MX2013004178A - Componente tubular roscado y junta resultante. - Google Patents

Abstract

La invención tiene por objeto un componente tubular roscado para la perforación o la explotación de pozos de hidrocarburos, presentando dicho componente tubular en uno de sus extremos (1; 2) una zona roscada (3; 4) realizada en su superficie periférica exterior o interior según que el extremo roscado sea del tipo macho o hembra, caracterizado por el hecho de que al menos una parte extrema (1; 2) está revestida con una película seca lubricante (12) cuya matriz (13) comprende al menos un agente de deslizamiento migratorio (9) que pertenece a la familia de los aceites o de las ceras y queda repartido principalmente en la superficie de la película seca lubricante (12), de forma tal que el coeficiente de rozamiento de la película (12) es inferior a 0.07 bajo cargas de presión inferiores a 40 N, mientras que el coeficiente de rozamiento de la película (12) es superior a 0.1 bajo cargas de presión superiores a 200 N.

Description

MEMORIA DESCRIPTIVA j La presente invención se refiere a un elemento tubular destinado a la perforación y/o a la explotación de pozos de hidrocarburos, y mas en l particular, al extremo roscado de un elemento de este tipo. Este extremo puede ser de tipo macho o hembra y es apto para ser empalmado a un i correspondiente extremo de un elemento análogo para así formar una junta o una conexión.

La invención se refiere también a una junta roscada resultante del empalme por enroscamiento de dos elementos tubulares. j Se entiende por "elemento tubular destinado a la perforación y a la explotación de pozos de hidrocarburos" todo elemento de i forma í sensiblemente tubular apto para ser empalmado a otro elemento, del mismo tipo o no, con vistas a constituir en particular ya sea una guarnición apta para perforar pozos de hidrocarburos, o bien una columna montante submarina para el mantenimiento (llamada también «work over riser» = columna I montante de reacondicionamiento) o para la explotación de tales pozos, tal como un «riser», o sea una columna de revestimiento o de que interviene en la explotación del pozo. La invención se aplica igualmente a los elementos que se utilizan en una guarnición de perforación, tales corrió, por ejemplo, las tuberías de perforación o «drill pipes», las tuberías de perforación i i pesadas o «heavy weight drill pipes», los collares de perforación o | «drill collars» y las partes de juntas de tuberías y de tuberías pesadas, llamadas j «tool joints» en idioma inglés. j Cada elemento tubular comprende una parte extrema dotada de una zona roscada macho o de una zona roscada hembra destinada á ser i enroscada con una parte extrema correspondiente de un elemento análogo. Así empalmados, los elementos componen lo que se llama una junta p una conexión.

Estos componentes tubulares roscados de una conexión se empalman bajo esfuerzos definidos a fin de responder a las exigencias que en materia de apriete y de estanqueidad imponen las condiciones de utilización.

Hay que saber además que los componentes tubulares roscados pueden tener que experimentar varios ciclos de enroscamiento y ! de desenroscamiento, en particular en los pozos. : Las condiciones de utilización de estos componentes tubulares roscados dan lugar a distintos tipos de esfuerzos que hacen quej sea necesaria la utilización de revestimientos en las partes sensibles de estos componentes, tales como las zonas roscadas, las zonas en contacto a tope, o también las superficies de estanqueidad. ¡ I Así, las operaciones de enroscamiento se hacen generalmente i bajo una considerable carga axial, por ejemplo debido al peso de un tubo de varios metros de longitud a empalmar por la junta roscada, estando dicha carga axial eventualmente localizada por una ligera desalineación del eje de los elementos roscados a empalmar. Esto induce riesgos de gripaje al nivel de las zonas roscadas y/o al nivel de las superficies de estanqueidad de njietal / i metal. Se revisten comúnmente con lubricantes las zonas roscadas así como las superficies de estanqueidad de metal/metal.

Además, los componentes tubulares roscados a menudo se j almacenan y luego se enroscan en un ambiente agresivo. Éste es por ejemplo el caso en situación «off shore» («off shore» = en mar abierto) en presencia de niebla salina o en situación «on shore» («on shore» = en tierra) en presencia de arena, de polvo y/o de otros contaminantes. Es pues necesario emplear revestimientos contra la corrosión en las superficies que deben cooperar en enroscamiento (el cual es el caso de las zonas roscadas) q bien en contacto en apriete (el cual es el caso de las superficies de estanqueidad j de metal/metal). Es igualmente necesario tratar las superficies contra la corrosión. j Sin embargo, teniendo en cuenta las normas medioambientales, resulta que el empleo de grasas que se ajustan al estándar API RP¡ 5A3 (American Petrol Institute) no constituye una solución para el largo plazo, ¡en la medida en tubulares y requieren especiales operaciones de limpieza. \ | A fin de dar respuesta a las problemáticas de resistencia i duradera a la corrosión y al gripaje, y a las prerrogativas ligadas al medio ambiente, se han desarrollado revestimientos sólidos y secos (es decir, no i I pastosos a diferencia de las grasas) lubricantes y protectores. Éste es en particular el termoplástica lubricante sólido. Tales revestimientos han permitido resolver en particular los problemas de los sucesivos enroscamientos y desenroscamientos, sobre todo en condiciones de uso en el lugar de explotación, así como los problemas de protección de los elementos roscados contra la corrosión. j Sin embargo, ha resultado que en condición de utilización la lubricación era tan importante que ya no permitía apretar entre sí los extremos macho y hembra de una junta tubular roscada según el perfil del p(ar de apriete predefinido para esta junta tubular roscada. En otros términos, jestos revestimientos reducen talmente los rozamientos en el contacto de enroscamiento al final del enroscamiento bajo grandes esfuerzos de Hertz, llamados «presión extrema» y a bajas velocidades de rozamiento, que se alcanza mucho antes el par de plastificación. Esto conduce a unos valores del i par de tope que son bastante inferiores a los de referencia, los cuales se obtienen con la grasa API RP 5A3. Debido a esto, en ciertos casos extrjemos I se plastifica el tope antes de haber alcanzado el par de enroscamiento útil.

Así pues, la Solicitante ha intentado resolver el antagonismo que existe entre un elevado valor del par de tope (la diferencia entre el par de plastificación y el par de aproximación) con un bajo par de aproximación y una suficiente resistencia al gripaje. j La invención apunta a un componente tubular roscado destinado a la perforación o a la explotación de pozos de hidrocarburos, presentando dicho componente tubular en las inmediaciones de uno de sus extremos una zona roscada realizada en su superficie periférica exterior o interior según que el extremo roscado sea del tipo macho o hembra, siendo dicho componente tubular roscado notable por el hecho de que al menos una parte del extremo está revestida con una película seca lubricante cuya matriz puede comprender al menos un agente de deslizamiento que es migratorio y pertenecé a la familia de los aceites o de las ceras y queda repartido principalmente en la superficie de la película seca lubricante, de forma tal rozamiento de la película es inferior a 0.07 bajo cargas 40 N, mientras que el coeficiente de rozamiento de la película es superior a 0.1 bajo cargas de presión superiores a 200 N. ¡ En otros términos sensiblemente equivalentes, la invención apunta a un elemento tubular que está a la explotación de pozos de hidrocarburos que comprende al menos una zona roscada, siendo dicho elemento tubular notable por el hecho de que la parte extrema está al menos parcialmente revestida con una película seca la cual comprende una matriz y al menps un agente de deslizamiento que migra en la matriz y queda mayoritariamente repartido en las inmediaciones de la superficie libre de la película seca lubricante, por el hecho de que dicho agente de deslizamiento se selecciona de entre los miembros del grupo que consta de los aceites y las ceras, y por el hecho de que la matriz y dicho agente de deslizamiento están adaptados Gonjuntamente de manera que la película seca presenta un coeficiente de rozamiento inferior a 0.07 bajo cargas inferiores a 40 N y superior a 0.1 bajo cargas superiores a 200 N. ¡ i La presente invención propone emplear agentesj de deslizamiento migratorios para formar preferencialmente en la superficie de la I parte revestida del elemento roscado una película seca lubricante a fin de reducir el rozamiento y la adherencia de dicha película frente a ¡otras I superficies, permitiendo estos agentes de deslizamiento migratorios sin embargo conservar un par de tope al menos igual a aquél que se obtiene cuando se untan elementos roscados con una grasa estándar API RP 5A3.

En particular, la presente invención trata sobre la utilización de agentes de deslizamiento migratorios en una matriz termoplástica o termoindurente que permiten obtener bajos coeficientes de rozamiento cuando la superficie de la parte revestida del elemento roscado es sometida a esfuerzos de cizallamiento bajo baja presión al comienzo del enroscamiento, y coeficientes de rozamiento más elevados cuando la superficie de la parte revestida del elemento roscado es sometida a esfuerzos de cizallamiento! bajo alta presión cuando se llega al final del enroscamiento. j Se enuncian de aquí en adelante características opcionales, complementarias o de sustitución.

El agente de deslizamiento migratorio puede comprender un i aceite de silicona y/o un aceite perfluorado. i | El agente de deslizamiento migratorio puede comprender un ! aceite de silicona tipo polidimetilsiloxano que tenga una tensión superficial < 24 mN/m y una viscosidad cinemática comprendida entre 100 y ¡ 1850 mm2/seg. a 20°C.

El agente de deslizamiento migratorio puede comprender una cera de amidas y/o una cera de parafina. ! El agente de deslizamiento migratorio puede comprender una cera de amidas primarias saturadas o insaturadas tipo erucamida, oleamida, y estearamida, y/o una cera de amidas secundarias saturadas o insaturadas tipo etilen-bis-oleamida o etilen-bis-estearamida, y/o una cera de parafina.

La película seca lubricante puede comprender una matriz termoindurente o termoplástica elegida de forma tal que le confiera; a la película seca lubricante un valor de par de tope al menos igual al que se obtiene con una grasa API RP 5A3. i La película seca lubricante puede comprender una matriz de fluoro-uretano obtenida por reticulación de fluoroetilenviniléter en dispersión acuosa.

La película seca lubricante puede comprender una matriz termoplástica obtenida a partir de copolímeros de acrilatos de poliéster! o de copolímeros de estireno-acrílico en dispersión acuosa. i La película seca lubricante puede comprender una matriz termoplástica proyectada en estado de fusión, elegida de forma tal que le confiera a la película seca lubricante un valor de par de tope al menos igual al que se obtiene con una grasa API RP 5A3. j La película seca lubricante puede comprender una matriz de ! copoliamida. j i La película seca lubricante puede comprender entre un 5% y un 10% en peso de aceite de polidimetilsiloxano, siendo la matriz una matriz de copoliamida. I La película seca lubricante puede comprender aceite de I i polidimetilsiloxano de masa molecular comprendida entre 10000 y 40000 g/mol y de viscosidad cinemática inferior o igual a 1000 mm2/seg. a 25°C: i El agente de deslizamiento migratorio puede comprender un perfluoropoliéter de viscosidad cinemática comprendida entre 150 y ¡ 1850 i mm /seg. o funcionalizado con función alquilamida o fosfato de masa molecular comprendida entre 1850 y 3100 g/mol.

La película seca lubricante puede comprender sensiblemente un 2% en peso de aceite de polidimetilsiloxano, siendo la matriz una matriz de i fluoro-uretano.

La película seca lubricante puede comprender lubricantes de las clases 1 , 2, 3 o 4, y preferencialmente fluoruros y/o grafitos sintéticos. j i La película seca lubricante puede comprender un agente anticorrosión, y preferencialmente una sílice intercambiadora de iones, j La parte revestida de la película seca lubricante puede haber I sido previamente objeto de una etapa de preparación superficial elegida de entre los miembros del grupo que consta de chorreado con arena, tratamientos de conversión, depósitos electrolíticos y tratamientos no reactivos.

Toda la zona roscada está revestida con la película seca lubricante.

El componente tubular roscado puede comprender una superficie de estanqueidad de metal/metal, estando dicha superficie de estanqueidad revestida con la película seca lubricante. ¡ i La invención tiene igualmente por objeto una junta tubular roscada que comprende un componente tubular roscado macho y un i componente tubular roscado hembra enroscados uno dentro del otro, estando una parte de al menos uno de dichos componentes tubulares roscados revestida con la película seca lubricante. ¡ Se exponen más en detalle en la siguiente descripción y haciendo referencia a los dibujos adjuntos características y ventajas de la invención. ¡ La figura 1 es una vista esquemática de una junta resultante del empalme por enroscamiento de dos componentes tubulares.

La figura 2 es una vista esquemática de la cur aj de enroscamiento de dos componentes tubulares roscados. i La figura 3 es una vista esquemática de un sustrato revestido con una película seca lubricante. i La figura 4 es una vista esquemática de una de ensayo. i La figura 5 es una vista esquemática de otra instalación de ensayo.

Las figuras 6 a 8 representan curvas de ensayos.

La junta roscada representada en la figura 1 comprende un primer componente tubular de eje de revolución 10 y dotado de una parte revolución 10 respectivo y están respectivamente dotadas de sendas Lonas roscadas 3 y 4, las cuales cooperan entre sí para el mutuo empalme de los componentes por enroscamiento. Las zonas roscadas 3 y 4 pueden ser del tipo de las de rosca trapezoidal, de tipo autobloqueante o de otro tipo. Además están previstas respectivamente en las partes extremas macho 1 y hembra 2, en las inmediaciones de las zonas roscadas 3, 4, superficies de estanqueidad i de metal/metal 5, 6 destinadas a quedar en contacto en apriete estanco una contra otra tras el empalme por enroscamiento de los dos componentes roscados. La parte extrema macho 1 presenta una superficie terminal 7 ser los dos componentes enroscados uno en el otro queda en contacto contra una superficie correspondiente 8 prevista en la parte extrema hembra 2. | i Según una variante de realización, el tope entre la superficie terminal 7 y la superficie correspondiente 8 puede ser sustituido por zonas roscadas 3, 4 dispuestas en cooperación en apriete autobloqueante del tipo descrito, por ejemplo, en la US 4 822 081 , la US RE 30 647 o 34467.

Como está representado en las figuras 1 y 3, la parte o 2 de al menos uno de los componentes tubulares está revestida al menos parcialmente con una película seca lubricante 12 que comprende una matriz 13 y al menos un agente de deslizamiento 9 que migra en la misma y se; elige de entre los miembros del grupo que consta de los aceites y las ceras. ¡ Este agente queda repartido principalmente en las inmediaciones de la superficie j de la película seca lubricante 12, es decir, en la parte opuesta a la Ide la i superficie exterior de la parte extrema o sustrato 1 1. j Una película seca es una película sólida y no adhesiva al Se entiende por «aceite» un líquido graso y un untuoso de ojrigen i vegetal, animal, mineral o sintético. Se entiende por «cera» un material maleable y fusible en particular de procedencia vegetal, petrolera o de I síntesis.

El agente de deslizamiento migratorio 9 está aquí concentrado en un 65% en peso en las 15 mieras superiores del espesor de la película 12.

Dicho de otro modo, al menos un 65% en peso del agente deslizante i comprendido en la matriz 3 está repartido en una capa superior de la película 12 de aproximadamente 15 mieras. Esta repartición aprovecha el fenómeno migratorio que se produce al efectuar la deposición de la película 12 sobre el sustrato 1 1. El fenómeno migratorio de agentes es conocido en el terreno de los embalajes donde constituye un riesgo toxicológico (reliberación), de la j j aptitud de un aceite migratorio para generar películas elastohidrodinámic|as en t el contacto lubricante (Tesis M. Marchetti, INSA, 2000), o también ¡en el terreno de la interacción entre lubricantes y cauchos con hinchamiento/encogimiento por migración de aceite en las juntas de estanqueidad, por ejemplo. j Preferiblemente, el agente de deslizamiento migratorio se j elige de entre los miembros del grupo que consta de los polidimetilsiloxanos, los i perfluoropoliéteres, las ceras de amidas y las ceras de parafinas.

! La película seca lubricante 12 puede recubrir la totalidad o parte i de la zona roscada 3, 4. j La película seca lubricante 12 puede recubrir la totalidad o 'parte de la superficie de estanqueidad de metal/metal 5, 6. ' La película seca lubricante 12 puede igualmente no recubrir la superficie de estanqueidad 5, 6 y/o la zona roscada 3, 4. j La película seca 12 presenta una escasa capacidad de resistencia al rozamiento superficial. Esto se traduce en una baja resistencia i al cizallamiento bajo pequeña carga.

Las matrices que se utilicen pueden ser de tipo termoplástjco o termoindurente. El fenómeno de migración a la superficie del agente de j deslizamiento migratorio está ligado a la cinética de formación de la película j seca.

En el caso de una matriz termoplástica depositada por un procedimiento de proyección en estado de fusión (hotmelt), la cinética de ? formación de la película se resume en la cinética de enfriamiento del material termoplástico proyectado En el caso de una matriz termoindurente, la cinética de 1 formación de la película se resume en la cinética de reticulación del material termoindurente.

Debido a ello, los agentes de deslizamiento migratorios que se utilicen deben satisfacer, al menos en parte, las exigencias siguientes: i densidad o masa volumétrica más baja que la del conjunto de los primarias y secundarias. j De entre estos agentes, se preconizan los que le confieren a la i película 12 un comportamiento viscoelástico bajo cizallamiento ll mado «reorresistente», es decir, aquéllos con los cuales se obtiene al final del enroscamiento un elevado valor de par de tope. Se trata en particular de perfluoropoliéteres y de aceites siliconados tipo polidimetilsiloxano i modificados o no. j Se ha constatado que las películas secas 12 que incluyen tales agentes de deslizamiento migratorios presentan un carácter «autolubricante», en el sentido de que estos agentes son liberados en la superficie de la película a medida que se produce una abrasión de la película ligada en particular a las fricciones.

Se han estudiado más en particular los agentes de deslizamiento migratorios siguientes: los polidimetilsiloxanos lineales de viscosidad comprendida entre 100 y 12500 mm2/seg. a 25°C, las emulsiones no iónicas i de polidimetilsiloxano lineal de pequeña longitud de cadena y modificado con poliéter, las emulsiones aniónicas de polidimetilsiloxano lineal de pequeña i molecular comprendida entre 1850 y 3100 g/mol, las ceras de amidas primarias saturadas o insaturadas tipo erucamida, oleamida y estearamida, las ceras de amidas secundarias saturadas o insaturadas tipo etilen-bis-ole mida í y etilen-bis-estearamida, y las emulsiones de ceras de parafina o de ceras de amidas secundarias tipo etilen-bis-estearamida. i Se han sometido a ensayo películas que comprenden en calidad de agentes de deslizamiento migratorios aceites de silicona j tipo polidimetilsiloxano de distintos grados en términos de masa molecular, comercializados bajo la denominación Wacker Fluid AK por la sociedad I Wacker y bajo la denominación Rhodorsil Fluid por la sociedad Bluestar. ¡ Se han sometido igualmente a ensayo ceras de amidas comercializadas por la sociedad Croda bajo la denominación Crodamidé, así como perfluoropoliéteres comercializados por la sociedad Solvay Solexis bajo la denominación Fluorolink o Fomblin.

Para la matriz se han seleccionado termoplásticos proyectados i en estado de fusión (tecnología hotmelt), tales como las resinas de copoliamidas o compuestos termoindurentes en dispersión acuosa tipo copolímero de estireno-acrílico, poliuretano y fluoroetano modificadp con acrílico.

Las matrices termoplásticas presentan un comportamiento viscoelástico bajo cizallamiento llamado «reorresistente», es decir.j que permite asegurar un elevado valor de par de tope al final del enroscamiento, mientras que las matrices termoindurentes presentan bastante elevados niveles de adherencia sobre sustratos de acero al carbono, con p sin i tratamiento superficial. ! El sustrato 1 1 , constituido por la parte revestida del elemento roscado, que es aquí de acero al carbono, ha sido previamente objeto de tratamientos superficiales que consisten en una deposición electrolítica de Cu-Sn-Zn de 10 pm (véase por el ejemplo el documento WO2008/108266). ¡Tales tratamientos de preparación son no obstante opcionales y/o pueden f mar I otras formas tales como por ejemplo un tratamiento mecánico de chorreado i i con arena o bien un tratamiento de conversión del tipo de la fosfatación. ¡ i Se han estudiado películas cuyo espesor está comprendido 'entre 20 y 45 pm. j Las películas de matriz termoplástica se han obtenido por medio de una película aplicadora o bien según la tecnología de proyección en estado de fusión, llamada «hotmelt», termoplástica o termoindurente en medio de una pistola neumática clásica de copa con una boquilla de 1 .¡7 mm de diámetro. j Los ensayos han consistido en evaluar ciertos parámetros! y en I particular: j i - el par de rozamiento al nivel de las superficies en contacto bajo elevados esfuerzos de Hertz (ensayo de Bridgman); I - la fuerza de adherencia y el coeficiente de rozamiento de la película sobre el sustrato (ensayo de rayado); j - la resistencia a temperatura de la película frente l a un ambiente contaminante. ! i El ensayo de Bridgman ha permitido establecer el i comportamiento tribológico de las películas secas durante una operación de enroscamiento propia de se ha tratado de simular ToSR (por «Torque on operaciones de enroscamiento propias de las juntas o conexiones llamadas j «premium» y utilizadas en la industria del petróleo. ¡ La curva de la figura 2 expresa el par de (o apriete) en función del número de vueltas de rotación efectuadas. Como puede observarse, un perfil de par de enroscamiento de juntas puede descomponerse en cuatro partes.

Durante una roscado macho (o «pin») no presenta aún apriete radial con la rosca interior de un correspondiente elemento roscado hembra (o «box») de un segundo componente de esta misma junta tubular roscada. i Durante una segunda parte P2, la interferencia geométrica de las roscas de los elementos roscados macho y hembra genera un apriete radial que aumenta a medida que va progresando el enroscamiento (generando un i pequeño pero creciente par de enroscamiento). j Durante una tercera parte P3, una superficie de estanqueidad en la periferia exterior de la parte extrema del elemento roscado macho interfiere radialmente con una correspondiente superficie de estanqueidad del elemento roscado hembra para realizar una estanqueidad de metal/metal. j Durante una cuarta parte P4, la superficie frontal extrema del ¡ elemento roscado macho está en contacto a tope axial con la superficie anular de un tope de enroscamiento del elemento roscado hembra. Esta cuarta parte P4 corresponde a la fase terminal del enroscamiento.

El par de enroscamiento que corresponde al final de la tercera parte P3 y al comienzo de la cuarta parte P4 se denomina aproximación a tope (CAB) (o «shouldering torque»).

El par de enroscamiento que corresponde al final de parte P4 se denomina par de plastificación (CP) (o «plastification Más allá de este par de plastificación CP, se considera que el enroscamiento macho (la parte extrema del elemento roscado macho) y/o el tope de enroscamiento hembra (la zona situada detrás de la superficie anular de tope del elemento roscado hembra) son objeto de plástica, la cual puede degradar las características estanqueidad del contacto entre superficies de estanqueidad igualmente de las superficies de estanqueidad. ¡ La diferencia entre los valores del par de plastificación CP ¡y del i par de aproximación a tope CAB se denomina par de tope (o «torque on shoulder resistance») (CSB): CSB = CP - CAB. Una junta objeto de un óptimo apriete al final del enroscamiento, lo óptima resistencia mecánica del empalme roscado por ejemplo a 'os esfuerzos de tracción pero también al desenroscamiento fortuito en servicio, y unas óptimas características funcionales en materia de estanqueidad. j El diseñador de juntas roscadas se ve así en la necesidad de definir para un tipo dado de junta roscada un óptimo valor de par ¡de - j enroscamiento que para todos los empalmes de este tipo de junta debe ser inferior al par de plastificación CP (para evitar la plastificación de los topes y los inconvenientes que se derivan de la misma) y superior al par de aproximación a tope CAB. Un fin del enroscamiento bajo un par inferior al í CAB no permite garantizar un correcto posicionamiento relativo de¡ los elementos macho y hembra y por ende un eficaz apriete entre sus superficies de estanqueidad. Hay además riesgos de desenroscamiento. El valor eficaz del par de aproximación a tope CAB puede variar de un empalme a otro para un mismo tipo de junta puesto que depende de las tolerancias diametrales y axiales de mecanización de las roscas y de las superficies de estanqueidad i macho y hembra. Conviene que el óptimo par de enroscamiento sea i considerablemente más elevado que el par de aproximación a tope CABJ Cuanto más importante sea el valor del par de tope CSB,' tanto más margen se tendrá para definir el óptimo par de enroscamiento, y tanto i más resistente a las solicitaciones en servicio será la junta roscada. ¡ Se han efectuado ensayos de fricción con una máquina tipo Bridgman. Este tipo de máquina está en particular descrito en el artículo de D.

Kuhlmann-Wilsdorf et al. «Plástic flow between Bridgman anvils under high pressures», J. Mater. Res., Vol. 6, N° 12, dic 1991. Está ilustrado en la figura 5 un ejemplo esquemático y funcional de una máquina de Bridgman.

Esta máquina comprende lo siguiente: un disco DQ que puede ser accionado en rotación según velocidades elegidas, un primer EC1 que es preferiblemente de tipo cónico y está unido fija y solidariamentej a una primera cara del disco DQ, un segundo yunque EC2 que es preferiblemente de tipo cónico y está unido fija y solidariamente a una segunda cara de| disco DQ opuesta a su primera cara, elementos de presión primero EP1 y EP2, como por ejemplo émbolos adecuados para ejercer las presiones axiales elegidas P, un tercer yunque EC3 que es preferiblemente de tipo cilindrico y está unido fija y solidariamente a una cara del primer elemento de presión j EP1 , y un cuarto yunque EC4 que es preferiblemente de tipo cilindrico |y está I fija y solidariamente unido a una cara del segundo elemento de presión ÉP2.

Para someter a ensayo a una composición de lubricación, se recubren con dicha composición dos pedazos de un material idéntico al que constituye un elemento roscado, para así formar muestras primera j S1 y segunda S2. Después se intercala la primera muestra S1 entre las carasj libres de los yunques primero EC1 y tercero EC3, y la segunda muestra S2 entre las caras libres de los yunques segundo EC2 y cuarto EC4. A continuación se hace que el disco DQ gire a una velocidad elegida aplicando una presión axial i elegida P (por ejemplo del orden 1 GPa) con cada uno de los elementas de presión primero EP1 y segundo EP2, y se mide el par de enroscamiento i experimentado por cada muestra S1 , S2. La presión axial, la velocidad de rotación y el ángulo de rotación se eligen en el ensayo de Bridgman para simular la presión de Hertz y la velocidad relativa de las superficies de tope al final del enroscamiento. Gracias a una máquina de este tipo, pueden fijarse varios pares distintos de parámetros (par de enroscamiento, velocidad de rotación) para imponer pares de enroscamiento determinados pará las muestras S1 y S2, y para así verificar si estas muestras S1 y S2 siguen poco más o menos un perfil de par de enroscamiento dado, y en particular si permiten la obtención de un número de vueltas recorridas antes del gripaje que sea al menos igual a un valor umbral elegido con respecto a los pares de enroscamiento elegidos.

En el caso presente la presión de contacto se ha elevado hasta 1 GPa y la velocidad de rotación se ha elevado hasta 1 vuelta por minutó. Las i muestras sometido a ensayo son de acero inoxidable con un 13% de Cr, mecanizadas y luego revestidas con distintas formulaciones de películas secas que se enumeran en la tabla siguiente con la evaluación del par d† tope (ToSR o CSB). ! En ensayo de rayado, esquematizado en la figura 4, permite evaluar la fuerza de adherencia, o la adherencia, de una película una superficie o preparación superficial. Este método, que consiste en cizallar y I deformar una película con una bola esférica sometida a una carga creciente, permite igualmente determinar el coeficiente de rozamiento y la carga que corresponde a la aparición de una descohesión de la película, siendo éstos dos parámetros tribológicos importantes. i Las condiciones experimentales emplean un peón esférico de Inconel 718 de 5 mm de diámetro y una probeta metálica tal como la descrita anteriormente, así como los parámetros siguientes: una carga creciente áe 10 i N a 310 N (con una velocidad de aumento de carga de 15 N/seg.), una velocidad de desplazamiento de la bola de 2 mm/seg., una duración de 20 seg. y una longitud de la pista de 40 mm. j El coeficiente de rozamiento medido es bajo y está comprendido entre µ = 0.05 para una carga de 5 N y µ = 0.09 para una carga de 80 N;!y en particular se ha medido un coeficiente de rozamiento µ = 0.06 para una carga | de 80 N sobre una preparación superficial tipo depósito electrolítico de Cü-Sn-Zn. Es necesario distinguir las condiciones de carga y de explotación del ensayo para cada tipo de revestimiento: para un revestimiento termoplástico del tipo hotmelt, se mide el valor del rozamiento para una carga crecientje de 10 a 310 N, mientras que para un revestimiento termoindurente se rriide el valor del rozamiento para una carga creciente de 250 a 750 N.

Los ensayos de resistencia a temperatura de la película frente a un ambiente contaminante consisten en evaluar la adherencia de i contaminantes tales como la arena cuando aumenta la temperatura ambiente.

Más concretamente, se trata de identificar a partir de qué ambiente la película ya no puede ser descontaminada por med presión. Esto permite establecer si la película puede ser utilizada en regiones desérticas llamadas «cálidas». Las condiciones experimentales emplean sustratos de acero al carbono XC que ha recibido una preparación superficial de fosfatación con cinc o un depósito electrolítico de Cu-Sn-Zn. ¡ Los sustratos se revisten con una película de un espesor i comprendido entre 30 y 40 pm. Después se aplica una capa de arena de fundición (d = 1.36) sobre al menos 60 cm2 de sustrato. | Después el sustrato enarenado se calienta en una estufa ventilada a la temperatura deseada durante 1 hora (T°C = 50°C com 93°C como máximo).

Después se despolvorea el sustrato por medio de aire a siempre a la temperatura de ensayo.

Finalmente se mide la cantidad de arena residual El criterio de aceptación es el de un máximo de un arena residual. En otros términos, es necesario que se haya quitado de la arena.

En un primer tiempo se ha intentado identificar las características funcionales de los agentes de deslizamiento migratorios en matrices termoplásticas depositadas por proyección en estado de fusión, es decir, de tipo «hotmeit». Las matrices termoplásticas elegidas son de tipo copoliamida a i base de dímero de ácido puesto que las mismas presentan una mejor adherencia frente a su sustrato y ofrecen una mejor resistencia a temperatura. i Las de la mayor parte de las otras matrices termoplásticas pueden presentar a veces una más baja adherencia cuando la película se deposita sobre un sustrato que ha recibido un tratamiento de preparación superficial por vía electrolítica. Las mismas pueden también presentar un tacto no seco ¡a las j máximas temperaturas de utilización comprendidas entre 50 y ¡93°C i (temperatura de reblandecimiento inferior a las temperaturas máximas).

Finalmente, las mismas pueden también presentar un valor de par de| tope inferior al valor umbral de referencia de la grasa API. J i Se ha intentado identificar el efecto de los agentes de deslizamiento migratorios del tipo de los «aceites de polidimetilsiloxjano» (PDMS) en los valores de par de tope. Se comparan en la Tabla 1 resultados relativos a otros agentes de deslizamiento migratorios ! TABLA 1 La tabla 1 muestra que los aceites, en comparación con las i ceras, no afectan o afectan poco al valor del par de tope. Los aceites de i silicona y perfluorados (del tipo polidimetilsiloxano y perfluoropoliéter) mejoran I el valor del par de tope desarrollando las características viscoelásticas ¡de la i i matriz termoplástica.

I Las ceras de amidas primarias, y en particular las ceras de i amidas primarias insaturadas (Crodamide ER), presentan un comportamiento reológico bajo cizallamiento puramente viscoplástico. Las ceras de amidas secundarias desarrollan por su parte características viscoelásticas J que I mejoran el valor del par de tope. Esto puede explicarse por la estructura insaturada que ofrece una baja resistencia al cizallamiento en la fricción.

Se ha estudiado a continuación la influencia de la concentración de agente de deslizamiento, y en particular de aceite del polidimetilsiloxano, en el valor del par de tope. Los resultados reagrupados en la tabla 2. ' TABLA 2 La tabla 2 muestra que el aumento de la concentración de polidimetilsiloxano no hace que aumente el valor del par de tope. j de agente polidimetilsiloxano, en la resistencia a temperatura de la película, en particular en virtud de un efecto plastificante y de una disminución del punto de i reblandecimiento. La resistencia a temperatura se determina por medio de un ensayo de resistencia a temperatura en manifiesto en la tabla 3 que la resistencia para una concentración de aceite comprendida entre un 5 y un 10%.

TABLA 3 Los coeficientes de rozamiento (COF) de las ceras de amidas i secundarias y de los aceites preferiblemente siliconados están evaluados en I las tablas 4 y 5 para una matriz termoplástica que comprende al menos una copoliamida a base de dimero ácido. ¡ TABLA 4 | TABLA 5 La sinergia entre una cera de amida secundaria y el aceite de polidimetilsiloxano permite obtener un muy bajo coeficiente de rozamiento del orden de 0.03-0.04 bajo bajas presiones de contacto, y de 0.08 para j aitas i presiones de contacto que llegan hasta 1.1 GPa. ¡ Los coeficientes de rozamiento se miden para una amplia gama de ceras de amidas (que se presentan en la tabla 1 ) en una matriz termoplástica de copoliamida (Thermelt 105). Los resultados se presentan en i la figura 6, la cual muestra la evolución del coeficiente de rozamiento en función del tiempo para una carga creciente de 10 a 310 N. La cera de erucamida presenta el coeficiente de rozamiento (COF) más estable yi más bajo comprendido entre 0.04 y 0.08 para presiones de contacto comprendidas entre 250 MPa y 1.1 GPa (presiones de contacto determinadas teniendo en cuenta el módulo de Young de la preparación superficial y el de la película para bajas cargas). Eso confirma los primeros resultados de la Tabla 1. ' Exigencias importantes relativas a los valores del par de y/o ciertas aplicaciones, pueden imponer el empleo de las ceras de amidas secundarias saturadas o insaturadas. ¡ Se ha estudiado el impacto de la concentración y de la !masa i I molecular de los aceites de polidimetilsiloxano en las matrices termoplásticas.

La Tabla 6 presenta las variaciones de las concentraciones de aceite de polidimetilsiloxano en una matriz termoplástica de copoliamida con una cera de amida secundaria. \ TABLA 6 I Para obtener un rozamiento superficial muy bajo, conviene utilizar una concentración mínima de un 5% de aceite de polidimetilsiloxaño. j La Tabla 7 presenta los valores de coeficiente de rozamiento (COF) para un aceite de polidimetilsiloxano de distintos pesos TABLA 7 Parece ventajoso utilizar un aceite tipo polidimetilsiloxan con una viscosidad comprendida entre 100 y 1000 mm2/seg. a 25°C. Más állá y para viscosidades superiores, el efecto migratorio es sin embargo parcial.

Estudiando al microscopio electrónico de barrido una película seca que| tiene una matriz termoplástica a base de resina de copoliamida, se ha verificado i este efecto migratorio parcial. Un aceite tipo polidimetilsiloxano de viscosidad i igual a 1000 mm2/seg. (es decir, de bajo peso molecular) se concentra por efecto migratorio, al tener lugar el enfriamiento de la película de matriz termoplástica depositada según la tecnología «Hot meit», mayoritariamente en las cinco mieras más cercanas a la superficie de la película. La presencia de i aceite tipo polidimetilsiloxano es por el contrario minoritaria en la zona interfacial entre la película y el sustrato. j | En cambio, un aceite tipo polidimetilsiloxano de viscosidad igual a 12500 mm2/seg. (es decir, de gran masa molecular) se concentra por efecto migratorio, al tener lugar el enfriamiento de la película de matriz termoplástica depositada según la tecnología «Hot melt», mayoritariamente en las 20 a 25 pm más cercanas a la superficie de la película. La presencia de aceite tipo polidimetilsiloxano es igualmente minoritaria en la zona interfacial jde la película. ; i Así pues, un gradiente de concentración de aceite de silicona en la película modifica el valor del coeficiente de rozamiento de la película bajo esfuerzo de presión.

La tabla 8 presenta composiciones para las cuales el coeficiente de rozamiento está medido en las curvas de la figura 7 en función de una rampa de carga de 10 a 310 N. ¡ La tabla 9 presenta otras composiciones para las cuales el i coeficiente de rozamiento está medido en las curvas de la figura 8 en función de una rampa de carga de 10 a 310 N. ! Estas curvas muestran la influencia beneficiosa del aceite de silicona migratorio en la disminución del valor del rozamiento superior a las ceras migratorias cuya naturaleza química es la de etilen-bis-estearajmida, igualmente en sinergia con lubricantes sólidos de la clase 1 , 2 o 4. j Se entiende aquí por «lubricante sólido» un cuerpo sólido y estable que, estando intercalado entre dos superficies de fricción, hace que disminuya el coeficiente de rozamiento y reduce el desgaste y el deteriojro de estas superficies. Los lubricantes sólidos pueden clasificarse en distintas categorías según su mecanismo de funcionamiento y su estructura: • Clase 1 : cuerpos sólidos que deben sus propiedades i lubricantes a su estructura cristalina, como por ejemplo el grafito, el óxido de cinc (ZnO) o el nitruro de boro (BN), ¡ · Clase 2 : cuerpos sólidos que deben sus propiedades lubricantes por una parte a su estructura cristalina y por otra párte l a un elemento químico reactivo de su composición, como por ejemplo el disulfuro de molibdeno MoS2, el fluoruro de grafito, los sulfuros de estaño, los de bismuto o el disulfuro de tungsteno o el fluoro de calcio, i rozamiento, como es por ejemplo el caso del politetrafluoroetileno (PTFE)' o de las poliamidas.

TABLA 8 TABLA 9 La figura 7 muestra que el coeficiente de rozamiento es reducido preferencialmente por los aceites siliconados, en particular en el caso de las bajas presiones (en el arranque), y en función de la viscosidad. i La figura 8 muestra que el coeficiente de rozamiento en el arranque es reducido preferencialmente por el aceite de si icona contrariamente a los lubricantes sólidos laminares de clase 1 y 2 que tienen propiedades de exfoliación bajo bajo cizallamiento. Aunque el fenómeno se atenúa para las altas presiones, la sinergia entre el aceite de silicona! y los lubricantes sólidos permite ampliar la gama de presiones de solicitación. ! La adición de un aceite de silicona migratorio en las matrices I termoplásticas viscoelásticas resuelve el problema del elevado par de i aproximación y asegura un valor de par de tope al menos equivalente al! valor de referencia de la grasa API RP 5A3.

A fin de confirmar las hipótesis observadas en laboratorio sobre probetas de acero al carbono con depósito electrolítico de Cu-Sn-Zn, han realizado enroscamientos en conexión 7" 29# L80 VAM TOP HC.

Se ha estudiado la influencia de la viscosidad, y por consiguiente de la masa molecular, del aceite de silicona migratorio en el valor del par de aproximación.

Se ha conservado el mismo sistema lubricante para todas las formulaciones, o sea una sinergia entre lubricantes sólidos de clase¡ 2-1. i Solamente varían los constituyentes de la matriz termoplástica. | La referencia elegida procede de la patente WO 2010043316 relativa a la noción de matriz termoplástica reorresistente. Puede! así i compararse la invención con una solución que presenta un valor de par de tope de más de un 100% del valor de referencia de la grasa API RP 5A3. ' TABLA 11 Se obtiene un par de aproximación inferior a un 70% del óptimo par de enroscamiento manteniendo un par de tope superior o igual al 100% del valor de referencia (grasa API5 A3) gracias a una composición que comprende una matriz termoplástica que comprende al menos un material reorresistente en un porcentaje de entre un 10 y un 25% en composición másica, al menos un inhibidor de la corrosión de naturaleza pigmentaria y al menos un lubricante sólido de clase 2 como el fluoruro de carbono. Como inhibidor de la corrosión, se han elegido sílices intercambiadoras de iones.

A la vista de los enroscamientos realizados, está claro que la incorporación de aceite tipo polidimetilsiloxano en una matriz del tipo definido anteriormente permite separar mejor las superficies de metal-metal durante la fricción, disminuir así el valor del par de aproximación y asegurar una superior resistencia al gripaje por sinergia con las propiedades lubricantes de los sólidos. sistemáticamente valores cercanos al 50%. ! Resulta ventajoso incorporar un aceite tipo polidimetilsiloxano de material reorresistente, preferiblemente en cantidad mayoritaria. \ La migratorias y los resistencia a la permeabilidad al vapor de agua. Se propone aprovechar estas propiedades hidrófugas para reforzar la resistencia al agua de las matrices termoplásticas «hotmelt» o termoindurentes en fase acuosa. - ! ! Las propiedades hidrófugas son puestas en evidencia por la medición de los ángulos de contacto, la cual da cuenta de la aptitud de un líquido para extenderse sobre una superficie por mojabilidad. El método I ' consiste en medir el ángulo de la tangente al perfil de una gota depositada sobre el sustrato con la superficie del sustrato en cuestión.

La medición del ángulo de contacto permite acceder a la energía La medición del ángulo de contacto se hace por el método de la gota puesta por medio de un goniómetro tipo DSA 100 KRUSS y a partir de imágenes capturadas por una cámara y almacenadas en un ordenador, como muestra la figura 6. Un soporte lógico informático permite numerizar el contorno de la gota por tratamiento de las imágenes. Dicho soporte lógico informático determina a continuación el ángulo de de interpolación.

Las tablas 12 y 13 muestran que considerablemente influenciado por la adición de cera de parafina o de aceite tipo polidimetilsiloxano independientemente de la viscosidad, sea cual fuere la matriz utilizada (hotmelt para la tabla 12 y termoindurente en fase acuosa para la tabla 13). i j Se han evaluado los agentes de deslizamiento migratorios en matrices termoplásticas en fase acuosa o termoindurentes en fase acuosa. La | I superficie de las probetas es siempre de acero al carbono con un depósito electrolítico de Cu-Sn-Zn.

Como para las matrices termoplásticas «hotmelts», los aceites migratorios ofrecen la posibilidad de reducir el rozamiento bajo esfueijzo de presión sin afectar al valor de par de tope de asiento.

En la tabla 14 se enumeran resultados para matrices i termoplásticas en fase acuosa y en particular una dispersión de copolímeros de poliéster-acrilato, una emulsión de copolímeros de estireno-acrílico y una dispersión de fluoroetilenviniléter.

TABLA 14 Paralelamente se ha intentado determinar un intervalo de concentraciones útiles para las cuales la película conserva sus propiedades principales. La tabla 15 retoma los resultados obtenidos a partir de las matrices precedentes. La carga critica (Le) corresponde a la aparición de una i descohesión de la película. ¡ TABLA 15 Una concentración de ventajosa para la obtención de un una presión de contacto del orden propiedades de adherencia de la película seca, en particular sobre una superficie tipo depósito electrolítico de Cu-Sn-Zn no polar. j La utilización de una emulsión de polidimetilsiloxano funcionalizado, y preferiblemente funcionalizado con función amina, refuerza las propiedades de adherencia, sea cual fuere la superficie.

Teniendo en cuenta el conjunto de ensayos que ha realizado, la Solicitante es de la opinión de que por medio de lubricantes sólidos que tengan propiedades de deformación plástica bajo un gran esfuerzo de presión de Hertz y a bajas velocidades puede obtenerse un rozamiento muy bajo, en particular al nivel del contacto de metal-metal de las superficies de estanqueidad en la fase de aproximación. Se obtiene una máxima estanqueidad de la conexión, en particular para elevados pares de enroscamiento, asegurándose un rozamiento lo suficientemente bajo y manteniéndose un par de tope lo más elevado posible. j La presente invención permite obtener por una parte '¡ unos í valores de par de aproximación inferiores o a lo sumo iguales a los valores de par de aproximación que se obtienen con una grasa API y por otra partej unos valores de ToSR superiores o al menos iguales a los valores que se obtienen con una grasa API.

Claims (1)

1. NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES 1- Un elemento tubular que está destinado a la perforación y/o a deslizamiento (9) que migra en la matriz (13) y queda repartido mayoritariamente en las inmediaciones de la superficie libre de la película seca lubricante (12), de que dicho agente de deslizamiento se selecciqna de entre los miembros del grupo que consta de los aceites y las ceras, y de que la matriz (13) y dicho agente de deslizamiento están adaptados conjuntamente de forma tal que la película seca (12) presenta un coeficiente de rozamiento inferior a 0.07 bajo cargas inferiores a 40 N y superior a 0.1 bajo cargas superiores a 200 N. 2. - El elemento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el agente de deslizamiento (9) comprende un aceite de silicona y/o un aceite perfluorado. 3. - El elemento de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el agente de deslizamiento (9) comprende un aceite de silicona tipo polidimetilsiloxano que presenta una tensión superficial inferior a 24 mN/m y una viscosidad cinemática comprendida entre 100 y 1850 mm2/seg. a 20° C. 4. - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el agente de deslizamiento (9) comprende una cera de amidas y/o una cera de parafina. j 5. - El elemento de conformidad con la reivindicaci bn 4, caracterizado además porque el agente de deslizamiento (9) comprende una i cera de amidas primarias saturadas o insaturadas tipo erucamida, oleamida o estearamida, y/o una cera de amidas secundarias saturadas o insaturadas tipo etilen-bis-oleamida o etilen-bis-estearamida. I I (12) presenta un valor de par de tope que es al menos igual al que se obtiene I con una grasa API RP 5A3. ! 7. - El elemento de conformidad con la 6, caracterizado además porque dicha matriz (13) es de tipo fluorouretano y se i obtiene por reticulación de fluroetilenoviniléter en dispersión acuosa. i 8. - El elemento de conformidad con la reivindicació In 6, ' caracterizado además porque dicha matriz es de tipo termoplástico j y se j obtiene a partir de copolímeros de poliéster-acrilatos o de copolímeros de estireno-acrílico en dispersión acuosa. | 9. - El elemento de conformidad con la 6, caracterizado además porque dicha matriz (13) es de tipo termoplástico y es proyectada en estado de fusión y se elige de forma tal que la película seca (12) presenta un valor de par de tope que es al menos igual al que se obtiene con una grasa API RP 5A3. j i 10.- El elemento de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicha matriz es de tipo copoliamida. j 1 1 . - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la película seca lubricante (12) comprende entre un 5% y un 10% en peso de aceite de polidimetilsiloxano en calidad de agente de deslizamiento. 12. - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la película seca (12) comprende aceite de polidimetilsiloxano de masa molecular comprendida entre 10000 y 40000 g/mol y de viscosidad cinemática inferior o igual a 1000 mm2/seg. a 25°C en calidad de agente de deslizamiento. j 13. - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el agente de (12) comprende un perfluoropoliéter de viscosidad cinemática comprendida lentre p I 150 y 1850 mm /seg. a 20°C o funcionalizado con función de alquilamida o fosfato de masa molecular comprendida entre 1850 y 3100 g/mol. ¡ 14. - El elemento de conformidad con la reivindicación 7, i caracterizado además porque la película seca (12) comprende poco más o menos un 2% en peso de aceite de polidimetilsiloxano en calidad de ag iente de deslizamiento. 15. - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la película seca lubricante (12) comprende partículas de lubricantes de las clases 1 , 2, 3 o 4, y preferiblemente de fluoruros de carbono y/o de grafitos sintéticos en cualidad de agente de deslizamiento. 16. - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones | precedentes, caracterizado además porque la película seca (12) comprende i además un agente anticorrosión, y preferiblemente una sílice intercambiadora de iones. 17 - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque la parte revestida de la i parte extrema ha sido previamente objeto de una preparación superficial de un tipo elegido de entre los miembros del grupo que consta del chorreado con arena, i de los tratamientos de conversión, de los depósitos electrolíticos y de los | tratamientos no reactivos. i 18.- El elemento de conformidad con una de precedentes, caracterizado además porque el conjunto de (3; 4) está revestido con la película seca (12). 19 - El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones i precedentes, caracterizado además porque toda la zona roscada (3; 4) está revestida con la película seca lubricante (12). 20.- El elemento de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado además porque dicha zona roscada está desprovista de los miembros del grupo que consta de los aceites y las ceras, y de q|ue la I matriz (13) y dicho agente de deslizamiento están adaptados conjuntamente de forma tal que la película seca (12) presenta un coeficiente de rozamiento inferior a 0.07 bajo cargas inferiores a 40 N y superior a 0.1 bajo cargas superiores a 200 N.