BR112021004076B1

BR112021004076B1 - Conexão roscada para tubo de aço

Info

Publication number: BR112021004076B1
Application number: BR112021004076-5A
Authority: BR
Inventors: Yousuke Oku; Sadao Douchi
Original assignee: Nippon Steel Corporation; Vallourec Oil And Gas France
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2023-11-07
Also published as: JPWO2020075366A1; CA3115198C; EP3865753A4; AR116680A1; SA521421480B1; CN112823256A; JP7237084B2; BR112021004076A2; EP3865753A1; CA3115198A1; US11506311B2; MX2021003985A; CN112823256B; EP3865753B1; WO2020075366A1; US20210341085A1; RU2764606C1

Abstract

é fornecida uma conexão roscada para tubo de aço que proporcione alto desempenho de torque, alto desempenho sob tensão e alta capacidade de vedação. uma conexão roscada 1 inclui: um pino tubular 10 incluindo um ressalto do pino 12, uma rosca macho 11 e uma vedação do pino 13; e uma caixa tubular 20 incluindo um ressalto da caixa 22, uma rosca fêmea 21 e uma vedação da caixa 23. as roscas macho e fêmea 11 e 21 são constituídas por roscas em cunha. a vedação do pino 13 é fornecida entre o ressalto do pino 12 e a rosca macho 11. a vedação da caixa 23 corresponde à vedação do pino 13 e está localizada na superfície periférica interna da caixa 20. quando a conexão é montada, o ressalto do pino 12 é espaçado do ressalto da caixa 22. a conexão roscada 1 satisfaz a seguinte expressão, (1): 3 % =< (lp-sp)/lp =< 7 % (1). na expressão (1), lp é o passo entre os flancos de carregamento 111 da rosca macho 11 e sp é o passo entre os flancos de penetração 112 da rosca macho 11.

Description

FUNDAMENTOS Campo Técnico

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

Descrição da Técnica Anterior

[0002] Tubos de aço chamados tubos de poço de petróleo são usados, por exemplo, para prospecção ou produção de petróleo ou gás natural em poços de petróleo ou poços de gás natural (neste documento referidos coletivamente como “poços de petróleo” ou semelhantes), desenvolvimento de 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 acoplamento e tipo integral. Uma conexão tipo acoplamento conecta um par de tubos, um dos quais é um tubo de aço e o outro é um acoplamento. Nesse caso, uma rosca macho é fornecida na periferia externa de cada uma das extremidades do tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna de cada uma das extremidades do acoplamento. Em seguida, uma rosca macho do tubo de aço é aparafusada na rosca fêmea do acoplamento de modo que elas estejam montadas e conectadas. Uma conexão tipo integral conecta um par de tubos que são ambos tubos de aço e não usa um acoplamento separado. Nesse caso, uma rosca macho é fornecida na periferia externa de uma extremidade de cada tubo de aço, enquanto uma rosca fêmea é fornecida na periferia interna da outra extremidade. Em seguida, a rosca macho de um tubo de aço é aparafusada na rosca fêmea do outro tubo de aço de modo que elas estejam montadas e conectadas.

[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, assim, 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, assim, é mencionada como “caixa”. Um pino e uma caixa constituem extremidades de tubos e são, assim, de forma tubular.

[0005] Quando conexões roscadas são usadas em níveis rasos em poços de petróleo muito profundos, por exemplo, grandes cargas de tensão derivadas dos próprios pesos de tubos de poço de petróleo são aplicadas a conexões roscadas, enquanto grandes cargas de compressão devido à expansão térmica são aplicadas a conexões roscadas em níveis profundos.

[0006] Além disso, é necessária uma conexão roscada para ter capacidade de vedação contra fluido de pressão do ambiente interno (neste documento também referida como “pressão interna”) e fluido de pressão do ambiente externo (neste documento também referida como “pressão externa”); quanto maior a profundidade em que uma conexão está localizada, maior a capacidade de vedação exigida da conexão. Em vista disso, uma conexão roscada é fornecida com uma vedação metálica, na qual elementos metálicos entram em contato uns com os outros. A vedação com metal é composta por uma vedação do pino fornecida na periferia externa do pino e uma vedação da caixa fornecida na periferia interna da caixa. O diâmetro da vedação do pino é ligeiramente maior do que o diâmetro da vedação da caixa. A diferença entre os diâmetros da vedação do pino e da vedação da caixa será referida como quantidade de interferência. Quando a conexão roscada é montada e as vedações são encaixadas umas nas outras, a quantidade de interferência faz com que o diâmetro da vedação do pino diminua e o diâmetro da vedação da caixa aumente. Cada uma das vedações tenta recuperar seus diâmetros originais e, assim, produz forças de recuperação elástica, que produzem pressões de contato nas vedações de modo que as vedações entrem em contato firmemente entre si ao longo de toda a circunferência, proporcionando assim capacidade de vedação.

[0007] Reedição de Patente U.S. N° 30647 (Documento de Patente 1), Patente U.S. N° 6158785 (Documento de Patente 2) e WO 2015/194193 (Documento de Patente 3) divulgam, cada um, uma conexão roscada usando roscas em cunha. Uma rosca em cunha tem uma largura de rosca que muda gradualmente ao longo de sua direção helicoidal. Uma rosca em cunha também é conhecida como rosca em cauda de andorinha e oferece alto desempenho de torque. No entanto, nenhum dos Documentos de Patente 1 a 3 especifica a que intervalo a largura de rosca de suas roscas em cunha muda.

[0008] JP 2012-512347 A (Documento de Patente 4) também divulga uma conexão roscada usando roscas em cunha. Em áreas próximas às extremidades da região da rosca macho, tanto o avanço medido entre os flancos de penetração machos quanto o avanço medido entre os flancos de carregamento machos são constantes. Da mesma forma, em áreas próximas às extremidades da região da rosca fêmea, tanto o avanço medido entre os flancos de penetração fêmeas e o avanço medido entre os flancos de carregamento fêmeas são constantes. Consequentemente, a largura de rosca é constante perto das extremidades das regiões rosqueadas. Embora possa ser reconhecido que há uma diferença entre o avanço medido entre os flancos de carregamento e o avanço medido entre os flancos de penetração, o documento não especifica nenhum valor específico para essa diferença.

[0009] Os seguintes documentos da técnica anterior são incorporados neste documento por referência.

[0010] [Documento de Patente 1] Reedição de Patente U.S. N° 30647 [Documento de Patente 2] Patente U.S. N° 6158785 [Documento de Patente 3] WO 2015/194193 [Documento de Patente 4] JP 2012-512347 A

SUMÁRIO

[0011] Como o flanco de carregamento e o flanco de penetração de uma rosca em cunha têm ângulos de flanco negativos, as roscas em cunha exibem alto desempenho de torque à medida que se interligam durante a montagem. Além disso, para facilitar a montagem, uma rosca em cunha pode ter uma largura de crista de rosca que diminui em direção à ponta do pino ou caixa. Em outras palavras, há uma diferença entre o passo do flanco de carregamento e o passo do flanco de penetração. Essa diferença no passo pode ser chamada de “avanço delta”. O avanço delta determina as larguras de crista de rosca medidas perto das pontas do pino e da caixa.

[0012] Em vez do avanço delta, a “proporção da cunha” pode ser usada para levar em consideração o efeito do valor absoluto do passo da rosca. A proporção da cunha é determinada dividindo o avanço delta pelo passo do flanco de carregamento e é a proporção entre o avanço delta e o passo do flanco de carregamento, expressa como uma porcentagem.

[0013] Se a proporção da cunha for alta, isso significa que a taxa na qual a largura de crista de rosca diminui também é alta. Se a proporção da cunha for alta, a largura de crista de rosca diminui perto da ponta do pino ou da caixa. Se a largura de crista de rosca for pequena, a rosca da cunha pode não ser capaz de resistir a uma grande carga de tensão e a própria crista da rosca pode romper. Portanto, é necessário cuidado ao decidir a proporção da cunha. A capacidade de uma rosca de cunha resistir a uma carga de tensão será doravante referida como “desempenho sob tensão”.

[0014] O Documento de Patente 4 (JP 2012-512347 A), listado acima, divulga a otimização da proporção da cunha. No entanto, não há documento que avalie o efeito da proporção da cunha no desempenho de torque e na capacidade de vedação, bem como no desempenho sob tensão.

[0015] Um objeto da presente divulgação é fornecer uma conexão roscada para tubo de aço que proporcione alto desempenho de torque, alto desempenho sob tensão e alta capacidade de vedação.

[0016] Os presentes inventores fizeram uma extensa pesquisa para encontrar uma proporção de cunha apropriada que melhore o desempenho de torque e o desempenho sob tensão. Eles descobriram que o alto desempenho de torque, o alto desempenho sob tensão e a alta capacidade de vedação serão alcançados alterando a proporção da cunha.

[0017] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com a presente divulgação inclui um pino tubular e uma caixa tubular. O pino tubular é formado por uma porção de ponta de um tubo de aço. A caixa tubular é montada no pino à medida que o pino é inserido na caixa. O pino inclui um ressalto do pino, uma rosca macho e uma vedação do pino. O ressalto do pino é fornecido na porção de ponta do pino, o ressalto do pino tendo uma superfície toroidal. A rosca macho é fornecida em uma superfície periférica externa do pino. A rosca macho é uma rosca em cunha. A vedação do pino é fornecida entre o ressalto do pino e a rosca macho, a vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino. A caixa inclui um ressalto da caixa, uma rosca fêmea e uma vedação da caixa. O ressalto da caixa corresponde ao ressalto do pino e é fornecido em uma face mais interna da caixa, o ressalto da caixa tendo uma superfície toroidal. A rosca fêmea corresponde à rosca macho e é fornecida em uma superfície periférica interna da caixa. A rosca fêmea é uma rosca em cunha. A vedação da caixa corresponde à vedação do pino e é fornecida na superfície periférica interna da caixa. O ressalto do pino é espaçado do ressalto da caixa quando o pino e a caixa são montados. A conexão roscada satisfaz a seguinte expressão, (1).

[0018] 3 % < (LP-SP)/LP < 7 % (1).

[0019] Na expressão (1), LP é o passo entre os flancos de carregamento da rosca macho. SP é o passo entre os flancos de penetração da rosca macho. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0020] [FIG. 1] A FIG. 1 é uma vista em seção longitudinal de uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com uma modalidade, tomada ao longo da direção tubo-eixo. [FIG. 2] A FIG. 2 é uma vista em seção longitudinal ampliada das roscas macho e fêmea da FIG. 1. [FIG. 3] A FIG. 3 é uma vista em seção longitudinal ampliada da vedação com metal na FIG. 1. [FIG. 4] A FIG. 4 ilustra as rotas das condições de carga para testes de avaliação do desempenho de vedação. [FIG. 5] A FIG. 5 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e o torque de escoamento para um passo de flanco de carregamento de 7,2 mm. [FIG. 6] A FIG. 6 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e o torque de escoamento para um passo de flanco de carregamento de 8,64 mm. [FIG. 7] A FIG. 7 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e o torque de escoamento para um passo de flanco de carregamento de 10,8 mm. [FIG. 8] A FIG. 8 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a deformação plástica equivalente para um passo de flanco de carregamento de 7,2 mm. [FIG. 9] A FIG. 9 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a deformação plástica equivalente para um passo de flanco de carregamento de 8,64 mm. [FIG. 10] A FIG. 10 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a deformação plástica equivalente para um passo de flanco de carregamento de 10,8 mm. [FIG. 11] A FIG. 11 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a superfície mínima de contato da vedação para um passo de flanco de carregamento de 7,2 mm. [FIG. 12] A FIG. 12 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a superfície mínima de contato da vedação para um passo de flanco de carregamento de 8,64 mm. [FIG. 13] A FIG. 13 é um gráfico que ilustra a relação entre a proporção da cunha e a superfície mínima de contato da vedação para um passo de flanco de carregamento de 10,8 mm.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS

[0021] Uma conexão roscada para tubo de aço de acordo com a presente modalidade inclui um pino tubular e uma caixa tubular. O pino tubular é formado por uma porção de ponta de um tubo de aço. A caixa tubular é montada no pino à medida que o pino é inserido na caixa. O pino inclui um ressalto do pino, uma rosca macho e uma vedação do pino. O ressalto do pino é fornecido na porção de ponta do pino, o ressalto do pino tendo uma superfície toroidal. A rosca macho é fornecida em uma superfície periférica externa do pino. A rosca macho é uma rosca em cunha. A vedação do pino é fornecida entre o ressalto do pino e a rosca macho, a vedação do pino é fornecida na superfície periférica externa do pino. A caixa inclui um ressalto da caixa, uma rosca fêmea e uma vedação da caixa. O ressalto da caixa corresponde ao ressalto do pino e é fornecido em uma face mais interna da caixa, o ressalto da caixa tendo uma superfície toroidal. A rosca fêmea corresponde à rosca macho e é fornecida em uma superfície periférica interna da caixa. A rosca fêmea é uma rosca em cunha. A vedação da caixa corresponde à vedação do pino e é fornecida na superfície periférica interna da caixa. O ressalto do pino é espaçado do ressalto da caixa quando o pino e a caixa são montados. A conexão roscada satisfaz a seguinte expressão, (1).

[0022] 3 % < (LP-SP)/LP < 7 % (1).

[0023] Na expressão (1), LP é o passo entre os flancos de carregamento da rosca macho. SP é o passo entre os flancos de penetração da rosca macho.

[0024] Preferencialmente, a conexão roscada satisfaz a seguinte expressão, (2).

[0025] 4 % < (LP-SP)/LP < 6 % (2).

[0026] A conexão roscada pode satisfazer a seguinte expressão, (3).

[0027] -10 graus < α < -1 grau e -10 graus < β < -1 grau (3).

[0028] Na expressão (3), α é o ângulo de flanco do flanco de carregamento da rosca macho e β é o ângulo de flanco do flanco de penetração da rosca macho.

[0029] A rosca macho e a rosca fêmea podem, cada uma, incluir uma porção de rosca perfeita incluindo uma rosca perfeita. A porção de rosca perfeita pode ter um comprimento de 40 a 60 mm, medido em uma direção axial do tubo de aço.

[0030] A conexão roscada para tubo de aço de acordo com a presente modalidade será agora descrita com referência aos desenhos. Os componentes iguais e correspondentes são identificados com os mesmos caracteres nos desenhos e a mesma descrição não será repetida.

[0031] Referindo-se à FIG. 1, uma conexão roscada 1 para tubo de aço de acordo com a presente modalidade inclui um pino tubular 10 e uma caixa tubular 20. O pino 10 é formado por uma porção de ponta do tubo de aço 2. A caixa 20 é montada no pino 10 à medida que o pino 10 é inserido nela. As porções do tubo de aço 2 além da porção de ponta podem ser especificamente referidas como “corpo do tubo de aço”.

[0032] O pino 10 inclui um ressalto do pino 12, uma rosca macho 11 e uma vedação do pino 13. O ressalto do pino 12 é fornecido na porção de ponta do pino 10 e tem uma superfície toroidal. A rosca macho 11 é fornecida na superfície periférica externa do pino 10 e tem forma helicoidal. A rosca macho 11 é constituída por um uma rosca em cunha. A vedação do pino 13 está localizada entre o ressalto do pino 12 e a rosca macho 11 e é fornecida na superfície periférica externa do pino 10. A caixa 20 inclui um ressalto da caixa 22, uma rosca fêmea 21 e uma vedação da caixa 23. O ressalto da caixa 22 corresponde ao ressalto do pino 12, está localizado na face mais interna da caixa 20 e tem uma superfície toroidal. A rosca fêmea 21 corresponde à rosca macho 11, é fornecida na superfície periférica interna da caixa 20 e tem forma helicoidal. A rosca macho 21 é constituída por um uma rosca em cunha. A vedação da caixa 23 corresponde à vedação do pino 13 e é fornecida na superfície periférica interna da caixa 20. O ressalto do pino 12 é espaçado do ressalto da caixa quando o pino 10 e a caixa 20 são montados.

[0033] Além disso, quando o pino 10 e a caixa 20 são montando, os flancos de penetração e os flancos de carregamento da rosca macho 11 estão em contato com os flancos de penetração e os flancos de carregamento, respectivamente, da rosca fêmea 21, e a vedação do pino 13 está em contato com a vedação da caixa 23. O ângulo do ressalto é de 90° em relação ao eixo do tubo TA. Ângulo do ressalto significa o ângulo do ressalto do pino 12 ou ressalto da caixa 22 em relação a um plano perpendicular ao eixo do tubo (eixo do tubo de aço 2) TA.

[0034] Referindo-se à FIG. 2, os flancos de carregamento 111 da rosca macho 11 e os flancos de carregamento 211 da rosca fêmea 21 têm um ângulo de flanco α. Os flancos de penetração 112 da rosca macho 11 e os flancos de penetração 212 da rosca fêmea 21 têm um ângulo de flanco β. O ângulo de flanco α é o ângulo dos flancos de carregamento 111 e 211 em relação a um plano VP perpendicular ao eixo do tubo (eixo do tubo de aço 2) TA. O ângulo de flanco β é o ângulo dos flancos de penetração 112 e 212 em relação a um plano VP perpendicular ao eixo do tubo TA. Se os flancos de carregamento 111 e 211 ou flancos de penetração 112 e 212 forem paralelos a um plano VP, o ângulo de flanco é de zero grau. Se os flancos de carregamento 111 da rosca macho 11 estiverem inclinados em direção à ponta do pino 10 em relação a um plano VP (em outras palavras, se os flancos de carregamento 211 da rosca fêmea 21 estiverem inclinados em direção à ponta da caixa 20 em relação a um plano VP), o ângulo de flanco α dos flancos de carregamento 111 e 211 é positivo. Por outro lado, se os flancos de carregamento 111 da rosca macho 11 estiverem inclinados em direção ao corpo do tubo de aço com o pino 10 em relação a um plano VP (em outras palavras, se os flancos de carregamento 211 da rosca fêmea 21 estiverem inclinados em direção ao corpo de tubo de aço com a caixa 20 em relação a um plano VP), o ângulo de flanco α dos flancos de carregamento 111 e 211 é negativo. Além disso, se os flancos de penetração 112 da rosca macho 11 estiverem inclinados em direção ao corpo do tubo de aço com o pino 10 em relação a um plano VP (em outras palavras, se os flancos de penetração 212 da rosca fêmea 21 estiverem inclinados em direção ao corpo do tubo de aço com a caixa 20 em relação ao plano VP), o ângulo de flanco dos flancos de penetração 112 e 212 é positivo. Por outro lado, se os flancos de penetração 112 da rosca macho 11 estiverem inclinados em direção à ponta do pino 10 em relação a um plano VP (em outras palavras, se os flancos de penetração 212 da rosca fêmea 21 estiverem inclinados em direção à ponta da caixa 20 em relação a um plano VP), o ângulo de flanco dos flancos de penetração 112 e 212 é negativo. Os ângulos de flanco α e β de uma rosca em cunha são negativos.

[0035] Embora não seja limitativo, é preferível que todas as roscas macho e fêmea 11 e 21 sejam roscas perfeitas sem uma área de rosca imperfeita. Se todas as roscas 11 e 21 forem constituídas por roscas perfeitas, isso significa uma maior área de contato entre as roscas macho e fêmea 11 e 21, melhorando o desempenho de torque. O comprimento da área de rosca perfeita (ou seja, áreas das roscas macho e fêmea 11 e 21 constituídas por roscas perfeitas) pode ser de 40 a 60 mm, por exemplo.

[0036] A conexão roscada 1 para tubo de aço satisfaz a seguinte expressão, (1).

[0037] 3 % < (LP-SP)/LP < 7 % (1).

[0038] Preferencialmente, a conexão roscada 1 para tubo de aço satisfaz a seguinte expressão, (2).

[0039] 4 % < (LP-SP)/LP < 6 % (2).

[0040] Nas expressões (1) e (2), LP é o passo entre os flancos de carregamento 111 da rosca macho 11 (doravante referido como “passo do flanco de carregamento”). SP é o passo entre os flancos de penetração 112 da rosca macho 11 (doravante referido como “passo do flanco de penetração”). (LP-SP)/LP representa a proporção da cunha. O passo do flanco de carregamento LP é igual ao passo entre os flancos de carregamento 211 da rosca fêmea 21. O passo do flanco de penetração SP é igual ao passo entre os flancos de penetração 212 da rosca fêmea 21.

[0041] Ou seja, o limite superior da proporção da cunha é de 7% e, preferencialmente, 6%. O limite inferior da proporção da cunha é de 3% e, preferencialmente, 4%.

[0042] A conexão roscada 1 para tubo de aço satisfaz a seguinte expressão, (3).

[0043] -10 graus < α < -1 grau e -10 graus < β < -1 grau (3).

[0044] Na expressão (3), α é o ângulo de flanco do flanco de carregamento 111 da rosca macho 11. β é o ângulo de flanco do flanco de penetração 112 da rosca macho 11. O ângulo de flanco α do flanco de carregamento 111 da rosca macho 11 pode ser igual ou diferente do ângulo de flanco β do flanco de penetração 112 da rosca macho 11. O ângulo de flanco α do flanco de penetração 111 da rosca macho 11 é substancialmente igual ao ângulo de flanco α do flanco de carregamento 211 da rosca fêmea 21. O ângulo de flanco β do flanco de penetração 112 da rosca macho 11 é substancialmente igual ao ângulo de flanco β do flanco de penetração 212 da rosca fêmea 21.

[0045] Afirmando exatamente, os valores do passo do flanco de carregamento LP, passo do flanco de penetração SP e ângulos de flanco α e β são aqueles antes da montagem.

[0046] Referindo-se à FIG. 1, o pino 10 inclui um ressalto do pino 12, uma vedação do pino 13 e um rosca macho 11. O ressalto do pino 12 é fornecido na porção de ponta do pino 10. O ressalto do pino 12 está localizado na superfície de ponta do pino tubular 1. Assim, o ressalto do pino 12 tem uma superfície toroidal. A vedação do pino 13 é fornecida na periferia externa do pino 10. A vedação do pino 13 está localizada entre o ressalto do pino 12 e a rosca macho 11. A vedação do pino 13 é constituída, por exemplo, pela periferia de um sólido de revolução obtido girando um arco ou um arco elíptico em torno do eixo de tubo TA, ou a periferia de um cone truncado tendo um eixo representado pelo eixo de tubo TA. Alternativamente, a vedação do pino 13 pode ser constituída por uma combinação de duas ou mais dessas superfícies periféricas. A caixa 20 inclui um ressalto da caixa 22, uma vedação da caixa 23 e uma rosca fêmea 21. O ressalto da caixa 22 corresponde ao ressalto do pino 12 e está localizado na face mais interna da caixa 2. Similar ao ressalto do pino 12, o ressalto da caixa 22 tem uma superfície toroidal. Quando a conexão é montada, o ressalto da caixa 22, juntamente com o ressalto do pino 12, forma uma certa folga. A vedação da caixa 23 corresponde à vedação do pino 13 e está localizada na periferia interna da caixa 20. A vedação da caixa 23 está localizada entre o ressalto da caixa 22 e a rosca fêmea 21. A vedação da caixa 23 é constituída, por exemplo, pela periferia de um sólido de revolução obtido girando um arco ou um arco elíptico em torno do eixo de tubo TA, ou a periferia de um cone truncado tendo um eixo representado pelo eixo de tubo TA. Alternativamente, a vedação da caixa 23 pode ser constituída por uma combinação de duas ou mais dessas superfícies periféricas. Quando a conexão é montada, a vedação da caixa 23 está em contato com a vedação do pino 13 de modo que a vedação da caixa, juntamente com a vedação do pino 13, forme uma vedação com metal.

[0047] Providenciar uma certa folga entre o ressalto do pino 12 e o ressalto da caixa 22 formada quando a conexão é montada reduz seus efeitos no travamento das roscas em cunha. É adequado providenciar uma folga de cerca de 1,5 mm a 2,5 mm.

[0048] Em relação às posições das vedações do pino e da caixa 13 e 23, é necessária uma distância predeterminada da posição inicial de rosqueamento no pino 10 ou da posição final de rosqueamento na caixa 20 para evitar que a lâmina interfira na vedação 13 ou 23 durante a usinagem da rosca. É adequado providenciar uma distância de pelo menos 1,5 x LP (1,5 vezes o passo do flanco de carregamento da rosca).

[0049] De acordo com a presente modalidade, as roscas macho e fêmea 11 e 12 são constituídas por roscas em cunha e sua proporção de cunha está no intervalo de 3 a 7%, oferecendo assim alto desempenho de torque, alto desempenho sob tensão e alta capacidade de vedação.

[0050] A conexão roscada 1 pode ser do tipo acoplamento ou do tipo integral. Uma conexão roscada do tipo acoplamento inclui dois pinos e um acoplamento. Um dos pinos é formado por uma porção de ponta de um tubo de aço. O outro pino é formado por uma porção de ponta de outro tubo de aço. O acoplamento inclui duas caixas. Uma das caixas é formada por uma porção de extremidade do acoplamento. A outra caixa é formada pela outra porção de extremidade do acoplamento. A uma caixa é montada no um pino conforme o um pino é inserido nela. A outra caixa está localizada na extremidade do acoplamento oposta àquela com a uma caixa e é montada no outro pino conforme o outro pino é inserido nela. Por outro lado, uma conexão roscada integral é para conectar dois tubos de aço e inclui um pino e uma caixa. No caso de uma conexão roscada integral, um tubo de aço inclui um pino enquanto o outro tubo de aço inclui uma caixa.

[0051] Embora tenha sido descrita uma modalidade, a presente invenção não está limitada à modalidade ilustrada acima, e várias modificações são possíveis sem se afastar do espírito da invenção.

EXEMPLOS

[0052] Para verificar os efeitos da presente modalidade, o desempenho de torque e desempenho sob tensão foram avaliados usando o método dos elementos finitos (FEM). Uma conexão roscada em cunha foi avaliada e tubos de aço descritos abaixo foram usados.

[0053] Tamanho: 9-5/8 polegadas (com um diâmetro externo do corpo do tubo de 244,48 mm e um diâmetro interno do corpo do tubo de 216,8 mm) Material: material OCTG L80 de acordo com as normas API (com um limite de escoamento nominal de YS=552 MPa (80 ksi)) Conicidade da rosca: 1/12 Comprimento da rosca: 50 mm (pino) e 60 mm (caixa) Altura da rosca: 1,8 mm Ângulo de flanco: -5 graus (tanto para o flanco de carregamento quanto para o flanco de penetração) Passo do flanco de carregamento: 7,2 mm, 8,64 mm ou 10,8 mm Proporção da cunha: 2 a 10 % Passo do flanco de penetração: calculado para trás com base na proporção da cunha

[0054] A conexão roscada sendo avaliada era composta pela rosca macho 11, ressalto do pino 12, vedação do pino 13, rosca fêmea 21, ressalto da caixa 22 e vedação da caixa 23, como mostrado na FIG. 1. As roscas macho e fêmea 11 e 21 foram inteiramente constituídas por roscas em cunha e na sua maioria constituídas por roscas perfeitas.

[0055] A Tabela 1 mostra as dimensões etc. das 27 conexões roscadas (ou seja, amostras) testadas na análise. [Tabela 1]

[0056] Para a análise, a conexão roscada 1 mostrada na FIG. 1 foi usada como base, para a qual mudanças nas dimensões das roscas macho e fêmea 11 e 21 foram feitas, e o desempenho de torque e desempenho sob tensão foram avaliados.

[0057] [Avaliação do Desempenho de Torque] O torque de escoamento foi definido como o valor de torque máximo (MTV) no qual o torque de montagem começou a se deformar no gráfico de torque de montagem, que foi usado para avaliar o desempenho de torque.

[0058] [Avaliação do Desempenho sob Tensão] Uma carga substancialmente igual à carga de tensão sob a qual a conexão roscada 1 se deforma foi aplicada a uma conexão roscada que havia sido montada e o valor máximo da deformação plástica equivalente gerada nas bases dos flancos de carregamento 111 e 211 e flancos de penetração 112 e 212 da rosca localizada mais próximo da ponta em cada uma das roscas macho e fêmea 11 e 21 foi usado para avaliar o desempenho sob tensão. Por experiência em testes com tubos reais, os presentes inventores sabem que o risco de ruptura de uma crista de rosca torna-se alto se a deformação plástica equivalente for tão alta quanto cerca de 0,08. Em vista disso, eles presumiram que o limite de deformação plástica equivalente era 0,080 e determinaram que uma amostra teve bom desempenho sob tensão para uma deformação plástica equivalente inferior a 0,080. Alternativamente, para fornecer uma margem maior por precaução, o limite de deformação plástica equivalente pode ser 0,070.

[0059] [Avaliação do Desempenho de Vedação] Para avaliar o desempenho de vedação, uma carga combinada simulando um teste físico foi aplicada, como mostrado na FIG. 4, e a pressão da superfície de contato gerada na vedação 13, 23 foi calculada. A pressão da superfície de contato média e a pressão da superfície de contato máxima foram calculadas a partir da distribuição da pressão da superfície de contato da vedação, e o valor ao longo da rota de carga com a pressão da superfície de contato mais baixa foi tratado como a pressão da superfície de contato mínima para avaliação. A rota de condição de carga estava de acordo com a rota de condição de carga especificada pela ISO 13679, e a força axial aplicada foi de 95% da elipse de escoamento da conexão e a pressão aplicada foi de 47,5% da elipse de escoamento da conexão.

[0060] [Resultados da Análise] As FIGS. 5 a 7 ilustram valores de torque de escoamento obtidos pela análise dos elementos finitos. Em cada um desses gráficos, o eixo horizontal indica a proporção da cunha e o eixo vertical indica o MTV, onde os valores de MTV correspondentes aos valores de proporção da cunha são plotados. Independentemente do passo da rosca, o MTV aumentou à medida que a proporção da cunha aumentou, e especificamente aumentou de forma rápida no intervalo de 2 a 3%. Como pode ser determinado na FIG. 6, o MTV estava em seu máximo quando a proporção da cunha era de cerca de 9% e depois diminuiu.

[0061] O desempenho de torque aumentou, presumivelmente, pelas seguintes razões: se a proporção da cunha for alta, a largura de crista de rosca medida perto da ponta do pino 10 é pequena e, como uma porção do pino 10 com uma pequena largura de crista da rosca é apertada por uma porção da caixa 20 com uma grande largura de crista de rosca, uma alta pressão de contato é gerada.

[0062] As FIGS. 8 a 10 são gráficos, cada um ilustrando a relação entre o valor máximo de deformação plástica equivalente gerada quando uma carga de tensão foi aplicada a uma conexão roscada 1 que foi montada conforme discutido acima e a proporção da cunha. Essa deformação plástica equivalente foi gerada nas bases dos flancos de carregamento 111 e 211 e flancos de penetração 112 e 212 da rosca localizada mais próximo da ponta em cada uma das roscas macho e fêmea 11 e 21.

[0063] Como mostrado na FIG. 8, verificou-se que se o passo do flanco de carregamento LP=7,2 mm, o valor máximo da deformação plástica equivalente gerada na rosca macho excedeu 0,070 quando a proporção da cunha foi de 6% ou superior, e o valor máximo da deformação plástica equivalente excedeu 0,080 quando a proporção da cunha atingiu 8%.

[0064] Como mostrado na FIG. 9, verificou-se que se o passo do flanco de carregamento LP=8,64 mm, a deformação plástica equivalente gerada na rosca macho excedeu 0,070 quando a proporção da cunha foi de 7%, e a deformação plástica equivalente máxima excedeu 0,080 quando a proporção da cunha atingiu 9%.

[0065] Como mostrado na FIG. 10, verificou-se que se o passo do flanco de carregamento LP=10,8 mm, a deformação plástica equivalente máxima gerada na rosca macho excedeu 0,080 quando a proporção da cunha foi de 10% ou mais, de modo que as roscas provavelmente estavam rompidas.

[0066] Conforme discutido acima, as FIGS. 11 a 13 são gráficos que indicam as relações entre a proporção da cunha e os valores mínimos de pressão de contato máxima e pressão de contato média na vedação gerada quando cargas combinadas foram aplicadas à conexão roscada 1. As figuras demonstram que mudar a proporção da cunha não altera significativamente a pressão da superfície de contato mínima da vedação, o que significa que a influência da proporção da cunha é pequena.

[0067] Esses resultados demonstram que, para melhorar o desempenho de torque, quanto maior a proporção da cunha, melhor. No entanto, como discutido acima, se a proporção da cunha for muito alta, o risco de ruptura da rosca próximo à ponta do pino (rosca macho) e/ou caixa (rosca fêmea) aumenta; em vista disso, a proporção da cunha adequadamente não é superior a 7%. Além disso, como uma diminuição na largura da crista da rosca é equivalente a um aumento na largura da raiz da rosca e leva a um maior número de passes durante a usinagem da rosca e redução da vida útil da inserção, uma proporção de cunha extremamente alta não é desejável do ponto de vista da fabricação. Em vista disso, a proporção de cunha apropriada foi considerada entre 3 e 7%.

EXPLICAÇÃO DE CARACTERES

[0068] 1: conexão roscada para tubo de aço 10: pino 11: rosca macho 12: ressalto do pino 13: vedação do pino 20: caixa 21: rosca fêmea 22: ressalto da caixa 23: vedação da caixa 111. 211: flanco de carregamento 112. 212: flanco de penetração LP: passo do flanco de carregamento SP: passo do flanco de penetração

Claims

1. Conexão roscada (1) para tubo de aço, que compreende: um pino tubular (10) formado por uma porção de ponta de um tubo de aço; e uma caixa tubular (20) adaptada para ser montada no pino (10) à medida que o pino (10) é inserido na caixa (20), o pino (10) incluindo: um ressalto do pino (12) fornecido na porção de ponta do pino (10), o ressalto do pino (12) tendo uma superfície toroidal; uma rosca macho (11) fornecida em uma superfície periférica externa do pino (10), a rosca macho (11) sendo uma rosca em cunha; e uma vedação do pino (13) fornecida entre o ressalto do pino (12) e a rosca macho(11), a vedação do pino (13) sendo fornecida na superfície periférica externa do pino (10), a caixa (20) incluindo: um ressalto da caixa (22) correspondendo ao ressalto do pino (12) e fornecido em uma face mais interna da caixa (20), o ressalto da caixa (22) tendo uma superfície toroidal; a rosca fêmea (21) correspondendo à rosca macho (11) e fornecida em uma superfície periférica interna da caixa (20), a rosca fêmea (21) sendo uma rosca em cunha; e uma vedação da caixa (23) correspondendo à vedação do pino (13) e fornecida na superfície periférica interna da caixa (20), em que o ressalto do pino (12) é espaçado do ressalto da caixa (22) quando o pino (10) e a caixa (20) são montados, e a conexão roscada (1) satisfaz a seguinte expressão, (1): caracterizada por: 3 % < (LP-SP)/LP < 7 % (1), em que, na expressão (1), LP é o passo entre os flancos de carregamento (111) da rosca macho (11) e SP é o passo entre os flancos de penetração (112) da rosca macho (11).

2. Conexão roscada (1) para o tubo de aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a conexão roscada (1) satisfazer a seguinte expressão, (2): 4 % < (LP-SP)/LP < 6 % (2).

3. Conexão roscada para o tubo de aço (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por a conexão roscada (1) satisfazer a seguinte expressão, (3): -10 graus < α < -1 grau e -10 graus < β < -1 grau (3), em que, na expressão (3), α é o ângulo de flanco do flanco de carregamento (111) da rosca macho (11) e β é o ângulo de flanco do flanco de penetração (112) da rosca macho (11).

4. Conexão roscada (1) para o tubo de aço, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por a rosca macho (11) e a rosca fêmea (21) incluírem, cada, uma porção de rosca perfeita incluindo uma rosca perfeita, e a porção de rosca perfeita ter um comprimento de 40 a 60 mm, medido em uma direção axial do tubo de aço.