MX2007002838A - Elemento macho para junta a tubular roscada. - Google Patents
Elemento macho para junta a tubular roscada.Info
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Abstract
Antes de estrechado ahusado de la region de extremo de un tubo y maquinado en esta region de un roscado macho ahusado (2) y de un filo macho (3) para obtener un elemento tubular macho, destinado a ser atornillado en un elemento tubular hembra para formar una junta roscada tubular sellada despues de expansion diametral, se conforma el tubo en una parte de su longitud para producir una superficie interna cilindrica (20) que se une por medio de un chaflan (21) a la superficie interna cilindrica (10) del filo (3), obtenida ulteriormente por maquinado, el radio (R2) de la primera superficies es superior al radio (R1) de la segunda superficie; aplicacion a los pozos de hidrocarburo.
Description
ELEMENTO MACHO PARA JUNTA TUBULAR ROSCADA
MEMORIA DESCRIPTIVA
Los elementos tubulares machos de juntas roscadas generalmente se obtienen por maquinado de tubos que están sujetos por mordazas que actúan en la superficie externa de los tubos. Puede ser necesapo maquinar la superficie interna del elemento tubular macho cerca de la superficie frontal de extremo libre por diferentes razones. Por ejemplo, para la eficacia de una superficie de sellado metal-metal cerca de un extremo libre, es deseable disponer bajo esta superficie de un grosor definido, constante a lo largo de la circunferencia. O aún cundo se requiere hacer que la superficie frontal de extremo libre tenga un rol de tope axial, es necesario definir bien la sección transversal de esta superficie frontal para determinar el par máximo de torsión que puede soportar esta sección. También pueden tener lugar otras circunstancias. Ahora bien, la superficie interna de los tubos presenta imperfecciones tanto macro geométricas (variaciones de diámetro, excentricidad respecto a la superficie externa) como micro geométricas (calidad de la superficie). La especificación API 5CT emitida por el American Petroleum Institute (API) para tubería de revestimiento y de producción de hidrocarburos prescribe las siguientes tolerancias. - en el diámetro externo de -0.50% a +1%. - en el grosor de ± 12.5% - en la masa de -3.5% a +6.5%. Para el diámetro interno, el API indica que las tolerancias están regidas por el diámetro externo y la masa. Son, pues, netamente más amplias que para el diámetro externo. En lo referente a la excentricidad de la superficie interna con respecto a la superficie externa, está incluida en la tolerancia del grosor. Clásicamente, se maquina la superficie interna en una longitud axial del orden de 20 mm y se une esta superficie maquinada a la superficie interna del resto del tubo por un chaflán ahusado de poca inclinación: ver por ejemplo el catálogo VAM publicado por el Solicitante, ficha NEW VAM. Cuando el grosor del tubo es insuficiente para obtener un maquinado efectivo de la superficie interna, se efectúa antes del maquinado un estrechamiento del extremo (también llamado ahusamiento). Estas medidas conocidas pueden resultar insuficientes en algunos casos, por ejemplo cuando la superficie de sellado no es adyacente al extremo libre o en proximidad inmediata de éste, o aún y sobre todo, cuando el elemento macho es un elemento tubular que constituye una junta roscada destinada a ser sometida a una expansión diametral y apta para ser sellada después de una expansión tal.
Se apunta más particularmente a las juntas roscadas tubulares destinadas a someterse a una expansión diametral en la región de deformación plástica con la ayuda de una herramienta de expansión de diámetro superior al diámetro interno de la junta, que es desplazada axialmente en ésta, como se describe por ejemplo en WO 02/01102 A. Se constató que la transición entre la zona no maquinada y la zona maquinada, de mayor diámetro, de la superficie interna del tubo es desfavorable a la acción del mandril en expansión y afecta negativamente la calidad del contacto, particularmente la presión de contacto, entre las superficies de sellado de los elementos macho y hembra después de la expansión. Los mismos inconvenientes son provocados por las irregularidades de la superficie interna del elemento macho en su parte no maquinada, ya se trate de excentricidad con respecto a la superficie externa, de fallas de circularidad o irregularidades en la dirección axial, o aún imperfecciones de superficie (costuras, estrias, rugosidades, etc.). El objeto de la invención es remediar los inconvenientes precitados. La invención se refiere a un elemento tubular macho formado en una región de extremo de un tubo cuya superficie externa y superficie interna presentan secciones transversales totalmente circulares, de diámetro totalmente constante, pero pueden no ser perfectamente concéntricas, el elemento tubular macho posee un primer roscado macho ahusado y al menos una primera superficie de sellado, para cooperar por torsión con un elemento tubular hembra que posee un segundo roscado hembra ahusado y al menos una segunda superficie de sellado para formar una junta roscada tubular sellada, en donde dichas superficies de sellado están en contacto de sellado mutuo, la superficie interna de dicho elemento tubular macho presenta una primera zona adyacente en el extremo libre del elemento macho, de sección circular y concéntrica a la superficie externa del tubo. La invención provee particularmente que la superficie interna de dicho elemento tubular macho posea una segunda zona que es continuación en forma axial de la primera zona, de sección circular y concéntrica a la superficie externa del tubo que presenta un radio mayor que el de dicha primera zona, y mayor que el de la superficie interna del resto de la longitud del tubo. Se entiende aquí por "contacto de sellado" un contacto entre dos superficies fuertemente presionadas una contra la otra para realizar un sello de metal sobre metal, particularmente contra los gases. Se enuncian a continuación las características opcionales de la invención, complementarias o de substitución: - El radio de la segunda zona es inferior o igual a la mitad del diámetro interno máximo del tubo, que resulta de las tolerancias mencionadas más arriba. - El radio de la segunda zona es cercano a la mitad del diámetro interno máximo del tubo.
- La segunda zona se extiende en forma axial del lado opuesto al extremo libre al menos hasta el extremo del roscado opuesto al extremo libre. - La segunda zona se extiende en forma axial hasta el extremo no libre del elemento tubular macho. - El roscado macho está separado del extremo libre por un filo y la primera zona se extiende en forma axial hasta el filo o las primeras roscas. - La segunda zona está unida a la primera zona por una superficie esencialmente ahusada. - Dicha superficie esencialmente ahusada de unión a la primera zona presenta un semiángulo en el vértice inferior o igual a 15°. - La segunda zona está unida a la superficie interna del resto del tubo por una superficie esencialmente ahusada. - Dicha superficie esencialmente ahusada de unión a la superficie interna del resto del tubo presenta un semiángulo en el vértice inferior o igual a 15°. - El radio de la primera zona es inferior a la mitad del valor nominal del diámetro de la superficie interna del tubo. - Al menos una superficie de sellado está dispuesta en un filo dispuesto entre el roscado macho y el extremo libre. - Al menos una superficie de sellado está dispuesta más allá del roscado macho del lado opuesto al extremo libre. - La superficie frontal de extremo libre es una superficie de tope axial para dicho elemento tubular hembra.
- La calidad de superficie de la segunda zona es mejor que la superficie interna en el resto de la longitud del tubo. La invención también tiene por objeto una junta roscada tubular que comprende un elemento tubular macho tal como se define arriba y un elemento tubular hembra que coopera con el elemento tubular macho, así como un procedimiento de producción de dicho elemento tubular, en el que la primera zona es obtenida por una primera conformación y la segunda zona es obtenida por una segunda conformación. El procedimiento según la invención puede contar todo o en parte con las siguientes particularidades. - La segunda conformación es realizada después de la primera conformación. - La segunda zona es obtenida por remoción de material. - La segunda zona es obtenida por maquinado. - El tubo es sometido a una operación de estrechamiento sobre una fracción de la longitud de dicha región de extremo, previamente a la obtención de dicha primera zona, para disminuir progresivamente los diámetros externo e interno hasta el extremo libre. - Dicha superficie esencialmente ahusada que une la segunda zona con la primera zona se forma por la operación de estrechamiento. - La operación de estrechamiento es efectuada antes de la primera y segunda conformaciones. La invención se refiere aún a un procedimiento de producción de una junta tubular sellada en la que una junta tubular inicial tal como se define más arriba se somete a una expansión diametral en la región de deformación plástica, con la ayuda de una herramienta de expansión de radio superior al radio interno de dicha segunda zona del elemento macho, que es desplazada axialmente en la junta. Ventajosamente, en este último procedimiento: - La segunda zona se extiende hasta una distancia axial del extremo libre del elemento macho al menos igual a la longitud total de la junta. - La segunda zona se extiende hasta una distancia axial del extremo libre del elemento macho, tal que la herramienta de expansión expande la segunda zona cuando pasa frente a dicha superficie de sellado dispuesta más allá del roscado macho. Las características y ventajas de la invención son expuestas más detalladamente en la descripción que figura a continuación, con referencia a los dibujos anexos, en los que elementos idénticos o análogos son designados en todas las figuras por los mismos números de referencia. La figura 1 es una vista de media sección transversal de un elemento tubular macho según el estado de la técnica. La figura 2 es una vista análoga a la figura 1 relativa a un elemento tubular macho según la invención. La figura 3 es una vista de media sección transversal de un elemento tubular macho según la invención. La figura 4 es una vista de media sección transversal que muestra un elemento tubular macho según la invención y la zona adyacente del tubo de la que forma parte. La figura 5 es una vista de media sección transversal de una junta tubular inicial formada por un elemento tubular macho según la invención y por un elemento tubular hembra. El elemento tubular macho conocido 1 representado en la figura 1 , que se aproxima a una figura de revolución alrededor de un eje A que es aquel de la superficie externa del tubo, posee un roscado macho ahusado 2, y un filo macho 3 que se extiende entre el roscado 2 y el extremo libre 4 del elemento. El roscado 2 y el filo 3 están destinados a cooperar, en forma conocida, con un roscado hembra ahusado y un alojamiento hembra de un elemento tubular hembra no representado entre el espacio interno 5 de la junta roscada tubular que resulta, y el medio externo 6, al menos una superficie de sellado 7 está provista en el filo 3 para ponerse en contacto de sellado con una superficie correspondiente del alojamiento hembra, ya sea directamente después del montaje si las superficies de sellado son radialmente sujetadas, por ejemplo cono sobre cono, ya sea después de una expansión diametral tal como se describe en US-A-6 712 401 si la junta tubular está provista para ser expandida antes de la puesta en servicio. El roscado 2 y el filo 3 son producidos por maquinado, después de una operación de estrechamiento, aplicada a la región de extremo del tubo destinado a formar el elemento 1 , para dar una forma ahusada a la superficie interna 8 y a la superficie externa 9 del tubo en esta región.
En este elemento tubular conocido, la superficie radialmente interna 10 del filo 3 es obtenida por una primera conformación, por ejemplo por maquinado, después del estrechado. Esta superficie 10 es coaxial a la superficie externa del tubo y posee un radio R1 superior al radio interior RO del resto del tubo, las partes de los radios RO y R1 están unidas por un chaflán 11 frente al extremo libre del tubo. Se constató que esta configuración afecta al comportamiento de la junta al momento del pasaje de la herramienta de expansión a lo largo del chaflán 11 , y perjudica en consecuencia al sellado de la junta después de la expansión. Los mismos efectos son provocados por las variaciones del radio RO tanto en la dirección longitudinal como en la dirección circunferencial, asi como por la excentricidad de la superficie interna bruta del elemento con respecto a la superficie del tubo, que es tomado en la mordaza del torno que sirve para el maquinado del elemento 1. Estos inconvenientes son eliminados por la etapa de segunda conformación del procedimiento según la invención, gracias al que, después del maquinado del roscado 2 y del filo 3 y la primera conformación de la superficie 10, el elemento 1 presenta, sobre al menos una fracción de su longitud adyacente al filo 3, una superficie interna cilindrica 20 de radio R2 superior al radio R1 de la superficie interna 10 del filo 3, las superficies 10 y 20 estando asi unidas por un chaflán 21 que mira en una dirección opuesta del extremo libre 4 del elemento. Además, la superficie 20, formada preferentemente por torneado, presenta un radio R2 precisamente constante tanto en la dirección longitudinal como en la dirección circunferencial, y es concéntrica a la superficie externa maquinada del elemento 1. Otros modos de producción de la superficie 20 pueden ser utilizados: maquinado químico, maquinado electrolítico por electro-erosión o cualquier otro medio, con remoción de material (láser, bombardeo iónico, etc.) o sin remoción de material, por deformación al calor o al frío, o usando una pieza de conformación. Como se presenta en la figura 3, la superficie conformada 20 se extiende preferentemente sobre toda la longitud L del elemento roscado, con excepción del filo 3, es decir hasta el ángulo recto de la unión entre la parte maquinada 12 de la superficie externa del tubo 13 y la parte que queda bruta
14 de esta superficie externa. En el caso de que el elemento macho 1 presente, además o en lugar de la superficie de sellado 7, una superficie de sellado 15 situada más allá del roscado 2 con respecto a su extremo libre 4, resulta ventajoso, como se representa en la figura 4, que la superficie conformada 20 se extienda hasta una distancia L1 del extremo libre 4 ligeramente superior a la longitud L del elemento 1 , para que la herramienta de expansión expanda la superficie
20 cuando pasa enfrente de la superficie de sellado 15. La figura 5 representa una junta roscada tubular obtenida atornillando el elemento macho 1 de la figura 3 en un elemento hembra apropiado 30 conocido en sí.
EJEMPLO
Se produce un elemento tubular macho según la figura 3 a partir de un tubo de diámetro nominal de 193.68 mm (diámetro externo) y de masa lineal de 44.2 kg/m, que conduce a un diámetro interno nominal de 174.63 mm (diámetro mínimo y diámetro máximo según API, de 172.24 mm y 177.47 mm respectivamente). Este elemento presenta una superficie de sellado 7 sobre el filo 3 (superficie interna de sellado) y una superficie de sellado 15 en el opuesto de extremo libre 4 con respecto al roscado 2 (superficie externa de sellado). Presenta por otra parte las características numéricas siguientes: Radio R1 87.315 mm. Radio R2 88.025 mm. (semidiámetro máximo API = 88.735 mm). Inclinación del Chaflán 21 5o Inclinación del chaflán 22 6o Longitud L1 101 mm. Se atornilla el elemento macho obtenido en un elemento hembra adecuado, y se hace pasar en la junta resultante una herramienta de expansión de diámetro de 194 mm. La superficie interna de sellado presenta entonces, con la superficie correspondiente del elemento hembra, dos zonas anulares de contacto efectivo, y la superficie externa de sellado presenta, con la superficie correspondiente del elemento hembra, una zona anular de contacto efectivo. Se determina por simulación numérica (elementos terminados), para cada una de estas tres zonas de contacto, la longitud axial de la zona de contacto efectivo y la repartición de la presión de contacto, lo que permite calcular la integral de la presión de contacto sobre la longitud de la zona que es la medida más significativa de la calidad del contacto.
EJEMPLO COMPARATIVO
Se opera como en el ejemplo, omitiendo la etapa de conformación. Se obtiene después de expansión, zonas de contacto análogas a las del ejemplo, para las cuales se efectúan las mismas determinaciones basándose en un radio RO igual a la mitad del diámetro interno mínimo. Los resultados se dan en el cuadro que figura a continuación, en porcentaje de la integral de la presión de contacto con respecto a la zona 1 de sellado interno, o en la superficie externa de sellado, del ejemplo comparativo. Para la descripción de las dos zonas de sellado interno se podrá útilmente referirse a WO 03/60370.
Se ve que la invención provee una mejora notable de las presiones de contacto después de la expansión, particularmente en lo que se refiere a las dos zonas de contacto de sellado interno. La invención es aplicable a juntas roscadas tubulares de configuraciones diversas y particularmente a las descritas en US 6 712 401 , WO 03/60370 y WO 04/003416, en la solicitud internacional PCT/EP 2004/002196 presentada el 4 de marzo de 2004 y en las solicitudes de patente francesas 0314037, 0314038 y 0314039 presentadas el 28 de noviembre de 2003.
Claims (9)
1.- Un elemento tubular macho (1) formado en una región de extremo de un tubo (13) cuya superficie externa y superficie interna presentan secciones transversales totalmente circulares de diámetro totalmente constante, pero pueden no ser perfectamente concéntricas, caracterizado porque el elemento tubular macho posee un primer roscado macho ahusado (2) y al menos una primera superficie de sellado (7, 15), para cooperar por torsión con un elemento tubular hembra que posee un segundo roscado hembra ahusado y al menos una segunda superficie de sellado para formar una junta roscada tubular sellada en la que dichas superficies de sellado están en contacto de sellado mutuo de metal sobre metal, dicha primera superficie de sellado (por lo menos una) (7, 15) está dispuesta sobre un filo (3) dispuesto entre el roscado macho y el extremo libre (4), y/o más allá del roscado macho del lado opuesto al extremo libre (4), la superficie interna de dicho elemento tubular macho presenta una primera zona (10) adyacente al extremo libre (4) del elemento macho, de sección circular y concéntrica a la superficie externa del tubo, caracterizado porque la superficie interna de dicho elemento tubular macho posee una segunda zona (20) que es continuación en forma axial de la primera zona (10), de sección circular y concéntrica a la superficie externa del tubo, que presenta un radio (R2) mayor que el de (R1) de dicha primera zona, y mayor que el de la superficie interna del resto de la longitud del tubo. 2 - El elemento tubular macho (1) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el radio (R2) de la segunda zona (20) es inferior o igual a la mitad del diámetro interno máximo del tubo (13). 3.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el radio (R2) de la segunda zona (20) es cercano a la mitad del diámetro interno máximo del tubo (13). 4.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la segunda zona (20) se extiende en forma axial del lado opuesto al extremo libre (4), al menos hasta el extremo del roscado (2) opuesto al extremo libre (4). 5.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la segunda zona (20) se extiende en forma axial hasta el extremo no libre del elemento tubular macho. 6.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el roscado macho (2) está separado del extremo libre (4) por un filo, y la ppmera zona (10) se extiende en forma axial hasta el filo o las primeras roscas. 7.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la segunda zona (20) está unida a la ppmera zona (10) por una superficie esencialmente ahusada. 8.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque dicha superficie esencialmente ahusada de unión a la primera zona presenta un semiángulo en el vértice inferior o igual a 15°. 9.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la segunda zona (20) está unida a la superficie interna del resto del tubo (13) por una superficie esencialmente ahusada. 10.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha superficie esencialmente ahusada de unión a la superficie interna del resto del tubo presenta un semiángulo en el vértice inferior o igual a 15°. 11.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el radio (R1) de la primera zona (10) es inferior a la mitad del valor nominal del diámetro de la superficie interna del tubo. 1
2.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la superficie frontal de extremo libre es una superficie de tope axial para dicho elemento tubular hembra. 1
3.- El elemento tubular macho (1) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la calidad de superficie de la segunda zona es mejor que la superficie interna en el resto de la longitud del tubo. 1
4.- Una junta roscada tubular que comprende un elemento tubular macho (1) como el que se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes y un elemento tubular hembra (30) caracterizado porque coopera con el elemento tubular macho. 1
5.- Un procedimiento de producción de un elemento tubular macho como el que se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque la primera zona (10) es obtenida por una primera conformación y la segunda zona (20) es obtenida por una segunda conformación. 1
6.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque la segunda conformación es realizada después de la primera conformación. 1
7.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 15 o 16, caracterizado además porque la segunda zona (20) es obtenida por remoción de material. 1
8.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque la segunda zona (20) es obtenida por maquinado. 1
9.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, caracterizado además porque el tubo (13), en una fracción de la longitud de dicha región de extremo, previamente a la obtención de dicha primera zona (10), es sometido a una operación de estrechado que hace decrecer progresivamente los diámetros externo e interno hasta el extremo libre (4). 20.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 19, para producir un elemento tubular macho como el que se reclama en la reivindicación 7, caracterizado además porque dicha superficie esencialmente ahusada que une la segunda zona (20) a la primera zona (10) está formada por la operación de estrechado. 21.- El procedimiento de conformidad con una de las reivindicaciones 19 y 20, caracterizado además porque la operación de estrechado es efectuada antes de la primera y segunda conformación. 22.- Un procedimiento de producción de una junta tubular sellada en el que una junta tubular inicial (1) como la que se reclama en la reivindicación 14, es sometida a una expansión diametral en la región de deformación plástica con la ayuda de una herramienta de expansión de radio superior al radio interno (R2) de dicha segunda zona del elemento macho, que es desplazado axialmente en la junta. 23.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque la segunda zona (20) se extiende hasta una distancia axial del extremo libre (4) del elemento macho al menos igual a la longitud total (L) de la junta. 24.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque está dispuesta por lo menos una superficie de sellado (15) más allá del roscado macho en el lado opuesto del extremo libre (4) y la segunda zona (20) se extiende hasta una distancia axial del extremo libre (4) del elemento macho, de tal manera que la herramienta de expansión expanda la segunda zona (20) cuando pasa axialmente bajo dicha superficie de sellado (15) dispuesta más allá del roscado macho.
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