ES2240438T3 - Elemento roscado tubular para junta roscada tubular resistente a la fatiga y junta roscada tubular resultante. - Google Patents

Abstract

Elemento roscado tubular macho o hembra (1, 2) para junta roscada tubular (100, 300), realizado en el extremo de un tubo (101, 102, 202, 301, 302) y que incluye una rosca exterior macho (3, 303, 303¿) o una rosca interior hembra (4, 304, 304¿) según que el elemento roscado sea del tipo macho o hembra, cuyos hilos (11, 12) vistos en sección longitudinal que pasa por el eje del elemento roscado comprenden una cúspide de hilo (17, 20, S1, S2), un fondo de hilo (18, 19, F1, F2), un flanco de carga rectilíneo (13, 14), un flanco de enchufe rectilíneo (15, 16) y dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo (21, 22, 51, 52), estando dispuesta cada una de estas dos zonas entre el fondo de hilo y uno de los dos flancos denominado flanco correspondiente y comprendiendo un arco de circunferencia, caracterizado porque por lo menos una de las dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo denominada ¿zona de radios múltiples¿ comprende un arco de circunferencia denominado arco de circunferencia principal (23, 24, 53, 54) cuya circunferencia de soporte corta la recta de soporte del flanco correspondiente en un punto denominado punto de referencia de flanco (PRF1, PRF2, PRF3, PRF4) y una curva regular denominada curva secundaria (25, 26, 27, 55, 56) a una y a otra parte del arco de circunferencia principal, que enlaza tangencialmente a ésta, por una parte, al flanco correspondiente y, por otra parte, al fondo de hilo, y porque: a) en el punto de referencia de flanco, la tangente (61, 62, 67, 68) a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal forma un ángulo agudo (D, F) estrictamente positivo con la recta de soporte del flanco correspondiente, siendo tal el sentido positivo que el arco de circunferencia principal no socava la materia del flanco de hilo; b) dicha circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal corta o es tangente a la recta de soporte del fondo de hilo, según que la curva secundaria por el lado del fondo de hilo respectivamente posea una longitud no nula o esté reducida a un punto, formando la tangente a dicha circunferencia de soporte (63), en el punto considerado de intersección (PRR1) o de tangencia, un ángulo (E) comprendido entre -15 y +15º con la recta de soporte del fondo de hilo.

Description

Elemento roscado tubular para junta roscada tubular resistente a la fatiga y junta roscada tubular resultante.

La presente invención se refiere a un elemento roscado tubular macho o hembra de una junta roscada tubular particularmente apta para resistir los esfuerzos, tanto estáticos como cíclicos.

La presente invención se refiere también a una junta roscada tubular particularmente apta para resistir los esfuerzos tanto estáticos como cíclicos.

Las juntas roscadas tubulares comprenden un elemento provisto de una rosca macho denominado elemento roscado macho en el extremo de un primer tubo y un elemento provisto de una rosca hembra denominado elemento roscado hembra en el extremo de un segundo tubo que puede ser un tubo de gran longitud o bien un copie. Estas juntas roscadas se utilizan especialmente para constituir columnas de tubos de forrado o de producción o trenes del tipo de perforación para pozos de hidrocarburos o para pozos similares tales como, por ejemplo, pozos para la geotermia.

El American Petroleum Institute (API) define en su especificación API 5B juntas roscadas entre tubos de forrado o entre tubos de producción especialmente con roscas cónicas de hilos triangulares redondeados o trapezoidales.

Se conocen igualmente otros tipos de junta roscada que emplean roscas cilíndricas o cónicas de doble etapa: véase por ejemplo la patente US 4 521 042.

Hasta hace poco tiempo, los tubos de forrado o de producción debían ser esencialmente capaces de resistir las diferentes combinaciones de esfuerzos estáticos (tracción y compresión axiales, flexión plana, presión interior o exterior) a pesar de su grosor limitado, resultando de la necesidad de enfilar diversas columnas de diámetros diferentes las unas en la otras para poder explotar un pozo profundo.

Por el contrario, las varillas de perforación que sólo se utilizan para excavar los pozos están sometidas a esfuerzos cíclicos importantes pero, en cambio, no están sometidas a exigencias respecto al volumen, haciéndose descender, en un momento dado, un solo tren de varillas de un diámetro dado.

Los esfuerzos cíclicos, si no están estrictamente limitados, conducen en servicio a roturas por fatiga iniciadas en la raíz de los hilos, generalmente por el lado de los flancos de carga que están bajo carga.

Este lugar preferente de inicio de las fisuras de fatiga traduce una concentración de esfuerzos en el enlace entre el flanco de carga y el fondo de hilo.

Para mejorar la resistencia a los esfuerzos cíclicos, es necesario reducir el nivel de los esfuerzos máximos reduciendo el nivel general de esfuerzos en el flanco de carga y realizando un enlace lo menos anguloso posible entre el flanco de carga y el fondo de hilo.

La especificación API 7D define varillas de perforaciones con roscas cónicas robustas adaptadas a los esfuerzos en servicio. Los hilos según API 7D son de forma triangular muy redondeada con flancos de carga y de enchufe dispuestos cada uno a 30º con respecto a la normal al eje del elemento roscado.

Se recuerda que el flanco de carga es el flanco que está dispuesto en cada hilo por el lado opuesto al extremo libre del elemento. Esta definición se utilizará por la totalidad del presente documento.

El fondo de hilo está redondeado según un arco de circunferencia de radio 0,97 mm (0,038'') centrado en el eje del fondo del hilo; este arco de circunferencia se enlaza tangencialmente con los flancos.

El ángulo de 60º entre los flancos de hilo, que resulta de la forma triangular de los hilos, permite hacer pasar un arco de circunferencia de radio notable.

Los vértices o cúspides de hilos están truncados de manera que se evite toda interferencia radial entre las cúspides de hilo y los fondos de hilo de la rosca conjugada.

La altura de los hilos así truncados es de 3,08 mm (0,121''), lo que corresponde al doble de la altura de los hilos de juntas roscadas según API 5B.

Sin embargo, estos medios pueden resultar insuficientes puesto que la patente US 4 549 754 describe un perfil de rosca modificado con respecto a la especificación API 7D para varillas de perforación, el cual perfil la hace apta para reducir adicionalmente las concentraciones de esfuerzos.

El hilo según esta patente US 4 549 754 presenta en sección un fondo que no es simétrico sino que incluye un redondeado cuyo centro está desplazado hacia el flanco de enchufe (opuesto al flanco de carga) y cuyo radio está aumentado en aproximadamente el 50% con respecto al radio API y equivale a 1,45 mm (0,057'').

Este redondeado se enlaza tangencialmente con el flanco de carga, mientras que se enlaza por medio de un perfil menos crítico con el flanco de enchufe: un simple segmento de recta o radio de 0,81 mm (0,032'') seguido por un segmento de recta.

El fondo del hilo queda entonces más socavado que en un hilo API y necesita por lo tanto un gran grosor de tubo inicial para tallar los hilos.

Una disposición de este tipo no es previsible para las columnas de tubos destinadas a la explotación de los pozos cuando estas columnas están sometidas a la vez a esfuerzos estáticos y dinámicos.

Se vuelven a encontrar ahora tales exigencias de resistencia a los esfuerzos en las columnas submarinas que unen el fondo del mar con las plataformas de explotación de los hidrocarburos en el mar.

Tales columnas de tubos, denominadas "risers" en el léxico anglosajón del técnico en la materia, están sometidas en efecto a los esfuerzos cíclicos causados en particular por las corrientes que inducen que la columna se ponga a vibrar, por las olas, por las mareas y el desplazamiento eventual de las mismas plataformas.

Tales exigencias de resistencia a los esfuerzos se hallan asimismo en pozos terrestres, especialmente durante el descenso de los tubos en rotación para cimentar los pozos en el caso muy frecuente de pozos desviados de la vertical que presentan codos.

Es por ello que se ha intentado mejorar las juntas roscadas tubulares para tubos de forrado, de producción o para "risers" de manera que se aumente su resistencia a la fatiga.

La solicitud de patente WO 98/50 720 describe una junta roscada tubular mejorada de dicho tipo.

Las roscas descritas en este documento poseen hilos trapezoidales derivados de los hilos denominados "buttress" de la especificación API 5B.

La forma trapezoidal de los hilos limita el peligro de deformación de los elementos roscados susceptible de conducir a su desencajado durante el enroscado, especialmente por sobreenrroscado.

Los fondos de hilos son substancialmente rectilíneos y se enlazan a cada uno de los flancos por medio de un redondeado cuyo radio está comprendido entre el 10 y el 50% de la anchura total del fondo de hilo (y, preferentemente, entre el 16 y el 26% de esta anchura total), acabando el redondeado tangencialmente en el flanco y en el fondo de hilo.

Las alturas de los hilos son tales que se evita cualquier interferencia radial entre el fondo de hilo de una rosca y la cúspide de hilo correspondiente de la rosca conjugada manteniendo entre ellos un juego radial de por lo menos 0,25 mm (0,010'').

Teniendo en cuenta las roscas dadas como ejemplo, los redondeados en el fondo de hilo son del orden de 0,5 mm contra 0,15 mm para los radios especificados por la API 5B.

Tales radios pueden parecer pequeños si se les compara con los de las varillas de perforación pero la forma trapezoidal de los hilos empleados no permite realizar radios tan grandes como en el caso de los hilos triangulares a menos que se acepte reducir de manera perjudicial la superficie de carga de los flancos en contacto.

Las roscas según este documento WO 98/50 720, además, no están adaptadas a hilos denominados interferentes que presentan una interferencia radial entre las cúspides de hilo de una rosca y los fondos de hilo correspondientes de la rosca conjugada. Los hilos presentados son del tipo "cuña" de anchura variable como los descritos en la patente US Re 30 647.

En la presente invención se ha tratado de realizar un elemento roscado tubular macho o hembra para juntas roscadas tubulares que sea particularmente resistente, a la vez:

a) a los esfuerzos estáticos, especialmente de tracción axial, de compresión axial, de flexión, de torsión, de presión interior o exterior, de desencajado durante el enroscado, simples o combinados (por ejemplo tracción + presión interior);

b) a los esfuerzos cíclicos.

En lo que sigue del presente documento, un elemento roscado de este tipo se ha diseñado como que posee un perfil antifatiga.

También se ha tratado de que el elemento roscado tubular según la invención pueda realizarse con todo tipo de roscas, cónicas, cilíndricas, combinadas cilíndrico-cónicas, con una o varias etapas, con hilos trapezoidales o triangulares, interferentes o no interferentes; las roscas no interferentes podrán ser por ejemplo del tipo descrito en la solicitud EP 454 147 con contacto simultáneo de los dos flancos con los del hilo conjugado (también denominadas "rugged thread"), con ajuste por interferencia axial o de tipo cuña de anchura variable como se describe por ejemplo en la patente US Re 30 647.

Se ha tratado además de que el elemento roscado pueda realizarse fácilmente y controlarse fácilmente.

El elemento roscado según la invención debe poderse utilizar para constituir juntas roscadas destinadas a columnas de tubos de producción de hidrocarburos, de forrado de pozos o de explotación submarina ("risers") o destinados a utilizaciones similares.

Se ha tratado además de realizar juntas roscadas tubulares estancas, especialmente a los gases, incluso bajo esfuerzos cíclicos.

El elemento roscado según la invención debe poder ser utilizado, en variante, para constituir trenes de varillas de perforación.

También se ha tratado de realizar una junta roscada tubular en la cual uno solo de los elementos roscados, por ejemplo el elemento hembra, se ha modificado para resistir los esfuerzos cíclicos pero es compatible con un elemento roscado conjugado no modificado.

En variante, se ha tratado también de realizar una junta roscada tubular en la cual los dos elementos roscados se han modificado para que resistan los esfuerzos cíclicos.

Según la invención, el elemento roscado tubular macho o hembra de perfil antifatiga se realiza en el extremo de un tubo e incluye una rosca exterior macho o interior hembra según que el elemento roscado sea del tipo macho o hembra.

Los hilos comprenden una cúspide de hilo, un fondo de hilo, un flanco de carga rectilíneo, un flanco de enchufe rectilíneo y dos zonas de enlace tangencial denominadas "de fondo de hilo".

Cada una de las dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo está dispuesta entre el fondo de hilo y uno de los dos flancos de hilo denominado "flanco correspondiente" y comprende un arco de circunferencia.

Por lo menos una de las dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo denominada "zona de radios múltiples" comprende un arco de circunferencia denominado "arco de circunferencia principal" cuya circunferencia de soporte corta a la recta de soporte del flanco correspondiente en un punto denominado "punto de referencia de flanco", y una curva regular denominada "curva secundaria" a una y a otra parte del arco de circunferencia principal que enlaza tangencialmente a éste, por una parte, con el flanco correspondiente y, por otra parte, con el fondo de hilo: un enlace no tangencial introduciría, de hecho, un pico de esfuerzos particularmente nefasto en cuanto a fatiga en correspondencia con el punto concreto de enlace.

Igualmente, la curva secundaria debe ser regular, es decir no debe presentar ningún punto concreto susceptible de introducir un pico de esfuerzos a este nivel.

En el punto de referencia de flanco, la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal forma un ángulo agudo estrictamente positivo con la recta de soporte del flanco correspondiente.

Se supone en lo que sigue del presente documento que el sentido positivo es tal que el arco de circunferencia principal no socava la materia de los hilos: un ángulo negativo entre la tangente y el flanco sería evidentemente muy nefasto para la resistencia a la fatiga.

Dicha circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal corta o es tangente a la recta de soporte del fondo de hilo y la tangente a dicha circunferencia de soporte forma, en el punto considerado de intersección o de tangencia, un ángulo comprendido entre -15º y +15º con la recta de soporte del fondo de hilo.

Cuando la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal es tangente a la recta de soporte del fondo de hilo, este ángulo es nulo y la curva secundaria por el lado del fondo de hilo se reduce a un punto.

Cuando el fondo de hilo se reduce a un punto, la recta de soporte del fondo de hilo es, por convención, la recta que pasa por el fondo de hilo que es paralelo al eje del elemento roscado.

La forma y la disposición del arco de circunferencia principal de cualquier zona de radios múltiples están perfectamente definidas:

- por la posición del punto de referencia de flanco,

- por el ángulo entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal y el flanco correspondiente,

- y por el ángulo entre la tangente a dicha circunferencia y el fondo de hilo.

El radio del arco de circunferencia principal de cada zona de radios múltiples de fondo de hilo es superior al del arco de circunferencia denominado "arco de circunferencia estándar" que pasa por dicho punto de referencia de flanco que constituiría por sí solo una zona de enlace tangencial entre el flanco correspondiente y el fondo de hilo.

La invención permite así utilizar un radio de enlace elevado en las zonas críticas situadas hacia el centro de la zona de enlace en donde está dispuesto el arco de circunferencia principal y radios menores en la unión con el flanco correspondiente y con el fondo de hilo en donde están dispuestas las curvas secundarias, y ello sin consumir exageradamente altura de hilo.

Para una altura de hilo dada, cuanto más cerca está el punto de referencia de flanco al fondo de hilo, mayor es la superficie de flanco disponible para que se asiente sobre la superficie correspondiente del elemento roscado conjugado, lo que aumenta las prestaciones estáticas de la junta roscada resultante.

En el caso de los elementos roscados del estado de la técnica, la altura radial de la zona de enlace (distancia del punto de referencia de flanco al fondo de hilo) es proporcional al radio de esta zona. Por consiguiente, para estos elementos roscados y para una altura de hilo dada, todo aumento de las características de fatiga (esfuerzos cíclicos) tiene como consecuencia una debilitación de las características estáticas.

En el caso de la presente invención, debido al ángulo positivo entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal y el flanco, la altura radial de la zona de enlace es proporcional al radio del arco de circunferencia principal, pero el coeficiente de proporcionalidad es tanto menor cuanto mayor es este ángulo positivo. Entonces se puede tratar de mejorar o bien la resistencia a la fatiga con características estáticas dadas o bien las características estáticas con fatiga dada o también simultáneamente la resistencia a la fatiga y las características estáticas.

Preferentemente, el ángulo entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal de la zona de radios múltiples considerada y el flanco correspondiente al punto de referencia de flanco está comprendido entre +10º y (70º -J), designando J el ángulo de flanco correspondiente, es decir el ángulo entre la parte rectilínea del flanco considerado y la normal al eje del elemento roscado tubular. El ángulo de flanco se cuenta positivamente cuando el flanco considerado no tiende a quedar en la vertical del fondo de hilo.

Muy preferentemente, el ángulo entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal de la zona de radios múltiples considerada y el flanco de carga en el punto de referencia de flanco está comprendido entre +15º y (45º-J), teniendo J la misma definición que anteriormente.

Una configuración con ángulo de flanco positivo o nulo es preferible desde el punto de vista de la concentración de los esfuerzos en la raíz de los hilos.

Preferentemente, el radio del arco de circunferencia principal de la zona de radios múltiples está comprendido entre el 150 y el 250% del radio del arco de circunferencia estándar que constituiría una zona de enlace tangencial que pasara por el punto de referencia de flanco.

Preferentemente también, cada curva secundaria de la zona de radios múltiples es un arco de circunferencia.

Muy preferentemente, la relación del radio de arco de circunferencia de cada curva secundaria al radio del arco de circunferencia principal está comprendido entre 0,1 y 0,4.

El valor mínimo de esta relación evita un ascenso excesivo de los esfuerzos a nivel de las curvas secundarias.

El valor máximo de la relación limita la extensión global de la zona de radios múltiples.

La invención puede aplicarse modificando el perfil de los hilos o bien por el lado de un solo flanco, especialmente el flanco de carga que en general es el más cargado, o bien en los dos flancos.

La invención puede también aplicarse tanto para hilos triangulares como para hilos trapezoidales de anchura fija o variable y para roscas cónicas, cilíndricas, combinadas, con etapa simple o múltiples etapas.

Se expondrán posteriormente diversos modos de realización, de manera no limitativa, del alcance de la invención.

La invención se refiere igualmente a una junta roscada tubular de resistencia elevada a los esfuerzos estáticos y cíclicos, que comprende un elemento roscado tubular macho en el extremo de un primer tubo conectado por enroscado a un elemento roscado tubular hembra en el extremo de un segundo tubo por medio de una rosca macho en el elemento roscado tubular macho y de una rosca hembra en el elemento roscado tubular hembra.

Por tubo se entiende tanto un tubo de gran longitud como un tubo de pequeña longitud, tal como un cople.

Los hilos de cada una de las roscas comprenden una cúspide de hilo, un fondo de hilo, un flanco de carga rectilíneo, un flanco de enchufe rectilíneo y cuatro zonas de enlace que comprenden cada una un arco de circunferencia.

De entre estas cuatro zonas, dos zonas denominadas de enlace tangencial de fondo de hilo enlazan cada una el fondo de hilo a un flanco denominado flanco correspondiente, y dos zonas denominadas de enlace de cúspide de hilo enlazan cada una la cúspide de hilo a un flanco.

El perfil y la disposición de cada zona de enlace de cúspide de hilo están adaptados para que no se interfieran con la zona de enlace tangencial de fondo de hilo del elemento roscado conjugado.

Por lo menos uno de los dos elementos roscados, macho o hembra, es un elemento roscado tubular de perfil antifatiga según la presente invención.

Preferentemente, según una variante, por lo menos una zona de enlace de cúspide de hilo de un elemento roscado tubular opuesta a una zona de enlace tangencial de fondo de hilo de radios múltiples de un elemento roscado tubular de perfil antifatiga conjugado es una zona denominada seguidora que comprende dos arcos de circunferencia que se enlazan tangencialmente el uno al otro, uno de los cuales es un arco de circunferencia principal y el otro un arco de circunferencia secundario, este último para efectuar el enlace tangencial de la zona de enlace de cúspide de hilo al flanco correspondiente.

Además, en el punto denominado "de enlace alto" del flanco correspondiente en donde la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal de la zona seguidora corta a la recta de soporte del flanco correspondiente, la tangente a dicha circunferencia forma un ángulo agudo estrictamente negativo con la recta de soporte del flanco considerado.

Según la convención indicada anteriormente en el texto, tal signo significa que el arco de circunferencia principal de cúspide de hilo muerde en la materia del hilo.

Tal disposición permite aumentar la superficie de los flancos en contacto para una altura dada de hilo.

Según una variante ventajosa desde el punto de vista del coste, solamente uno de los elementos roscados, macho o hembra, es del tipo de perfil antifatiga según la invención y es compatible con el otro elemento roscado que es un elemento roscado del estado de la técnica.

Según otra variante ventajosa desde el punto de vista de la maximización de las prestaciones, los dos elementos roscados, macho y hembra, son del tipo de perfil antifatiga según la invención.

Según una variante, la junta roscada tubular según la invención se aplica a roscas denominadas interferentes en las cuales la cúspide de hilo de una rosca se interfiere radialmente con el fondo de hilo de la rosca conjugada.

Según otra variante, la junta roscada tubular según la invención se aplica a roscas en las cuales los dos flancos de cada hilo están en contacto con presión o sin presión de contacto con los dos flancos de hilo de la rosca conjugada, y ello en por lo menos una parte de la longitud de las roscas: la invención se aplica por lo tanto así a los hilos denominados "rugged thread", de ajuste por interferencia axial o también de cuña de anchura variable.

Otras ventajas y características de la invención aparecerán en la descripción detallada que sigue y los dibujos anexos, que por lo tanto podrán no solamente servir para hacer comprender mejor la invención sino también para contribuir a su definición, en su caso.

Todas las figuras definidas en lo que sigue se refieren a semisecciones longitudinales que pasan por el eje del elemento o de la junta roscada.

La figura 1 representa una conexión roscada con copie entre dos tubos por medio de roscas cónicas.

La figura 2 representa una conexión roscada denominada integral entre dos tubos por medio de roscas cilíndricas dispuestas en dos etapas.

La figura 3A representa algunos hilos trapezoidales de un elemento roscado hembra del estado de la técnica.

Las figuras 3B, 3C, 3D y 3E representan las zonas de enlace entre las caras de los hilos de la figura 3A.

La figura 4A representa algunos hilos trapezoidales de un elemento roscado macho según la invención.

Las figuras 4B, 4C, 4D y 4E representan las zonas de enlace entre las caras de los hilos de la figura 4A.

Las figuras 4F y 4G representan, cada una, un detalle de la figura 4B.

La figura 5A representa algunos hilos trapezoidales de una junta roscada según la invención constituida por la conexión de los elementos roscados de las figuras 3A y 4A.

La figura 5B representa un detalle de la conexión de la figura 5A a nivel de las zonas de enlace de las figuras 3C y 4B.

La figura 6A representa algunos hilos trapezoidales de una variante de un elemento roscado hembra según la invención.

Las figuras 6B, 6C, 6D y 6E representan las zonas de enlace entre las caras de los hilos de la figura 6A.

La figura 7A representa algunos hilos trapezoidales de una variante de un elemento roscado macho según la invención.

Las figuras 7B, 7C, 7D y 7E representan las zonas de enlace entre las caras de los hilos de la figura 7A.

La figura 8A representa algunos hilos trapezoidales de una variante de una junta roscada según la invención constituida por la conexión de los elementos roscados de las figuras 6A y 7A.

La figura 8B representa un detalle de la conexión de la figura 8A a nivel de las zonas de enlace de las figuras 6C y 7B.

La figura 8C representa un detalle de la conexión de la figura 8A a nivel de las zonas de enlace de las figuras 6B y 7C.

La figura 9A representa algunos hilos triangulares de otra variante de un elemento roscado hembra según la invención.

Las figuras 9B y 9C representan las zonas de enlace entre los flancos de los hilos de la figura 9A.

La figura 10A representa algunos hilos triangulares de otra variante de un elemento roscado macho según la invención.

Las figuras 10B y 10C representan las zonas de enlace entre los flancos de los hilos de la figura 10A.

La figura 11A representa algunos hilos de otra variante de junta roscada según la invención constituida por la conexión de los elementos roscados de las figuras 9A y 10A.

La figura 11B representa un detalle de la conexión de la figura 11A a nivel de las zonas de enlace de las figuras 9C y 10B.

La figura 11C representa un detalle de la conexión de la figura 11A a nivel de las zonas de enlace de las figuras 9B y 10C.

La figura 12 es una gráfica que representa la variación de la relación del radio del arco de circunferencia principal con respecto al radio de la circunferencia estándar de una zona de enlace en función del ángulo en el punto de referencia de flanco para diferentes valores del ángulo en el punto de enlace de fondo de hilo.

La figura 13 representa la misma gráfica para diferentes valores de ángulo de flanco de carga.

La figura 14 es una gráfica que representa la variación del esfuerzo principal en función de la posición angular en la zona de enlace entre el fondo de hilo y el flanco de carga de una junta roscada tubular sometida a la presión interior de un fluido.

La figura 1 representa una conexión roscada 200 con copie entre dos tubos de gran longitud 101, 101'.

Por tubos de gran longitud se entienden tubos de varios metros de longitud, por ejemplo de aproximadamente 10 m de longitud.

Tales tubos son corrientemente conectados para constituir columnas de tubos de forrado o de producción o de "risers" para los pozos de hidrocarburos terrestres o en el mar o trenes de varillas de perforación para los mismos pozos.

Los tubos pueden realizarse en todo tipo de aceros no aleados, poco aleados o muy aleados, incluyendo aleaciones ferrosas o no ferrosas para adaptarse a las diferentes condiciones de servicio: nivel de esfuerzo mecánico, carácter corrosivo del fluido interior o exterior respecto a los tubos.

Igualmente se pueden utilizar tubos de acero poco resistente a la corrosión provistos de un revestimiento por ejemplo de material sintético que impida cualquier contacto entre el acero y el fluido corrosivo.

Los tubos 101, 101' incluyen en sus extremos unos elementos roscados machos idénticos 1,1' y están conectados por medio de un copie 202 que incluye en cada extremo un elemento roscado hembra 2, 2'.

Los elementos roscados machos 1, 1' son respectivamente conectados por enroscado en los elementos roscados hembras 2, 2' constituyendo dos juntas roscadas 100, 100' simétricas unidas por un talón 10 de algunos centímetros de longitud.

El talón 10 del copie posee un diámetro interior sensiblemente idéntico al de los tubos 101, 101' de modo que no se perturbe el flujo del fluido que circula interiormente.

Siendo simétricas las juntas roscadas 100, 100', se describirá solamente el funcionamiento de una de estas juntas.

En la figura 1, las roscas se han esquematizado por medio de las generatrices o las envolventes de cúspide de hilo y de fondo de hilo.

El elemento roscado macho 1 comprende una rosca macho 3 según la especificación API 5B, cónica de hilos según el caso triangulares o trapezoidales y dispuesta en el exterior del elemento macho. La rosca macho 3 está separada del extremo libre 7 de dicho elemento por un labio no roscado 11. El extremo libre 7 es una superficie anular sensiblemente transversal.

Lindando con el extremo libre 7 en la superficie exterior del labio 11 se halla una superficie cónica de asiento 5 cuya conicidad es superior a la de la rosca macho 3.

El elemento hembra 2 comprende medios conjugados de los del elemento macho 1, es decir que corresponden por su forma a los medios machos y están destinados a cooperar por su disposición con estos medios machos.

El elemento hembra 2 comprende así interiormente una rosca hembra cónica 4 y una parte no roscada entre la rosca y un talón 10.

Esta parte no roscada comprende especialmente una superficie anular de orientación sensiblemente transversal 8 que forma un resalte en el extremo del talón y una superficie cónica de asiento 6 a continuación del resalte.

La conexión se obtiene por enroscado del elemento macho 1 en el elemento hembra 2.

El enroscado de la rosca macho en la rosca hembra se detiene cuando las superficies transversales 7 y 8 están a tope la una contra la otra. Las superficies de asiento 5, 6 están concebidas para interferirse radialmente la una en la otra y por ello están bajo presión de contacto metal-metal. Las superficies de asiento 5, 6 constituyen así superficies de sello que hacen que la junta roscada sea estanca incluso para presiones de fluido interior o exterior elevadas.

Si no se desea mucha estanqueidad, se puede suprimir el talón 10 y por lo tanto la superficie transversal de tope 8 y las superficies de asiento 5, 6.

En variante, la conexión roscada de dos tubos de gran longitud puede realizarse directamente como se ilustra en la figura 2; este tipo de conexión 300 que sólo emplea una junta roscada se califica como integral.

El tubo 301 está provisto en uno de sus extremos de un elemento roscado macho 1, estando provisto el segundo tubo 302 de un elemento roscado hembra 2 en el extremo correspondiente.

El elemento roscado macho 1 comprende una rosca macho exterior constituida en el caso presente por 2 etapas o escalones cilíndricos 303, 303', de hilos triangulares redondos o trapezoidales separados por un resalte anular transversal 307, estando dispuesto el escalón de menor diámetro 303' por el lado del extremo libre 309' del elemento, el cual extremo libre 309' es una superficie anular transversal.

Entre la parte roscada 303' y la superficie de extremo 309' se halla exteriormente una superficie de asiento cónica 311'.

En oposición en el elemento macho, la parte roscada 303 está prolongada por una parte no roscada que comprende una superficie de asiento cónica 311 y una superficie anular transversal 309 que forma resalte.

El elemento roscado hembra 2 comprende interiormente unos medios hembras conjugados de los medios machos.

El elemento hembra 2 comprende así una rosca hembra constituida por dos escalones cilíndricos 304, 304' separados por un resalte anular transversal 308, estando dispuesto el escalón de mayor diámetro 304 hacia el extremo libre anular transversal 310 del elemento hembra.

El elemento hembra comprende además dos superficies cónicas de asiento 312, 312' correspondientes a las superficies de asiento machos 311, 311' y una superficie anular transversal 310' que forma resalte en el extremo del elemento opuesto al extremo libre 310.

En el estado enroscado, las partes roscadas machos 303, 303' están enroscadas respectivamente en las partes roscadas hembras 304, 304' y los resaltes centrales 307, 308 están a tope el uno contra el otro. Las superficies transversales de extremo 309, 309' están casi en contacto con las de resalte respectivamente 310, 310' y constituyen topes auxiliares para el tope principal 307, 308.

Las superficies de asiento machos 311, 311' se interfieren radial y respectivamente con las superficies de asiento hembras 312, 312' desarrollando presiones de contacto metal-metal elevadas, aptas para determinar la estanqueidad de la junta respecto a los fluidos exteriores o interiores.

En variantes no representadas, la conexión roscada con copie puede ser de roscas cilíndricas y la conexión integral de roscas cónicas.

Cada una de las roscas puede también ser de dos partes roscadas cónicas de conicidad diferente o del tipo cilindro-cónico, pudiendo estar escalonadas o no las partes roscadas de una misma rosca.

Las siguientes figuras describen diversas variantes de hilos de elementos roscados tubulares para junta roscada tubular destinada a resistir tanto los esfuerzos estáticos como los cíclicos.

La figura 3A representa un hilo 12 de la rosca interior hembra cónica 4 de un elemento roscado tubular hembra 2 de la figura 1.

Los hilos hembras 12 son de forma trapezoidal y comprenden cuatro caras rectilíneas, a saber una cúspide de hilo 20, un fondo de hilo 18 y dos flancos: un flanco de carga 14 y un flanco de enchufe 16.

En el caso representado, las cúspides y los fondos de hilo están inclinados con un ángulo C con respecto al eje del elemento roscado; el ángulo C es el ángulo del cono de la rosca; la altura del hilo es constante en cada flanco.

Alternativamente se puede tener también en la rosca cónica unas cúspides y unos fondos de hilo dispuestos paralelamente al eje del elemento roscado: la altura del hilo es entonces mayor por el lado del flanco de enchufe que por el lado del flanco de carga para que la rosca sea cónica.

El flanco de enchufe 16 es el flanco que pasa a tocar primero al flanco correspondiente de la rosca conjugada cuando se enchufan los elementos machos y hembras el uno en el otro: está dispuesto en el hilo por el lado del extremo libre del elemento roscado.

El flanco de carga 14 está por lo tanto dispuesto por el lado opuesto al extremo libre del elemento roscado.

El flanco de carga 14 forma un ángulo A con la normal al eje del elemento roscado y el flanco de enchufe forma un ángulo B con la misma normal.

Los ángulos A y B se definen como positivos por convención por el hecho de que los flancos correspondientes 14 y 16 no quedan en la vertical del fondo de hilo 18.

Los flancos están enlazados en la cúspide y en el fondo de hilo por cuatro zonas de enlace tangencial 22, 32, 42, 52 constituidas cada una por un simple arco de circunferencia como aparece en las figuras 3B, 3C, 3D y 3E.

Las zonas 22 y 52 de radio respectivo r_{2fp} y r_{2fe} son zonas de enlace tangencial de fondo de hilo, mientras que las zonas 32 y 42 de radio r_{2sp} y r_{2se} son zonas de enlace de cúspide de hilo.

El calificativo tangencial de las zonas de enlace 22, 32, 42, 52 expresa el hecho de que el arco de circunferencia del que están constituidas estas zonas es tangente por sus extremos a las caras a las que enlazan. Esto evita cualquier punto anguloso susceptible de crear un pico de esfuerzo cuando estas zonas están sometidas a esfuerzo.

La figura 4A representa un hilo 11 de una rosca exterior macho cónica 3 de un elemento roscado tubular macho 1 de la figura 1.

Como el hilo hembra 12, el hilo macho 11 es de forma trapezoidal y comprende cuatro caras rectilíneas, a saber una cúspide de hilo 17, un fondo de hilo 19 y dos flancos: un flanco de carga 13 y un flanco de enchufe 15.

Los hilos machos 11 están adaptados para ser enroscados en los hilos hembras 12. Las cúspides y los fondos de hilo machos están así, por ejemplo, inclinados con el mismo ángulo C que las cúspides y los fondos de hilo hembra. Los ángulos A de flanco de carga y B de flanco de enchufe del hilo macho 11 son idénticos a los del hilo hembra 12.

Los flancos están enlazados a la cúspide de hilo y al fondo de hilo por cuatro zonas de enlace tangencial 21, 31, 41, 51.

Las zonas de enlace tangencial de cúspide de hilo 31, 41 y de fondo de hilo 51 están constituidas por un simple arco de circunferencia de radio respectivamente r_{1sp}, r_{1se} y r_{1fe} y se representan en las figuras 4C, 4D y 4E.

La zona de enlace tangencial de fondo de hilo 21 dispuesta entre el fondo de hilo y el flanco de carga está constituida por varios arcos de circunferencia consecutivos de radios diferentes y tangentes entre sí.

Esta zona 21, representada en detalle en las figuras 4B, 4F y 4G, se denomina por esta razón "de radios múltiples".

La zona de radios múltiples 21 comprende en la parte mediana un arco de circunferencia denominado "arco de circunferencia principal" 23 de radio r_{p1} y un arco de circunferencia denominado "arco de circunferencia secundario" por cada lado de este arco de circunferencia principal, un primer arco de circunferencia secundario 25 por el lado del flanco de carga 13 de radio r_{s1} y tangente al flanco de carga y un segundo arco de circunferencia secundario 27 por el lado del fondo de hilo 19 de radio r_{T1} y tangente al fondo de hilo.

La circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal 23 corta a la recta de soporte del flanco de carga 13 en el punto P_{RF1} denominado "de referencia de flanco" sin formar tangente con esta recta de soporte.

Existe pues en el punto P_{RF1} un ángulo D entre la tangente 61 a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal 23 y la recta de soporte del flanco de carga 13. Este ángulo D es estrictamente positivo según la convención de signo que hemos utilizado, para la cual tal ángulo es positivo cuando el arco de circunferencia principal no socava la materia del hilo; la tangente 61 es por ello interior al hilo 11 con respecto a la recta de soporte del flanco de carga.

La circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal 23 corta a la recta de soporte del fondo de hilo 19 en el punto P_{RR1} sin formar tangente con esta recta de soporte.

La tangente 63 a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal 23 en el punto P_{RR1} forma por lo tanto un ángulo E débilmente positivo con la recta de soporte del fondo de hilo 19.

Los inventores han constatado que para un buen funcionamiento de la junta roscada es conveniente limitar el ángulo E a un intervalo que va de +15 a -15º, por ejemplo 10º, correspondiendo un ángulo negativo según nuestra convención de signo a un arco de circunferencia principal que socava la materia del hilo o más bien del fondo de hilo en el caso presente.

El hecho de fijar la posición del punto P_{RF1} en el flanco de carga 13 así como los ángulos D y E permite definir perfectamente el radio r_{P1} del arco de circunferencia principal 23.

Cuando la conicidad de la rosca es pequeña (ángulo C igual a algunos grados) y el flanco de carga 13 es sensiblemente normal al fondo de hilo 19, el radio r_{P1} es próximo a dos veces el radio r_{H1} de la circunferencia hipotética denominada "circunferencia estándar" 29 que pasa por el punto P_{RF1} y que constituiría por sí sola una zona de enlace tangencial entre el flanco de carga y el fondo de hilo. Esto significa que la circunferencia estándar 29 que pasa por P_{RF1} es tangente a la vez al fondo de hilo 19 y al flanco de carga 13.

El factor más influyente en el valor de la relación (r_{P1}/r_{H1}), teniendo en cuenta las variaciones permitidas, es el ángulo D.

Cuando el ángulo D es demasiado pequeño, inferior a 10º, la relación (r_{P1}/r_{H1}) es apenas superior a 1 y por lo tanto el efecto sobre la resistencia a la fatiga es limitado. Por consiguiente se elegirá un ángulo D superior a 10º y, preferentemente, superior a 15º.

Un ángulo D demasiado grande puede implicar una incompatibilidad geométrica en el caso de los hilos de flanco de carga muy inclinado positivamente. Es por ello que se limita superiormente el valor de D al valor (70º-A) y, preferentemente, a (45º-A).

Además, un ángulo D demasiado elevado en el caso del ángulo A fuertemente positivo implica valores de relación r_{P1}/r_{H1} demasiado grandes que necesitan emplear arcos de circunferencia secundarios de pequeño radio que son fuentes de picos indeseables de esfuerzo en servicio a nivel de estos arcos 25 y 27.

Por ello, los ángulos D y E se elegirán más bien teniendo en cuenta los valores de ángulos A y C para que la relación r_{P1}/r_{H1} esté comprendida entre 1,5 y 2,5. En el caso presente, E = 10º y D = 30º.

Los arcos de circunferencia secundarios 25, 27 poseen un radio respectivamente r_{S1}, r_{T1} inferior a r_{P1}.

Esto no es perjudicial para la resistencia en servicio de las roscas, puesto que los inventores han constatado que la parte más sometida a esfuerzos y por lo tanto la más crítica de la zona de enlace de fondo de hilo es la parte mediana del arco de circunferencia principal 23 al pie de la rosca por el lado del flanco de carga.

En efecto, en las conexiones roscadas sometidas a esfuerzos de tracción de intensidad importante pero variable, se observan generalmente fisuras de fatiga iniciadas en la parte mediana de la zona de enlace de fondo de hilo por el lado del flanco de carga que soporta los esfuerzos de tracción en los elementos roscados.

Un radio de arco secundario demasiado pequeño puede inducir sin embargo a un pico secundario de esfuerzo a nivel de los arcos 25 o 27 susceptible de iniciar en segundo término fisuras de fatiga en servicio.

Un radio de arco secundario demasiado grande conduce en cambio a arcos 25 o 27 de tamaño relativamente demasiado grande principalmente cuando el radio r_{P1}, es grande.

Preferentemente se elige un valor r_{S1}/r_{P1} comprendido entre 0,1 y 0,4.

La figura 5A representa el hilo macho 11 de la figura 4A y el hilo hembra 12 de la figura 3A una vez los elementos machos y hembras 1, 2 están conectados por enroscado para constituir una junta roscada tubular del tipo 100 de la figura 1.

Los hilos 11, 12 de la figura 5A se denominan interferentes, puesto que la cúspide de hilo 20 de una de las roscas, la rosca hembra en este caso, se interfiere radialmente con el fondo de hilo 19 de la rosca conjugada, la rosca macho en este caso.

Los flancos de carga machos y hembras 13, 14 están igualmente en contacto y están sometidos a esfuerzos de tracción axial, generados por el peso de los tubos de la columna y en el caso de las juntas roscadas de la figura 1 a esfuerzos generados por la puesta a tope de las superficies transversales 7, 8 con un par de enroscado de varios kN.m.

Debe observarse que se obtienen esfuerzos similares durante la disposición a tope de los resaltes 307, 308 de la figura 2.

Volviendo a la figura 5A, se prevé en cambio un juego entre la cúspide de hilo macho 17 5 y el fondo de hilo hembra 18, así como entre los flancos de enchufe 15, 16.

Estos juegos limitan igualmente los peligros de interferencia entre zonas de enlace machos y hembras tales como 31/22, 41/52 y 51/42, incluso para radios idénticos entre zonas de enlace conjugadas.

El radio r_{2sp} de la zona de enlace 32 de cúspide de hilo hembra del lado del flanco de carga se elige suficientemente grande para que no se interfiera con la zona de radios múltiples 21.

Cualquier interferencia entre las zonas 21 y 32 implicaría en efecto un pico de esfuerzo y un peligro de rotura en servicio, inaceptables.

El empleo de una zona 21 de radios múltiples en el fondo de hilo macho por el lado del flanco de carga permite aumentar el radio de la parte crítica de la zona de enlace tangencial más sometida a esfuerzos si se fija un punto de partida de la zona de enlace tangencial en el flanco de carga: véase anteriormente el análisis de los valores de la relación r_{P1}/r_{H1}.

Igualmente se habría podido fijar un valor mínimo de radio de arco principal y analizar el aumento de la superficie de asiento del hilo y por lo tanto de las características estáticas de la junta roscada. Es cierto que este aumento se reduce en parte por medio de la utilización de un simple radio r_{2sp} en el enlace hembra conjugado: véase la figura 5B.

Sin embargo, se observará que con respecto al estado de la técnica ha sido necesario modificar solamente una zona de enlace en un solo elemento, el elemento macho en este caso.

También se hubiera podido modificar solamente el elemento hembra. Entonces es posible que el usuario emplee tubos 101 que incluyan elementos roscados machos 1 del estado de la técnica y obtenga sólo copies 202 con hilos hembras modificados que comprendan una zona de radios múltiples entre el fondo de hilo y el flanco de carga.

Finalmente debe subrayarse que los hilos con zonas de enlace de radios múltiples no son más delicados de mecanizar o de controlar que los hilos estándar del estado de la técnica que incluyen zonas de enlace de radio simple: el mecanizado se realiza con la ayuda de herramientas de forma adaptada y el control se realiza clásicamente superponiendo a los hilos dos calibres mecanizados en los dos extremos de la tolerancia de fabricación (control denominado por "overlay").

La figura 6A representa un hilo hembra 12 de forma trapezoidal globalmente similar al de la figura 3A.

Este hilo incluye sin embargo, con respecto al de la figura 3A, diferencias que se refieren a las dos zonas de enlace del lado de flanco de carga, a saber la zona 22 de fondo de hilo y la zona 32 de cúspide de hilo que son ambas unas zonas de radios múltiples.

La zona 22 se representa en detalle en la figura 6B.

Comprende un arco de circunferencia principal 24 y un arco de circunferencia secundario 26 tangente por un lado al arco de circunferencia principal y por el otro al flanco de carga 14. El arco de circunferencia principal enlaza tangencialmente con el fondo de hilo 18 de modo que no es necesario prever un segundo arco de circunferencia secundario para efectuar el enlazado a este nivel.

El arco de circunferencia principal 24 corta al flanco de carga 14 en el punto P_{RF2} y la tangente 62 en el círculo de soporte del arco de circunferencia principal 24 en P_{RF2} forma un ángulo D estrictamente positivo con la recta de soporte del flanco de carga 14.

Se utiliza la misma convención de signo que la utilizada anteriormente.

En la figura 4B, el ángulo D equivale a + 30º.

Debido al ángulo D positivo, el radio r_{P2} del arco de circunferencia principal 24 es superior al r_{H2} del arco de circunferencia estándar 30 que constituye por sí solo una zona de enlace tangencia) entre el flanco de carga 14 y el fondo de hilo 18.

El valor de la relación r_{p2}/r_{H2} obedece a las mismas consideraciones que las descritas para el enlace 21 de la figura 4B, constituyendo el caso presente un caso particular en el cual el ángulo E es nulo.

El arco de circunferencia secundario 26 posee un radio r_{S2} inferior al del arco de circunferencia principal por las razones ya descritas en el caso de la figura 4B.

La zona de enlace 32 de cúspide de hilo se representa en detalle en la figura 6C.

Comprende un arco de circunferencia principal 34 y un arco de circunferencia secundario 36, siendo este último tangente por un lado al arco de circunferencia principal 34 y por el otro lado al flanco de carga 14.

La circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal 34 corta al flanco de carga en el punto P_{RH2} denominado "punto de enlace alto".

La tangente 66 en P_{RH2} a la circunferencia del arco principal 34 forma un ángulo H con el flanco de carga 14.

El ángulo H es estrictamente negativo según la convención de signo que utilizamos, es decir que el arco principal 34 socava o muerde la materia del hilo 12.

El interés de tal configuración para la zona de enlace 32 es que, a radio idéntico, permite situar el punto P_{RH2} más cerca de la cúspide de hilo que en el caso de un enlace tal como 42 (véase la figura 6D) constituido por un simple arco de circunferencia.

Si se desea se puede enlazar tangencialmente, de manera no representada en la figura 6C, la zona 32 con la cúspide de hilo por medio de un segundo arco de circunferencia secundario.

El radio r_{P6} del arco principal 34 puede además, si es necesario, ser infinito, convirtiéndose el arco 34, entonces, en un segmento de recta.

El radio r_{S6} del arco secundario 36 es de todas formas inferior al radio r_{P6} del arco principal 34. Lo mismo sucedería para otro arco secundario por el lado de la cúspide de hilo.

La figura 7A representa un hilo macho 11 de forma trapezoidal globalmente similar al de la figura 4A.

Este hilo es de forma adaptada para ser enroscado en el hilo hembra 12 de la figura 6A.

Como en el caso de la figura 6A, las zonas de enlace 41, 51 del lado de flanco de enchufe son de radio simple (véanse las figuras 6D y 6E) mientras que las 21 y 31 del lado de flanco de carga son de radios múltiples.

La zona 21 de enlace tangencial de fondo de hilo (figura 7C) es similar a la 21 de la figura 4A salvo que, siendo nulo el ángulo E, no hay necesidad de arco de circunferencia secundario para enlazar el arco de circunferencia principal 23 con el fondo de hilo 19: la zona 21 es pues completamente simétrica a la zona 22 de la figura 6B; en particular el ángulo D equivale a +30º.

La zona 31 de enlace de cúspide de hilo (figura 7B) es similar y simétrica a la zona 32 de la figura 6C.

La figura 8A representa el hilo macho 11 de la figura 7A y el hilo hembra 12 de la figura 6A una vez los elementos roscados 1, 2 están conectados por enroscado para constituir la junta roscada tubular 100 de la figura 1.

Los hilos 11, 12 de la figura 8A son del tipo interferente como los de la figura 5A: únicamente las cúspides de hilo hembras 20 están en contacto bajo presión de contacto con los fondos de hilo macho 19, así como los flancos de carga machos y hembras 13, 14.

Las figuras 8B y 8C muestran la disposición relativa de las zonas de enlace de radios múltiples 21, 32, 31, 22 conectadas. Debido a la modificación del enlace en la cúspide de hilo, los flancos de carga machos y hembras 13, 14 pueden asentarse sobre una mayor superficie que en el caso de la figura 5A y por lo tanto pueden soportar mayores cargas estáticas a tracción.

Además, habiéndose modificado tanto los elementos roscados machos como los elementos roscados hembras, la resistencia a la fatiga de la conexión no está limitada por la resistencia a la fatiga del elemento roscado no modificado como en el caso de la figura 5A.

En cambio, este tipo de junta roscada necesita obtener elementos machos y hembras del tipo modificado con perfil antifatiga.

La figura 9A representa un hilo hembra 12 de forma triangular de un elemento roscado tubular hembra 2 de la figura 1.

El hilo hembra 12 comprende:

-

una cúspide de hilo S2

-

un fondo de hilo F2

-

un flanco de carga 14 que forma un ángulo A con la normal al eje del elemento roscado 2

-

un flanco de enchufe 16 que forma un ángulo B con la normal al eje del elemento roscado 2.

Los ángulos A y B son ambos iguales a 30º como en la especificación API 5B.

La definición del flanco de carga y del flanco de enchufe es la misma que la dada anteriormente.

Siendo cónica la rosca 4, la línea que une las cúspides de hilos y la que une los fondos de hilo forma un ángulo C con el eje del elemento roscado.

Los flancos 14, 16 están enlazados en la cúspide S2 y en el fondo F2 de hilo por zonas de enlace tangenciales 22, 32, 42, 52.

Las zonas 32, 42 de cúspide de hilo son simétricas la una a la otra con respecto a la normal al eje del elemento roscado que pasa por la cúspide S2; están constituidas por un simple arco de circunferencia de radio r_{2S}: véase la figura 9C.

Las zonas 22, 52 de fondo de hilo no son simétricas la una a la otra con respecto a la normal al eje del elemento roscado que pasa por el fondo F2; por el contrario son de radios múltiples: véase la figura 9B.

La zona 22 comprende un arco de circunferencia principal 24 de radio r_{p2} que es tangente en F2 a la recta de soporte de fondo de hilo. La circunferencia de soporte del arco 24 corta en P_{RF2} a la recta de soporte del flanco de carga 14.

Por la convención indicada anteriormente en el presente documento, se define la recta de soporte del fondo de hilo en el caso de los hilos triangulares como la recta paralela al eje de la conexión que pasa por el fondo F2 del hilo.

En P_{RF2}, la tangente 62 al arco de circunferencia principal 24 forma un ángulo D positivo con el flanco de carga 14. El ángulo D equivale, por ejemplo, a 30º.

La zona 22 comprende también un arco de circunferencia secundario 26 de radio r_{S2} un extremo del cual es tangente al extremo del arco de circunferencia principal 24 y el otro extremo del cual es tangente al flanco de carga 14.

El radio r_{p2} del arco de circunferencia principal 24 es por ello superior al radio r_{H2} de una circunferencia estándar no dibujada tangente en P_{RF2} al flanco de carga y en F2 a la recta de soporte del fondo de hilo e induce así características antifatiga al enlace del fondo de hilo al flanco de carga.

El radio r_{S2} es inferior al radio r_{P2} y está comprendido preferentemente entre 0,1 y 0,4 veces r_{p2}.

La zona 52 comprende un arco de circunferencia principal 54 de radio r_{p4} que es tangente en F2 a la recta de soporte de fondo de hilo. La circunferencia de soporte del arco 54, corta en P_{RF4} a la recta de soporte del flanco de enchufe 16.

En P_{RF4}, la tangente 68 al arco de circunferencia principal 24 forma un ángulo F positivo con el flanco de enchufe 16. El ángulo F equivale, por ejemplo, a 15º.

La zona 52 comprende también un arco de circunferencia secundario 56 de radio r_{S4} uno de cuyos extremos es tangente al extremo del arco de circunferencia principal 54, y el otro de sus extremos es tangente al flanco de enchufe 16.

El radio r_{p4} del arco de circunferencia principal 54 es por ello superior al radio r_{H4} de una circunferencia estándar no dibujada tangente en P_{RF4} al flanco de enchufe 16 y en F2 a la recta de soporte del fondo de hilo e induce así características antifatiga al enlace del fondo de hilo con el flanco de carga.

El radio r_{S4} es inferior al radio r_{P4} y está comprendido preferentemente entre 0,1 y 0,4 veces r_{p4}.

De esta manera, el diseño del elemento roscado trata de mejorar la resistencia a la fatiga del conjunto del fondo de hilo cuando los dos flancos 14 y 16 están sometidos a cargas cíclicas pero el flanco de carga está sometido a más esfuerzos, lo que sucede de manera general en el caso de las columnas de tubos que trabajan alternativamente a tracción y a compresión o sometidas a esfuerzos de flexión.

La figura 10A representa un hilo macho 11 adaptado para ser enroscado en el hilo hembra 12 de la figura 9A.

Este hilo macho 11 comprende una cúspide de hilo S1, un fondo de hilo F1, un flanco de carga 13 y un flanco de enchufe 15.

Los flancos 13, 15 están enlazados con las cúspides Si y los fondos F1 de hilo por medio de las zonas de enlace 21, 31, 41, 51.

Las zonas 31, 41 de cúspide de hilo mostradas en la figura 10B están constituidas por un arco de circunferencia de radio r_{1S} y son similares a las 32, 42 de la figura 9C.

Las zonas 21, 51 de fondo de hilo mostradas en la figura 10C son de radios múltiples; son similares a las 22, 52 de la figura 9B y simétricas a las mismas.

La figura 11A representa el hilo macho 11 de la figura 10A y el hilo hembra 12 de la figura 9A conectados por enroscado para constituir la junta roscada tubular de la figura 1.

Los hilos 11, 12 están en contacto bajo presión de contacto por sus dos flancos: el flanco de carga macho 13 está en contacto con el flanco de carga hembra 14 y el flanco de enchufe macho 15 está en contacto con el flanco de enchufe hembra 16.

En cambio, existe un juego entre las cúspides y los fondos de hilos conjugados (F1/S2 y F2/S1) y entre las zonas de enlace correspondientes (21/42, 51/32, 41/52, 31/22): véanse las figuras 11B y 11 C.

Este juego y la forma de los hilos y de las zonas de enlace con arcos de circunferencia principales de gran radio en el fondo de hilo permiten la buena resistencia a la fatiga a tracción-compresión o a flexión de este tipo de junta roscada tubular con hilos triangulares.

Las figuras 12 y 13 ilustran la influencia para diferentes combinaciones de ángulos A y E del ángulo D sobre el valor de la relación r_{P1}/r_{H1} del radio del arco principal de la zona de radios múltiples de fondo de hilo respecto al del arco de circunferencia estándar que constituye por sí solo una zona de enlace tangencial.

Resulta de las figuras 12 y 13 que la relación r_{P1}/r_{H1} aumenta con el ángulo D. Se observa en la figura 12 que la influencia del ángulo E es modesta y está en relación con las pequeñas variaciones toleradas para este ángulo: un ángulo E de 15º permite obtener valores r_{P1}/r_{H1} ligeramente mayores que cuando E = 0º.

Para los flancos de carga de hilos trapezoidales que son en general poco inclinados y corresponden a (A-C) próximo a 0º, el ángulo D puede elegirse ventajosamente entre 15 y 45º, lo que corresponde a la franja preferente reivindicada para este ángulo cuando el ángulo A es nulo.

La figura 13 muestra la influencia del ángulo A: la relación r_{P1}/r_{H1} aumenta cuando el ángulo A aumenta en valor algebraico.

Un ángulo A ligeramente negativo (flancos de carga que quedan en la vertical de los hilos en gancho denominados "hook threads") necesita que se elija un ángulo D relativamente grande para obtener un notable aumento de r_{P1}.

Un ángulo A muy positivo impone la limitación del valor del ángulo D a 30º, o incluso a 20º: se hallan valores del ángulo A de este tipo en hilos triangulares.

Los flancos de enchufe de hilos trapezoidales están además en general más fuertemente inclinados que los flancos de carga: la influencia del ángulo B puede calcarse directamente sobre la del ángulo A.

La figura 14 ilustra la variación del esfuerzo principal en la zona de enlace entre el fondo de hilo y el flanco de carga en la parte mediana de la rosca en la configuración siguiente de junta roscada para tubos "risers" de unión entre el fondo del mar y la plataforma de explotación de yacimientos submarinos:

- tubos de diámetros exteriores 339,7 mm (13 3/8'') unidos por juntas roscadas con copie del tipo de la figura 1

- roscas cónicas (conicidad 1/6 o sea un ángulo C de 4,8º);

- 4 hilos por pulgada (paso de la rosca = 6,35 mm);

- hilos trapezoidales de altura 2,1 mm con cúspides y fondos paralelos al eje de los tubos;

- flancos de carga rectos (A = 0º);

- flancos de enchufe inclinados (B = 15º);

- carga axial de tracción que implica un esfuerzo de tracción en el cuerpo de los tubos igual al 80% del límite de elasticidad del material;

- juntas enroscadas a tope con un par de enroscado estándar.

En la figura 14 se ha comparado el valor calculado numéricamente del esfuerzo principal de tracción en un cubo elemental de materia en la superficie de una zona de enlace entre el fondo de hilo y el flanco de carga en el caso de un enlace estándar con un solo arco de circunferencia de radio 0,375 mm (curva STD) y con un enlace de radios múltiples (curva RM).

Los parámetros de la zona de radios múltiples son:

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 D = 30º  \hskip1,8cm  E = 0º\+\cr  r _{p1}  = 0,64 mm
r _{s1}  = 0,19 mm \+  \hskip0,3cm  R _{p1} /r _{s1}  =
0,3\cr}

Posición del punto PRF1 en el flanco de carga = a 0,32 mm de la recta de soporte del fondo de hilo.

En la figura 14 se ha hecho aparecer un cubo elemental de materia en superficie de la zona de enlace a la posición angular \theta y el valor del esfuerzo principal \sigma de tracción en la cara de este cubo normal a la tangente a la superficie de la zona de enlace en función de la posición angular \theta; la posición 0º corresponde al extremo de la zona de enlace con el fondo de hilo y la posición 90º al otro extremo de la zona por el lado del flanco de carga.

Se constata un máximo del esfuerzo principal a en la parte mediana de la zona de enlace y en particular alrededor de la posición angular 30º.

La utilización de un enlace con radios múltiples ha permitido bajar ligeramente la posición del punto de referencia de flanco a 0,32 mm contra 0,375 mm para un enlace estándar y en aproximadamente el 20% el valor máximo del esfuerzo principal \sigma.

Tal reducción implica un aumento considerable del número de ciclos antes de la rotura por fatiga de las juntas roscadas.

La utilización de una relación r_{S1}/r_{P1} igual a 0,3 permite limitar la aparición del pico secundario de esfuerzo en la posición de 70º.

La presente invención no se limita a los modos de realización que se acaban de exponer.

La invención puede aplicarse en particular a roscas cilíndricas (ángulo C = 0) del tipo de las 303, 303', 304, 304' empleadas en las juntas roscadas tubulares 300 de la figura 2.

Puede aplicarse también a hilos trapezoidales, cuyos dos flancos están en contacto con o sin presión de contacto con los dos flancos del hilo conjugado.

Así sucede en el caso de los hilos denominados "rugged thread" para juntas roscadas destinadas a trabajar a tracción y a compresión tales como las descritas en el documento EP 454147. En este documento, los flancos de carga machos y hembras están en contacto bajo presión de contacto y los flancos de enchufe machos y hembras están también en contacto en una proporción notable de la longitud de las roscas.

Sucede lo mismo en el caso de los hilos con flancos ajustados por interferencia axialmente, de la solicitud de patente WO 00/14441.

Sucede lo mismo en el caso de los hilos de cuña de anchura variable, objeto de la patente WO 94/29627.

La descripción de los hilos triangulares con zona de enlace de fondo de hilo con radios múltiples en cada flanco puede estar directamente adaptada a tales hilos trapezoidales, puesto que un hilo trapezoidal no es más que un hilo triangular cuyas cúspides y fondos se han truncado.

En el caso de tales hilos trapezoidales se podrán utilizar en el fondo de hilo zonas de enlace con radios múltiples de radio de arco de circunferencia principal diferente entre la zona relativa al flanco de carga y la zona relativa al flanco de enchufe.

Dado que el flanco de enchufe está en general menos cargado que el flanco de carga en los hilos trapezoidales cuyos dos flancos están en contacto con los flancos correspondientes del elemento roscado conjugado, el radio principal r_{p} podrá ser ventajosamente mayor para el enlace 21 y/o 22 por el lado del flanco de carga que para el enlace 51 y/o 52 por el lado del flanco de enchufe.

Alternativamente, el radio principal r_{p} podrá ser idéntico para las zonas 21, 22, 51, 52.

Claims (17)

1. Elemento roscado tubular macho o hembra (1, 2) para junta roscada tubular (100, 300), realizado en el extremo de un tubo (101, 102, 202, 301, 302) y que incluye una rosca exterior macho (3, 303, 303') o una rosca interior hembra (4, 304, 304') según que el elemento roscado sea del tipo macho o hembra, cuyos hilos (11, 12) vistos en sección longitudinal que pasa por el eje del elemento roscado comprenden una cúspide de hilo (17, 20, S1, S2), un fondo de hilo (18, 19, F1, F2), un flanco de carga rectilíneo (13, 14), un flanco de enchufe rectilíneo (15, 16) y dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo (21, 22, 51, 52), estando dispuesta cada una de estas dos zonas entre el fondo de hilo y uno de los dos flancos denominado flanco correspondiente y comprendiendo un arco de circunferencia, caracterizado porque por lo menos una de las dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo denominada "zona de radios múltiples" comprende un arco de circunferencia denominado arco de circunferencia principal (23, 24, 53, 54) cuya circunferencia de soporte corta la recta de soporte del flanco correspondiente en un punto denominado punto de referencia de flanco (P_{RF1}, P_{RF2},P_{RF3}, P_{RF4}) y una curva regular denominada curva secundaria (25, 26, 27, 55, 56) a una y a otra parte del arco de circunferencia principal, que enlaza tangencialmente a ésta, por una parte, al flanco correspondiente y, por otra parte, al fondo de hilo, y porque: a) en el punto de referencia de flanco, la tangente (61, 62, 67, 68) a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal forma un ángulo agudo (D, F) estrictamente positivo con la recta de soporte del flanco correspondiente, siendo tal el sentido positivo que el arco de circunferencia principal no socava la materia del flanco de hilo; b) dicha circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal corta o es tangente a la recta de soporte del fondo de hilo, según que la curva secundaria por el lado del fondo de hilo respectivamente posea una longitud no nula o esté reducida a un punto, formando la tangente a dicha circunferencia de soporte (63), en el punto considerado de intersección (P_{RR1}) o de tangencia, un ángulo (E) comprendido entre -15 y +15º con la recta de soporte del fondo de hilo.

2. Elemento roscado tubular según la reivindicación 1, caracterizado porque en el punto de referencia de flanco de la zona de radios múltiples considerada, el ángulo (D, F) entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal y el flanco correspondiente está comprendido entre 10º y la diferencia (70º-J) si J mide algebraicamente el ángulo (A, B) entre el flanco correspondiente y una normal al eje del elemento roscado.

3. Elemento roscado tubular según la reivindicación 2, caracterizado porque en el punto de referencia de flanco de la zona de radios múltiples considerada, el ángulo (D, F) entre la tangente a la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal y el flanco correspondiente está comprendido entre 15º y la diferencia (45º-J) si J mide algebraicamente el ángulo (A, B) entre el flanco correspondiente y una normal al eje del elemento roscado.

4. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1, a 3, caracterizado porque el radio (r_{P1}, r_{P2}) del arco de circunferencia principal (23, 24) de la zona de radios múltiples está comprendido entre 150 y 250% del radio (r_{H1}, r_{H2}) del arco de circunferencia estándar (29, 30) que pasa por el punto de referencia de flanco que constituiría por sí solo una zona de enlace tangencial entre el flanco correspondiente y el fondo de hilo.

5. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la curva secundaria (25, 26, 55, 56) de la zona de radios múltiples por el lado del flanco correspondiente es un arco de circunferencia.

6. Elemento roscado tubular según la reivindicación 5, caracterizado porque la relación del radio (r_{S1}, r_{S2}, r_{S3}, r_{S4}) del arco de circunferencia de dicha curva secundaria por el lado del flanco correspondiente (25, 26, 55, 56) al radio (r_{P1}, r_{P2}, r_{P3}, r_{P4}) del arco de circunferencia principal de una zona de radios múltiples está comprendida entre 0,1 y 0,4.

7. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque cada curva secundaria (25, 26, 27, 55, 56) de la zona de radios múltiples teniendo una longitud no nula es un arco de circunferencia.

8. Elemento roscado tubular según la reivindicación 7, caracterizado porque la relación del radio (r_{S1}, r_{S2}, r_{S3}, r_{S4}, r_{T1}) del arco de circunferencia de cada curva secundaria teniendo una longitud no nula (25, 26, 27, 55, 56) al radio (r_{P1}, r_{P2}, r_{P3}, r_{P4}) del arco de circunferencia principal de una zona de radios múltiples está comprendida entre 0,1 y 0,4.

9. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque solamente la zona de enlace tangencial de fondo de hilo con el flanco de carga (21, 22) es una zona de radios múltiples.

10. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque cada una de las dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo es una zona de radios múltiples.

11. Elemento roscado tubular según la reivindicación 10, caracterizado porque el radio (r_{P1}, r_{P2}) del arco de circunferencia principal (23, 24) de la zona de radios múltiples del lado del flanco de carga es superior o igual al radio (r_{P3}, r_{P4}) del arco de circunferencia principal (53, 54) de la zona de radios múltiples del lado del flanco de enchufe.

12. Elemento roscado tubular según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el ángulo (A, B) que forma cada uno de los flancos con la normal al eje del elemento roscado es positivo o nulo.

13. Junta roscada tubular (100, 300) de resistencia elevada a los esfuerzos estáticos y dinámicos que comprende un elemento roscado tubular macho (1) en el extremo de un primer tubo (101, 301) conectado por enroscado a un elemento roscado tubular hembra (2) dispuesto en el extremo de un segundo tubo (102, 302) por medio de una rosca macho (3, 303, 303') en el elemento roscado tubular macho y de una rosca hembra (4, 304, 304') en el elemento roscado tubular hembra, comprendiendo los hilos (11, 12) de cada una de las roscas machos y hembras una cúspide de hilo (17, 20, S1, S2), un fondo de hilo (18, 19, F1, F2), un flanco de carga rectilíneo (13, 14), un flanco de enchufe rectilíneo (15, 16) y cuatro zonas de enlace que comprenden cada una un arco de circunferencia, incluyendo dos zonas de enlace tangencial de fondo de hilo (21, 22, 51, 52) que enlazan cada una el fondo de hilo con un flanco y dos zonas de enlace de cúspide de hilo (31, 32, 41, 42) que enlazan cada una la cúspide de hilo con un flanco, estando adaptados el perfil y la disposición de cada zona de enlace de cúspide de hilo para que no se interfieran con la zona de enlace tangencial de fondo de hilo del elemento roscado conjugado, caracterizada porque por lo menos uno de los dos elementos roscados tubulares es un elemento roscado denominado "de perfil antifatiga" según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Junta roscada tubular según la reivindicación 13, caracterizada porque por lo menos una zona de enlace de cúspide de hilo de un elemento roscado tubular opuesta a una zona de enlace tangencial de fondo de hilo de radios múltiples de un elemento roscado tubular de perfil antifatiga conjugado es una zona denominada seguidora (31, 32) que comprende dos arcos de circunferencia que se enlazan tangencialmente el uno con el otro, incluyendo un arco de circunferencia principal (33, 34) y un arco de circunferencia secundario (35, 36), este último para efectuar el enlace tangencial de la zona de enlace de cúspide de hilo al flanco correspondiente, y porque en el punto denominado de enlace alto (P_{RH1}, P_{RH2}) del flanco correspondiente, en donde la circunferencia de soporte del arco de circunferencia principal de la zona seguidora corta a la recta de soporte del flanco correspondiente, la tangente a dicha circunferencia forma un ángulo agudo (G, H) estrictamente negativo con la recta de soporte del flanco considerado.

15. Junta roscada tubular según la reivindicación 13 o la reivindicación 14, caracterizada porque los dos elementos roscados macho y hembra de la junta roscada tubular son del tipo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

16. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque las roscas son del tipo interferente, interfiriéndose la cúspide de hilo (20) de una rosca (4) radialmente con el fondo de hilo (19) de la rosca conjugada (3).

17. Junta roscada tubular según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizada porque los dos flancos de hilo (13, 15) de una rosca (3) están en contacto con o sin presión de contacto con los dos flancos de hilo (14, 16) de la rosca conjugada (4) en por lo menos una parte de la longitud de las roscas (3, 4).