosca.

Según la presente invención, puede mantenerse la excelente resistencia a la compresión de una rosca reforzada mientras puede limitarse la variación de par, que es un problema de las roscas reforzadas, a un nivel mínimo capaz de ser fabricado con técnicas actuales de control de la tolerancia, puede garantizarse la resistencia a la presión externa y pueden incrementarse la operatividad in situ y, en particular, la velocidad de conexión.

Breve descripción de los dibujos

Las Figuras 1 (a) y 1(b) son vistas esquemáticas en corte transversal de un ejemplo de un empalme mejorado típico para una tubería de pozo petrolífero (tubería de acoplamiento) y una vista ampliada de una porción del mismo.

Las Figuras 2(a) -2(e) son vistas esquemáticas explicativas que muestran diversos ejemplos de la estructura de un empalme mejorado.

La Figura 3(a) es una vista esquemática para explicar un tipo de empalme de tipo acoplamiento y la Figura 3(b) muestra un empalme de tipo integral.

La Figura 4(a) es una vista esquemática explicativa de una rosca trapezoidal API y la Figura 4(b) es una vista esquemática para explicar el equilibrio entre la fuerza de acoplamiento y la fuerza de contacto de la rosca que actúa en la porción de rosca de la Figura 4(a).

Las Figuras 5(a) y 5(b) son vistas esquemáticas explicativas de un campo petrolífero submarino y de un pozo inclinado-horizontal, respectivamente.

Las Figuras 6(a) y 6(b) son vistas esquemáticas explicativas de una rosca reforzada dada a conocer en la patente japonesa número 2705505 o en la solicitud de patente japonesa publicada pendiente de examen Hei 11-294650 y del equilibrio de la fuerza de acoplamiento que actúa sobre la porción de la rosca y la fuerza de contacto de la rosca.

La Figura 7 es una vista esquemática explicativa de la separación en los flancos de penetración de la rosca para determinar geométricamente el cambio 8"6a en la interferencia de la rosca (sobre el diámetro) resultante de la tolerancia 8a del ancho de la rosca en una rosca reforzada.

Las Figuras 8(a) y 8(b) son vistas esquemáticas explicativas de la forma de la rosca en un primer modo de la presente invención.

Las Figuras 9(a), 9(b) y 9(c) son vistas esquemáticas para explicar la forma de la rosca en un segundo modo de la presente invención.

Las Figuras 10(a) y 10(b) son vistas esquemáticas para explicar la forma de la rosca en un tercer modo de la presente invención.

La Figura 11 es una vista esquemática para explicar la forma de la rosca en otro aspecto de la presente invención.

Las Figuras 12(a) -120) son vistas esquemáticas para explicar la forma de la rosca en otros aspectos adicionales de la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes A continuación se explicará la presente invención con mayor detalle con respecto a la fabricación de un empalme según la presente invención.

La rosca de un empalme mejora se mecaniza con un torno usando un trépano de corte, denominado terraja, que tiene la forma de surco de rosca de una rosca trapezoidal.

5 Para cambiar la forma de la rosca (la forma del surco) de una rosca continua a medio camino y mezclar la rosca reforzada descrita en lo que antecede con una rosca trapezoidal, normalmente es necesario emplear dos terrajas diferentes que tengan las formas de las correspondientes roscas. Sin embargo, es sumamente difícil realizar tal procedimiento de fabricación y los costos de fabricación acaban siendo sumamente elevados.

En este sentido, un empalme según la presente invención puede proporcionar dos roscas diferentes en forma de 10 una rosca reforzada y una rosca trapezoidal por medio de un corte de rosca habitual usando una terraja con una única forma.

Concretamente, una vez que se trabaja primero una rosca trapezoidal cuya forma de rosca y su interferencia se ajustan usando una terraja, se reduce la altura de la rosca hembra de la porción que ha de convertirse en una rosca reforzada cortando o amolando (denominado más abajo corte/amolado), se reduce la rosca hembra en la dirección

15 radial en la interferencia dada, y se obtiene una rosca reforzada que tiene contacto en los flancos de penetración en vez de en el fondo de la rosca.

Por supuesto, para que se reduzca de esta manera la porción en la que la altura de la rosca hembra para convertirse en una rosca reforzada, es necesario impartir unas dimensiones y una interferencia adecuadas a la rosca.

Los presentes inventores desarrollaron ecuaciones de diseño para dictar una combinación adecuada de las mismas 20 a partir de las siguientes ideas.

En primer lugar, se considerará la rosca trapezoidal de la Figura 8(a), que no ha experimentado cortellimado. Por supuesto, la separación a entre los flancos de penetración debe ser positiva, de modo que se establece la siguiente ecuación.

a>O .. . Ecuación 6

A continuación, se supondrá que las roscas hembra de las roscas trapezoidales de la Figura 8(a) son sometidas a

25 corte/amolado en solo una altura c para lograr el estado mostrado en la Figura 8(b). En ese momento, para hacer que los flancos de penetración de la rosca hagan contacto y obtener una rosca reforzada, la interferencia i'i de las roscas (sobre el diámetro) debe ser mayor que la disminución b en la altura de la rosca hembra, por lo que se establece la siguiente ecuación.

(8/2) > b = a/(tan a + tanO) ... Ecuación 7

Dicho sea de paso, cuando la interferencia i'i no satisface la Ecuación 7, solo los flancos de carga de la rosca hacen 30 contacto y resultan roscas con holgura, lo cual no es bueno.

Por supuesto, la altura c a la que se corta la rosca hembra está limitada por la siguiente ecuación.

c> b = a/(tan a + tan O) ... Ecuación 8

En los ejemplos descritos en lo que sigue se describirá en detalle un ejemplo de una combinación de dimensiones que satisfacen las anteriores Ecuaciones 6, 7 Y 8.

No importa el lugar en el que se proporcione una rosca reforzada o en cuántas ubicaciones o en cuántas roscas, 35 pero, para obtener mejor los efectos de la presente invención, es preferible crear aproximadamente de 2 a 8 roscas en el extremo cercano a las roscas reforzadas de la porción de la junta metálica.

En un segundo modo de la presente invención que puede mezclar una rosca reforzada y una rosca trapezoidal usando una sola terraja, los presentes inventores han inventado la siguiente forma de rosca.

Concretamente, como segundo modo, han inventado una rosca trapezoidal como la mostrada en la Figura 9(b), en 40 la que hay contacto en la superficie de la cresta de la rosca y en los flancos de carga.

En el caso de esta forma de rosca, la altura de la rosca macho se vuelve naturalmente menor en una porción de rosca incompleta (véase la Figura 9(a», de modo que la porción de rosca completa se convierte en una rosca trapezoidal y la porción de rosca incompleta se convierte en una rosca reforzada sin realizar un corte/amolado.

En el caso de esta segunda realización, es preciso que las condiciones que deben ser satisfechas por las dimensiones y las tolerancias de las roscas sean únicamente las dadas por las Ecuaciones 6 y 7 descritas en lo queantecede.

Como variación de este segundo modo, llevando a cabo un corte/amolado de la porción de la cresta de la rosca trapezoidal macho en una ubicación deseada de la porción de rosca completa puede añadirse una rosca reforzada en cualquier ubicación yen cualquier número de roscas de la porción de rosca completa (véase la Figura 9(c».

Preferentemente, cuando se añade realmente un rosca reforzada a una porción de rosca completa en este segundo modo, aproximadamente de 2 a 5 roscas en el extremo cerca de la junta se convierten en roscas reforzadas.

Hasta ahora se ha presentado una descripción de un corte/amolado después de proporcionar roscas como un procedimiento de disminución de la altura de la rosca, pero, por supuesto, es posible cortar roscas después de llevar a cabo el trabajo cortando o amolando para obtener un diámetro previsto a partir del diámetro de una porción apropiada antes de formar las roscas (lo que se denomina reducción del diámetro de la rosca).

Cuando los ángulos de los flancos de carga y los flancos de penetración de una rosca son pequeños, hay casos en los que se desarrollan rebabas (marcas debidas al corte) en las esquinas de las roscas cuando se efectúa un corte/amolado para reducir la altura de la rosca. Si se dejan sin tratar, se convierten en causa de agarrotamiento (excoriación) en el momento de la conexión de las roscas, de modo que es necesario eliminarlas.

Como resultado de muchos años de experiencia en el corte/amolado, se ha hallado que si la pendiente de la superficie de la rosca sometida a corte/amolado es al menos aproximadamente 35°, casi no hay incidencia de tales rebabas. Para suprimir la presencia de rebabas, se inventó un tercer modo de la presente invención en el que se reduce la pendiente de la porción extrema únicamente del flanco de carga de la rosca que se corta (la rosca hembra

en un primer modo (Figura 10(a» y la rosca macho en un segundo modo (Figura 10(b»), o únicamente del flanco de

penetración, o de la porción extrema tanto del flanco de carga como del flanco de penetración y, preferentemente, la porción en 1/8 -1/2 del lado del diámetro interior de la rosca hembra o del lado del diámetro exterior de la rosca macho hasta un valor como mínimo de 25° y, preferentemente, como mínimo 35 ° Y como máximo 60°.

Las roscas según los modos primero, segundo y tercero de la presente invención, descritos en lo que antecede, pueden ser aplicados a un empalme roscado con roscas ahusadas del tipo de acoplamiento o del tipo integral para conectar tuberías de acero de cualquier tamaño o material. Además, con la condición de que las ecuaciones de diseño anteriormente mencionadas sean satisfechas, pueden ser aplicadas a cualquier dimensión de rosca, y pueden mostrarse los efectos de las mismas.

Sin embargo, en realidad, todos los productos de los que se demanda una excelente resistencia a la compresión hasta el extremo de que requieren roscas reforzadas son, fundamentalmente, empalmes roscados para tuberías de pozos petrolíferos, por lo que el tamaño del tubo tiene un diámetro externo de aproximadamente 60 mm a aproximadamente 510 mm, y el material es fundamentalmente un acero tal como acero al carbono, acero inoxidable

o aleación de acero al cromo que tienen un límite elástico entre 552 MPa y 1034 MPa.

En cuanto a la estructura de un empalme que puede emplearse, puede aplicarse a todas las estructuras mostradas en la Figura 2.

En cuanto a las dimensiones de las roscas, las dimensiones que se proporcionan en las tuberías de pozos petrolíferos del tamaño mencionado en lo que antecede son fundamentalmente un pazo de rosca entre 2,5 mm y 12,7 mm, una altura de rosca entre 0,7 mm y 4 mm y un ahusamiento de rosca de 1/20 a 1/8.

Si la cantidad e en la que se reduce la altura de la rosca mediante corte/amolado se hace mayor de lo necesario, disminuye la altura del acoplamiento de la rosca y se facilita que se produzca un salto de rosca (el fenómeno en el que las roscas se desacoplan cuando se aplica tensión), de modo que, preferentemente, es lo menor posible dentro del intervalo que satisface la Ecuación 8.

En cuanto a las dimensiones de las roscas del primer modo de la presente invención, puede obtenerse una rosca según la presente invención, por ejemplo, fijado el paso de rosca a 5,08 mm, el ahusamiento de la rosca a 1/18, la altura de las roscas macho a 1,4 mm, la altura de las roscas hembra antes del corte/amolado a 1,6 mm, el ángulo de los flancos de carga a 3°, el ángulo de los flancos de penetración a 35°, el espacio a en los flancos de penetración de la rosca a 0,04 mm, la altura de corte e a 0,2 mm, y el valor mínimo de la interferencia de la rosca (sobre el diámetro) a 0,2 mm.

En otro modo adicional de la presente invención, tal como se muestra en la Figura 11, la rosca puede ser una rosca de dos niveles que tenga una porción 4 de junta metálica dispuesta en su centro. Si se proporciona una forma de rosca diferente en cada porción de la rosca, tal como una rosca reforzada para el extremo de la punta (denominada en lo que sigue primera porción de la rosca) y una rosca trapezoidal como rosca en el lado del tubo (denominada en lo que sigue segunda porción de la rosca), se resuelven los problemas descritos anteriormente y se obtiene con facilidad un empalme que es una mezcla de una rosca reforzada y una rosca trapezoidal.

Además, se proporciona una porción de junta metálica no en el extremo de la punta, sino entre las roscas, de modo que puede proporcionarse un gran grosor de pared en la porción de la junta metálica de la punta y, dado que se proporciona una porción de rosca ahusada que engarza con la porción de la tuerca más cerca del extremo de la punta que la junta metálica, la rigidez a la flexión de la porción de junta metálica de la punta llega a ser sumamente grande.

Por lo tanto, aunque la presión externa actúe y penetre hasta inmediatamente antes de la junta metálica, pueden reducirse la deformación por contracción y la deformación por flexión del miembro de punta hasta un nivel sumamente bajo.

Con el grosor de pared (aproximadamente 4-20 mm) de un tubo de acero que es objeto de la presente invención, si hay tres o más niveles de porciones de rosca, el acoplamiento roscado de la rosca se vuelve deficiente, de modo que, preferentemente, hay dos niveles.

En la primera porción de la rosca o en la segunda porción de la rosca pueden proporcionarse ya sea una rosca reforzada o una rosca trapezoidal, pero, desde el punto de vista de la fabricación, es preferible proporcionar un tipo de rosca como una rosca continua en cada porción de la rosca.

Se proporciona una porción de junta metálica en al menos un emplazamiento entre la primera porción de la rosca y la segunda porción de la rosca (porción B), pero, además de ello, pueden proporcionarse una segunda o una tercera junta metálica o un anillo de estanqueidad fabricado de un material blando, como el caucho o un polímero o un material compuesto, más cerca del extremo que la primera porción de la rosca (porción C), y/o más cerca del tubo (porción A) que la segunda porción de la rosca (véase la Figura 2(a».

En particular, si se proporciona una segunda porción de junta metálica en la porción C, pueden presentarse buenas propiedades de estanqueidad no solo con respecto a la presión externa, sino también con respecto a la presión interna (véase la Figura 2(b».

Básicamente, no importa cuántas porciones de tope de torsión se proporcionen en cualquier de las ubicaciones A, B yC.

Preferentemente, si se desea hacer la resistencia del empalme a la fuerza de tracción tan grande como sea posible,

se proporciona un tope de torsión en las porciones B y C.

Además, preferentemente, para mostrar el efecto del aumento de la resistencia a la presión externa por la junta metálica de la presente invención tanto como sea posible, se proporciona un tope de torsión en las porciones A y C.

En consecuencia, una posición preferente para la instalación de una porción de tope de torsión en la presente invención es la ubicación de la porción C.

Si el ángulo del flanco de carga de la rosca es demasiado suave, las roscas se desacoplan (esto se denomina salto de rosca) cuando actúa una carga de tracción, lo cual es poco deseable. Si es un ángulo negativo demasiado acusado, el procedimiento de corte de las roscas se vuelve difícil y los costos de fabricación aumentan mucho. En consecuencia, un intervalo preferente para los flancos de carga está en el intervalo de -10 a +10° con respecto a un plano perpendicular al eje del empalme.

De la misma manera, si el ángulo del flanco de penetración de las roscas es demasiado suave, acaba disminuyendo la excelente resistencia a la compresión que es característica de una rosca reforzada, mientras que si es demasiado acusado, las tolerancias permisibles para el corte del surco de la rosca se hacen demasiado importantes y la fabricación acaba volviéndose difícil, por lo que el ángulo del flanco de penetración está, preferentemente, entre +15° Y +50°.

Los presentes inventores describieron el siguiente procedimiento como procedimiento adicional.

Concretamente, empleando dos crestas de rosca, usando una terraja que tenga una forma de dos roscas para que puedan trabajarse dos crestas de rosca simultáneamente, y haciendo que una de las dos crestas de rosca sea una rosca reforzada y la otra una rosca que no sea una rosca reforzada (denominada en lo que sigue "rosca no reforzada"), pueden trabajarse simultáneamente dos roscas diferentes con una sola herramienta.

Por supuesto, es necesario garantizar que las roscas de la primera cresta de rosca y la segunda cresta de rosca pueden engarzar cada una con un correspondiente surco de rosca tanto de la primera cresta de la rosca como de la segunda cresta de la rosca. Con este fin, tanto la rosca macho como la rosca hembra deben tener exactamente la misma forma de rosca y las dimensiones de rosca para la primera cresta de la rosca y la segunda cresta de la rosca.

Las diez combinaciones diferentes mostradas en la Figura 12 para el estado del contacto de las superficies inclinadas de la rosca no reforzada son concebibles cuando la rosca reforzada tiene contacto a lo largo de ambas superficies inclinadas de la rosca macho.

La Figura 12(a) muestra el caso en el que no hay contacto en ninguna de las cuatro superficies de la rosca no reforzada, la Figura 12(b) muestra el caso en el que hay contacto solo en el flanco de penetración, la Figura 12(c) muestra el caso en el que hay contacto solo en la superficie de la cresta, la Figura 12(d) muestra el caso en el que hay contacto en la superficie del fondo de la rosca por delante del flanco de carga de la rosca no reforzada, la Figura

5 12(e) muestra el caso en el que hay contacto solo en el flanco de carga, la Figura 12(f) muestra el caso en el que hay contacto en la base de la rosca hacia la parte posterior del flanco de penetración de la rosca no reforzada, la Figura 12(g) muestra el caso en el que hay contacto en el flanco de carga yen la superficie de la cresta de la rosca, la Figura 12(h) muestra el caso en el que hay contacto en la superficie de la cresta de la rosca y en el flanco de penetración, la Figura 12(i) muestra el caso en el que hay contacto en el flanco de carga y en la superficie del fondo de la rosca hacia la parte posterior del flanco de penetración y la Figura 120) muestra el caso en el que hay contacto en la superficie de la base de la rosca por delante del flanco de carga yen el flanco de penetración.

Aquellos casos en los que (i) la rosca no reforzada tiene contacto simultáneamente en el flanco de carga y el flanco de penetración, (ii) hay contacto simultáneo en la superficie de la cresta de la rosca y en la superficie de la base de la rosca, y (iii) hay contacto en tres o más superficies y (iv) hay contacto en tres superficies de rosca continua ya sea

15 de una rosca reforzada o de una rosca no reforzada están fuera del alcance de la presente invención.

Esto se debe a que, en el caso (i), si los flancos de carga y los flancos de penetración hacen contacto, acaba siendo una rosca reforzada.

Además, en el caso (ii), para que hay contacto simultáneo en las superficies de la cresta de la rosca y la superficie de la base de la rosca, la altura de las roscas macho y de las roscas hembra de una rosca no reforzada debe ser exactamente igual, y un trabajo de precisión que no permita tolerancias de fabricación es casi imposible en la producción en cadena actual.

Lo mismo se aplica a (iii) y (iv). Hacer que al menos tres superficies de una rosca trapezoidal hagan contacto exactamente a la vez requiere que las dimensiones de la cresta de la rosa y del correspondiente surco de la rosca sean exactamente iguales. Sin embargo, un trabajo de precisión que no permita tolerancias de fabricación es casi

25 imposible en la producción en cadena actual.

Por supuesto, los ángulos de las superficies inclinadas son iguales para la rosca reforzada que para la rosca no reforzada.

Hasta ahora se ha descrito una rosca de dos filetes, pero otro modo de la presente invención puede ser una rosca de múltiples filetes que tenga más de dos crestas de rosca. En este caso, el número de rosca de la rosca reforzada está dado por 1 s n s (número de crestas de rosca/2).

En cuanto a la estructura de un empalme al que puede aplicarse una rosca, puede aplicarse a todas las estructuras mostradas en la Figura 2. Sin embargo, con un empalme que tenga una junta o un tope en la posición intermedia B, para proporcionar una rosca de dos filetes, dado que las longitudes de las roscas en el lado interior y en el lado exterior son cortas, es preferible aplicar la rosca a un empalme que no tenga una junta ni un tope en la posición

35 intermedia B y que tenga una rosca continua.

EJEMPLOS

Ejemplo 1

Para demostrar los efectos de la presente invención más en concreto, se llevaron a cabo el siguiente análisis de simulación numérica mediante el procedimiento de elementos finitos elastoplásticos y una prueba de corte de rosca.

El objeto de la evaluación fue el empalme roscado de tipo acoplamiento para pozos petrolíferos mostrado en la Figura 1. Era un empalme para tubos nO 20, de 139,7 mm de diámetro exterior y 9,17 mm de grosor de pared.

El material fue el de la especificación API P110. En el análisis de elementos finitos, se trató como un cuerpo elastoplástico de dureza isotrópica, y fue modelado numéricamente como dotado de un coeficiente de elasticidad de 210000 MPa y dotado de un 0,2% de resistencia igual al límite elástico nominal de 758 MPa.

45 La Tabla 1 muestra los empalmes sobre los que se llevó a cabo la evaluación. Las formas de las porciones de junta metálica y las porciones de tope de torsión que se analizaban fueron ligeramente diferentes entre sí, pero los valores mínimos y máximos de la interferencia de la junta fueron todos los mismos.

Para las formas de las roscas que se evaluaron, el paso de rosca fue de 5,08 mm y el ahusamiento de la rosca fue de 1/18 para cada una.

Tabla 1

N" de muestra

Evaluación Tolerancia de fabricación de la interferencia de la rosca (sobre el diámetro) Angulo del flanco de carga Separación del flanco de penetración Angulodel flanco de penetración Altura de rosca N° de roscas reforzadas/número total de roscas Comentarios

1

Análisis únicamente 0,2 mm +3' 0,04 mm 35' 1,6 mm 4/15 Roscas del primer modo de la invención

2

Análisis y prueba 0,2 mm +3' 0,04 mm 35' 1,6 mm 7/15 Roscas del segundo modo de la invención

3

Prueba únicamente 0,2mm +3' 0,04 mm 45' 1,6 mm 7/15 Roscas del tercer modo de la invenciÓn (basadas en roscas del segundo modol

4

Análisis 0,2 mm +3 ' 0,00 mm 35' 1,6 mm 15/15 Todas las roscas reforzadas

5

Análisis 0,19mm _3' 0,09 mm 1O' 1,58 mm 0/15 Todas las roscas trapezoidales

En un primer análisis, con respecto a los empalmes de la Tabla 1, se llevó a cabo un análisis de la conexión de las

roscas usando la combinación de interferencia para la cual el par generado fue máximo y usando la combinación de

interferencia para la cual fue mínimo, y se evaluó la variación del par de tope.

En un segundo análisis, se llevó a cabo un análisis en el que se aplicó una compresión correspondiente al 100% del

5 límite elástico del cuerpo del tubo (2852 kN =291 toneladas) y luego se liberó para cada empalme de la Tabla 1, y se evaluó el grado en el que el acoplamiento se aflojó (de si experimentó daño) por la proporción del par generado tras la eliminación de la carga con respecto al par de conexión (esto se denomina tasa de mantenimiento del par, y cuanto mayor es su valor, más difícil es que ocurra un aflojamiento (mejores son las propiedades».

La prueba de corte de rosca se llevó a cabo solo con las Muestras 2 y 3. El corte de rosca se efectuó en 10 tubos y

10 se registró el número de tubos de prueba en los que se formaron rebabas que requerían eliminación (que tenían una altura de aproximadamente 0,15 mm o más).

Los resultados de la evaluación se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2

Resultados del análisis

Resultados de la prueba

N° de

muestra Variación del par

Tasa de mantenimiento del par tras la

Número de muestras de prueba que

liberación de la compresión

de tope

re_guieren la eliminación de rebabas

78,2%

1 5.411,07 N'm

-

82,0%

9 tubos

2 7.265,83 N'm

-

-

3 tubos

84,4%

11.997,63 N'm

-

51,6%

5 2.596,39 N'm

-

A partir de estos resultados, puede verse que para las roscas, ya sean de las Muestras 1 o 2 según la presente

15 invención, la variación de par fue pequeña en comparación con la Muestra 4, que empleó una rosca reforzada por completo, y el grado de reducción del par después de la eliminación de una carga compresiva fue significativamente mejor en comparación con la rosca trapezoidal de la Muestra 5, y se obtuvo un resultado aproximadamente igual que para la Muestra 4.

Además, puede verse que el número de tubos de prueba para los que fue necesaria la eliminación de rebabas se 20 redujo muchísimo para la Muestra 3, que tuvo 3 tubos, en comparación con la Muestra 2, que tuvo 9 tubos.

A partir de los resultados anteriores, está claro que, con una rosca según la presente invención, la variación del par

aumenta muchísimo en comparación con una rosca reforzada, se mantiene una excelente resistencia a la

compresión y la formación de rebabas se suprime en gran medida según el tercer modo de la presente invención.

Ejemplo 2

25 En este ejemplo, se repitió el Ejemplo 1 y se llevó a cabo un análisis de simulación numérica por el procedimiento de elementos finitos elastoplásticos.

La Tabla 3 muestra los empalmes sobre los que se llevó a cabo la evaluación. La Muestra 6, que era un empalme según presente invención, tenía una rosca reforzada como primera porción de la rosca de una rosca de dos niveles y una rosca trapezoidal como segunda porción de la rosca. Se dispuso una junta metálica solo en la porción B y se

30 dispuso un tope de torsión únicamente en la porción C.

Los empalmes de las Muestras 7-8 eran roscas de un nivel como la mostrada en la Figura 1. Tenían una estructura en la cual se proporcionaron una junta metálica y un tope de torsión en la porción extrema de una punta.

La forma de la junta y la forma del tope de torsión de los empalmes de las Muestras 6-8 eran cada una ligeramente diferente de las descritas en lo que antecede, pero se hizo que el valor mínimo y el valor máximo de la interferencia impartida a la porción de la junta metálica fueran todos los mismos.

De las formas de rosca, las Muestras 6-8 tenían cada una un paso de rosca de 5,08 mm y un ahusamiento de rosca de 1/18.

Tabla 3

N·de

Tolerancia de Angulodel Angulo del Separación del flanco de N·de roscas Comentarios

muestra

fabricación de la flanco de flanco de penetración reforzadas/número total

inteñerencia de la rosca

carga penetración de roscas

(sobre el diámetro)

6

0,2 mm +3° 35° 0,09 mm para la porción 8/17 Roscas de la

de rosca trapezoidal, 0,00

presente

mm para la porción de

invención

rosca reforzada

7

0,2 mm +3° 35° 0,00 mm 15/15 Todas las roscas

reforzadas

8

0,19 mm -3° 10° 0,09 mm 0/15 Todas las roscas

trapezoidales

En un primer análisis, se analizó la conexión de las roscas con respecto a los empalmes de las Muestras 6 y 7 de la 10 Tabla 3 para la combinación de interferencia que proporcionaba el mayor par generado y la combinación que proporcionaba el menor par generado, y se evaluó la variación del par de tope.

En un segundo análisis, después de que los empalmes de las Muestras 6-8 de la Tabla 3 fueran sometidos a una

carga compresiva correspondiente al 100% del límite elástico del cuerpo del tubo (2852 kN =291 toneladas), se

llevó a cabo el análisis de la liberación de la compresión. Se evaluó el grado en el que el acoplamiento se aflojó (de

15 si experimentó daño) con base en la proporción del par generado tras la eliminación de la carga con respecto al par de conexión (esto se denomina tasa de mantenimiento del par; cuanto mayor es su valor, más dificil es que ocurra un aflojamiento (mejores son las propiedades».

En un tercer análisis se llevó a cabo el análisis aplicando a los empalmes de las Muestras 6 y 7 de la Tabla 3 una presión externa (76,5 MPa) de aplastamiento del tubo dictada por el estándar API 5C3, y se comparó el grado en el

20 que se mantenía la fuerza de contacto en las porciones de la junta metálica con base en la relación entre la fuerza de contacto en el momento de la aplicación de una presión externa y la fuerza de contacto en el momento de la conexión (esto se denomina tasa de mantenimiento de la fuerza de contacto).

La Tabla 4 muestra los resultados de la evaluación. A partir de estos resultados, puede verse que el empalme según la presente invención de la Muestra 6 tenía una variación de par mucho menor que el empalme de la Muestra 7, la

25 totalidad de cuyas roscas eran reforzadas, la reducción en el par después de la liberación de la compresión era mucho mejor en comparación con la rosca trapezoidal del empalme de la Muestra 8 y la tasa de mantenimiento de la fuerza de contacto en la porción de la junta metálica bajo presión externa también era buena.

A partir de los resultados anteriores, está claro que una rosca según la presente invención está muy mejorada con respecto a la variación de par en comparación con una rosca reforzada, mantiene una excelente resistencia a la

30 compresión y también tiene excelente capacidad de sellado contra la presión externa.

Tabla 4

N°de muestra

Variación del par de tope Tasa de mantenimiento del par tras la liberación de la compresión (%) Tasa de mantenimiento de la tuerza de contacto de la junta durante la carga de presión externa (%)

6

7.626,48 N'm 92,3 84,3

7

11.997,63 N'm 84,4 40,4

8

- 51,6 -

Ejemplo 3

En este ejemplo, se repitió el Ejemplo 1 y se llevaron a cabo un análisis de simulación numérica por el procedimiento de elementos finitos elastoplásticos y una estimación del tiempo de conexión de las roscas.

35 La Tabla 5 muestra los empalmes sobre los que se llevó a cabo la evaluación. Se usaron los de la Figura 12 como ejemplos representativos de la presente invención. Las formas de la porción de la junta metálica y la porción del tope de torsión que se analizaban tenlan ligeras diferencias, pero los valores mínimo y máximo de la interferencia de la junta eran los mismos para cada una.

De las formas de rosca que se analizaron, el paso de rosca fue de 5,08 mm y el ahusamiento de la rosca fue 1/18 para cada una.

Tabla 5

N°de muestra

Tolerancia de fabricación de la interferencia de la rosca (sobre el diámetro) Angulo del flanco de carga Angulo del flanco de penetración Altura de rosca Comentarios

9

0,2 mm +3· 35· 1,6mm Modo de rosca de la Figura 12(a)

10

0,2 mm +3· 35· 1,6mm Modo de rosca de la Figura 12(e)

11

0,2 mm +3· 35· 1,6mm Modo de rosca de la Figura 1W

12

0,2 mm +3· 35· 1,6mm Todas las roscas reforzadas de un solo filete

13

0,19 mm _3· 10· 1,58 mm Todas las roscas trapezoidales de un solo filete

En un primer análisis, se analizó la conexión de las roscas con respecto a los empalmes de la Tabla 5 para la 5 combinación de interferencia que proporcionaba el mayor par generado y la combinélción que proporcionaba el menor par generado, y se evaluó la variación del par de tope.

En un segundo análisis, después de que cada uno de los empalmes de la Tabla 5 fuera cargado con una carga compresiva correspondiente al 100% del límite elástico del cuerpo del tubo (2852 kN =291 toneladas), se llevó a cabo el análisis de la liberación de la compresión. Se evaluó el grado en el que el acoplamiento se aflojó (de si

10 experimentó daño) con base en el grado de disminución del par generado tras la eliminación de la carga con respecto al par de conexión (esto se denomina tasa de mantenimiento del par; cuanto mayor es su valor, más dificil es que ocurra un aflojamiento (mejores son las propiedades».

Además, se determinó el tiempo operativo requerido para la conexión de las roscas con respecto a los empalmes de las Muestras 9 y 12 por comparación con los resultados pasados.

15 Los resultados de la evaluación se muestran en la Tabla 6. A partir de estos resultados, puede verse que, para cualquiera de las Muestras 9-12 que tenía roscas según la presente invención, la variación de par fue pequeña en comparación con la Muestra 12, que empleó una rosca reforzada por completo, el grado de reducción del par después de la eliminación de una carga compresiva fue mucho mejor en comparación con la rosca trapezoidal de la Muestra 13, y fue aproximadamente igual que para la Muestra 12.

20 Tabla 6

N° de

Resultados del análisis Tiempo requerido para la conexión (minutos)

muestra

Variación del par de tope Tasa de mantenimiento del par tras la liberación de la compresión (%)

9

10.107,62 N'm 85,8 aprox. 4 minutos

10

11.120,42 N'm 81,3 "

11

10.193,04 N'm 81,7 "

12

11.997,63 N'm 84,4 aprox. 5 minutos

13

2.596,39 N'm 51 ,6 "

En cuanto al tiempo estimado requerido para la conexión de las roscas, en comparación con el caso de una rosca de un solo filete como la de la Muestra 12, una rosca de dos filetes según la presente invención puede acortar el tiempo en aproximadamente el 20%.

La base para estimar el tiempo de conexión fue como sigue. Si se considera que la conexión está dividido en tres

25 etapas de (i) penetración (el procedimiento de insertar verticalmente un miembro de punta en un miembro de tuerca) y apretar a mano (el operario efectúa la rotación a mano hasta una posición en que la rotación se detiene), (ii) apretado con máquina (el procedimiento de apretado por medio de una máquina, como una llave portacaños, hasta un par previsto) y (iii) ajuste después de la conexión. Con la rosca de un solo filete, el tiempo requerido fue aproximadamente (i) dos minutos, (ii) dos minutos y (iii) un minuto, pero empleando una rosca de dos filetes según la

30 presente invención, el tiempo requerido para (ii) puede reducirse a la mitad.

A partir de los resultados anteriores, está claro que una rosca según la presente invención está mejorada con respecto a la variación de par en comparación con una rosca reforzada, mantiene una excelente resistencia a la compresión y se reduce mucho el tiempo requerido para la conexión de las roscas.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un empalme roscado para una tubería de acero que tiene un miembro (11) de punta dotado de una rosca ahusada macho (12), una porción (4) que forma una junta metálica, y una porción (5) que forma un tope de torsión y un miembro (21) de tuerca que tiene una rosca ahusada hembra (22), una porción que forma una junta metálica y 5 una porción que forma un tope de torsión correspondientes a las de la porción de punta, caracterizado porque las roscas que constituyen la rosca ahusada macho (12) y la rosca ahusada hembra (22) tienen una primera porción de rosca trapezoidal que no tiene contacto simultáneo en los flancos (16) de carga y en los flancos (17) de penetración, y una segunda porción de rosca trapezoidal que tiene contacto en los flancos (16) de carga y en los flancos (17) de penetración y que tiene separaciones en las superficies (14) del fondo de la rosca y las superficies (18) de la cresta

   10 de la rosca, en el que la primera porción de rosca trapezoidal tiene contacto en los flancos (16) de carga y la superficie (14) del fondo de la rosca, y separaciones en la superficie (18) de cresta de la rosca y los flancos (17) de penetración.
2. 2. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en la reivindicación 1 caracterizado porque el

   ángulo (a) del flanco de carga con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería es como mínimo _10· 15 y como máximo +10·, y el ángulo (9) del flanco de penetración es como mínimo +15' y como máximo +50'.
3. 3. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 caracterizado porque la separación "a" en la dirección axial en los flancos de penetración de la primera porción de rosca trapezoidal satisface la siguiente ecuación:

   o<a<[(tana+tanO)j2Jx8

   en la que a es el ángulo del flanco de carga, 9 es el ángulo del flanco de penetración y l) es la interferencia de la 20 rosca (sobre el diámetro).
4. 4. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque el ángulo a del flanco de carga en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro interior de los flancos (16) de carga de la rosca hembra (22) es como mínimo de 25' y como máximo de 60° con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.

   25 5. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el ángulo (9) del flanco de penetración en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro interior de los flancos

   (17) de penetración de la rosca hembra (22) es como mínimo de 25° y como máximo de 60° con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.
5. 6. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5

   30 caracterizado porque el ángulo a del flanco de carga en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro exterior de los flancos (16) de carga de la rosca macho (12) es como mínimo de 25° y como máximo de 60° con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.
6. 7. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque el ángulo (9) del flanco de penetración en 1/8 a 1/2 del lado del diámetro exterior de los flancos

   35 (17) de penetración de la rosca macho (12) es como mínimo de 25° y como máximo de 60° con respecto a una superficie perpendicular al eje de la tubería.
7. 8. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque la segunda porción de rosca trapezoidal tiene una porción de rosca incompleta en la rosca ahusada macho (12).

   40 9. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en la reivindicación 3 caracterizado porque la segunda porción de rosca trapezoidal tiene una porción de rosca incompleta en la rosca ahusada macho (12) y la cantidad de reducción "c" (sobre el radio) de la altura de la rosca macho (12) en la porción de rosca incompleta de la rosca ahusada macho (12) satisface la siguiente ecuación:

   c> aj(tan a + tanO)
8. 10. Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 que

   45 tiene una porción (4) que forma una junta metálica entre la primera porción de rosca trapezoidal y la segunda porción de rosca trapezoidal.

9. 11.

   Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en la reivindicación 10 caracterizado porque se proporciona otra porción (4) que forma una junta metálica, además de la porción (4) que forma una junta metálica descrita en lo que antecede.

10. 12.

    Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en el que la rosca es una rosca de filetes múltiples.

11. 13.

    Un empalme roscado para una tubería de acero según se define en la reivindicación 12 caracterizado porque

    una cualquiera de la rosca macho (12) y la rosca hembra (22) tiene las mismas dimensiones y la misma forma de 5

    rosca para cada cresta de la rosca.