BR112019010704B1

BR112019010704B1 - Conexão roscada para tubo de aço

Info

Publication number: BR112019010704B1
Application number: BR112019010704-5A
Authority: BR
Inventors: Yousuke Oku; Masaaki Sugino
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2022-10-04
Also published as: EP3572701A1; WO2018135267A1; US11629560B2; CN110088518B; CA3047902C; EP3572701B1; EP3572701A4; CN110088518A; US20190330930A1; MX2019007514A; JP6776372B2; BR112019010704A2; RU2720524C1; JPWO2018135267A1; CA3047902A1

Abstract

É fornecida uma conexão roscada para tubos de aço com melhor desempenho de vedação. A conexão roscada (1) inclui um pino (10) e uma caixa (20). O pino (10) inclui uma superfície de ressalto de pino (11), uma superfície de vedação de pino (12) e uma rosca macho (13). A caixa (20) inclui uma superfície de ressalto de caixa (21), uma superfície de vedação de caixa (22) e uma rosca fêmea (23). O rosca macho (13) e a rosca fêmea (23) são constituídos por roscas de cunha. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto do pino (11) está em contato com a superfície de ressalto da caixa (21), o flanco de penetração e o flanco de carga da rosca macho (13) estão em contato com um flanco de penetração e o flanco de carga, respectivamente, da rosca fêmea (23) e a superfície de vedação do pino (12) está em contato com a superfície de vedação da caixa (22). O ângulo de ressalto é 4 ° ou maior. O ângulo de ressalto é o ângulo formado por cada uma das superfícies de ressalto (11,21) com um plano perpendicular ao eixo do tubo (CL) quando a conexão não é encaixada.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente divulgação refere-se a uma conexão roscada para tubo de aço.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

[0002] Tubos de aço chamados produtos tubulares petrolíferos são usados, por exemplo, para prospecção ou produção de petróleo ou gás natural em poços de petróleo ou poços de gás natural (doravante designados coletivamente como "poço de petróleo"), desenvolvendo recursos não convencionais como areia betuminosa ou gás de xisto, recuperação ou armazenamento de dióxido de carbono (Captura e Armazenamento de dióxido de carbono (CCS)), geração de energia geotérmica ou em fontes termais. Uma conexão roscada é usada para conectar tubos de aço.

[0003] Essas conexões roscadas para tubos de aço são geralmente categorizadas como tipo de acoplamento e tipo integral. Uma conexão de tipo acoplamento conecta um par de tubos, um dos tubos é um tubo de aço e o outro tubo é um acoplamento. Neste caso, uma rosca macho é fornecida sobre a periferia externa de ambas as extremidades do tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna de ambas as extremidades do acoplamento. Em seguida, a rosca macho do tubo de aço é enroscada na rosca fêmea do acoplamento, de modo que eles estejam montados e conectados. Uma conexão de tipo integral conecta um par de tubos que são ambos tubos de aço e não usa um acoplamento separado. Neste caso, uma rosca macho é fornecida na periferia externa de um dos tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é formada na periferia interna da outra extremidade. Em seguida, a rosca macho de um tubo de aço é enroscada na rosca fêmea do outro tubo de aço, de modo que eles estejam montados e conectados.

[0004] Uma porção de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma rosca macho é fornecida inclui um elemento a ser inserido em uma rosca fêmea e, portanto, é usualmente mencionado como "pino". Uma porção de conexão de uma extremidade de tubo na qual uma rosca fêmea é fornecida inclui um elemento para receber uma rosca macho e, portanto, é mencionada como "caixa". Um pino e uma caixa constituem extremidades de tubos e são, assim, de forma tubular.

[0005] É necessário que uma conexão roscada para tubo de aço tenha bom desempenho de vedação contra pressão de fluido do lado de dentro (doravante também mencionada como "pressão interna") e pressão de fluido do lado de fora (doravante também mencionada como "pressão externa"). Para resolver isso, a conexão roscada é fornecida com uma vedação que usa contato metal com metal. A vedação é composta por uma superfície de vedação de pino proporcionada na periferia externa do pino e uma superfície de vedação de caixa proporcionada na periferia interna da caixa. O diâmetro da superfície de vedação do pino é ligeiramente maior que o diâmetro da superfície de vedação da caixa. A diferença entre os diâmetros das superfícies de vedação dos pinos e da caixa será referida como quantidade de interferência. Quando a conexão roscada é encaixada e as superfícies de vedação são encaixadas, a presença de interferência faz com que o diâmetro da superfície de vedação do pino diminua e o diâmetro da superfície de vedação da caixa aumente. Cada uma das superfícies de vedação tenta retornar ao seu diâmetro original e, assim, produz uma recuperação elástica, gerando assim pressões de contato nas superfícies de vedação, que agora aderem uma à outra ao longo de toda a periferia para fornecer desempenho de vedação.

[0006] A patente JP 2007-504420 A divulga uma conexão roscada projetada para maximizar o comprimento de contato efetivo das superfícies de vedação. Nesta conexão roscada, a superfície de vedação do pino é em forma de arco, enquanto a superfície de vedação da caixa é afunilada. Esta publicação ensina que esta construção fornece uma largura de contato que é muito eficaz na direção axial e uma distribuição de pressão de contato que é geralmente parabólica ao longo da seção de contato efetiva.

[0007] A patente JP 2014-101983 A divulga uma conexão roscada projetada para garantir desempenho de vedação e resistência à compressão. Esta conexão roscada inclui uma superfície de ressalto de pino fornecida na ponta do pino e uma superfície de ressalto de caixa fornecida na extremidade interior da caixa. Quando a conexão tiver sido encaixada, as superfícies dos pinos e da caixa estão em contato umas com as outras para formar um conjunto de ressalto. Esta publicação ensina que uma força reativa de contato da superfície de ressalto da caixa contra a superfície de ressalto do pino não tem componente centrípeto e, portanto, não contribui para a deformação de redução de diâmetro da ponta do pino, ou tem um componente centrífugo e resiste ao diâmetro redução de deformação da ponta do pino.

[0008] Na conexão roscada desta publicação, o ângulo de ressalto, que é o ângulo de intersecção entre a superfície de ressalto e um plano perpendicular ao eixo do tubo, não é menor que 0° e não maior que 20°. De acordo com esta publicação, se o ângulo de ressalto for superior a 20°, o componente centrífugo é excessivamente grande e danifica as superfícies de vedação.

[0009] Na conexão roscada desta publicação, o diâmetro externo da superfície do ressalto do pino é menor que o diâmetro externo da superfície de ressalto da caixa. De acordo com esta publicação, esta construção evita a produção de uma força de pressão numa direção de redução de diâmetro da caixa contra a ponta do pino, evitando assim o enfraquecimento do contato na vedação causado por esta força de pressão.

SUMÁRIO DA DIVULGAÇÃO

[0010] Como discutido mais abaixo, nas conexões roscadas dos documentos de patente acima discutidos, o desempenho de vedação pode ser melhorado ainda mais. Em visto disto, um objetivo da presente divulgação é fornecer uma conexão roscada para tubo de aço que fornece desempenho de vedação ainda melhor.

[0011] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com a presente divulgação inclui um pino tubular e uma caixa tubular. O pino é fornecido adjacente a um corpo de tubo de aço. O pino é inserido na caixa de tal modo que a caixa e o pino são montados. O pino inclui uma superfície de ressalto de pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação de pino. A superfície de ressalto de pino é uma superfície circular fornecida em uma ponta do pino. A superfície de ressalto de pino é inclinada de tal modo que sua borda periférica externa fica mais próxima da ponta do pino do que sua borda periférica interna. A rosca macho é fornecida sobre uma superfície periférica externa do pino. A rosca macho é uma rosca de cunha. A superfície de vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino e está localizada entre a superfície do ressalto do pino e a rosca macho. A caixa inclui uma superfície de ressalto de caixa, uma rosca fêmea e uma superfície de vedação de caixa. A superfície de ressalto da caixa é uma superfície circular correspondente à superfície de ressalto do pino e é fornecida em uma extremidade interna da caixa. A superfície de ressalto da caixa é inclinada de tal modo que sua borda periférica externa fica mais próxima do interior da caixa do que sua borda periférica interna. A rosca fêmea é fornecida sobre uma superfície periférica interna da caixa de modo a corresponder à rosca macho externa. A rosca fêmea é uma rosca de cunha. A superfície de vedação da caixa é fornecida sobre a superfície periférica interna da caixa de modo a corresponder à superfície de vedação do pino. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto do pino está em contato com a superfície de ressalto da caixa, um flanco de perfuração e um flanco de carga da rosca macho estão em contato com um flanco de perfuração e um flanco de carga, respectivamente, e a superfície de vedação do pino está em contato com a superfície de vedação da caixa. Um ângulo de ressalto é de 4 ° ou maior. O ângulo de ressalto é um ângulo formado por cada uma das superfícies de ressalto do pino e da superfície de ressalto da caixa com um plano perpendicular ao eixo do tubo quando a conexão não é encaixada.

[0012] A conexão roscada de acordo com a presente divulgação fornece desempenho de vedação melhorado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0013] [FIG. 1] A FIG. 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática da conexão roscada para tudo de aço de acordo com uma modalidade. [FIG. 2] A FIG. 2 é uma vista ampliada parcial da conexão roscada para tubo de aço mostrada na FIG. 1. [FIG. 3] A FIG. 3 é uma vista ampliada parcial da conexão roscada para tubo de aço mostrada na FIG. 1. [FIG. 4] A FIG. 4 é um gráfico que mostra a relação entre a força de contato da vedação e o ângulo de ressalto. [FIG. 5] A FIG. 5 é um gráfico que mostra a relação entre a resistência ao torque e o ângulo de ressalto.

MODALIDADES PARA REALIZAR A INVENÇÃO

[0014] Uma conexão roscada conhecida para tubo de aço que atinge alta resistência a torque é uma conexão roscada que usa roscas de cunha. Uma rosca de cunha tem uma largura de rosca que gradualmente varia em direção à ponta do pino, e possui um flanco de perfuração e um flanco de carga que ambos têm ângulos de flanco negativos. Uma rosca de cunha tem um efeito conhecido como auto-aperto. Ou seja, em uma conexão roscada que usa roscas de cunha, após a conclusão do encaixe, os flancos de perfuração das roscas macho e fêmea estão em contato um com o outro e os flancos de carga das roscas macho e fêmea estão em contato um com o outro de tal forma que as roscas macho e fêmea são montadas juntas.

[0015] Normalmente, uma conexão roscada que usa roscas de cunha não tem ressaltos. Por exemplo, a conexão roscada da patente JP 2007-504420 A inclui roscas constituídas por roscas de cunha, mas não inclui ressaltos. Por outro lado, uma conexão roscada que inclui ressaltos normalmente não usa roscas de cunha. Por exemplo, a conexão roscada da patente JP 2014-101983 A inclui ressaltos, mas usa roscas trapezoidais, onde os flancos de perfuração das roscas não estão em contato um com o outro após a conclusão do encaixe.

[0016] Assim, em uma conexão roscada para tubo de aço, as roscas de cunha e os ressaltos normalmente não são combinados. Se as roscas de cunha forem usadas em uma conexão roscada e os ressaltos forem fornecidos, a conexão deve ser projetada de tal forma que o contato entre os flancos e entre os flancos de carga (ou seja, travamento) e o contato entre as superfícies de ressalto (ou seja, ressaltamento) ocorrem simultaneamente. Se o travamento das roscas de cunha e o ressaltamento não ocorrerem simultaneamente, uma interferência predeterminada não é introduzida na vedação e/ou roscas, resultando potencialmente em porções que são fracas contra cargas combinadas. Além disso, podem ocorrer rendimentos separados em uma rosca e ressalto ao longo da linha de torque de aperto. Para evitar esses fenômenos, a tolerância de fabricação da conexão roscada deve ser decidida com precisão. Assim, uma combinação de roscas de cunha e ressaltos é tipicamente evitada.

[0017] Contudo, se desconsiderarmos o problema da tolerância de fabricação, a combinação das roscas de cunha com os ressaltos pode melhorar o desempenho de vedação. Mais especificamente, os efeitos do travamento das roscas de cunha e o ressaltamento após a conclusão do encaixe podem aumentar as forças de contato produzidas na vedação.

[0018] Os presentes inventores tentaram encontrar um ângulo apropriado das superfícies de ressalto para proporcionar um bom desempenho de vedação em uma conexão roscada, incluindo tanto as roscas de cunha como ressaltos. Os presentes inventores chegaram à conexão roscada de acordo com a modalidade.

[0019] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com a modalidade inclui um pino tubular e uma caixa tubular. O pino é fornecido adjacente a um corpo de tubo de aço. O pino é inserido na caixa de tal modo que a caixa e o pino são montados. O pino inclui uma superfície de ressalto de pino, uma rosca macho e uma superfície de vedação de pino. A superfície de ressalto de pino é uma superfície circular fornecida em uma ponta do pino. A superfície de ressalto de pino é inclinada de tal modo que sua borda periférica externa fica mais próxima da ponta do pino do que sua borda periférica interna. A rosca macho é fornecida sobre uma superfície periférica externa do pino. A rosca macho é uma rosca de cunha. A superfície de vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino e está localizada entre a superfície do ressalto do pino e a rosca macho. A caixa inclui uma superfície de ressalto de caixa, uma rosca fêmea e uma superfície de vedação de caixa. A superfície de ressalto da caixa é uma superfície circular correspondente à superfície de ressalto do pino e está localizada em uma extremidade interna da caixa. A superfície de ressalto da caixa é inclinada de tal modo que sua borda periférica externa fica mais próxima de um interior da caixa do que sua borda periférica interna. A rosca fêmea é fornecida sobre uma superfície periférica interna da caixa de modo a corresponder à rosca macho externa. A rosca fêmea é uma rosca de cunha. A superfície de vedação da caixa é fornecida sobre a superfície periférica interna da caixa de modo a corresponder à superfície de vedação do pino. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto do pino está em contato com a superfície de ressalto da caixa, um flanco de perfuração e um flanco de carga da rosca macho estão em contato com um flanco de perfuração e um flanco de carga, respectivamente, e a superfície de vedação do pino está em contato com a superfície de vedação da caixa. Um ângulo de ressalto é de 4 ° ou maior. O ângulo de ressalto é um ângulo formado por cada uma das superfícies de ressalto do pino e da superfície de ressalto da caixa com um plano perpendicular ao eixo do tubo quando a conexão não é encaixada.

[0020] A conexão roscada acima descrita inclui uma rosca macho e uma rosca fêmea, cada uma constituída por uma rosca em cunha e uma superfície de ressalto do pino e uma superfície de ressalto da caixa. Quando a conexão tiver sido encaixada, os flancos de penetração das roscas macho e fêmea estão em contato um com o outro e os flancos de carga das roscas macho e fêmea estão em contato um com o outro, e a superfície de ressalto do pino e a superfície da caixa estão em contato um com o outro. Ou seja, o travamento das roscas de cunha e o ressaltamento ocorrem após a conclusão do encaixe. Isso evita a deformação da superfície de vedação do pino e da superfície de vedação da caixa entre as roscas e os ressaltos quando uma carga atua sobre eles, potencialmente aumentando as forças de contato entre as superfícies de vedação. Além disso, cada superfície de ressalto tem um ângulo de ressalto de 4 ° ou maior. Como descrito em detalhe mais abaixo, tais ângulos de ressalto proporcionam melhor desempenho de vedação do que as conexões roscadas convencionais.

[0021] O ângulo de ressalto pode ser de 40 ° ou maior.

[0022] Como discutido em detalhe mais abaixo, os ângulos de ressalto de 40 ° ou maior proporcionam boa resistência ao torque.

[0023] O ângulo de ressalto pode ser de 60 ° ou menor.

[0024] Normalmente, o aumento do ângulo de ressalto reduz a rigidez da ponta do pino, resultando em baixo desempenho de vedação. Por outro lado, a construção da conexão roscada de acordo com a modalidade não é susceptível à redução da rigidez da ponta do pino se os ângulos de ressalto forem de 60 ° ou menores, mantendo assim um bom desempenho de vedação. Esse ponto será descrito abaixo.

[0025] Serão descritas especificamente agora modalidades com referência aos desenhos. Os elementos iguais e correspondentes nos desenhos são identificados com os mesmos caracteres e a mesma descrição não será repetida. Para facilitar a explicação, os desenhos podem mostrar elementos de uma maneira simplificada ou esquemática, ou podem não mostrar alguns elementos.

[0026] [Construção da Conexão Roscada] A FIG. 1 é uma vista em corte longitudinal esquemática de uma conexão roscada 1 para tudo de aço de acordo com uma modalidade. Vista em corte longitudinal significa uma vista em corte transversal tomada ao longo de um plano contendo o eixo de tubo CL da conexão roscada 1. A conexão roscada 1 pode ser uma conexão roscada tipo integral ou pode ser uma conexão roscada tipo acoplamento.

[0027] Como mostrado na FIG. 1, a conexão roscada 1 inclui um pino 10 e uma caixa 20. O pino 10 e a caixa 20 são de forma tubular. O pino 10 é inserido na caixa 20 de tal modo que o pino 10 e a caixa 20 são feitos.

[0028] O pino 10 é fornecido adjacente a um corpo de tubo de aço 30. O pino 10 é formado pela usinagem de uma extremidade do tubo de aço. O corpo de tubo de aço 30 é uma porção do tubo de aço incluindo o pino 10 que não está localizado dentro da caixa 20 após a inserção. Na descrição que se segue, a direção para a ponta do pino 10, conforme determinada ao longo da direção na qual o eixo do tubo CL se prolonga (ou seja, direção do eixo do tubo) será referida como direção para dentro, sentido/direção para a frente ou direcionada para dentro, e a direção para o corpo 30 de tubo de aço, na direção externa ou traseira.

[0029] O pino 10 inclui uma superfície de ressalto de pino 11, superfície de vedação de pino 12 e uma rosca macho 13. A superfície de ressalto do pino 11, superfície de vedação de pino 12 e rosca macho 13 estão dispostas nesta ordem como determinado ao longo da direção do eito do tubo da parte traseira.

[0030] A superfície de ressalto do pino 11 é proporcionada na ponta do pino 10. A superfície de ressalto do pino 11 é fornecida sobre a superfície de ponta do pino que possui forma tubular. Como tal, o ressalto do pino 11 é uma superfície circular.

[0031] A superfície de vedação do pino 12 é proporcionada sobre a superfície periférica externa do pino 10. A superfície de vedação do pino 12 está localizada entre o ressalto do pino 11 e a rosca macho 13. A superfície de vedação do pino 12 é constituída, por exemplo, pela superfície periférica de um sólido de revolução obtido pela rotação de um arco ou arco elíptico em torno do eixo do tubo CL ou da superfície periférica de um cone truncado cujo eixo é representado pelo eixo do tubo CL. Em alternativa, a superfície de vedação do pino 12 é constituída por uma combinação de duas ou mais dessas superfícies periféricas.

[0032] A rosca macho 13 é proporcionada sobre a superfície periférica externa do pino 10. A rosca macho 13 está localizado mais para o corpo de tubo de aço 30 do que a superfície de vedação de pino 12. A rosca macho 13 é constituída por uma rosca de cunha. Uma rosca de cunha é moldada de forma que a largura da rosca diminui gradualmente à medida que vai da parte de cima para a parte de baixo da rosca. A rosca macho 13 é constituída por uma rosca macho afunilada com um diâmetro externo de rosca que diminui em direção à ponta do pino 10. A largura de rosca da rosca macho 13 diminui gradualmente em direção à ponta do pino 10.

[0033] A caixa 20 inclui uma superfície de ressalto de pino 21, superfície de vedação de caixa 22 e uma rosca fêmea 23. A superfície de ressalto da caixa 21, superfície de vedação da caixa 22 e rosca fêmea 23 estão dispostas nesta ordem como determinado ao longo da direção do eixo do tubo da parte traseira.

[0034] A superfície de ressalto da caixa 21 corresponde à superfície de ressalto do pino 11 e está localizada em uma extremidade interna da caixa 20. Semelhante à superfície de ressalto do pino 11, o ressalto da caixa 21 é de forma circular. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto da caixa 21 está em contato com a superfície de ressalto do pino 11 e, juntamente com a superfície de ressalto do pino 11, forma um conjunto de ressalto. As superfícies dos pinos e da caixa 11 e 21 servem de batente para limitar a roscagem do pino 10. As superfícies de ressalto dos pinos e da caixa 11 e 21 servem para gerar uma força axial de aperto das roscas dentro da conexão.

[0035] A superfície de vedação da caixa 22 corresponde à superfície de vedação do pino 12 e está localizada em uma extremidade periférica interna da caixa 20. A superfície de vedação da caixa 22 está localizada entre a superfície de ressalto da caixa 21 e a rosca fêmea 23. A superfície de vedação da caixa 22 é constituída, por exemplo, pela superfície periférica de um sólido de revolução obtido pela rotação de um arco ou arco elíptico em torno do eixo do tubo CL ou da superfície periférica de um cone truncado cujo eixo é representado pelo eixo do tubo CL. Em alternativa, a superfície de vedação da caixa 22 é constituída por uma combinação de duas ou mais dessas superfícies periféricas. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de vedação da caixa 22 está em contato com a superfície de vedação do pino 12 e, juntamente com a superfície de vedação do pino 12, forma uma vedação suando contato metal com metal.

[0036] A rosca fêmea 23 corresponde à rosca macho 13 e está localizada em uma extremidade periférica interna da caixa 20. A rosca fêmea 23 é constituída por uma rosca de cunha que engata na rosca de cunha, constituindo a rosca macho 13. A rosca fêmea 23 é constituída por uma rosca fêmea afunilada com um diâmetro externo de rosca que diminui em direção à extremidade interna da caixa 20. Quando a conexão tiver sido encaixada, a rosca fêmea 23 juntamente com a rosca macho 13, forma um conjunto de roscas. As roscas são de preferências roscas de início único ou roscas de início duplo.

[0037] As roscas constituídos pelas roscas macho e fêmea 13 e 23 têm, cada uma, uma largura de rosca que varia gradualmente em direção à ponta do pino. No entanto, uma parte de cada roscas pode ter uma largura de rosca constante. Por exemplo, a extremidade interna e/ou a extremidade externa, conforme determinada ao longo da direção do eixo do tubo de cada rosca podem ter uma largura de rosca constante.

[0038] FIG. 2 é uma vista ampliada parcial da conexão roscada 1. A FIG. 2 é uma vista ampliada das roscas da conexão roscada 1.

[0039] Como mostrado na FIG. 2, a rosca macho 13 inclui uma crista de rosca 131, uma raiz de rosca 132, um flanco de penetração 133 e um flanco de carga 134. O flanco de penetração 133 e o flanco de carga 134 são flancos que ligam a crista de rosca 131 e a raiz de rosca 132. O flanco de penetração 133 é uma superfície que vai primeiro quando o pino 10 está sendo enroscado na caixa 20. O flanco de carga 134 está localizado no lado da crista de rosca 131 que é oposto ao flanco de penetração 133.

[0040] O flanco de penetração 133 e o flanco de carga 134 têm um ângulo de flanco negativo. O ângulo do flanco refere-se ao ângulo formado por uma linha reta perpendicular ao eixo do tubo CL e ao flanco, como aparece em uma seção transversal longitudinal da conexão roscada 1.

[0041] No contexto do ângulo de flanco do flanco de penetração 133, a direção negativa é definida como a direção no sentido horário. Como tal, o flanco de penetração 133, tendo um ângulo de flanco negativo, é inclinado de tal modo que a periferia externa está localizada à frente da periferia interna, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo. No contexto do ângulo do flanco do flanco de carga 134, a direção negativa definida como a direção no sentido anti-horário. Como tal, o flanco de carga 134, tendo um ângulo de flanco negativo, é inclinado de tal modo que a periferia externa está localizada para trás da periferia interna, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo.

[0042] A rosca fêmea 23 inclui uma crista de rosca 231, uma raiz de rosca 232, um flanco de penetração 233 e um flanco de carga 234. O flanco de penetração 233 e o flanco de carga 234 são flancos que ligam a crista de rosca 231 e a raiz de rosca 232. O flanco de carga 234 está voltado para o flanco de penetração 233, de tal modo que eles prensam a raiz de rosca 231.

[0043] O flanco de penetração 233 e o flanco de carga 234 têm um ângulo de flanco negativo. No contexto do ângulo de flanco do flanco de penetração 233, a direção negativa é definida como a direção no sentido horário. Como tal, o flanco de penetração 233 é inclinado de tal modo que a periferia externa está localizada à frente da periferia interna, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo. No contexto do ângulo do flanco do flanco de carga 234, a direção negativa definida como a direção no sentido anti-horário. Como tal, o flanco de carga 234 é inclinado de tal modo que a periferia externa está localizada para trás da periferia interna, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo.

[0044] Quando a conexão tiver sido encaixada, a raiz de rosca 231 da rosca fêmea 23 é voltada para a crista de rosca 131 da rosca macho 13, onde uma folga é fornecida entre elas. Quando a conexão tiver sido encaixada, a crista de rosca 232 da rosca fêmea 23 está em contato com a raiz de rosca 132 da rosca macho 13. Como alternativa, quando a conexão tiver sido encaixada, a raiz de rosca 231 da rosca fêmea 23 e a crista de rosca 131 da rosca macho 13 estão em contato entre si e a crista de rosca 232 da rosca fêmea 23 e a raiz de rosca 132 da rosca macho 13 não estão em contato entre si.

[0045] Quando a conexão tiver sido encaixada, o flanco de penetração 233 da rosca fêmea 23 está em contato com o flanco de penetração 133 da rosca macho 13. Quando a conexão tiver sido encaixada, o flanco de carga 234 da rosca fêmea 23 está em contato com o flanco de carga 134 da rosca macho 13. Neste momento, nem todo o flanco de penetração 233 da rosca fêmea 23 deve estar em contato com o flanco de penetração 133 da rosca macho 13. Por exemplo, uma porção do flanco de penetração 233 da rosca fêmea 23 pode não estar em contato com o flanco de penetração 133 da rosca macho 13 devido a uma tolerância de fabricação ou semelhante.

[0046] FIG. 3 é uma vista ampliada parcial da conexão roscada 1. A FIG. 3 mostra uma porção frontal da conexão roscada 1 quando a conexão não é encaixada.

[0047] Como mostrado na FIG. 3, a superfície de ressalto 11 é inclinada de tal modo que sua borda periférica externa fica mais próxima da ponta do pino 10 do que sua borda periférica interna. A superfície de ressalto do pino 11 tem um ângulo de ressalto θ1. O ângulo de ressalto θ1 é o ângulo formado pela superfície de ressalto do pino 11 e um plano perpendicular ao eixo do tubo CL quando o pino 10 e a caixa 20 não são encaixados.

[0048] A superfície de ressalto da caixa 21 é inclinada de tal modo que a borda periférica externa fica mais próxima do da extremidade interna da caixa 20 do que a borda periférica interna. A superfície de ressalto da caixa 21 tem um ângulo de ressalto θ2. O ângulo de ressalto θ2 é o ângulo formado pela superfície de ressalto da caixa 21 e um plano perpendicular ao eixo do tubo CL quando a caixa 20 e o pino 10 não são encaixados.

[0049] O ângulo de ressalto θ2 da superfície de ressalto da caixa 21 é substancialmente igual ao ângulo de ressalto θ1 da superfície de ressalto do pino 11. Os ângulos de ressalto θ1 e θ2 sendo substancialmente iguais significam que a diferença entre os ângulos de ressalto θ1 e θ2 está dentro do intervalo de tolerância de fabricação. Por exemplo, a diferença entre os ângulos de ressalto θ1 e θ2 está dentro de um intervalo de ± 1 °. Na descrição seguinte, para facilidade de explicação, os ângulos de ressalto θ1 e θ2 podem ser referidos como ângulo de ressalto θ quando não é feita distinção.

[0050] Para proporcionar um bom desempenho de vedação, o ângulo de ressalto θ das superfícies dos pinos e da caixa dos ressaltos 11 e 21 não deve ser inferior a 4°. Para melhorar ainda mais o desempenho da vedação, o ângulo de ressalto θ é de preferência não inferior a 7 °, e mais preferencialmente não inferior a 20 °.

[0051] Para melhorar a resistência ao torque, o ângulo de ombro θ é preferencialmente não menor que 40 °.

[0052] Para proporcionar a rigidez requerida na ponta do pino 10, o ângulo de ressalto θ é de preferência não superior a 60 °. Do ponto de vista de fabricação realista, também, o limite superior do ângulo de ressalto θ deve ser de 60 ° quando os ângulos de inclinação da superfície periférica exterior do pino 10 se ligam à superfície de ressalto do pino 11 e à superfície periférica interna da caixa 20 que se conecta à superfície de ressalto da caixa 21, bem como o ângulo de inserção de corte de rosca para usinagem do pino 10 e caixa 20 são levados em consideração.

[0053] As formas das superfícies de vedação de pinos e caixas 12 e 22 não estão limitadas a outras particulares; a superfície de vedação de pino 12 da presente modalidade é uma superfície curva projetando-se para o lado de fora, conforme determinado ao longo de uma direção radial do pino 10. Por outro lado, a superfície de vedação de caixa 22 é geralmente afunilada. O diâmetro da superfície de vedação da caixa 22 diminui gradualmente em direção à extremidade interna da caixa 20.

[0054] No pino 10, quando a conexão não é feita, a posição P1 com o diâmetro máximo na superfície de vedação do pino 12 está localizada distante da ponta do pino 10 por uma distância predeterminada D1, medida direção do eixo do tubo. A distância D1 pode ser de 5 mm ou maior, por exemplo. O pino 10 inclui uma porção de corpo rígido 14 localizada à frente da superfície de vedação de pino 12. A porção de corpo rígido 14 é uma porção do pino 10 que está localizada à frente da superfície de vedação de pino 12, conforme determinado ao longo da direção do eixo do tubo, e inclui a superfície de ressalto do pino 11.

[0055] O diâmetro externo da porção de corpo rígido 14 diminui em direção à ponta do pino. Em uma vista em corte longitudinal do pino 10, a superfície periférica externa da porção de corpo rígida 14 está ligeiramente inclinada em relação ao eixo do tubo CL. Pelo menos uma porção da superfície periférica externa da porão de corpo rígido 14 não está em contato com a superfície periférica interna da caixa 20 quando a conexão tiver sido encaixada. Quando é aplicada uma carga de compressão à conexão roscada 1, a parte do corpo rígido 14 absorve a deformação plástica da superfície de vedação do pino 11. A porção de corpo rígido 14 reduz a diminuição na pressão da superfície de contato na superfície de vedação de caixa 21 pela superfície de vedação de pino 11.

[0056] [Efeitos] A conexão roscada 1 de acordo com a presente modalidade inclui uma superfície de ressalto de pino 11 e uma superfície de ressalto de caixa 21, assim como uma rosca macho 13 e uma rosca fêmea 23 constituída por roscas de cunha. Quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto do pino 11 encosta na superfície de ressalto da caixa 21, enquanto os flancos de penetração 133 e 233 das roscas macho e fêmea 13 e 23 estão em contato um com o outro e os flancos de carga 134 e 234 das roscas macho e fêmea 13 e 23 estão em contato um com o outro. Assim, na conexão roscada 1, o ressaltamento e travamento das roscas ocorrem após a conclusão do encaixe. Isto evita a deflexão da vedação localizada entre os ressaltos e as roscas quando uma carga é aplicada à conexão roscada 1, aumentando potencialmente as forças de contato entre as superfícies de vedação de pino e caixa 12 e 22. Além disso, uma vez que o ângulo de ressalto entre as superfícies de ressalto do pino e da caixa 11 e 21 é de 4 ° ou maior, pode ser proporcionado um bom desempenho de vedação.

[0057] Embora as modalidades tenham sido descritas, a presente divulgação não se limita às modalidades descritas acima, e são possíveis várias modificações sem se afastar do espírito da invenção.

EXEMPLOS

[0058] Para verificar os efeitos da presente divulgação, uma análise de elementos finitos foi conduzida para conexões roscadas para tubo de aço em que as roscas de cunha foram empregadas. Mais especificamente, com modelos da conexão roscada tendo a construção básica mostrada nas FIGS. 1 a 3, foi realizada uma análise enquanto o ângulo de ressalto (θ) da superfície de ressalto do pino (11) e da superfície de ressalto da caixa (21) foi variado, e o desempenho de vedação e resistência ao torque foram avaliados. O tamanho do tubo de aço analisado foi 7"26 # (com um diâmetro externo nominal de 177,80 mm e uma espessura de parede nominal de 9,19 mm), e o tubo de aço foi feito de aço L80 de acordo com os padrões API (com um limite elástico nominal YS=552 MPa (80 ksi)).

[0059] Para cada modelo, uma condição de carga combinada simulando o teste ISO 13679 Série A foi usada para avaliar o valor da força de contato da vedação para cada etapa de carregamento. O valor mínimo da força de contato da vedação que varia sob essa condição (força mínima de contato da vedação) foi usado como uma indicação do desempenho da vedação.

[0060] Além disso, para cada modelo, uma análise simulando o encaixe da conexão rosqueada foi conduzida e o valor máximo de torque (MTV), que é conhecido como uma indicação de torque de rendimento, foi usado para avaliar a resistência ao torque.

[0061] Os resultados da avaliação do desempenho de vedação são mostrados na FIG. 4. A FIG. 4 é um gráfico que mostra a relação entre a força mínima de contato de vedação e o ângulo de ressalto (θ). A FIG. 4 também mostra a força mínima de contato de vedação de conexões roscadas com roscas de cunha sem ressaltos (exemplos comparativos) para comparação com conexões roscadas com ressaltos e roscas de cunha (exemplos inventivos).

[0062] Como mostrado na FIG. 4, nas conexões roscadas dos exemplos inventivos, a força mínima de contato da vedação tendia a aumentar à medida que o ângulo de ressalto (θ) aumentava. Tipicamente, pensa-se que, à medida que o ângulo de ressalto (θ) aumenta, a rigidez da porção da ponta do pino (10) diminui, diminuindo assim o desempenho da vedação, especialmente contra a pressão externa. No entanto, nas conexões roscadas dos exemplos inventivos, foi instalada uma vedação entre as roscas travadas e os ressaltos, o que aumentou as pressões da superfície de contato na vedação, reduzindo assim a deflexão da superfície de vedação dos pinos (12) quando foi aplicada uma carga. Isto é presumivelmente o motivo pelo qual a diminuição no desempenho de vedação devido à diminuição na rigidez da porção de ponta do pino (10) foi minimizada mesmo quando o ângulo de ressalto (θ) aumentou.

[0063] Mais especificamente, a força mínima de contato de vedação das conexões roscadas dos exemplos inventivos aumentou quando o ângulo de ressalto (θ) aumentou; quando o ângulo de ressalto (θ) atingiu 4 °, tornou-se maior que a força mínima de contato da vedação das conexões roscadas dos exemplos comparativos. A força mínima de contato da vedação aumentou à medida que o ângulo de ressalto (θ) aumentou após o ângulo de ressalto (θ) ter excedido 4 °, mas estabilizou quando o ângulo de ressalto (θ) se tornou 7 ° ou maior. No entanto, quando o ângulo de ressalto (θ) se tornou 20 ° ou maior, a força mínima de contato da vedação aumentou novamente à medida que o ângulo de ressalto (θ) aumentou.

[0064] Assim, se o ângulo de ressalto (θ) não for menor que 4 °, a força de contato da vedação pode ser maior que a de uma conexão rosqueada convencional com roscas de cunha sem ressaltos, proporcionando assim um bom desempenho de vedação. Se o ângulo de ressalto (θ) não for menor do que 7 °, a força de contato da vedação é estável em um valor maior que o de uma conexão roscada convencional, assegurando ainda mais que um bom desempenho de vedação seja fornecido. Se o ângulo de ressalto (θ) não for menor do que 20 °, a força de contato da vedação aumenta significativamente, proporcionando um desempenho de vedação ainda melhor.

[0065] No entanto, se o ângulo de ressalto (θ) fosse maior que 60 °, a força de contato da vedação não aumentaria mais, mesmo se o ângulo de ressalto (θ) aumentasse. Isto é presumivelmente porque o efeito da redução da rigidez proporcionada pela porção da ponta do pino (10) era muito alto. Em vista disso, o ângulo de ressalto (θ) é de preferência não maior que 60 °.

[0066] Os resultados da avaliação da resistência ao torque são mostrados na FIG. 5. A FIG. 5 é um gráfico que mostra a relação entre o MTV obtido a partir da análise (ou seja, resistência ao torque) e o ângulo de ressalto (θ). A FIG. 5 também mostra o MTC de conexões roscadas com roscas de cunha sem ressaltos (exemplos comparativos) para comparação com conexões roscadas com ressaltos e roscas de cunha (exemplos inventivos).

[0067] Como mostrado na FIG. 5, nas conexões roscadas dos exemplos inventivos, o MTV tendia a aumentar à medida que o ângulo de ressalto (θ) aumentava. Quando o ângulo de ressalto (θ) era de 40 ° ou maior, o MTV das conexões roscadas dos exemplos inventivos era maior do que o MTV das conexões roscadas dos exemplos comparativos. Assim, se o ângulo de ressalto (θ) não for menor que 40 °, uma resistência ao torque maior do que a de uma conexão roscada convencional com roscas de cunha sem ressaltos pode ser obtida.

[0068] Assim, foi verificado que um bom desempenho de vedação pode ser alcançado se o ângulo de ressalto (θ) das superfícies de ressalto (11,21) quando a conexão não é composta não é menor do que 4 ° e, após a conclusão do encaixe, os flancos de penetração (133,233) das roscas estão em contato um com o outro e os flancos de carga (134,234) das roscas estão em contato um com o outro e as superfícies de ressalto (11,21) estão em contato umas com as outras. Para fornecer um desempenho da vedação ainda melhor, o ângulo de ressalto θ é de preferência não inferior a 7 °, e mais preferencialmente não inferior a 20 °. Além disso, verificou-se que, se o ângulo de ressalto (θ) não for menor que 40 °, tanto o bom desempenho quanto a boa resistência ao torque podem ser alcançados. O limite superior do ângulo de ressalto (θ) não está limitado a um valor particular; de preferência, é 60 °.

Claims

1. Conexão roscada (1) para tubo de aço, compreendendo: um pino tubular (10) fornecido adjacente a um corpo de tubo de aço; e um corpo tubular (20), o pino (10) sendo inserido na caixa (20) de tal modo que a caixa (20) e o pino (10) são encaixados, em que o pino (10) inclui: uma superfície de ressalto de pino (11), a superfície de ressalto de pino (11) sendo uma superfície circular fornecida em uma ponta do pino, a superfície de ressalto do pino (11) sendo inclinada de modo que sua borda periférica externa está localizada mais próxima da ponta do pino (10) do que sua borda periférica interna; uma rosca macho (13) fornecida em uma superfície periférica externa do pino (10), a rosca macho (13) sendo uma rosca de cunha; e uma superfície de vedação do pino (12) fornecida na superfície periférica externa do pino (10) e localizada entre a superfície de ressalto do pino (11) e a rosca macho (13), a caixa (20) inclui; uma superfície de ressalto de caixa (21), a superfície de ressalto de caixa (21) sendo uma superfície circular correspondendo à superfície de ressalto do pino (11) e fornecida em uma extremidade interna da caixa (20), a superfície de ressalto da caixa (21) sendo inclinada de modo que sua borda periférica externa está localizada mais próximo da extremidade interna da caixa (20) do que sua borda periférica interna; uma rosca fêmea (23) fornecida em uma superfície periférica interna da caixa (20) para corresponder à rosca macho (13), a rosca fêmea (23) sendo uma rosca de cunha; e uma superfície de vedação da caixa (22) fornecida sobre a superfície periférica interna da caixa (20) de modo a corresponder à superfície de vedação do pino (12), quando a conexão tiver sido encaixada, a superfície de ressalto do pino (11) está em contato com a superfície de ressalto da caixa (21), um flanco de perfuração (133) e um flanco de carga (134) da rosca macho (13) estão em contato com um flanco de perfuração (233) e um flanco de carga (234), respectivamente, uma rosca fêmea (23), e a superfície de vedação do pino (12) está em contato com a superfície de vedação da caixa (22), e um ângulo de ressalto sendo um ângulo formado por cada uma das superfícies de ressalto do pino (11) e da superfície de ressalto da caixa (21) com um plano perpendicular ao eixo do tubo quando a conexão não é encaixada, um ângulo de ressalto da superfície de ressalto do pino (11) e ângulo de ressalto da superfície de ressalto da caixa (21) sendo 4° ou maior, e o pino (10) inclui uma porção de corpo rígido (14) localizado à frente da superfície de vedação do pino (12) e o diâmetro externo da porção do corpo rígido (14) diminui em direção à ponta do pino, e a superfície de vedação do pino (12) é uma superfície curva projetando-se para fora conforme determinado ao longo de uma direção radial do pino (10); CARACTERIZADO por: a referida superfície de vedação do pino tem a posição (P1) com o maior diâmetro do pino entre a rosca e a ponta do pino.

2. Conexão roscada (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o ângulo de ressalto é de 40° ou maior.

3. Conexão roscada (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o ângulo de ressalto é 60° ou menor.