ES2898181T3 - Forma de rosca de 4 vueltas - Google Patents
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Abstract
Una forma de rosca para tubos de material compuesto, estando la forma de rosca caracterizada por que se proporcionan cuatro vueltas de rosca por pulgada (0,0254 m) de tubería, incluyendo las cuatro vueltas de rosca: un flanco de carga de cada una de las roscas que tiene un ángulo de flanco de carga positivo de entre 15 y 25 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería; un flanco de emboque de cada una de las roscas que tiene un ángulo de flanco de emboque positivo de entre 60 y 62 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería; una porción de cresta entre el flanco de emboque y el flanco de carga; y una porción de raíz entre el flanco de carga y el flanco de emboque, en donde el ángulo del flanco de emboque es de entre 2,4 y 4,13 veces el ángulo del flanco de carga en la porción de raíz.
Description
DESCRIPCIÓN
Forma de rosca de 4 vueltas
Antecedentes
Campo técnico
La materia objeto descrita se refiere, en general, a formas de rosca de tubería, en particular, a formas de rosca de 4 vueltas (es decir, unas formas de tubería de cuatro roscas por 0,0254 m (pulgada)).
Descripción de la técnica relacionada
Las tuberías habituales que se utilizan en los oleoductos generalmente presentan una forma de rosca de ocho (8) roscas por 0,0254 m (pulgada) (TPI, por sus siglas en inglés de rosca por pulgada), también conocidas como de 8 vueltas. Esta forma de rosca es capaz de soportar altas presiones y las cargas de tracción asociadas tal y como lo exigen las normas del American Petroleum Institute (API). Sin embargo, las formas de rosca de ocho roscas por 0.0254 m (pulgada) son propensas a enroscarse mal durante la instalación, especialmente en tuberías de mayor diámetro. Adicionalmente, aunque pueden existir cientos de formas de rosca, muchas formas de rosca apropiadas para tuberías de metal, tales como una rosca de contrafuerte, no se pueden mecanizar en tubos de material compuesto debido a problemas de astillado y agrietamiento. Los problemas de astillado y agrietamiento están especialmente presentes en los ángulos agudos de la rosca de contrafuerte. De manera similar, las roscas premium, una clase de tipo de rosca de alto rendimiento que se utilizan comúnmente en las terminaciones modernas de pozos de petróleo y gas, están disponibles en una serie de configuraciones y normalmente están diseñadas para proporcionar un sellado hidráulico superior, una mejor capacidad de tracción y mayor facilidad de fabricación. Sin embargo, debido a los problemas de mecanizado con las tuberías de material compuesto, las roscas premium tampoco se pueden implementar completamente en tuberías de material compuesto.
Los documentos US 5127784 A y US 4943094 A describen cada uno una forma de rosca que comprende un número predeterminado de roscas por pulgada, un flanco de carga que tiene un ángulo de flanco de carga, un flanco de emboque que tiene un ángulo de flanco de emboque, una porción de cresta entre el flanco de carga y el flanco de emboque y una porción de raíz entre el flanco de carga y el flanco de emboque, en donde el ángulo del flanco de carga es aproximadamente de entre 2,4 y 4,0 veces el ángulo del flanco de emboque en la porción de raíz.
La característica de una conexión roscada de un material compuesto se ha descrito en el documento US 6264244 B1.
El documento US2011/0132486 A1 describe una rosca para un elemento tubular de material compuesto en donde el flanco de emboque de cada rosca tiene un ángulo de flanco de emboque de entre 0 y 15 grados.
El documento US 5788401 A1 describe una forma de rosca adecuada para tuberías de material compuesto, la forma de rosca provista de cuatro vueltas de rosca por 0,0254 m (pulgada) de tubería, incluyendo las cuatro vueltas de rosca un flanco de carga de cada una de las roscas que tienen un ángulo de flanco de carga negativo de -15 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería, un flanco de emboque de cada una de las roscas que tiene un ángulo de flanco de emboque de entre 60 y 62 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería, una porción de cresta entre el flanco de emboque y el flanco de carga y una porción de raíz entre el flanco de carga y el flanco de emboque.
Por consiguiente, se necesita una forma de rosca que sea menos propensa a enroscarse mal durante la instalación y que pueda mecanizarse en tuberías de material compuesto, pero que todavía sea capaz de soportar altas presiones y cargas de tracción.
Breve descripción de los dibujos
Muchos aspectos de la descripción pueden entenderse mejor con referencia a los siguientes dibujos, en donde:
la Figura 1 muestra una vista esquemática de una forma de rosca de la presente materia objeto;
la Figura 2 muestra el ensayo de rotura configurada para la prueba hidrostática;
la Figura 3 muestra un ensamblaje de carrete para pruebas de tracción;
las Figuras 4A-B muestran un conjunto de ensayos de tracción por tirón;
las Figuras 5A-D muestran la pieza del ensayo de tracción; y
las Figuras 6A-B muestran una pieza del ensayo de elaboración y rotura.
Descripción detallada
Se hace ahora referencia en detalle a la descripción de realizaciones no limitantes tal y como se ilustran en los dibujos. Como tal, esta descripción detallada de varias realizaciones alternativas no debe interpretarse como una limitación del alcance o de la amplitud del presente aparato, sistema y método tal y como se establece en las reivindicaciones.
La Figura 1 muestra un ejemplo de realización de una forma de rosca de 4 vueltas para tuberías, que comprende un flanco de carga, un flanco de emboque, una cresta y una raíz. El flanco de carga está inclinado en un ángulo de flanco de carga, que se mide desde una línea que es perpendicular a un eje de la tubería. El flanco de emboque está inclinado en un ángulo del flanco de emboque, que también se mide desde la línea perpendicular al eje de la tubería, pero en sentido opuesto. En el ejemplo de realización que se muestra en la Figura 1, el ángulo del flanco de emboque es de 62 grados y el ángulo del flanco de carga es de 25 grados, sin embargo, el ángulo del flanco de carga puede ser cualquier ángulo de entre 15 y 25 grados y el ángulo del flanco de emboque puede ser cualquier ángulo de entre 60 y 62 grados. Por consiguiente, en el ejemplo de realización mostrado, un ángulo entre el flanco de carga y el flanco de emboque puede variar de 75 a 87 grados. Adicionalmente, la forma de rosca mostrada en la Figura 1 incluye una conicidad de 0,0191 m (%") por 0,3028 m (pie) (TPF).
La realización mostrada en la Figura 1 es un ejemplo y pretende mostrar la forma de rosca de 4 vueltas. Por supuesto, en la solicitud, la forma de rosca se aplica tanto a la porción roscada externa (macho) como a las porciones roscadas internas (hembra), que estarían configuradas para formar una conexión roscada completa entre dos tuberías. Adicionalmente, el ejemplo de forma de rosca de 4 vueltas se puede implementar en tuberías tanto de gran diámetro como de pequeño diámetro.
Los resultados del ensayo de tracción de muestras con forma de rosca de 4 vueltas, de acuerdo con la forma de rosca de 4 vueltas de la Figura 1, muestran que la forma de rosca de 4 vueltas puede soportar más del doble de la carga de tracción que la forma de rosca de 8 vueltas convencional. La resistencia de una forma de rosca se mide determinando qué fuerza de tracción es necesaria para la cizalladura de la rosca insertada en una base de área acoplada por 0,02542 m2 (pulgada cuadrada). Las formas convencionales de rosca de 8 vueltas normalmente fallan a aproximadamente 10,34x106 Pa (1.500 psi) durante las pruebas de tracción. Si la muestra del ensayo está bajo presión y la carga de tracción es el resultado del empuje final, entonces el resultado mejora a aproximadamente 13,79x106 Pa (2.000 psi) antes de la cizalladura. La primera muestra de forma de rosca de 4 vueltas falló a 26,20x106 Pa (3.800 psi) en un ensayo de tirón recto sin presión. En dos ensayos adicionales, la forma de rosca de 4 vueltas falló a 25,51X106 Pa (3.700 psi) y a 26,89x106 Pa (3.900 psi).
Adicionalmente, la prueba de presión de dos muestras de la rosca de 4 vueltas también mostró excelentes resultados. La primera muestra de forma de rosca de 4 vueltas se dejó a 17,24x106 Pa (2.500 psi) durante una noche y un día, y no hubo fugas. La segunda muestra de forma de rosca de 4 vueltas se probó en el ensayo de rotura y la cabeza de ensayo falló a 25,52x106 Pa (3.700 psi). A continuación, se presenta una descripción más completa de la configuración del ensayo y los resultados del mismo.
Ensayo hidrostático
En la Figura 2 se muestra una configuración de ensayo de rotura, para ensayos de presión hidrostática de piezas para un ensamblaje de caja amarilla de 0,1683 m (6-5/8") utilizando la forma de rosca de 4 vueltas descrita anteriormente con respecto a la Figura 1 y con 4 TPI (roscas por 0,0254 m (pulgada)), 0,0191 m (%") TPF (conicidad por 0,3038 m (pie)). Por conveniencia, (60/25) indica una forma de rosca de 4 vueltas que tiene un ángulo de flanco de emboque de 60 grados y un ángulo de flanco de carga de 25 grados.
El ensamblaje de ensayo, tal y como se muestra en la Figura 2, incluye lo siguiente: una tapa de extremo de acero (0,1651 m (6,5") L4 de longitud de 60/25 en el extremo de la caja), un empalme (0,1651 m (6,5") L460/25 extremo del vástago x 0,1016 m (4,0") L460/25 extremo del vástago), un acoplador (0,1016 m (4.0") L460/25 extremo de la caja x 0,1016 m (4,0") L460/25 extremo de la caja), un empalme (0,1016 m (4.0") L460/25 extremo del vástago x 0,1651 m (6,5") L460/25 extremo del vástago) y tapa de extremo de acero (0,1651 m (6,5") L460/25 extremo de caja).
El ensamblaje y el ensayo de las piezas de forma de rosca de 4 vueltas se llevaron a cabo de la siguiente manera. Las roscas tanto de la caja (roscas internas/hembra) como del pasador (roscas externas/macho) se limpiaron de cualquier materia extraña utilizando un paño limpio y un cepillo suave. Se aplicó cinta de teflón en las roscas de los vástagos. La cinta de teflón se enrolló fuertemente alrededor del extremo del espárrago en el sentido de las agujas del reloj comenzando desde el punto de desvanecimiento de la rosca del extremo del cuerpo más grande de la forma de rosca de 4 vueltas, procediendo hasta la última rosca del vástago y volviendo al punto de desvanecimiento de rosca. Durante la aplicación de la cinta de teflón, se intentó cubrir completamente cada rosca de la forma de rosca de 4 vueltas en cada revolución. Después, se aplicó un compuesto para roscas de tipo TF-15 (fabricante: Jet-Lube Inc.) a las roscas de la caja (roscas internas) y al vástago (roscas externas). Luego, la junta roscada se ensambló a mano hasta el "apriete manual". Después se utilizó una pinza de potencia para completar el ensamblaje usando un valor de par de torsión aproximado de 3.660 Nm (2.700 libra-pie).
El ensayo hidrostático se realizó para medir la presión hidrostática máxima para la forma de rosca de 4 vueltas. Inicialmente, la muestra de ensayo se presurizó de 0 a 13,79x106 Pa (2.000 psi) sin parar. Luego se presurizó la
muestra de ensayo, con incrementos de 3,45x106 Pa (500 psi) a intervalos de 5 a 10 minutos, hasta una presión de 27,58x106 Pa (4.000 psi). A continuación, se aumentó la presión en incrementos de 1,72x106 Pa (250 psi) a intervalos de 5 minutos. Este procedimiento se repitió hasta el fallo. Todos los fallos se debieron a fugas de rosca. Los resultados de los ensayos hidrostáticos se muestran en la Tabla-1
Tabla-1
Ensayo de tracción
Como se muestra en la Figura 3 un ensamblaje de carrete para ensayos de tracción de siete (7) piezas para un ensamblaje de caja amarilla de 0,2445 m (9-5/8") utilizando la forma de rosca de 4 vueltas (60/25) y (60/15) con 4 TPI de 0,0191 m (%") TPF. Por conveniencia, (60/25) indica una forma de rosca de 4 vueltas que tiene un ángulo de flanco de emboque de 60 grados y un ángulo de flanco de carga de 25 grados, (60/15) indica una forma de rosca de 4 vueltas que tiene un ángulo de flanco de emboque de 60 grados y un ángulo de flanco de carga de 15 grados.
El ensamblaje y el ensayo de las piezas de forma de rosca de 4 vueltas se llevaron a cabo de la siguiente manera. Las roscas tanto del vástago (roscas externas/macho) como de los extremos de la caja (rosca interna/hembra) se limpiaron de cualquier materia extraña con un paño limpio y un cepillo suave. Luego se aplicó cinta de teflón en las roscas de los vástagos. La cinta se enrolló fuertemente alrededor del extremo del vástago en el sentido de las agujas del reloj comenzando desde el punto de desvanecimiento de la rosca del extremo del cuerpo más grande de la de rosca, procediendo hasta la última rosca del vástago y volviendo al punto de desvanecimiento de rosca. Durante la aplicación de la cinta de teflón, se intentó cubrir completamente cada rosca de la forma de rosca de 4 vueltas en cada revolución. Después, se aplicó el compuesto de rosca de tipo TF-15 (fabricante: Jet-Lube Inc.) en las roscas de la caja y el vástago.
Luego, la junta se ensambló a mano hasta el "apriete manual". Después se utilizó una pinza de potencia para completar el ensamblaje usando un valor de par de torsión aproximado de 3660 Nm (2.700 libra-pie). Véase las Figuras 4A-B.
El ensayo de carga de tracción se ejecutó para verificar la resistencia a la tracción de la forma de rosca de 4 vueltas. En el ensayo de carga de tracción, se utilizaron fijaciones de acero para tirar del ensamblaje mostrado en la Figura 2. Se tiró de un total de 6 muestras durante el ensayo de carga de tracción. El ensamblaje montado en el probador de
tracción se muestra en las Figuras 4A-B.
La amplia experiencia con las conexiones roscadas de 8 vueltas de la norma del American Petroleum Institute (API) verifica que la cizalladura de rosca prevista en un ensayo de tracción de tirón recto será de alrededor de 11,03x106 Pa (1.600 psi). En otras palabras, cada pulgada cuadrada de rosca insertada normalmente resistirá una carga de cizalladura de alrededor de 11,03x106 Pa (1.600 psi). Los valores de fuerza de cizalladura indicados a continuación en la Tabla-2 indican la resistencia final a la cizalladura por pulgada cuadrada de rosca insertada de la forma de rosca de 4 vueltas.
La pieza de ensayo inicial se ensambló como se muestra en la Figura 3, incluyendo lo siguiente: un semiacoplamiento con 8 vueltas de rosca, L4 = 0,1651 m (6,5"); un racor roscado en un extremo con una forma convencional de rosca de 8 vueltas, L4 = 0,1651 m (6,5"), y en el otro extremo roscado con una forma de rosca de 4 vueltas, L4 = 0,1397 m (5,5"); un acoplador roscado por ambos extremos con una forma de rosca de 4 vueltas, L4 = 0,1397 m (5,5"); un racor roscado en un extremo con una forma de rosca de 4 vueltas, L4 = 0,1397 m (5,5"), y el otro extremo roscado con una rosca convencional de 8 vueltas forma L4 = 0,1651 m (6,5"); y medio acoplamiento con una forma de rosca convencional de 8 vueltas, L4 = 0,1651 m (6,5"). Se utilizó una báscula de grúa electrónica con una capacidad de 136.077 kg (300.000 lb) para medir la fuerza de tracción en cada tirón. Un cilindro hidráulico de 0,3810 m (15") montado en el marco de prueba proporcionó la fuerza de tracción para cada tirón.
El primer tirón, que no está registrado en el presente documento, cizalló la conexión convencional con una forma de rosca de 8 vueltas, a pesar de tener una longitud de rosca una pulgada más corta. Se preparó una segunda muestra en donde L4 en la forma de rosca de 4 vueltas se redujo a 0,0889 m (3,5"). De nuevo, la rosca convencional de 8 vueltas falló. Finalmente, la pieza 1, que está registrada a continuación, se preparó con un L4 de 0,0635 m (2,5"). La dimensión M es de 0,713, dejando así una longitud de rosca insertada efectiva de 0,0454 m (1,787"). Seis de esas muestras, tres con una forma de rosca 60/25 de 4 vueltas y tres con una forma de rosca 60/15 de 4 vueltas se ensayaron y registraron a continuación.
Tabla-2
Como puede verse en los resultados anteriores de la Tabla-2, el valor medio de la resistencia a la cizalladura para la forma de rosca de 4 vueltas es de 2,2 a 2,4 veces el de la forma de rosca de 8 vueltas convencional. Durante el ensayo, se produjo un fallo por cizalladura en la conexión de fibra de vidrio (Racor) a la fibra de vidrio (acoplador), véanse las Figuras 5A-D, sin embargo, el cuerpo de la muestra no resultó dañado en ninguno de los seis ensayos.
Para establecer la capacidad de la forma de rosca de 4 vueltas para elaborarla y romperla repetidamente, un racor de 0,2032 m (8 pulgadas) y un acoplamiento roscado con un tamaño de rosca de 0,2445 m (9-5/8") se apretó hasta 3.660 Nm (2.700 pies libra) y se rompió 10 veces consecutivas. Después de 10 ciclos de este tipo, se inspeccionó la rosca y se descubrió que no había sufrido ningún gripado, grieta u otros daños notables de cualquier tipo. Véanse las Figuras 6A-B.
Claims (3)
1. Una forma de rosca para tubos de material compuesto, estando la forma de rosca caracterizada por que se proporcionan cuatro vueltas de rosca por pulgada (0,0254 m) de tubería, incluyendo las cuatro vueltas de rosca: un flanco de carga de cada una de las roscas que tiene un ángulo de flanco de carga positivo de entre 15 y 25 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería;
un flanco de emboque de cada una de las roscas que tiene un ángulo de flanco de emboque positivo de entre 60 y 62 grados con respecto a una línea que es perpendicular al eje de la tubería;
una porción de cresta entre el flanco de emboque y el flanco de carga; y
una porción de raíz entre el flanco de carga y el flanco de emboque, en donde el ángulo del flanco de emboque es de entre 2,4 y 4,13 veces el ángulo del flanco de carga en la porción de raíz.
2. Una tubería de material compuesto, que comprende:
un primer extremo roscado que comprende una forma de rosca según la reivindicación 1
en donde el primer extremo roscado está en el exterior o en el interior de la tubería de material compuesto.
3. Un acoplador roscado para tubos de material compuesto, que comprende:
una forma de rosca interna según la reivindicación 1.
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