MX2011004112A - Junta roscada para tubos de acero. - Google Patents

Abstract

Esta invención generalmente se refiere a una junta roscada usada para conectar tubos de acero como piezas tubulares usadas en la industria petrolera (OCTG), incluyendo tubos de producción y tubos de revestimiento usados para la exploración y producción de pozos de petróleo y pozos de gas natural, tubos verticales y tubos de conducción. Más particularmente, la presente invención se refiere a una junta roscada para tubos de acero que tiene una parte roscada, una superficie de sellado y una superficie de hombro y que tiene una excelente capacidad de sellado resistente a la presión.

Description

Junta Roscada para Tubos de Acero Campo Técnico Esta invención generalmente se refiere a una junta roscada usada para conectar tubos de acero como piezas tubulares usadas en la industria petrolera (OCTG) , incluyendo tubos de producción y tubos de revestimiento usados para la exploración y producción de pozos de petróleo y pozos de gas natural, tubos verticales y tubos de conducción. Más particularmente, la presente invención se refiere a una junta roscada para tubos de acero que tiene una parte roscada, una superficie de sellado y una superficie de hombro y que tiene excelente capacidad de sellado resistente a la presión.

Técnica Anterior Las juntas roscadas para tubos de acero, los cuales se usan ampliamente para conectar tubos de acero usados en el equipo de las industrias productoras de petróleo, como piezas tubulares usadas en la industria petrolera y tubos verticales, están constituidas por un perno el cual es un componente con roscas macho o externas provistas en el extremo de un primer miembro tubular y una caja la cual es un componente con roscas hembra o internas provistas en el extremo de un segundo miembro tubular. La conexión de una junta roscada se realiza enroscando las roscas macho y las roscas hembra, las cuales ambas son roscas ahusadas.

En general, el primer miembro tubular es un tubo como un tubo de acero para uso en piezas tubulares usadas en la industria petrolera y el segundo miembro tubular es un miembro diferente en forma de un acoplamiento. Este tipo de junta roscada para tubos de acero se conoce como un tipo de acoplamiento. En una junta de tipo de acoplamiento, está formado un perno en ambos extremos del tubo y está formada una caja en ambos lados del acoplamiento. Hay también juntas roscadas integrales para tubos de acero en donde se forma un perno en la superficie exterior en un extremo de un tubo y se forma una caja en la superficie interior del otro extremo del tubo. En este ejemplo, el primer miembro tubular es un primer tubo y el segundo miembro tubular es un segundo tubo y los dos tubos son conectados sin un acoplamiento.

Las piezas tubulares usadas en la industria petrolera usualmente son conectadas entre si usando juntas roscadas estándar establecidas por las normas del API (American Petroleum Institute) . Sin embargo, en años recientes, a medida que los ambiéntes en donde se realizan la excavación y la producción de pozos de petróleo crudo y gas natural están volviéndose más severos, se están usando cada vez más juntas roscadas especiales de alto rendimiento conocidas como juntas premium.

En una junta premium, el perno y la caja tienen cada uno, además de una rosca ahusada que hace posible sujetar el perno y la caja, una superficie de sellado provista en la superficie periférica en los alrededores de las roscas y una superficie de hombro que actúa como un tapón durante la conexión de la junta. Se proporciona interferencia radial entre las superficies de sellado del perno y la caja. Cuando la junta roscada es apretada hasta que las superficies de hombro del perno y la caja colindan entre si, las superficies de sellado de ambos miembros se tocan estrechamente entre si alrededor de toda la periferia de la junta para formar un sello por el contacto de metal a metal. Las superficies de hombro no sólo funcionan como tapones en el momento del apriete sino también soportan una carga de compresión que actúa en la junta.

Las Figuras 7 (A) y 7 (B) muestran vistas esquemáticas explicativas de una típica junta roscada premium para tubos de acero del tipo de acoplamiento en donde la Figura 7(B) es una vista general y la Figura 7(A) es una vista alargada de una parte de la junta. Como se muestra en las Figuras 7 (A) y 7 (B) , este tipo de junta roscada para tubos de acero tiene un perno 1 que es un componente con rosca macho provisto en la parte de extremo de un tubo y una caja 2 que es un componente correspondiente con rosca hembra provisto en ambos lados de un acoplamiento. En su superficie exterior, el perno 1 tiene roscas macho ahusadas 11 y una parte de punta cilindrica no roscada citada como un reborde (citada más adelante como una parte de reborde) adyacente a las roscas macho 11. La parte de reborde 12 tiene una superficie de sellado 13 en su periferia exterior y una superficie de hombro 14 en su superficie de extremo. La superficie de sellado 13 es una superficie ahusada (superficie frustocónica ) que gradualmente disminuye en diámetro hacia la punta del perno.

Por consiguiente, la caja 2 tiene, en su superficie interior, roscas hembra ahusadas 21, una superficie de sellado 23 y una superficie de hombro 24 que pueden enroscarse con, o tocar o estar contiguas a, las roscas macho ahusadas 11, la superficie de sellado de metal 13 y la superficie de hombro 14, respectivamente, del perno 1. Como se muestra en la figura, en la mayoría de los casos, una parte de reborde que tiene una superficie de hombro en su superficie de extremo está provista en la punta del perno. Está formado un boquete 31 entre el perno y la caja en el extremo de la parte de reborde adyacente a las roscas macho con el propósito de recolectar un lubricante líquido o semisólido que se aplicó a las superficies del perno y/o caja con el fin de prevenir el desgarramiento y la filtración de la superficie aplicada durante el apriete (ensamblaje) de la junta debido al contacto estrecho de las roscas y las superficies de sellado del perno y la caja.

Antes predominaban los pozos verticales. En estos pozos, una junta roscada para tubos de acero tenia suficiente capacidad si podía soportar la carga de tensión del peso de los tubos conectados a ella y si podía prevenir fugas de fluido de alta presión pasando a través de su interior. Sin embargo, en años recientes, a medida que los pozos se vuelven más profundos, que el número de pozos inclinados o pozos horizontales que tienen una perforación que está curvada bajo tierra ha aumentado y el desarrollo de pozos en ambientes severos como en el océano o en regiones polares se ha extendido, existe una gran demanda de que las juntas roscadas para tubos de acero tengan mayor resistencia a la compresión y mejor capacidad de sellado particularmente bajo presiones internas y externas.

Con el fin de mejorar la resistencia a la compresión y la capacidad de sellado de una junta roscada premium bajo presiones internas y externas, el documento de patente O 2004/109133 (en lo sucesivo citado como Documento de Patente 1) propone una junta roscada para tubos de acero que, como se muestra en la Figura 2, tenga una parte de reborde extendida incluyendo una parte de protuberancia 16 entre la superficie de sellado 13 y la superficie de hombro 14 en el extremo de un perno 1. La parte de protuberancia 16 del perno 1 proporciona una región sin contacto 18 en donde las superficies opuestas del perno 1 y la caja 2 no tienen contacto entre si. Por otro lado, las superficies de sellado 13 y 23 y las superficies de hombro 14 y 24 del perno y la caja tienen contacto entre sí. Alargando la parte de reborde del perno 1 para formar una parte de protuberancia 16 teniendo una región sin contacto 18 con una superficie exterior cilindrica que no tiene contacto con la caja entre la superficie de extremo y la superficie de sellado 13 del perno, el espesor de pared de la parte de reborde y en consecuencia el espesor de pared de la superficie de hombro y la superficie de sellado pueden aumentarse dentro de las restricciones de un espesor de pared de tubo limitado y la resistencia a la compresión de una junta roscada para tubos de acero y su habilidad de formar un sello que sea resistente a la presión interna y externa pueden aumentarse considerablemente.

En el Documento de Patente 1 se revela que, como se muestra en la Figura 4, la superficie de sellado de una caja puede ser de la forma que tiene una combinación de una superficie toroidal (R) (una superficie formada girando un arco alrededor del centro del eje de la junta) en el costado de la superficie de sellado más cerca de la parte roscada y una superficie ahusada (TA) (una superficie formada girando una línea recta alrededor del centro del eje de la junta) en el costado de la superficie de sellado más cerca del hombro, mientras la superficie de sellado de un perno se forma de una superficie ahusada de preferencia con la misma inclinación que la superficie ahusada TA de la caja. Esta forma puede aumentar la estabilidad de la presión de contacto de las superficies de sellado del perno y la caja bajo una variedad de condiciones de operación.

La Figura 5 es una vista esquemática que muestra diferentes formas de la superficie de sellado de una caja que tiene contacto con una forma ahusada de la superficie de sellado de un perno. La Figura 5(A) muestra un ejemplo en donde la superficie de sellado de una caja está constituida únicamente por una superficie ahusada (TA) , la Figura 5(B) muestra un ejemplo en donde está constituida únicamente por una superficie curvada (R) y la Figura 5(C) muestra un ejemplo en donde está constituida por una combinación de una superficie ahusada (TA) y una superficie curvada (R) . En cada caso, el perno está constituido únicamente por una superficie ahusada.

Como se muestra en la Figura 5(A), cuando la caja es una superficie ahusada de sellado (TA) como en la superficie de sellado del perno, el contacto entre las superficies de sellado del perno y la caja se concentra en el borde 51 de estas superficies más cerca de las roscas. Como se muestra en la Figura 5(B), cuando la superficie de sellado de la caja es una superficie curvada (R) y la superficie de sellado del perno es una superficie ahusada, el área de contacto entre las superficies de sellado del perno y la caja disminuye y la estabilidad del contacto puede empeorar. Como se muestra en la Figura 5(C), cuando la superficie de sellado de la caja es una superficie combinada constituida por una superficie ahusada (TA) y una superficie curvada (R) y la superficie de sellado del perno es una superficie ahusada, como se describe en el Documento de Patente 1, la estabilidad del contacto puede aumentarse bajo una variedad de condiciones de uso.

Descripción de la Invención La junta roscada para tubos de acero propuesta en el Documento de Patente 1 en donde la superficie de sellado de una caja está hecha de una combinación de una superficie toroidal más cerca de la parte roscada y una superficie ahusada más cerca del hombro, normalmente exhibe una capacidad de sellado adecuada incluso cuando se aplica una carga de tensión o compresión mientras se está aplicando presión interna o externa a la junta roscada .

Sin embargo, bajo condiciones severas de prueba para la capacidad de sellado como se especifica en ISO 13679 en donde repetidamente se aplican una carga de tensión y compresión y una presión interna y externa de una magnitud tal que el cuerpo de tubo pasa por una deformación plástica en toda su superficie, los presentes inventores encontraron que incluso una junta roscada como acaba de describirse puede desarrollar micro desgarramiento en sus superficies de sellado. Estas condiciones severas de prueba de sellado se establecieron en vista de las condiciones de uso de las piezas tubulares usadas en la industria petrolera, las cuales en estos últimos años se han vuelto cada vez más severas. En consecuencia, inclusive con la junta roscada antes descrita para tubos de acero, el micro desgarramiento puede desarrollarse bajo algunas condiciones y, en el peor de los casos, la capacidad de sellado es deteriorada .

El objetivo de la presente invención es resolver el problema del micro desgarramiento que puede desarrollarse en las superficies de sellado de una junta roscada para tubos de acero.

Los presentes inventores realizaron investigaciones de la forma de las superficies de sellado de la junta roscada para tubos de acero basándose en la forma descrita en el Documento de Patente 1 y obtuvieron los siguientes resultados mediante el análisis usando el método de elementos finitos (FEM) y mediante pruebas de sellado . (1) En una prueba severa de sellado como se establece en ISO 13679, por ejemplo, en donde repetidamente se aplican muchas veces una carga de tensión y compresión o una presión interna y externa de una magnitud tal que un cuerpo de tubo pasa por una deformación plástica en toda su superficie, las superficies de sellado se deslizan en la dirección axial de un lado a otro con una pequeña amplitud durante la prueba. Como resultado de ello, cuando la presión de contacto máxima es grande como cuando hay una gran cantidad de interferencia, las superficies de sellado se ponen ásperas y desarrollan micro desgarramiento debido a este pequeño deslizamiento de un lado a otro. (2) Este micro desgarramiento ocurre más fácilmente en el costado del hombro (o trasero) de las superficies de sellado de la caja. Esto es porque, debido a la presión externa, la parte roscada del perno experimenta una disminución en el diámetro y el enroscamiento de las roscas del perno y la caja se afloja y como resultado, aumenta la amplitud del deslizamiento de un lado a otro antes descrito. Además, bajo una carga debido a la presión externa, debido a una reacción a la disminución en el diámetro de la parte roscada del perno, la punta del reborde del perno experimenta en cambio un aumento en el diámetro (como se ve en una sección transversal longitudinal, la deformación ocurre de tal modo que la punta del reborde se flexiona hacia afuera). Por lo tanto, la región de contacto primario entre las superficies de sellado del perno y la caja se desvia del costado de la rosca hacia el costado del hombro.

La Figura 6 es una vista esquemática que muestra los lugares de contacto entre las superficies de sellado de un perno y una caja. Más específicamente, muestra los lugares de contacto de la superficie de sellado 13 de un perno y la superficie de sellado 23 de una caja. La superficie de sellado 23 de la caja se distingue de las regiones contiguas por el borde 51 y el borde 56 . Las superficies de sellado normalmente tienen contacto entre sí en una región más cerca de la parte roscada en el momento del ensamblaje como se muestra esquemáticamente por la región de distribución de presión por contacto 61 . Sin embargo, si se aplica una presión externa, el contacto ocurre en una región más cerca de los hombros como se muestra esquemáticamente por la región de distribución de presión por contacto 62.

Basándose en los resultados antes descritos, los presentes inventores confirmaron que la ocurrencia del micro desgarramiento en una prueba severa de sellado puede evitarse proporcionando la superficie de sellado de una caja con un radio de curvatura grande en su costado trasero (hombro) , además de un radio de curvatura grande en el costado opuesto más cerca de la parte roscada. Se cree que esto se debe a que el contacto de las superficies de sellado del perno y la caja en donde una parte de extremo del costado de hombro de la superficie de sellado de la caja tiene un radio de curvatura grande, impide que la presión de contacto máxima aumente en esta parte de extremo, como se experimenta cuando esta parte de extremo tiene un radio de curvatura pequeño (un radio de curvatura R de 1 mm a 6 mm, por ejemplo..

Una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención comprende un perno y una caja en donde el perno tiene roscas macho y una parte de reborde que tiene una superficie de sellado y una superficie de hombro y la caja tiene roscas hembra, una superficie de sellado y una superficie de hombro, en el momento del ensamblaje, las roscas macho enroscándose con las roscas hembra, la superficie de sellado del perno teniendo contacto hermético con la superficie de sellado correspondiente de la caja y la superficie de hombro del perno colindando con la superficie de hombro de la caja, caracterizada en que la superficie de sellado del perno es una superficie ahusada y la superficie de sellado de la caja comprende, en la dirección desde las roscas hembra hacia la superficie de hombro, una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande, una superficie ahusada y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande.

La primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande puede comprender varias superficies curvadas. Del mismo modo, la segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande puede comprender varias superficies curvadas.

El término "superficie de sellado" usado en el presente documento se refiere a una región incluyendo una parte no roscada donde un perno y una caja tienen contacto estrecho entre si para formar un sello de contacto hermético al gas, de metal a metal. La expresión "tener contacto hermético" indica realizar el contacto estrecho entre las superficies de sellado del perno y la caja. En el perno y en la caja, la superficie de sellado se distingue de las regiones contiguas por un punto donde la inclinación es discontinua o por una curva que tiene un radio de curvatura pequeño (como máximo 6 mm) .

Una superficie curvada con un radio de curvatura grande significa una superficie que tiene un radio de curvatura R de 15 mm a 120 mm. Siempre y cuando tenga que ver con una superficie de sellado de una junta roscada, la cual es la parte principal designada por la presente invención y que normalmente tiene una longitud de 2.5 - 8 mm, si la primera o segunda parte de superficie curvada tiene un radio de curvatura R que excede de 120 mm, la forma de la superficie curvada se acerca a la forma de una superficie ahusada (una superficie que tiene una sección transversal de linea recta en la dirección axial de la junta roscada) de manera que esta parte de la superficie de sellado ya no pueda funcionar como una superficie curvada (una superficie que tiene una sección transversal de linea curvada en la dirección axial de la junta roscada) en la longitud limitada de la superficie de sellado. Si el radio de curvatura R de la primera o segunda parte de superficie curvada es más pequeño que 15 mm, la presión por contacto aplicada a esta parte curvada en la superficie de sellado aumenta y la estabilidad del contacto de la superficie de sellado es deteriorada.

Una superficie curvada con un radio de curvatura grande es una superficie producida girando una curva (un arco de un circulo, un arco de una elipse, una parábola, o semejante) que tiene el radio de curvatura grande antes descrito alrededor del eje de la junta roscada (eje de la junta) , el cual está alineado con el eje de un tubo de acero conectado por la junta roscada. Como se estableció antes, la primera y segunda partes de superficie curvada pueden formarse cada una de una combinación de varias superficies curvadas cada una teniendo un radio de curvatura grande.

Una superficie ahusada es una superficie producida girando una linea recta que está inclinada con respecto al eje de la junta alrededor del eje de la junta.

Una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención funciona más efectivamente cuando el ángulo de inclinación de las superficies de sellado del perno y la caja es de 5 a 25 grados con respecto al eje de la junta. El ángulo de inclinación de la superficie de sellado significa la inclinación con respecto al eje de la junta de las superficies ahusadas en las superficies de sellado del perno y la caja, principalmente, la parte de la superficie ahusada en la superficie de sellado de la caja y la superficie ahusada de sellado del perno.

De preferencia, una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención tiene una estructura de un perno en donde la superficie de hombro del perno está dispuesta en la superficie de extremo del perno, la superficie de sellado del perno está posicionada en los alrededores del extremo de las roscas macho en el costado más cerca de la superficie de extremo del perno y una parte de protuberancia que no tiene contacto con la parte opuesta de la caja está provista entre la superficie de sellado y la superficie de hombro del perno. La junta roscada puede exhibir un desempeño mejorado con respecto a la resistencia a la compresión y la resistencia a una carga combinada como compresión o tensión combinada con presión externa.

Es también preferible en una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención que la superficie de hombro del perno comprenda dos superficies contiguas bien definidas, una superficie de hombro principal en el costado radialmente interior y una superficie de hombro auxiliar en el costado radialmente exterior y la superficie de hombro correspondiente de la caja contraria a la superficie de hombro del perno comprenda dos superficies contiguas bien definidas, una superficie de hombro principal en el costado radialmente interior y una superficie de hombro auxiliar en el costado radialmente exterior, las superficies de hombro principales del perno y la caja estando dispuestas para evitar una deformación radialmente hacia dentro de la parte de extremo de reborde, las superficies de hombro auxiliares del perno y la caja estando dispuestas para limitar una deformación radialmente hacia afuera de la parte de extremo del reborde, la superficie de hombro principal del perno teniendo una dimensión radial más grande que la superficie de hombro auxiliar del perno y por lo menos la superficie de hombro principal del perno colindando axialmente con la superficie de hombro principal correspondiente u opuesta de la caja.

En una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención, la superficie de sellado de la caja está formada por una primera y una segunda partes de superficie curvada ambas con un radio de curvatura grande y una superficie ahusada entre estas dos partes de superficie curvada. Como resultado de ello, cuando se aplican repetidamente una carga de tensión y una carga de compresión y una presión interna y externa de una magnitud que causa la deformación plástica en toda la superficie del cuerpo de tubo, puede reducirse la ocurrencia del micro desgarramiento en las superficies de sellado del perno y la caja.

Además, proporcionando una junta roscada para tubos de acero con una superficie de sellado de la estructura antes descrita teniendo una parte de protuberancia que no tiene contacto con la parte opuesta de una caja entre la superficie de sellado y la superficie de hombro de un perno o teniendo una superficie de hombro principal y una superficie de hombro auxiliar en donde la superficie de hombro principal se proporciona para evitar la deformación radialmente hacia dentro de la parte de extremo del reborde del perno y la superficie de hombro auxiliar se proporciona para limitar la deformación radialmente hacia afuera de la parte de extremo del reborde, es posible mejorar la resistencia a la compresión y la capacidad de sellado global bajo una carga combinada comprendiendo compresión y presión externa o tensión y presión externa.

Breve Explicación de los Dibujos Las Figuras 1(A) y 1(B) muestran vistas transversales esquemáticas de una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención en donde la Figura 1 (A) es una vista parcial de los alrededores de la parte de reborde de un perno y la Figura 1 (B) es una vista global que muestra el perno y una caja.

La Figura 2 es una vista transversal esquemática que muestra los alrededores de la parte de reborde del perno de una junta roscada para tubos de acero descrita en el Documento de Patente 1.

Las Figuras 3(A) a 3(D) muestran vistas esquemáticas de una superficie de sellado de una caja en una junta roscada para tubos de acero, en donde las Figuras 3 (A) y 3 (B) muestran una superficie de sellado de acuerdo con la presente invención comprendiendo una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande, una parte de superficie ahusada (TA) y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RB) grande, la Figura 3 (C) muestra una superficie de sellado de acuerdo con la presente invención teniendo una estructura que comprende una tercera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RC) grande, una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande, una parte de superficie ahusada (TA) y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RB) grande y la Figura 3(D) muestra una superficie de sellado en una junta roscada comparativa que comprende una parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande y una parte de superficie ahusada (TA) .

La Figura 4 (A) es una vista esquemática que muestra un ejemplo de la superficie de sellado de un perno y una caja de una junta roscada para tubos de acero descrita en el Documento de Patente 1 y que comprende una parte de superficie curvada con un radio de curvatura (R) grande y una parte de superficie ahusada (TA) como en la Figura 3(D) .

Las Figuras 5(A) a 5(C) muestran vistas esquemáticas explicando las formas de las superficies de sellado de una caja y un perno. La Figura 5(A) es un ejemplo en donde la caja tiene una superficie ahusada (TA) y un perno tiene una superficie . ahusada (TA), la Figura 5(B) es un ejemplo en donde una caja tiene una superficie curvada (RA) y un perno tiene una superficie ahusada (TA) y la Figura 5(C) es un ejemplo en donde una caja tiene una superficie combinada que comprende una superficie ahusada (TA) y una superficie curvada (RA) , mientras que un perno tiene una superficie ahusada (TA) .

La Figura 6 es una vista esquemática que muestra las partes de contacto de una superficie de sellado.

La Figura 7 muestra vistas transversales esquemáticas de una junta premium típica convencional para piezas tubulares usadas en la industria petrolera del tipo de acoplamiento, la Figura 7 (A) siendo una vista parcial mostrando sólo un costado de la junta y la Figura 7(B) siendo una vista global.

Modos de Llevar a Cabo la Invención Se explicará una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención haciendo referencia al mismo tiempo a los dibujos.

Las Figuras 1(A) y 1(B) muestran vistas transversales esquemáticas de una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención. La Figura 1 (A) es una vista parcial que muestra los alrededores de la parte de reborde de un perno y la Figura 1(B) es una vista global que muestra el perno y una caja. Esta junta roscada es del tipo de junta roscada premium y está constituida por un perno 1 y una caja 2, cada uno teniendo roscas ahusadas y una superficie de sellado no roscada. La Figura 1(B) muestra un ejemplo de roscas ahusadas.

El perno 1 comprende una parte roscada que tiene roscas macho 11 y una parte de reborde 12 que tiene una superficie de sellado 13 posicionada más cerca del extremo del tubo que la parte roscada. La superficie de extremo de la punta de la parte de reborde forma una superficie de hombro. Como se muestra en los dibujos, la superficie de sellado 13 del perno 1 está posicionada normalmente en el costado de la parte de reborde 12 la cual está adyacente a o en los alrededores de la parte roscada 11.

La caja 2 tiene una parte roscada que tiene roscas hembra 21 las cuales se enroscan con las roscas macho 11 del perno 1, una superficie de sellado 23 que tiene contacto con la superficie de sellado 13 del perno 1 para formar un sello estrecho (un sello de metal a metal) y una superficie de hombro que se apoya en la superficie de hombro del perno en la dirección axial de la junta.

Una parte de las roscas macho adyacente a la parte de reborde 12 puede ser una rosca incompleta o que no se enrosca la cual no se engrana con la rosca hembra 21 de la caja 2.

La parte de reborde 12 del perno 1 de la junta roscada para tubos de acero mostrada en la Figura 1 que tiene un espesor promedio 41 es alargada de manera que tenga una parte de protuberancia 16 entre la superficie de sellado 13 y el extremo del perno 1. La parte de protuberancia forma una región sin contacto 18 en donde el perno no tiene contacto con la superficie opuesta de la caja por una determinada longitud axial. Por lo tanto, la parte de reborde ya no se compara con la junta premium típica mostrada en la Figura 7.

La parte principal de la región sin contacto 18 del perno y de la caja puede estar formada por una superficie ahusada (con un diámetro que disminuye hacia la punta del perno) como se muestra en la Figura 1 (A) o una superficie cilindrica con un diámetro uniforme como se muestra en la Figura 2. El espacio libre radial en la parte principal de la región sin contacto entre el perno y la caja es de preferencia constante a lo largo de su longitud.

Como se ilustra, la parte de protuberancia 16 que tiene una longitud axial 45 incluye la región sin contacto que tiene una longitud axial 48 y una parte de hombro que tiene una longitud axial 49 (en la realización ilustrada, la longitud axial 49 es de una parte de hombro auxiliar 15 como se describe más adelante) , mientras que la parte de reborde 12 incluye la superficie de sellado 13 y la parte de protuberancia 16. La longitud axial 45 de la parte de protuberancia 16 del perno 1 es de alrededor de 4 - 22 mm para un tubo del tamaño usado en piezas tubulares usadas en la industria petrolera que tienen un diámetro exterior de aproximadamente 50 - 550 mm. La longitud axial de la parte sin contacto 48 en la parte de protuberancia 16 del perno 1 comprende de preferencia alrededor de 45 - 90% de la longitud axial de la parte de protuberancia 45.

Mientras más grandes sean los espesores de la superficie de sellado y la parte de protuberancia de la parte de reborde, mayor será su capacidad de sellado contra la presión externa, asi que cuando se forma un chaflán 17 en la superficie interior del extremo de la parte de reborde con el fin de evitar la turbulencia aumentando la circularidad, el ángulo del chaflán 17 con respecto al eje de la junta es de preferencia un ángulo bastante pequeño en la gama de 9 a 30 grados. Del mismo modo puede proporcionarse un chaflán con un ángulo poco profundo en la superficie interior de la caja 2 que está contigua al perno 1, como se describe en la Figura 2.

En este ejemplo, la superficie de hombro en el extremo del perno 1 tiene un contorno de dos pasos que comprende una parte de superficie de hombro principal 14 en el costado radialmente interior de la junta y una parte de superficie de hombro auxiliar 15 en el costado radialmente exterior de la junta. La parte de superficie de hombro principal 14 del perno 1 es una superficie de hombro invertida que tiene un ángulo negativo 44 con respecto a un plano perpendicular al eje de la junta. Por otro lado, la parte de superficie de hombro auxiliar 15 tiene un ángulo positivo 43 con respecto a un plano perpendicular al eje de la junta. La superficie de hombro principal 14 tiene una dimensión radial 46 (espesor proyectado en un plano perpendicular al eje de la junta) la cual es más grande que la dimensión radial 47 de la superficie de hombro auxiliar 15.

Por consiguiente, la superficie de hombro de la caja 2 tiene un contorno de dos pasos que comprende una parte de superficie de hombro principal más gruesa 24 en el costado radialmente interior de la junta y una parte de superficie de hombro auxiliar más delgada 25 en el costado radialmente exterior de la junta. De preferencia, el empalme entre la parte de superficie de hombro principal 14 y la parte superficie de hombro auxiliar 15 del perno 1 forma un pico redondeado que tiene un radio de 1.5 mm como máximo y la caja 2 tiene un recoveco redondeado correspondiente entre la parte de hombro principal 24 y la parte de hombro auxiliar 25.

El ángulo inverso 42 de las superficies de hombro principales 14 y 24 es tal que el valor absoluto (en realidad, es un ángulo negativo) de la inclinación 42 de la superficie de hombro principal 14 del perno 1 con respecto a un plano perpendicular al eje de la junta es de preferencia de 5 a 25 grados y más preferentemente de 8 a 20 grados.

La inclinación 43 de las superficies de hombro auxiliares 15 y 25 con respecto al eje de la junta es de preferencia de 5 a 30 grados (principalmente, la inclinación con respecto a una dirección perpendicular , al eje de la junta es de al menos +60 grados y de +85 grados como máximo) y más preferentemente, es más grande que la inclinación 44 de las superficies de sellado.

Las superficies de hombro auxiliares 15 y 25 están diseñadas normalmente para no tener contacto entre si durante un estado ensamblando normal. Las superficies de hombro auxiliares tienen como objetivo tener contacto entre si cuando se aplica una carga de compresión grande a la junta roscada o cuando se aplica un par de apriete excesivo con el fin de suprimir hacia afuera la deformación de la parte de reborde. Sin embargo, las superficies de hombro auxiliares 15 y 25 pueden estar diseñadas para tener contacto entre si durante un estado ensamblado normal siempre y cuando el desempeño de las superficies de sellado 13 y 23 no sea adversamente afectado .

En una realización de una junta roscada que tiene una superficie de hombro con el contorno de dos pasos antes descrito, la longitud axial 45 de la parte de protuberancia 16 del perno 1 es sustancialmente igual a la suma de la longitud axial 48 de la región sin contacto 18 y la longitud axial 49 de la parte de superficie de hombro auxiliar 15 la cual también normalmente no tiene contacto con la superficie opuesta de la caja.

Con una junta roscada de la realización mostrada en las Figuras 1 (A) y 1 (B) , proporcionando una parte de protuberancia 16 teniendo una región sin contacto 18 en una posición más cerca del extremo del perno que la superficie de sellado 13 y proporcionando la forma de la superficie de hombro en el extremo del perno con un contorno de dos pasos incluyendo una parte de superficie de hombro principal 14 y una parte de superficie de hombro auxiliar 15, se suprime la deformación inestable de la parte de reborde, se obtiene una excelente resistencia a la compresión y se mejora en gran medida la capacidad de sellado global bajo una carga combinada repetida .

En una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención, la superficie de sellado de un perno es una superficie ahusada, mientras que la superficie de sellado de una caja comprende, en la dirección de las roscas hembra hacia la parte de hombro, una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande, una parte de superficie ahusada y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande. Es decir, la primera parte de superficie curvada se encuentra más cerca de las roscas hembras y la segunda parte de superficie curvada se encuentra más cerca de la parte de hombro.

Como se mencionó anteriormente, una superficie con un radio de curvatura grande tiene un radio de curvatura R de 15 - 120 mm. Una superficie con un radio de curvatura grande se produce girando una linea curvada que tiene la curvatura grande antes descrita (un arco circular, un arco elíptico, una parábola, o semejante) alrededor del eje de la junta. Puede combinarse una gran variedad de estas partes de superficie curvada en una superficie con un radio de curvatura grande.

Una superficie ahusada es formada girando una línea recta la cual está inclinada con respecto al eje de la junta alrededor del eje de la junta.

Las Figuras 3(A) a 3(D) muestran vistas esquemáticas de una superficie de sellado de una caja de una junta roscada. Las Figuras 3(A) a 3(C) muestran ejemplos de una superficie de sellado de la caja de acuerdo con la presente invención. La Figura 3(A) muestra una superficie de sellado que tiene una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande, una parte de superficie ahusada (TA) y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RB) grande. Del mismo modo, la Figura 3(B) muestra una superficie de sellado que tiene una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande, una parte de superficie ahusada (TA) y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RB) grande, pero la longitud de por lo menos una de la primera y la segunda partes de superficie curvada y la parte de superficie ahusada es diferente a la longitud de la superficie de sellado mostrada en la Figura 1(A) . La Figura 3(C) muestra una superficie de sellado que tiene una tercera superficie curvada con un radio de curvatura (RC) grande que es agregada antes de una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande seguida por una parte de superficie ahusada (TA) y una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RB) grande. La Figura 3(D) muestra un ejemplo comparativo de una superficie de sellado de la caja teniendo sólo una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura (RA) grande y una parte de superficie ahusada (TA) , como se describe en el Documento de Patente 1 y como se muestra en la Figura 4.

La superficie de sellado 23 se distingue de las regiones contiguas por un punto donde la inclinación cambia discontinuamente o por una curva que tiene un radio de curvatura R pequeño (6 mm como máximo) . En las Figuras 3(A) - 3(D), la superficie de sellado 23 tiene bordes 51 y 56 en ambos extremos teniendo radios de curvatura Rx y Ry pequeños (ambos 6 mm como máximo) , respectivamente. En la Figura 3(A), el alcance o la longitud axial de la superficie de sellado se muestra con el número de referencia 58. Como se mencionó antes, la longitud axial de la superficie de sellado es aproximadamente 2.5 - 8 mm con un tubo del tamaño usado en las piezas tubulares usadas en la industria petrolera (teniendo un diámetro exterior de aproximadamente 50 -550 mm) .

La Figura 3 (A) se obtiene agregando una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura 55 (RB) grande al ejemplo comparativo de una superficie de sellado 23 mostrada en la Figura 3(D), la cual comprende una primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura 53 (RA) grande y una parte de superficie ahusada 54 (TA) . Proporcionando una segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura 55 (RB) grande en el costado de la parte de superficie ahusada más cerca de la parte de hombro, puede reducirse el problema del micro desgarramiento. El radio de curvatura y la longitud axial de la segunda parte de superficie curvada (RB) pueden ser los mismos que o diferentes a los de la primera parte de superficie curvada (RA) siempre y cuando ambos sean un radio de curvatura grande. De preferencia, el radio de curvatura de la primera parte de superficie curvada (RA) es más grande que el de la segunda parte de superficie curvada (RB) .

La Figura 3(B) es un ejemplo que es igual al ejemplo de la Figura 3 (A) excepto que la proporción de las longitudes de una superficie con un radio de curvatura 53 (RA) grande y una parte de superficie ahusada 54 (TA) es variada. La proporción de la longitud de la parte de superficie ahusada 54 es de preferencia de 0.1 - 0.6 y más preferentemente de 0.1 - 0.45 y de la más manera más preferente de 0.1 - 0.3 de la longitud completa de la superficie de sellado. De esta manera, la longitud axial de la parte ahusada 54 es de preferencia de por lo menos O .5 mm y más preferentemente de al menos 1 mm.

En la Figura 3(C), se proporciona una tercera parte de superficie curvada con un radio de curvatura 52 (RC) grande entre la primera superficie curvada con un radio de curvatura 53 (RA) grande y el borde 51 (Rx) de la Figura 3 (A) . El radio de curvatura RC grande de la superficie 52 es de preferencia más pequeño que el radio de curvatura RA grande de la superficie 53. Como resultado de ello, las superficies de sellado del perno y la caja no tienen contacto entre si en el borde 51 el cual tiene un radio de curvatura Rx pequeño y la presión por contacto en esta área puede disminuirse. Por consiguiente, puede lograrse un contacto más estable entre las superficies de sellado.

El ángulo de inclinación de la parte de superficie ahusada (TA) en la superficie de sellado de la caja es de preferencia igual al de la superficie ahusada la cual únicamente constituye la superficie de sellado del perno, aunque puede permitirse una pequeña diferencia dentro de 5 grados entre los ángulos de inclinación del perno y la caj a .

Como se mencionó antes, el ángulo de inclinación de la parte de superficie ahusada en una superficie de sellado de una caja de acuerdo con la presente invención y el de la superficie ahusada del perno es de preferencia de 5 - 25 grados y más preferiblemente de 8 a 20 grados con el fin de garantizar gue las superficies de sellado logren su función de sellado de manera efectiva. Si este ángulo es demasiado empinado (demasiado grande) , la presión por contacto del sellado en el momento de la aplicación de una carga de tensión disminuye, mientras que si es muy poco profundo (demasiado pequeño) , puede ocurrir fácilmente el desgarramiento debido a un aumento en la distancia de deslizamiento.

La explicación anterior pertenece principalmente a la junta roscada para tubos de acero mostrada en la Figura 1 teniendo una región ahusada sin contacto y superficies de hombro con contorno de dos pasos, pero la estructura de la superficie de sellado 13, 23 del perno y la caja de acuerdo con la presente invención es también efectiva con una junta roscada para tubos de acero teniendo una parte de protuberancia como la mostrada en la Figura 2 que tiene una región cilindrica sin contacto y superficies de hombro generalmente verticales. También puede aplicarse a las superficies de sellado 13, 23 de una junta premium típica como se muestra en la Figura 7. Ejemplos Con el fin de ilustrar los efectos de la presente invención, se realizó una prueba de Serie A especificada por ISO 13679 en una junta roscada para revestimiento midiendo 9-5/8 pulgadas de diámetro y pesando 53.5 libras por pie (diámetro exterior de 244.48 mm y espesor de pared de 13.84 mm) . Se formó un perno en el exterior en ambos extremos de un tubo de acero y se formó una caja en el interior en ambos extremos de un acoplamiento. La junta roscada sometida a esta prueba la cual estaba hecha de acero L80 (acero al carbono) especificado por las normas de API (American Petroleum Institute) , tenia la forma básica de una junta roscada para piezas tubulares usadas en la industria petrolera del tipo de acoplamiento mostrada en la Figura 7 excepto la forma de su parte de reborde, la cual era un reborde extendido teniendo una forma como se muestra en la Figura 1 (A) o Figura 2 incluyendo una superficie de sellado, una superficie de hombro y una región sin contacto entre la superficie de sellado y la superficie de hombro para el perno y la caja. El ángulo de inclinación de la (parte) superficie ahusada en las superficies de sellado del perno y la caja era de 14 grados. Se proporcionaron dos juntas roscadas (A) y (B) en donde la forma de la superficie de sellado de la caja es distinta para una prueba de estanqueidad al gas .

En una junta roscada (A) que era un ejemplo de acuerdo con la presente invención, el perno tenia una parte de reborde de la forma mostrada en la Figura 1 (A) incluyendo una superficie ahusada de sellado, una región ahusada sin contacto y una superficie de hombro con contorno de dos pasos teniendo una parte de superficie de hombro principal y una parte de superficie de hombro auxiliar. La longitud axial 45 de la parte de reborde del perno era de 15 mm y la longitud axial 49 de la parte de superficie de hombro auxiliar era de 3.99 mm. El ángulo inverso 42 de la parte de superficie de hombro principal era de 15 grados y el ángulo de inclinación 43 de la parte de superficie de hombro auxiliar con respecto al eje de la junta era de 20 grados. El ángulo de chaflán 17 con respecto al eje de la junta era de 15 grados. La caja la cual tenia la forma mostrada en la Figura 1 (A) tenia una superficie de sellado de la forma mostrada en la Figura 3 (A) en donde comenzando desde el costado más cercano a las roscas hembra, tenia una superficie curvada con un radio de curvatura 53 grande con un radio R60 (para una longitud axial de 1.75 mm) , una parte de superficie ahusada 54 (para una longitud axial de 1.0 mm) y una superficie curvada con un radio de curvatura 55 grande con un radio R25 (para una longitud axial de 1.0 mm) . R60 y R25 indican que los radios de curvatura son de 60 mm y 25 mm, respectivamente. El ángulo de inclinación de la parte de superficie ahusada en la superficie de sellado de la caja era de 14 grados como en la superficie ahusada de sellado del perno.

En la otra junta roscada (B) , el perno tenía una parte de reborde de la forma mostrada en la Figura 2 incluyendo una superficie ahusada de sellado y una región cilindrica sin contacto. La longitud axial de la parte de reborde era de 15 mm. La caja correspondiente tenía una superficie de sellado de la forma mostrada en la Figura 3(D) teniendo una superficie curvada con un radio de curvatura 53 grande con un radio R60 (para una longitud axial de 1.75 mm) y una parte de superficie ahusada 54 (para una longitud axial de 1.75 mm) . El ángulo de inclinación de la parte de superficie ahusada en la superficie de sellado de la caja era de 14 grados como en la superficie ahusada de sellado del perno.

Cuando estas dos juntas roscadas fueron sometidas a la prueba severa de Serie A especificada por ISO 13679 de acuerdo con la cual se aplicó repetidamente una carga combinada de tensión, compresión y presión interna y externa, no ocurrió el micro desgarramiento en la junta roscada (A) de acuerdo con la presente invención. Con esta junta roscada, no se observaron fugas, las superficies de sellado después de esta prueba de estanqueidad al gas estaban lisas y no se observaron superficies ásperas o semejantes.

En contraste, en la junta roscada (B) como se describe en el Documento de Patente 1, se observó que ocurrió el micro desgarramiento y en consecuencia, también se encontraron fugas .

La explicación anterior es de modos específicos de la presente invención, pero esta explicación es únicamente un ejemplo y la presente invención no está limitada a estos modos.

Claims (6)

Reivindicaciones

1. Una junta roscada para tubos de acero que comprende un perno y una caja en donde el perno tiene roscas macho y una parte de reborde teniendo una superficie de sellado y una superficie de hombro y la caja tiene roscas hembra, una superficie de sellado y una superficie de hombro, en donde en el momento del ensamblaje, las roscas macho se enroscan con las roscas hembra, la superficie de sellado del perno tiene contacto hermético con la superficie de sellado de la caja y la superficie de hombro del perno colinda con la superficie de hombro de la caja, caracterizada en que la superficie de sellado del perno está constituida únicamente por una parte de superficie ahusada y la superficie de sellado de la caja comprende, en la dirección de las roscas hembra hacia la superficie de hombro, una primera superficie curvada con un radio de curvatura grande, una superficie ahusada y una segunda superficie curvada con un radio de curvatura grande .

2. Una junta roscada para tubos de acero como se establece en la reivindicación 1 en donde la primera parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande comprende una gran variedad de superficies curvadas .

3. Una junta roscada para tubos de acero como se establece en la reivindicación 1 o reivindicación 2 en donde la segunda parte de superficie curvada con un radio de curvatura grande comprende una gran variedad de superficies curvadas.

4. Una junta roscada para tubos de acero como se establece en cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3 en donde el ángulo de inclinación de la superficie ahusada de sellado del perno y la parte de superficie ahusada de la superficie de sellado de la caja con respecto al eje de la junta es de 5 - 25 grados.

5. Una junta roscada para tubos de acero como se establece en cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4 en donde la superficie de hombro del perno está dispuesta en la superficie de extremo del perno, la superficie de sellado del perno está dispuesta en los alrededores de las roscas macho entre las roscas macho y el extremo del tubo y una región sin contacto en donde el perno y la caja no tienen contacto entre si está dispuesta en el perno y en la caja en una posición entre la superficie de sellado y la superficie de hombro.

6. Una junta roscada para tubos de acero como se establece en la reivindicación 5 en donde la superficie de hombro del perno y de la caja incluye dos superficies contiguas bien definidas constituidas por una superficie de hombro principal en el costado radialmente interior y una superficie de hombro auxiliar en el costado radialmente exterior, las superficies de hombro principales del perno y la caja estando dispuestas para evitar la deformación radialmente hacia dentro de la parte de extremo del reborde, las superficies de hombro auxiliares del perno y la caja estando dispuestas para limitar la deformación radialmente hacia afuera de la parte de extremo del reborde, la dimensión radial de la superficie de hombro principal del perno siendo más grande que la dimensión de la superficie de hombro auxiliar del perno y por lo menos la superficie de hombro principal del perno colindando con la superficie de hombro principal de la caja en la dirección axial en el momento del ensamblaje.