MX2010012868A - Junta roscada sellada a presiones internas y externas [ultra altas]. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con una junta roscada para unir tubos usados especialmente en el campo de los tubos para la industria del petróleo u OCTG (del inglés, Oil Country Tubular Goods), tales como caños en la producción de gas y petróleo y/o tuberías de revestimiento para la perforación de pozos, que comprende un pasador y un copie que tiene una superficie terminal que no está de frente a ninguna superficie del pasador cuando se ajusta la junta, el pasador tiene una primera superficie de sellado sobre su extremidad y una segunda superficie de sellado sobre el otro lado de la porción roscada. El copie tiene una primera superficie de sellado y un hombro de empalme que se empalma contra la primera superficie terminal del pasador sobre un primer lado de la rosca hembra y una segunda superficie de sellado de la caja sobre el otro lado de la rosca.

Description

JUNTA ROSCADA SELLADA A PRESIONES INTERNAS Y EXTERNAS fULTRA ALTAS! Campo de la Invención La presente invención se relaciona con una junta roscada para unir tubos usados especialmente en el campo de los tubos para la industria del petróleo u OCTG (del inglés, 0/7 Country Tubular Goods), tales como caños en la producción de gas y petróleo y/o tuberías de revestimiento para la perforación de pozos.

Más particularmente, la invención se relaciona con juntas para la industria del gas y petróleo de alto rendimiento para aplicaciones en ambientes bajo presión y temperatura altas y en pozos ultra profundos.

Antecedentes de la Invención Las condiciones particularmente demandantes, tales como presiones y temperaturas extremadamente altas, a menudo combinadas con altas fuerzas de compresión, tensión y momento de torsión que actúan sobre la junta, se pueden encontrar en los ambientes que aparecen en los pozos ultra profundos, pozos bajo alta presión y alta temperatura y domos salinos. Las presiones encontradas en dichos pozos pueden ser de alrededor de 20.000 psi (veinte mil libras por pulgada cuadrada).

Dichos requisitos generalmente se cumplen mediante el uso de caños con un grosor de pared que supera el estándar, es decir, con un grosor mayor a 0,5 pulgadas.

Una junta debería ser capaz de ofrecer un rendimiento igual o similar a la resistencia del cuerpo del caño, cuando tanto el caño como la junta se someten a compresión y/o tensión bajo presiones internas y/o externas. Si bien las juntas estándares del arte previo son capaces de coincidir con el rendimiento del caño estándar (es decir, grosor de pared estándar), existe la necesidad de una junta capaz de coincidir con el rendimiento de un caño de pared gruesa.

Si bien la industria recientemente ha podido producir caños más gruesos al mejorar principalmente los procesos de tratamiento térmico y las composiciones químicas, existe una desventaja en relación con las juntas capaces de igualar el rendimiento del caño de pared gruesa ahora desarrollado.

Las patentes estadounidenses US6851727, US6905150, US7255374, US6921110 revelan soluciones para juntas que ofrecen un rendimiento óptimo en el funcionamiento y una máxima capacidad estructural, pero las soluciones divulgadas en dichas patentes se aplican principalmente a los caños con un grosor de pared estándar que no se pueden usar en condiciones extremadamente adversas como las impuestas por presiones internas y externas ultra altas.

Se han observado intentos por mejorar las juntas roscadas para uso en caños con paredes gruesas, por ejemplo, para tamaños de tubería de revestimiento con resistencia mejorada a la presión externa muy alta.

La mayoría de las juntas del arte previo consideradas anteriormente no son capaces de cumplir con los requisitos establecidos para las condiciones ambientales adversas que se mencionaron con anterioridad. Una razón común es que la capacidad de sellado a presiones ultra altas requiere altos valores de interferencia y momentos de torsión y, por ende, estas juntas premium del arte previo normalmente experimentan deformaciones plásticas críticas y desgaste por frotamiento (galling) durante la operación de ajuste. Al diseñar juntas roscadas en este campo tecnológico, cada ligero cambio en el diseño de una característica de la junta puede tener efectos imprevistos en el rendimiento general, y necesita ser evaluado en forma cuidadosa. Las soluciones que son apropiadas para los caños de rangos de grosor de pared estándares del estado del arte no ofrecen los mismos rendimientos en los caños con paredes más gruesas, y las consecuencias de introducir incluso pequeños cambios en la configuración puede provocar resultados imprevistos y no obvios que deben evaluarse de manera exhaustiva antes de que puedan aceptarse.

El hecho de que el cuerpo del caño se encuentra dentro de los rangos de pared superiores al estándar, es decir, con una pared más gruesa, haría impredecible el rendimiento de una junta originalmente diseñada para los caños de grosor estándar.

Esta necesidad todavía existe para una junta usada en la industria del gas y petróleo de máximo rendimiento con un rendimiento óptimo de funcionamiento y máxima capacidad estructural capaz de confrontar las condiciones de servicio más demandantes bajo presiones y temperaturas extremadamente altas, junto con fuerzas de compresión, tensión y momento de torsión que actúan sobre la junta. Además, se requiere que dichas juntas cumplan con los requisitos altamente demandantes establecidos por las normas que se aplican a la industria, por ejemplo: ISO 13679 CAL IV.

La Patente US6543816 revela una junta roscada de pared gruesa. Una forma de realización tiene dos sellos metal a metal. Uno de los sellos es un sello interno, posicionado cerca de la punta del pasador (pin nose). El otro sello se posiciona en el medio de la rosca. Dicho sello intermedio es difícil de fabricar en la práctica, lo que incrementa el tiempo y el costo de mecanizado, ya que la herramienta con porciones roscadas necesita duplicar su entrada y salida, habiendo dos partes roscadas que tienen que estar en fase. Esta última característica necesita una operación de precisión que es factible en una planta de fabricación, pero que generalmente no se alcanza en las tiendas de reparación.

Además, la mitad de la rosca permanece por fuera del sello metal a metal, por ende queda desprotegida al contacto con los fluidos externos que rodean el caño. Al colocar el sello metal a metal en una posición donde existe un grosor de pared de alrededor del 50% disponible tanto en el pasador como en la caja, existe un desequilibrio entre dicha ventaja estructural y la necesidad de sellar la junta contra los fluidos externos. El dejar desprotegida la mitad del área roscada es un costo demasiado alto de pagar en un ambiente agresivo tal como ambientes ácidos, ya que la alta presión externa y los fluidos corrosivos se combinan para dañar la superficie de las porciones roscadas, y así se compromete el rendimiento de toda la junta. Otra forma de realización de la patente estadounidense US6543816 solamente revela un único sello metal a metal intermedio, una configuración que es incluso peor, ya que la rosca interna también está desprotegida contra la presión interna y el desgaste por frotamiento debido a los fluidos que circulan dentro de la columna de tuberías.

Cuando se enfrentan presiones extremadamente altas, si la presión externa alcanza el sello interno y/o la presión interna alcanza el sello externo, como no están diseñados para soportar presiones extremas que provienen de la porción roscada, dichos sellos pueden ser vencidos por la presión, en el sentido de que la presión de contacto puede ser vencida por la presión del fluido, y/o puede tener lugar una deformación plástica, lo que ocasiona la falla de la función de sellado de la junta.

Las evaluaciones de los análisis de elementos finitos (FEA, del inglés Finite Element Analysis) de las juntas del arte previo con solamente un sello metal a metal interno muestran que dichas juntas no son capaces de brindar un rendimiento similar o igual a la resistencia del cuerpo del caño, cuando tanto el caño como la junta se someten a compresión y/o tensión bajo presiones internas y/o externas. Cuando se aplica presión externa extremadamente alta, el sello interno de una junta del arte previo es vencido por la presión y se abre, es decir, pierde rigidez. Dicha falla se debe a que la presión externa actúa contra el sello metal a metal interno, que deforma y abre la punta del pasador y el sello metal a metal.

Breve Descripción de la Invención El principal objetivo de la presente invención es proveer una junta roscada para un caño de pared gruesa que supera las desventajas mencionadas con anterioridad y cumple con los requisitos operativos establecidos para uso en condiciones ambientales muy adversas.

Otro objetivo de la presente invención es proveer una junta para caño que tiene una capacidad de sellado a alta presión confiable y estable, contra presiones tanto internas como externas.

Los objetivos mencionados con anterioridad se alcanzan de acuerdo con la presente invención por medio de una junta roscada para caños, que comprende un pasador y una caja en forma de copie, en donde el pasador tiene al menos una primera porción terminal, que incluye una primera superficie terminal, y una porción roscada macho cerca de dicha al menos una primera porción terminal, en donde la caja tiene al menos una segunda porción terminal, que incluye una segunda superficie terminal que no está de frente a ninguna superficie del pasador cuando se ajusta la junta, una porción roscada hembra cerca de dicha al menos una segunda porción terminal, en donde las porciones roscadas macho y hembra pueden unirse durante la operación de ajuste, en donde el pasador tiene una primera superficie de sellado del pasador sobre la primera porción terminal cerca de la primera superficie terminal sobre un primer lado de la porción roscada macho y una segunda superficie de sellado del pasador próxima a un segundo lado de la porción roscada macho opuesto al primer lado, en donde la caja, sobre un primer lado de la porción roscada hembra, tiene una primera superficie de sellado de la caja y un hombro de empalme, que se empalma contra la primera superficie terminal del pasador después del ajuste de la junta, y que tiene una segunda superficie de sellado de la caja próxima a un segundo lado de la porción roscada hembra opuesto al primer lado, en donde la primera superficie de sellado del pasador se une con la primera superficie de sellado de la caja y la segunda superficie de sellado del pasador se une con la segunda superficie de sellado de la caja después del ajuste, por lo cual se producen un sello metal a metal interno y uno externo, cada uno de los cuales es constituido por el contacto de una superficie de sellado toroidal con una superficie de sellado f rusto-cón ica .

En virtud de las características mencionadas con anterioridad, la junta de la invención es capaz de soportar dichas fuerzas con comodidad y, a la vez, permanecer dentro del campo elástico e incluso evitar la desgaste por frotamiento.

A diferencia de la mayoría de las juntas del estado del arte que proveen un único sello metal a metal, generalmente interno, para asegurar la estanqueidad de gas de toda la junta, la presente invención provee una junta que tiene una acción de sellado combinada de sellos interno y externo, con eficiencia de sellado confiable durante la operación, lo que previene la aparición del desgaste por frotamiento en los sellos metal a metal durante el ajuste.

Por medio de la optimización y sinergia de las variables geométricas, la junta de la presente invención alcanza un sello metal a metal externo que protege toda la porción roscada al tiempo que sigue asegurando la estabilidad estructural del sello y las presiones de contacto requeridas entre las superficies de sellado. En forma similar, un sello metal a metal interno protege la porción roscada de los fluidos interno que ingresan entre las roscas.

La solución de acuerdo con la invención, que incluye un sello metal a metal dual -uno de los cuales es interno y el otro es externo respecto de la rosca- es capaz de proveer capacidad de sellado confiable debido a una presión de contacto muy estable, rígida y estanca en virtud del diseño de pasador y caja optimizado para los caños de pared gruesa. Esto supera el problema común en tales casos, es decir: desgaste por frotamiento debido a las altas presiones de contacto en los sellos metal a metal, al reducir la presión de contacto a través de una interferencia controlada durante el ajuste.

Breve Descripción de las Figuras Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a la luz de la descripción detallada de una forma de realización preferida -mas no exclusiva- de una junta roscada para caños descrita a modo de ejemplo no limitativo, con ayuda de los dibujos adjuntos, en los cuales: La Figura 1 ilustra una sección axial de un detalle de una junta de acuerdo con la invención; La Figura 2 ilustra el detalle expandido de la figura 1; La Figura 3a ilustra un detalle en sección expandido de la rosca de una caja con una capa protectora sobre la rosca en otra forma de realización de una junta de acuerdo con la invención; y La Figura 3b ilustra un detalle en sección expandido de un pasador con una capa protectora en otra forma de realización de una junta de acuerdo con la invención.

Descripción Detallada de la Invención Con particular referencia a las Figuras 1 y 2, se ilustra una junta roscada o conexión para unir los segmentos de los caños, especialmente para los caños del tipo de pared gruesa. En el contexto de esta descripción, al usar la expresión "pared gruesa", se hace referencia a que la pared del caño tiene un grosor superior a 0,5 pulgadas. En todo caso, la junta de la invención es particularmente ventajosa para uso en caños que tienen un grosor de pared nominal superior a 0,7 pulgadas.

La junta de la invención comprende un miembro macho, comúnmente definido como el "pasador" (pin) 1 con una porción roscada macho externa 30 y un miembro hembra comúnmente definido como la "caja" (box) 2 con una porción roscada hembra interna 31 cerca de un extremo libre. El pasador 1 tiene una superficie de sellado 11 antes del comienzo de la porción roscada 30 y una segunda superficie de sellado 19 más allá del extremo del área roscada del lado opuesto. En forma similar, la caja 2 tiene una superficie de sellado 12 del lado interno con respecto a la porción roscada 31 y una segunda superficie de sellado 18 del lado opuesto de la porción roscada 31.

Las superficies de sellado tanto del pasador 1 como de la caja 2 se unen después del ajuste para formar, respectivamente, un sello metal a metal interno y uno externo, en donde el sello interno es producido por el contacto recíproco de las superficies 11 y 12 y el sello externo es producido por el contacto recíproco de las superficies 18 y 19. En forma ventajosa, ambos sellos metal a metal se forman por el contacto entre las superficies toroidal y frusto-cónica. El sello interno es formado preferentemente por una superficie toroidal del pasador 11 y una superficie frusto-cónica de la caja 12, y el sello externo es formado por una superficie frusto-cónica del pasador 19 y una superficie toroidal de la caja 18. La superficie toroidal 11 es provista sobre el pasador 1 cerca de la punta del pasador y la superficie frusto-cónica 12 es provista sobre esa porción de la superficie interna de la caja cerca del hombro de empalme 10. En el caso del sello externo, la superficie toroidal 18 está sobre la caja 2 cerca de la punta de la caja 23 y la superficie frusto-cónica 19 está sobre la superficie externa del pasador 1 cerca del área donde comienza la superficie externa cilindrica del caño. Dicha configuración posiciona la superficie circular (que se define de tal manera cuando se considera sobre una sección plana) o superficie toroidal (que se define de tal manera cuando se considera a nivel tridimensional) sobre las partes menos rígidas, es decir, el extremo libre del pasador y el extremo libre de la caja, mientras posiciona la superficie cónica sobre las partes más rígidas, es decir, el extremo de la porción roscada del pasador y la caja que está más próximo al cuerpo del caño.

El radio de las superficies de sellado toroidales 11 y 18 de los respectivos pasador 1 y caja 2 está comprendido en el rango que oscila entre 30 y 100mm, y preferentemente tiene un valor de alrededor de 80mm. El rango de magnitud del radio optimiza el rendimiento del sello. Si bien un radio demasiado pequeño puede producir concentraciones de fuerzas perjudiciales debido a la presión de contacto muy alta, un radio demasiado grande (superior al rango mencionado) tendería, por el contrario, a funcionar como una superficie cónica. La evaluaciones de FEA confirman que un radio que oscila entre 30 y 100 mm brinda a la junta una capacidad de sellado que alcance el rendimiento del cuerpo del caño.

La punta de la caja 23 en la junta ajustada provee un extremo que no se empalma 21; es decir, no se posiciona ninguna superficie transversal al eje X de la junta en frente de la superficie terminal 21, ni cerca de la misma ni lejos de la misma, cuando se ensambla la junta. Preferentemente, en la solución de acuerdo con la invención, la caja 2 es un copie o manguito y no la extremidad de un caño de longitud comercial; en otras palabras, se usa un copie o manguito corto de manera óptima para unir dos segmentos de un caño. En este caso, este tipo de junta se conoce comúnmente en ese campo técnico como "roscada y acoplada" o T&C (del inglés, "Threaded and Coupled").

La punta del pasador 22 tiene una superficie terminal u hombro de empalme 9 que se empalma contra un hombro de caja de unión 10 una vez completado el ajuste. Tanto el hombro de empalme 10 como la superficie terminal del pasador 9 son preferentemente ahusados o cónicos con un ángulo negativo a o igual a cero con respecto a un plano perpendicular al eje X de la j u n t a .

Las porciones roscadas 30 y 31 se pueden formar con varios perfiles; no obstante, se logra un mejor rendimiento cuando se eligen las porciones roscadas con una rosca en gancho, con un ángulo de los flancos de carga 3 y 4 preferentemente comprendido entre -10° y 0o. Más preferentemente, los ángulos de los flancos de carga de la rosca es establecen en valores comprendidos entre -7 y -2,5°.

Esta forma de rosca mejora el rendimiento de sellado general de la junta, lo que se verificó mediante evaluaciones usando modelos de FEA. En realidad, por medio del análisis FEA, el indicador "rendimiento de sellado" muestra una mejora cuando se usan ángulos de flancos de carga negativos en las roscas.

A fin de reducir la distancia de deslizamiento y proveer una penetración más sencilla y un ajuste más rápido de la junta, un tipo preferido de rosca a ser usado en la junta es una rosca en gancho con menos de 5 hilos de rosca por pulgada (TPI, del inglés Threads Per ¡nch), preferentemente una rosca de 3 TPI con contacto cresta a raíz. En forma alternativa, también se puede usar una rosca de 4 TPI en forma ventajosa. El paso largo de la rosca, 3 TPI -ó 4 TPI en una forma de realización alternativa-minimiza el riesgo de porciones roscadas transversales así como también el número de vueltas a la posición de apriete con fuerza y contribuye a un ajuste sencillo y seguro.

Preferentemente, se elige un diseño se rosca de manera tal que se provea el contacto raíz a cresta entre la cresta de la rosca de la caja y la raíz de la rosca del pasador y la separación diametral entre las raíces de la rosca de la caja y las crestas de la rosca del pasador.

En forma ventajosa, la rosca es ahusada o cónica en la dirección axial, en donde el ángulo de conicidad tiene una pendiente en el rango que oscila entre el 7 y el 15% con respecto al eje X de la junta, preferentemente de alrededor del 11%, en donde n% aquí hace referencia al ángulo entre la línea de la rosca y el eje X, con el valor de la arctg (n/100). Una pendiente de la rosca de dicha magnitud permite una operación de ajuste sencilla y segura. La alta pendiente elegida para la conicidad de la rosca, lo que asegura un ajuste rápido, determina una penetración profunda que contribuye a la alineación del caño con el copie, o caja, durante el ensamblado de la columna de tuberías.

La conicidad diametral de las superficies de sellado frusto-cónicas del pasador y la caja 12 y 19 se establece en superioridad a la conicidad de la rosca, con una pendiente en el rango que oscila entre el 20 y el 30%, preferentemente alrededor" del 25%. En una forma de realización preferente de la junta, la conicidad de la superficie de sellado frusto-cónica 12 sobre la caja es inferior a la conicidad de la superficie de sellado frusto-cónica 19 del pasador. Esta característica permite que se alcance una secuencia de ajuste por medio de la cual las porciones roscadas 30, 31 se cierran primero, el sello interno 11, 12 se cierra en segundo lugar, y el sello externo 18, 19 se cierra al final. Por ende, se mejora la distribución del aditivo (dope) sobre las porciones roscadas, lo que evita picos de presión peligrosos causados porque el aditivo queda atrapado en los intersticios de la rosca.

La junta provee, además, una primera ranura anular para la expansión del aditivo 15 posicionada sobre la superficie interna de la caja 2 cerca de la superficie de empalme 10. En forma más ventajosa, se provee una segunda ranura anular para la expansión del aditivo 20 en el segundo extremo de las porciones roscadas 31 frente al sello externo 18, 19 sobre la superficie interna de la caja 2. El volumen de cada ranura anular para la expansión del aditivo, medido en mm3, se encuentra entre el 10% y el 50% del cuadrado del diámetro externo (OD, del inglés Outside Diameter) nominal del caño, es decir, su volumen se determina mediante la siguiente fórmula empírica: 0,1 * (OD)2 < VOLUMEN < 0,5 * (OD)2 donde el OD se da en mm y el VOLUMEN se da en mm3.

Las roscas macho y hembra se diseñan con dimensiones tales que, una vez efectuado completamente el ajuste de la junta, quedan espacios entre los flancos de penetración 5, 6 de las roscas del pasador 1 y la caja 2. La distancia entre los flancos de penetración de las roscas tiene una magnitud comprendida en el rango que oscila entre 0,01mm y 0,12mm cuando se miden sobre una proyección paralela al eje X de la junta. El ángulo del flanco de penetración se define entre 20 y 30°.

Además de las ventajas ya mencionadas con anterioridad en la presente, la junta de la invención provee otras varias ventajas de las cuales una lista no exhaustiva se brinda a continuación. La provisión de sellos metal a metal duales (internos y externos con respecto a las porciones roscadas) brinda un rendimiento mejorado, porque, mediante el sello externo, se evita que la presión del fluido exterior penetre los intersticios entre las roscas y alcance el sello metal a metal interno. Por otro lado, se evita que la presión del fluido interior penetre entre las roscas y alcance el sello externo.

Además, los sellos metal a metal tanto internos como externos también se energizan por presión durante la operación, es decir, la presión del fluido exterior energiza el sello externo, y la presión del fluido interior energiza el sello interno.

La junta de la invención se puede usar en varios tipos de juntas, a saber: roscadas y acopladas, integrales, lisas o semi-lisas.

Para ciertas aplicaciones, las juntas integrales y lisas requieren deformaciones por frío o calor particulares, por ejemplo, el supuesto estampado o expansión en proximidad a los extremos del caño antes del mecanizado de la rosca, y pueden ser perjudiciales para las propiedades del acero del cual están hechos los caños y la junta. Por ende, para usos en condiciones de carga extremadamente altas, se prefieren los pasadores y las cajas no deformados. En consecuencia, a pesar de que la invención se puede usar en cualquier clase de junta, se alcanza un rendimiento particularmente ventajoso cuando la invención se lleva a la práctica en una junta roscada y acoplada (T&C). Por otro lado, el alto costo de usar la junta de la invención en las juntas integrales solamente se justifica cuando es necesario formar una junta lisa o semi-lisa, que puede tener una eficiencia de tensión reducida, ya que el miembro pasador necesita acomodar, dentro de su grosor de pared, tanto la porción roscada como todo o parte de la punta de la caja.

Las evaluaciones realizadas sobre las juntas de acuerdo con la invención han mostrado que tanto los sellos internos como externos 11, 12, 18, 19 permanecen cerrados en todo la envoltura de von Mises, incluso en ausencia de presión interna o externa que contribuye a energizar los sellos cuando la junta está bajo condiciones operativas reales.

La junta es particularmente adecuada para soportar altas fuerzas de compresión sobre el caño, fuerzas que establecen el contacto recíproco entre los flancos de entrada, y por ende comienzan a soportar la carga de compresión paralela a las superficies de los hombros, mientras el área próxima a dichas superficies todavía se encuentra en estado de deformación elástica.

Tai como ya se mencionó con anterioridad, las características de la invención generan una secuencia de ajuste conveniente que optimiza la evacuación del aditivo y reduce el desgaste por frotamiento, porque la porción roscada es la primera a cerrarse (es decir, "alcanza la posición final") y, solamente después de que se escurre el exceso de aditivo de la porción roscada, los sellos metal a metal se cierran. Dicha secuencia asegura que no quede aditivo atrapado a altas presiones en la cavidad definida entre los sellos metal a metal después del ajuste, donde los depósitos de aditivo 15, 20 actúan como "pulmones" adicionales para el aditivo escurrido por las roscas.

La junta de la invención también se puede usar, en forma ventajosa, junto con tratamientos de superficie libre de aditivo de la junta. Con particular referencia a la forma de realización de las figuras 3a y 3b, donde los correspondientes elementos de la junta están indicados con los mismos números de las formas de realización anteriormente descritas, se puede llevar a cabo un tratamiento de superficie para mejorar la calidad de la junta, y un tratamiento preferido consiste en revestir la superficie de la caja con fosfato de Mn y dejar una superficie del pasador sin revestir. Dicho tratamiento además mejora la resistencia al desgaste por frotamiento. Otra mejora del tratamiento de la superficie se logra al usar el compuesto de rosca API modificado y el compuesto de rosca ecológico en forma conjunta con fosfato de Mn aplicados sobre una superficie tratada con chorro de arena.

En una primera forma de realización preferida del tratamiento de superficie libre de aditivo, al menos la superficie de la porción roscada tiene una rugosidad de superficie Ra comprendida entre 2,0 µ?? y 6,0 µ??, en donde la superficie de la rosca está cubierta por una primera capa uniforme de un revestimiento que inhibe la desgaste por frotamiento seco y la primera capa está cubierta por una segunda capa uniforme de revestimiento lubricante seco.

La porción roscada 30 del pasador 1 es provista con una capa protectora sobre la superficie de la rosca. La porción roscada de la caja 2 puede tener una forma perfectamente similar o puede estar hecha sin la capa protectora y conectarse al pasador 1 provisto con la capa protectora. La capa protectora, en esta variante preferida, comprende: - una primera capa de revestimiento inhibidor de corrosión seca, que está conformada por una resina epoxi que contiene partículas de Zn, depositada sobre la superficie metálica de la rosca; en forma ventajosa, estas partículas están hechas del 99% de Zn puro y el grosor de la primera capa tiene un valor que oscila entre 10 y 20 µ?t?, preferentemente comprendido entre 10 y 15 µ??; - una segunda capa de revestimiento de lubricante seco, que está conformada por una mezcla de MoS2 y otros lubricantes sólidos en un aglutinante inorgánico y tiene un grosor que oscila entre 10 y 20 µ??, depositada sobre la superficie del revestimiento inhibidor de corrosión seca.

En una segunda forma de realización preferida del tratamiento de superficie libre de aditivo, al menos la superficie de la rosca tiene una rugosidad de superficie Ra comprendida entre 2,0 µ?t? y 6,0 µ?t?, en donde la superficie de la rosca está cubierta por una única capa uniforme de un revestimiento inhibidor de corrosión seca que contiene una dispersión de partículas de lubricante sólido. El grosor de esta capa única tiene un valor comprendido entre 10 y 20 µ??.

La porción roscada 30 del pasador 1 es provista con dicha única capa protectora uniforme sobre la superficie de la rosca. La porción roscada de la caja 2 puede tener una forma perfectamente similar o puede estar conformada sin la única capa protectora uniforme y conectarse al pasador 1 provisto con dicha única capa protectora.

En ambos casos, la capa de revestimiento inhibidor de corrosión seca que contiene la dispersión de partículas de lubricante sólido se puede aplicar mediante aspersión, cepillado, inmersión o cualquier otro método en el que se pueda controlar el grosor del revestimiento.

Con respecto a dichas primera y segunda formas de realización preferidas de los tratamientos de superficie libres de aditivo, los segmentos de los caños se adaptan en forma ventajosa para ser ensamblados sin necesidad de una preparación de superficie adicional previo a funcionar en el sitio de trabajo o la adición de aceite o grasa; es posible transportar y almacenar los caños en el yacimiento petrolífero sin correr el riesgo de que los caños pierdan su integridad a causa de la corrosión sobre las porciones roscadas que forman las conexiones; las conexiones se pueden ensamblar en el yacimiento petrolífero sin extraer la capa de protección a la corrosión. Los resultados de las evaluaciones han establecido que no existe desgaste por frotamiento ni en el sello ni en la rosca y que la conexión tenía un comportamiento de ajuste muy estable.

En una tercera forma de realización preferida de tratamiento de superficie libre de aditivo, la superficie de la rosca es provista con un revestimiento que comprende, en una primera variante, una primera capa con propiedades de alta fricción y antiadherencia que yace sobre la superficie completa del pasador 1 y una segunda capa con propiedades de baja fricción que yace sobre partes específicas de las superficies completas ya sea del pasador o de la caja, o que comprende, en una segunda variante, una primera capa que yace sobre la superficie completa de la caja 2 y una segunda capa que yace sobre partes específicas de las superficies completas ya sea del pasador o bien de la caja. Las partes específicas son las adaptadas para producir contacto radial recíproco, o al menos parcialmente radial, (por ejemplo, crestas en la caja, raíces en el pasador y sellos metal a metal).

Con referencia a dicho tercer tratamiento de superficie libre de aditivo preferido, en la Figura 3a se muestra una vista expandida de una rosca de la caja 2, y en la Figura 3b se muestra una vista expandida de una región de punta o empalme del pasador 1.

Una primera capa de revestimiento 40 que yace sobre la superficie completa del pasador 1 y una segunda capa de revestimiento 41 que yace sobre una parte específica de la superficie completa del pasador 1 se ilustran esquemáticamente en la Figura 3b, por ejemplo, en este caso, sobre la superficie externa del pasador 1.

Tal como se ilustra en la Figura 3a, la porción roscada 31 dé la caja 2 que se une con el pasador 1 puede tener una primera capa 40' y una segunda capa 41' perfectamente similares sobre la superficie o puede estar hecha sin las capas protectoras o incluso en forma alternativa, la capa puede estar hecha con una estructura o materiales diferentes. También es posible tener un revestimiento solamente sobre la superficie del pasador y no tener un revestimiento sobre la superficie de la caja.

La junta tiene, por ende, un factor de fricción baja en las superficies de contacto radial que provee valores de fricción adecuados para asegurar el ajuste de la junta a valores razonables de momentos de torsión comparables a los presentes cuando se usa aditivo: y un factor de fricción alta sobre las superficies de contacto axial que provee un área localizada con alta fricción capaz de suministrar alta resistencia a la torsión a la junta una vez que el hombro entra en contacto.

Como ha de entender la persona medianamente versada en la materia, se pueden aplicar otros revestimientos ya sea debajo o encima de un revestimiento polimérico. Por ejemplo, se puede aplicar una capa resistente a la corrosión por sobre el revestimiento polimérico, siempre que la capa resistente a la corrosión no afecte las propiedades de fricción del sistema entero. Además, los varios revestimientos descritos en la presente se pueden aplicar a la superficie completa del miembro de pasador o del miembro de caja, o solamente a áreas seleccionadas. Por ejemplo, los revestimientos se pueden aplicar a las porciones roscadas del miembro de pasador y del miembro de caja, a las porciones del sello metal a metal del miembro de pasador y del miembro de caja, o a la porción del hombro del miembro de pasador y del miembro de caja sin alejarse del alcance de la presente invención.

En las formas de realización de la junta que tiene un revestimiento libre de aditivo, las roscas macho y hembra se diseñan con dimensiones tales que, una vez efectuado completamente el ajuste de la junta, preferentemente no quedan espacios entre los flancos de penetración 5, 6 de las roscas del pasador 1 y de la caja 2.

En forma alternativa, todas las formas de realización preferidas mencionadas con anterioridad de los tratamientos de superficie libres de aditivo se pueden proveer en combinación con una cantidad muy pequeña de aditivo, en usos particulares. En este caso, existe la necesidad de tener en cuenta la expansión del aditivo ya sea por medio de espacios de dimensión apropiada entre los flancos de la rosca o bien al proveer ranuras de volumen apropiado en uno o ambos extremos de la porción roscada de la caja.

El diseño innovador de la junta de la invención fue validado por el modelado numérico de FEA. La simulación numérica de la invención simuló las secuencias de las condiciones de carga (varias combinaciones de tensión, compresión, presión interna, presión externa) definidas por la norma ISO 13679. Dicha secuencia de evaluación se aplicó a varias configuraciones representativas, que se determinan mediante combinaciones de varias condiciones geométricas (por ejemplo conicidad, interferencia, diámetro, grosor) y grados de acero. Con respecto a la capacidad de sellado de la junta, la estanqueidad de gas de los sellos metal a metal se verificó para cada condición de carga.

Como resultado, la junta de la presente invención, de acuerdo con el análisis FEA llevado a cabo, ha demostrado que la capacidad de sellado contra presión interna y/o externa se mantiene bajo todas las condiciones de carga evaluadas.

Además, el diseño de la junta se verificó por medio de un programa de evaluación a escala completa particularmente desarrollado para evaluar su rendimiento. Sobre la base de los requisitos ISO 13679 CAL IV, este programa de evaluación revisa todos los aspectos relacionados con el uso de la junta, tal como facilidad y seguridad de la penetración, mínimo aditivo requerido y capacidad de soportar aditivo en exceso, caracterización del ajuste y desajuste, resistencia al desgaste por frotamiento, capacidad de resistir momento de torsión excesivo, y capacidad de sellado bajo cargas repetidas y ciclos térmicos. La invención aprobó exitosamente todas las etapas de este programa de evaluación.

A modo de ejemplo, las Tablas 1 y 2 muestran los resultados de las evaluaciones de la capacidad de sellado (estanqueidad de gas) realizadas sobre caños de 10 ¾ de OD y 11 ¾ de OD.

Tabla 1 - Caño: material 95KSI 10 ¾" 99.5ppf 0.922"wt condición de tensión compresión presión presión estanqueidad carga [KN] [KN] interna externa de gas de la [MPa] [MPa] conexión sólo tensión 10000 0 0 0 OK tensión + 10000 0 80 0 OK presión interna sólo presión 0 0 100 0 OK interna compresión + 0 7000 60 0 OK presión interna sólo 0 7000 0 0 OK compresión compresión + 0 7000 0 100 OK presión externa sólo presión 0 0 0 100 OK externa Tabla 2 - Caño: - material 125KSI 11 ¾" 106.7ppf 0.945"wt condición de tensión compresión presión presión estanqueidad carga [KN] [KN] interna externa de gas de la [MPa] [MPa] conexión sólo tensión 14000 0 0 0 OK tensión + 14000 0 100 0 OK presión interna sólo presión 0 0 130 0 OK interna compresión + 0 7000 70 0 OK presión interna sólo 0 11000 0 0 OK compresión compresión + 0 11000 0 120 OK presión externa sólo presión 0 0 0 120 OK externa Es sabido por las personas medianamente versadas en la materia que cierto número de variables relacionadas influencian el rendimiento del sello metal a metal, es decir: • paso de la rosca, · conicidad de la rosca, • conicidad de las superficies de sellado, • interferencia diametral de la rosca, • interferencia diametral de las superficies de sellado, • geometría del sello de metal, Si bien la estanqueidad de los sellos metal a metal es mejorada mediante la presión de contacto (alcanzada mediante la interferencia diametral tanto de los sellos de metal como de la rosca), una presión de contacto en exceso genera el desgaste por frotamiento en los sellos de metal, si la distancia de deslizamiento no se reduce. Por ende, al incrementar el paso de la rosca, la distancia de deslizamiento se reduce. Además, un bajo paso de la rosca y una conicidad del sello más pronunciado demoran el contacto del sello a los fines del ajuste. Asimismo, la geometría del sello metal a metal también es beneficiosa; es decir, la configuración toroidal a frusto-cónica reduce el área de contacto mientras optimiza la presión de contacto y la uniformidad del sellado.

Por ende, la junta de la invención aprobó de manera exitosa todas las etapas del programa de evaluación de acuerdo con ISO 13679 CAL IV y cumple con todos los requisitos y objetivos de diseños establecidos, y alcanzó un rendimiento de funcionamiento óptimo y una máxima capacidad estructural al extender el rendimiento requerido al rango de pared gruesa.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Una junta roscada para caños, del tipo que comprende un pasador (1) y una caja (2) en forma de un copie, caracterizada porque: el pasador (1) tiene al menos una primera porción terminal (22), que incluye una primera superficie terminal (9), y una porción roscada macho (30) cerca de dicha al menos una primera porción terminal (22); la caja (2) tiene al menos una segunda porción terminal (23), que incluye una segunda superficie terminal (21) que no está de frente a ninguna superficie del pasador (1) cuando se ajusta la junta, una porción roscada hembra (31) cerca de dicha al menos una segunda porción terminal (23), en donde las porciones roscadas macho y hembra pueden unirse durante la operación de ajuste; en donde el pasador (1) tiene una primera superficie de sellado del pasador (11) sobre la primera porción terminal (22) cerca de la primera superficie terminal (9) sobre un primer lado de la porción roscada macho (30) y una segunda superficie de sellado del pasador (19) próxima a un segundo lado de la porción roscada macho (30) opuesto al primer lado; en donde la caja (2), sobre un primer lado de la porción roscada hembra (31), tiene una primera superficie de sellado de la caja (12) y un hombro de empalme (10), que se empalma contra la primera superficie terminal del pasador (9) después del ajuste de la junta, y tiene una segunda superficie de sellado de la caja (18) próxima a un segundo lado de la porción roscada hembra (31) opuesto al primer lado; la primera superficie de sellado del pasador (11) se une con la primera superficie de sellado de la caja (12) y la segunda superficie de sellado del pasador (19) se une con la segunda superficie de sellado de la caja (18) después del ajuste, por lo cual se produce un sello metal a metal interno y uno externo, cada uno de los cuales es constituido por el contacto de una superficie de sellado toroidal con una superficie de sellado frusto-cónica.

2. Una junta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la junta tiene al menos un depósito de aditivo (15, 20), entre el sello metal a metal y la porción roscada.

3. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque las porciones roscadas macho y hembra (30, 31) tienen una rosca en gancho.

4. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicha primera superficie terminal del pasador (9) y dicho hombro de empalme de la caja (10) tienen un ángulo de hombro negativo (a).

5. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque dicho sello metal a metal interno está formado por el contacto entre una superficie de sellado toroidal sobre el pasador (1) y una superficie de sellado frusto-cónica sobre la caja (2).

6. Una junta de acuerdo con cualquier rei indicación anterior, caracterizada porque dicho sello metal a metal externo está formado por el contacto entre una superficie de sellado frusto-cónica sobre el pasador (1) y una superficie de sellado toroidal sobre la caja (2).

7. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque las porciones roscadas macho y hembra tienen menos de 5 hilos de rosca por pulgada.

8. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior 2 a 6, caracterizada porque el volumen V del depósito de aditivo tiene una magnitud dentro del rango de 0,1 * (OD)2 < V < 0,5 * (OD)2 en donde OD es el diámetro externo nominal del caño dado en mm y el V está dado en mm3.

9. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque el grosor de pared del caño nominal es superior a 0,5 pulgadas.

10. Una junta de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el grosor de pared del caño nominal es superior a 0,7 pulgadas.

11. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque la conicidad de las superficies de sellado f rusto-cónicas del pasador y la caja es superior a la conicidad de la rosca.

12. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque el diámetro de las superficies de sellado toroidales del pasador y la caja es de alrededor de 80 mm.

13. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque el contacto raíz a cresta es provisto entre las crestas de la rosca de la caja y las raíces de la rosca del pasador.

14. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque la distancia diametral es provista entre las raíces de la rosca de la caja y las crestas de la rosca del pasador.

15. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque la distancia es provista entre los flancos de penetración después del ajuste dentro del rango que oscila entre 0,01 mm y 0,12 mm cuando se mide sobre una proyección paralela al eje X de la junta.

16. Una junta de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, caracterizada porque el ángulo del flanco de penetración de la rosca está comprendido entre 20° y 30°.

17. Una junta de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la superficie de las porciones roscadas de la junta tienen un tratamiento de superficie libre de aditivo.