MX2008006998A - Conexiones roscadas con recubrimientos de alta y baja friccion - Google Patents

Abstract

Una junta metálica roscada tiene la superficie de la rosca del miembro macho (100) y la caja (200) recubierta con un recubrimiento que comprende una primera capa (24) dispuesta sobre la superficie total del miembro macho (100), y una segunda capa (25) dispuesta sobre parte de las superficies de uno cualquiera de los miembros macho o de caja. En un primer aspecto, el recubrimiento comprende una primera capa con propiedades de alta fricción y antiatascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro macho (100), y una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies de uno cualquiera de los miembros macho o de caja. Preferiblemente, las superficies específicas son aquellas que se encuentran en contacto radial recíproco durante el armado hasta que los miembros macho y de caja alcancen el punto donde los soportes (9, 10) hagan tope. La segunda capa puede contener politetrafluoroetileno (PTFE). En un segundo aspecto, la primera capa con propiedades de alta fricción y anti-atascamiento se dispone sobre la superficie total del miembro de caja (200).

Description

CONEXIONES ROSCADAS CON RECUBRIMIENTOS DE ALTA Y BAJA FRICCIÓN Campo técnico La presente invención se refiere a una junta roscada, adaptada en particular para conectar segmentos de tubo para formar sartas que se utilizan en la industria de extracción de petróleo y gas, provistas de un recubrimiento superficial que cubre la rosca para mejorar la resistencia a la torsión de la junta. Antecedentes de la invención En la prospección y extracción petrolífera una práctica común consiste en usar tubos metálicos de longitud comercial , que se arman para formar una sarta suficientemente larga para alcanzar las profundidades donde están situados los reservorios o yacimientos de petróleo o gas. La profundidad de los reservorios aumenta constantemente y por lo tanto las juntas deben estar diseñadas de tal manera que puedan soportar cargas y esfuerzos más altos a la vez que asegura buenas propiedades de sellado. Se consigue una mejora de los rendimientos de juntas roscadas mediante el diseño apropiado de todas las superficies que soportan carga del miembro macho y la caja, es decir los flancos de las roscas, soportes de tope etc. , para hacerlos mantener un contacto recíproco con una interferencia estructural y dimensional apropiada en todos los rangos de carga bajo los cuales se espera que las juntas operen. Esto depende de la intensidad de par de torsión que se puede aplicar, mediante lo cual se determina la intensidad de par de torsión por la diferencia entre el valor de par de torsión máximo y el valor de par de torsión del soporte. Sin embargo, si se provee una interferencia demasiado alta , esto es perjudicial para la operación de armado, porque esto puede causar el atascamiento o excoriación por frotamiento de la junta. Se han hecho esfuerzos para alcanzar un buen equilibrio entre con un bajo par de torsión de armado y con alto par de torsión máximo, que es una condición para soportar altas cargas y con buenas propiedades de sellado. Por un lado, para evitar el atascamiento durante el armado, el estado actual de la tecnología en general se utiliza un lubricante fluido, por ejemplo grasa o compuesto para roscas. También se hacen esfuerzos por aumentar el l ímite del par de torsión máximo, que siempre ha sido una importante materia de investigación en este campo técnico. El límite de par de torsión (Y.T. ) se ha aumentado en general modificando diseño de la junta, pero ahora se ha llegado cerca de su l ímite técnico para las juntas roscadas con lubricante. A su vez, el uso de compuesto para roscas tiene desventajas y sería preferible evitarlo. Los problemas que presenta el uso de compuesto para roscas incluyen : fango atrapado; distribución no uniforme de compuesto para roscas debido a la operación manual , que también podría causar una sobrecarga de compuesto para roscas en toda la junta o en parte de la misma; y la limpieza de las juntas que se debe llevar a cabo en el campo petrol ífero en condiciones ambientales adversas. Por lo tanto, para reducir costos y mejorar las operaciones, se han desarrollado soluciones de juntas libres de compuesto para roscas y se han estado utilizando durante varios años. Con las soluciones libres de compuesto para roscas se ha conseguido una buena resistencia a la torsión, pero en algunos casos las mismas presentan desventajas porque el par de torsión de armado puede alcanzar altos valores. En dichos casos el par de torsión de armado de las soluciones de juntas libres de compuesto para roscas usualmente se disminuye agregando aceites o contaminantes, haciendo que se pierdan de esa manera parcial o totalmente las ventajas de las técnicas libres de compuesto para roscas y causando el riesgo de reducir también el valor de par de torsión máximo y de sobrepasar el par de torsión máximo de la junta. En varias patentes se han revelado soluciones de juntas libres de compuesto para roscas, por ejemplo US 4.41 4.247, US 6.027.1 45, y US 4.692.988. En ellas se utiliza un único recubrimiento contra el atascamiento en vez de compuesto para roscas con el mismo factor de fricción en todos los puntos de la superficie de la junta. También se debe seleccionar un valor de fricción apropiado para dichas juntas, porque un aumento del factor de fricción para mejorar el valor del par de torsión máximo aumenta también el par de torsión del soporte, mientras que una reducción del factor de fricción permite llevar a cabo el armado con valores de par de torsión del soporte similares a los de los compuestos para juntas roscadas conocidos pero reduce su valor del par de torsión máximo. Las consecuencias en ambos casos son que el valores de par de torsión bajo e insatisfactorio. Breve descri pción de la invención El objeto principal de la presente invención es eliminar las desventajas mencionadas anteriormente por medio de una junta roscada para tubos, con excelentes propiedades de armado y aún así consigue altos rendimientos estructurales proveyendo un par de torsión con un valor muy alto. Otro objeto de la invención es también proveer una junta roscada que también tienen una buena resistencia a la corrosión dentro del rango más amplio de condiciones ambientales y operacionales, asegurando un óptimo rendimiento aún después de varias operaciones de armado y desarme de la junta. Los objetos mencionados anteriormente, y otros que serán evidentes en vista de la siguiente descripción, se consiguen de acuerdo con la presente invención , por medio de una junta roscada para tubos que comprende un miembro macho y un miembro de caja , donde el miembro macho tiene una rosca adaptada para corresponderse con la rosca del miembro de caja, donde la forma de la rosca de cada uno del miembro macho y el miembro de caja está definida por un perfil de rosca dispuesto sobre una sección transversal que contiene un eje longitudinal (X) de la junta, donde la superficie de la rosca está provista de un recubrimiento donde dicho recubrimiento comprende una primera capa dispuesta sobre la superficie total del miembro macho , una segunda capa dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja, o el recubrimiento comprende una primera capa dispuesta sobre la superficie total del miembro de caja , una segunda capa dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja . En un primer aspecto, el recubrimiento comprende una primera capa con propiedades de alta fricción y anti-atascamiento dispuesta sobre la superficie total de los miembros macho o de caja , una segunda capa con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja. Preferiblemente las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja donde se ha dispuesto una segunda capa con propiedades de baja fricción en partes específicas son aquellas adaptadas para producir un contacto radial recíproco. Más preferiblemente las partes de la superficie de uno cualquiera de los miembros macho o de caja donde se ha dispuesto una segunda capa con propiedades de baja fricción son aquellas adaptadas para produci r un contacto radial recíproco durante el armado hasta que haga tope una superficie que soporta una carga por presión de contacto axial (como los soportes). Más preferiblemente, las partes adaptadas para producir un contacto radial recíproco son crestas en el miembro de caja, o son raíces en el miembro macho y sellos metal con metal . Las principales ventajas de la junta de la invención son las siguientes: La misma permite alcanzar una mayor resistencia a la torsión gracias al recubrimiento seco anti-atascamiento con diferentes coeficientes de fricción en diferentes áreas de la j unta . De esta manera, esta tiene un bajo par de torsión del soporte y un alto par de torsión máximo, aumentando el valor de par de torsión admisible, permitiendo una mejora de la resistencia a la torsión sin cambiar la geometría de la junta y sin aumentar el valor del par de torsión de armado. Esto soluciona la desventaja de las juntas del estado actual de la tecnolog ía que no pueden tener áreas localizadas de alta fricción porque estas utilizan lubricantes que fluyen por todos los espacios entre las roscas que quedan vacíos y cubren todas las áreas de la junta. Cuando se utiliza un compuesto para roscas en las juntas, el factor de fricción que se obtiene usualmente dependerá de la cantidad del compuesto para roscas que se aplique, ya que normalmente se acumula una presión de compuesto para roscas dentro de la junta debido al pequeño espacio de evacuación o compensación disponible entre las roscas de los miembros macho y de caja. En vez de esto, en la junta de acuerdo con la invención el factor de fricción es independiente de la influencia del operador y se determina en la etapa de fabricación.

De acuerdo con otro aspecto importante de la invención, se utiliza un recubrimiento de baja fricción en áreas roscadas específicas del miembro macho o de caja y sellos metal con metal con contacto radial de las superficies complementarias de los miembros caja o macho respectivamente para asegurar valores de bajo par de torsión para el armado, porque esas son las superficies que están en contacto al atornillar la rosca, en una condición sin carga. Se utiliza un recubrimiento de alta fricción sobre aquellas superficies que entran en contacto axial , por ejemplo la nariz del miembro macho, soporte de par de torsión y flanco de carga de la rosca , para proveer una mayor resistencia a la torsión , porque dichas superficies soportan las cargas por presión de contacto axial cuando la conexión del tubo alcanza la posición final . Al proporcionar control del par de torsión en una junta por medio del recubrimiento, se eliminan las principales desventajas de las soluciones de juntas libres de compuesto para roscas y se obtiene una ventaja con respecto a la junta que utiliza compuesto para roscas porque hace posible controlar por separado y con gran exactitud dos parámetros diferentes que están estrechamente relacionados entre sí en las juntas del arte anterior. Breve descri pción de las figuras Ahora se describirá la presente invención de acuerdo con una modalidad preferida de la misma, que se da como ejemplo no limitante, por medio de las figuras adjuntas donde: Las Figuras 1 a y 1 b muestran una vista en sección ampliada de un detalle de la rosca en una junta de acuerdo con la invención , en una primera etapa operativa (durante el armado). Las Figuras 2a y 2b muestran una vista en sección ampliada de un detalle de la rosca en una junta de acuerdo con la invención , en una segunda etapa operativa (cuando la conexión alcanza la posición final ). Las Figuras 3a y 3b muestran respectivamente detalles en sección ampliados de la rosca de un miembro de caja y un miembro macho con una segunda capa sobre partes específicas de una superficie total de una junta hecha de acuerdo con la invención . La Figura 4 muestra gráficas comparativas relativas a los valores del par de torsión del soporte en las juntas para los tres tipos de recubrimientos para juntas roscadas. La Figura 5 muestra una vista ampliada de las superficies de un miembro macho y una caja incorporadas en una junta de acuerdo con la invención. La Figura 6 muestra una vista ampliada de las superficies de un miembro macho y una caja incorporadas en otra modalidad de una junta de acuerdo con la invención . La Figura 7A muestra el coeficiente de fricción medido durante el transcurso del tiempo para los tres tipos de juntas roscadas que se exponen en el Ejemplo 1 . La Figura 7B muestra el coeficiente de fricción promedio para los tres tipos de juntas roscadas que se exponen en el Ejemplo 1 .

La Figura 8 muestra los resultados de pruebas de armado y desarme que se llevaron a cabo sobre los tres tipos de juntas roscadas que se exponen en el Ejemplo 1 . Descripción de modalidades preferidas de la i nvención Haciendo referencia en particular a las figuras 1 y 2 , un tubo de acuerdo con la presente invención tiene extremidades roscadas que, cuando se acoplan con otro tubo que tiene extremidades roscadas complementarias, forma una junta. De esa manera, una junta comprende un tubo que define un miembro macho ( 1 00), el denominado "macho", provistas de una rosca 4 sobre una superficie externa, y un componente hembra (200), la denominada "caja", con una rosca (3) sobre una superficie interna. La caja (200) en general es ya sea un tubo o un manguito, dependiendo del tipo de junta. La caja (200) tiene también un soporte de tope 9 y el miembro macho ( 1 00) tiene un tope ( 1 0) correspondiente. Las figuras 1 a y 1 b muestran la posición de los miembros macho y de caja antes de completar la operación de armado, donde los topes (9 y 1 0) aún no están en contacto. En esta etapa , que corresponde usualmente al montaje de la sarta de tubos, la única carga importante sobre la junta la constituye el contacto entre las superficies radiales de la rosca . La resultantes de los esfuerzos causados por la interferencia provista en la etapa de diseño está indicada esquemáticamente por las flechas gruesas 5, y 5". La interferencia entre las crestas de la rosca y las raíces de la rosca no es suficientemente alta para producir atascamiento durante el armado , si se usa un lubricante apropiado (compuesto para roscas o recubrimiento), pero genera en los componentes la tensión circular que es necesaria para centrar el miembro macho durante la corrida mejorando el posicionamiento de su nariz. También en correspondencia con la nariz se provee una interferencia radial , por ejemplo para crear un sello metal con metal , que genera esfuerzos, cuyo resultado se representa esquemáticamente mediante las flechas gruesas 6, y 6". En las figuras 2a y 2b, se muestran las mismas partes de las roscas que en las figuras la y Ib, aunque en una posición completamente atornillada. En dichas figuras, las resultantes de la presión de contacto que produce el par de torsión sobre los flancos de las roscas 3 y 4 se representan esquemáticamente mediante las flechas gruesas 7, y 7", mientras que las resultantes de las presiones de contacto que producen el par de torsión sobre los topes (9 y 1 0) se han representado esquemáticamente mediante las flechas gruesas (8 y 8"). Las flechas (8 y 8") son casi paralelas al eje longitudinal X-X de la junta, según se muestra en la Figura 2. El ángulo de inclinación de las flechas (7, 7") con el eje X-X depende obviamente de la inclinación de los flancos de la rosca , mientras que el ángulo de inclinación de las flechas (5, 5"), de la crestas de la rosca depende del diseño de rosca que se seleccione. La dirección de las flechas (6, 6"), (8 y 8") depende de la geometría de la nariz. En la rosca que se muestra en las figuras las superficies de contacto radial son casi perpendiculares al eje del tubo con un ángulo dentro del rango de 90° +/- 1 0° mientras que las superficies en contacto axial se encuentran en un ángulo con el eje del tubo X-X dentro del rango entre 0° y +/- 25° . Aunque las figuras muestran una rosca con un diente trapezoidal la sección del diente puede tener otras formas, sin apartarse del alcance de la invención . En la Figura 3a se muestra una ampliación de la rosca (3) de la caja (200), y en la Figura 3b se muestra una ampliación de una región de tope o nariz de un miembro macho ( 1 00). En la Figura 3b se muestran esquemáticamente una primera capa de recubrimiento ( 1 2) sobre la superficie de la superficie total y una segunda capa de recubrimiento (1 3), por ejemplo en este caso sobre la superficie externa del miembro macho ( 1 00). Según se muestra en la Figura 3a, la porción roscada de la caja (200) que se corresponde con el miembro macho ( 1 00) puede tener una primera capa ( 1 2), y una segunda capa ( 1 3) perfectamente similares, sobre la superficie o se puede hacer sin la capa protectora o aún como alternativa la capa se puede hacer con una estructura o materiales diferentes. También es posible tener un único recubrimiento sobre la superficie del miembro macho y ningún recubrimiento sobre la superficie de la caja. La estructura de la primera capa de recubrimiento ( 1 2) puede ser diferente dependiendo de las partes de la junta donde se la disponga. La diferencia entre las propiedades tribológicas o ante la fricción del recubrimiento permite manipular y obtener diferentes características en las roscas, comportamiento durante el armado, y el control del par de torsión necesario durante la operación . De acuerdo con un primer aspecto de formas de realización de la invención , un recubrimiento de alta fricción contra el atascamiento, que se muestra ampliamente como 12 ó 12, se deposita sobre toda la superficie de los miembros macho y/o caja mientras que un recubrimiento de baja fricción contra el atascamiento, que se muestra ampliamente como 13 ó 13, se deposita sobre las áreas con contacto radial , en general las crestas de rosca 1 4, flancos de entrada 1 4' , y/o raíces 14". Preferiblemente, en los flancos de carga de la rosca 1 5, en el soporte de tope y área de la nariz 1 9 , el recubrimiento de alta fricción contra el atascamiento 1 2 ó 1 2, sigue siendo la única capa . Como alternativa , se pueden utilizar un recubrimiento de alta fricción contra el atascamiento y un contaminante para reducir el factor de fricción en la cresta y/o raíz de la rosca. Debido a los diferentes factores de fricción, esta distribución peculiar produce una diferencia entre las superficies de contacto de los miembros macho y de caja donde se genera una interferencia circular durante el armado y las superficies que entran en contacto y aumentan su fuerza normal una vez que la nariz del miembro macho 1 9 alcanza el soporte de tope de la caja. Ahora se describirán con mayor detalle las diversas alternativas de estructuras y materiales con que se hacen los recubrimientos con referencia en particular a las figuras 5 y 6. Como alternativa, las capas del miembro macho ( 100), en las formas de realización de las Figuras 5 y 6, pueden constituir las capas de caja (200) y viceversa . La Figura 5 muestra una vista ampliada de las superficies de un miembro macho ( 1 00) y una caja (200) incorporadas en una primera modalidad de la junta de la invención . Están configuración , adaptada en particular para acero al carbono o materiales CRA (aleaciones resistentes a la corrosión), comprende las siguientes capas: Un primer sustrato 1 de metal base, ya sea en el miembro macho o preferiblemente en la caja en una condición sin revestir o con el correspondiente tratamiento superficial , como por ejemplo arenado o preferiblemente fosfatizado para el acero al carbono o con un revestimiento electrol ítico de cobre en el caso de CRA; Un segundo sustrato (2) de metal base, ya sea en la caja o preferiblemente en el miembro macho en una condición sin revestir o con el correspondiente tratamiento superficial , como por ejemplo fosfatizado o con un revestimiento electrol ítico de cobre o preferiblemente arenado; Una capa de protección contra la corrosión (23), opcional , sobre el sustrato (2), preferiblemente con un espesor de entre 1 0 y 25 µm ; Una capa anti-atascamiento con un alto factor de fricción (24) sobre el sustrato (2), comúnmente con MoS2, Grafito, y/o nitruro de boro, etc. , con un espesor de entre 1 0 y 25 µm; Una capa anti-atascamiento de bajo factor de fricción (25) sobre el sustrato (2), como por ejemplo de fluoropolímeros (por ejemplo, politetrafluoroetileno), con un espesor comprendido entre 1 5 y 40 µm; y Una capa de inhibidor de la corrosión (26), opcional , sobre el sustrato 1 . En la junta de la invención, la capa de bajo factor de fricción (25) no está dispuesta sobre superficies que se encuentran en contacto axial durante la operación de armado . La capa de protección contra la corrosión (23) se puede evitar en el caso en que la capa anti-atascamiento con un alto factor de fricción (24) actúe también como recubrimiento protector. En el caso en que se usen contaminantes para reducir la fricción , localizados en áreas en particular, el espesor de la capa anti-atascamiento de bajo factor de fricción (25) podría ser despreciable. Con ventaja , para asegurar la adherencia se podría utilizar una imprimación. La Figura 6 muestra una vista ampliada de las superficies de un miembro macho ( 1 00) y una caja (200) incorporadas en una segunda modalidad de la junta de acuerdo con la invención . En esta modalidad , la capa anti-atascamiento de bajo factor de fricción (25), como por ejemplo de fluoropol ímeros (por ejemplo, politetrafluoroetileno), está dispuesta sobre el sustrato (2) como capa intermedia entre el sustrato (2) de metal base y el inhibidor de la corrosión (26) opcional .

La capa anti-atascamiento de bajo factor de fricción (25) se puede aplicar también sobre el miembro opuesto de la junta roscada. También en esta segunda modalidad la capa 25 siempre está ausente sobre las superficies que se encuentran en contacto axial . Todas dichas capas, de materiales y espesores apropiados, sobre los miembros opuestos de la junta roscada aumentan la interferencia radial de la junta, pero esta diferencia se puede compensar con ventaja durante el maquinado de la rosca . El factor importante de los recubrimientos es su coeficiente de fricción , que en general no está fuertemente relacionado con el espesor del recubrimiento. De todos modos, la selección del espesor se relaciona con la durabilidad del recubrimiento, es decir cuántas operaciones de armado y desarmado puede soportar el mismo. En una modalidad en particular, la capa anti-atascamiento (24) puede incorporar con ventaja una protección contra la corrosión o esta se puede aplicar sobre una capa protectora . En general , los recubrimientos protectores tienen espesores totales que varían dentro del rango entre 1 0 y 40 µm . Si la capa a ntiatascamiento (24) desempeña ambas funciones de protección y lubricación , entonces el espesor total del recubrimiento del miembro macho y la caja de una junta estará dentro de dicho rango. Al contrario, si la capa anti-atascamiento y la capa de protección contra la corrosión son de materiales diferentes, el espesor de todo el recubrimiento será mayor. En algunos casos se aplica un recubrimiento de bajo factor de fricción sobre el recubrimiento de alta fricción , según se ilustra en la Figura 5. En el caso en que aquellas superficies de miembros macho y de caja que se encuentran en contacto radial los espesores de las capas se suman , pero en el caso de las superficies en contacto axial se considera que los mejores resultados se obtienen únicamente con el recubrimiento de alta fricción espesor. Al igual que para los materiales contenidos en las capas, la capa anti-atascamiento (24) con alto factor de fricción contiene grafito, nitruro de boro y/o MoS2 como lubricante, en general usando una resina polimérica como aglutinante (preferiblemente la resina polimérica es una resina epóxica o éster-epóxica), mientras que la capa anti-atascamiento de bajo factor de fricción (25) preferiblemente se basa en fluoropol ímeros (por ejemplo, politetrafluoroetileno), o puede contener nanopartículas que se utilizan como contaminante sobre las superficies de contacto radial , que reducen drásticamente la fricción entre las superficies sin un espesor significativo de la capa . Los coeficientes de fricción de ambas capas (24, 25) son diferentes. Comúnmente, el recubrimiento de alta fricción tiene un coeficiente de fricción del doble que el recubrimiento de baja fricción o mayor que el mismo. Los valores típicos para un recubrimiento de baja fricción son de entre 0.02 y 0.05 y para una capa de alta fricción se encuentran dentro del rango entre 0.05 y 0.1 2, evaluado en una prueba hecha con un anillo sobre un disco. Para que haya una óptima relación entre el par de torsión , espesor del recubrimiento y el producto, en general , la capa de bajo factor de fricción debería ser suficientemente gruesa para cubrir toda la superficie específica durante el armado, reduciendo el par de torsión ; pero más allá de un l ímite específico, un espesor excesivo aumenta la presión de contacto, aumentando también el par de torsión necesario. El par de torsión del soporte (S .T.) en una junta de la mejor calidad con rosca del tipo cresta a raíz es función de varios factores: S.T.= f(tp, tb, d, µth, Dth, L) + Ts tp: espesor promedio de la pared del miembro macho en la rosca; tb: espesor promedio de la pared de la caja en la rosca; d: interferencia de la rosca; µtr?: coeficiente de fricción en las superficies con contacto radial ; Dt : diámetro promedio de la rosca; L: longitud de la rosca acoplada; Ts: M ínima contribución debida a la interferencia del sello M ientras que ?T, o Delta par de torsión, es la diferencia entre el par de torsión máximo (Y.T. ) y el par de torsión del soporte (S.T. ): hn: espesor del soporte; lth: paso de la rosca (tpi ); µsh: coeficiente de fricción sobre las superficies de contacto axial .

Al usar altos y bajos factores de fricción en las superficies en contacto axial y radial respectivamente, (comúnmente el recubrimiento de alta fricción tiene un coeficiente de fricción del doble que el recubrimiento de baja fricción o mayor que el mismo), es posible reducir la relación S .T./Y.T. , lo que agrandará la ventana de par de torsión admisible para una junta específica. Las gráficas en la Figura 4 muestran una comparación entre la gráfica par de torsión-rotación esperada para la misma junta usando un recubrimiento de bajo coeficiente de fricción (curva A), un recubrimiento de alto coeficiente de fricción (curva B ) y áreas de fricción localizadas (curva C) de acuerdo con la invención . La gráfica muestra a lo largo del eje de absisas el número de vueltas para el armado de la junta para llegar a un tope de los soportes y a lo largo del eje de ordenadas el valor de par de torsión aplicado durante el armado . El rendimiento de la junta es mejor cuando la curva de par de torsión tiene un segmento largo (50) cuyo valor está dado por la diferencia entre los valores de Y.T. y S .T. Cuanto mayor sea el valor del segmento , mejor será la seguridad que proporciona la junta. En la figura 4 la junta de la invención , que muestra una curva correspondiente a la curva C, tiene un bajo factor de fricción en las superficies de contacto radial que proporciona valores de fricción adecuados para asegurar el armado de la junta a valores de par de torsión razonables comparables a aquellos que se presentan cuando se utiliza compuesto para roscas; y un alto factor de fricción sobre las superficies en contacto axial que proporciona un área localizada de alta fricción capaz de aportar a la j unta una alta resistencia a la torsión una vez que el soporte entra en contacto . Otras formas de realización de la junta de acuerdo con la invención proveen diferentes capas dependiendo del miembro macho o miembro de caja sobre el cual se dispongan o como alternativa contaminar diferentes superficies sobre el mismo recubrimiento para modificar su factor de fricción . En otra modalidad preferida, la capa (24) también puede trabajar como protector contra la corrosión , y se puede evitar el uso de la capa protectora contra la corrosión . Para mejorar la calidad del recubrimiento de la junta, se provee un tratamiento superficial para mejorar la adherencia del recubrimiento a la superficie de la rosca , por ejemplo arenado, fosfatización o revestimiento electrol ítico de cobre. El tratamiento superficial de la invención se puede aplicar a cualquier tipo de rosca con una envolvente de las crestas de la rosca que tenga una forma ya sea cil indrica o frustocónica o una combinación de ambas con uno o más pasos de rosca. La junta de la presente invención se puede aplicar a cualquier tipo de junta, en particular ya sea en los casos cuando el miembro hembra se forma en una porción de extremo de un tubo o cuando se utiliza un manguito con dos miembros hembra en ambos extremos para unir dos tubos macho. Ejemplo 1 Se aplicó un sistema de recubrimiento a una conexión de acuerdo con la presente invención . Se aplicó una primera capa de una resina epóxica rica en Zn a la superficie del miembro macho (aspereza superficial Ra comprendida entre 2-6 µm) como recubrimiento inhibidor de la corrosión . El espesor final del recubrimiento fue de 20 µm . Sobre esta primera capa , se aplicó con un espesor de 20 µm una segu nda capa de recubrimiento lubricante seco, que comprend ía una mezcla de MoS2 y otros lubricantes sólidos en un aglutinante inorgánico . Los recubrimientos se aplicaron por rociado y se utilizó calor para acelerar el curado. La superficie interior de la caja se recubrió con un recubrimiento de baja fricción. Sobre la superficie de una caja se realizó un tratamiento superficial de fosfatizado y se aplicó un recubrimiento de politetrafluoroetileno (PTFE ) selectivamente sobre la cresta y el sello metal con metal de la caja. Este recubrimiento de baja fricción es un recubrimiento polimérico que contiene PTFE en polvo disperso en una resina epóxica reactiva y solvente. Los solventes fueron acetato de 2-metoxi-1 -metil-etilo y xileno. Para asegurar una dispersión homogénea del polvo de PTFE, la mezcla se agitó suavemente durante 20 minutos. La resina ten ía una viscosidad dentro del rango entre 26-28 segundos en una taza Ford N° 4 a 25°C.

La dispersión de PTFE se aplicó a la caja usando rociadores neumáticos sin aire. Luego, la dispersión se curó a 1 40°C durante 30 minutos. Se debe tener en cuenta que el tiempo de curado variará dependiendo de la temperatura que se utilice. Por ejemplo, el epoxi se puede curar 60 minutos a 1 30°C o durante 30 minutos a 140°C. Como alternativa , si el epoxi se cura usando un lámpara infrarroja, el tiempo de curado recomendado es de aproximadamente 1 5 minutos a 1 40-1 45°C. El coeficiente de fricción para el recubrimiento polimérico del presente ejemplo se determinó aplicando el recubrimiento a un disco plano y a un cilindro anular (anillo). Se mide el par de torsión que se transmite al hacer girar el anillo sobre el disco. Para simular la configuración de miembros caja-macho de la presente invención , se aplicaron al disco los recubrimientos del miembro macho, mientras que los recubrimientos de la caja se aplicaron al anillo . La Figura 7A muestra el coeficiente de fricción medido durante el transcurso del tiempo mientras que la Figura 7B muestra el coeficiente promedio. En ambas Figuras 7A y 7B , se compararon tres sistemas diferentes libres de compuesto para roscas (Solución A, Solución B , y Solución C). La solución A libre de compuesto para roscas ten ía un sistema de recubrimiento que comprend ía una capa resistente a la corrosión y una capa lubricante sobre el miembro macho. La solución B libre de compuesto para roscas ten ía el mismo sistema de recubrimiento que la solución A pero se aplicó arriba una capa de inhibidor de la corrosión . La solución libre de compuesto para roscas C, la solución del presente ejemplo, tenía el esquema de recubrimiento de la solución B aplicada al miembro macho y se aplicó un recubrimiento de PTFE a partes específicas de la superficie interior de la caja.

Según se puede ver en las Figuras 7A y 7B, el recubri miento polimérico redujo significativamente el coeficiente de fricción cuando se aplicó de acuerdo con la presente invención, especialmente en comparación con las configuraciones convencionales de miembro macho-caja. Además de las pruebas del coeficiente de fricción , se llevaron a cabo pruebas de armado y desarme sobre conexiones de 3, 5 pulgadas. Los resultados de dichas pruebas se muestran en la Figura 8. En la Figura 8, se evaluaron las soluciones A, B , y C libres de compuesto para roscas en conexiones con dos configuraciones diferentes: interferencia del sello máxima en la rosca/máxima en el sello y mínima en la rosca/máxima en el sello. En la Figura 8, las barras principales representan la media del par de torsión del soporte para los primeros 5 armados para cada configuración , los puntos simbolizan el par de torsión del soporte para el primer armado, y las barras de error indican la desviación estándar. En la referencia, H HN significa la interferencia alta en la rosca-alta en el sello, con conicidades de rosca nominales, mientras que LHN significa interferencia baja en la rosca-alta en el sello con conicidades de rosca nominales. Según se puede ver en la Figura 8, la aplicación del recubrimiento de PTFE redujo considerablemente el par de torsión del soporte. Se debería notar que además del recubrimiento de PTFE del Ejemplo 1 se pueden utilizar otros tipos de recubrimiento poliméricos y que el Ejemplo 1 no se da para limitar el alcance de la presente invención . Como podrá comprender alguien con una experiencia normal en el arte, se pueden aplicar otros recubrimientos ya sea debajo del recubrimiento polimérico o sobre el mismo, sin apartarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, se puede aplicar una capa resistente a la corrosión sobre el recubrimiento polimérico, con la condición de que la capa resistente a la corrosión no debe afectar las propiedades de fricción de todo el sistema . Adicionalmente, los diversos recubrimientos que se describen aquí se pueden aplicar a la superficie total de los miembros macho o de caja, o únicamente a áreas seleccionadas. Por ejemplo, los recubrimientos se pueden aplicar a las porciones roscadas del miembro macho y el miembro de caja, a las porciones de sello metal con metal del miembro macho y el miembro de caja, o a la porción del soporte del miembro macho y el miembro de caja sin apartarse del alcance de la presente invención .

Claims (27)

1. REIVIN DICACIONES 1 . Una junta roscada para tubos que comprende miembros macho ( 100) y de caja (200), donde el miembro macho tiene una rosca adaptada para coincidir con la rosca del miembro de caja , donde la forma de la rosca de cada uno del miembro macho y el miembro de caja está definida por un perfil de rosca dispuesto sobre una sección transversal que contiene un eje longitudinal (X) de la junta, donde la superficie del miembro macho está provista de un recubrimiento caracterizado porque dicho recubrimiento comprende una primera capa (24) con propiedades de alta fricción y antiatascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro macho ( 1 00), una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja.
2. 2. Una junta roscada para tubos que comprende miembros macho ( 1 00) y de caja (200), donde el miembro macho tiene una rosca adaptada para corresponderse con la rosca del miembro de caja, donde la forma de la rosca de cada uno del miembro macho y el miembro de caja está definida por un perfil de rosca dispuesto sobre una sección transversal que contiene un eje longitudinal (X) de la junta , donde la superficie del miembro de caja está provista de un recubrimiento caracterizado porque dicho recubrimiento comprende una primera capa (24) con propiedades de alta fricción y anti- atascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro de caja (200), una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales de uno cualquiera de los miembros macho o de caja.
3. 3. Una junta roscada de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 , donde las partes específicas de la superficie total de uno cualquiera de los miembros macho o de caja son aquellas adaptadas para producir un contacto radial recíproco.
4. 4. Una junta roscada de acuerdo con la reivindicación 3, donde las partes específicas adaptadas para producir un contacto radial recíproco son crestas en el miembro de caja, raíces en el miembro macho y sellos metal con metal .
5. 5. Una junta roscada para tubos de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizada porque dicho recubrimiento comprende: una primera capa (24) con propiedades de alta fricción y antiatascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro macho ( 100), una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales que están adaptadas para producir un contacto radial recíproco durante el armado hasta que haga tope una superficie de uno cualquiera de los miembros macho o de caja que soporta una carga por presión de contacto axial .
6. 6. Una junta roscada para tubos de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizada porque dicho recubrimiento comprende: Una primera capa (24) con propiedades de alta fricción y antiatascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro de caja (200), Una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies totales que están adaptadas para producir un contacto radial recíproco durante el armado hasta que haga tope una superficie de uno cualquiera de los miembros macho o de caja que soporta una carga por presión de contacto axial .
7. 7. Una junta roscada para tubos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque la superficie que soporta una carga por presión de contacto axial es un soporte (9, 1 0).
8. 8. Una junta roscada para tubos de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque la superficie que soporta una carga por presión de contacto axial es un soporte (9, 1 0).
9. 9. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde también se aplica una capa (26) que incorpora material inhibidor de la corrosión al miembro macho o a la caja .
10. 1 0. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde la primera capa (24) incorpora un material inhibidor de la corrosión.
11. 1 1 . La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde una capa de protección contra la corrosión (23) se aplica antes que la primera capa (24).
12. 1 2. La junta de acuerdo con reivindicaciones 1 -8, donde la primera capa (24) incorpora MoS2, grafito y/o nitruro de boro , y tiene un espesor dentro del rango entre 1 0 y 25 µ m .
13. 1 3. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde la primera capa también contiene una resina polimérica orgánica o inorgánica como aglutinante.
14. 14. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 3, donde la resina polimérica es preferiblemente una resina epóxica o éster-epoxi o un aglutinante inorgánico que se puede polimerizar y reticular.
15. 1 5. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la primera capa del recubrimiento comprende una capa (23) que incorpora un material inhibidor de la corrosión con un espesor de entre 1 0 y 25 µm .
16. 1 6. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde ya sea el miembro macho o la caja son de metal en una condición sin revestir o tienen un tratamiento superficial que se selecciona entre arenado, fosfatización o deposición electrol ítica de cobre.
17. 1 7. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde la segunda capa (25) contiene fluoropol ímeros y tiene un espesor dentro del rango que comprende entre 1 5 y 40 µm .
18. 1 8. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la primera capa es un recubrimiento de alta fricción contra el atascamiento y un contaminante que se utiliza para reducir el factor de fricción en la cresta y/o raíz de la rosca de una manera selectiva.
19. 1 9. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2 , donde la segunda capa (25) puede contener nanopartículas que se utilizan como contaminante sobre las superficies de contacto radial .
20. 20. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2 , donde el recubrimiento de alta fricción tiene un coeficiente de fricción del doble que el recubrimiento de baja fricción o mayor que el mismo.
21. 21 . La junta de acuerdo con la reivindicación 23, donde los valores para el coeficiente de fricción del recubrimiento de baja fricción son de entre 0.02 y 0.05 y para la capa de alta fricción se encuentran dentro del rango entre 0.05 y 0.1 2 evaluados en una prueba hecha con un anillo sobre un disco.
22. 22. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde ya sea el miembro macho y/o la caja son de acero al carbono o materiales de aleaciones resistentes a la corrosión.
23. 23. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde la junta tiene una envolvente de las crestas de la rosca de forma cilindrica o frustocónica o una combinación de ambas.
24. 24. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde la junta tiene uno o más pasos de rosca.
25. 25. La junta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -8, donde el miembro hembra se forma en una porción de extremo de un tubo o cuando se utiliza un manguito con dos miembros hembra en ambos extremos para unir dos tubos macho.
26. 26. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2 , donde la primera capa (24) contiene PTF E.
27. 27. La junta de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde la segunda capa (25) contiene PTFE . RESUM EN Una junta metálica roscada tiene la superficie de la rosca del miembro macho ( 1 00) y la caja (200) recubierta con un recubrimiento que comprende una primera capa (24) dispuesta sobre la superficie total del miembro macho ( 1 00), y una segunda capa (25) dispuesta sobre parte de las superficies de uno cualquiera de los miembros macho o de caja. En un primer aspecto, el recubrimiento comprende una primera capa con propiedades de alta fricción y antiatascamiento dispuesta sobre la superficie total del miembro macho ( 1 00), y una segunda capa (25) con propiedades de baja fricción dispuesta sobre partes específicas de las superficies de uno cualquiera de los miembros macho o de caja. Preferiblemente, las superficies específicas son aquellas que se encuentran en contacto radial recíproco durante el armado hasta que los miembros macho y de caja alcancen el punto donde los soportes (9, 1 0) hagan tope. La segunda capa puede contener politetrafluoroetileno (PTFE ). En un segundo aspecto, la primera capa con propiedades de alta fricción y anti-atascamiento se dispone sobre la superficie total del miembro de caja (200).