BRPI0811129B1

BRPI0811129B1 - método de montagem para uma junta rosqueada

Info

Publication number: BRPI0811129B1
Application number: BRPI0811129-4A
Authority: BR
Inventors: J Santi Nestor
Original assignee: Tenaris Conections Ag; Tenaris Connections Bv; Tenaris Connections Ltd
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2019-11-19
Also published as: WO2009027309A1; DE602007008890D1; CN101711321A; AR068023A1; JP5719169B2; RU2009148851A; NO20093284L; CA2686248A1; CN101711321B; EP2028402A1; RU2455554C2; US20110041581A1; US8544304B2; JP2010537135A; BRPI0811129A2; CA2686248C; EP2028402B1; MX2009013357A

Abstract

método de montagem para uma junta rosqueada método de montagem para uma junta rosqueada (1), compreendendo as etapas de aplicar um torque para encaixar o pino na caixa até que o primeiro e o segundo ombros de apoio se apoiem e aplicar um torque extra até alcançar uma magnitude entre 50% e 90% da resistência do aço na parte mais tensionada da junta. o efeito de aplicar este método é aumentar a vida de fadiga da junta.

Description

MÉTODO DE MONTAGEM

PARA UMA JUNTA ROSQUEADA

Campo da invenção [001] A presente invenção se refere a um método para melhorar a resistência de fadiga de juntas rosqueadas que servem, em particular, para conectar tubos de comprimento predefinido e criar colunas utilizadas na indústria de hidrocarbonetos, especialmente no campo de OCTG (Tubos de Aço para Transporte de Derivados de Petróleo) e como tubulações de plataformas marítimas.

Antecedentes da invenção [002] Nos últimos anos, procurar petróleo ou, de forma mais genérica, hidrocarbonetos vem se tornando uma atividade cada vez mais exigente no que se refere a equipamentos e dispositivos, já que os campos ou reservas de petróleo e gás se encontram em lugares mais profundos ou mais difíceis de atingir. O processo de sondar e explorar campos de hidrocarboneto localizados no fundo do mar é cada vez mais comum e requer equipamentos mais resistentes a desafios ambientais como fadiga e corrosão, fatores que não eram tão importantes no passado.

[003] Para extrair petróleo e gás de campos localizados em águas profundas utilizam-se normalmente plataformas marítimas, as quais são ancoradas ao fundo do mar com a ajuda de colunas

tubulares	denominadas tubos	de subida.	Sua	função é
transportar	petróleo	e gás até	a superfície.
[004] Essas	colunas	tubulares	se encontram	imersas	no mar e

estão sujeitas a movimentos causados pelas correntes marítimas

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 7/25 / 15 e pelas ondas da superfície. Devido a esses movimentos contínuos e periódicos do mar, os tubos de subida não permanecem imóveis, senão que estão sujeitos a movimentos laterais de pequena magnitude que podem causar deformações em certas partes da junta, devendo suportar cargas que induzem pressões de fadiga nos tubos, particularmente na região da junta rosqueada. Essas pressões tendem a causar a ruptura dos tubos nas proximidades da rosca, razão pela qual é necessário melhorar a resistência de fadiga das juntas rosqueadas.

[005] Atualmente, o desempenho de fadiga e a estrutura das conexões rosqueadas para a indústria de petróleo e gás vem sendo adaptada e extrapolada a partir de outros campos da engenharia. Ainda não existem padrões específicos ou especificações para a sua estrutura e dimensionamento. Os conceitos básicos podem ser encontrados no British Standard/Código de prática BS7608 para Estruturamento de fadiga e avaliação de estruturas de aço, e curva DNV Classe B S-N. Já foram propostas algumas soluções para aumentar a vida de fadiga das juntas rosqueadas.

[006] O documento US6045165 descreve um método para fabricar e realizar o encaixe de uma junta rosqueada, com o objetivo de melhorar sua resistência à corrosão. A junta possui um ombro interno ou um ombro externo ou ambos, sendo que cada um compreende uma porção de vedação e um ombro de torque. Sua estrutura é tal que o diâmetro de inclinação da vedação 5 que forma a face do pino é maior do que o da caixa e a inclinação do ombro de torque que forma a face do pino é menor do que a da caixa. A diferença na inclinação entre ambos os lados está no intervalo de 0,5° a 4,0°. Essas características impedem a

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 8/25 / 15 passagem de gases e conferem resistência à corrosão e fissuras. Porém, o problema da resistência de fadiga não foi abordado no referido documento.

Resumo da invenção [007] É, portanto, um objetivo da presente invenção oferecer uma junta rosqueada que possa superar os inconvenientes previamente mencionados.

[008] O principal objetivo da presente invenção é oferecer um método para aumentar a vida de fadiga de uma junta rosqueada.

[009] Os objetivos acima mencionados são alcançados de acordo com a presente invenção através de um método para o encaixe de uma junta rosqueada, sendo que: se oferece um tubo rosqueado macho, definido como pino, e um tubo rosqueado fêmea, definido como caixa; o pino é fornecido com um primeiro ombro de apoio; a caixa é fornecida com um segundo ombro de apoio; o primeiro e o segundo ombros de apoio possuem formas complementares; o pino se adapta para ser conectado à caixa; e o método compreende os seguintes passos:

a) inserir a porção rosqueada do pino na porção rosqueada da caixa;

b) aplicar um torque para encaixar o pino na caixa até que o primeiro e o segundo ombros de apoio se apóiem;

c) aplicar um torque extra até alcançar uma magnitude entre

50% e 90% da força de rendimento do aço na parte mais pressionada da junta.

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 9/25 / 15 [0010] De acordo com outro aspecto da invenção, os objetivos acima mencionados são alcançados de acordo com uma junta rosqueada que compreende um tubo rosqueado macho, definido como pino, e um tubo rosqueado fêmea, definido como caixa, sendo que o pino é fornecido com um primeiro ombro de apoio, a caixa é fornecida com um segundo ombro de apoio, o primeiro e o segundo ombros de apoio possuem formas complementares, o pino se adapta para ser conectado à caixa, sendo que a interferência entre as raízes da rosca do pino (ou da caixa) e as cristas da rosca da caixa (ou do pino), medida de acordo com as dimensões nominais do pino e da caixa, está compreendida entre 1% e 5% da espessura média da parede do tubo, oferecendo-se uma raiz para carregar o raio flanqueado com um valor de cerca de ¼ da altura da rosca.

[0011] De acordo com a presente invenção, o objetivo de melhorar a resistência de fadiga da junta rosqueada é alcançado mediante a ação combinada de várias características que aparecem ao final da operação de encaixe em uma junta que foi projetada de forma apropriada:

a) provisão de elevadas cargas radiais, denominadas cargas argola, em função da interferência raiz-a-crista para melhorar a resistência de fadiga;

b) provisão de elevadas cargas de ombro para melhorar a resistência de fadiga;

c) provisão de uma raiz ampliada para flanquear o raio R, diminuindo a concentração de pressão nas raízes da rosca;

d) além disso, a preparação adequada das superfícies do pino e da caixa, que compreende principalmente um tratamento

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 10/25 / 15 de jateamento de granalha, aumenta ainda mais a resistência de fadiga da junta.

Breve descrição das figuras [0012] O objetivo anterior e outros objetivos irão se tornar mais aparentes fazendo-se referência à seguinte descrição detalhada e às figuras anexas, sendo que:

[0013] A Figura 1 ilustra uma vista em corte em um plano de eixo longitudinal da junta, na qual o método de acordo com a presente invenção é aplicado;

[0014] As Figuras 2a e 2b ilustram vistas ampliadas de uma particularidade da junta da Fig. 1;

[0015] A Figura 3 ilustra um gráfico com curvas que representam a tendência do torque de encaixe necessário para realizar o método de acordo com a invenção.

[0016] A Figura 4 mostra um gráfico comparativo com os resultados dos testes de fadiga.

Descrição detalhada da invenção [0017] O método da invenção para encaixar juntas segue o princípio de melhorar a resistência de fadiga aumentando a integridade estrutural de uma conexão e foi desenvolvida com o método Taguchi, baseado na teoria das matrizes octogonais.

[0018] O Dr. Taguchi desenvolveu um método baseado em experimentos de arranjo ortogonal, os quais conferem uma variância muito mais reduzida para o experimento com um conjunto ótimo de parâmetros de controle. Esse método tira proveito de conhecimentos anteriores sobre o produto ou processo. Os arranjos ortogonais oferecem um conjunto de

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 11/25 / 15 experimentos bem balanceados (mínimo), sendo que as razões sinal-a-ruído (S/N) do Dr. Taguchi servem como funções objetivas para a otimização e previsão de resultados ótimos. A razão sinal-a-ruído precisa ser maximizada para minimizar os efeitos do ruído; o nível de ruído é indicado como um erro que deveria ser mantido baixo, caso contrário a seleção de parâmetros não se completa e parte do ruído é realmente um sinal não identificado corretamente no começo do teste.

[0019] Os parâmetros de avaliação que utilizam a metodologia foram definidos, conforme se indica abaixo, em dois estados possíveis:

- Raios do perfil da rosca (0,2 ou 0,3 mm)

- Interferência da rosca (0,9% ou 4% da espessura média da conexão)

- Tratamento da superfície (jateamento ou sem proteção)

- Torque no ombro (inferior a 16272 N.m, superior a 24408 N.m), valores alvo devido à inércia das pinças de encaixe.

[0020] Os parâmetros acima mencionados foram combinados conforme indicado pela metodologia do Dr. Taguchi para a criação de experimentos usando uma matriz ortogonal L8 - oito tentativas experimentais. Os experimentos foram realizados em dois níveis de pressão em um tubo com um diâmetro externo de 244 mm e uma espessura de 13,84 mm. A Tabela I resume os parâmetros.

Tabela I - Matriz de Taguchi L8 e resultados de teste

Número do	Torque no ombro	Interferência da	Raio (mm)	Tratamento da
teste	(kN.m)	rosca (% diâm.)		superfície

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1	<16	0,9%	0,3	P
2	<16	0,9%	0,2	N
3	<16	4%	0,2	N
4	<16	4%	0,3	P
5	>24	0,9%	0,3	N
6	>24	0,9%	0,2	P
7	>24	4%	0,2	P
8	>24	4%	0,3	N

[0021] O gráfico abaixo ilustra a diferença entre uma conexão padrão e os resultados das conexões fabricadas de acordo com o quadro acima, sendo que a combinação mais eficaz é o uso de maior interferência, uma maior energia no ombro, um maior raio e a superfície tratada com jateamento. Os principais efeitos são observados na área acima do limite de fadiga do material, de aprox. 90 MPa.

[0022] Como resultado deste método, várias configurações de juntas rosqueadas são possíveis, razão pela qual vários testes foram realizados para validar os resultados. Com referência particular às figuras, ilustra-se uma junta rosqueada indicada globalmente com o numeral d referência 1, conectando dois tubos, um tubo macho ou pino 2, de diâmetro externo nominal D, e um tubo fêmea ou caixa 3 de diâmetro externo nominal D1.

[0023] O pino 2 possui uma porção rosqueada 4 com roscas macho de perfil adequado, por ex. trapezoidal, e a caixa 3 possui uma porção rosqueada interna 5 com roscas fêmea.

[0024] O eixo em comum do tubo com o pino e a caixa é indicado com o símbolo Δ. O pino 2 termina com uma ponta que apresenta um ombro de apoio 6. A superfície anular

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 13/25 / 15 correspondente da caixa 3 onde o pino 2 se apóia no fim da operação de encaixe compreende um ombro de apoio 7 com substancialmente a mesma forma. Os ombros 6 e 7 são usados para transmitir cargas axiais compressivas através da junta ou para melhorar sua resistência de compressão com cargas operacionais.

[0025] As roscas do pino 2 e da caixa 3 são projetadas de forma tal que, uma vez finalizado o encaixe, as raízes de um componentes, seja o pino ou a caixa, e as cristas correspondentes do outro componente possuem interferência radial.

[0026] O valor dessa interferência é medido de acordo com as dimensões nominais do pino e da caixa, isto é, antes de encaixar os dois componentes, não é inferior a 1% da espessura média da junta ou conexão, ou seja, a adição das espessuras médias do pino e da caixa no caso do peso mais leve coberto pelo intervalo do tubo projetado; e não é superior a 5% da espessura média da junta, ou seja, a adição das espessuras médias do pino e da caixa no caso do peso mais pesado coberto pelo intervalo do tubo projetado.

[0027] Esses valores de interferência garantem que o nível de pressões na conexão sejam mantidos sob controle evitando, assim, fatores de concentração de alta pressão.

[0028] No quadro seguinte, ilustram-se exemplos de valores adequados de interferência no caso de dois tubos com diferente diâmetro e peso:

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Diâmetro do tubo em mm

Peso em kg/m interferência em % interferência em pm

244

340

53,44

145,90

3%

2%

370

360 [0029] Uma vantagem, de acordo com o método da invenção, é que durante o encaixe uma energização axial adicional é oferecida à junta ao adicional cargas elevadas nos ombros 6 e 7 entre o pino e a caixa. Isso é feito dando à junta um torque de encaixe extra e, portanto, aplicando uma carga extra ao ombro. Isso possui o efeito surpreendente de alcançar uma melhor resistência de fadiga na junta.

[0030] Essa maior adicional produz um efeito compressivo adicional, tendendo a pressionar a caixa 3 e a comprimir o pino 2 melhorando, assim, a resistência à pressão de fadiga. Isso se alcança ao equilibrar a distribuição de pressão sobre a extensão da junta 1, especialmente sobre o pino 2.

[0031] Com referência ao gráfico da Fig. 3, ilustra-se um gráfico cartesiano onde o eixo da abscissa representa o número de voltas de encaixe e o eixo da ordenada representa a magnitude do torque. O gráfico mostra duas curvas, 10 e 11.

[0032] A curva 10 representa a tendência de torque para uma junta de alta gama durante o encaixe, de acordo com a prática comum. O ponto a da curva 10 mostra o ponto de partida para a operação de encaixe. O segmento a-b representa o aumento gradual do torque devido à interferência radial habitual que é comum em muitas juntas de alta gama. O segmento b-c representa o aumento da magnitude de torque devido à energização dos ombros de apoio entre o pino e a caixa.

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 15/25 / 15 [0033] A curva 11 representa a tendência de torque aplicada em uma junta seguindo o método da invenção. O segmento a-d ilustra o aumento gradual do torque com um ângulo mais inclinado causado pela maior interferência radial entre as cristas e as raízes das roscas do pino e da caixa. O segmento d-e da curva ilustra o nítido aumento do torque causado pela energização dos ombros de apoio 6 e 7 até uma magnitude correspondente para um encaixe feito de acordo com a prática habitual de métodos de encaixe conhecidos. O segmento e-f ilustra o torque extra, convencionalmente também denominado a partir de aqui Δ torque, aplicado de acordo com o método da invenção.

[0034] O torque extra é aplicado no final do encaixe do pino 2 na caixa 3. Por exemplo: quando uma operação habitual de encaixe alcança um torque final que produz cargas de cerca de 50% da força de rendimento, o Δ torque aplicado segundo o método da invenção aumenta a carga a até 80% da força de rendimento. Esses valores podem variar dentro de todo o intervalo possível entre 1% e 99%.

[0035] Vale a pena ressaltar dois pontos ao analisar o método de encaixe da invenção:

1) O ponto d do ombro de torque, onde a inclinação da curva aumenta repentinamente, ilustra que a conexão alcançou a posição de ombro onde o ombro 6 do pino 2 oferece suporte ao ombro 7 da caixa 3. Esse ponto d marca o fim da primeira parte da curva 11, onde a rosca de interferência foi a única resistência ao torque aplicado;

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2) A partir do ponto d até um ponto de torque final f, onde o encaixe termina, a curva se torna quase uma linha vertical, já que os valores de torque aumentam repentinamente em uma fração de uma volta comparada com a parte precedente da curva. A razão é que uma interferência axial deve ser superada, consumindo a correspondente energia de torque que será armazenada como energia elástica na junta.

[0036] Para cada tipo de junta comercial foram definidos valores específicos ótimos, os quais foram projetados, testados e validados de acordo com o seguinte procedimento:

[0037] Em primeiro lugar, são levados em consideração os parâmetros da junta como diâmetro espessura, grau do aço tipo de rosca. Os parâmetros de encaixe ótimos são préestimados, modelados e simulados.

[0038] Em uma segunda etapa, os valores são testados em escala completa e o processo inicial é retroalimentado, em um processo iterativo.

[0039] Como terceira e última etapa, a junta encaixada passa por testes de validação adicionais, simulando condições reais de operação para validar e qualificar a junta e o processo de encaixe.

[0040] Como consequência da complexidade do processo, os parâmetros de encaixe não são definidos em termos de parâmetros absolutos, como diâmetro ou espessura da parede da conexão, por exemplo. O “Δ torque”, correspondente ao segmento

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 17/25 / 15 e-f da curva 11, é definido como um torque adicional ou uma extensão da curva torque-voltas. Como regra geral, nem o torque normal nem o Δ torque” excedem a força de rendimento do material na região do ombro. Uma vantagem é que o Δ torque se define com uma magnitude entre 10% e 50% do torque normal de uma junta de alta gama, correspondendo ao fato de que o valor de torque final, por ex. o torque normal somado ao Δ torque, alcança um valor compreendido entre 50% e 90% da força de rendimento do aço. O torque de encaixe normal ou nominal máximo é definido pelos fabricantes para cada junta específica.

[0041] Outra característica que contribui à melhora da vida de fadiga final além de implementar o método da invenção é a provisão na junta de uma raiz ampliada para carregar o raio de flanqueamento R.

[0042] Para as roscas do pino e da caixa, para poder suportar adequadamente as maiores pressões originadas pela interferência radial, o raio R entre o flanco carregado e a raiz é ampliado, conforme indicado em particular na Figura 2b. Provou-se que o uso de interferência radial com rosca raiz-acrista produz menores concentrações de pressão, o que também é favorecido pela provisão de um raio ampliado.

[0043] A mencionada alta tensão radial pode ser produzida entre as cristas do pino e as raízes da caixa, deixando um espaço vazio entre as raízes do pino e as cristas da caixa, não ilustrado na figura, ou vice-versa, conforme ilustrado na

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Figura 2b. Também ambas opções podem estar presentes na mesma junta.

[0044] O raio R pode ser ampliado a um valor máximo, limitado pela necessidade de preservar a eficiência de tensão da junta, especialmente das roscas de saída. Se o raio for muito grande, aumentará a tendência ao desacoplamento.

[0045] O valor do raio R foi estabelecido como da altura da rosca e devido aos possíveis tamanhos, a aplicação desse valor pode estar entre 0,2 e 0,4 mm, com um valor ótimo de 0,3 mm. Esse valor comprovou otimizar o desempenho da junta rosqueada, de acordo com os resultados dos testes realizados. Uma outra melhoria que contribui para aumentar a vida de fadiga da junta é oferecer uma preparação das superfícies do pino e da caixa, incluindo um tratamento de jateamento de granalha. Uma vantagem desse tratamento é que ele é feito tanto na porção rosqueada como nas partes não rosqueadas, próximas às roscas, como nas superfícies de vedação metal-ametal, quando presentes, e nas superfícies de apoio. Em primeiro lugar, esse tratamento de superfície oferece uma compressão micro pré-carga, que melhora a resistência de fadiga, conforme comprovam destacadas pesquisas sobre a questão.

[0046] Em segundo lugar, o tratamento de superfície também aumenta a dureza da mesma. Comprovou-se, e encontra-se detalhado em teorias de soldagem a frio, que o desgaste por atrito entre duas superfícies diferentes é reduzido se a dureza e o acabamento de suas superfícies forem diferentes. Esse tratamento, quando aplicado no pino ou na caixa, ou quando aplicado com magnitudes diferentes para produzir

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 19/25 / 15 diferentes propriedades de superfície, ou em áreas específicas do pino e/ou da caixa, preferentemente na região rosqueada, também pode reduzir a tendência ao desgaste por atrito. Por exemplo, fosfatizar uma das superfícies para deixá-la diferente da superfície do outro componente da junta, com o qual entra em contato, reduz o desgaste por atrito. Porém, apenas fosfatizar não é eficaz quando estão envolvidas cargas elevadas, e combiná-lo com um tratamento de jateamento de granalha também garante tais propriedades e assegura a resistência da junta a cargas elevadas.

[0047] Em uma configuração preferida, esse tratamento de endurecimento da superfície é aplicado ao pino, que está em geral mais carregado do que a caixa, e mais especificamente no começo e no final da zona rosqueada, que estão sujeitas a maior concentração de pressão. Isso possibilitaria uma distribuição da pressão mais homogênea ao logo de toda a rosca.

[0048] Os parâmetros certos do processo para o jateamento de granalha foram estabelecidos após vários testes que levam a uma otimização dos resultados. Um dos principais parâmetros do processo é a intensidade do jateamento de granalha, que pode ser medida pelo teste Almen, padronizado pelo padrão SAEJ442a. De acordo com os resultados dos testes realizados, uma intensidade Almen entre 006A e 015A é adequada para a invenção.

[0049] Outro parâmetro importante é o diâmetro das partículas esféricas de aço ou vidro, que deve ser definido de acordo com a geometria dos pedaços a serem tratados. Para a

Petição 870190047359, de 21/05/2019, pág. 20/25 / 15 presente invenção, um diâmetro de partícula entre 0,15 mm e 0,35 mm é adequado.

[0050] Outra vantagem desse tratamento de endurecimento da superfície é que ele também reduz a tendência ao desgaste por atrito durante o encaixe da junta. A invenção é usada preferentemente no campo de OCTG e conexões tubulares para a indústria de gás e petróleo, especialmente em plataformas marítimas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de montagem para uma junta rosqueada, caracterizado pelo fato de oferecer:

um tubo rosqueado macho (2), definido como pino; e um tubo rosqueado fêmea (3), definido como caixa;

o pino é fornecido com um primeiro ombro de apoio; a caixa é fornecida com um segundo ombro de apoio; o primeiro e o segundo ombros de apoio possuem formas complementares; o pino se adapta para ser conectado à caixa; raízes de junta de pino ou de caixa e correspondendo a cristas da rosca de pino ou de caixa possuem uma interferência radial, medida de acordo com as dimensões nominais do pino e da caixa, compreendida entre 1% e 5% da espessura média da junta, em que a junta possui um tratamento de superfície compreendendo jateamento de granalha, em que o método compreende os seguintes passos:

a) inserir a porção rosqueada do pino na porção rosqueada da caixa;

b) aplicar um torque para encaixar o pino na caixa até que o primeiro e o segundo ombro de apoio se apoiem; c) aplicar um torque extra até que uma magnitude

entre 50% e 90% da resistência do aço na parte mais tensionada da junta seja alcançada.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o jateamento de granalha é aplicado no começo e no final de uma zona rosqueada do pino (2).