ES3031710T3 - Solid lubricant for zn-ni coating on a threaded tubular element - Google Patents

Abstract

Elemento tubular roscado (1, 2) para su uso en la perforación, operación de pozos de hidrocarburos, transporte de petróleo y gas, transporte o almacenamiento de hidrógeno, captura de carbono o en el campo de la energía geotérmica, que comprende un cuerpo metálico (5) y al menos un extremo roscado (3, 4) que comprende al menos una porción roscada (14, 15), comprendiendo el extremo roscado (3, 4) un recubrimiento multicapa (10) en al menos una porción de la superficie del extremo roscado (3, 4), caracterizado porque el recubrimiento multicapa (10) comprende una primera capa (11) que comprende un recubrimiento sólido de zinc-níquel electrodepositado sobre al menos una porción de la superficie del extremo roscado (3, 4), una segunda capa de conversión de oxalato (12) sobre la primera capa (11), una tercera capa (13) que comprende una matriz de poliuretano o una matriz de epoxi llena de partículas lubricantes sólidas sobre la segunda capa (12). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Lubricante sólido para ZnNi en elemento roscado tubular

Campo técnico

La invención se refiere a componentes o conductos de acero con revestimientos en el campo del petróleo y el gas, de la energía o el almacenamiento, para un uso tal como la explotación de pozos o el transporte de hidrocarburos, el transporte o el almacenamiento de hidrógeno, la energía geotérmica o la captura de carbono.

Antecedentes de la técnica

En el presente documento, se entiende por "componente" cualquier elemento, accesorio o conducto, utilizado para perforar o explotar un pozo y que comprende al menos una conexión o un conector o incluso un extremo roscado, y destinado a ser ensamblado mediante roscado a otro componente para formar una junta roscada con este otro componente. El componente puede ser, por ejemplo, un tubo o un elemento roscado tubular de longitud relativamente grande (en particular, de aproximadamente diez metros de longitud), por ejemplo, un tubo, o bien un manguito tubular de varias decenas de centímetros de longitud, o incluso un accesorio de estos elementos tubulares (dispositivo de suspensión o"hanger"en inglés, parte de cambio de sección o "cross-ove?'en inglés, válvula de seguridad, conector de tubería de perforación o"tooljoint'en inglés, "sub", y similares).

Los componentes o elementos tubulares roscados están dotados de extremos roscados. Estos extremos roscados son complementarios, lo que permite conectar entre sí dos elementos tubulares roscados, macho ("Pin") y hembra ("Box"). Por lo tanto, hay un extremo roscado macho y un extremo roscado hembra. Los extremos roscados llamados premium o semi-premium suelen incluir al menos una superficie de tope. Un primer tope puede estar formado por dos superficies de dos extremos roscados, orientadas sustancialmente de forma radial, configuradas de forma que estén en contacto entre sí cuando los extremos roscados se enrosquen o al someterse a cargas de compresión. Los topes suelen tener ángulos negativos respecto al eje principal de las conexiones. También se conocen topes intermedios en juntas que incluyen al menos dos etapas de rosca. Una porción roscada, una superficie de tope así como una superficie de estanqueidad pueden formar un conjunto denominado extremo roscado. Puede haber un extremo roscado con una rosca orientada hacia fuera del tubo, es decir, un extremo roscado macho, y un extremo roscado con una rosca orientada hacia el interior del tubo, es decir, un extremo roscado hembra. Los elementos roscados tubulares, del tipo de encamisado y terminación son de acero y pueden fabricarse, sin limitación, de conformidad con las normas API especificación 5C<t>o 5CRA para los encamisados y tubos estándar. Por ejemplo, el acero puede ser uno de los grados L80, P110 o Q125.

Las condiciones de uso de estos elementos tubulares roscados generan distintos tipos de cargas. Estas cargas se han reducido parcialmente, entre otras, utilizando películas o grasas en las partes sensibles de estos componentes, como las zonas roscadas, las zonas de tope o incluso las superficies de estanqueidad metal/metal. Las tensiones inducidas incluyen, en particular, las tensiones debidas al mantenimiento en almacenamiento, que requieren la aplicación de grasas de almacenamiento (diferentes de las grasas de reposición aplicadas antes de la puesta en servicio). Sin embargo, existen otras soluciones, que consisten en utilizar revestimientos orgánicos. De este modo, las operaciones de enroscado se realizan generalmente bajo una carga axial elevada, por ejemplo, debido al peso de un tubo de varios metros de longitud que debe conectarse por el extremo roscado, eventualmente agravado por una ligera desalineación del eje de los elementos roscados que se deben conectar. Esto puede provocar gripado en las zonas roscadas y/o en las superficies de estanqueidad metal-metal. De este modo, las zonas roscadas así como las superficies de estanqueidad metal/metal suelen estar recubiertas de lubricantes.

Asimismo, los elementos roscados tubulares suelen almacenarse y utilizarse en un entorno agresivo. Este es el caso, por ejemplo, en alta mar("offshore")en presencia de niebla salina, o en tierra("onshore")en presencia de arena, de polvo y/u otros contaminantes. De este modo, es necesario utilizar diferentes tipos de revestimientos anticorrosión en las superficies que se cargan durante el enroscado, siendo este es el caso de las zonas roscadas o en contacto de apriete, pero también el caso de las superficies de estanqueidad metal/metal, de la superficie de apoyo y de los topes.

Sin embargo, con respecto a las normas medioambientales, parece que el uso de grasas conformes a la norma API RP 5A3(American Petroleum Institute)no es una solución a largo plazo, porque dichas grasas se extruyen de los componentes tubulares y se vierten en el medio ambiente o en el pozo, provocando atascos que requieren operaciones especiales de limpieza.

Una alternativa a las grasas consiste en utilizar una primera capa o una deposición seca y/o sólida. Estas deposiciones metálicas pueden aplicarse química o electroquímicamente. En función de la naturaleza de la deposición, esto puede proporcionar una propiedad anticorrosiva y lubricante para evitar el gripado de las conexiones tubulares roscadas cuando se enroscan, y esto de manera más duradera que una grasa aplicada y menos contaminante debido a su mayor solidez. Sin embargo, se ha demostrado que estas deposiciones pueden estar sujetas a la corrosión y, por tanto, posiblemente a la deslaminación, en un medio ambiente agresivo, por ejemplo, en un medio húmedo, por envejecimiento de dicha deposición, durante sobrecargas de la conexión, durante su explotación en un pozo, así como durante repetidas operaciones de enroscado y desenroscado. Esta corrosión o deslaminación no es deseable, ya que puede provocar tanto un riesgo de debilitamiento de la conexión como una pérdida de estanqueidad al crear una vía de fuga vinculada a la corrosión del sustrato de acero del elemento roscado tubular. Una fuga puede provocar consecuencias económicas, e incluso medioambientales considerables, por ejemplo, cuando se produce una fuga en un pozo de hidrocarburo durante su explotación.

Una solución del estado de la técnica divulgada por el documento EP 3286288 consiste en añadir una capa de conversión del tipo de pasivación de cromo trivalente sobre una deposición sólida con el fin de aislar dicha deposición sólida. Sin embargo, el solicitante ha determinado que esta capa de pasivación no tiene una función de lubricación, ni permite mejorar las propiedades lubricantes de una capa superior. Debido a esta falta de capacidad lubricante, se produce una pérdida de eficacia en las pruebas de enroscado/desenroscado, con un mayor riesgo de gripado y alineado de la conexión, así como un aumento indeseable del par de enroscado. Un aumento del par de enroscado implica el riesgo de superar las capacidades de la llave de roscado, lo que a su vez implica una incapacidad de enroscar la conexión y de asegurar su estanqueidad.

El documento del estado de la técnica WO2016170031 describe un elemento tubular para la perforación y/o explotación de un pozo de hidrocarburos, y más concretamente el extremo roscado de un elemento de este tipo. Dicho extremo puede comprender una primera capa de Zinc-Níquel, una segunda capa de pasivación y, por último, una capa de lubricante.

El estado de la técnica WO2001610425 describe una junta roscada para tubos de acero que presenta resistencia al gripado y una excelente estanqueidad sin necesidad de utilizar grasa compuesta.

Se entiende por alineado una ranura o un rayado.

De manera general, la deposición de una capa de conversión se lleva a cabo introduciendo la superficie de interés en un baño químico cuyos parámetros, como la duración de la deposición, la composición y la temperatura de la solución química, se controlan.

La invención permite resolver el conjunto de los problemas anteriormente citados. En particular, la invención propone mejorar y estabilizar la subcapa o deposición sólida, al tiempo que ofrece un tratamiento de conversión compatible con los equipos actuales, una química y una gestión de los baños fácilmente controlable.

Según un modo de realización, la invención proporciona un elemento roscado tubular para la perforación, la explotación de los pozos de hidrocarburos, el transporte de petróleo y de gas, el transporte o el almacenamiento de hidrógeno, la captura de carbono o la geotermia, que comprende un cuerpo metálico y que comprende un cuerpo metálico y al menos un extremo roscado que comprende al menos una porción roscada, dicho extremo roscado que comprende un revestimiento multicapa sobre al menos una porción de la superficie del extremo roscado caracterizado por que dicho revestimiento multicapa comprende una primera capa que comprende un revestimiento sólido que comprende Zinc-Níquel electrodepositado sobre dicha al menos una porción de la superficie del extremo roscado, una segunda capa de conversión de tipo oxalación sobre la primera capa, una tercera capa que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada de partículas lubricantes sólidas por encima de la segunda capa.

Gracias a esta característica, la primera capa de deposición sólida que comprende zinc-níquel proporciona propiedades lubricantes mejoradas, cuyos efectos están protegidos de la deslaminación, del alineado y del gripado. En efecto, la segunda capa de oxalación actúa sobre la primera capa como un lubricante sólido. Esta última permite conferir a la capa de deposición sólida que comprende Zn-Ni un coeficiente de fricción mucho más estable y duradero. El coeficiente de fricción obtenido pudiendo ser inferior a 0,2. En efecto, por encima de 0,2, el solicitante ha observado que puede haber riesgo de gripado. La segunda capa de oxalación también permite conferir un efecto de barrera química o mecánicamente aislante para la subcapa o primera capa de deposición sólida que comprende Zn-Ni. La segunda capa de oxalación amplifica los efectos de la tercera capa lubricante. Confiriendo esta última un efecto lubricante adicional, aumentando por tanto la capacidad de enroscado de una conexión.

De manera sorprendente, cuando la capa de conversión es del tipo de oxalación, presenta un aspecto homogéneo alrededor de la circunferencia de la conexión, independientemente de los flujos y de las temperaturas del baño. Esto permite que sea mucho más fácil identificar un problema de recubrimiento. Además, la capa de oxalación permite una mejor adherencia del conjunto del revestimiento en condiciones húmedas y tras el envejecimiento, lo que significa una mejor conservación del rendimiento incluso tras un almacenamiento prolongado.

Por otra parte, el uso de ácido oxálico es menos restrictivo desde el punto de vista de la normativa vigente y no es un producto clasificado como CMR, es decir, no es cancerígeno, mutágeno o reprotóxico.

Por problema de recubrimiento se entiende, un defecto de cobertura de la subcapa o de la primera capa de deposición, es decir, zonas de la primera capa no cubierta por la capa de oxalación y visible a simple vista.

Según un modo de realización, el miembro roscado tubular tiene una segunda capa de conversión de tipo oxalación que puede comprender oxalato de níquel y/u oxalato de zinc.

Gracias a esta característica, el oxalato de níquel y el oxalato de zinc permiten retrasar el contacto metal/metal y almacenar parte de la disipación de energía durante el enroscado de la conexión. De manera sorprendente, se ha comprobado que la adición de un oxalato de níquel permite mejorar la resistencia a la corrosión de la capa de conversión.

Según un modo de realización, el elemento roscado tubular tiene una segunda capa de conversión de tipo oxalación que puede comprender del 10 al 20 % de carbono, del 35 % al 50 % de zinc y del 35 al 45% de oxígeno, del 0 % al 35 % de níquel.

Gracias a esta característica, sorprendentemente, el solicitante ha determinado que la capa de oxalación confiere al revestimiento multicapa una mayor resistencia del material.

Según un modo de realización, el peso de la capa de la segunda capa puede estar comprendido entre 0,1 g/m2 y 20 g/m2

Gracias a esta característica, se ha determinado que la resistencia es proporcional al peso de la capa, cuanto mayor sea el peso de la capa, mayor será la resistencia.

Sin embargo, cuando el peso de la capa supera un determinado umbral, se encuentran problemas de fallo cohesivo en la capa de oxalación. La capa acaba rompiéndose por sí sola cuando se ve sometida a tensiones externas. Por consiguiente, habrá riesgo de deslaminación y desconchamiento a la vez para la capa de oxalación que traerá consigo una deslaminación de la tercera capa.

Según un modo de realización, la densidad superficial de la segunda capa puede estar comprendida entre 0,5 g/m2 y 10 g/m2. El solicitante ha determinado que hasta 10 g/m2 existe un mejor compromiso entre una buena resistencia y un menor riesgo de fallo cohesivo.

Según un modo de realización, la porosidad de la segunda capa puede estar comprendida entre el 5 % y el 35 %. Según un modo de realización, la porosidad de la segunda capa puede estar comprendida entre el 10 % y el 25 %. Gracias a esta característica, la porosidad permite mejorar la retención y el revestimiento de la capa superior gracias a un fenómeno de anclaje de la capa superior en los espacios vacíos de la capa de oxalación.

Según un modo de realización, el grosor de la segunda capa puede estar comprendido entre 0,5 pm y 30 pm.

Según un modo de realización, el grosor de la segunda capa puede estar comprendido entre 1 pm y 20 pm.

Gracias a esta característica, se mejora la resistencia del material de revestimiento multicapa. Cuando el grosor de la capa supera 30 pm, pueden producirse problemas de fallo cohesivo. Una capa inferior a 0,5 pm puede ser insuficiente y causar problemas de lubricación insuficiente.

Según un modo de realización, la segunda capa puede comprender una textura de tipo poliedros microfisurados con bordes de 1 pm a 30 pm de ancho.

Se entiende por poliedros microfisurados, una forma geométrica en 3 dimensiones con caras poligonales planas que se agrupan a lo largo de segmentos denominados bordes. El número de caras y de bordes es aleatorio, la longitud de los bordes puede variar de 0,5 pm a 30 pm. La capa puede presentar microfisuras distribuidas aleatoriamente. La anchura de las fisuras puede variar de 0,05 pm a 1 pm de ancho.

Gracias a esta característica, una textura de tipo poliedros microfisurados confiere a la capa superior una mejor capacidad de retención y adherencia a la capa de oxalación.

Según un modo de realización, la invención es también un procedimiento de fabricación de un elemento roscado tubular que comprende las siguientes etapas:

- Una etapa de electrodeposición de una capa de zinc-níquel sobre una superficie metálica de un extremo roscado - Una etapa de conversión de tipo oxalación por inmersión

- Una etapa de recubrimiento con una capa lubricante que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas.

Gracias a esta característica, la realización del revestimiento se hace sin alteración visible de la capa de zinc-níquel. Se entiende por inmersión, una técnica de tratamiento que consiste en sumergir la superficie en un baño de oxalación.

Según un modo de realización, la etapa de conversión de tipo oxalación puede llevarse a cabo a una temperatura comprendida entre 25 °C y 90 °C.

Gracias a esta característica, es posible usar las mismas herramientas que para la pasivación, menos costosas de instalar y en términos de materiales.

Según un modo de realización, la etapa de conversión de tipo oxálico puede comprender el uso de un ácido oxálico y la concentración de dicho ácido oxálico puede estar comprendida entre 1 g/l y 75 g/l.

Gracias a esta característica, hay una mejor gestión y control del peso de la capa de oxalación. En efecto, cuanto más se acerque a 75 g/l, más rápida será la reacción de conversión superficial.

Según un modo de realización, la etapa de conversión de tipo oxalación puede comprender el uso de un ácido oxálico asociado con un aditivo elegido entre un elemento nitrato, cloruro, tiocianato, o tiosulfato o varios aditivos en combinación.

Gracias a esta característica, se utiliza un aditivo que permite acelerar la reacción de conversión de la superficie, de modo que puedan alcanzarse más rápidamente las características deseadas de peso de la capa.

El procedimiento de deposición de la capa de oxalación puede llevarse a cabo en un intervalo de tiempo entre 30 segundos y 15 minutos. En efecto, el tiempo influye en el valor del peso de la capa. Este valor es proporcional al tiempo de inmersión.

Por debajo de 30 segundos, el peso de la capa será insuficiente. Por encima de 15 minutos, no hay evolución significativa en el valor del peso de la capa.

Breve descripción de las figuras

Se comprenderá mejor la invención y otros objetivos, detalles, características y ventajas de la misma quedarán más claras a lo largo de la siguiente descripción de varios modos de realización particulares de la invención, dados únicamente a modo de ilustración, y no de limitación, con referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1 muestra de forma esquemática, según una vista parcial en sección longitudinal, una junta resultante del ensamblaje de dos elementos tubulares roscados macho y hembra según la invención.

La figura 2 muestra de forma esquemática, según una vista en sección longitudinal, una sección del revestimiento multicapa según la invención.

La figura 3 muestra un gráfico que representa la evolución del par de roscado en cada fin del enroscado para diferentes tipos de revestimiento en elementos tubulares roscados, para diferentes conexiones que impliquen oxalación o pasivación.

La figura 4 muestra un gráfico que representa la evolución del par de enroscado en cada fin del enroscado para diferentes tipos de revestimiento en elementos tubulares roscados, para una de las conexiones diferentes de la de la figura 3 y que comprende sea oxalación o sea pasivación.

La figura 5 muestra un gráfico que representa el número de etapas necesarias en una prueba BOWDEN en función del peso de la capa para distintos tipos de conversión, en particular, para alcanzar un coeficiente de fricción de 0,2 con respecto al peso de la capa.

La figura 6 muestra una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido), según una vista en sección longitudinal, de un revestimiento multicapa según la invención.

La figura 7 muestra una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido), según una vista en sección longitudinal, de un revestimiento multicapa según el estado de la técnica.

La figura 8 muestra una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) según una vista superior de la superficie de una capa de conversión de tipo oxalación según la invención a un aumento de x5000.

La Figura 9 describe una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) según una vista en altura de la superficie de una capa de conversión de tipo oxalación según la invención a un aumento x20.000.

Descripción de los modos de realización

En lo sucesivo de la descripción, las palabras "longitudinal", "transversal", "vertical", "delante", "detrás", "izquierda" y "derecha" se definen según un marco de referencia ortogonal convencional, como se representa en los dibujos, que comprende:

Un eje longitudinal X, horizontal y de izquierda a derecha de las vistas en sección;

Por otra parte, en la descripción y las reivindicaciones, se utilizarán los términos "exterior" o "interior" y las orientaciones "axial" y "radial" para designar, según las definiciones proporcionadas en la descripción, elementos de la junta roscada tubular. El eje longitudinal X determina la orientación "axial". La orientación "radial" está dirigida ortogonalmente al eje longitudinal X.

La figura 1 muestra una junta o una conexión, a lo largo del eje longitudinal X, de un primer elemento roscado tubular macho (1) según la invención, que comprende un cuerpo metálico (5) y un extremo roscado macho (3), comprendiendo dicho extremo roscado macho (3) una superficie de tope macho (6), una superficie de estanqueidad macho (8) y una porción roscada macho (14), estando representado el primer elemento roscado tubular macho (1) ensamblado con un segundo elemento roscado tubular (2) según la invención, comprendiendo un cuerpo metálico (5) y un extremo roscado hembra (4), comprendiendo dicho extremo roscado hembra (4) una superficie de tope hembra (7), una superficie de estanqueidad hembra (9), y una porción roscada hembra (15).

Cada uno de los extremos roscados macho (3) y hembra (4) está formado por un sustrato metálico (20) y un revestimiento multicapa (10) sobre dicho sustrato metálico (20).

Los elementos tubulares roscados (1, 2) se representan en estado enroscado, pero la invención no excluye la posibilidad de que puedan presentarse en estado unitario, no enroscado.

El revestimiento multicapa (10) puede estar en cualquiera de los extremos roscados macho (3) y hembra (4), o en ambos. En particular, dicho revestimiento multicapa (10) puede estar en una superficie de tope macho (6) o hembra (7), en una superficie de estanqueidad macho (8) o hembra (9), o incluso en una porción roscada macho (14) o hembra (15), en varias de estas superficies o todas estas superficies. Respecto a la figura 1, el revestimiento multicapa (10) está en el extremo roscado macho (3).

La figura 2 muestra una vista en sección longitudinal, de un revestimiento multicapa (10) sobre el sustrato metálico (20) de un extremo roscado macho (3). Sin embargo, dicho revestimiento (10) puede estar igualmente en el sustrato metálico de un extremo roscado hembra. De este modo, todos los desarrollos relativos al revestimiento multicapa (10) en el extremo roscado macho (3) se aplican de manera similar a un revestimiento multicapa (10) en el extremo roscado hembra.

En particular, la figura muestra el revestimiento multicapa (10) que comprende una primera capa (11) de un revestimiento sólido que comprende Zinc-Níquel electrodepositado sobre la superficie del extremo roscado macho (3), es decir, en el sustrato metálico (20) que constituye dicho extremo roscado macho (3).

Dicho revestimiento multicapa (10) comprende una segunda capa (12) de conversión de tipo oxalación sobre la primera capa (11).

La segunda capa (12) de conversión de tipo oxalación puede comprender oxalato de níquel y/u oxalato de zinc (no visible en la figura). Estos dos elementos pueden proceder de la capa de oxalación, por reacción entre el ácido oxálico y la capa de zinc-níquel.

Por último, sobre la segunda capa (12) se deposita una tercera capa (13) lubricante que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas. Se seleccionan las partículas lubricantes sólidas, de manera no limitativa, entre el PTFE, talco, óxido de cromo, alúmina.

Ventajosamente, la primera capa (11) de deposición sólida que comprende zinc-níquel proporciona propiedades lubricantes mejoradas, cuyos efectos están protegidos de la deslaminación, del alineado y del gripado. En efecto, la segunda capa de oxalación actúa sobre la primera capa como un lubricante sólido. Esto permite conferir a la primera capa de deposición sólida (11) que comprende Zn-Ni un coeficiente de fricción mucho más estable y duradero. Dicho coeficiente de fricción es inferior a 0,2. En efecto, por encima de 0,2 existe riesgo de gripado.

El solicitante ha demostrado por comparación que esta estabilidad y durabilidad no pueden lograrse con una capa de pasivación (véanse las figuras 3 y 4). La segunda capa (12) de oxalación también permite conferir un efecto de barrera aislante química o mecánica para la subcapa o primera capa (11) de deposición sólida que comprende Zn-Ni. La segunda capa (12) de oxalación amplifica los efectos procurados por la tercera capa (13). Esta última proporciona un efecto lubricante adicional en sinergia con el efecto lubricante proporcionado por la segunda capa (12), aumentando así la capacidad de enroscado de una conexión (véase la fig. 3).

Por otra parte, el uso de ácido oxálico es menos restrictivo según la normativa vigente y no está clasificado como CMR, es decir, no es cancerígeno, mutágeno o reprotóxico.

Ventajosamente, la segunda capa (12) de oxalación comprende oxalato de níquel y oxalato de zinc y permite retrasar el contacto metal-metal y almacenar una parte de la disipación de energía durante el enroscado de la conexión.

En efecto, cuando se aplasta el revestimiento (10) bajo la acción del enroscado de los extremos roscados, las superficies funcionales de los extremos entran en contacto con presiones de contacto muy elevadas. La segunda capa (12) se aplastará primero bajo los efectos de las tensiones y las presiones antes que la primera capa (11) sólida, preservando así la primera capa (11) y mejorando la resistencia general del revestimiento (10). Además, de forma sorprendente, se ha comprobado que la adición de un oxalato de níquel permite mejorar la resistencia a la corrosión de la capa de conversión.

La figura 3 muestra, de manera comparativa, la evolución del par de enroscado en cada fin de enroscado para diferentes tipos de revestimiento en elementos tubulares roscados, sea según el estado de la técnica con una capa de pasivación, sea según la invención con una capa de tipo oxalación. Se entiende por fin de enroscado el momento en que los dos topes de un elemento roscado tubular macho y un elemento roscado tubular hembra están en contacto durante un ciclo de enroscado/desenroscado (M&B).

Un método utilizado para garantizar que las conexiones se ensamblan correctamente y para determinar el momento de fin de enroscado consiste en controlar el par aplicado por una pinza de apriete con respecto al número de vueltas. Se entiende por pinza de apriete una llave autobloqueante de gran capacidad que se utiliza para sujetar los componentes macho y hembra de la conexión y aplicar un par de apriete/desapriete. Conectando un ordenador a la celda de carga sobre la pinza y un cuentarrevoluciones electrónico, se puede trazar un gráfico que muestre el par en el eje vertical y el número de vueltas en el eje horizontal. Recogiendo cada uno de los fines de enroscados efectuados, se puede volver a trazar un nuevo gráfico como se representa en la Figura 3.

La figura 3 también muestra una línea discontinua en torno a 70.000 N.m que representa el PLT, es decir, la capacidad máxima de la clave. Cuando la curva se aproxima a esta capacidad de la clave máxima, o la alcanza, existe una alta probabilidad de que tenga lugar el gripado de la conexión y de limitar el número máximo de posibles operaciones de apriete/desapriete o enroscado/desenroscado (M&B).

Todas las conexiones utilizadas en esta figura 3, sin tener en cuenta el revestimiento, son idénticas, es decir, corresponden a elementos roscados tubulares de tipo VAM ® SLIJ-II. Estos tipos de tubo se prueban y validan según la norma API RP 5C5:2017 CAL II.

Cada curva representa un revestimiento que comprende una primera capa de zinc-níquel electrodepositado, así como una segunda capa de conversión del tipo pasivación o de tipo oxalación según la invención y una tercera capa lubricante. Así que solo varía la naturaleza de la segunda capa de conversión de una curva a otra.

Las curvas 1 y 2 representan un revestimiento que comprende una capa de pasivación de cromo III. La presencia de dos curvas corresponde a dos pruebas de enroscado con un revestimiento idéntico.

Las curvas 3 y 4 representan un revestimiento que comprende una capa de oxalación para la que se utilizó un acelerador de nitrato de hierro durante la deposición de la capa. La presencia de dos curvas corresponde a dos pruebas de enroscado con un revestimiento idéntico.

Las curvas 5 y 6 representan un revestimiento que comprende una capa de oxalación sin acelerador. La presencia de dos curvas corresponde a dos pruebas de enroscado con un revestimiento idéntico.

La figura 3 muestra que todas las curvas representativas de la pasivación, a saber, las curvas 1 y 2 muestran un aumento del par en cada operación de enroscado/desenroscado y se acercan peligrosamente al p Lt a medida que aumenta el número de operaciones de enroscado/desenroscado. Lo contrario ocurre con las curvas representativas de la oxalación, a saber, las curvas 3, 4, 5 y 6. En efecto, estas curvas son esencialmente planas, lo que se traduce en pares estables durante todas las operaciones de enroscado/desenroscado. Aunque las curvas 3, 4, 5 y 6 muestran una estabilidad hasta 5 vueltas de enroscado/desenroscado, el solicitante ha podido demostrar que esta estabilidad puede llegar hasta 15 vueltas de enroscado/desenroscado cuando la segunda capa (12) es una capa de oxalación según la invención.

Además, se encontró para los revestimientos de las curvas 1 y 2, a medida que avanzan las operaciones de enroscado/desenroscado, la aparición de gripado, de alineado en los fondos de las roscas, de la cresta de las roscas y la superficie de apoyo de la rosca, y por tanto daños en la capa de zinc-níquel electrodepositada.

En lo que concierne a los revestimientos de tipo oxalación, el solicitante constató ninguna forma de gripado, una ausencia de daños en la primera capa de zinc-níquel y la formación de una tribopelícula, que confiere efectos de barrera aislante al conjunto del revestimiento multicapa.

Los resultados del análisis comparativo no están limitados y siguen siendo válidos para cualquier tipo de tubos del campo del petróleo y el gas, de la energía o el almacenamiento, para un uso tal como la explotación de pozos o el transporte de hidrocarburos, el transporte o el almacenamiento de hidrógeno, la energía geotérmica o la captura de carbono.

La figura 4 describe de manera análoga a la figura 3, una comparación de la evolución del par de roscado en cada fin de enroscado de la misma manera que para las pruebas de la figura 3, y para diferentes tipos de revestimiento, en otro tipo de conexión, a saber, VAM ® SLIJ-IM.

Las curvas 1,2 y 3 corresponden a extremos roscados revestidos con un revestimiento que comprende una segunda capa de tipo pasivación. El revestimiento se encuentra en el conjunto del extremo roscado, a saber, la rosca o una porción roscada, la superficie de tope y la superficie de apoyo de estanqueidad. Hay 3 curvas porque corresponden al número de prueba realizada con el mismo revestimiento. Las curvas 4 y 5 corresponden a extremos roscados con un revestimiento multicapa según la invención que comprenden una segunda capa de tipo oxalación.

El análisis comparativo y sus resultados son similares a los desarrollados para la figura 3.

Las curvas 1, 2 y 3 muestran un aumento del par a partir del segundo enroscado/desenroscado. La curva 1 muestra una imposibilidad de realizar un quinto enroscado/desenroscado de la junta correspondiente debido al gripado, mientras que las curvas 4 y 5 muestran la estabilidad del par para todas las operaciones de enroscado/desenroscado

El solicitante demuestra que las conclusiones de los efectos superiores en estabilidad y fiabilidad de la oxalación según la invención con respecto a la pasivación no se limitan únicamente al VAM ® SLIJ-II y, por lo tanto, pueden ser transponibles de un tipo de conexión a otro.

La figura 5 muestra un gráfico del número de etapas necesario, es decir, el número de idas y vueltas realizados por una bola de acero, en función del peso de capa de una segunda capa de conversión, en una prueba BOWDEN para alcanzar un coeficiente de fricción de 0,2, en función del tipo de revestimiento.

Cada muestra de prueba tiene un revestimiento que comprende idénticamente al menos una primera capa de Zn-Ni y una capa de lubricante, la variable entre las muestras es la presencia y/o la naturaleza de la segunda capa.

Hay una comparación de 3 tipos de revestimiento, a saber, un revestimiento sin capa de conversión, es decir, ni pasivación ni oxalación, el peso de la capa será por tanto de 0 g/m2 (representado por un cuadrado en el gráfico). Un revestimiento con una segunda capa del tipo de pasivación con dos ejemplos de peso de capa fijado en 0,1 g/m2 y 0,15 g/m2 respectivamente (representado por un círculo en el gráfico). En efecto, para la pasivación, es difícil, si no imposible, encontrar valores de peso de capa superiores a 0,2 g/m2. Por último, un revestimiento multicapa según la invención con una segunda capa de tipo oxalación (representado por un triángulo en el gráfico), se han realizado numerosas pruebas utilizando este tipo de revestimiento con diferentes valores de peso de capa.

Cuando dos piezas móviles rugosas están en contacto, un mecanismo de desgaste puede provocar la contracción del material con la generación de residuos como resultado de la deformación plástica. El valor del coeficiente de fricción depende de la composición y de la estructura de la superficie, de su rugosidad y de sus propiedades mecánicas como la plasticidad, la ductilidad y la resistencia superficial a las tensiones de cizallamiento. En el caso de un revestimiento sobre una conexión, el valor de un coeficiente de fricción debe ser inferior a 0,2. En efecto, por encima de 0,2 existe riesgo de gripado.

Con el fin de evaluar las propiedades lubricantes (coeficiente de fricción) de la superficie del revestimiento, se ha utilizado un comprobador de fricción Bowden disponible en el mercado (Shinko Engineering Co., Ltd.). En el elemento de prueba de fricción Bowden, una bola de acero (100CR6) se ha desplazado de delante hacia atrás en línea recta sobre un revestimiento formado sobre una lámina de acero, mientras que se aplicaba una carga a la bola. El coeficiente de rozamiento se midió a partir de la fuerza de rozamiento y de la carga de presión en ese momento.

Una bola de acero disponible en el mercado en acero (100CR6) con un diámetro exterior de 10 mm (Amatsuji Steel Ball Manufacturing Co., Ltd.) previamente desengrasada se utiliza como bola de acero en la prueba de fricción Bowden.

La bola de acero se aplica a los revestimientos evaluados y se desplaza con una carga de presión de 300 N.

La figura 5 muestra que el revestimiento sin capa de conversión alcanza el umbral crítico de 0,2 de fricción antes de alcanzar 150 etapas.

El revestimiento con pasivación proporciona una lubricación sustancialmente superior a la de una capa sin conversión, y permite alcanzar el único umbral crítico de 0,2 de coeficiente de fricción a aproximadamente 200 etapas.

El revestimiento con oxalato proporciona una lubricación superior a los dos tipos de revestimiento anteriores, alcanzando el umbral crítico de 0,2 de coeficiente de fricción entre 400 y 600 etapas en función del valor del peso de la capa. Por tanto, la oxalación permite conferir a la capa de deposición sólida compuesta por Zn-Ni un coeficiente de fricción mucho más estable y duradero.

En efecto, el solicitante ha determinado que la capa de oxalato mejora precisamente la deformación plástica del ZnNi en su superficie incluso bajo alta presión de contacto mejorando la dislocación atómica, la rotación de los granos y la estabilidad del sistema antes del desprendimiento de grandes bloques y la aparición de defectos a gran escala.

Se ha observado que, incluso con un peso de capa inferior, las capas de oxalato producen una película lubricante más duradera, mejorando química o físicamente la eficacia de la lubricación.

De acuerdo con una variante de la invención, el peso de capa de la segunda capa (12) está comprendido entre 0,1 g/m2 y 20 g/m2

De acuerdo con otra variante de la invención, el peso de capa de la segunda capa (12) está comprendido entre 0,5 g/m2 y 10 g/m2.

Ventajosamente, se ha determinado que la resistencia es proporcional al peso de la capa, cuanto mayor sea el peso de la capa, mayor será la resistencia.

Sin embargo, cuando el peso de la capa supera un determinado umbral, se encuentran problemas de fallo cohesivo en la capa de oxalación. La capa acaba rompiéndose por sí sola cuando se ve sometida a tensiones externas. Por consiguiente, habrá riesgo de deslaminación y desconchamiento de la capa de oxalación, lo que provocará la deslaminación de la tercera capa lubricante. El solicitante ha determinado que cuando se llega a 10 g/m2 existe un mejor compromiso entre una buena resistencia y un menor riesgo de fallo cohesivo.

La figura 6 describe una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido), según una vista en sección longitudinal, de un revestimiento multicapa (10) según la invención, en el sustrato metálico (20) de un extremo roscado macho (3).

El revestimiento multicapa (10) comprende una primera capa (11) de un revestimiento sólido que comprende Zinc-Níquel electrodepositado. Dicho revestimiento también comprende una capa de conversión de tipo oxalación 12. La tercera capa lubricante que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas no es observable tal cual, y se utiliza una resina de recubrimiento (22) de plástico para preparar la muestra para la observación metalográfica. Esta resina (22) solo es útil para obtener la imagen de la figura 6 y, por tanto, no forma parte de la invención.

La figura 7 describe una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido), según una vista en sección longitudinal, de un revestimiento multicapa (100) que comprende una capa de pasivación (102), según el estado de la técnica, en el sustrato metálico (120) de un extremo roscado macho (103).

El revestimiento multicapa (100) comprende una primera capa (101) de un revestimiento sólido que comprende Zinc-Níquel electrodepositado. Dicho revestimiento comprende también una capa de conversión de tipo pasivación (102). La tercera capa lubricante que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas no es observable tal cual, y se utiliza una resina de recubrimiento (22) de plástico para preparar la muestra para la observación metalográfica. Esta resina (22) solo es útil para obtener la imagen de la figura 7.

La observación en la figura 6 muestra una capa de oxalación gruesa y texturada que mide alrededor de 5 pm. Sin embargo, según otras observaciones, la capa de oxalación puede estar comprendida entre 0,5 pm y 30 pm, preferentemente, la capa puede estar comprendida entre 1 pm y 20 pm.

Por comparación con la imagen de la figura 7, la segunda capa de conversión de tipo pasivación, simplemente no es observable porque es inferior a 100 nm.

Esta diferencia de observación es importante en la medida en que garantiza un grosor mínimo de oxalación que permanece visible. Por comparación, esta visibilidad no se consigue con la pasivación de la figura 7. Este grosor presenta sus ventajas, tal como permitir una mejor resistencia del material. En efecto, por un lado, un grosor que supere un determinado umbral, especialmente 30 pm, puede plantear problemas de fallo cohesivo. Por otro lado, una capa inferior a 0,5 pm o 500 nm es insuficiente y planteará necesariamente problemas de lubricación insuficiente.

El fallo cohesivo es un efecto indeseable que puede degradar o incluso eliminar el efecto de la segunda capa, volviéndose la primera capa de zinc-níquel vulnerable al entorno y a las tensiones inducidas.

En cuanto a las fisuras (24) y otras grietas observadas en la capa de Zinc-Níquel en las figuras 6 y 7, resultan de la preparación de muestras para los fines de la observación metalográfica.

Ventajosamente, el solicitante también ha determinado que el grosor de la segunda capa de oxalación tiene un efecto de barrera aislante para la primera capa sólida de Zinc-Níquel.

La figura 6 también muestra una porosidad de la segunda capa (12) de oxalación, dicha porosidad de la segunda capa (12) puede estar comprendida entre el 5 % y el 35 %.

De acuerdo con una variante de la invención, la segunda capa (12) puede estar comprendida entre el 10 % y el 25 %. Se entiende por porosidad de la segunda capa, los espacios vacíos entre la base de los cristales, siendo estos últimos capaces de cubrir dicha porosidad al nivel de su altura. Se habla también de porosidad abierta cuando hay fisuras que presentan una trayectoria directa entre la capa de Zinc-Níquel y la tercera capa que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas.

Ventajosamente, la porosidad permite mejorar la retención de la capa superior del revestimiento multicapa gracias a un fenómeno de anclaje mecánico de la capa superior en los espacios vacíos de la capa de oxalación.

En comparación con la figura 7, esta porosidad no se encontrará en una segunda capa de conversión del tipo de pasivación según el estado de la técnica. En efecto, el solicitante ha determinado que una capa de pasivación es demasiado fina para admitir porosidad alguna.

La Figura 8 describe una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) según una vista en altura de la superficie de una capa (12) de conversión de tipo oxalación con un aumento de x5.000. En particular, la superficie de la capa está texturizada por poliedros microfisurados (30).

Se entiende por poliedros microfisurados, una forma geométrica en 3 dimensiones con caras poligonales planas que se agrupan a lo largo de segmentos denominados bordes. El número de caras y de bordes es aleatorio, la longitud de los bordes puede variar de 0,5 pm a 30 pm. La capa puede presentar microfisuras distribuidas aleatoriamente. La anchura de las fisuras puede variar de 0,05 pm a 1 pm de ancho. Gracias a esta característica, una textura de tipo poliedros microfisurados confiere una capacidad de retención y de adhesión a la capa de oxalación para la capa superior.

De acuerdo con una variante de la invención, la segunda capa (12) puede producirse con un acelerador que tiene por efecto acentuar la homogeneización de la oxalación, y obtener así una capa más fina y densa.

La Figura 9 describe una imagen tomada mediante observación con SEM (Microscopio Electrónico de Barrido) según una vista en altura de la superficie de una capa de conversión de tipo oxalación según la invención a un aumento x20.000.

Los desarrollos de la figura 8 son válidos y aplicables a la figura 9.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Elemento roscado tubular (1, 2) para la perforación, la explotación de los pozos de hidrocarburos, el transporte de petróleo y de gas, el transporte o el almacenamiento de hidrógeno, la captura de carbono o la geotermia, que comprende un cuerpo metálico (5) y al menos un extremo roscado (3, 4) que comprende al menos una porción roscada (14, 15), comprendiendo dicho extremo roscado (3, 4) un revestimiento multicapa (10) sobre al menos una porción de la superficie del extremo roscado (3, 4) caracterizado por que dicho revestimiento multicapa (10) comprende una primera capa (11) que comprende un revestimiento sólido que comprende Zinc-Níquel electrodepositado sobre dicha al menos una porción de la superficie del extremo roscado (3, 4), una segunda capa (12) de conversión de tipo oxalación sobre la primera capa (11), una tercera capa (13) que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada de partículas lubricantes sólidas por encima de la segunda capa (12).

2. Elemento roscado tubular (1,2) según la reivindicación 1, caracterizado por que la segunda capa (12) de conversión de tipo oxalación comprende oxalato de níquel y/u oxalato de zinc.

3. Elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda capa (12) tiene un peso de capa por unidad de superficie comprendido entre 0,1 g/m2 y 20 g/m2

4. Elemento roscado tubular (1,2) según la reivindicación 3, caracterizado por que la segunda capa (12) tiene un peso de capa por unidad de superficie de la segunda capa (12) comprendido entre 0,5 g/m2 y 10 g/m2.

5. Elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda capa (12) tiene una porosidad comprendida entre el 5 % y el 35 %.

6. Elemento roscado tubular (1, 2) según la reivindicación 5, caracterizado por que la porosidad de la segunda capa (12) está comprendida entre el 10 % y el 25 %.

7. Elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda capa (12) tiene un grosor comprendido entre 0,5 pm y 30 pm.

8. Elemento roscado tubular (1, 2) según la reivindicación 7, caracterizado por que el grosor de la segunda capa (12) está comprendido entre 1 pm y 20 pm.

9. Elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la segunda capa (12) comprende una textura del tipo poliedros microfisurados con bordes de 1 pm a 30 pm de anchura.

10. Elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el extremo roscado (3, 4) comprende además al menos una superficie de tope (6, 7) y al menos una superficie de estanqueidad (8, 9), caracterizado por que el revestimiento multicapa (10) cubre dicha al menos una superficie de tope (6, 7) y/o dicha al menos una superficie de estanqueidad (8, 9).

11. Procedimiento de fabricación de un elemento roscado tubular (1, 2) según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende:

- Una etapa de electrodeposición de una capa de zinc-níquel sobre una superficie metálica de un extremo roscado (3, 4)

- Una etapa de conversión de tipo oxalación

- Una etapa de recubrimiento por una capa que comprende una matriz de poliuretano o epoxi cargada con partículas lubricantes sólidas.

12. Procedimiento de fabricación de un elemento roscado tubular (1, 2) según la reivindicación 11, caracterizado por que la etapa de conversión de tipo oxalación se efectúa a una temperatura comprendida entre 25 °C y 90 °C.

13. Procedimiento de fabricación de un elemento roscado tubular (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado por que la etapa de conversión de tipo oxalación comprende el uso de un ácido oxálico y por que la concentración de dicho ácido oxálico está comprendida entre 1 g/l y 75 g/l.

14. Procedimiento de fabricación de un elemento roscado tubular (1, 2) según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que la etapa de conversión de tipo oxalación comprende el uso de un ácido oxálico asociado a un aditivo seleccionado entre un elemento nitrato, cloruro, tiocianato, o tiosulfato o varios aditivos en combinación.