JUNTA ROSCADA PARA TUBOS DE ACERO Campo Técnico La presente invención se relaciona por lo general con una junta roscada para utilizarse en la conexión de tubos de acero como tubos para pozo petrolero u OCTG (bienes tubulares para campo petrolero) incluyendo tubos de producción y tubería de revestimiento, tubo de subida, y oleoductos para utilizar en exploración y producción de pozos petroleros, pozos de gas, y particularmente con una justa roscada para tubos de acero que tienen excelente sellado con respecto a la presión externa y resistencia a la compresión. Antecedentes de la Tecnología Las juntas roscadas de utilizan ampliamente para conectar tubos de acero, como OCTG y tubos de subida para uso en el equipo de producción de petróleo industria . En el pasado, las juntas roscadas estándar especificadas por las normas del API (Instituto Americano de Petróleo) habían sido utilizadas típicamente para conectar tubos de acero para utilizarse en la exploración y producción de petróleo y' gas. Sin embargo, en años recientes, los ambientes en los que la exploración y producción de curdo y gas natural se realizan cada vez son más severos, de manera que se utilizan cada vez más las juntas roscadas de alto desempeño referidas como juntas prem um. Una junta premium usualmente comprende, en cada uno de los tubos, una rosca ahusada, una porción de sello de metal a metal, es decir, una superficie de sellado que tiene la habilidad de formar un sello cuando entra en contacto directo con el sello de metal a metal de otro elemento de la junta y la porción de codo de torque, es decir, una superficie de codo que funciona como un tapón durante el enroscado de la j unta . En el pasado, ya que los pozos verticales eran los más comunes, una junta roscada para OCTG podía funcionar adecuadamente mientras que soportara una carga tensora debido al peso de los tubos que se fijaban a ésta y podía evitar fugas de fluido de alta presión que pasaban a través de su interior. Sin embargo, en años recientes, debido a que los pozos eran cada vez más profundos, porque el número de pozos direccionales y pozos horizontales tenían un hueco de pozo curvado se ha incrementado, y debido a que se ha incrementado el desarrollo de los pozos en ambientes severos como fuera de costa o latitudes más altas, se requiere una variedad más amplia de propiedades de las
2 juntas roscadas, como resistencia a la compresión, resistencia a la compresión, resistencia al doblez, sellado contra presión externa y facilidad de manejo en el campo. Las Figuras 2 (a) y 2 (b) son vistas explicativas esquemáticas de una junta premium del tipo de acoplamiento para OCTG, que comprende un elemento roscado externamente 1 (referido a continuación como el elemento de perno, o simplemente como un perno) y un elemento 2 roscado internamente correspondiente (referido a continuación como el elemento de caja, o simplemente como una caja) . El elemento de perno 1 que tiene en su superficie externa, una rosca macho 11 y una porción sin roscar 12 es llamada labio que se ubica en el extremo del perno 1 y adyacente a la rosca macho 11. El labio 12 tiene una porción de sello de metal a metal 13 en la superficie periférica externa de un labio y una porción de codo 14 en la cara externa del labio. El elemento de caja 2 correspondiente tiene, en su superficie interna, una rosca hembra 21, una porción de sello de metal a metal 23, y una porción de codo de torque 24 que son porciones con capacidad de igualar o hacer contacto con la rosca macho 11, la porción de sello de metal a metal 13, y la poción de
3 codo de torque 14, respectivamente, del perno 1. La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra la forma y la dimensión de una rosca trapezoidal, ejemplificada por una rosca de soporte que tiene un avance de tosca de 5 TPI (5 roscas por pulgada) , por ejemplo, la altura de la rosca 74 es de 1.575 mm, el ángulo flanco de la carga 71 es de 3 grados, el ángulo del flanco de conexión de tubos roscados 72 es de 10 grados, y el intervalo axial 73 entre los flancos de conexión de tubos roscados es de alrededor de 100 /xm (es decir, 30 a 180 µt?) en promedio . Un traslape en la dirección radial llamada una interferencia se provee entre las superficies de sellado en el perno y la caja. Cuando se fabrica la junta hasta las superficies del codo del perno y la caja se empotran entre si, las superficies de sellado de los dos elementos se ponen en contacto directo entre si sobre la circunferencia entera de la junta para formar un sello. Las superficies del codo funcionan como tapones durante el enroscado, y también absorben casi toda la carga de compresión aplicada a la junta. Por lo tanto, no pueden resistir una gran carga de compresión a menos que el grosor de la pared de las
4 superficies de codo sea grande (o a menos que la rigidez de los codos sea grande) . Cuando se aplica presión externa a una junta premium convencional como la descrita anteriormente, la presión externa aplicada penetra entre los intervalos entre las roscas hacia una porción 31 mostrada en la Figura 2 justo antes de las porciones de sello. Un labio es mucho más delgado en el grosor de la pared que el cuerpo del tubo, de manera que puede soportar una disminución en el radio debido a la penetración de la presión externa. Al tiempo que la presión externa se incrementa, se forma un intervalo entre la superficie de sellado, dando como resultado fugas, es decir, una situación en la que el fluido externo entra al interior de un tubo. Si una carga de compresión se aplica a una junta premium en situaciones como cuando se dispone el OCTG en un pozo horizontal o un pozo direccional, ya que muchas juntas tienen un intervalo relativamente grande entre los flancos de conexión de tubería como es el caso de la rosca de soporte API antes descrita, las roscas tienen poca habilidad para resistir las cargas de compresión, de manera que la mayoría de las cargas de compresión la carga se absorbe por los codos. Sin embargo, el grosor de la pared (el área de
5 absorción de carga para la carga de compresión) de una superficie de codo usualmente es más pequeña que la del cuerpo del tubo. Por lo tanto, si una carga de compresión equivalente de 40 a 60% de la fuerza de producción del cuerpo del tubo se aplica, la mayoría de las juntas premium pasan por una deformación plástica considerable de la porción del codo de torque de la caja, dando como resultado una reducción significativa en el sellado de las superficies de sellado adyacentes. El sellado de una junta con respecto a la presión externa puede mejorarse a través de incrementar la rigidez del perno para incrementar su resistencia a la deformación a través de una contracción radial. Para este propósito, se utiliza con frecuencia un método en el cual un proceso de trabajo para reducir el diámetro del extremo del tubo llamado reducción se realiza previamente para incrementar el grosor de la pared del labio. Sin embargo, si la cantidad de reducción es muy grande, en el caso de la tubería de revestimiento, se inserta un tubo en la tubería de revestimiento que puede alcanzar la porción reducida, y en el caso de la tubería de producción, la porción de reducción puede causar turbulencia en un fluido como el petróleo crudo que fluye dentro de la tubería de producción y causa
6 erosión. Por lo tanto, el grosor de la pared de la pared del labio del perno no puede incrementarse demasiado por la reducción. Otras técnicas convencionales para incrementar la rigidez del extremo de un perno para me orar el sellado como se describe en la Patente EU No. 4,624,488 y la Patente EU. No. 4,795,200. Estas patentes revelan la técnicas en las que el sellado se incrementa al proveer una porción cilindrica que no hace contacto con una caja en el extremo de una superficie de sellado de un perno de manera que al tiempo de incrementar la rigidez con respecto a la deformación por una contracción radial de la periferia de la superficie de sellado del perno y hacer que las superficies de sellado de una junta hagan contacto uniformemente. Con una junta de tubo, aún si se realiza la reducción, es necesario proveer una rosca ahusada, una superficie de sellado, y una superficie de codo dentro de un grosor de pared limitada. Sin embargo, en la tecnología anterior, antes descrita, la superficie del codo debe disponerse en un lugar diferente al labio debido a que el extremo del perno no se empotra en la caja, de manera que el grosor de la pared del labio se reduce necesariamente. De esta manera, existe un límite en la medida
7 en al que la rigidez del labio pueda incrementarse con el fin de resistir una disminución en el radio causado por la presión externa, y el sellado con respecto a la presión externa no puede mejorarse significativamente. Adicionalmente , debido a que una superficie del codo no puede dar una anchura radial suficiente, un nivel alto de resistencia a la compresión no puede lograrse, y el sellado es pobre bajo una condición de compresión y presión externa. Las técnicas para dar a una rosca la capacidad de absorber una carga de compresión con el fin de mejorar la resistencia de compresión se describe en la Patente EU No. 5,829,797 y la Patente EU No. 5,419,595, por ejemplo. La Patente EU No. 5,829,797 describe roscas en las que los flancos de carga y los francos de conexión re soca de las roscas trapezoidales tienen contacto entre sí, y los intervalos radiales se proveen en ambas raíces de la rosca y las crestas de la rosca. Esta rosca tiene una habilidad muy alta de absorber una carga de compresión debido a que los flancos de conexión de rosca siempre están en contacto. La Patente EU No. 5,419,595 describe una rosca en la que el intervalo entre los flancos de conexión de rosca de las roscas trapezoidales se reducen a 30 µp? o menos de manera que los flancos de conexión de rosca se
8 ponen en contacto entre sí solamente cuando una carga de compresión se aplica. Aunque la capacidad de esta rosca para absorber una carga de compresión es menor, a la de la rosca descrita en la Patente EU No. 5,829,797, es mucho más alta que la de una rosca de soporte ordinario .¦ Sin embargo, con la rosca revelada en la Patente EU No. 5,829,797, si el ancho de los dientes de rosca varía, grandes variaciones pueden ocurrir en la resistencia a la compresión, las propiedades antiraspamiento, torque de enroscado de tubería y otras propiedades . Por lo tanto es necesario realizar tolerancias de fabricación extremadamente pequeñas, y como resultado, esta rosca tiene el problema de no ser adecuada para la producción masiva y es extremadamente cara de fabricar. La Patente EU No. 5,419,595 tiene un problema similar. Concretamente, el intervalo entre los flancos de conexión de junta debe establecerse a un valor de 0 a 30 µ?a. En este caso, las variaciones permisibles en el ancho de los dientes de la rosca macho y los dientes de la rosca hembra son cada uno de tan solo +7.5 µta, de manera que el corte de la rosca se vuelve extremadamente caro y- no adecuado para la producción en masa .
9 Revelación de la Invención El objetivo de la presente invención es la de resolver los problemas de la tecnología antes descrita y proveer una junta roscada para los tubos de acero que tienen excelente resistencia a la compresión y ampliamente mejorados en el sellado general con respecto a la presión externa no solo cuando están sujetos a presión externa solamente sino también cuando está sujetos a una carga combinada de compresión y presión o tensión externa y presión externa. La Figura 4 es una ilustración esquemática de un labio utilizado en los estudios básicos realizados en relación con la presente invención. Con el fin de lograr el objetivo antes descrito, los presentes inventores realizaron un análisis de elemento finito con respecto a los siguientes cuatro factores de diseño para determinar la forma de un labio de una junta Premium teniendo la estructura antes descrita: (1) el grosor del labio 41, (2) la longitud de labio 42, (3) el ángulo del codo 43, y (4) la conicidad del sello (la conicidad de la superficie de sellado) 44. Para cada uno de los factores, ellos investigaron el efecto de sellado con respecto a la presión externa. Como resultado se encontró que el grosor del
10 labio 41 y la longitud del labio 42 tenían el efecto mayor en el sellado con respecto a la presión externa, y que mientras más grueso era el grosor del labio y mayor la longitud del labio, más marcado es el mejoramiento del sellado con respecto a la presión externa . Se encontró que con el fin de mejorar la resistencia a la compresión, el grosor de labio se incrementa preferentemente tanto como sea posible. En cuanto al ángulo del codo 43, el sellado bajo una carga combinada de compresión y presión externa se mejora si el ángulo del codo de un perno es tal que una porción exterior del codo de un perno es ahusado para formar una superficie de codo en forma de gancho como se describe (este ángulo se refiere a continuación como el ángulo de gancho) . Sin embargo, este ángulo de codo da como resultado un incremento en el daño a la superficie del codo de un elemento de caja a través de una carga de compresión. Por lo tanto, si un ángulo de codo se provee, la superficie del codo del elemento de caja se refuerza preferentemente, o se utiliza preferentemente una rosca que tiene una alta capacidad de absorber una carga de compresión. Se encontró que la conicidad del sello 44 solamente tiene un pequeño efecto en el sellado con
11 respecto a la presión externa. Sin embargo, si la conicidad del sello es demasiado grande, la presión de contacto en el sellado (presión de sellado) se reduce marcadamente cuando se aplica la tensión, y si la conicidad del sello es demasiado pequeña, ocurre un raspamiento en las superficies de sellado debido a un incremento en la distancia de deslizamiento durante el enroscado de la tubería y el desenroscado de la tubería . Basado en los resultados anteriores, los presentes inventores se dieron cuenta que si tanto el grosor del labio como la longitud del labio se incrementan (alargan) tanto como es posible, el sellado con respecto a la presión externa puede mejorarse considerablemente y que la resistencia a la compresión puede mejorarse al mismo tiempo. Con respecto a las roscas, la aplicación de las técnicas convencionales de las Patentes EU Nos. 5,829,797 y 5,419,595 para la forma de la rosca es mejor si solamente se toma en cuenta la resistencia a la compresión. Sin embargo, estas técnicas convencionales tienen los problemas antes descritos y no son adecuadas para la producción masiva. Los presentes inventores se dan cuenta que ya que la resistencia a la compresión por el codo por si
12 mismo puede mejorar considerablemente a través de la forma de labio antes descrita teniendo un grosor de labio incrementado, aún si las roscas de ultra alto desempeño que no son producidas fácilmente y no se emplean, la resistencia a la compresión de una junta en general puede mejorarse significativamente al emplear roscas de alto desempeño que son fácilmente producidas. Basados en esta idea, los presentes inventores desempeñan la investigación de la forma de realización concerniente al hallazgo que mientras más larga sea la longitud del labio, mejor es el sellado con respecto a la presión externa. Como resultado, se ha encontrado que las superficies de sellado del perno y la caja están en contacto solamente en el lado de la raíz del mismo (el lado más cercano a las roscas) mientras que un incremento en el volumen de la porción que no hace contacto restante del labio desde el extremo de la porción de contacto del labio de la punta del labio sirve para incrementar la rigidez del labio contra la presión externa. En la forma de realización de la Figura 4, aún si la longitud del labio se incrementa, ya que la porción que no hace contacto del labio desde el extremo de la superficie de sellado a la punta del labio es ahusada, el incremento de la longitud del labio no
13 incrementa significativamente el volumen de la porción que no hace contacto del labio, e indeseablemente da como resultado una disminución en el área de la superficie del codo, disminuyendo así la capacidad de la porción del codo para absorber la carga de compresión. Por lo tanto la forma del labio se cambió a la mostrada en la Figura 1. En la Figura 1, con el fin de incrementar el grosor de la pared de la superficie del codo tanto como sea posible e incrementar el volumen de la porción que no hace contacto del labio, de la superficie de sellado al extremo del labio tanto como sea posible, una porción 15 (referida a continuación como una porción de nariz) del labio 12 entre la porción de sellado 13 y una porción del codo 13 de un elemento de perno 1 se hace casi cilindrica, y la superficie exterior de la porción de nariz 15 se hace de manera que no hace contacto con un elemento de caja 2. Al dar al labio esta forma, el grosor de la pared de la superficie del codo y el grosor de la pared de la superficie de sellado se incrementa exitosamente tanto como sea posible dentro de un grosor de pared limitado del tubo. Sin embargo, debido a los errores en la fabricación, el corte transversal del tubo no es un círculo perfecto sino que tiene variaciones en el
14 grosor de la pared o la ovulación. Por lo tanto, un bisel 16 puede formarse en el borde interior de la porción del extremo del perno por una cantidad correspondiente a la tolerancia de fabricación del tubo con el fin de asegurar que el borde interior del extremo del perno no estará protuberante más allá de un circulo perfecto de un diámetro predeterminado centrado en el eje de la junta. En este caso, el borde interior de la caj 2 puede también tener un bisel 26 correspondiente como se describirá posteriormente. En el perno, si la rosca se provee tan cercanamente como sea posible a la superficie de sellado, la rigidez del labio del perno contra la presión externa se incrementa aún más, y por lo tanto el sellado con respecto a la presión externa también se incrementa . Este concepto es bastante diferente al de la tecnología anterior descrita en la Patente EU No. 4,624,488 y la Patente EU No. 4,795,200 en que el extremo del perno se utiliza como una superficie del codo y por lo tanto el grosor del labio puede incrementarse ampliamente comparado con la tecnología anterior en la que la superficie del codo está en un lugar diferente. Adicionalmente , debido a que el grosor de la
15 pared de la porción de la nariz puede incrementarse tanto como sea posible, el sellado con respecto a la presión externa puede incrementarse ampliamente solo al incrementar ligeramente la longitud axial de la porción de la nariz (referida posteriormente como la longitud de la nariz) . Además, la superficie del codo puede alargarse, y la porción del codo puede lograr su máxima capacidad de absorción de una carga de compresión. Consecuentemente, si la capacidad de absorber una carga de compresión es de alguna manera mayor a la de la rosca de soporte, la resistencia a la compresión de la junta roscada puede mejorarse considerablemente al emplear el labio que tiene la porción de la nariz. Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra las formas de un labio y la periferia del labio de una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención. Las Figuras 2 (a) y 2 (b) son vistas esquemáticas explicativas de una junta premium del tipo de acoplamiento para OCTG, en la que la Figura 2 (a) es una vista alargada de una porción de la Figura 2 (b) y la Figura 2(b) es una vista general de corte. La Figura 3 es una vista esquemática que
16 ilustra la forma y las dimensiones de una rosca trapezoidal ejemplificada por una rosca de soporte API. La Figura 4 es una vista esquemática explicativa de los factores que determinan la forma de un labio utilizado en estudios básicos en relación con la presente invención. La Figura 5 es una vista esquemática explicativa de los factores que definen las formas del labio y la periferia del labio de una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invenció . La Figura 6 es una vista esquemática explicativa de las formas del labio y de la periferia del labio de una junta roscada para los tubos de acero de acuerdo con la presente invención en la que una superficie de codo está angulada. La Figura 7 (a) es una vista esquemática explicativa mostrando la relación de posición entre el diámetro interior de una ranura de caja y una línea que se extiende desde la raíz de una rosca hembra, y la Figura 7 (b) es una vista explicativa que muestra la relación de posición entre una superficie de sellado de un perno y una línea que se extiende desde la raíz de una rosca macho o una tangente de la rosca macho y la porción de la nariz.
17 La Figura 8 es un diagrama esquemático que ilustra otra forma de realización de la presente invención donde un segundo codo se provee en una cara del extremo de una caja. La Figura 9 es un diagrama esquemático que ilustra otra forma de realización de la presente invención donde un segundo sello se provee en el extremo de una caj a . La Figura 10 es un diagrama esquemático que muestra un ejemplo de una forma de realización de la presente invención donde una junta de la presente invención se provee en un elemento de perno, cuyo extremo está sujeto a reducción. La Figura 11 es un diagrama esquemático que ilustra una junta integral. La Figura 12 es un diagrama esquemático que ilustra la secuencia en la que se aplica una carga a un espécimen durante el análisis FEM de ejemplos. La Figura 13 es una vista esquemática explicativa de una junta premium convencional utilizada como un ejemplo comparativo. La Figura 14 es un diagrama esquemático que ilustra otra forma de realización en la que la rosca macho comprende una porción de intercalado donde el envolvente de las raices de la rosca macho tiene un
18 ahusamiento reducido comparado con el aguzamiento de la rosca . La Figura 15 es un diagrama esquemático de otra forma de realización que tiene una superficie de tronco cónico en la caja en cooperación con la superficie ahusada del perno. DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN DE PREFERENCIA La presente invención se describirá ahora en mayor detalle con referencia a las figuras y con respecto a las formas de realización de preferencia. En las figuras, los mismos elementos o porciones de una junta tienen los mismos números de referencia. Las Figuras 1 y 5 son vistas esquemáticas explicativas de una junta roscada para tubos de acero de acuerdo con la presente invención, que comprende un elemento de perno 1 y un elemento de caja 2 conectados entre sí por un enganchamiento roscado. El elemento de perno 1 tiene una rosca macho 11, por lo menos una superficie de sellado 13, y por lo menos una superficie de codo 14 formada en la porción del extremo de un tubo. El elemento de caja 2 tiene una rosca hembra 21, por o menos una superficie de sellado 23 y por lo menos una superficie de codo 24 que corresponde (con capacidad de unir o hacer contacto) con la rosca macho 11, la superficie de sellado 13 y la superficie del
19 codo 14, respectivamente, del elemento del perno 1 formado en el extremo de un tubo. Esta junta es de un tipo de junta premium. En esta junta roscada para los tubos de acero, el enroscado de la tubería se termina cuando la superficie del codo 14 en la cara del extremo del elemento de perno 1 se empotra contra la superficie de codo 24 correspondiente del elemento de la caja 2. De acuerdo con la presente invención, el elemento de perno tiene una porción de nariz 15 que no hace contacto con la porción correspondiente del elemento de la caja 2 (es decir, la porción de la caj 2 que está de frente a la porción de nariz 15 del perno 1) . La porción de nariz 15 se localiza entre la superficie de sellado 13 (que está ubicada en la periferia externa del elemento del perno más cerca del extremo del elemento de perno que la rosca macho del elemento del perno) y la superficie de codo 14 (que se ubica en la cara del extremo del elemento de perno) . Como resultado, ya que la longitud del labio 12 se incrementa sin disminuir en la superficie del codo 14, el sellado de la junta contra la presión externa puede mejorarse significativamente. Adicionalmente , al proveer la rosca macho 11 en la cercanía (y presentemente en la cercanía inmediata) de la
20 superficie de sellado 13 del perno 1, la rigidez del labio 12 contra las reducciones en diámetro se incrementa, y el sellado contra la presión externa se incrementa adicionalmente . Con referencia a la Figura 5, en una forma de realización de preferencia de la presente invención, se ha encontrado que la junta roscada de los tubos de acero que tienen la configuración descrita anteriormente puede mejorarse a través de especificar su forma y dimensiones . Concretamente, los presentes inventores condujeron estudios en los rangos de dimensiones y formas ' de cada una de las porciones para obtener más eficientemente los efectos antes descritos de la presente invención. Para la junta premiúm usual, la resistencia a la compresión es equivalente a alrededor del 20% de la resistencia de producción del cuerpo del tubo se requiere, pero algunos pozos requieren resistencia a la compresión equivalente a más de 60% de la resistencia de producción. Una carga de compresión no se aplica solamente a la porción del codo sino también a la rosca. Si se emplea una rosca que tiene una alta capacidad para absorber la carga de compresión, la carga en la porción
21 del codo puede reducirse correspondientemente. Sin embargo, si el grosor del labio 41 (el grosor de la pared del perno en el centro de la región de contacto del sello 50) tiene una relación de grosor del labio (relación del grosor del labio hacia el grosor de la pared del cuerpo del tubo) de por lo menos 25% y preferentemente del 50%, puede obtenerse una resistencia suficiente para la compresión a través del labio solo (sin el uso de una rosca que tiene una alta capacidad para absorber la carga de compresión) . La longitud de la nariz 45 depende del tamaño del tubo, pero es aproximadamente de 4 mm a 20 mm para el tamaño de los tubos usados como OCTG (que tiene un diámetro externo de alrededor de 50 a 550 mm) . Como se estableció anteriormente, mientras más larga sea la longitud de la nariz será mejor, pero el efecto de mejorar la capacidad de sellado se satura cuando la longitud de la nariz alcanza cierto nivel, de manera que la longitud máxima de la nariz de 20 mm es adecuada para un producto real . Preferentemente cuando las roscas macho y hembra son roscas ahusadas, la rosca macho comprende, en el lado de la superficie de sellado de la rosca, una porción de introducción que se forma primero durante el corte de la rosca para hacer la rosca macho. En esta
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beneficios: la facilidad de maquinado de la superficie de sellado del perno sin raspaduras y un incremento en la rigidez del labio, de esta forma en la hermeticidad para la presión externa. Preferentemente, como se describirá posteriormente, la porción de introducción de la rosca macho, no se engancha con las roscas hembra. Más preferentemente ,1a envoltura de las raíces de la rosca macho en la porción de introducción tiene una superficie cilindrica. La forma de la superficie de sellado del perno o de la caja puede ser: (i) una superficie cónica que resulta de la rotación alrededor del eje de la junta de la línea recta inclinada con relación al eje, o (ü) una superficie abombada que resulta de la rotación entre el eje de la junta de una curva y más particularmente de la superficie tórica si la curva es un arco circular, o (iii) una superficie tórica cónica resultante de la rotación alrededor del eje de la junta
23 de una línea combinada de la línea recta inclinada y el arco circular. Preferentemente, la superficie de sellado de uno de los pernos y la ca (por ejemplo, el de la caja) es una superficie tórica o una superficie tórica-cónica de sellado que está en el lado de la nariz y que tienen sustancialmente la misma conicidad que la superficie de sellado cónica (ver la Figura 15) . La cooperación de la superficie de sellado cónica y la superficie de sellado tórica-cónica ha demostrado una excelente estabilidad de la presión de contacto (y de esta forma de la hermeticidad) para las diversas condiciones de servicio, por ejemplo las que resultan de un ciclo de carga como la de la Figura 12. Para las superficies de sellado abombadas, tóricas o porción tórica de la superficie de sellado tórica-cónica, el radio de la curvatura de la superficie es preferentemente más larga que 20 mm y más preferentemente más larga que 49 mm. Por las razones establecidas anteriormente, el ángulo de la superficie de sellado con respecto al eje de la juta, es decir, la conicidad del sello 44 es preferentemente de 5 a 25 grados y más preferentemente de 10 a 20 grados. La existencia de la conicidad del sello
24 involucra una discontinuidad en el perno de la superficie entre la superficie de sellado y la superficie externa de la nariz. La superficie de sellado requiere una región de contacto sustancial que tiene una longitud axial de por lo menos 1 a 1.5 mm con el fin de garantizar las propiedades de sellado. Sin embargo, si la superficie de sellado es demasiado larga no puede obtenerse un grosor de pared suficiente de la porción del codo de torque, y el costo requerido para el acabado de la superficie de sellado se incrementa, dando como resultado una reducción en la productividad. Por lo tanto, la longitud axial 50 de la región de la superficie de sellado donde existe un contacto sustancial es de 2 a 8 mm y preferentemente de 3 a 5 mm . La superficie de codo puede sustancialmente estar perpendicular al eje e la junta como se muestra en la Figura 5. Sin embargo, de acuerdo con las investigaciones antes descritas, el sellado donde se aplica una carga de compresión se mejora si un ángulo de gancho se provee como se muestra en la Figura 6, aunque si el ángulo del gancho es demasiado largo, la rigidez de la superficie del codo de la caja se reduce, dando como resultado una disminución de la resistencia
25 a la compresión. Por lo tanto, si se provee el ángulo del codo, preferentemente es de 4 a 16 grados con respecto a un plano perpendicular del eje de la junta. La Figura 6 es una vista esquemática explicativa de la forma del labio y de la periferia del labio cuando un ángulo de gancho se provee en la superficie del codo de una junta roscada para os tubos de acero de acuerdo con la presente invención. En estas formas de realización el codo del perno es una superficie simple que se extiende sin discontinuidad entre una superficie externa y una superficie interna de la nariz. Las interferencias están presentes entre las superficies de sellado y entre las roscas del perno y de la caja. Si las superficies de sellado están demasiado cerca a las porciones enganchadas de manera que se enrosca de las roscas, la extensión de la interferencia sustancial entre las superficies de sellado se reducen indeseablemente debido a la interferencia entre las roscas . Sin embargo, en lo que concierne al perno, como se describió anteriormente, la presencia de la rosca adicional en la porción entre la rosca y la superficie de sellado es deseable con el fin de incrementar la rigidez del perno contra la presión
26 externa . De esta manera, la estructura del perno es preferentemente tal que la roca macho se extiende tanto como sea posible para acercarse a la superficie de sellado. Para este propósito la superficie de sellado se espacia preferentemente desde la rosca macho a través de una distancia igual a un máximo de un paso de la rosca para incrementar la rigidez del labio. Al mismo tiempo, una ranura circunferencial 32 se provee en la caja para evitar las porciones de la rosca cerca que las superficies de sellado del perno y de la caja se enganchen entre sí . Si una porción de introducción se provee en la rosca macho, la porción de introducción de la rosca macho corresponde a la porción antes mencionada de la rosca macho que se evita de engancharse con la rosca hembra por la ranura 32. Si la longitud axial 51 de la ranura circunferencial 32 es pequeña, la interferencia sustancial entre las superficies de sellado se reducen debido a la interferencia de la rosca. Por otro lado, si la longitud axial 51 de la ranura 32 es demasiado larga, se reduce el sellado y los costos de fabricación se incrementan innecesariamente. Un rango de preferencia para la longitud 51 de la ranura 32 es de 1.5 a 3.5 veces los pasos de la rosca.
27 La Figura 7 (a) es una vista esquemática explicativa que muestra la relación de posición entre el diámetro interior de la ranura de la caja y una línea 63 que se extiende a lo largo de la raiz de la rosca hembra, la Figura 7(b) es una vista esquemática explicativa que muestra la relación de posición entre la superficie de sellado del perno y una línea 62 que se extiende a lo largo de la raíz de la rosca macho o una tangente 61 hacia la rosca macho y la porción de la nariz. Como se muestra en la Figura 7 (a) , el diámetro interno de la ranura circunferencial de la caja preferentemente es tal que la superficie interna de la ranura está dispuesta radialmente hacia fuera de al línea de extensión 63 de la raíz de la rosca hembra con respecto al eje de la caja. Sin embargo, si el diámetro interior de la ranura se incrementa excesivamente, el diámetro exterior de la caja también se incrementa desventajosamente. Por lo tanto, el diámetro interno de la ranura debe ser mayor que la distancia radial del eje de la caja hacia la línea de extensión 63 de la raíz de la rosca hembra solamente en la medida que la fabricación pueda realizarse fácilmente. Como se muestra en la Figura 7 (b) , la relación
28 de posición entre la rosca, la superficie de sellado y la porción de nariz (la superficie exterior) del perno es tal que la superficie de sellado se dispone radialmente hacia dentro (como se mide desde el eje del perno) de tanto la tangente 61 a la cresta de la rosca macho como desde la punta del perno (la porción de nariz) o la línea de extensión 62 de la raíz de la rosca macho. Al emplear esta disposición, se vuelve difícil que la superficie de sellado se dañe aún si el extremo del perno golpea contra algo durante la operación en el campo y la reducción en el sellado puede evitarse. El intervalo entre los flancos de reducción y el ángulo de flanco de _ reducción influencia significativamente la resistencia a la compresión de las roscas. Como se describió anteriormente, el intervalo entre los flancos de reducción 30 µt? a 180 µt? de una rosca de soporte API . Se asume que la tasa de ocurrencia de errores de fabricación para una rosca de soporte API tiene una distribución normal, los productos que tienen un intervalo entre los flancos de reducción de alrededor de 100 µp? no serán más numerosos. Sin embargo, este tamaño de intervalo no produce una alta resistencia a la compresión. A través de conducir investigaciones basadas
29 principalmente en el método de elemento finito, los presentes inventores hallaron que una alta resistencia a la compresión se obtiene si el intervalo entre los flancos de resistencia es como máximo de 90 xm. Sin embargo, si el intervalo de reducción es demasiado pequeño, la presión (referida como la presión de grasa para rosca) de un lubricante referido como grasa para rosca que recubre las roscas durante el enroscado de la tubería puede elaborarse a un nivel anormal y afectar adversamente el desempeño de la junta. Adicionalmente , si los flancos de reducción hacen contacto entre sí como se describe en la patente EU No. 5,829,797 antes descrita, puede ocurrir un raspamiento o las variaciones en el torque de enroscamiento de la tubería. De esta forma, los efectos de la presente invención pueden obtenerse al ajustar el intervalo entre los flancos de reducción para estar en el rango de 10 µ?a hasta 150 µt?. en vista de la distribución normal de errores de fabricación. Preferentemente, el intervalo entre los flancos de reducción es de 20 a 90 µt?? con el fin de obtener efectos mejorados adicionales. La habilidad de las roscas para absorber una carga de compresión se incrementa al tiempo que el ángulo del flanco de reducción disminuye.
30 Inversamente, el ángulo del flanco de reducción se incrementa, la rosca macho y la rosca hembra se deslizan a lo largo de un declive, y la habilidad de las roscas para soportar una carga de compresión se reduce. El límite superior del ángulo del flanco de reducción de manera que soporte una carga de compresión no se reduce severamente en aproximadamente 36 grados. Por otro lado, si el ángulo del flanco de reducción es demasiado pequeño, el daño debido al desgaste de una herramienta de corte de rosca se vuelve severo, y se vuelve muy difícil mantener las tolerancias de fabricación. Por lo tanto, el límite inferior se establece a 3 grados. En la descripción precedente, una forma de realización de la presente invención se describió en la que una superficie de sellado y una superficie de codo de proveen en el labio en el extremo de un perno, pero las formas de realización diferentes a las descritas anteriormente son posibles para los tubos de acero para aplicaciones especiales. Por ejemplo, como se muestra en las Figuras 8 y 9, cuando la presente invención se aplica a un tubo de perforación con un extremo de recalcadura o un OCTG con un grosor de pared extremadamente grande, una forma de realización es posible en la que una segunda serie
31 de superficies de codo 32 y/o una segunda serie de superficies de sellado 34 de proveen con un perno 1 y la caja 2 en combinación con la estructura del labio del perno 12 que tiene la porción de nariz de acuerdo con la presente invención. La Figura 6 es un diagrama esquemático que ilustra una forma de realización de la presente invención que tiene una segunda serie de superficies de codo del perno y de la caja en la cara del extremo de la caja. La Figura 9 es un diagrama esquemático que ilustra una forma de realización de la presente invención que tiene una segunda serie de superficies de sellado del perno y la caja en el extremo de la caja. La Figura 10 es un diagrama esquemático que muestra un ejemplo de la forma de realización de la presente invención en la que la junta de la presente invención se provee en un elemento de perno que tiene un extremo que se ha sujetado a reducción para reducir tanto el diámetro del tubo en el extremo como incrementar el grosor de la pared del labio del perno. La presente invención provee suficiente sellado aún si el extremo del perno no se somete a reducción. Sin embargo, si se desea obtener un alto nivel de resistencia para la torsión o resistencia a la
32 compresión, por ejemplo, el grosor de la pared de la superficie del codo puede incrementarse a través de formar la junta roscada de la presente invención en el extremo de un perno que se ha sometido previamente a una reducción (ver la Figura 10) . Sin embargo, en este caso, el cambio del diámetro interior de la junta debe seleccionarse adecuadamente de manera que no ocurra una turbulencia . Las formas de realización de la presente invención se han descrito utilizando una junta del tipo de acoplamiento como se muestra en la Figura 2 como ejemplo. Sin embargo, como se muestra en la Figura 11, la presente invención como se describe anteriormente puede aplicarse a una junta integral (una en la que los tubos están conectados directamente entre sí sin utilizar un acoplamiento sino que en lugar de esto a través de proveer un perno en uno de los extremos del cuerpo del tubo y proveer una caja en el otro extremo) . La Figura 11 es un diagrama esquemático que ilustra una junta integral en la que un elemento de perno 1 y un elemento de caja 2 provisto en las porciones del extremo con relación a los cuerpos del tubo se enganchas directamente entre sí para formar una junta roscada. Ejemplos
33 Con el fin de demostrar claramente los efectos de la presente invención, se realizó un análisis de simulación numérica a través de método de elemento finito elastoplástico para los especímenes mostrados en la Tabla 1. Los especímenes mostrados en la Tabla 1 fueron juntas roscadas del tipo de acoplamiento para OCTG iguales a las mostradas en la Figura 2 para utilizarse con tubos de acero de 5-1/2" 20#(lb/ft) (diámetro externo de 139.7 mm y grosor de la pared de 9.17 mm) . El material de acero utilizado para todos los especímenes fue el que se especificó como P110 por las normas API . El espécimen B fue un ejemplo comparativo en forma de una junta premium convencional. Tuvo perno en forma de labio al igual que la mostrada en la Figura 13. En la Figura 13, los números de referencia que son los mismos a los utilizados previamente indican los mismos elementos. Los especímenes C - O tiene básicamente la misma estructura de junta que el Espécimen A excepto que las dimensiones de las diversas porciones fueron variadas como se muestra en la Tabla 1. Sin embargo, para los Espécimen J, el extremo del cuerpo del tubo que tiene el tamaño antes descrito
34 se sometió a recalcadura a través de tendido externo de manera que su diámetro externo se incrementó a 148.8 mm, y como se muestra en la Figura 8, los segundos codos se constituyen cada uno por una superficie plana perpendicular al eje de la junta y que tiene un grosor correspondiente a la cantidad a través de la cual el cuerpo del tubo se recalcó se proveyó en la cara del extremo de la caja y en el perno correspondiente. El Espécimen L fue otro ejemplo comparativo en el que las superficies del codo se proveyeron en la cara del extremo de la caja (en lugar de la cara del extremo del perno de acuerdo con la presente invención) y en la posición correspondiente del perno. La forma de la rosca como se define en la Figura 3 fue el mismo para todos los especímenes con respecto a la conicidad (1/18), la altura de la rosca 74 (1.575 mm) , los pasos de la rosca (5.08 mm) , y el ángulo del flanco de carga 71 (3 grados) . El intervalo axial 73 de los flancos de reducción y el ángulo del flanco de reducción 72 se variaron y se muestran en la Tabla 1 junto con las otras dimensiones de la junta incluyendo la relación del grosor del labio (la relación del grosor del labio 41 con el grosor de la pared del tubo, donde el grosor del labio se midió en el centro de la porción de sello de contacto 50) , la
35 longitud de la porción de la nariz (largo de la nariz) 45, la conicidad de las superficies de sellado (conicidad de sello) 44, la longitud del eje de la porción de contacto del sello (longitud del sello) 50, el ángulo del codo 43, los ángulos del bisel del perno y de los codos de la caja 46 y 47, la presencia o ausencia de la ranura circunferencial 32, y la distancia entre la rosca y la superficie de sellado del perno (en términos del paso de la rosca) (ver las Figuras 5 y 6 ) . En el análisis de elemento finito, el material se moldeó de manera que un material elastoplástico con endurecedor isotrópico que tiene un módulo elástico de 210 GPa y una fuerza de producción nominal en la forma de una fuerza de producción de compensación de 0.2% de 110 ksi (758 MPa) . El enroscamiento de la tubería se realizó para cada uno de los especímenes al poner en contacto las superficies del codo del perno y la caja y después realizar 1,5/100 giros adicionales de rotación. En un primer análisis, la carga de compresión (2852 kN) correspondientes a 100% de la fuerza de producción del cuerpo del tubo se aplicó a cada uno de los especímenes enroscados, y la resistencia a la compresión se evaluó basado en la relación del torque
36 residual definido como el valor del torque mantenido restante después de la remoción de la carga (correspondiente al torque de desenroscado que es el torque de desajuste de la conexión después de la carga) dividido por el torque de enroscado. (Mientras mayor sea la relación, menor será el aflojamiento que se realiza en la junta. Un valor de menos del 40% se considera necesario) . En un segundo análisis, la secuencia de carga mostrada en la Figura 12 y la Tabla 2 se aplicó a cada uno de los especímenes enroscados. Se evaluó la capacidad de sellado con respecto a la presión evaluada comparando los valores mínimos de la presión de contacto de sello promedio en la secuencia. (Mientras mayor es el valor, mejor es la capacidad de sellado) . Los resultados se muestran en la Tabla 3. De lo resultados en la Tabla 3, puede verse que una junta roscada para los tubos de acero de acuerdo con la presente invención tienen un nivel más alto de resistencia de torque permaneciendo y manteniendo una presión superior de contacto de sello que cualquiera de las juntas comparativas y que por lo tanto tiene una excelente resistencia para la compresión y sellado con respecto a la presión externa. De esta forma, de acuerdo con la presente
37 invención, se obtiene una junta roscada para tubos de acero que tienen excelente resistencia a la compresión y sellado con respecto a la presión externa. Al mismo tiempo, el manejo de la junta en el campo puede hacerse más fácilmente. Aunque la presente invención tiene un desempeño adecuado aún si no se realiza un procesamiento como reducción, si la reducción se realiza para incrementar el grosor de la pared del labio del perno, no solamente se mejorará la resistencia a la compresión y sellado con respecto a la presión externa sino también la resistencia a la torsión puede mejorarse adicionalmente . Para tubos especiales como los tubos con un grosor de pared extremadamente grande, al proveer adicionalmente un segundo codo y/o porción de sello de metal a metal, puede obtenerse un nivel más alto de resistencia a la compresión, resistencia a la torsión y/o capacidad de sellado con respecto a la presión externa. Aunque la presente invención se ha descrito con respecto a las formas de realización de preferencia, éstas son meramente ilustrativas y no tienen la intención de limitar a la presente invención. Debe entenderse por las personas habilitadas en la tecnología que varias modificaciones a las formas de realización descritas anteriormente puede realizarse
38 sin partir del alcance de la presente invención como se establece en las reivindicaciones . 39 Tabla 1
La relación del grosor del labio fue la relación del grosor del labio con grosor de la pared del tubo, donde el grosor del labio fue el grosor de la pared del perno en el centro de la porción de contacto del sello.
40
Tabla 2
PBYS: Fuerza de Producción del Cuerpo del Tubo, es decir la fuerza de producción del cuerpo del tubo. API : Presión de colapso (presión externa de choque) cuerpo del tubo definido en la Especificación API 5»
41 Tabla 3
(Torque mantenido después de la remoción de carga)
(torque de enroscamiento de tuberxa)
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