ES2640615T3 - Junta de sellado mejorada entre tuberías - Google Patents

Abstract

Unión de tuberías, comprendiendo la unión: una unión roscada para tuberías que comprende una primera longitud de tubería o espiga (20) que presenta en un extremo una parte roscada macho y una segunda longitud de tubería o caja (10) que presenta en un extremo una parte hembra que presenta una rosca complementaria, estando las partes adaptadas para acoplarse entre sí a lo largo de la mayor parte de la longitud axial de las partes roscadas, estando inclinadas las roscas de las mismas en la misma dirección y en un ángulo agudo con respecto al eje longitudinal de la longitud de la tubería, extendiéndose la rosca macho hasta un saliente de tope macho adyacente a un saliente de tope complementario sobre la otra parte, comprendiendo el saliente de tope complementario un rebaje en forma de un receptor cónico que presenta un vértice redondeado (14), incluyendo el saliente de tope en la espiga (20) un saliente de par (21), que se acopla friccionalmente a un saliente (13) correspondiente en el saliente de tope complementario, una superficie radial (23) adyacente a una superficie radial (15) correspondiente sobre el saliente de tope complementario, una superficie de sellado curvada (24) sobre la espiga (20) que se acopla de forma sellante a una superficie de sellado curvada (16) correspondiente sobre el saliente de tope complementario de la caja (10), estando las superficies de sellado curvadas (16, 24) conformadas de tal modo que estén sobre el arco de la circunferencia de un círculo independiente, estando el centro del círculo, sobre el cual se encuentra la superficie curvada (16) de la caja, en la dirección longitudinal del volumen de la caja (10), y estando el centro del círculo, sobre el cual se encuentra la superficie curvada (24) de la espiga (20), en una posición longitudinal con respecto al lado opuesto del punto de contacto y en el cuerpo principal de la espiga (20), y siendo la curvatura de la superficie de sellado de caja (16) mayor que en la superficie de sellado (24) sobre la espiga (20), caracterizada por que el radio del círculo sobre el cual es descrita la superficie de sellado de la sección de espiga está comprendido entre 0,25 y 0,35'' (0,63-0,89 cm), y el radio del círculo sobre el cual se describe la superficie de sellado de la caja está comprendido entre 0,05 y 0,07'' (0,12-0,18 cm).

Description

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DESCRIPCION

Junta de sellado mejorada entre tuberfas.

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a una junta de sellado mejorada entre dos secciones de tuberfa. Las secciones de tuberfa contempladas particularmente encuentran aplicacion en las industrias de perforacion de petroleo y gas.

Antecedentes de la invencion

La produccion de tuberfas de acero para uso en las industrias de perforacion de petroleo y gas han sido el objeto de una gran cantidad de investigaciones e innovaciones. Aparte de los materiales y los medios de formacion de un tubo cilfndrico, un aspecto que ha sido foco de atencion es el acoplamiento conjunto de dos tuberfas independientes para proporcionar una union estanca al fluido capaz de resistir tanto las fuerzas de traccion como las fuerzas de compresion.

Las uniones se forman normalmente atornillando conjuntamente dos tuberfas, teniendo cada una de ellas roscas complementarias precortadas en los extremos de cada una de las tuberfas, continuando con la adicion de tuberfas suplementarias al extremo libre para formar una ristra. Como un procedimiento alternativo pero relacionado, se utiliza un manguito de acoplamiento roscado para puentear a traves de los extremos de dos tuberfas, pero el principio sigue siendo el mismo.

Para mejorar las propiedades de sellado de la union producida entre las tuberfas, y para proporcionar una junta de sellado capaz de resistir la manipulacion repetida en condiciones normales de funcionamiento, el perfil y la superficie de la parte roscada del extremo de las tuberfas y las regiones inmediatamente alrededor de la parte roscada hacia el extremo de la tuberfa, estan disenados especfficamente para cooperar conjuntamente a fin de proporcionar la junta de sellado. Tfpicamente, el extremo de la tuberfa tiene una parte roscada cortada sobre el exterior de la tuberfa (para formar una espiga o seccion macho) o dentro de la superficie interior de la tuberfa (para formar una caja o seccion hembra). La superficie sobre la cual se introduce la parte roscada puede incluir un estrechamiento para ayudar al proceso de acoplamiento.

Alternativamente, el diametro de la tuberfa en la region de formacion de la junta de sellado puede haberse incrementado en comparacion con el predominante a lo largo de la longitud de la tuberfa, usualmente por conformacion en frfo, para permitir que se forme una union.

En la tuberfa, se deja normalmente una seccion no roscada entre el extremo de la tuberfa y la seccion roscada, cuya seccion no roscada se denomina frecuentemente saliente de tope. Se ha puesto particular enfasis en la investigacion sobre el saliente de tope ya que este constituye frecuentemente la region de sellado primaria de la union de tuberfas. El saliente de tope sobre la espiga se perfila usualmente para encajar en un correspondiente rebaje en la seccion de caja a fin de formar una junta de sellado fuerte. El perfil particular se elige normalmente para dispersar eficientemente el esfuerzo experimentado en la tuberfa cuando se aplica un par para formar la union y retener la junta de sellado cuando la union esta en uso. Ademas del perfilado, pueden aplicarse tambien revestimientos para mejorar la naturaleza estanca a los fluidos de las juntas de sellado.

Un ejemplo de una union de tuberfa de la tecnica anterior se muestra en el documento US 6 045 165 A1 que divulga las caracterfsticas del preambulo de la reivindicacion 1.

Sin embargo, dado que muchas reservas de petroleo y gas comienzan a agotarse y el precio del petroleo sube, hay una necesidad y una oportunidad crecientes de extraer petroleo y gas de las reservas, lo que hasta la fecha habfa sido antieconomico. Por ejemplo, la extraccion necesita tener lugar a partir de niveles mas profundos o mas inaccesibles. Ademas, existe tambien un deseo de que sea posible utilizar orificios de sondeo existentes como un punto de partida para alcanzar los depositos mas diffciles.

El resultado de esto es que las uniones de tuberfas necesitan ser capaces de resistir temperaturas y presiones - tanto de traccion como de compresion - mas altas que las que se han presentado anteriormente. Por ejemplo, muchas ristras necesitan tener codos de alrededor de 90° cuando van de una orientacion vertical a una horizontal. Tal codo provoca obviamente que las fuerzas tanto de compresion como de traccion actuen sobre la misma union.

Un problema encontrado en uniones de la tecnica anterior es el doblado del extremo de la espiga en la formacion de la union. Esto puede llevar a escoriaciones: si no la primera vez que se forma la union, sf mas tarde en formaciones subsiguientes. Aunque este problema puede abordarse incrementando la tolerancia en la fabricacion, esta es una solucion cara y, ademas, no elimina completamente las dificultades, particularmente en condiciones de trabajo normales.

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Es un objetivo de la presente invencion tratar de abordar los problemas anteriores.

Sumario de la invencion

Segun un primer aspecto de la invencion, se proporciona una union de tuberfas, comprendiendo la union: una union roscada para tuberfas que comprende una primera longitud de tuberfa o espiga que presenta en un extremo una parte roscada macho y una segunda longitud de tuberfa o caja que presenta en un extremo una parte hembra que presenta una rosca complementaria, estando las partes adaptadas para acoplarse entre sf a lo largo de la mayor parte de la longitud axial de las partes roscadas, estando inclinadas las roscas de las misma en la misma direccion y en un angulo agudo con respecto al eje longitudinal de la longitud de tuberfa, extendiendose la rosca macho hasta un saliente de tope macho adyacente a un saliente de tope complementario sobre la otra parte, comprendiendo el saliente de tope complementario un rebaje en forma de un receptor conico que tiene un vertice redondeado, incluyendo el saliente de tope en la espiga un saliente de par que se acopla friccionalmente a un saliente correspondiente en el saliente de tope complementario,

una superficie radial adyacente a una superficie radial correspondiente en el saliente de tope complementario, una superficie de sellado curvada en la espiga que se acopla de manera sellante a una superficie de sellado curvada correspondiente en el saliente de tope complementario de la caja, estando conformadas las superficies de sellado curvadas de manera que esten en el arco de la circunferencia de un cfrculo independiente, estando el centro del cfrculo sobre el cual se situa la superficie curvada (16) de la caja en la direccion longitudinal del volumen de la caja (10) y estando el centro del cfrculo sobre el cual se situa la superficie curvada (24) de la espiga (20) en una posicion longitudinal con respecto al lado opuesto del punto de contacto y en el cuerpo principal de la espiga (20), y la curvatura de la superficie de sellado de caja es mayor que en la superficie de sellado de la espiga (20), caracterizada por que el radio del cfrculo sobre el cual se describe la superficie de sellado de la seccion de espiga esta comprendido entre 0,25 y 0,35'' (0,63-0,89 cm), y el radio del cfrculo sobre el cual se describe la superficie de sellado de la caja esta comprendido entre 0,05 y 0,07'' (0,12-0,18 cm).

La disposicion anterior permite el movimiento de la junta de sellado a lo largo de la superficie curvada que tiene lugar cuando se aplican esfuerzos a la union.

Preferentemente, el centro del cfrculo sobre el cual esta la superficie de sellado de la seccion de espiga presenta su centro en una lfnea que esta a entre 0,30 y 0,40'' (0,762-1,016 cm) del punto de interseccion de las lfneas en prolongacion desde el saliente de par y la superficie radial en la espiga.

Preferentemente, el angulo entre la lfnea, en la que esta el centro del cfrculo que describe la superficie de sellado de la espiga, y la lfnea, que se extiende desde el centro del cfrculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado, es de 7,0-9,0°.

Preferentemente, el angulo entre la lfnea, en la que esta el centro del cfrculo que describe la superficie de sellado de la caja, y la lfnea, que se extiende desde el centro del cfrculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado, es de 10,0 - 12,0°.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion se describira ahora con referencia a los dibujos que se acompanan que muestran una forma de realizacion de una union. En los dibujos:

La figura 1 es una seccion del eje longitudinal de una seccion de tuberfa que muestra la region de sellado de una junta de sellado de caja;

La figura 2 es una seccion del eje longitudinal de una seccion de tuberfa que muestra la region de sellado de una junta de sellado de espiga;

La figura 3 ilustra la localizacion dentro de una seccion de tuberfa de la junta de sellado de caja en la figura 1;

La figura 4 ilustra la localizacion dentro de una seccion de tuberfa de la junta de sellado de espiga en la figura

2;

La figura 5 ilustra un grafico de par obtenido durante la formacion de una union; y

Las figuras 6 y 7 ilustran puntos y lfneas de referencia utilizados para determinar la posicion de una superficie de sellado de radios.

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Descripcion detallada de la invencion

Al disenar la region de sellado de una union entre las secciones de espiga y de caja de las tuberfas de acero, se ha utilizado y modificado un gran numero de caracterfsticas para intentar y conseguir los objetivos establecidos para una junta de sellado particular. La presente invencion esta relacionada con el uso de lo que se denomina frecuentemente radio, tanto en la seccion de espiga como de caja, acoplandose uno con otro dichos radios al formar la union y permitiendo cierto movimiento de la espiga y la caja una con relacion a otra, pero manteniendo todavfa dicho movimiento una junta de sellado. La junta de sellado puede mantenerse tambien cuando los ejes longitudinales de las secciones de espiga y de caja no estan en alineacion completa, siempre que dicha desalineacion no sea demasiado grande. En una seccion transversal a lo largo del eje longitudinal de una tuberfa, los radios aparecen como lfneas curvadas y se muestran asf en las figuras adjuntas.

Aunque tales radios se conocen en la tecnica anterior, se ha encontrado sorprendente que el uso de dos radios - uno en la seccion de espiga y uno en la seccion de caja - cooperen uno con otro para proporcionar una junta de sellado que sea estable bajo fuerzas de traccion y compresion y tambien a temperaturas elevadas. Por tanto, la junta de sellado producida es adecuada para uso en entornos diffciles tales como aquellos a grandes profundidades en los que se requiere una elevada curvatura de una ristra, en los que hay un gran diferencial de presion entre el volumen interno de la tuberfa y el exterior y en los que las temperaturas pueden alcanzar mas de 200°C.

Se ha encontrado en primer lugar que los dos radios tienen preferentemente diferentes curvaturas uno con respecto a otro. En segundo lugar, cada superficie curvada puede definirse como parte del arco de un cfrculo cuyo centro esta en el cuerpo principal de la tuberfa. Se ha encontrado de nuevo que se mejoran los resultados para aquellas situaciones en las que al contacto entre las superficies, los centros de esos cfrculos estan desplazados longitudinalmente uno con respecto a otro y con respecto al punto de contacto. En este caso, el centro del cfrculo para la superficie curvada de la seccion de caja esta en la direccion longitudinal del volumen de la tuberfa de la cual la seccion de caja es una parte. Analogamente, el centro del cfrculo para la superficie curvada en la seccion de espiga esta longitudinalmente en el lado opuesto del punto de contacto.

La invencion se ilustra ahora inicialmente con respecto a las figuras 1 y 2 que muestran el rebaje de saliente de tope de una seccion de caja y el saliente de tope de una seccion de espiga de una tuberfa, respectivamente.

Tratandose primero de la seccion de caja 10 de una tuberfa, esta comprende un rebaje 11 definido por el metal del que esta formado el volumen 12 de la tuberfa. El propio cuerpo de tuberfa se muestra en sombreado rayado para ayudar visualmente a la interpretacion de las caracterfsticas. El rebaje 11 tiene un saliente de par 13 que, en uso, se acopla a una superficie correspondiente en la espiga al formar la union. Aunque este acoplamiento se defina en muchos documentos de la tecnica anterior como un acoplamiento de sellado, no necesario o deseable en la presente invencion. Como puede verse por la figura 1, el saliente de par 13 define un angulo de 15° con respecto al plano perpendicular al eje longitudinal de la tuberfa. Se reconocera por el experto que este angulo puede modificarse dentro de lfmites sin menoscabo de las prestaciones de la junta de sellado principal. Una superficie curvada 14 de radio 0,02'' (0,0508 cm) une el saliente de par 13 a una superficie estrechada adicional 15. La superficie 15 en tres dimensiones es conica, pero en la representacion en seccion transversal de la figura 1 aparece como una lfnea recta. La superficie 15 forma un angulo de 7,12° (tg-1(1/8)) con el eje longitudinal de la tuberfa.

En el punto A, el perfil en seccion transversal de la caja 10 llega a curvarse entre el punto A y el punto B. A lo largo de esta seccion, la superficie curvada 16, entre A y B, describe el arco de la circunferencia de un cfrculo cuyo centro esta en el material de volumen de la tuberfa 10. El radio del cfrculo en la figura ejemplificada es de 0,6 cm.

Mas alla del punto B, una superficie conica adicional 17 en angulo de 65° con el plano perpendicular al eje longitudinal de la tuberfa 10, une la superficie curvada 16 a la cresta final de la parte roscada de la tuberfa 10.

La espiga 20 presenta una configuracion que es, en algunos aspectos, complementaria de la del rebaje 11 en la caja 10. La espiga 20 presenta un saliente de par 21 en angulo de 15° con el plano perpendicular al eje longitudinal de la espiga 20. El saliente de par 21 esta unido por una superficie curvada 22 de radio 0,0415'' (0,1054 cm) a una superficie conica 23 que tiene un estrechamiento de 0° con respecto al eje longitudinal de la espiga 20.

En el punto C, el perfil en seccion transversal de la espiga 20 llega a curvarse entre los puntos C y D, estando la superficie curvada 24 sobre el arco de la circunferencia de un cfrculo de radio 0,6 cm. Mas alla del punto D, una superficie conica adicional 25 une la superficie curvada 24 a la cresta final de la parte roscada 26 de la espiga 20. La muesca 27 mostrada en la figura 2 es simplemente la base de la parte de rosca 26.

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La espiga 20 tiene una superficie achaflanada 28, presentando dicha superficie achaflanada 28 una seccion transversal recta como se muestra y en angulo de 10° con el eje longitudinal de la espiga 20. Se apreciara por el experto que dicha superficie 28 puede ser tambien concava (cuando se ve desde el volumen interno de la espiga) sin apartarse del alcance de la invencion. La relacion de las partes de la espiga y la caja mostrada en las figuras 1 y 2 con respecto al resto de la respectiva tuberfa se muestran en elipses en las figuras 3 y 4.

Por tanto, en uso, al formar la union, se juntan la seccion de espiga y de caja por acoplamiento de las secciones roscadas de la espiga y la caja por la aplicacion de un par. Se aplica un par hasta que se forme una junta de sellado entre las dos secciones. Esta situacion se reconoce usualmente vigilando la magnitud del par aplicado y se muestra un grafico tfpico en la figura 5. En el punto de acoplamiento de los salientes de par 13, 21 y la formacion de la junta de sellado, el par aumenta discontinuamente de un valor que anteriormente crecfa constantemente. La junta de sellado primaria esta formada entre las dos superficies curvadas 16, 24.

Puede verse ahora la ventaja de utilizar dos superficies curvadas para proporcionar una junta de sellado que sea capaz de mantener la integridad bajo fuerzas de traccion o compresion, incluyendo el doblado de la union. Si tales fuerzas actuan, las superficies curvadas “ruedan” una contra otra y aunque el punto de sellado pueda moverse, su integridad permanece intacta. Ademas, se reconoce que el extremo de la espiga tiene una tendencia, debido a las fuerzas ejercidas sobre el mismo, a doblarse hacia dentro. Si este proceso va demasiado lejos, entonces la deformacion puede llegar a ser tan aguda que, en formaciones subsiguientes, se pueden producir escoriaciones cuando el extremo de la espiga corta la seccion de caja.

Una caracterfstica adicional de la invencion se refiere al posicionamiento y el aspecto de las superficies de sellado curvadas en la espiga y la caja. Esto se ilustra en las figuras 6 y 7. Tratandose en primer lugar de la superficie curvada 16 en la caja en la figura 6, la localizacion del centro del cfrculo, en cuya circunferencia esta el cfrculo, se define con respecto a un punto imaginario P dentro del metal del volumen de la caja 10. El punto P se obtiene como la interseccion de una lfnea trazada en prolongacion del saliente de par 13 y una lfnea trazada en prolongacion de la seccion plana 15 (mostrandose las prolongaciones como lfneas de trazos en la figura 6). Una vez que se obtiene este punto, el centro del cfrculo esta entonces en la lfnea R, perpendicular al eje de la caja que tiene una distancia minima de 0,2'' (0,508 cm) desde el punto de interseccion P, en la direccion de la parte roscada. Esta lfnea R se muestra en lfnea de puntos en la figura 6. La localizacion radial del centro del cfrculo en esta lfnea esta gobernada por la circunferencia del cfrculo trazado a partir de la misma para asegurar que la curva se encuentra con la superficie 17 suavemente en B; es decir, la superficie es tangencial al cfrculo en este punto de encuentro. Se ha encontrado que el valor de la distancia minima de R desde P puede ser de 0,15''0,25” (0,380-0,635 cm). Por ejemplo, se ha encontrado que para una seccion de caja de 41^” (11,43 cm) es adecuada una distancia de 0,193” (0,4902 cm) y para una seccion de caja de 7” (17,78 cm) es adecuada una distancia de 0,2002” (0,5085 cm).

La localizacion del centro del cfrculo que se utiliza con respecto a la superficie curvada 24 en la espiga 20 se define de manera analoga. En primer lugar, se encuentra un punto imaginario Q, la interseccion de una lfnea trazada en prolongacion del saliente de par 21 y una lfnea trazada en prolongacion de la seccion plana 23. El centro del cfrculo esta entonces en la lfnea S perpendicular al eje de la caja que tiene una distancia minima de 0,35” (0,889 cm) desde el punto de interseccion Q en la direccion desde Q hacia la parte roscada. Se ha encontrado que el valor de la distancia minima de S desde Q puede estar comprendido entre 0,30” y 0,40” (0,7620-1,016 cm). Por ejemplo, se ha encontrado que para una seccion de espiga de 41^” (11,43 cm) es adecuada una distancia de 0,33” (0,8382 cm) y para una seccion de espiga de 7” (17,78 cm), es adecuada una distancia de 0,3298” (0,8377 cm).

Los radios de los cfrculos formados necesitan ser elegidos cuidadosamente para asegurar la buena integridad de la junta de sellado y tambien que la junta de sellado permanezca intacta bajo las fuerzas que actuan sobre la misma. Otra caracterfstica que es importante es el angulo formado entre las lfneas que unen el punto de contacto de junta de sellado inicial y el centro de un cfrculo y la lfnea perpendicular al eje longitudinal de la tuberfa en la que esta el centro del cfrculo.

La curvatura de la superficie de sellado en la espiga es preferentemente menor que la de la superficie correspondiente en la caja. Para la espiga, se selecciona un radio adecuado que esta en el rango de 0,25”-0,35” (0,63-0,89 cm) y el angulo anteriormente definido que es de 7-9°. Con respecto a la caja, el radio seleccionado es de 0,05-0,07” (0,12-0,18) y el angulo es de 10-12°. Por tanto, se apreciara que los radios de los cfrculos se ajustan en la espiga y en la caja de manera que sean diferentes uno de otro.

Por supuesto, se entendera que la invencion no esta limitada a los detalles especfficos descritos en la presente memoria, que se dan a modo de ejemplo solamente, y que son posibles diversas modificaciones y alteraciones dentro del alcance de la invencion.

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   REIVINDICACIONES

   1. Union de tuberfas, comprendiendo la union:

   una union roscada para tuberfas que comprende una primera longitud de tuberfa o espiga (20) que presenta en un extremo una parte roscada macho y una segunda longitud de tuberfa o caja (10) que presenta en un extremo una parte hembra que presenta una rosca complementaria, estando las partes adaptadas para acoplarse entre sf a lo largo de la mayor parte de la longitud axial de las partes roscadas, estando inclinadas las roscas de las mismas en la misma direccion y en un angulo agudo con respecto al eje longitudinal de la longitud de la tuberfa, extendiendose la rosca macho hasta un saliente de tope macho adyacente a un saliente de tope complementario sobre la otra parte, comprendiendo el saliente de tope complementario un rebaje en forma de un receptor conico que presenta un vertice redondeado (14), incluyendo el saliente de tope en la espiga (20) un saliente de par (21), que se acopla friccionalmente a un saliente (13) correspondiente en el saliente de tope complementario,

   una superficie radial (23) adyacente a una superficie radial (15) correspondiente sobre el saliente de tope complementario,

   una superficie de sellado curvada (24) sobre la espiga (20) que se acopla de forma sellante a una superficie de sellado curvada (16) correspondiente sobre el saliente de tope complementario de la caja (10), estando las superficies de sellado curvadas (16, 24) conformadas de tal modo que esten sobre el arco de la circunferencia de un cfrculo independiente, estando el centro del cfrculo, sobre el cual se encuentra la superficie curvada (16) de la caja, en la direccion longitudinal del volumen de la caja (10), y estando el centro del cfrculo, sobre el cual se encuentra la superficie curvada (24) de la espiga (20), en una posicion longitudinal con respecto al lado opuesto del punto de contacto y en el cuerpo principal de la espiga (20), y siendo la curvatura de la superficie de sellado de caja (16) mayor que en la superficie de sellado (24) sobre la espiga (20), caracterizada por que el radio del cfrculo sobre el cual es descrita la superficie de sellado de la seccion de espiga esta comprendido entre 0,25 y 0,35'' (0,63-0,89 cm), y el radio del cfrculo sobre el cual se describe la superficie de sellado de la caja esta comprendido entre 0,05 y 0,07'' (0,12-0,18 cm).
2. 2. Union de tuberfas segun la reivindicacion 1, en la que el centro del cfrculo sobre el cual esta la superficie de sellado (24) de la espiga, tiene su centro sobre una lfnea que esta a entre 0,30 y 0,40'' (0,762-1,016 cm) del punto de interseccion de lfneas que se extienden desde el saliente de par y la superficie radial en la espiga.
3. 3. Union de tuberfas segun la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en la que el angulo entre la lfnea, sobre la cual esta el centro del cfrculo que describe la superficie de sellado de la espiga, y la lfnea desde el centro del cfrculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado, esta comprendido entre 7,0 y 9,0°.
4. 4. Union de tuberfas segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el angulo entre la lfnea, sobre la cual esta el centro del cfrculo que describe la superficie de sellado de la caja, y la lfnea desde el centro del cfrculo y el punto de contacto inicial de las dos superficies de sellado, esta comprendido entre 10,0 y 12,0°.