CONECTOR DE TUBO ROSCADO
Antecedentes de la Invención 1. Campo Técnico La presente invención se refiere en general a conecto-res de tubo roscado y, en particular, a un conector de tubo diseñado para aplicaciones de alta fatiga, tales como conexiones de conducto vertical de pozo marino. 2. Descripción de la Técnica Relacionada En algunos tipos de producción de petróleo y gas marinos, los conductos verticales se extienden desde el piso marino a una plataforma flotante para procesar y transferir el fluido del pozo a una línea de tubería. Los conductos verticales de producción pueden ser de miles de metros de longitud y pueden extenderse en una larga curva catenaria desde la plataforma al conjunto de pozo submarino. Estos conductos verticales están sujetos a cargas de tensión, cargas de flexión y fatiga debidas a la corriente y las olas. Estos conductos verticales pueden estar en su lugar por años, y una falla puede ser sumamente costosa de reparar. Generalmente, hay dos tipos de conexiones de conductos verticales de producción que se han usado para producir petróleo y gas de un cabezal de pozo submarino a un árbol de producción en superficie en una plataforma marina flotante. Ambos tipos
utilizan un miembro hembra que tiene una superficie circunferencial frusto-cónica interna provista con una rosca, y un miembro macho que tiene una superficie circunferencial frusto-cónica externa correspondiente y provista con una rosca de interfaz para vinculación con el miembro hembra. En el primer tipo de conexión de conducto vertical de producción, se forma una sola rosca en un miembro forjado, de paredes relativamente gruesas, para ambos miembros macho y hembra. Estos miembros forjados son soldados a secciones de tubo. La pared gruesa permite características tales como roscas altamente ahusadas, hendiduras de alivio de rosca, y áreas finales en sección transversal mucho mayores que el pasador. Estas características pueden mejorar en gran medida tanto la resistencia estática como la resistencia a la fatiga de la conexión. Este tipo de conexión también se adapta fácilmente a características añadidas tales como sellos metal con metal y guías de cuchilla, tanto internos como externos a la superficie de la rosca. Estas características mejoran en gran medida la integridad ante la presión y las características operativas, respectivamente . El segundo tipo de conector de conducto vertical de producción usado comúnmente es referido como una conexión roscada y acoplada. En esta conexión, el miembro hembra está roscado en cada extremo de un manguito de acoplamiento corto hecho ya sea de un tubo de paredes gruesas o una forja. Los miembros macho
típicamente consisten en simplemente roscar los extremos del tubo mismo. Este tipo de conexión es mas ligera y menos costosa que la antes descrita. También elimina la necesidad de una soldadura entre el conector y el tubo, lo que elimina las restricciones sobre la resistencia y la fatiga que se asocian con la soldadura. Los conectores de conducto vertical de ambos tipos antes descritos tienen varias desventajas. Para la conexión tipo soldada, la conexión es generalmente pesada y costosa. También debe soldarse en el cuerpo principal del tubo, y por tanto se torna limitada por la soldadura misma. Las soldaduras son compatibles con tubos de resistencias a la deformación limitadas. En adición, la vida de fatiga de la soldadura es sustancialmente inferior, en la mayoría de los casos, que la de la conexión misma. Por tanto, este tipo de conexión está limitada tanto en resistencia estructural como resistencia a la fatiga por la soldadura del tubo. Para la conexión roscada y acoplada, como toda la conexión debe formarse en la sección transversal limitada del tubo, hay límites significativos sobre qué puede utilizarse para las mismas características que permitan a los conectores soldados alcanzar altos niveles de desempeño. Las prácticas anteriores han utilizado también configuraciones de rosca y sello que fueron desarrolladas para aplicaciones de entubado, donde la integridad del sello frente a la presión interna y la resistencia estática fue el objetivo principal. Aunque las conexiones de este tipo
típicamente tienen una resistencia estructural ligeramente limitada, tienen una resistencia a la fatiga considerablemente reducida. También están algo comprometidas en la capacidad a alcanzar sellos metal con metal externos a la sección roscada así como alcanzar una guía de cuchilla efectiva en este mismo lugar. De esta manera, sería deseable una mejorada forma de rosca para conexiones roscadas y acopladas de alta fatiga. Compendio de la Invención La conexión de la presente invención tiene formas de rosca en la caja y en el pasador que tienen flancos de carga que vinculan entre sí en puntos diferentes a lo largo de la longitud de las formas de rosca cuando se hacen totalmente. La vinculación variante provee un ángulo de carga que varía a lo largo de la longitud de las formas de rosca. Los flancos de carga vinculan entre sí con cantidades variables de interferencia, o dimensión radial, a lo largo de las longitudes de las formas de rosca cuando se hacen totalmente, de modo que cuando se aplica una carga de tensión, la repartición resultante de la carga a través de todas las formas de rosca es bastante uniforme. De preferencia, los flancos de carga en la porción central de las formas de rosca tienen mayor interferencia cuando se hacen que los flancos de carga en las porciones superior e inferior. Asimismo, en la forma de realización preferida, los flancos de cuchilla de algunas de las roscas en la porción superior y la porción inferior de las formas de rosca vinculan entre sí con
interferencia cuando se hace totalmente el conector. En una forma de realización, la caja tiene un hombro de torsión interno que se vincula con un hombro de torsión formado en el pasador. Un miembro de sello de metal interno se extiende desde el hombro de torsión del pasador y vincula un rebajo formado en la perforación de la caja. El conector puede también tener un sello externo metal con metal que comprende un miembro de sello que sobresale del extremo superior de la caja y vincula una porción de diámetro externo del pasador. De preferencia, el miembro de sello de la caja tiene una nervadura de sello rebajada que es protegida contra daños durante la inserción del pasador en la caja. Los anteriores y otros objetivos y ventajas de la presente invención serán evidentes a los técnicos en la materia, en vista de la siguiente descripción detallada de la presente invención, tomada en conjunción con las reivindicaciones anexas y los dibujos acompañantes. Breve Descripción de los Dibujos A fin de que la manera en la cual las características y ventajas de la invención, así como otras que se tornen evidentes, son alcanzadas y puedan comprenderse en mayor detalle, se hará una descripción mas particular de la invención brevemente resumida en lo que antecede con referencia a la forma de realización de la misma que se ilustra en los dibujos anexos, los cuales dibujos forman parte de esta descripción. Sin embargo,
debe notarse que los dibujos ilustran únicamente una forma de realización de la invención y por tanto no deben considerarse limitativos de su ámbito pues la invención puede admitir otras formas de realización igualmente efectivas. La figura 1 es una vista lateral en secciones de una forma de realización de una conexión de caja y pasador construida de acuerdo con la presente invención. Las figuras 2A y 2B comprenden una vista lateral en secciones, amplificada, de una interfaz de la conexión de la figura 1, y se construye de acuerdo con la presente invención. La figura 3 es una vista lateral en secciones, amplificada, adicional, de la forma de rosca en un punto ilustrado por la línea punteada en círculos de la figura 2A, cerca del extremo superior de la forma de rosca. La figura 4 es una vista lateral en secciones, amplificada, adicional, de la forma de rosca en un punto ilustrado por la línea punteada en círculos de la figura 2B, cerca de un centro de la forma de rosca. La figura 5 es una vista lateral en secciones, amplificada, adicional, de la forma de rosca en un punto ilustrado por la línea punteada en círculos de la figura 2A, en una porción inferior de la forma de rosca. La figura 6 es una vista lateral en secciones, amplificada, adicional, de una porción de la forma de rosca como se muestra en la figura 4.
La figura 7 es una gráfica de un ejemplo del estado de la técnica de una distribución de carga de la rosca a lo largo de la longitud de la rosca vinculada mientras sufre una carga de tensión . La figura 8 es una gráfica idealizada de una distribución de carga de rosca de una conexión de acuerdo con la invención a lo largo de la longitud de la rosca vinculada después de formación total, pero no bajo una carga de tensión. La figura 9 es una gráfica idealizada de la conexión de la figura 8 mientras sufre una carga de tensión. La figura 10 es una vista en secciones amplificada de un sello de metal externo en la caja construida de acuerdo con la presente invención, y mostrado con el pasador siendo insertado en la caja. La figura 11 es una vista en secciones amplificada adicional del sello de metal externo en la caja de la figura 10, con ciertos aspectos exagerados por claridad; y La figura 12 es un diagrama en vista en secciones, reducida, esquemática, de un pasador construido de acuerdo con la presente invención. Descripción Detallada de la Invención Haciendo referencia a las figuras 1 a 9, se ilustra una forma de realización de un conector de tubo de acuerdo con esta invención como una conexión roscada 21. La conexión 21 puede ser usada para una variedad de propósitos, pero es particularmente
adecuada para producción de petróleo y gas marinos con tensión superior y conductos verticales catenarios . En este ejemplo, la conexión 21 comprende un manguito de acoplamiento 22 que tiene dos miembros de caja o hembra 23, cada uno para vincular un pasador o miembro macho 25. En esta forma de realización, el pasador 25 es mostrado formado integralmente en un engrosamiento o extremos agrandados de un tubo 24. Las cajas 23 del manguito de acoplamiento 22 unen dos pasadores 25 de dos tubos 24. Para algunas aplicaciones, cada tubo 24 puede tener un pasador 25 soldado a o formado en un extremo y una caja 23 soldada a o formada en el extremo opuesto. El pasador 25 y la caja 23 tienen un eje longitudinal común 26 cuando se conectan. Haciendo referencia a las figuras 2A y 2B, la caja 23 tiene una forma de rosca interna 27 (figuras 2A, 2B) que está ahusada, teniendo un diámetro interno mas grande hacia su borde o extremo superior y un diámetro menor en el extremo inferior hacia la nariz del pasador 25. Los términos "superior" e "inferior" son usados por conveniencia únicamente debido a que las cajas 23 en el manguito de acoplamiento 22 están invertidas entre sí. "Superior" es un término usado para indicar hacia el borde de la caja 23, e "inferior" es un término usado para indicar hacia la nariz del pasador 25. Cada rosca de la forma de rosca 27 de caja tiene un flanco de cuchilla 29 (figuras 3-6) y un flanco de carga opuesto 31. Para una rosca particular, el flanco de cuchilla de caja 29 mira hacia el borde o extremo
superior de la caja 23 y el flanco de carga 31 mira en la dirección opuesta. El pasador 25 tiene una forma de rosca externa 33 (figuras 2A, 2B) que está vinculada de manera roscada con la forma de rosca interna 27 de la caja 23. Cada rosca del pasador 25 tiene un flanco de cuchilla 35 (figuras 3-6) que mira opuesto a los flancos de cuchilla de caja 29, y un flanco de carga 37 que mira opuesto a los flancos de carga de caja 31. Cuando se inserta o clava el pasador 25 en la caja 23, antes de la rotación, algunos de los flancos de cuchilla 29, 35 vincularán entre sí . La rotación hasta formación total ocasiona que los flancos de carga 31, 37 vinculen entre sí, y en esta forma de realización, algunos de los flancos de cuchilla 29, 35 vincularán entre sí. Por conveniencia, las roscas vinculadas de las formas de rosca 27, 33 mas cercanas al borde de la caja 23 en ocasiones serán referidas como las roscas superiores extremas 28. Las roscas vinculadas inferiores extremas de las formas de rosca 27, 33 serán en ocasiones referidas como las roscas inferiores extremas 30 debido a que están mas cerca de la nariz del pasador 25. El diseño de la conexión 21 tiene muchas características únicas que son distinguidas fácilmente del estado de la técnica. Estas características y formas de realización pueden ser utilizadas de manera individual en la conexión, o en cualquier combinación. Por ejemplo, en una forma de realización,
al menos algunos de los flancos de carga 31, 37 de tanto la caja 23 como el pasador 25 incluyen un perfil en sección transversal en forma de S que provee ángulos de carga que varían a lo largo de la rosca vinculada para formar una conexión acoplada de alta fatiga. Este diseño promueve una trayectoria de carga que cambia con la posición a lo largo de la rosca vinculada, y con cargas externas que se incrementan o reducen sobre la conexión 21. Esta característica de diseño también varía la distensión radial o deflexión del pasador 25 de la caja 23 a través de una longitud axial de las formas de rosca 27, 33. La figura 6 es una vista amplificada de la figura 4, la cual es una de las roscas de la caja 23 y el pasador 25 en un área generalmente central entre las roscas superiores extremas e inferiores extremas 28, 30 (figuras 2A, 2B) . Esta rosca vinculada es en ocasiones referida como la rosca de demarcación 36. Cada una de las roscas de la forma de rosca de pasador 33 tiene una raíz cóncava curva 38 y una cresta 39. En esta forma de realización, las crestas 39 son cilindricas y concéntricas alrededor del eje del pasador 25, pero esta forma puede variar. Las crestas 39 están a distancias diferentes del eje 26. Una línea de huso 40 intersecta una esquina de cada cresta 39, la línea 40 estando a un ángulo pequeño con relación al eje 26. A mayor abundamiento, las crestas de pasador 39 tienen diferentes dimensiones radiales o "alturas", medidas desde las raíces 38 adyacentes. Como se muestra en la figura 2A, una
sección superior de la forma de rosca de pasador 33 tiene crestas de pasador 39 con alturas reducidas, comenzando aproximadamente con la rosca de demarcación 36 de las figuras 4 y 6. En este ejemplo, las crestas de pasador 39 de estas roscas superiores se reducen en altura gradualmente de una rosca a la siguiente, la mas corta estando en la rosca superior extrema 28. Cada rosca de la forma de rosca de caja 27 tiene una raíz cóncava curva 41 y una cresta de caja 43. En este ejemplo, las crestas 43 son cilindricas, pero algunas están a diferentes distancias del eje 26. Una linea de huso de caja 45 intersecta una esquina de cada cresta de caja 43 y está a un ángulo con relación al eje 26. La porción inferior de la forma de rosca de caja 27 puede tener crestas de caja 43 que están aproximadamente a la misma distancia del eje 26. Comenzando aproximadamente en la rosca debajo de la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6, las crestas de caja 43 restantes están a lo largo de la línea de huso de caja 45. Las crestas de caja 43 también tienen alturas o dimensiones radiales diferentes, con relación a las raíces de caja 41. Como se muestra en la figura 2B, una sección inferior de la forma de rosca de caja 27 tiene crestas de caja 43 con alturas reducidas terminando aproximadamente con la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6. La forma de rosca de caja 27 desde la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6 hacia arriba puede tener crestas 43 de alturas
generalmente uniformes. Haciendo referencia a las figuras 4 y 6, en la porción central de la forma de rosca de pasador 33, cada rosca tiene un flanco de carga de pasador 37 con dos secciones separadas 37a, 37b formadas a diferentes ángulos. La porción de flanco de carga de pasador 37a está radialmente mas lejos del eje 26 que la porción de flanco de carga de pasador 37b. La porción de flanco de carga externa 37a se une a la cresta de pasador 39, una porción de flanco de carga interna 37b se une a la raíz de pasador 38. Ambas porciones de flanco de carga 37a, 37b están ligeramente curvas en este ejemplo, mas que ser de facetas planas, aunque serían factibles las facetas planas para algunas aplicaciones. Una línea normal a un punto medio de la porción de flanco de carga externa 37a se inclinaría menos con relación al eje longitudinal 26 que a un punto medio de la porción de flanco de carga interna 37b. Un área de transición 37c está ubicada entre y une las porciones de flanco de carga de pasador interna y externa 37a, 37b. Líneas tangentes 42a y 42b a cualquiera parte de las porciones de flanco de carga 37a y 37b, respectivamente, intersectarían el eje 26 a un ángulo positivo. La línea tangente 42c del área de transición 37c cambia de positiva, donde se une a la porción de flanco externa 37a, a perpendicular (no mostrada) al eje 26, a negativa (mostrada en la figura 6) , y de vuelta nuevamente a positiva, donde el área de transición 37c se une a
la porción de flanco de carga interna 37b. La unión de la porción de flanco de carga externa 37a con el área de transición 37c está en aproximadamente la misma posición axial como donde el área de transición 37c se une a la porción de flanco de carga interna 37b. El área de transición 37c de esta manera tiene un contorno en forma de S , y debido a la curvatura de las porciones de flanco de carga externa e interna 37a, 37b, crea un contorno en forma de S para todo el flanco de carga de pasador 37. Debido a lo trunco o las alturas reducidas de algunas de las crestas de pasador 39, no todas las roscas de pasador tienen el mismo tamaño y la misma forma que el flanco de carga 37. En la porción superior de la forma de rosca de pasador 33, comenzando aproximadamente una rosca sobre la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6, los flancos de carga externos 37a se acortan, y en este ejemplo desaparecen por completo para dos o tres roscas, incluyendo la rosca superior extremo 28. Las dos o tres roscas de pasador superiores extremas solamente tienen una porción de flanco de carga interna 37b. Las porciones de flanco de carga de pasador externas 37a se reducen gradualmente de tamaño en una dirección hacia arriba desde aproximadamente la primera rosca sobre la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6. La rosca de demarcación 36 de la caja 23 en la porción central ejemplificada por las figuras 4 y 6 tiene una porción de flanco de carga externa 31a, que aparea, y una porción de flanco
de carga interna 31b que vincula las porciones de flanco de carga de pasador 37a y 37b, respectivamente, en la interferencia de rosca una vez totalmente formada. Es decir, ocurre algo de deflexión radial o distensión del metal de las porciones de flanco de carga 31a, 31b y 37, 37b. Un área de transición de caja 31c une las porciones de flanco de carga interna y externa 31a, 31b juntas. El área de transición 31c tiene el mismo contorno que el área de transición de pasador 37c, pero las áreas de transición 31c y 37c están espaciadas cuando se forma totalmente la conexión, creando un espacio, como se muestra en las figuras 4 y 6. Líneas tangentes al área de transición de caja 31c también intersectan el eje 36 a ángulos positivos y negativos . Algunas de las roscas de caja en este ejemplo no tienen porciones de flanco de carga de caja internas 31b. Debido a lo trunco de las alturas de las crestas de caja 43 en la porción inferior de la forma de rosca de caja 27, tres o cuatro de las roscas de caja inferiores extremas solamente tienen porciones de flanco de carga externas 31a. Las porciones de flanco de carga de caja externas 31a se incrementan gradualmente en tamaño en una dirección hacia arriba desde la rosca inferior extrema de caja 30 hasta un punto bien por debajo de la rosca de demarcación 36 de las figuras 4 y 6. Cuando la conexión está totalmente formada, las porciones de flanco de carga de pasador 37a, 37b vinculan las
porciones de flanco de carga de caja 31a, 31b, respectivamente en la porción central, como se ilustra en las figuras 4 y 6. En la porción superior, como se ilustra en la figura 3, algunas de las roscas tendrán solamente las porciones de flanco de carga internas 31b, 37b vinculando, o incluso ninguna. En la porción inferior, ilustrada en la figura 5, algunas de las roscas tendrán solamente las porciones de flanco de carga externas 31a, 37a, 37b y las porciones de flanco de carga de caja 31a, 31b, vinculando entre sí en el área central, la vinculación difiriendo dentro del área central, dependiendo de cuánto ocurre la deflexión entre las roscas de pasador 25 y caja 23'. Las porciones de flanco de carga 31a, 31b, 37a, 37b vinculan entre sí en diferentes puntos a lo largo de las longitudes de las formas de rosca 27, 33 para variar los ángulos de fuerza resultantes por las líneas F3 , F4 y F5 de las figuras 2A y 2B. La fuerza de contacto superior F3 es el vector resultante de las fuerzas de contacto en los flancos de carga internos 31b, 37b en y cerca de la rosca superior extrema 28 cuando el pasador 25 y la caja 23 están totalmente formados y se aplica una fuerza de tensión. No hay porción de flanco de carga externa 37a de pasador en y cerca de la rosca superior extrema 28, como se muestra en la figura 3, de modo que la porción de flanco de carga externa 31a de caja en esta porción superior no esté en vinculación con ninguna parte de la forma de rosca de pasador 33. De manera conversa, en y cerca de la rosca inferior
extremo 30, la fuerza resultante F5 es el vector resultante de las fuerzas de contacto en las porciones de flanco de carga externas 31a, 37a al formarse totalmente y bajo una carga de tensión. No hay porción de flanco de carga interna 31b de caja en y cerca de la rosca inferior extrema 30, como se muestra en la figura 5, de modo que la porción de flanco de carga interna 37b de pasador en esta porción inferior no está en vinculación con ninguna parte de la forma de rosca de caja 27. En la porción central, el ángulo de la fuerza de contacto F4 bajo carga de tensión es el vector resultante de las porciones de flanco de carga externas 31a, 37a y las porciones de flanco de carga internas 31b, 37b. Todavía haciendo referencia a las figuras 2A y 2B, el ángulo de carga superior F3 es un mayor ángulo con el eje 26 que el ángulo de carga central F , y el ángulo de carga central F4 es un mayor ángulo con el eje 26 que el ángulo de carga inferior F5. La vinculación entre los flancos de carga 31, 37 en formación total y bajo carga de tensión tiene un componente radial menor en la porción inferior (figura 5) que en la porción central (figura 4), y la porción central tiene un menor componente radial que la porción superior (figura 3) . En la porción inferior, las porciones de flanco de carga externas mas axialmente orientadas 31a, 37a proveen la mayoría de o toda la fuerza de contacto. En la porción superior, las porciones de flanco de carga internas mas radialmente orientadas 31b, 37b proveen la mayoría de o toda
la fuerza. No hay una línea clara de demarcación entre las porciones inferiores, centrales y superiores, pues este será un aspecto de selección de diseño. En adición a la diferencia en las trayectorias de carga F3 , F4 y F5, la magnitud de interferencia de rosca entre las diversas porciones de flanco de carga externas e internas 31a, 37a y 31b, 37b varía. La interferencia de rosca es usada en la presente para designar deflexión que ocurre entre las formas de rosca de pasador y caja 32, 27 cuando se forman totalmente pero antes de cualquier pre-carga axial . La interferencia de rosca ocasiona distensión de las porciones de flanco de carga 31a, 37a y 31b, 37b cuando se forman totalmente, creando una fuerza de pre-carga. En las figuras 3-5, los perfiles de las porciones de flanco de carga 31a, 37a y 31b, 37b están sobrepuestos uno sobre otro en interferencia de rosca. Un mayor traslape entre los perfiles sobrepuestos indica una mayor magnitud de interferencia de rosca. En la porción central, como se ilustra por la figura 4, tanto las porciones de flanco de carga externas como internas 31a, 37a y 31b, 37b vinculan entre sí en interferencia de rosca. La magnitud de interferencia de flanco de rosca se reduce desde la rosca de demarcación 36 en una dirección ascendente. La magnitud de interferencia de flanco de carga también se reduce desde la rosca de demarcación 36 hacia abajo. En la rosca superior extrema 28, como se muestra en la figura 3, no hay
interferencia de rosca entre las porciones de flanco de carga internas 31b, 37b. En la rosca inferior extrema 30, ilustrada por la figura 5, no hay interferencia de rosca entre las porciones de flanco de carga externas 31a, 37a. El flanco de cuchilla de pasador 35 de la rosca de demarcación del área central 36 mostrada en las figuras 4 y 6 tiene dos facetas cónicas 35a, 35b en el ejemplo mostrado. Las facetas 35a, 35b se unen entre sí, la faceta 35a estando mas lejos hacia afuera del eje 26 que la faceta 35b y a un menor ángulo con relación al eje 26. De manera similar, el flanco de cuchilla 29 de la rosca de demarcación de caja 36 mostrada en las figuras 4 y 6 tiene dos facetas 29a, 29b que están a los mismos ángulos y aparean con las facetas de pasador 35a, 35b. En el ejemplo mostrado, cuando se forma pero antes de pre-carga axial, las facetas de flanco de cuchilla externas 29a, 35a están espaciadas entre sí mediante un espacio libre, pero las facetas de flanco de cuchilla internas 29b, 35b pueden hacer contacto entre sí en la rosca de demarcación 36. En la porción superior de la forma de rosca de pasador 33, como se ilustra por la figura 3, la altura reducida de las crestas de pasador 33 ocasiona que las facetas de cuchilla externas de pasador 35a desaparezcan gradualmente en una dirección ascendente. Las roscas de caja en la porción superior de la forma de rosca 27 tienen facetas de flanco de cuchilla tanto internas como externas 29a, 29b. La vinculación de los
flancos de cuchilla 29, 35 en la porción superior se reduce en una dirección ascendente, solamente las porciones internas de flanco de cuchilla 29b, 35b vinculando entre sí en la rosca superior extrema 28. En la porción inferior de la forma de rosca de caja 33, como se ilustra por la figura 5, las alturas reducidas de las crestas de caja 43 hacen que las porciones de flanco de cuchilla internas 29b de caja se tornen mas pequeñas y desaparezcan gradualmente. La vinculación de los flancos de cuchilla 29, 35 en la porción inferior de esta manera se reduce en una dirección descendente, solamente las porciones externas de flanco de cuchilla 29a, 35a vinculando entre sí en la rosca inferior extrema 30 al formarse totalmente y antes de cualquier pre-carga axial . En este ejemplo, también existe una cierta magnitud de interferencia de rosca entre los flancos de cuchilla 29, 35 de algunas de las roscas, al formarse totalmente la conexión y antes de cualquier pre-carga axial. La magnitud de interferencia de flanco de cuchilla 29, 35 se incrementa gradualmente en una dirección ascendente, comenzando unas cuantas roscas sobre la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6. La figura 3 muestra una magnitud considerable de interferencia de rosca entre las porciones de flanco de cuchilla internas 29b, 35b de la rosca superior extrema 28. La magnitud de interferencia de flanco de cuchilla 29, 35 se incrementa gradualmente en una
dirección descendente, comenzando unas cuantas roscas debajo de la rosca de demarcación 36 mostrada en las figuras 4 y 6. La rosca inferior extrema 30, ejemplificada por la figura 5, muestra una magnitud significativa de interferencia de rosca entre las porciones externas de flanco de cuchilla 29a, 35a, al formarse totalmente y antes de cualquier pre-carga axial. En este ejemplo, no hay roscas que vinculen entre sí con interferencia de rosca tanto en sus flancos de cuchilla 29, 35 como los flancos de carga 31, 37, aunque ello puede ocurrir. Haciendo referencia a la figura 2B, la caja 23 tiene un hombro de torsión interno 47 en su perforación 55 debajo de la rosca inferior extrema 30. El pasador 25 tiene un hombro de torsión externo 49 que hace contacto con el hombro de torsión 47. El apriete suficiente de la conexión 21 después del contacto de los hombros 47, 49 ocasiona deflexión de los hombros 47, 49, creando una fuerza de pre-carga axial. Los hombros de torsión 47, 49 pueden ser planos o ligeramente cónicos, como se muestra en la figura 2B. La interferencia de rosca entre los flancos de carga 31, 37 y los flancos de cuchilla 29, 35 mostrados en las figuras 3-6 ocurre antes de cualquier pre-carga axial. La pre-carga axial ocasiona que se incrementen las fuerzas de contacto en los flancos de carga 31, 37 y que se reduzcan las fuerzas de contacto en los flancos de cuchilla 29, 35. Algunos de los flancos de cuchilla 29, 35 en las porciones superiores e inferiores de las formas de rosca 27, 33 se desplazarán del
contacto de flanco de cuchilla al contacto de flanco de carga cuando se aplica suficiente pre-carga axial. La razón del cambio en configuración de las roscas a lo largo de las longitudes de la forma de rosca es ilustrada en las figuras 7-9. La figura 7 ilustra una carga de tensión siendo aplicada a una forma de rosca sin considerar ninguna fuerza de pre-carga debido a interferencia de rosca. Idealmente, si se aplica una fuerza de tensión de 16,000 libras (7,260.80 kg) y la conexión tiene 16 roscas, cada rosca experimentaría 1,000 libras (453.80 kg) de fuerza. Sin embargo, la tensión no pasa de manera uniforme a través de las roscas. Incluso si la conexión tiene hombros de torsión axial que habilitan una pre-carga, las fuerzas superiores estarán en los extremos opuestos de las formas de rosca. La fuerza neta entre las roscas medidas en cualquier punto a lo largo de la longitud de la forma de rosca caerá gradualmente en un área central. De esta manera, las porciones centrales de las formas de onda en general llevan al menos parte de la carga de tensión, y las porciones superior e inferior la mayor parte de la carga de tensión. La figura 8 ilustra en forma idealizada fuerzas de contacto entre roscas que existen a lo largo de las formas de rosca 27, 33 de acuerdo con esta invención cuando se forman totalmente, pero sin ninguna pre-carga axial debida a la vinculación de los hombros de torsión 47, 49 (figura 2B) y sin jalarse en tensión a partir de cargas externas. Las roscas en el
área positiva de la gráfica de la figura 8 tienen fuerzas de pre-carga netas de flanco de carga 31, 37, mientras que las roscas en las áreas negativas de la gráfica ilustran fuerzas de pre-carga netas de flanco de cuchilla. La pre-carga de los flancos de cuchilla 29, 35 es resultado del movimiento hacia adentro del pasador 25 hacia la caja 23 durante la formación que es resistida por la interferencia de los flancos de cuchilla 29, 35. Esta resistencia tiende a ocasionar que el pasador 25 sea empujado fuera de la caja 23, pero este movimiento hacia afuera es resistido por los flancos de carga 31, 37, de esta manera desviando y pre-cargándolos . Las fuerzas de pre-carga debidas a la interferencia entre los flancos de cuchilla 29, 35 son opuestas en dirección a las fuerzas de pre-carga debidas a la interferencia entre los flancos de carga 31, 37. Cuando se forman totalmente, los hombros de torsión 47, 49 (figura 2) serán apretados a una fuerza de pre-carga deseada. Incluso sin hombros de torsión 47, 49, debido a las diversas interferencias de rosca, las fuerzas de pre-carga como en la figura 8 existirán cuando se forman totalmente. La fuerza de pre-carga axial ocasionada por la deflexión axial de los hombros de torsión 47, 49 (figura 2) no cambia sustancialmente la forma de la gráfica de la figura 8, sino que mas bien la desplaza principalmente hacia arriba y la aplana en cierta medida. Incrementar la pre-carga axial desviando los hombros de torsión 47, 49 reduce la magnitud de la pre-carga de rosca de los flancos
de cuchilla 29, 35 e incrementa la magnitud de la pre-carga de rosca de los flancos de carga 31, 37. La figura 9 es un ejemplo idealizado de las fuerzas de contacto que ocurren sobre cada rosca cuando se aplica una carga de tensión externa al pasador que tiene la gráfica de forma de rosca de la figura 8. La rosca de demarcación 36, ilustrada en las figuras 4 y 6, experimenta la máxima pre-carga de flanco de carga de acuerdo con la figura 8. Como se aplica una carga de tensión externa, la distribución de carga entre los flancos de carga de las roscas toma la forma de la figura 7. Cuando se añade a la distribución de carga existente mostrada en la figura 8 a partir de pre-carga interna, la distribución de carga sobre los flancos de carga de rosca 31, 37 toma la forma de la figura 9. La rosca de demarcación 36 de las figuras 4 y 6 compartirá una porción de carga neta de la carga de tensión aplicada al pasador 25 igual a la pre-carga en el pico de la gráfica de la figura 8 mas la carga de tensión externa que existe en ese punto. Las roscas superior extrema e inferior extrema 28, 30, y aquéllas cerca de ellas, tienen una fuerza de pre-carga neta debida a la interferencia de los flancos de cuchilla 29, 35, incluso después de pre-carga axial. Cuando el pasador 25está bajo una carga de tensión, la carga de tensión alza los flancos de cuchilla de pasador 35 que interfieren de los flancos de cuchilla de caja 29 y mueve los flancos de carga 31, 37 de aquellas roscas en contacto unas con otras. La fuerza de
contacto resultante sobre las roscas 28, 30 iguala la carga de tensión siendo aplicada mas la pre-carga de flanco de cuchilla, la cual es negativa, de esta manera resta. Si se aplica suficiente carga de tensión, la carga neta de rosca sobre las roscas superior extrema e inferior extrema 28, 30 se torna positiva debido a que la carga externa inicia el contacto de sus flancos de carga 31, 37. Las fuerzas de contacto sobre las roscas superior extrema e inferior extrema 28, 30 son menores que el alto nivel que existiría en el estado de la técnica, mostrado mediante la figura 3, debido a la resta de las fuerzas de pre-carga de flancos de cuchilla. De manera típica, la carga neta sobre las roscas entre la rosca inferior extrema 30 y la rosca de demarcación 36 es algo menor que las cargas netas en la rosca inferior extrema 30 y la rosca de demarcación 36. De manera similar, la carga neta entre la rosca de demarcación 36 y la rosca superior extrema 28 es típicamente menor. Todavía otra característica de diseño de la presente invención trata de un sello interno 51 (figura 2B) . El sello 51 es un sello metal con metal en el pasador 25 que vincula un rebajo 53 en la perforación 55 de la caja 23. El sello 51 tiene un menor grosor en sección transversal que el pasador 25 en el hombro de torsión 49 y depende del hombro de torsión 49. El extremo libre del sello 51 no hace contacto con ningún hombro dentro de la perforación de caja 55. De esta manera, el sello interno 51 no es un hombro y es del tipo de metal con metal entre
la caja 23 y el pasador 25. El extremo libre del sello 51 define el extremo inferior extremo o nariz del pasador 25. Todavía otra característica de diseño de la presente invención trata de un sello externo 61 (figuras 2A; 10 y 11) en la caja 23. El miembro de sello 61 tiene similitudes con el sello interno 51. Un hombro 65 es formado cerca del extremo superior de la caja 23. El miembro de sello 61 tiene un diámetro interno casi a nivel con la perforación 55 de la caja 23 y un diámetro externo menor que la caja 23 en el hombro 65. El miembro de sello 61 de esta manera tiene una sección transversal mas delgada que la caja 23 en el hombro 65, se extiende axialmen-te mas allá del hombro 65, y define el reborde de la caja 23. El extremo libre del miembro de sello 61 es el punto superior extremo de la caja 23. El miembro de sello 61 vincula una porción de diámetro externo del pasador 25 para formar un sello metal con metal. Una hendidura de alivio 63 puede existir en la unión del hombro 65 con el miembro de sello 61 para incrementar la flexibilidad del miembro de sello 61. El hombro 65 es mostrado plano, pero puede ser cónico o ahusado. Haciendo referencia ahora a las figuras 10 y 11, en la forma de realización preferida, el miembro de sello 61 tiene una nervadura anular de sellado redondeada 67 en su diámetro interno. La nervadura de sellado 67 es convexa y sobresale hacia adentro hacia el eje 26 (figura 1) . Un rebajo cóncavo, curvo 66 se une y extiende hacia arriba de la nervadura de sellado 67, y un
rebajo curvo cóncavo 68 se une y extiende hacia abajo por debajo de la nervadura de sellado 67. Los rebajos 66, 68 tienen profundidades suficientes de modo que la nervadura de sellado 67 esté rebajada de una superficie cónica imaginaria 69 que se extiende en una línea corta desde el borde inferior del rebajo inferior 66 al borde superior del rebajo superior 68. El diámetro interno mínimo de la nervadura de sellado 67 es mayor que el diámetro de la superficie cónica imaginaria 68 en el mismo punto axial para impedir que la forma de rosca 33 (figura 2A) del pasador 25 golpee y dañe la nervadura de sellado 67 durante la inserción del pasador 25 en la caja 23. El pasador 25 tiene una superficie de sellado ahusada 73 en su diámetro externo que está vinculada en vinculación de sellado metal con metal con la nervadura de sellado de caja 67 cuando la caja 23 y el pasador 25 son formados. La figura 10 muestra el pasador 25 insertado parcialmente en la caja 23. La superficie de sellado de pasador 73 puede ser ligeramente redondeada y está ubicada entre las superficies cilindricas 75 y 77 en el diámetro externo del pasador 25. Otra característica de la presente invención es mostrada esquemáticamente en la figura 12. El pasador 25 está deformado en el extremo axial, incluyendo la longitud axial de deformación "L" y una dimensión radial de deformación "e", tal que se tenga una relación de aspecto L/e = 30. En una forma de realización, el pasador 25 está deformado con la dimensión radial
de aproximadamente 0.25 pulgadas (0.635 cm) . Asimismo, de preferencia la longitud de las formas de rosca 27, 33 es no mayor de dos tercios de la longitud L. La presente invención tiene diversas ventajas, incluyendo alta resistencia a la fatiga y baja torsión para formación. La resistencia de la conexión excede la de los componentes. El factor de amplificación de esfuerzo (SAF) es menor que en los diseños del estado de la técnica. Las características del diseño de caja incluyen sellos de metal primarios externo e interno y un hombro de carga para proveer una mayoría de la pre-carga. Las características del diseño de rosca incluyen una forma de rosca optimizada para resistencia y fatiga, y roscas que ayudan con todas las condiciones de carga mientras tienen un mejor desempeño bajo cargas de flexión. La distribución de cargas entre las roscas a lo largo de la longitud axial de la rosca durante pre-carga y cargas axiales aplicadas posteriormente puede diseñarse a la medida para muchas aplicaciones diferentes. Este diseño también provee pre-carga compresiva, resistencia a la flexión, o acción de clavija en una región específica de la rosca, aunque no necesariamente en toda la rosca. El conector también tiene resistencia estática, vida de fatiga y formación funcional de la conexión mejoradas. La presente invención está bien adaptada para muchas aplicaciones, incluyendo, por ejemplo, un pasador de 9.75 a 16 pulgadas (24.765 a 40.64 cm) de diámetro externo con un grosor de
pared en el rango de 0.375 a mas de 1 pulgadas (0.9525 a 2.54 cm) . Los pasadores solamente requieren una ligera deformación (aproximadamente 0.25 pulgadas (0.635 cm) ) , y no tienen soldaduras. En una forma de realización, se usan aproximadamente 14 a 16 roscas en un huso de aproximadamente 2o. Este diseño puede ser usado en muchas aplicaciones diferentes, tales como aplicaciones de múltiples líneas de flujo como conductos verticales de producción, conductos verticales de exportación, conductos verticales de importación, conductos verticales catenarios (SCR) , etc . Aunque la invención ha sido mostrada o descrita en solamente algunas de sus formas, debe ser evidente a los técnicos en la materia que no está limitada de esta manera, sino que es susceptible a diversos cambios sin apartarse del ámbito de la invención .