BRPI0619002A2

BRPI0619002A2 - junta rosqueada para tubos

Info

Publication number: BRPI0619002A2
Application number: BRPI0619002-2A
Authority: BR
Inventors: Gabriel E Carcagno; Ernesto Gallo
Original assignee: Tenaris Connections Ag
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2011-09-20
Also published as: BRPI0619002B1; ATE511027T1; EP1954953A1; AU2006319128B2; AU2006319128A1; JP2009517614A; RU2418207C2; RU2008120863A; CA2630589C; WO2007063079A1; US8052173B2; US20090033087A1; CA2630589A1; CN101317015A; DK1954953T3; CN101317015B; MY149223A; JP5323489B2; PL1954953T3; AR057940A1

Abstract

JUNTA ROSQUEADA PARA TUBOS. Uma junta metálica rosqueada tem as superfície da rosca de pino (100) e de caixa (200) cobertas com um revestimento, que compreende uma primeira camada (24) disposta na superfície global do elemento pino (100), e uma segunda camada (25) disposta em parte das superfícies de qualquer um dos elementos pino ou caixa. Em um primeiro aspecto, o revestimento compreende uma primeira camada com propriedades de alto coeficiente de atrito e antiemperramento, disposta em toda a superfície do elemento pino (100), e uma segunda camada (25) com propriedades de baixo coeficiente de atrito, disposta em partes especificas das superfícies de qualquer um dos elementos pino ou caixa. De preferência, as superfícies específicas são aquelas que estão em contato radial recíproco, durante constituição, até que o pino e a caixa atinjam o ponto no qual os ressaltos (9, 10) ficam em contato entre si. A segunda camada pode conter politetrafluoroetileno (PTFE) . Em um segundo aspecto, a primeira camada com propriedades de alto coeficiente de atrito e antiemperramento é disposta em toda a superfície do elemento caixa (200).

Description

JUNTA ROSQUEADA PARA TUBOS

CAMPO DA TÉCNICA

A presente invenção se refere a uma junta rosqueada particularmente adaptada para conexões de segmentos de tubos, para a produção de cordões usados na indústria de extração de petróleo e gás, dotada com um revestimento superficial cobrindo a rosca para acentuar a resistência da junta à torção.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Na prospecção e extração de petróleo, é prática comum usar tubos metálicos de um comprimento comercial, que são constituídos para formar um cordão suficientemente comprido para atingir as profundidades nas quais os reservatórios de petróleo ou gás ou reservatórios estão localizados. A profundidade dos reservatórios está aumentando constantemente e, portanto, as juntas têm que ser projetadas de uma maneira tal que possam suportar cargas e tensões maiores, enquanto garantindo boas propriedades de vedação.

Um aperfeiçoamento dos desempenhos de juntas rosqueadas é obtido por projeto adequado de todas as superfícies de suporte de carga do pino e da caixa, isto é, flancos rosqueados, ressaltos de escora, etc., para fazer com que mantenham contato recíproco com a interferência estrutural e dimensional em todas as faixas de carga, nas quais se espera que as juntas operem. Isso depende da intensidade de torque que pode ser aplicado, em que a intensidade de torque é determinada pela diferença entre o valor de torque de escoamento plástico e o valor de torque de ressalto.

No entanto, a provisão de um muito alto provoca uma interferência, que é nociva à operação de constituição, uma vez que isso pode provocar emperramento ou escoriação da junta. Esforços têm sido feitos para atingir um bom equilíbrio entre ter um baixo torque de constituição e ter um alto torque de escoamento plástico, que é uma condição para suportar altas cargas e ter boas propriedades de vedação.

Por um lado, para evitar emperramento durante a constituição, a tecnologia do estado da técnica usa geralmente um lubrificante fluido, por exemplo, graxa ou massa lubrificante.

Esforços também estão sendo feitos para aumentar o limite de torque de escoamento plástico, que tem sido sempre um aspecto importante para a pesquisa nesse campo técnico. O torque de escoamento plástico (Y.T.) era aumentado geralmente por modificação do projeto da junta, mas chegou próximo no momento do seu limite técnica para juntas lubrifiçadas. O uso de massa lubrificante tem, por sua vez, desvantagens e vai ser, de preferência, evitado. Os riscos impostos pelo uso de massa lubrificante incluem: retenção de sujeira; distribuição não uniforme de massa lubrificante, em função da operação manual, o que pode provocar também uma superlubrificação em toda ou parte da junta; e a limpeza das juntas tem que ser conduzida no campo de petróleo, em condições ambientais adversas.

Portanto, para reduzir os custos e aperfeiçoar as operações, soluções sem uso de massa lubrificante para as juntas foram desenvolvidas e foram usadas por vários anos. As soluções sem uso de massa lubrificante obtiveram uma boa resistência a torção, mas, em alguns casos, têm desvantagens porque o torque de constituição pode atingir altos valores. Nesses casos, o torque de constituição de soluções sem uso de massa lubrificante para as juntas é usualmente diminuído por adição de óleos ou contaminante, perdendo, desse modo, parcial ou totalmente as vantagens das soluções sem uso de massa lubrificante e gerando o risco de reduzir também o valor de torque de escoamento plástico e do supertorque da junta.

As soluções sem uso de massa lubrificante para as juntas foram descritas em várias patentes, por exemplo, as patentes U.S. 4.414.247, 6.027.145 e 4.692.988. Usam um revestimento antiemperramento único, em vez de massa lubrificante com o mesmo fator de atrito em todos os pontos da superfície da junta. Um valor de atrito adequado deve ser também selecionado para essas juntas, porque um aumento do fator de atrito, para acentuar o valor de torque de escoamento plástico aumenta também o torque de ressalto, enquanto que uma redução do fator de atrito propicia conduzir a constituição com valores de torque de ressalto similares àqueles de juntas lubrificadas conhecidas, mas reduz o seu valor de torque de escoamento plástico. As conseqüências em ambos os casos são que o valor do torque é baixo e insatisfatório.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O objeto principal dessa invenção é eliminar as deficiências mencionadas acima por meio de uma junta rosqueada para tubos, com excelentes propriedades de constituição e ainda obter altos desempenhos estruturais, por proporcionar um torque com um valor muito alto. É também outro objeto da invenção proporcionar uma junta rosqueada, que tem também um bom valor de resistência a corrosão dentro de uma ampla gama de condições ambientais e operacionais, garantindo um desempenho ótimo, mesmo após várias operações de constituição e desagregação da junta.

Os objetos mencionados acima e outros que vão ficar evidentes em vista da descrição apresentada a seguir, são atingidos de acordo com a presente invenção por meio de uma junta rosqueada para tubos, compreendendo um elemento pino e um elemento caixa, o elemento pino tendo uma rosca adaptada para ajustar-se a uma rosca do elemento caixa, uma forma de rosca de cada um dos elemento pino e elemento caixa sendo definida por um perfil de rosca que se dispõe em uma seção transversal contendo um eixo longitudinal (X) da junta, em que a superfície da rosca é dotada com um revestimento, em que a dita junta compreende uma primeira camada disposta em toda a superfície do elemento pino, uma segunda camada disposta nas partes específicas de todas as superfícies de qualquer um dos elementos pino ou caixa, ou o revestimento compreende uma primeira camada disposta na superfície total do elemento caixa, uma segunda camada disposta em partes específicas de todas as superfícies de qualquer um dos elementos pino ou caixa.

Em um primeiro aspecto, o revestimento compreende uma primeira camada com propriedades de alto atrito e antiemperramento, disposta em toda a superfície dos elementos pino ou caixa, uma segunda camada com propriedades de baixo atrito disposta em partes específicas de todas as superfícies de qualquer um dos elementos pino ou caixa.

De preferência, as superfícies globais de qualquer um dos elementos pino ou caixa, nas quais uma segunda camada com propriedades de baixo atrito em partes específicas, são aquelas adaptadas para a produção de contato radial recíproco.

Particularmente, as partes da superfície de qualquer um dos elementos pino ou caixa, nas quais uma segunda camada com propriedades de baixo atrito é disposta, são aquelas adaptadas para produzir contato radial reciproco, durante a constituição, até que uma superfície sofrendo uma carga de pressão de contato axial entre em contato (como os ressaltos).

Particularmente, as partes adaptadas para a produção de contato radial recíproco são cristas no elemento caixa, raízes no elemento pino e selos metal - metal.

As vantagens principais da junta da invenção são as apresentadas a seguir.

Permite o atingimento de resistência a torção mais alta, devido ao revestimento seco antiemperramento, tendo diferentes coeficientes de atrito em diferentes áreas da junta.

Tem, desse modo, um baixo torque de ressalto e um alto torque de escoamento plástico, aumentando o valor do torque admissível, propiciando uma melhoria da resistência a torção, sem alterar a geometria da junta e sem aumentar o valor do torque de constituição.

Supera a deficiência das juntas do estado da técnica, que não podem ter áreas localizadas de alto atrito, porque usam lubrificantes que escoam em todos os espaços deixados vazios entre as roscas e cobrem todas as áreas da junta. Quando do uso de massa lubrificante nas juntas, o fator de atrito obtido vai depender usualmente da quantidade de massa lubrificante aplicada, pois uma pressão de massa lubrificante normalmente se acumula dentro da junta, por causa da pequena evacuação ou compensação do espaço disponível entre as roscas do pino e da caixa.Em vez disso na junta de acordo com a invenção, o fator de atrito é independente da influência do operador e é determinado no estágio de produção dela.

De acordo com outro aspecto importante da invenção, um revestimento de baixo atrito é usado em áreas específicas das roscas do pino ou caixa e dos selos metal - metal, com contato radial nas superfícies complementares do pino ou da caixa, respectivamente, para garantir baixos valores de torque para constituição, porque essas são as superfícies que ficam em contato durante atarraxamento da rosca, em uma condição desprovida de carga.

Um revestimento de alto atrito é usado naquelas superfícies que promovem contato axial, por exemplo, o nariz do pino, o ressalto de torque e o flanco de carga da rosca, para proporcionar uma maior resistência a torção, porque essas superfícies sofrem as cargas de pressão de contato axial, quando a conexão do tubo atinge a posição final. Proporcionando-se torque em uma junta por meio do revestimento, elimina-se as desvantagens básicas de soluções sem uso de massa lubrificante e produz-se uma vantagem com relação à junta lubrificada, porque possibilita o controle separado e com alta precisão de dois diferentes parâmetros que são estreitamente relacionados entre si nas juntas da técnica anterior.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção vai ser descrita a seguir de acordo com uma concretização preferida dela, que é apresentada por meio de um exemplo não limitante, por meio das figuras em anexo, em que:

as Figuras Ia e Ib mostram uma vista seccional ampliada de um detalhe da rosca em uma junta de acordo com a invenção, em um primeiro estágio operacional (durante a constituição);

as Figuras 2a e 2b mostram uma vista seccional ampliada de um detalhe da rosca em uma junta de acordo com a invenção, em um segundo estágio operacional (quando a conexão atinge a posição final);

as Figuras 3a e 3b mostram detalhes seccionais ampliados da rosca de uma caixa e um pino, com uma segunda camada em partes especificas de uma superfície global de uma junta produzida de acordo com a invenção;

a Figura 4 mostra gráficos comparativos relativos aos valores de torque de ressalto em juntas, para todos os três tipos de revestimentos, para as juntas rosqueadas; a Figura 5 mostra uma vista ampliada das superficies de um pino e uma caixa incorporadas em uma com a invenção;

a Figura 6 mostra uma vista ampliada das superfícies de um pino e uma caixa incorporadas em outra concretização de uma junta de acordo com a invenção;

a Figura 7A mostra o coeficiente de atrito medido com o tempo para os três tipos de juntas rosqueadas discutidas no Exemplo 1;

a Figura 7B mostra o coeficiente de atrito médio para os três tipos de juntas rosqueadas discutidas no Exemplo 1; e

a Figura 8 mostra os resultados dos testes de constituição e desagregação, que foram conduzidos nos três tipos de juntas rosqueadas discutidas no Exemplo 1.

DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERENCIAIS DA INVENÇÃO

Com referência particular às Figuras 1 e 2, um tubo de acordo com a presente invenção tem extremidades rosqueadas que, quando acoplado com outro tubo tendo extremidades rosqueadas complementares, forma uma junta. Uma junta compreende, desse modo, um tubo definindo um elemento macho 100, o denominado "pino", dotado com uma rosca 4 em uma superfície externa, e um componente fêmea 200, o denominado "caixa", tendo uma rosca 3 em uma superfície interna. A caixa 200 é geralmente um tubo ou uma luva, dependendo do tipo de junta. A caixa 200 tem também um ressaltos de contato 9 e o pino 100 tem um ressalto correspondente 10. As Figuras Ia e Ib mostram a posição do pino e da caixa, antes da operação de constituição estar completada, em que os contatos 9 e 10 não estão ainda em contato. Nesse estágio, que correspondente usualmente à montagem do cordão de tubos, a única carga importante na junta é constituída pelo contato entre as superfícies radiais da rosca. As tensões resultantes provocadas pela interferência gerada no estágio de projeto são indicadas esquematicamente pelas setas espessas 5' e 511. A interferência entre as cristas da rosca e as raízes da rosca não é suficientemente alta para produzir emperramento durante a constituição, por uso de um lubrificante adequado (massa lubrificante ou revestimento), mas gerando a tensão de arco nos componentes necessários para centralizar o pino, durante funcionamento, aperfeiçoando o posicionamento do seu nariz.

Também em correspondência com o nariz, proporciona-se uma interferência radial, por exemplo, para criar um selo metal - metal, que gera tensões, cuja conseqüência é mostrada esquematicamente pelas setas grossas 6' e 6'1.

Nas Figuras 2a e 2b, são mostradas as mesmas partes das roscas que nas Figuras Ia e lb, embora em uma posição completamente atarraxada. Nessas figuras, a conseqüência da pressão de contato, produzida pelo torque nos flancos das roscas 3 e 4, é representada esquematicamente pelas setas espessas 7' e 7", enquanto que a conseqüência das pressões de contato produzidas pelo torque nos contatos 9 e 10 é representada esquematicamente pelas setas espessas 81 e 81". As 8' e 8" são quase paralelas ao eixo longitudinal X - X da junta mostrada na Figura 2.

0 ângulo de inclinação das setas 7', 7" com o eixo X -X depende obviamente da inclinação dos flancos da rosca, enquanto que o ângulo de inclinação das setas 5', 5" das cristas da rosca dependem do projeto de rosca selecionado. A direção das setas 6', 6", 8' e 8" dependem da geometria do nariz. Na rosca mostrada nas figuras, as superfícies de contato radiais são quase perpendiculares ao eixo do tubo, com um ângulo na faixa de 90° ± 10°, enquanto que as superfícies de contato axiais ficam a um ângulo com o eixo do tubo X - X na faixa de 0° a ± 25°.

Ainda que as figuras mostrem uma rosca com um dente trapezoidal, a seção do dente pode ter outras formas, sem que se afaste do âmbito da invenção. Um alongamento de uma rosca 3 da caixa 200 é mostrado na Figura 3a, e um alongamento de uma região de contato ou de nariz de um pino 100 é mostrado na Figura 3b. Um primeiro revestimento de camada 12 na superfície da superfície global e um segundo revestimento de camada 13 são mostrados esquematicamente na Figura 3b, por exemplo, nesse caso, na superfície externa do pino 100. Como mostrado na Figura 3a, a parte rosqueada da caixa 200 correspondente ao pino 100 pode ter uma primeira camada 12' e uma segunda camada 13' perfeitamente similares na superfície ou pode ser feita sem a camada protetora ou, ainda alternativamente a camada pode ser feita com uma estrutura ou de materiais diferentes. É também possível ter-se apenas um revestimento na superfície do pino e nenhum revestimento na superfície da caixa.

A estrutura do primeiro revestimento de camada 12 pode ser diferente, dependendo das partes da junta nas quais é disposto. A diferença nas propriedades de atrito ou de tribologia do revestimento propicia a manipulação e a obtenção de diferentes características no comportamento da rosca, durante a constituição, controlando o torque necessário durante a operação.

De acordo com um primeiro aspecto das concretizações da invenção, um revestimento antiemperramento de alto coeficiente de atrito, mostrado genericamente como 12 ou 12', é depositado em toda a superfície dos elementos pino e/ou caixa, enquanto que um revestimento antiemperramento de baixo coeficiente de atrito, mostrado genericamente como 13 ou 13', é depositado nas áreas com contato radial, geralmente cristas de rosca 14, flancos de avanço 14' e/ou raízes 141' . De preferência, os flancos de carga de rosca 15, no ressalto de contato e na área do nariz 19, o revestimento antiemperramento de alto coeficiente de atrito 12 ou 12' se mantém como a única camada. Alternativamente, um revestimento antiemperramento de alto coeficiente de atrito pode ser usado para reduzir o fator de atrito na crista da rosca e/ou raiz.

Em virtude dos diferentes fatores de atrito, essa distribuição peculiar produz uma diferença entre as superfícies de contato do pino e da caixa, quando uma interferência de arco é gerada durante a constituição, e as superfície, que podem ficar em contato aumentam as suas forças normais, uma vez que o nariz do pino 19 atinge o contato encosto da caixa.

As várias alternativas de estrutura e de materiais constituindo os revestimentos são a seguir descritas em mais detalhes com referência, em particular, às Figuras 5 e 6.

As camadas do pino 100, nas concretizações das Figuras 5 e 6, podem constituir, alternativamente, as camadas da caixa 200 e vice-versa.

A Figura 5 mostra uma vista ampliada das superfícies de um pino 100 e de uma caixa 200, incorporados em uma primeira concretização da junta da invenção.

Essa configuração, particularmente adaptada para materiais de aço carbono ou CRA (ligas resistentes a corrosão), compreende as seguintes camadas: um primeiro substrato 1 de metal de base, um pino ou, de preferência, uma caixa em uma condições nua ou com o correspondente tratamento superficial, tal como por jateamento ou, de preferência, por fosfatização para aço carbono ou eletrodeposição de cobre no caso de CRA;

um segundo substrato 2 de metal de base, na caixa ou, de preferência, no pino em uma condição nua ou com o tratamento superficial correspondente, tal como fosfatização ou eletrodeposição de cobre, ou, de preferência, jateamento;

uma camada protetora de corrosão 23, opcional, no substrato 2, tendo, de preferência, uma espessura entre 10 e 25 μm;

uma camada antiemperramento de alto fator de atrito 24 no substrato 2, tipicamente, com M0S2, grafite e/ou nitreto de boro, etc., tendo uma espessura entre 10 e 25 μm;

uma camada antiemperramento de baixo fator de atrito 25 no substrato 2, tais como polímeros fluorados (por exemplo, politetrafluoroetileno), de espessura compreendida entre 15 e 40 μm; e

uma camada inibidora de corrosão 26, opcional, no substrato 1. Na junta da invenção, a camada de baixo fator de atrito 25 não é disposta nas superfícies que têm contato axial, durante a operação de constituição.

A camada de proteção de corrosão 23 pode ser evitada, no caso em que a camada antiemperramento de alto fator de atrito 24 age também como uma camada protetora.

No caso do uso de contaminantes para reduzir o atrito, localizados em áreas particulares, a espessura do camada antiemperramento de baixo fator de atrito 25 pode ser desprezível. Vantajosamente, uma camada de base pode ser usada para garantir aderência.

A Figura 6 mostra uma vista ampliada das superfícies de um pino 100 e de uma caixa 200, incorporados em uma segunda concretização da junta de acordo com a invenção.

Nessa concretização, o camada antiemperramento de baixo fator de atrito 25, tais como polímeros fluorados (por exemplo, politetrafluoroetileno), é disposta no substrato 2, como a camada intermediária entre o substrato 2 do metal de base e o inibidor de corrosão 26 opcional.

A camada antiemperramento de baixo fator de atrito 25 pode ser aplicada também ao elemento oposto da junta rosqueada. Também, nessa segunda concretização, a camada 25 está sempre ausente nas superfícies tendo contato axial.

Todas essas camadas, de materiais e espessura adequados, nos elementos opostos da junta rosqueada, aumentam a interferência radial da junta, mas essa diferença pode ser compensada vantajosamente durante usinagem da junta.

O fator importante dos revestimentos é o coeficiente de atrito deles, geralmente não relacionado bastante à espessura do revestimento. De qualquer modo, a seleção da espessura é relacionada com a durabilidade do revestimento, isto é, quantas operações de constituição e desagregação pode suportar.

Em uma concretização particular, a camada antiemperrramento 24 pode incorporar, vantajosamente, uma proteção a corrosão, ou pode ser aplicada a uma camada protetora.

Em geral, os revestimentos protetores têm espessuras globais variando na faixa de 10 a 40 μm. Se a camada antiemperramento 24 preenche ambas as funções de proteção e lubrificante, a espessura global do revestimento do pino e da caixa de uma junta vai ser nessa faixa. Ao contrário, se a camada antiemperramento e a camada de proteção de corrosão foram de diferentes materiais, a espessura do revestimento global vai ser maior. Em alguns casos, um revestimento de baixo fator de atrito é aplicado no revestimento de alto coeficiente de atrito, como ilustrado na Figura 5. No caso dessas superfícies de pino e caixa, que têm contato radial com as espessuras das camadas, serem adicionadas, exceto no caso de superfícies de contato axial, apenas a espessura do revestimento de alto coeficiente de atrito é considerada para obter os melhores resultados.

Como os materiais contidos nas camadas, a camada antiemperrramento 24, tendo um alto fator de atrito, contém grafite, nitreto de boro e/ou M0S2, como um lubrificante, usando, geralmente, uma resina polimérica como um aglutinante (de preferência, a resina polimérica é uma resina epóxi ou uma resina éster - epóxi), enquanto que uma camada antiemperramento de baixo fator de atrito 25 é preferivelmente baseada em polímeros fluorados (por exemplo, politetrafluoroetileno), ou pode conter nanopartículas usadas como um contaminante em superfícies de contato radial, que reduzem, drasticamente, o atrito entre as superfícies sem uma espessura de camada significativa.

Os coeficientes de atrito de ambas as camadas 24, 25 são diferentes. Tipicamente, o revestimento de alto coeficiente de atrito tem um coeficiente de atrito duas ou mais vezes àquele do revestimento de baixo coeficiente de atrito. Os valores típicos para um revestimento de baixo coeficiente de atrito são de 0,02 a 0,05, e para uma camada de alto coeficiente de atrito está na faixa de 0,05 a 0,12, avaliados em um teste feito com um anel em disco.

Para que se tenha uma ótima relação entre torque, espessura do revestimento e produto, geralmente, a camada de baixo fator de atrito deve ser suficientemente espessa para cobrir toda a superfície específica durante a constituição, diminuindo o torque, mas além de um limite específico, uma espessura excessiva aumenta a pressão de contato, aumentando também o torque necessário.

O torque de ressalto (S.T.) em uma junta prêmio do tipo de crista em raiz, é uma função de vários fatores:

S.T. = f(tp, tb, δ, μ«», DH, L) + Ts tp: espessura de parede média de pino em rosca; tb: espessura de parede média de caixa em rosca/

δ: interferência da rosca; μth: 2k em superfícies de contato radial;

Dth: diâmetro médio de rosca;

L: comprimento de rosca acoplada; Ts: contribuição mínima devido à interferência de vedação.

Ainda ΔΤ, ou delta de torque, que é diferença entre o torque de escoamento plástico (Y.T.) e o torque de ressalto (S.T.):

ΔΤ = f(hn, lth, μ8sh)

hn: espessura de ressalto;

lth: filete da rosca (tpi) ; e

μsh: coeficiente de atrito nas superfícies de contato axiais.

Usando-se os alto e baixo fatores de atrito nas superfícies de contato axiais e radiais, respectivamente (tipicamente, o revestimento de alto coeficiente de atrito tem um coeficiente de atrito duas ou mais vezes superior àquele do revestimento de baixo coeficiente de atrito), é possível reduzir a relação S.T./Y.T, que vai ampliar a janela de torque admissível para uma junta específica.

Os gráficos na Figura 4 mostram uma comparação entre o

gráfico de torque - volta esperados para a mesma junta, usando um revestimento de baixo coeficiente de atrito (curva A) , um revestimento de alto coeficiente de atrito (curva B) e áreas de atrito localizadas (curva C) de acordo com a invenção. O gráfico mostra ao longo da abscissa o número de voltas de constituição da junta, para se chegar a um encosto dos ressaltos, e ao longo da ordenada o valor de torque aplicado durante a constituição.

O desempenho da junta é melhor, quando a curva de torque tem um longo segmento 50, cujo valor é dado pela diferença entre os valores de Y.T. e S.T. Quanto maior o valor do segmento, melhor a segurança proporcionada pela junta. Na Figura 4, a junta da invenção, que mostra uma curva correspondente à curva C, tem um baixo fator de atrito nas superfícies de contato radial, o que proporciona valores de atrito adequados para garantir a constituição da junta em valores de torque razoáveis, comparáveis com aqueles presentes quando do uso de massa lubrificante; e um alto fator de atrito em superfícies de contato axial, o que proporciona uma área localizada com alto coeficiente de atrito, capaz de transmitir uma alta resistência a torção para a junta, uma vez que o ressalto entra em contato.

Outras concretizações da junta de acordo com a invenção proporcionam diferentes camadas, dependendo dos elementos pino ou caixa nos quais são dispostas, ou, alternativamente, contaminando diferentes superfícies sobre o mesmo revestimento, para modificar os seus fatores de atrito. Em uma outra concretização preferida, a camada 24 também pode funcionar como um protetor de corrosão, e a camada de corrosão pode ser evitada.

Para melhorar a qualidade do revestimento da junta, um tratamento superficial é proporcionado para aperfeiçoar a aderência do revestimento na superfície da rosca, por exemplo, jateamento, fosfatização ou eletrodeposição com cobre.

O tratamento superficial da invenção pode ser aplicado a todos os tipos de rosca, tendo uma forma cilíndrica ou troncocônica do envelope das cristas da rosca, ou uma contaminação de ambos tendo um ou mais filetes de rosca.

A junta da presente invenção pode ser aplicada a todos os tipos de junta, particularmente no caso quando o elemento fêmea é formado em uma parte terminal de um tubo, ou quando uma luva com dois elementos fêmea em ambas as extremidades, para unir dois tubos macho, é usada.

EXEMPLO 1

Um sistema de revestimento foi aplicado a uma conexão de acordo com a presente invenção. Uma primeira camada de uma resina de epóxi rica em zinco foi aplicada à superfície do pino (rugosidade superficial Ra compreendida entre 2-6 μm), como um revestimento inibidor de corrosão. A espessura final do revestimento foi de 20 μm. Sobre a primeira camada, uma segunda camada de revestimento lubrificante seco, que era compreendida de uma mistura de M0S2 e outros lubrificantes sólidos em um aglutinante inorgânico, foi aplicada com uma espessura de 20 μτη. Os revestimentos foram aplicados por aspersão, e calor foi usado para acelerar a cura.

A superfície interna da caixa foi revestida com um revestimento de baixo coeficiente de atrito. A superfície de uma caixa recebeu um tratamento superficial de fosfatização, e um revestimento de politetrafluoroetileno (PTFE) foi aplicado seletivamente sobre a crista e o selo metal - metal da caixa. Esse revestimento de baixo coeficiente de atrito era um revestimento polimérico, que continha pó de PTFE disperso em uma resina epóxi reativa e um solvente. Os solventes eram acetato de 2-metóxi-l- metiletila e xileno. Para assegurar uma dispersão homogênea do pó de PTFE, a mistura foi agitada uniformemente por 20 minutos. A resina tinha uma viscosidade na faixa de 26 - 28 segundos em um copo n° 4 da Ford a 25°C.

A dispersão de PTFE foi aplicada à caixa por uso de aspersores desprovidos de ar pneumáticos. A dispersão foi depois curada a 140°C por 30 minutos. Deve-se notar que o tempo de cura vai variar, dependendo da temperatura usada. Por exemplo, o epóxi pode ser curado por 60 minutos a 130°C ou por 30 minutos a 140°C. Alternativamente, se o epóxi for curado por uso de uma lâmpada infravermelha, o tempo de cura recomendado é de aproximadamente 15 minutos a 140 - 145°C.

O coeficiente de atrito para o revestimento polimérico do presente exemplo foi determinado por aplicação do revestimento a um disco plano e a um cilindro anular (anel) . O torque transmitido por rotação do anel no disco foi medido. Para simular a configuração baixa - pino da presente invenção, os revestimentos do pino foram aplicados ao disco, enquanto que os revestimentos da caixa foram aplicados ao anel.

A Figura 7A ilustra o coeficiente de atrito medido com o tempo, enquanto que a Figura 7B mostra o coeficiente médio. Em ambas as Figuras 7A e 7B, três diferentes sistemas desprovidos de massa lubrificante foram comparados (Solução A, Solução B e Solução C). A solução A desprovida de massa lubrificante tinha um sistema de revestimento compreendido por uma camada resistente a corrosão e uma camada lubrificante sobre o pino. A solução B desprovida de massa lubrificante tinha o mesmo sistema de revestimento que a solução A, mas uma camada inibidora de corrosão foi aplicada na parte de topo. A solução desprovida de massa lubrificante C, a solução do presente exemplo, tinha o esquema de revestimento da solução B aplicado ao pino e um revestimento de PTFE foi aplicado a partes especificas da superfície interna da caixa. Pode-se notar que nas Figuras 7A e 7B o revestimento polimérico reduziu significativamente o coeficiente de atrito, quando aplicado de acordo com a presente invenção, especialmente comparado com as configurações convencionais de pino - caixa.

Além dos testes de coeficiente de atrito, testes de constituição e desagregação foram conduzidos em conexões de 8,9 centímetros (3,5 polegadas). Os resultados desses testes são apresentados na Figura 8. Na Figura 8, as soluções desprovidas de massa lubrificante A, B e C foram avaliadas nas conexões com duas diferentes configurações; interferências máx. rosca / máx. selo e min. rosca / máx. selo. Na Figura 8, as barras principais representam o torque de ressalto médio para as 5 primeiras constituições para cada uma das configurações, os pontos simbolizam o ressalto de torque para a primeira constituição, e as barras de erro indicam o desvio padrão. Na legenda, HHN significa alta interferência de rosca - alta interferência de selo com estreitamentos de rosca nominais, enquanto que LHN significa baixa interferência de rosa - alta interferência de selo com estreitamentos de rosca nominais. Como pode-se notar na Figura 8, a aplicação do revestimento de PTFE reduziu consideravelmente o ressalto de torque.

Deve-se notar que outros tipos de revestimentos poliméricos podem ser usados além do revestimento de PTFE do Exemplo 1, e que o Exemplo 1 não é intencionado para limitar o âmbito da presente invenção. Como vão entender aqueles versados na técnica, outros revestimentos podem ser aplicados abaixo ou acima do revestimento polimérico, sem que se afaste do âmbito da presente invenção. Por exemplo, uma camada resistente a corrosão pode ser aplicada sobre o revestimento polimérico, desde que a camada resistente a corrosão não afete as propriedades de atrito de todo o sistema. Adicionalmente, os vários revestimentos aqui descritos podem ser aplicados à toda a superfície do elemento pino ou elemento caixa, ou apenas a áreas selecionadas. Por exemplo, os revestimentos podem ser aplicados às partes rosqueadas do elemento pino e do elemento caixa, a partes do selo metal - metal do elemento pino e do elemento caixa, ou à parte ressalto do elemento pino e do elemento caixa, sem que se afastem do âmbito da presente invenção.

Claims

1. Junta rosqueada para tubos compreendendo elementos pino (100) e caixa (200), o elemento pino tendo uma rosca adaptada para ajustar-se a uma rosca do elemento caixa, uma forma de rosca de cada um dos elementos pino e do elemento caixa definida por um perfil de rosca, que se estende em uma seção transversal contendo um eixo longitudinal (X) da junta, em que a superfície do elemento pino é dotada com um revestimento, caracterizada pelo fato de que o dito revestimento compreende uma primeira camada (24) com propriedades de um alto coeficiente de atrito e antiemperramento, disposta sobre a superfície global do elemento pino (100), uma segunda camada (25) com propriedades de baixo coeficiente de atrito, disposta em partes específicas das superfícies globais de qualquer um dos elementos pino ou caixa.

2. Junta rosqueada para tubos compreendendo elementos pino (100) e caixa (200), o elemento pino tendo uma rosca adaptada para ajustar-se a uma rosca do elemento caixa, uma forma de rosca de cada um dos elementos pino e do elemento caixa definida por um perfil de rosca, que se estende em uma seção transversal contendo um eixo longitudinal (X) da junta, em que a superfície do elemento caixa é dotada com um revestimento, caracterizada pelo fato de que o dito revestimento compreende uma primeira camada (24) com propriedades de um alto coeficiente de atrito e antiemperramento, disposta sobre a superfície global do elemento caixa (200), uma segunda camada (25) com propriedades de baixo coeficiente de atrito, disposta em partes especificas das superfícies globais de qualquer um dos elementos pino ou caixa.

3. Junta rosqueada de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que as partes específicas da superfície global de qualquer um dos elementos pino ou caixa são aquelas adaptadas para produzir um contato radial recíproco.

4. Junta rosqueada de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que as partes específicas adaptadas para produzir contato radial recíproco são cristas no elemento caixa, raízes no elemento pino e selos metal - metal.

5. Junta rosqueada para tubos de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o dito revestimento compreende: uma primeira camada (24) com propriedades de alto coeficiente de atrito e antiemperramento, disposta na superfície global do elemento pino (100); uma segunda camada (25) com propriedades de baixo coeficiente de atrito, disposta em partes específicas das superfícies globais, que são adaptadas para produzir contato radial recíproco, durante constituição, até que uma superfície sofrendo uma carga de pressão de contato axial fique em contato com qualquer um dos elementos pino ou caixa.

6. Junta rosqueada para tubos de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o dito revestimento compreende: uma primeira camada (24) com propriedades de alto coeficiente de atrito e antiemperramento, disposta na superfície global do elemento caixa (200); uma segunda camada (25) com propriedades de baixo coeficiente de atrito, disposta em partes específicas das superfícies globais, que são adaptadas para produzir contato radial recíproco, durante constituição, até que uma superfície sofrendo uma carga de pressão de contato axial fique em contato com qualquer um dos elementos pino ou caixa.

7. Junta rosqueada para tubos de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a superfície sofrendo uma carga de pressão de contato axial é um ressalto (9, 10).

8. Junta rosqueada para tubos de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a superfície sofrendo uma carga de pressão de contato axial é um ressalto (9, 10).

9. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que uma camada (26), incorporando material inibidor de corrosão, é também aplicada ao pino ou à caixa.

10. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a primeira camada (24) incorpora um material inibidor de corrosão.

11. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que uma camada protetora de corrosão (23) é aplicada antes da primeira camada (24).

12. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a primeira camada (24) incorpora MoS2, grafite e/ou nitreto de boro, e tem uma espessura em uma faixa entre 10 e 25 μm.

13. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a primeira camada também contém uma resina polimérica orgânica ou inorgânica, como um aglutinante.

14. Junta de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que a resina polimérica é, de preferência, uma resina epóxi ou uma resina éster - epóxi, ou um aglutinante inorgânico capaz de ser polimerizado e reticulado.

15. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a primeira camada do revestimento compreende uma camada (23), que incorpora um material inibidor de corrosão tendo uma espessura entre 10 e 25 μm.

16. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o pino ou a caixa estão em uma condição nua ou têm um tratamento superficial selecionado entre jateamento, fosfatização ou eletrodeposição de cobre.

17. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (25) contém polímeros fluorados e tem uma espessura em uma faixa compreendida entre 15 e 40 fim.

18. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a primeira camada é um revestimento antiemperramento de alto coeficiente de atrito, e um contaminante é usado para reduzir o fator de atrito na crista e/ou raiz da rosca em um modo seletivo.

19. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (25) pode conter nanoparticulas, usadas como contaminante nas superfícies de contato radial.

20. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o revestimento de alto coeficiente de atrito tem um coeficiente de atrito duas ou mais vezes aquele do revestimento de baixo coeficiente de atrito.

21. Junta de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de que os valores para o coeficiente de atrito de um revestimento de baixo coeficiente de atrito são de 0,02 a 0,05, e para a camada de alto coeficiente de atrito estão na faixa de 0,05 a 0,12, avaliados em um teste feito com um anel em disco.

22. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o pino e/ou a caixa são de aço carbono ou materiais· de ligas resistentes a corrosão.

23. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a junta tem uma forma cilíndrica ou troncocônica do envelope das cristas da rosca, ou uma combinação de ambas.

24. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que a junta tem um ou mais filetes de rosca.

25. Junta de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o elemento fêmea é formado em uma parte extremidade de um tubo, ou quando uma luva com dois elementos fêmea, em ambas as extremidades para unir dois tubos macho, é usada.

26. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a primeira camada (24) contém PTFE.

27. Junta de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a segunda camada (25) contém PTFE.