MX2010012643A - Union de tubos. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una unión de tubos, particularmente una unión roscada estanca al gas, en el que las piezas en la zona de conexión se unen por medio de una unión según DIN 8593, por contacto e inserción a presión, comprendiendo una porción de tubo interior (I) y una porción de tubo exterior (A), o dos porciones de tubo interior (I) que tienen un manguito externo (A). Para mejorar las propiedades de uso según la práctica en el sector, particularmente para mantener la estanqueidad de la unión de tubos respectiva con carga combinada, según la invención la conexión se establece usando tres zonas, de modo que las zonas de ajuste a presión (1) y el tope (2) de las porciones del tubo o de las porciones de tubo y el manguito externo comprenden superficies del ajuste a presión (1I, 1A), que tienen forma de tronco de cono y que se inclinan en la dirección del extremo de la porción del tubo interior hacia el eje del tubo (x), y en el frontal comprende superficies de tope (2I, 2A), que tienen forma de tronco de cono, y que se orientan contra las superficies de ajuste a presión (1I, 1A), y una zona de transición (3) formada entre la zona el ajuste a presión (1) y el tope (2) de las piezas conectadas sin contacto, formando un espacio coaxial intermedio o un espacio coaxial hueco (R).

Description

i UNION DE TUBOS I Descripción de la Invención i La invención concierne a una unión de tubos, en especial a ¡una unión atornillada de tubos estanca al gas , en la que las piezas están unidas en la zona de unión mediante ensamblaje por apriete y encaje a presión conforme a la norma i DIN 8593, que consta de una pieza tubular interna y una pieza I tubular externa o de dos piezas tubulares internas con un I I manguito exterior. ? j Para la conducción de productos petrolíferos y/o productos gasíferos en sus yacimientos se aplican tubos, en su mayoría tubos sin soldadura, que pueden estar fabricados con distintos materiales, tanto en vertical como en j horizontal, incluso en largas distancias y, debido a su í elevada solicitación, requieren en servicio o uso práctico una alta calidad de estanqueidad de las uniones.

: Una unión de tubos que se usa desde hace ya mucho tiempo y ! que en cuanto a su concepto básico geométrico representa esencialmente el estado actual de la técnica está formada de tal modo que presenta una pieza tubular interna y una pieza tubular externa de superficies de estanquidad troncocónicas acopladas entre sí con una inclinación una respecto a otra en lá dirección distal de la pieza tubular interna de i aproximadamente 1 : 10, que actúan conjuntamente con 1 Ref. 215347 i I i superficies de tope troncocónicas opuestas en dirección axial. Se puede obtener un efecto estanquizante mediante un apriete axial recíproco (estableciendo un encaje complejo) de los extremos de los tubos, por ejemplo mediante un racor roscado o similares.

[ Para mejorar la estanqueidad o la calidad de obturación de la unión de tubos con las solicitaciones existentes in ! sijtu en las tuberías, pero también para poder conservar la calidad de estanqueidad de las uniones de tubos al desmontar y solver a montar componentes de tubería, se han propuesto ya múltiples formas de ejecución geométricas con una i configuración especial de las superficies de estanqueidad y de tope de la unión. Sin embargo, las formas complejas en las superficies de estanqueidad suelen conllevar costes más elevados por mecanizado con arranque de virutas de las zonas dé unión de los extremos de los tubos y una menor i rentabilidad de producción.

US 7 334 821 B2 divulga una unión de tubos con una superficie de estanqueidad de la pieza tubular interna en forma de barril de sección convexa y un apéndice protuberante qúe conecta con ella con una superficie de tope distal. De este modo, con un encaje completo de la unión de tubos, las i superficies de presión de los componentes de los tubos obtienen en teoría una mayor conicidad y aportan un mejor efecto de estanqueidad. Sin embargo, los costes de producción de la compleja conformación de las zonas de estanqueidad parecen elevados .

; Partiendo del concepto básico geométrico de una unión de tubos conforme al estado actual de la técnica, el cometido de la invención es especificar una unión de tubos novedosa de mayor rentabilidad de fabricabilidad que mejora las propiedades de uso de las tuberías en su aplicación in situ y resulta útil para el desmontaje y reinstalación de tuberías. i j Las propiedades de uso mejoradas de las tuberías afectan sobre todo a la conservación de la estanqueidad de la í I respectiva unión de tubos tanto en caso de alta presión j interna como también de alta presión externa, así como en caso de solicitación combinada de tracción, de compresión y j dé flexión de los tubos, minimizando los efectos de desgaste i por fricción o de gripado en la zona de unión y mejorando el i desmontaje y el restablecimiento del encaje completo de la un Iión. i El cometido indicado se resuelve conforme a la invención, en una unión de tubos del tipo antes mencionado, estableciendo la unión con tres zonas, presentando las zonas de unión de ajuste a presión y de tope de las piezas tubulares, o de las piezas tubulares y manguito, superficies ¡ de ajuste a presión troncocónicas cooperantes inclinadas en ¡ l dirección del extremo de la pieza tubular interna hacia el eje de la tubería y presentando en el lado frontal I superficies de tope troncocónicas opuestas a estas I superficies de ajuste a presión y formando mediante un espacio o hueco coaxial una transición entre la zona de ajuste a presión y la de tope de las piezas unidas en la que no¡ hay contacto entre éstas .

I Las ventajas logradas con la invención residen básicamente en la acción combinada de un aumento de la presión superficial en las superficies de ajuste a presión y un posicionamiento ventajoso de las mismas, distanciadas i respecto a las superficies de tope. Esto también conlleva una i optimización general de la magnitud de las solicitaciones locales y mecánicas del material en la zona de unión y se evitan asimismo los picos de tensión que pueden producir deformaciones plásticas y la aparición de fisuras en el material.

I ! Mediante extensos ensayos se ha comprobado que la eficacia de estanqueidad de la unión de tubos conforme a la invención se conserva íntegramente a presiones superiores a la nominal y bajo solicitaciones combinadas de tracción, compresión y flexión.

! De los cálculos realizados por el método de elementos I I finitos así como de las pruebas de elasticidad se deriva que mediante una geometría conforme a la invención en la zona de i unión, en particular mediante la formación de un hueco entre i i lás superficies de ajuste a presión y de tope, se obtienen i i múltiples ventajas.

Por un lado, gracias al hueco, en una extensión longitudinal equivalente a la del estado actual de la técnica, la unión acorta o reduce las superficies de ajuste a j presión o de asiento de estanqueidad, lo que conlleva mayores presiones de superficie de estanqueidad.

La transición creada sin contacto produce en cuanto a carga cinética una mayor presión superficial específica y, con ello, la estanqueidad en las a presión, generándose con la distancia superficies de tope en caso de curvado del sistema solo diferencias tolerables en la presión Í superficial local . Las posibles tensiones combinadas de tracción y compresión apenas afectan a la estanqueidad de la unión, ya que las superficies de ajuste a presión presentan una inclinación reducida de aproximadamente 1 : 10. j j Ventajosamente, el hueco de la zona de unión de las piezas tubulares actúa como cavidad para lubricante, y mejora lá distribución y reduce la presión del lubricante en un ensamblaje estanquizante de una tubería de un yacimiento.

! Cuando, conforme a una forma de ejecución preferente de la invención, la transición de las zonas de unión de ajuste a presión al tope creada sin contacto entre las piezas tubulares está formada por una escotadura coaxial de la superficie de la pared interior de la pieza tubular externa, se alcanzan tanto solicitaciones mecánicas favorables del i material como también el estado de tensión que favorece la estanqueidad de la unión.

¡ Al introducir a presión la pieza tubular interna en la i pieza tubular externa mediante el establecimiento de un encaje completo de la unión se generan elevadas fuerzas, básicamente en sentido radial, en la zona de las superficies dé ajuste a presión, lo que produce en esta zona un ensanchamiento, con una dilatación elástica tangencial del material de la pared del tubo exterior. i Mediante la escotadura coaxial de la superficie de la pared interior de la pieza tubular externa en la zona de transición y una liberación de contacto de las piezas tubulares en la zona hasta las superficies de tope, ya no se producen dilataciones elásticas en la dirección tangencial de lá pared del tubo exterior, pero ésta sí está sometida a fuerzas de tracción en sentido axial que se generan por la j presión que ejercen las superficies de tope del tubo interno eñ las del tubo externo y producen una dilatación elástica en dirección axial.

' De este modo, conforme a la invención se reducen al máximo los estados de tensión locales complejos en la zona de uñión, produciendo la formación de una zona de transición conforme a la invención mayores valores de dilatación elástica y asegurando la transición la estanqueidad de la unión incluso en caso de solicitaciones más complejas en los tubos .

De forma ventajosa, la escotadura presenta en la zona de transición en sección transversal un perfil exento de aristas porque con ello se evitan al máximo los picos de tensión en I la superficie interna del tubo exterior y se eliminan la aparición de fisuras y el riesgo de rotura por fatiga.

Cuando la pieza tubular interna está configurada en la zona de la transición desde la superficie prolongada de ajjuste a presión distal hacia la superficie de tope de forma redondeada, se pueden eliminar los picos de tensión locales con las deformaciones plásticas locales del material y mejorar la cooperación de las superficies de tope. Se alcanzaron resultados especialmente buenos con un redondeado de cantos con un radio de Re = entre 0,9 y 1,5 mm o para TUBINGS de RT = entre 0,2 y 0,6 mm.

Ventajosamente, la escotadura coaxial de la pieza tubular externa en sección transversal de la superficie de ajuste a presión hacia el perfil de la escotadura está conformada con un radio de transición de entre 0,5 y 1,0 mm y exenta de cantos hasta la superficie de tope. De este modo, en la zona límite entre la superficie de ajuste a presión y la escotadura se evitan con seguridad los picos de tensión de compresión.

I Mediante pruebas extensas y específicas se ha comprobado que el cociente entre la longitud de la transición creada sin contacto y la longitud del ajuste a presión efectivo debe ser ventajosamente de entre 0,4 y 1,7, preferentemente de entre i 0,Í6 y 1,5, para lograr condiciones de estanqueidad óptimas en una unión de tubos conforme a la invención.

Esta gama de valores evidentemente amplia se obtuvo tomando en consideración todos los diámetros convencionales dé I tuberías. j Las evaluaciones relativas a las dimensiones mostraron qüe el cociente para tuberías con un diámetro exterior superior a 11,43 cm, las denominados tuberías de revestimiento o CASINGS, oscila óptimamente entre 0,4 y 1,2, preferentemente entre 0,6 y 1,0.

En cambio, para tuberías de extracción o de transporte con un diámetro exterior menor o igual a 11,43 cm hasta i aproximadamente 4,21 cm y menos [sic] , es decir, en los denominados TUBINGS, los cocientes optimizados entre la longitud de la transición creada sin contacto y la longitud dél ajuste a presión se calcularon en entre 0,9 y 1,7, preferentemente entre 1,1 y 1,5.

; Para obtener una forma de ejecución compacta ventajosa y dé alta calidad de la unión de tubos con estanqueidad i aumentada, la pieza tubular externa debería presentar una i inclinación de la superficie de ajuste a presión hacia las superficies de tope de aproximadamente 1 : 10 con respecto al diámetro, y la superficie de tope opuesta un ángulo beta de ß = ¡entre 10° y 20°, preferentemente de ß = unos 15° respecto alj plano perpendicular al eje.

{ Cuando, como se ha comprobado en los ensayos, las superficies de asiento forzado y/o las superficies de tope presentan una rugosidad superficial inferior a Ra = 3,2 pm I péro superior a Ra = 0,4, medida como valor medio de rugosidad según DIN 4777 ISO/DIN · 4287/1 , se puede emplear ampliamente una elevada carga por compresión específica sin que se produzca un desgaste por fricción o gripado en las superficies de ajuste a presión y también es posible un desmontaje amplio e ilimitado de la unión de tubos. En este i sentido, se parte del supuesto de que en las depresiones del perfil superficial rugoso, en los límites de rugosidad arriba mencionados, se puede posicionar una cantidad óptima de lubricante a fin de mantener las propiedades deseadas.

I 1 Desde el punto de vista técnico-operativo, conforme a la invención se puede encajar completamente una unión de tubos mediante diversos medios que comprimen las piezas tubulares axialmente. Ventajosamente, las uniones atornilladas convencionales han dado buenos resultados.

Mediante una figura esquemática se pretende mostrar a continuación meramente una forma de ejecución de una unión de tubos conforme a la invención.

La figura muestra lo siguiente: [ Fig. 1, una unión en sección axial.

La fig. 1 muestra una unión de tubos de una tubería interior I y una tubería exterior A en sección axial.

¡ En la zona, de unión de las tuberías, una pieza tubular interna I presenta una superficie troncocónica con una superficie de ajuste a presión II, la cual está inclinada i distalmente respecto al diámetro de la tubería con un valor dé 1 : 10. A continuación de la superficie de ajuste a presión II, está formada una superficie de tope 21 opuesta, i inclinada hacia un eje longitudinal x de la tubería con un ángulo ß de 15°, que representa un tope 2 con una superficie i de estanqueidad en el lado frontal y el extremo de la tubería i interior. í Una pieza tubular externa A, con una unión de las piezas tubulares en encaje completo en la zona de unión 1, hace ! contacto proximal con la superficie de ajuste a presión II de i la tubería interior con la superficie de ajuste a presión Al.

Entre la zona de unión 1, que abarca las superficies de ajuste a presión II y 1A, y la zona 2 con las superficies de tope de las piezas tubulares está prevista una zona de transición 3 en la que se encuentra una escotadura RA de la pared interior de la tubería exterior A, que forma un hueco R entre las piezas tubulares I y A y hace que las piezas no estén en contacto en esta zona. l En la pieza tubular externa A, la zona límite entre la superficie de ajuste a presión 1A y el perfil de la escotadura 3A está redondeada con un radio de 0,8 mm, estando a ;continuación la superficie total de la pared interior 3A de l escotadura coaxial RA redondeada sin cantos hasta la superficie de tope 2A.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica l citada invención, es el que resulta claro de la presente i descripción de la invención.

Claims (12)

1 12 I I REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones: J 1.- Unión de tubos, en particular una unión atornillada de tubos estanca al gas, en la que las piezas están unidas en la1 zona de unión mediante ensamblaje por apriete y encaje conforme a la norma DIN 8593, que consta de una pieza tubular interna y una pieza tubular externa o de dos piezas tubulares irjternas con un manguito exterior, caracterizada porque está i constituida con tres zonas, presentando las zonas de unión de ajuste a presión y tope de las piezas tubulares, o de las piezas tubulares y manguito, superficies de ajuste a presión troncocónicas cooperantes inclinadas en la dirección del extremo de la pieza tubular interna hacia el eje (x) de la ! tubería y presentando en el lado frontal superficies de tope i troncocónicas opuestas a estas superficies de ajuste a ¡ i presión y formando mediante un espacio hueco o coaxial una transición entre la zona de ajuste a presión y tope de las piezas unidas en la que no hay contacto entre éstas .

? 2. - Unión de tubos de conformidad con la reivindicación 1,| caracterizada porque la transición de la zona de unión de ajjuste a presión al tope creada sin contacto entre las piezas tubulares está formada por una escotadura coaxial de la i i ¡ superficie de la pared interior de la pieza tubular externa

3. - Unión de tubos de conformidad con la reivindicación l o 2, caracterizada porque la escotadura coaxial de la zona dé transición presenta en sección transversal un perfil exento de aristas.

¡ 4. - Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 3, caracterizada porque la pieza tubular interna presenta una forma redondeada en la zona de la transición de la superficie de ajuste a presión i prolongada distal a la superficie de tope. i

5. - Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 4 , caracterizada porque la escotadura coaxial de la pieza tubular externa, en sección transversal, está constituida de la superficie de ajuste a presión hacia el perfil de la escotadura con un radio de transición (Ro) de entre 0,5 y 1,0 mm (Ro = 0,5 - 1,0) y exenta de cantos hasta la superficie de tope.

, 6. - Unión de tubos de conformidad con una de las i reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizada porque el cociente entre la longitud de la transición creada sin contacto y la longitud de la zona de ajuste a presión presenta un valor de entre 0,4 y 1,7, preferentemente de i entre 0,6 y 1,5.

I 7.- Unión de tubos de conformidad con la reivindicación 6,¡ caracterizada porque, para tuberías de revestimiento conforme a la norma API 5CT, que son básicamente tuberías de revestimiento con un diámetro exterior superior a 11,43 cm, el cociente entre la longitud de la transición creada sin contacto con la pieza tubular interna y la longitud de la zona de ajuste a presión presenta un valor de entre 0,4 y 1,'2, preferentemente de entre 0,6 y 1,0.

; 8.- Unión de tubos de conformidad con la reivindicación 6,5 caracterizada porque, para tuberías de extracción conforme a ' la norma API 5CT, que son básicamente tuberías de I extracción o transporte con un diámetro exterior de 11,43 cm o menor, por ejemplo 4,21 cm, el cociente entre la longitud í dé la transición creada sin contacto con la pieza tubular interna (I) y la longitud de la zona de ajuste a presión presenta un valor de entre 0,9 y 1,7, preferentemente de j entre 1,1 y 1,5.

¡ 9. - Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 8, caracterizada porque la pieza exterior presenta una inclinación de la superficie de aj!uste a presión de aproximadamente 1 : 10 respecto al i diámetro y la superficie de tope presenta un ángulo beta de entre 10° y 20°, preferentemente de unos 15°, respecto al plano perpendicular al eje.

10.- Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 9, caracterizada porque el material del tubo está tratado o bonificado térmicamente al menos en la zona de unión y presenta una elevada resistencia. í

11.- Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 10, caracterizada porque las superficies de ajuste a presión y/o las superficies de tope presentan una rugosidad superficial inferior a Ra = 3,2 µt? pero superior a Ra = 0,4 µp\, determinada como valor medio de rugosidad conforme a la norma DIN 4777 ISO/DIN 4287/1. !

12. - Unión de tubos de conformidad con una de las reivindicaciones de la 1 a la 11, caracterizada porque el ensamblaje de las piezas tubulares se efectúa mediante unión atornillada .