ES2993883T3

ES2993883T3 - Threaded joint for pipes

Info

Publication number: ES2993883T3
Application number: ES20905534T
Authority: ES
Inventors: Jun Takano; Takamasa Kawai; Takuya Nagahama; Seigo Goto; Masaki Yoshikawa; Tsuyoshi Yoneyama
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2025-01-13
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: JPWO2021131177A1; EP4083369A4; CN113048297A; JP7184169B2; EP4083369A1; MX2022008025A; CN215596629U; SA522433124B1; EP4083369B1; WO2021131177A1; US11905765B2; US20230044251A1; BR112022012399A2; AR120888A1; CN113048297B

Abstract

La presente invención evita la rotura de una caja durante la aplicación de una carga de tracción sin aumentar el diámetro exterior de la caja. Esta junta roscada para tubos tiene: un pasador en el que se proporciona una parte de rosca macho que es una rosca cónica macho en un extremo de un primer tubo; y una caja en la que se proporciona una parte de rosca hembra que es una rosca cónica hembra acoplada de forma roscada con la parte de rosca macho en un extremo de un segundo tubo. La parte de rosca hembra tiene una pluralidad de ranuras de rosca, y cada una de la pluralidad de ranuras de rosca tiene, en el lado inferior de la rosca, una parte de esquina del lado del flanco de carga y una parte de esquina del lado del flanco de punción. La parte de esquina del lado del flanco de carga de una primera ranura de rosca, que se define como una ranura de rosca más alejada de una parte final de la caja entre la pluralidad de ranuras de rosca, está provista de: una primera parte de arco circular conectada directamente a un flanco de carga y que tiene un primer radio de curvatura; y una segunda parte de arco circular que tiene un segundo radio de curvatura y está conectada directa o indirectamente a la primera parte de arco circular. La relación del radio de curvatura, es decir, la relación del segundo radio de curvatura con respecto al primer radio de curvatura, no es inferior a 3. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Junta roscada para tuberías

Campo técnico

Esta divulgación se refiere a una junta roscada para tuberías.

Antecedentes

Las juntas roscadas para tuberías se utilizan ampliamente para conectar tuberías de acero que se emplean en instalaciones industriales petrolíferas, como los productos tubulares para campos petrolíferos (OCTG).

La FIGURA 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de la estructura de una junta roscada típica para tuberías. La junta roscada para tuberías 100 incluye un perno 110 provisto de una porción de rosca macho 111, que es una rosca cónica macho, en un extremo de una primera tubería, y una caja 120 provista de una porción de rosca hembra 121, que es una rosca cónica hembra para enroscar con la porción de rosca macho, en un extremo de una segunda tubería.

Una porción no roscada 112, que es una porción sin rosca, está provista en la punta del pasador 110, es decir, en el lado de la punta más alejado de la porción de rosca macho 111. La porción no roscada 112 incluye una porción de junta 113 y una porción de hombro 114 casi perpendicular al eje de la tubería. Por otro lado, la caja 120 está provista de una porción no roscada 122 en una posición más cercana al lado central en la dirección del eje de la tubería que la porción de rosca hembra 121, es decir, en el lado opuesto al extremo. La porción no roscada 122 también incluye una porción de junta 123 y una porción de hombro 124 casi perpendicular al eje de la tubería. Cuando el pasador 110 y la caja 120 se aprietan, la porción no roscada 112 del pasador 110 y la porción no roscada 122 de la caja 120 entran en contacto entre sí para formar una junta de contacto metal-metal, como se ilustra en la FIG 1.

La FIGURA 2 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca 200 de la porción de rosca hembra 121 formada en la caja 120 en la típica junta roscada para tuberías. En la FIGURA 2, el lado superior es el lado inferior de la rosca, y la ranura de rosca 200 tiene una forma sustancialmente trapezoidal con una porción inferior de rosca recta 210 paralela a la conicidad de la rosca hembra. La ranura de rosca 200 incluye un flanco de carga lineal 220 en el lado izquierdo de la FIGURA 2, es decir, en la parte trasera en la dirección de inserción del pasador 100. La ranura de rosca 200 también incluye un flanco lineal punzante 230 en el lado derecho de la FIGURA 2, es decir, en el lado frontal en la dirección de inserción del pasador 100. Además, la ranura de rosca 200 incluye una porción de esquina 240 en el lado del flanco de carga y una porción de esquina 250 en el lado del flanco punzante en la parte inferior de la rosca, y la porción de esquina 240 en el lado del flanco de carga y la porción de esquina 250 en el lado del flanco punzante están compuestas cada una de un arco.

A una junta roscada para tuberías de este tipo se le exigen diversas propiedades, como resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y propiedades de junta. Los entornos de excavación y producción son cada vez más severos, sobre todo en los últimos años, porque los pozos de perforación de crudo y gas natural se hacen más profundos y aumenta el número de pozos horizontales e inclinados, además de los pozos verticales convencionales. Por lo tanto, se requiere que la junta roscada para tuberías no se fracture incluso en entornos tan duros.

La fractura de una junta roscada parte de una grieta en una ranura de rosca de la caja. Especialmente cuando se aplica una carga de tracción a la junta roscada, la tensión se concentra en la porción de la esquina del lado del flanco de carga de una primera ranura de rosca, que es la ranura de rosca más alejada del extremo de la caja, por lo que es necesario suprimir la aparición de grietas en la primera ranura de rosca para evitar la fractura de la junta roscada.

WO/2015/111117 (PTL 1) propone que la eficacia de la tracción (TE), la altura t de la rosca hembra de la caja y el radio de curvatura p del arco que forma la porción de esquina en el lado del flanco de carga de la primera ranura de rosca se controlen para satisfacer la relación especificada por una fórmula matemática específica, para evitar la fractura de una junta roscada para tuberías.

US 2002/113436 A1 (PTL 2) propone un roscado de un elemento tubular roscado que comprende al menos una zona de unión tangencial de radio múltiple en la raíz de la rosca, en particular en el lado del flanco de carga.

EP 3842679 A1 (PTL3) propone una conexión roscada de pasador y caja en la que, en una sección longitudinal que incluye un eje de tubería de la conexión roscada, las crestas (12) de la parte de rosca macho están formadas en una curva convexa que es tangente tanto a las primeras porciones de esquina que están formadas en un arco que conecta las crestas y los flancos de carga, como a las segundas porciones de esquina que están formadas en un arco que conecta las crestas y los flancos punzantes.

CN 103 362 459 A (PTL 4) divulga una estructura de acoplamiento de tipo cuña ancha de diente variable con superficie cónica sellada en forma de arco y una estructura de tubería para pozos de petróleo utilizada en la industria de las tuberías de acero para petróleo.

Lista de Citas

Literatura de Patente

PTL 1: WO/2015/111117

PTL 2: US 2002/113436 A1

PTL 3: EP 3842679 A1

PTL 4: CN 103362459 A

Breve descripción de la invención

(Problema técnico)

Sin embargo, la tecnología convencional propuesta en la PTL 1 presenta los siguientes problemas.

La eficacia de tracción TE, que es uno de los parámetros utilizados en la PTL 1, es un valor definido como una relación de la sección transversal en una primera posición de rosca de la caja con respecto a la sección transversal en una porción de tubería sin pulir del pasador. A medida que aumenta la eficacia de tracción, significa que aumentan las propiedades de tracción límite de la junta. Por lo tanto, aumentar el diámetro exterior de la caja y aumentar la eficacia de tracción puede mejorar las propiedades de tracción límite de la junta. Tal como se utiliza en la presente, la porción de tubería sin pulir se refiere a una porción sin rosca en una tubería.

Sin embargo, desde el punto de vista de la reducción de costes de la excavación de pozos petrolíferos, se requiere reducir la extracción durante la excavación del pozo, por lo que es necesario reducir el diámetro exterior de la caja. Por lo tanto, se debe prevenir la fractura sin aumentar la eficacia de la tracción para cumplir los requisitos tanto de prevención de la fractura como de reducción de costes.

Por otra parte, PTL 1 controla la eficacia de tracción TE, la altura t de la rosca hembra de la caja y el radio de curvatura p del arco que forma la porción de esquina en el lado del flanco de carga de la primera ranura de la rosca para satisfacer la relación de la fórmula siguiente.

TE (%) > 2,25 x t/p 99,9

Como se desprende de la fórmula anterior, el aumento del radio de curvatura p puede reducir la eficacia de tracción TE. En la práctica, sin embargo, es necesario aumentar la altura t de la rosca hembra de la caja para aumentar el radio de curvatura p, por lo que no se puede evitar el aumento del diámetro exterior de la caja. Cuando aumenta la altura t de la rosca hembra, aumenta el tiempo necesario para cortar la rosca, lo que disminuye la productividad de la junta roscada.

Además, cuando se aumenta el radio de curvatura p, el arco de la porción de esquina del lado del flanco de carga y el arco de la porción de esquina del lado del flanco punzante interfieren entre sí, por lo que p no puede aumentarse demasiado. Resulta especialmente difícil aumentar la p en una tubería con un diámetro pequeño porque dicha tubería suele tener una forma de rosca con una anchura de rosca pequeña. Como resultado, no se puede evitar el aumento de la eficacia de la tracción para prevenir la fractura.

Como se ha descrito anteriormente, la tecnología convencional no puede resolver los dos problemas contrapuestos de la prevención de fracturas y la reducción de costes.

Por tanto, podría ser útil proporcionar una técnica de prevención de la fractura de una caja sometida a una carga de tracción sin aumentar el diámetro exterior de la caja.

(Solución al problema)

Para resolver el problema, realizamos un análisis de elementos finitos (FEA) para examinar el efecto de la forma de la sección transversal axial de una ranura de rosca provista en una caja. Como resultado, descubrimos que, proporcionando además otro arco en una porción de esquina en el lado del flanco de carga del fondo de rosca que convencionalmente ha estado compuesto por un único arco y estableciendo el radio de curvatura del arco añadido mayor que el del arco único, se puede aliviar la concentración de tensiones en la porción de esquina y se pueden distribuir las tensiones por todo el fondo de la rosca. A continuación se describe un ejemplo de los resultados del análisis, haciendo referencia a las FIGURAS 3 y 4.

La FIGURA 3 es un diagrama de contorno que ilustra la distribución de la deformación plástica en las proximidades de la primera ranura de rosca en una forma de ranura de rosca convencional, determinada por el FEA. El miembro situado en el lado superior de la figura es una caja, el miembro situado en el lado inferior es un pasador, y la ranura de rosca situada a la derecha de las dos ranuras de rosca ilustradas en la figura es la primera ranura de rosca. Cada ranura de rosca prevista en la caja es una rosca trapezoidal con una porción inferior de rosca recta paralela a la conicidad de la rosca hembra. Las superficies laterales de la ranura de rosca incluyen una superficie de flanco punzante (lado derecho en la figura) y una superficie de flanco de carga (lado izquierdo en la figura), y cuando se aplica una carga de tracción en la dirección axial de la tubería, la carga se aplica sobre la superficie de flanco de carga. La ranura de la rosca tiene una porción de esquina en el lado del flanco de carga y una porción de esquina en el lado del flanco punzante en el lado inferior de la rosca, y la porción de esquina en el lado del flanco de carga y la porción de esquina en el lado del flanco punzante están compuestas cada una de un arco.

Como puede verse en la FIGURA 3, la deformación plástica se concentra en las porciones de las esquinas de la primera ranura de rosca en una forma de ranura de rosca convencional, con la mayor deformación plástica en la porción de la esquina del lado del flanco de carga.

Por otro lado, la FIGURA 4 es un diagrama de contorno que ilustra la distribución de la deformación plástica cuando se proporciona además otro arco en la porción de la esquina en el lado del flanco de carga de la ranura de la rosca ilustrada en la FIGURA 3. El radio de curvatura del segundo arco añadido se fija en 11,5 veces el radio de curvatura del primer arco. La forma de la ranura de rosca ilustrada en la FIGURA 4 corresponde a la forma de la ranura de rosca de la primera realización de la presente divulgación, que se describirá más adelante.

A partir de los resultados ilustrados en la FIGURA 4, se entiende que, a diferencia del caso de la FIGURA 3, la concentración de deformación plástica en las porciones de las esquinas del fondo de la rosca se alivia, y la deformación plástica se distribuye por todo el fondo de la ranura de rosca.

Como se ha descrito anteriormente, al proporcionar además otro arco en una porción de esquina en el lado del flanco de carga del fondo de rosca que convencionalmente se ha compuesto de un solo arco y establecer el radio de curvatura del arco añadido mayor que el del arco único, se puede aliviar la concentración de tensión en la porción de esquina y distribuir la tensión por todo el fondo de rosca. Como resultado, se puede prevenir la aparición de grietas debido a la deformación plástica y la fractura de una caja causada por la grieta. Observe que las FIGURAS 3 y 4 ilustran la distribución de la deformación plástica en lugar de la distribución de la tensión. Esto se debe a que, en una porción en la que se aplica una tensión superior a un determinado nivel, la tensión se alivia por deformación plástica, lo que da lugar a una tensión aparentemente reducida. Para evaluar el riesgo de aparición de grietas en la práctica, es más apropiado utilizar la deformación plástica que la propia tensión.

En el FEA, una junta roscada con la estructura descrita anteriormente se somete primero a un análisis que simula el apriete del tornillo y, a continuación, el FEA se llevó a cabo en condiciones de aplicación de una carga combinada de tensión/compresión y presión interna/presión externa de acuerdo con la norma ISO 13679: 2002 Test Series A.

La presente divulgación se basa en el hallazgo anterior. Se proporciona una junta roscada para tuberías de acuerdo con la reivindicación 1. Las características preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

(Efectos ventajosos)

De acuerdo con la presente divulgación, es posible evitar la fractura de una caja sometida a una carga de tracción sin aumentar el diámetro exterior de la caja. La junta roscada para tuberías de la presente divulgación puede utilizarse adecuadamente para conectar tuberías de pozos petrolíferos utilizadas para la exploración y producción de petróleo y gas, tuberías utilizadas para el transporte de petróleo y gas, y similares.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos adjuntos:

La FIGURA 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de la estructura de una junta roscada típica para tuberías; La FIGURA 2 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca de una porción de rosca hembra formada en una caja en una junta roscada típica para tuberías;

La FIGURA 3 es un diagrama de contorno que ilustra la distribución de la deformación plástica en las proximidades de una primera ranura de rosca en una forma de ranura de rosca convencional, determinada por FEA;

La FIGURA 4 es un diagrama de contorno que ilustra la distribución de la deformación plástica en las proximidades de una primera ranura de rosca en la forma de la ranura de rosca en una realización de la presente divulgación, tal como se ha determinado mediante FEA;

La FIGURA 5 ilustra esquemáticamente la sección transversal de un ejemplo de la estructura de una junta roscada de tipo acoplamiento;

La FIGURA 6 ilustra esquemáticamente la sección transversal de un ejemplo de la estructura de una junta roscada de tipo integral;

La FIGURA 7 ilustra esquemáticamente la forma de una primera ranura de rosca en una primera realización; La FIGURA 8 ilustra esquemáticamente la forma de una primera ranura de rosca en una segunda realización; La FIGURA 9 ilustra esquemáticamente la forma de una primera ranura de rosca en una tercera realización; y La FIGURA 10 ilustra esquemáticamente la forma de una primera ranura de rosca en una cuarta realización.

Descripción detallada

A continuación se detalla un método para llevar a cabo la presente divulgación. La siguiente descripción presenta meramente ejemplos de realizaciones preferidas de la presente divulgación, y ésta no se limita a dichas realizaciones. En la siguiente descripción, los términos "flanco de carga" y "flanco punzante" se utilizan en el sentido habitual del campo técnico. En otras palabras, el "flanco de carga" se refiere a un flanco recto en el lado en el que se aplica una carga por la fuerza de tracción en la dirección axial de la tubería, y el "flanco punzante" se refiere a un flanco recto en el lado opuesto del flanco de carga. En la presente especificación, la forma de una ranura de rosca se refiere a la forma de una ranura de rosca cuando se forma, es decir, antes de apretar el pasador y la caja.

Una junta roscada para tuberías en una realización de la presente divulgación (en lo sucesivo, puede denominarse simplemente "junta roscada") incluye un pasador provisto de una porción de rosca macho, que es una rosca cónica macho, en un extremo de una primera tubería, y una caja provista de una porción de rosca hembra, que es una rosca cónica hembra para enroscar con la porción de rosca macho, en un extremo de una segunda tubería. La porción de rosca hembra de la caja tiene una pluralidad de ranuras de rosca, y la ranura de rosca más alejada del extremo de la caja entre la pluralidad de ranuras de rosca se define como "primera ranura de rosca". Sin embargo, en esas ranuras de rosca, sólo una ranura de rosca que se engrane sustancialmente con una rosca del lado del pasador se considera una ranura de rosca a la hora de determinar la primera ranura de rosca.

Cada una de la pluralidad de ranuras de rosca tiene una porción de esquina en un lado del flanco de carga y una porción de esquina en un lado del flanco de punzante en el lado inferior de la rosca. La porción de esquina en el lado del flanco de carga de la primera ranura de rosca incluye al menos dos porciones de arco.

[Relación del radio de curvatura]

De las dos porciones de arco previstas en la porción de esquina del lado del flanco de carga de la primera ranura de rosca, una es una primera porción de arco que está directamente conectada al flanco de carga y tiene un primer radio de curvatura, y la otra es una segunda porción de arco que está directa o indirectamente conectada a la primera porción de arco y tiene un segundo radio de curvatura. En la presente divulgación, es importante que una relación de radios de curvatura, que es una relación entre el radio de la segunda curvatura y el radio de la primera curvatura, sea de 3 o más.

Al proporcionar una segunda porción de arco que satisfaga las condiciones anteriores, se puede aliviar la concentración de tensiones en la porción de esquina del lado del flanco de carga y distribuir las tensiones por todo el fondo de la rosca. Como resultado, se puede evitar la fractura de la caja. Por el contrario, una junta de rosca convencional sólo tiene un arco en la porción de la esquina en el lado del flanco de carga, por lo que es necesario aumentar el diámetro exterior de la caja para evitar la fractura, como se ha descrito anteriormente.

Como se ha descrito anteriormente, la tensión se concentra principalmente en las porciones de las esquinas de la primera ranura de rosca. Por lo tanto, cuando la primera ranura de rosca tiene la estructura mencionada, se puede obtener el efecto anterior independientemente de la forma de las demás ranuras de rosca. Por esa razón, la estructura de las ranuras de rosca distintas de la primera ranura de rosca no está particularmente limitada en la presente divulgación. Sin embargo, es preferible que todas las ranuras de rosca de la caja cumplan los requisitos anteriores desde el punto de vista de la facilidad de producción. En otras palabras, es preferible que la porción de esquina del lado del flanco de carga de todas las ranuras de rosca de la caja incluya una primera porción de arco que esté directamente conectada al flanco de carga y tenga un primer radio de curvatura y una segunda porción de arco que esté directa o indirectamente conectada a la primera porción de arco y tenga un segundo radio de curvatura, y que una relación de radios de curvatura, que es una relación entre el segundo radio de curvatura y el primer radio de curvatura, sea de 3 o más.

El límite superior de la relación del radio de curvatura no está limitado. Sin embargo, cuando la relación del radio de curvatura es superior a 15, el efecto de alivio de la tensión se satura. Por lo tanto, la relación del radio de curvatura puede ser de 15 o menos. Además, es preferible que la primera porción de arco y la segunda porción de arco estén conectadas suavemente de modo que la porción de conexión tenga una línea tangente común. Es más preferible que cada porción de arco y cada porción recta de la porción de esquina del lado del flanco de carga esté conectada suavemente a una porción de arco o a una porción recta adyacente, de modo que la porción de conexión tenga una línea tangente común.

(Radio de curvatura)

El radio de curvatura de cada una de las porciones de arco primera y segunda no está particularmente limitado y puede ser de cualquier valor. El radio de curvatura de la primera porción de arco puede ser, por ejemplo, de 0,020 a 0,063 centímetros (0,008 a 0,025 pulgadas) (1 pulgada = 2,54 cm). Por otro lado, el radio de curvatura de la segunda porción de arco puede ser, por ejemplo, de 0,076 a 0,508 centímetros (0,030 a 0,200 pulgadas).

(Ángulo 0)

Cuando el ángulo 0 de la primera porción de arco es de 50 ° o más, no es necesario que la segunda porción de arco sea excesivamente grande, por lo que se puede reducir aún más la necesidad de aumentar el tamaño de la ranura de rosca. Por lo tanto, el ángulo 0 de la primera porción de arco es de 50 ° o más. Por otro lado, cuando el ángulo 0 de la primera porción de arco es de 75 ° o menos, es posible evitar que la primera porción de arco se extienda hasta una posición en la que es probable que se concentre la tensión, de modo que el efecto de dispersión de la tensión puede potenciarse aún más. Por lo tanto, el ángulo 0 de la primera porción de arco es de 75 ° o menos. Tal como se utiliza en la presente, el "ángulo 0 de la primera porción de arco" se define como un ángulo entre una línea recta "a" paralela al eje de la tubería y el radio "r" en el extremo de la primera porción de arco en el lado opuesto del flanco de carga (véanse las FIGURAS 7 a 10).

El ángulo del flanco punzante es de 5 a 40 grados con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería. El ángulo del flanco de carga es de -10 a 0 grados con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería. El ángulo del flanco se define como positivo cuando la superficie del flanco está inclinada hacia la rosca y negativo cuando está inclinada hacia el lado opuesto de la rosca, con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería.

La profundidad de la ranura de rosca no está especialmente limitada, pero preferiblemente se sitúa entre 0,076 y 0,254 centímetros (0,03 y 0,10 pulgadas). El número de roscas por pulgada es preferiblemente de 4 a 10. Por lo tanto, la inclinación de la rosca, que es la distancia entre las roscas, es preferiblemente de 0,254 a 0,635 centímetros (0,1 a 0,25 pulgadas). La anchura de la rosca, que es la anchura de la rosca a la altura media de la rosca, es preferiblemente de 0,4 a 0,6 veces la inclinación de la rosca.

(Porción no enroscar)

El pasador incluye preferentemente una porción sin rosca (en adelante, "porción no roscada") en la parte más extrema, es decir, en el lado de la punta más alejado de la porción de rosca macho. La caja incluye preferentemente una porción no roscada en una posición más cercana al lado central en la dirección del eje de la tubería que la porción de rosca hembra, es decir, en el lado opuesto al extremo. Cuando el pasador y la caja se aprietan, la porción no roscada del pasador y la porción no roscada de la caja entran en contacto entre sí para formar una junta de contacto metal-metal.

[Tipo de junta]

La junta roscada de la presente divulgación puede tener cualquier estructura si se cumplen las condiciones anteriores. Por ejemplo, la junta roscada de la presente divulgación puede ser una junta roscada de tipo acoplamiento o una junta roscada de tipo integral.

La FIGURA 5 ilustra esquemáticamente la estructura de una junta roscada tipo acoplamiento para tuberías 1 de una realización de la presente divulgación. Una junta roscada tipo acoplamiento para tuberías es una junta roscada que conecta dos tuberías utilizando un acoplamiento como caja, que también se denomina tipo rosca y acoplamiento (T&C).

La junta roscada tipo acoplamiento para tuberías 1 incluye un pasador 10 y una caja (acoplamiento) 20. El pasador 10 tiene una estructura en la que una porción de rosca macho 11, que es una rosca cónica macho, está provista en el extremo de una tubería, y la caja 20 tiene una estructura en la que una porción de rosca hembra 21, que es una rosca cónica hembra para enroscar con la porción de rosca macho 11 del pasador 10, está provista en ambos extremos de una tubería.

El pasador 10 incluye preferentemente una porción no roscada 12 en la parte más extrema, es decir, en el lado de la punta más alejado de la porción de rosca macho 11, como se ilustra en la FIGURA 5. Además, la caja 20 incluye preferentemente una porción no roscada 22 en una posición más cercana al lado central en la dirección del eje de la tubería que la porción de rosca hembra 21, es decir, en el lado opuesto al extremo. Cuando el pasador 10 y la caja 20 se aprietan, la porción no roscada del pasador 10 y la porción no roscada de la caja 20 entran en contacto entre sí para formar una junta de contacto metal-metal.

La porción no roscada incluye preferentemente una porción de junta y una porción de hombro, como se ilustra en la FIGURA 5. Por ejemplo, la porción no roscada 12 del pasador 10 puede incluir una porción de junta 13 y una porción de hombro 14 situada en el lado de la punta más alejada de la porción de junta 13. Además, la porción no roscada 22 de la caja 20 puede incluir una porción de junta 23 y una porción de hombro 24 situada más cerca del lado central que la porción de junta 23. La porción de hombro 14 del pasador 10 puede ser perpendicular al eje de la tubería, o puede estar inclinada hacia el lado del pasador con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería. El ángulo entre la porción de hombro 14 del pasador 10 y una línea recta perpendicular al eje de la tubería es preferiblemente de 0 a 30 grados.

La forma de la porción de junta del pasador y la forma de la porción de junta de la caja no están especialmente limitadas, pero pueden ser, por ejemplo, una combinación de las siguientes.

• Lado de la caja: cónico, lado del pasador: cónico

• Lado de la caja: cónico, lado del pasador: curvado convexo

• Lado de la caja: curva convexa, lado del pasador: cónico

• Lado de la caja: curva cóncava, lado del pasador: curva convexa

Por otro lado, la FIGURA 6 ilustra esquemáticamente la estructura de una junta roscada de tipo integral para tuberías 1 en otra realización de la presente divulgación. En la junta roscada de tipo integral para tuberías 1, dos tuberías se conectan directamente sin utilizar un acoplamiento. Es decir, el pasador 10 tiene una estructura en la que una porción de rosca macho 11, que es una rosca cónica macho, está provista en un extremo de una primera tubería, y la caja 20 tiene una estructura en la que una porción de rosca hembra 21, que es una rosca cónica hembra para enroscar con la porción de rosca macho 11 del pasador 10, está provista en un extremo de una segunda tubería.

El pasador 10 incluye preferentemente una porción no roscada 12 en la parte más extrema, es decir, en el lado de la punta más alejado de la porción de rosca macho 11, como se ilustra en la FIGURA 6. Además, el pasador 10 incluye preferentemente una porción no roscada 12 en una posición más cercana al lado central en la dirección del eje de la tubería que la porción de rosca macho 11, es decir, en el lado opuesto al extremo. La caja 20 también incluye preferiblemente una porción no roscada 22 en una posición más cercana al lado central en la dirección del eje de la tubería que la porción de rosca hembra 21, es decir, en el lado opuesto al extremo. Además, la caja 20 incluye preferentemente una porción no roscada 22 en la parte más extrema, es decir, en el lado de la punta más alejado de la porción de rosca hembra 21. Cuando el pasador 10 y la caja 20 se aprietan, la porción no roscada del pasador y la porción no roscada de la caja entran en contacto entre sí para formar una junta de contacto metalmetal.

La porción no roscada 12 del pasador 10 incluye preferiblemente una porción de junta 13, como se ilustra en la FIGURA 6. La porción no roscada 12 del pasador 10 también puede incluir una porción de hombro 14. La porción no roscada 22 de la caja 20 incluye preferentemente una porción de junta 23. La porción no roscada 22 de la caja 20 también puede incluir una porción de hombro 24. Las estructuras de la porción de junta y de la porción de hombro pueden ser las mismas que las descritas para la junta roscada de tipo acoplamiento.

Dado que las FIGURAS 5 y 6 son figuras que explican esquemáticamente tipos de junta, las formas de la ranura de rosca y de la rosca se ilustran de forma simplificada.

[Material]

El material de la junta roscada actualmente divulgada no está particularmente limitado, y puede utilizarse cualquier material. El efecto de dispersión de tensiones de la presente divulgación es un efecto mecánico y no químico, que se obtiene mejorando la forma de la porción de la esquina del fondo de la rosca y es, por tanto, independiente del material. Desde el punto de vista de la resistencia de la junta, suele ser preferible utilizar metal como material del pasador y la caja, y es más preferible utilizar acero o una aleación con base de Ni. El acero puede ser al carbono o aleado. El material del pasador y el de la caja pueden ser diferentes, pero es preferible utilizar el mismo material.

A continuación, se describirá con más detalle la forma de la ranura de rosca en la junta roscada de la presente divulgación basándose en cuatro realizaciones. En cada una de las siguientes realizaciones, es aceptable que al menos la primera ranura de rosca tenga la estructura descrita a continuación. Sin embargo, como se ha descrito anteriormente, es preferible que todas las ranuras de rosca de la caja tengan la estructura que se describe a continuación desde el punto de vista de la facilidad de producción.

La FIGURA 7 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca 2 en una primera realización de la presente divulgación. En esta realización, una porción de esquina 50 en el lado del flanco de carga en el lado del fondo de la rosca de la ranura de la rosca 2 incluye una primera porción de arco 51 directamente conectada a un flanco de carga lineal 60 y una segunda porción de arco 52 directamente conectada a la primera porción de arco 51. Además, una relación de radios de curvatura (R2/R1), que es una relación entre el radio de curvatura R2 de la segunda porción de arco 52 y el radio de curvatura R1 de la primera porción de arco 51, es igual o superior a 3. En el ejemplo ilustrado en la FIGURA 7, la segunda porción de arco 52 se extiende hasta una porción de esquina 70 en el lado del flanco punzante, y la segunda porción de arco 52 forma el fondo de la rosca. La porción de esquina 70 del lado del flanco punzante consiste en un único arco, que está directamente conectado al flanco recto punzante 80.

La FIGURA 8 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca 2 en una segunda punzante de la presente divulgación. En esta punzante, una porción de esquina 50 en el lado del flanco de carga en el lado del fondo de la rosca de la ranura de rosca 2 incluye una primera porción de arco 51 conectada directamente a un flanco de carga lineal 60 y una segunda porción de arco 52 conectada a la primera porción de arco 51 a través de una porción recta 53. En otras palabras, el flanco de carga 60, la primera porción de arco 51, la porción recta 53 y la segunda porción de arco 52 están conectados en este orden. Los demás son los mismos que en la primera realización. Al proporcionar una porción recta 53, se puede mejorar aún más el efecto de dispersión de la tensión. La porción recta 53 es preferiblemente un conducto tangente común entre la primera porción de arco 51 y la segunda porción de arco 52.

La longitud de la porción recta 53 no está particularmente limitada, pero la longitud de la porción recta 53 es preferiblemente de 0,0254 centímetros (0,010 pulgadas) o menos desde el punto de vista de evitar una ranura de rosca excesivamente grande.

La FIGURA 9 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca 2 en una tercera realización de la presente divulgación. En esta realización, la ranura de rosca 2 tiene una porción inferior de rosca recta 90 paralela a la conicidad de la porción de rosca hembra. Cuando el fondo de la ranura de rosca está formado por un conducto recto como éste, es fácil determinar la profundidad (altura de la rosca) de la ranura de rosca. La porción inferior de rosca recta 90 puede estar conectada directamente a una porción de esquina 70 en el lado del flanco punzante, como se ilustra en la FIGURA 9.

Además, en la realización ilustrada en la FIGURA 9, la porción de esquina 50 del lado del flanco de carga incluye una tercera porción de arco 54 entre la segunda porción de arco 52 y la porción inferior de rosca recta 90. Al proporcionar una tercera porción de arco 54 como ésta, la segunda porción de arco 52 y la porción inferior de rosca recto 90 pueden conectarse suavemente a través de la tercera porción de arco 54. Los demás pueden ser los mismos que en la primera y segunda realizaciones. Aunque la segunda porción de arco 52 y la tercera porción de arco 54 están conectadas directamente en la realización ilustrada en la FIGURA 9, la segunda porción de arco 52 y la tercera porción de arco 54 pueden estar conectadas a través de una porción recta.

El radio de curvatura de la tercera porción de arco 54 no está particularmente limitado, pero es preferiblemente mayor que el radio de curvatura de la primera porción de arco 51. El radio de curvatura de la tercera porción de arco 54 puede ser, por ejemplo, de 0,025 a 0,508 centímetros (0,010 pulgadas a 0,200 pulgadas).

La porción inferior de rosca recta 90 puede proporcionarse aunque no haya una tercera porción de arco 54. En ese caso, la segunda porción de arco 52 y la porción inferior de rosca recta 90 pueden estar conectadas directamente.

La FIGURA 10 ilustra esquemáticamente la forma de una ranura de rosca 2 en una cuarta realización de la presente divulgación. En esta realización, la ranura de rosca 2 tiene una porción inferior de rosca recta 90 paralela a la conicidad de la porción de rosca hembra, como en la tercera realización. Además, una porción de esquina 50 en el lado del flanco de carga incluye una primera porción de arco 51 directamente conectada a un flanco de carga 60, una segunda porción de arco 52 conectada a la primera porción de arco 51 a través de una porción recta 53, y una tercera porción de arco 54 directamente conectada a la segunda porción de arco. En otras palabras, el flanco de carga 60, la primera porción de arco 51, la porción recta 53, la segunda porción de arco 52 y la tercera porción de arco 54 están conectados en este orden. Los demás pueden ser los mismos que en las realizaciones primera a tercera.

EJEMPLOS

Se preparó una tubería de acero con un diámetro exterior 244,48 mm * grosor 13,84 mm (diámetro exterior 9,625 pulgadas * grosor de 0,545 pulgadas) con una muestra de acero correspondiente a la Categoría: 13-5-2, Grado: 110 de API 5 CRA, y la tubería de acero se procesó para obtener una junta roscada que incluye un pasador y una caja correspondiente al pasador. La forma de la ranura de rosca de la junta roscada obtenida es la indicada en la tabla 1. El número de roscas por pulgada era de 5 (5 TPI), y la altura del hilo era de 1,575 mm (0,062 pulgadas). El ángulo del flanco punzante era de 25 grados, el ángulo del flanco de carga era de -5 grados y la conicidad de la rosca era de 1/16. La eficacia de la tracción se diseñó para que fuera del 110 % o menos para suprimir el diámetro exterior de la caja. Tal como se utiliza en la presente, la forma de la ranura de rosca se refiere a la forma antes de apretar el pasador y la caja preparados.

A continuación, se realizó una prueba de estanqueidad al aire en las condiciones conformes a los niveles de aplicación de conexión (CAL) IV de la norma API 5C5: 2017, y se evaluó el rendimiento de la junta roscada. La tabla 1 enumera los resultados de las pruebas. En la prueba de estanqueidad, un caso en el que la caja no se fracturó se evaluó como "pasó", y un caso en el que la caja se fracturó se evaluó como "falló".

Como se indica en la tabla 1, en la junta roscada que satisfacía los requisitos de la presente divulgación, la caja no se fracturó aunque la eficacia de la tracción fuera del 109 % o inferior. En particular, en el ejemplo n° 3, no se produjo ninguna fractura incluso cuando la eficacia de tracción fue del 101 %. Por otra parte, en un ejemplo comparativo sin segunda porción de arco, la caja se fracturó aunque la eficacia de tracción se aumentara al 110 %. Incluso cuando se proporcionó una segunda porción de arco, la caja se fracturó en un ejemplo comparativo con una relación de radio de curvatura inferior a 3, aunque la eficacia de la tracción se incrementara hasta el 110 %. Para evitar la fractura de una caja con el método propuesto en el PTL 1, la eficacia de tracción debe aumentarse al 116 % en las condiciones del ejemplo comparativo n° 6 y al 111 % en las condiciones del ejemplo comparativo n° 7.

Como puede deducirse de los resultados, la presente divulgación puede evitar la fractura de una caja sometida a una carga de tracción sin aumentar el diámetro exterior de la caja. Por lo tanto, la presente divulgación puede resolver los problemas contradictorios de la prevención de fracturas y la reducción de costes.

Tabla 1

Lista de signos de referencia

1 junta roscada para tuberías

2 ranura de rosca

10 pasador

11 porción de rosca macho

12 porción no roscada

13 porción de junta

14 porción de hombro

20 caja

21 porción de rosca hembra

22 porción no roscada

23 porción de junta

24 porción de hombro

50 porción de esquina en el lado del flanco de carga

51 primera porción de arco

52 segunda porción de arco

53 porción recta

54 tercera porción de arco

60 flanco de carga

70 porción de esquina en el lado del flanco punzante

80 flanco punzante

90 porción inferior de rosca recta

100 junta roscada para tuberías

110 pasador

111 porción de rosca macho

112 porción no roscada

113 porción de junta

114 porción de hombro

120 caja

121 porción de rosca hembra

122 porción no roscada

123 porción de junta

124 porción de hombro

200 ranura de rosca

210 porción inferior de rosca recta

220 flanco de carga

230 flanco punzante

240 porción de esquina en el lado del flanco de carga

250 porción de esquina en el lado del flanco punzante

a línea recta paralela al eje de la tubería

r radio en el extremo de la primera porción de arco en el lado opuesto del flanco de carga 0 ángulo entre el conducto recto "a" y el radio "r"

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una junta roscada para tuberías, que comprende

un pasador (10) provisto de una porción de rosca macho (11), que es una rosca cónica macho, en un extremo de una primera tubería, y

una caja (20) provista de una porción de rosca hembra (21), que es una rosca cónica hembra para enroscarse con la porción de rosca macho (11), en un extremo de una segunda tubería, donde

la porción de rosca hembra (21) tiene una pluralidad de ranuras de rosca,

cada una de la pluralidad de ranuras de rosca (2) tiene una porción de esquina (50) en un lado del flanco de carga y una porción de esquina (70) en un lado del flanco punzante en un lado del fondo de la rosca,

un ángulo de flanco de la pluralidad de ranuras de rosca (2), que se define como positivo cuando la superficie del flanco está inclinada hacia la rosca y negativo cuando está inclinada hacia el lado opuesto de la rosca, con respecto a una línea recta perpendicular a un eje de tubería, satisface las siguientes condiciones (a) y (b):

(a) un ángulo del flanco punzante es de 5 a 40 grados con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería; y

(b) un ángulo del flanco de carga es de -10 a 0 grados con respecto a una línea recta perpendicular al eje de la tubería,

una porción de esquina (50) en un lado del flanco de carga de una primera ranura de rosca (2), que es la ranura de rosca más alejada de un extremo de la caja (20) entre la pluralidad de ranuras de rosca (2), comprende una primera porción de arco (51) que está directamente conectada a un flanco de carga y tiene un primer radio de curvatura (R1), y una segunda porción de arco (52) que está directa o indirectamente conectada a la primera porción de arco (51) y tiene un segundo radio de curvatura (R2),

un ángulo 0 de la primera porción de arco (51), que se define como un ángulo entre una línea recta "a" paralela al eje de la tubería y un radio "r" en el extremo de la primera porción de arco en el lado opuesto del flanco de carga, es igual o superior a 50 ° e igual o inferior a 75 °, y

una relación de radios de curvatura, que es una relación entre el segundo radio de curvatura (R2) y el primer radio de curvatura (R1), es igual o superior a 3.

2. La junta roscada para tuberías de acuerdo con la reivindicación 1, donde la segunda porción de arco está conectada directamente a la primera porción de arco.

3. La junta roscada para tuberías de acuerdo con la reivindicación 1, donde la segunda porción de arco está conectada a la primera porción de arco a través de una porción recta (53).

4. La junta roscada para tuberías de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la porción de esquina del lado del flanco de carga de la primera ranura de rosca comprende además una tercera porción de arco (54) conectada directa o indirectamente a la segunda porción de arco.

5. La junta roscada para tuberías de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la primera ranura de rosca tiene una porción inferior de rosca recta (90) paralela a una conicidad de la porción de rosca hembra.