ES2343706T3

ES2343706T3 - Junta roscada para tuberias de acero y proceso de tratamiento superficial de las mismas.

Info

Publication number: ES2343706T3
Application number: ES08009474T
Authority: ES
Inventors: Kunio Goto
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2010-08-06
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: BR0208856A; EP1378699A4; EP1959179A2; BR0208856B1; ATE467791T1; CA2614944C; CN1509386A; RU2003132693A; BR0216098B1; CN1325750C; ES2425270T3; NO20034577D0; NO20150562L; US20030159764A1; EP2154406B1; NO20150563L; EP1378699A1; CN1683745A; CN1247923C; NO337684B1

Abstract

Una junta roscada para tuberías de acero que se compone de una punta (1) y un manguito (2) teniendo cada uno una superficie de contacto que incluye una parte roscada (3) y una parte de contacto metálico no roscada (4), en la que la superficie de contacto de al menos una de entre la punta y el manguito tiene un recubrimiento lubricante sólido formado sobre la misma que se compone de un polvo lubricante seleccionado de entre el bisulfuro de molibdeno y/o el bisulfuro de tungsteno y una resina, caracterizada porque el recubrimiento tiene una dureza de 70-140 en la escala M de Rockwell.

Description

Junta roscada para tuberías de acero y proceso de tratamiento superficial de las mismas.

Campo técnico

Esta invención se refiere de modo general a una junta roscada para tuberías de acero para su uso en la conexión entre sí de tuberías de pozos petrolíferos. Más particularmente, esta invención se refiere a una junta roscada para tuberías de acero que tienen un recubrimiento lubricante sólido que tiene una excelente resistencia a la corrosión por frotamiento, estanqueidad a los gases y propiedades de prevención de la oxidación y que no requiere la aplicación de grasa compuesta que contenga polvos de metales pesados, cuya aplicación se llevaba a cabo convencionalmente antes de la realización de cada apriete para impedir la corrosión por frotamiento de la junta y a un proceso para el tratamiento superficial capaz de formar al recubrimiento lubricante sólido.

Antecedentes técnicos

Las tuberías de pozos petrolíferos que son tuberías de acero usadas en la perforación de pozos petrolíferos se conectan entre sí mediante una junta roscada de tuberías de acero. La junta roscada se compone de una punta que tiene una rosca macho y un manguito que tiene una rosca hembra.

Como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, se forma normalmente una rosca macho 3A sobre la superficie exterior en ambos extremos de una tubería de acero A para formar una punta 1 y se forma una rosca hembra 3B en ambos lados de la superficie interior de un elemento de junta separado en la forma de un acoplamiento con forma de camisa B para formar un manguito 2. Como se muestra en la Figura 1, la tubería de acero A se envía normalmente en un estado en el que el acoplamiento B se ha conectado previamente a un extremo.

Una junta roscada para tuberías de acero se somete a presiones compuestas debido a las fuerzas de tensión axiales producidas por el peso de la tubería de acero y el acoplamiento y presiones internas y externas subterráneas y se someten asimismo a calor subterráneo. Por lo tanto, una junta roscada se requiere que mantenga la estanqueidad al gas (sellado) sin que se dañe incluso bajo tales condiciones. Además, durante el proceso de descenso de las tuberías en el pozo petrolífero, se da a menudo en caso de que la junta que se ha apretado se afloja (se desaprieta) y a continuación se vuelve a apretar. Por lo tanto, de acuerdo con el API (American Petroleum Institute, Instituto del Petróleo Americano), es deseable que no haya incidencias severas de desgaste denominado corrosión por frotamiento y que la estanqueidad al gas se mantenga incluso si el apriete (composición) y aflojamiento (apertura) se realizan diez veces en las juntas para tubos y tres veces en las juntas para carcasa.

En años recientes, para mejorar la estanqueidad al gas, han llegado a ser de uso generalizado juntas roscadas especiales que son capaces de formar un sellado de metal contra metal. En este tipo de junta roscada, cada punta y cada manguito tiene una parte en contacto metálico sin roscar además de la parte roscada que tiene una rosca macho o hembra, y tanto la parte roscada como la parte de contacto metálico sin roscar forman una superficie de contacto entre la punta y el manguito. Las partes en contacto metálico sin roscar de la punta y del manguito se ponen en contacto íntimo entre sí para formar una parte de sellado metal contra metal y contribuir a un aumento en la estanqueidad al gas.

En tal junta roscada capaz de formar un sello metal contra metal, se ha usado una grasa lubricante con una alta lubricidad denominada grasa compuesta. Esta grasa, que es una clase de lubricante líquido, se aplica a la superficie de contacto de al menos la punta o el manguito antes del apretado. Sin embargo, esta grasa contiene una gran cantidad de polvos de metal pesado perjudiciales. Cuando la grasa que se aprieta contra la periferia durante el apriete se limpia con un agente de limpieza, la grasa compuesta y el agente de limpieza usado fluyen afuera hacia el océano o el terreno y producen una contaminación medioambiental y esto ha llegado a ser considerado un problema. Además, estaba el problema de que la aplicación de la grasa y la limpieza que se repetían antes de cada apretado disminuían la eficiencia del trabajo en campo.

Como juntas roscadas para tuberías de acero que no necesitan la aplicación de grasa compuesta, los documentos JP 08-103724A, JP 08-233163A, JP 08-233164A, y JP 09-72467A describen juntas roscadas en las que se aplica un recubrimiento lubricante sólido que se compone de una resina como aglomerante y un bisulfuro de molibdeno o bisulfuro de tungsteno como lubricante sólido a una parte roscada y a una parte de contacto metálico sin roscar (concretamente, a la superficie de contacto) de al menos la punta o el manguito.

En estas publicaciones de patentes japonesas, para aumentar la adhesión entre el recubrimiento lubricante sólido y el substrato de acero, se describe la formación, como una capa de recubrimiento interior para el recubrimiento lubricante sólido, de una capa de recubrimiento de acondicionamiento químico de fosfato de manganeso o una combinación de una capa de nitruro y una capa de recubrimiento de acondicionamiento químico de fosfato de manganeso o para proporcionar el contacto superficial con la rugosidad superficial que tiene una Rmax de 5-40 \mum. El documento JP 08-103724A describe que se forma una capa de lubricante sólido mediante la realización del horneado de un recubrimiento aplicado con calentamiento durante 20-30 minutos en el intervalo de temperaturas de
150-300ºC.

Podría esperarse que el uso de una junta roscada en la que la superficie de contacto de una punta y un manguito tenga un recubrimiento lubricante sólido formado mediante tratamiento superficial para proporcionar lubricidad a la misma, haría posible excusar de la aplicación de la grasa compuesta y de ese modo evitar los problemas mencionados anteriormente en relación con el medio ambiente y la eficiencia del trabajo.

Sin embargo, con un recubrimiento lubricante sólido convencional, no es posible alcanzar un efecto anticorrosión elevado tal como el que se puede obtener mediante la aplicación de la grasa compuesta y tiene lugar un defecto de agarrotamiento denominado corrosión por frotamiento después de que el apriete y aflojamiento se hayan repetido varias veces. Por ello, el efecto de un recubrimiento lubricante sólido convencional para impedir la corrosión por frotamiento fue insuficiente.

La disminución en la resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad del gas de una junta roscada fue significativo, particularmente cuando el periodo de almacenamiento de la junta roscada desde su salida de fábrica (es decir, desde la formación de un recubrimiento lubricante sólido) hasta su uso real en el emplazamiento petrolífero para el apretado era largo (a veces es tan largo como uno o dos años).

Adicionalmente, recientemente, se ha deseado para su uso una junta roscada resistente al calor para tuberías de acero en pozos petrolíferos de alta temperatura en los que la temperatura alcanza 250-300ºC, que es mayor que la temperatura en los pozos petrolíferos convencionales, o en pozos petrolíferos de inyección de vapor en los que se inyecta vapor a una alta temperatura cercana a la del punto crítico (por ejemplo alrededor de 350ºC) para mejorar la recuperación del petróleo. Adicionalmente, se ha preferido una junta roscada que garantice la resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad del gas cuando una junta que se ha apretado se somete a ensayos de calentamiento a una temperatura de aproximadamente 350ºC y se somete entonces a un aflojamiento y reapriete. Con el recubrimiento lubricante sólido convencional anteriormente descrito, fue difícil asegurar estas propiedades requeridas para una junta roscada resistente al calor.

El documento US 6.027.145 describe una junta roscada de acuerdo con la sección de caracterización previa de la reivindicación 1.

Es un objeto de esta invención proporcionar un proceso para tratamiento térmico de una junta roscada para tuberías de acero, que pueda formar un recubrimiento lubricante sólido que tenga excelente resistencia a la corrosión por frotamiento y que pueda suprimir de modo efectivo la incidencia de la corrosión por frotamiento tras un repetido apriete y aflojamiento incluso con una junta roscada resistente al calor para tuberías de acero.

Es otro objeto de esta invención proporcionar una junta roscada para tuberías de acero que pueda paliar una disminución en la resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad al gas sin usar una grasa compuesta cuando se almacena durante un prolongado período desde la formación de un recubrimiento lubricante sólido hasta su uso en el emplazamiento.

Descripción de la invención

Se ha descubierto que una causa de la insuficiente resistencia a la corrosión por frotamiento de un recubrimiento lubricante sólido convencional formado sobre la superficie de contacto de una junta roscada para tuberías de acero es la dureza insuficiente del recubrimiento, que se produce por el insuficiente secado del recubrimiento.

Un recubrimiento lubricante sólido para una junta roscada se forma generalmente mediante la aplicación de un fluido de recubrimiento que contiene una resina y un polvo lubricante (por ejemplo polvo de bisulfuro de molibdeno) en un disolvente volátil sobre la superficie de contacto de la junta roscada, seguido por el calentamiento para secar (u hornear) el recubrimiento aplicado. En el caso en el que el recubrimiento aplicado se seca mediante calentamiento a una temperatura de 150-300ºC como el empleado en técnicas anteriores, incluso si el calentamiento se realiza durante un periodo prolongado, no es posible evaporar completamente el disolvente, y una mínima cantidad de disolvente y de humedad se confina en el recubrimiento secado y conduce a la formación de defectos internos, que impiden que el recubrimiento tenga la suficiente dureza y resistencia a la corrosión por frotamiento. Tal recubrimiento lubricante sólido se desgasta cuando se repite el apriete y aflojamiento y termina desgastándose completamente, produciendo por ello un contacto metal contra metal y causando la corrosión por frotamiento.

De acuerdo con el proceso descrito anteriormente el secado se convierte en completo mediante la realización del secado en al menos dos etapas que comprende una primera etapa de calentamiento a una temperatura más baja y una segunda etapa de calentamiento a una temperatura más alta, dando como resultado la formación de un recubrimiento lubricante sólido que tiene una dureza más elevada que la obtenida en el caso en el que el secado se realiza mediante el calentamiento a una temperatura fija tal como la empleada en las técnicas anteriores y que mejora con respecto a la resistencia a la corrosión por frotamiento, a la resistencia al desgaste, a la adhesión y a las propiedades de prevención de la oxidación y se adapta incluso hasta al entorno de pozos petrolíferos de alta temperatura.

La presente invención se refiere a una junta roscada para tuberías de acero que comprende una punta y un manguito que tiene cada uno una superficie de contacto que incluye una zona roscada y una zona de contacto metálico no roscada, en la que la superficie de la al menos una de entre la punta y el manguito tiene un recubrimiento lubricante sólido formado en el mismo que comprende un polvo lubricante seleccionado de entre bisulfuro de molibdeno y/o bisulfuro del tungsteno y una resina, caracterizado porque el recubrimiento tenga una dureza de 70-140 en la escala M de Rockwell.

Una causa para una disminución en la resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad al gas encontrada en una junta roscada convencional que tenga un recubrimiento lubricante sólido que comprende una resina y un polvo lubricante sobre la superficie de contacto de la misma cuando la junta se almacena por un largo periodo es que las propiedades de prevención de la oxidación del recubrimiento lubricante sólido son marcadamente inferiores a las de una grasa compuesta de forma que no es capaz de proteger completamente la superficie de contacto de la junta roscada de la oxidación durante el almacenamiento. Si se produce oxidación en la superficie de contacto de la punta o del manguito durante el almacenamiento de tal junta roscada, la adhesión del recubrimiento lubricante sólido de la junta disminuye marcadamente y tiene lugar una formación de ampollas y descascarillado. Además, aumenta la rugosidad de la superficie de contacto debido a la oxidación. Como resultado, cuando se conectan las tuberías de acero mediante el apriete de la junta roscada, el apriete se convierte en inestable, conduciendo a la aparición de corrosión por frotamiento durante el apriete o aflojamiento y una disminución en la estanqueidad al gas.

Se descubrió que la oxidación durante el almacenamiento de la junta roscada que tenía un recubrimiento lubricante sólido se produce principalmente por el envejecimiento o deterioro con el tiempo de la resina usada como aglomerante en el recubrimiento lubricante sólido, particularmente por la formación de roturas en el recubrimiento debido al deterioro de la resina por la luz ultravioleta y que permite penetrar a la humedad a través de las roturas. Para impedir el deterioro de un recubrimiento lubricante sólido por la luz ultravioleta, se ha descubierto que la adición de finas partículas inorgánicas de apantallado al ultravioleta, no un agente absorbente ultravioleta orgánico, es efectivo y que la oxidación de la junta roscada durante el almacenamiento a largo término se suprime significativamente mediante un recubrimiento lubricante sólido que contenga partículas finas de apantallado al ultravioleta.

Preferiblemente, las partículas finas de apantallado al ultravioleta son partículas finas de una o más sustancias seleccionadas de entre óxido de titanio, óxido de zinc y óxido de hierro y pueden tener un diámetro de partícula media de 0,01-0,1 \mum y que está presente en el recubrimiento lubricante sólido con una relación en masa de 0,1-50 partes a 100 partes de resina aglomerante.

En la presente invención, un polvo lubricante es preferiblemente un polvo de una o más sustancias seleccionadas de entre bisulfuro de molibdeno, bisulfuro de tungsteno, grafito, nitruro de boro y politetrafluoroetileno.

Se prefiere también que la superficie de contacto sobre la que se forma el recubrimiento lubricante sólido tenga una capa de recubrimiento poroso como recubrimiento de imprimación subyacente al recubrimiento lubricante sólido.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama que muestra esquemáticamente un conjunto típico de una tubería de acero y un acoplamiento roscado en el momento del envío de la tubería de acero.

La Figura 2 es un diagrama que muestra esquemáticamente una zona de conexión de una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la presente invención.

Las Figuras 3a y 3b son diagramas que muestran ejemplos de un patrón de calentamiento (perfil de temperatura) de una primera etapa y de una segunda etapa de calentamiento en un proceso para el tratamiento superficial de una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La Figura 2 es un diagrama que muestra esquemáticamente la estructura de una junta roscada típica para tuberías de acero. En la figura, 1 es una punta, 2 es un manguito, 3 es una zona roscada, 4 es una zona de contacto metálico no roscada y 5 es una zona de hombrera. En la siguiente descripción, una zona de contacto metálico no roscada se denominará también simplemente como zona de contacto metálico.

Como se muestra en la Figura 2, una junta roscada típica se compone de una punta 1 que tiene una zona roscada 3 (más precisamente una zona roscada macho) y una zona de contacto metálico no roscada 4 formada sobre la superficie exterior en un extremo de la tubería de acero y un manguito 2 que tiene una zona roscada 3 (más precisamente, una zona roscada hembra) y una zona de contacto metálico no roscada 4 formada sobre la superficie interior de un elemento de unión roscado (un acoplamiento). Sin embargo, la localización de una punta y de un manguito no se limita a lo representado. Por ejemplo, puede omitirse un acoplamiento mediante la formación de una junta en un extremo de una tubería de acero y un manguito en el otro extremo de la tubería, o se puede formar una punta (una rosca macho) sobre un acoplamiento con un manguito formado en ambos extremos de una tubería de acero.

La zona roscada 3 y la zona de contacto metálico (no roscada) 4 en cada uno de las puntas y manguitos constituyen una superficie de contacto para la junta roscada. La superficie de contacto y particularmente la zona de contacto metálico no roscada que es más susceptible a la corrosión por frotamiento se requiere que tenga una resistencia a la corrosión por frotamiento. Para esta finalidad, en la técnica anterior, se aplicaba una grasa compuesta que contenía polvo de metal pesado a la superficie de contacto, pero el uso de una grasa compuesta involucraba muchos problemas desde los puntos de vista del medio ambiente y de la eficiencia en el trabajo.

De acuerdo con la presente invención, se aplica un fluido de recubrimiento que contiene una resina aglomerante y un polvo lubricante en un disolvente a la superficie de contacto de al menos uno de entre la punta y el manguito y el recubrimiento aplicado se seca mediante calentamiento para formar un recubrimiento lubricante sólido. El recubrimiento lubricante sólido formado sobre la superficie de contacto de una junta roscada se somete a alta presión de deslizamiento mientras la junta roscada se aprieta y afloja repetidamente, produciendo de ese modo partículas de desgaste que se componen del polvo lubricante. Se supone que estas partículas de desgaste que contiene un polvo lubricante se distribuyen sobre la superficie de contacto completa para contribuir a la prevención del contacto metal contra metal en la interfaz de contacto y al alivio de la fricción, mostrando por ello un efecto anticorrosión por frotamiento.

Es deseable que la superficie de contacto de al menos uno de entre la punta y el manguito al cual se aplique el fluido de recubrimiento se haga rugoso de modo que la superficie tenga una rugosidad (Rmax) de 5-40 \mum, que es mayor que la rugosidad superficial al mecanizar (3-5 \mum), para mejorar adicionalmente el efecto alcanzado por la presente invención. Si el valor de Rmax de la superficie a ser recubierta es menor que 5 \mum, el recubrimiento lubricante sólido resultante puede tener una adhesión disminuida. Por otro lado, si es mayor de 40 \mum, la superficie recubierta puede producir una fricción incrementada y promover el desgaste por abrasión del recubrimiento lubricante sólido y el recubrimiento puede no soportar el apriete y aflojamiento repetido de la junta. Sin embargo, el efecto de la presente invención se puede obtener naturalmente incluso si la rugosidad superficial no está dentro del intervalo descrito anteriormente.

El método de hacer rugosa la superficie puede ser un método de hacer rugosa la superficie de acero en sí, tal como el chorreado con arena o gravilla o inmersión en una solución ácida fuerte tal como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico o ácido fluorhídrico para hacer rugosa la superficie. Otro método posible es formar una capa de recubrimiento primaria (subyacente) que tenga una superficie más rugosa que la superficie del acero para hacer rugosa la superficie a recubrir.

Ejemplos de un método de formación de tal capa de recubrimiento primario incluyen un método de formación de un recubrimiento de acondicionamiento químico tal como un tratamiento con fosfato, oxalato o borato (en los que la rugosidad superficial de las capas cristalinas aumentan dado que los cristales que se forman crecen), un método de electro plateado con un metal tal como cobre o hierro (en los que los picos de los puntos elevados se platean de modo preferencial de forma que la superficie aumenta su rugosidad ligeramente), un método de plateado de impacto en el que las partículas que tienen un núcleo de hierro recubierto con cinc o con una aleación cinc-hierro se chorrean usando fuerza centrífuga o presión neumática para formar un recubrimiento de cinc o de una aleación de cinc-hierro, un método de nitrurado suave que forma una capa de nitruro (por ejemplo, Tufftriding), un método de recubrimiento metálico compuesto en el que se forma un recubrimiento poroso que se compone de finas partículas sólidas en un metal y similares.

Desde el punto de vista de la adhesión de un recubrimiento sólido, se prefiere un recubrimiento poroso, particularmente un recubrimiento de acondicionamiento químico formado por fosfatados (con fosfato de manganeso, fosfato de cinc, fosfato de hierro-manganeso o fosfato de calcio) o un recubrimiento de cinc o de aleación de cinc-hierro formado por plateado por impacto. Un recubrimiento más preferido es un recubrimiento de fosfato de manganeso desde el punto de vista de la adhesión o un recubrimiento de cinc o aleación de cinc-hierro desde el punto de vista de la prevención de la oxidación. Tanto el recubrimiento de fosfato formado por el tratamiento de acondicionamiento químico como un recubrimiento de cinc o aleación de cinc-hierro formado por plateado por impacto son porosos, de modo que pueden proporcionar un recubrimiento lubricante sólido formado sobre los mismos con una adhesión aumentada.

Cuando se forma una capa de recubrimiento primario, el grosor de la capa no está restringido, pero está preferiblemente en el intervalo de 5-40 \mum desde el punto de vista de la prevención de la oxidación y la adhesión. Con un grosor de menos de 5 \mum, no se puede alcanzar una prevención contra la oxidación suficiente. Un grosor mayor de 40 \mum puede producir una disminución en la adhesión de un recubrimiento lubricante sólido formado sobre el
mismo.

La resina presente en un recubrimiento lubricante sólido puede ser cualquier resina capaz de funcionar como un aglomerante. Una resina que tenga una resistencia térmica y un nivel razonable de dureza y resistencia al desgaste es adecuada. Ejemplos de tales resinas incluyen las resinas termoestables tales como la resinas epoxi, la resinas de poliimidas, resinas de policarbodiimidas, polietersulfonas, resinas de polieteretercetonas, resinas fenólicas, resinas de furano, resinas de urea y resinas acrílicas, así como resinas termoplásticas tales como las resinas de poliamidaimida, resinas de polietileno, resinas de silicona y resinas de poliestireno.

Aunque el polvo lubricante puede ser cualquier polvo que exhiba lubricidad, a la vista de la carga elevada que se aplica, es deseable usar un polvo de una o más sustancias seleccionadas de entre el bisulfuro de molibdeno, bisulfuro de tungsteno, grafito, nitruro de boro y PTFE (politetrafluoroetileno). Particularmente preferido es un polvo de bisulfuro de molibdeno y/o bisulfuro de tungsteno, proporcionando ambos una atenuación elevada del desgaste y la fricción, o una mezcla de los mismos con otro polvo o polvos lubricantes.

Preferiblemente, el polvo lubricante tiene un diámetro de partícula medio en el intervalo de 0,5-60 \mum. Si es menor de 0,5 \mum, el polvo tiende a aglomerarse y la dispersión uniforme del polvo en un recubrimiento fluido puede llegar a ser difícil. Como resultado, hay casos en los que no se forma el lubricante sólido deseado que contiene polvo lubricante disperso uniformemente en él, dando como resultado una resistencia a la corrosión por frotamiento insuficiente. Por otro lado, si el diámetro de partícula medio del polvo lubricante es mayor que 60 \mum, la resistencia del recubrimiento lubricante sólido puede disminuir hasta tal punto que no se pueda impedir la aparición de la corrosión por fro-
tamiento.

La relación de polvo lubricante a aglomerante de resina es preferiblemente tal que la relación en masa de polvo lubricante a aglomerante está en el intervalo de 0,3-9,0 desde el punto de vista de la resistencia a la corrosión por frotamiento. Si la relación de masa de polvo lubricante a aglomerante es menor que 0,3, la cantidad de polvo lubricante en las partículas de desgaste descritas anteriormente puede ser insuficiente y la resistencia a la corrosión por frotamiento puede llegar a ser pobre. Por otro lado, si la relación de masas es mayor de 9,0, el recubrimiento lubricante sólido puede tener una resistencia insuficiente, de forma que no pueda soportar una presión elevada y tenga una adhesión decreciente a la superficie del sustrato, haciendo por ello que la resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad al gas se deteriore. La relación de masas del polvo lubricante al aglomerante está preferiblemente en el intervalo de 0,5-9,0 a la vista de la resistencia a la corrosión por frotamiento y más preferiblemente en el intervalo de 1,0-8,5 teniendo en consideración además la adhesión.

Un disolvente que se use para formar un fluido de recubrimiento puede ser un disolvente único o una mezcla de disolventes seleccionada de entre varios disolventes de bajo punto de ebullición incluyendo hidrocarburos (por ejemplo tolueno) y alcoholes (por ejemplo alcohol isopropílico). Preferiblemente, el disolvente tiene una temperatura de ebullición de 150ºC o inferior.

El recubrimiento fluido usado para formar un recubrimiento lubricante sólido puede contener un constituyente o constituyentes adicionales, además de un disolvente, una resina y un polvo lubricante. Por ejemplo, pueden añadirse uno más polvos seleccionados de entre polvo de cinc, pigmento de cromo y alúmina. Además, puede estar presente un colorante de forma que el recubrimiento lubricante sólido resultante esté coloreado. Si es apropiado, el fluido de recubrimiento puede contener uno o más aditivos tales como un dispersante, un agente antiespumante y un agente espesante.

En una realización de la presente invención, se añaden finas partículas de apantallado al ultravioleta al recubrimiento fluido para formar un recubrimiento lubricante sólido que se compone de un polvo lubricante, una resina y finas partículas de apantallado al ultravioleta. De ese modo, es posible mejorar de modo significativo las propiedades de prevención de la oxidación de un recubrimiento lubricante sólido en tanto se mantiene su resistencia a la corrosión por frotamiento y la estanqueidad al gas por lo que la superficie de contacto de la junta roscada se inhibe frente a la oxidación producida por el envejecimiento del recubrimiento lubricante sólido formado sobre el mismo y de ahí que la incidencia de la corrosión por frotamiento y la disminución en la estanqueidad al gas debido a la oxidación también se supriman. Como resultado, incluso si una junta roscada que tenga un recubrimiento lubricante sólido formado sobre la misma se almacena en el exterior durante un período prolongado, se impide que sufra un deterioro significativo en sus propiedades y su fiabilidad como producto se mejora significativamente.

Se añade a veces un agente orgánico absorbente del ultravioleta (por ejemplo, benzotriazol o sus derivados) a las composiciones de recubrimiento para mejorar su resistencia al ambiente. En la presente invención, tal agente orgánico absorbente del ultravioleta no es efectivo.

Las partículas finas de apantallado al ultravioleta que se pueden usar en la presente invención no están limitadas en tanto que sean finas partículas que tengan un índice elevado de absorbancia y refracción en la región del ultravioleta (300-400 nm de longitud de onda). Ejemplos de materiales de tales finas partículas incluyen el óxido de titanio, el óxido de zinc, el óxido de hierro, sulfato de bario, sílice, partículas compuestas de circonia y una poliamida y mica sintética en la que se incluye hierro.

En razón de su menor efecto adverso sobre la resistencia a la corrosión por frotamiento, se prefiere el óxido de titanio, el óxido de zinc, el óxido de hierro, el sulfato de bario y la sílice. Los más preferidos son el óxido de titanio, el óxido de zinc y el óxido de hierro a la vista de la capacidad de dispersión uniforme de las finas partículas en un recubrimiento.

Como finas partículas de apantallado al ultravioleta, es preferible usar las denominadas partículas ultra finas que tengan un diámetro de partícula medio en el intervalo de 0,01-0,1 \mum desde el punto de vista del equilibrio entre las propiedades de apantallado al ultravioleta o envejecimiento con el tiempo de un recubrimiento lubricante sólido y la resistencia a la corrosión por frotamiento de la misma, aunque se pueden usar partículas mayores hasta aquellas que tengan un diámetro de partícula medio en el orden de 2 \mum. Si las partículas finas de apantallado al ultravioleta tienen un diámetro de partícula medio de menos de 0,01 \mum, tendrán una fuerte tendencia a la agregación y pueden distribuirse no uniformemente en un recubrimiento lubricante sólido y la resistencia al envejecimiento del recubrimiento puede ser insuficiente. Las partículas finas de apantallado al ultravioleta que tengan un diámetro de partícula medio mayor de 0,1 \mum pueden inhibir las propiedades anticorrosión por frotamiento de un polvo lubricante, deteriorando de ese modo la resistencia a la corrosión por frotamiento de un recubrimiento lubricante sólido.

El contenido de las partículas finas de apantallado al ultravioleta en un recubrimiento lubricante sólido es preferiblemente tal que la relación de masa de las partículas a 100 partes de aglomerante está en el intervalo de 0,1-50 y más preferiblemente 1-30. Si la cantidad de partículas finas de apantallado al ultravioleta es menor de 0,1 partes en base a 100 partes de resina, el efecto de apantallado al ultravioleta puede ser insuficiente y el recubrimiento lubricante sólido puede no quedar inhibido ante el envejecimiento, haciendo imposible por tanto mantener las propiedades de prevención de oxidación, estanqueidad al gas y resistencia a la corrosión por frotamiento durante el apriete y aflojamiento repetido. La adición de finas partículas de apantallado al ultravioleta en una cantidad de más de 50 partes en base a 100 partes de resina puede tener un efecto adverso sustancial sobre la resistencia, la adhesión y la resistencia a la corrosión por frotamiento de un recubrimiento lubricante sólido.

El fluido de recubrimiento descrito anteriormente que se compone de una resina aglomerante, un polvo lubricante y opcionalmente partículas finas de apantallado al ultravioleta en un disolvente se aplica a la superficie de contacto (zona roscada de una parte de contacto metálica no roscada) de al menos una de entre la punta y el manguito. La aplicación puede realizarse por cualquier método adecuado conocido en la técnica incluido recubrimiento por pintado, inmersión y rociado por aire.

Es deseable que la aplicación se realice de modo que se forme un recubrimiento lubricante sólido que tenga un grosor de al menos 5 \mum y no mayor de 50 \mum. Con un recubrimiento lubricante sólido que tenga un grosor de menos de 5 \mum, la cantidad de polvo lubricante presente en él puede ser pequeña y la eficacia del recubrimiento en la mejora de la lubricidad puede disminuirse. Cuando el grosor de un recubrimiento lubricante sólido es mayor que 50 \mum, hay casos en los que la estanqueidad al gas se disminuye debido al insuficiente apriete durante el apretado o si se aumenta la tensión para garantizar la estanqueidad al gas, puede aparecer fácilmente la corrosión por frotamiento o el recubrimiento lubricante sólido puede desprenderse fácilmente.

Después de la aplicación, el recubrimiento aplicado se seca preferiblemente mediante calentamiento para formar un recubrimiento que tenga una dureza aumentada. La temperatura de calentamiento es preferiblemente de 120ºC o más elevada y más preferiblemente entre 150ºC a 360ºC. La duración del calentamiento puede determinarse basándose en el tamaño de la junta roscada para tuberías de acero y es preferiblemente de al menos 20 minutos y más preferiblemente 30-60 minutos.

De acuerdo con otro método, este calentamiento para el secado de un recubrimiento aplicado se realiza mediante al menos dos etapas. Así, inicialmente, la primera etapa de calentamiento se realiza a una temperatura más baja para evaporar suficientemente el disolvente y la humedad del interior del recubrimiento mientras que el recubrimiento permanece fluido. Posteriormente, se realiza una segunda etapa de calentamiento en un intervalo de temperaturas que es más elevado que el de primera etapa de calentamiento para evaporar adicionalmente el disolvente y la humedad, haciendo posible de ese modo formar un recubrimiento lubricante sólido que tenga una elevada dureza y una elevada resistencia al desgaste. El recubrimiento lubricante sólido exhibe una excelente resistencia a la corrosión por frotamiento incluso en el medio ambiente de pozos petrolíferos de alta temperatura. También posee unas excelentes propiedades de prevención de la oxidación.

Específicamente, un recubrimiento aplicado se seca mediante un calentamiento de múltiples etapas que incluye al menos una primera etapa de calentamiento en el intervalo de temperaturas desde 70ºC a 150ºC y una segunda etapa de calentamiento en el intervalo de desde más elevada que 150ºC a 300ºC. El periodo de calentamiento (duración de la retención de temperatura) para cada etapa de calentamiento se puede determinar dependiendo del tamaño de una junta roscada para tuberías de acero y es preferiblemente de al menos 20 minutos y más preferiblemente 30-60 minutos.

La primera etapa de calentamiento que se realice a una temperatura de menos de 70ºC no es suficientemente efectiva para evaporar el disolvente y la humedad del interior del recubrimiento aplicado. Si se realiza a una temperatura mayor de 150ºC, el recubrimiento aplicado se solidifica mientras que el disolvente y la humedad aún permanecen en el interior, dando como resultado un endurecimiento insuficiente del recubrimiento. En relación con la temperatura de la segunda etapa de calentamiento, si es de 150ºC o inferior, es difícil eliminar completamente el disolvente y la humedad del recubrimiento y si es más elevada de 380ºC no se puede tener una adecuada dureza a la vista de la resistencia al calor del recubrimiento lubricante sólido por sí mismo. El intervalo de temperaturas para la primera etapa de calentamiento es preferiblemente de 80ºC-140ºC desde el punto de vista de facilidad de la evaporación del disolvente y la humedad y la de la segunda etapa de calentamiento es preferiblemente entre 180ºC y 350ºC a la vista de la dureza del recubrimiento.

Las Figuras 3a y 3b muestran ejemplos de perfiles de temperatura (patrones de calentamiento) de las dos etapas de calentamiento que consisten en una primera y una segunda etapa de calentamiento. Como se muestra en la Figura 3a, la primera etapa de calentamiento puede seguirse de una refrigeración antes de que se comience la segunda etapa de calentamiento o, como se muestra en la Figura 3b, la primera y la segunda etapa de calentamiento se pueden realizar consecutivamente.

Adicionalmente, la primera etapa de calentamiento y/o la segunda etapa de calentamiento en sí misma se pueden realizar mediante calentamiento de etapas múltiples de modo que se realice el calentamiento completo a temperaturas en tres o más etapas. Sin embargo, desde el punto de vista de la economía, se prefieren dos etapas de calentamiento que consisten en una primera y en una segunda etapa de calentamiento.

Además, tanto la primera como la segunda etapa de calentamiento, y particularmente la primera etapa de calentamiento no necesitan realizarse mediante el mantenimiento de una temperatura constante como se muestra en las figuras, sino que el calentamiento se puede realizar mientras se eleva lentamente la temperatura. En el último caso, para la primera etapa de calentamiento, si la duración de tiempo requerido para elevar la temperatura desde 70ºC a 150ºC es de 20 minutos o más larga, tal calentamiento se considera como la primera etapa de calentamiento de acuerdo con la presente invención. En la técnica anterior, cuando el recubrimiento aplicado se calentaba a una temperatura de entre 150ºC a 300ºC, por ejemplo, la duración de tiempo requerida para elevar la temperatura desde 70ºC a 150ºC era generalmente de al menos 5 minutos y esto se diferencia claramente de la presente invención.

Previamente a la aplicación del fluido de recubrimiento, es deseable calentar (es decir, precalentar) la superficie de contacto a ser recubierta (superficie de recubrimiento) a una temperatura de desde 50ºC a 200ºC con la finalidad de aumentar la adhesión del recubrimiento lubricante sólido resultante. El precalentamiento a una temperatura menor de 50ºC proporciona poco efecto en la mejora de la adhesión. Si la temperatura de precalentamiento es mayor de 200ºC, el fluido de recubrimiento aplicado (recubrimiento aplicado) tiene una viscosidad disminuida haciendo de ese modo difícil formar un recubrimiento lubricante sólido con un grosor suficiente y de hecho se disminuye la adhesión del recubrimiento. La duración del precalentamiento puede determinarse de acuerdo con el tamaño de la junta roscada para tuberías de acero y es preferible que la temperatura de la superficie del recubrimiento se mantenga en el intervalo mencionado anteriormente a lo largo de la aplicación del recubrimiento. Sin embargo, algún efecto en la mejora de la adhesión se puede obtener incluso si la temperatura inmediatamente antes del comienzo del recubrimiento está en el intervalo descrito anteriormente sin mantenimiento posterior de la temperatura durante la aplicación del recubrimiento.

Tanto el precalentamiento como el calentamiento tras la aplicación del recubrimiento se pueden realizar por un método ordinariamente conocido tal como calentamiento en horno o calentamiento con aire caliente. Para calentar un manguito, es eficiente y económico calentarlo en horno de calentamiento para mantener la superficie a una temperatura predeterminada. Una punta se puede tratar mediante la inserción solamente de la zona del extremo roscada en el horno de calentamiento o mediante el calentamiento con aire caliente para mantener la superficie a una temperatura predeterminada. Para el calentamiento de etapas múltiples anteriormente mencionado, dado que es necesario controlar la temperatura dentro de un cierto intervalo, el calentamiento es preferiblemente mediante calentamiento en horno. No se limita la atmósfera en el horno y el aire atmosférico es suficiente.

Cuando se seca un recubrimiento aplicado mediante el calentamiento de etapas múltiples mencionado anteriormente, se puede formar un recubrimiento de lubricante sólido bien endurecido. El recubrimiento lubricante sólido resultante tiene un valor de dureza en el intervalo de 70-140 expresado en la escala M de Rockwell prescrito por la norma JIS-K7202 (de aquí en adelante denominado simplemente como dureza M de Rockwell). Un recubrimiento que tenga una dureza M de Rockwell menor de 70 puede producir un incremento rápido en la cantidad de desgaste cuando se somete a la fricción deslizante que tiene lugar durante el apriete y aflojamiento repetido de la junta roscada, dando como resultado una resistencia a la corrosión por frotamiento insuficiente. Si esta dureza del recubrimiento es mayor que 140, el desgaste es demasiado ligero para proporcionar partículas de desgaste que contacten con la superficie en una cantidad suficiente para impedir que la superficie se corroa por frotamiento. A la vista de la resistencia por frotamiento, la dureza M de Rockwell del recubrimiento está más preferiblemente en el intervalo de 90-140.

Un recubrimiento lubricante sólido que contenga bisulfuro de molibdeno y/o bisulfuro de tungsteno como polvo lubricante y que se ha secado mediante un método de secado convencional de calentamiento en una etapa tiene una dureza M de Rockwell del orden de 50. De acuerdo con la presente invención, es posible que una junta roscada para tuberías de acero que tenga un recubrimiento lubricante sólido que contenga bisulfuro de molibdeno y/o bisulfuro de tungsteno como polvo lubricante tenga una dureza del recubrimiento más elevada que esté en el intervalo de 70-140 de dureza M de Rockwell.

Se desea que el recubrimiento lubricante sólido formado sobre una junta roscada para tuberías de acero tenga una excelente adhesión. Esto es porque el recubrimiento se somete a tensiones de rotura bajo una carga alta durante el apriete y aflojamiento de la junta y si la presión es baja, el recubrimiento termina desprendiéndose y fallando en su propiedad de suficiente efecto anticorrosión por frotamiento.

Hay varios métodos para evaluar la adhesión de un recubrimiento. Un simple y bien conocido método es el denominado ensayo de corte en rejilla (desprendimiento por cinta adhesiva). Sin embargo, este método no se puede emplear para ensayar un recubrimiento lubricante sólido de una junta roscada, dado que la adhesión deseada para ella es mucho mayor que el nivel que se puede medir mediante el ensayo de corte en rejilla.

Los autores de la presente invención descubrieron que la adhesión (resistencia al desprendimiento) de un recubrimiento lubricante sólido formado sobre una junta roscada se puede evaluar cuantitativamente mediante la fuerza adhesiva medida por el método SAICAS (Surface And Interfacial Cutting Analysis System, Sistema de Análisis de Superficies y Cortes Entre Caras) detallado en la publicación en lengua japonesa, "Toso Gijutsu (Coating Technique)", de abril de 1995, págs. 123-135 y que cuando esta fuerza de adhesión de un recubrimiento lubricante sólido es de al menos un cierto valor, se impide que el recubrimiento se desprenda durante el apriete y aflojamiento incluso si tiene una elevada dureza.

De acuerdo con el método SAICAS, se fuerza un borde de corte afilado contra la superficie de un recubrimiento bajo una carga mientras el sustrato al que se adhiere el recubrimiento se mueve en una dirección horizontal, cortando de ese modo el recubrimiento oblicuamente desde la superficie a la interfaz con el sustrato. Después de que el borde alcanza la interfaz, la carga aplicada se ajusta de forma que se permita que el borde de corte se mueva horizontalmente a lo largo de la interfaz. La fuerza de adhesión del recubrimiento se puede determinar como la fuerza de despegue por ancho de despegue (ancho del borde de corte) (N/m) requerido para despegar el recubrimiento mientras que el borde se mueve a lo largo de la interfaz. Un dispositivo de medición para el método de SAICAS se comercializa en el mercado por Daipla-Wintes bajo el nombre comercial SAICAS.

Un recubrimiento lubricante sólido formado sobre la superficie de contacto de la junta roscada como sustrato puede tener una fuerza de adhesión de al menos 500 N/m tal como se mide por el método SAICAS. Si la fuerza de adhesión del recubrimiento al sustrato es menor de 500 N/m, el recubrimiento puede que no muestre un suficiente efecto anticorrosión por frotamiento.

Un recubrimiento lubricante sólido que se ha secado mediante un calentamiento de etapas múltiples de acuerdo con el método mencionado anteriormente tiende a mostrar una fuerza de adhesión mejorada comparada con un recubrimiento similar que se ha secado de una manera convencional. La fuerza de adhesión se puede mejorar adicionalmente realizando la formación de rugosidad superficial anteriormente mencionada y/o el precalentamiento del sustrato, si es necesario.

Aunque se puede aplicar un recubrimiento lubricante sólido a la superficie de contacto tanto de la punta como del manguito, los objetivos de la presente invención se pueden alcanzar mediante la aplicación del recubrimiento a sólo uno de estos elementos y esto es ventajoso en términos de coste. En tales casos, el recubrimiento lubricante sólido se forma mediante una operación relativamente simple si se forma sobre la superficie de contacto del manguito, que es más corto. El otro elemento de junta (preferiblemente una punta), al que no se aplica el recubrimiento lubricante sólido, puede quedar sin recubrir. En particular, cuando la punta y el manguito se aprietan de modo temporal entre sí antes del envío como se muestra en la Figura 1, el otro elemento de junta, por ejemplo la punta, se puede impedir que se oxide incluso si su superficie de contacto está sin recubrir (por ejemplo, incluso si está según se mecanizó), dado que la superficie de contacto de la punta se pone en contacto íntimo con el recubrimiento en la superficie de contacto del manguito mediante el apriete temporal. El recubrimiento lubricante sólido puede aplicarse sólo a una parte de la superficie de contacto, particularmente sólo a la parte de contacto metálica.

Sin embargo, cuando se conecta un manguito a una punta de una tubería de acero en un extremo de la tubería como se muestra en la Figura 1, el otro extremo de la tubería de acero que está situado en el extremo opuesto de la tubería y la mitad no conectada del manguito permanecen expuestos a la atmósfera. Estas superficies de contacto expuestas de la punta y del manguito se pueden someter a un tratamiento superficial adecuado para proporcionar una prevención contra la oxidación con o sin lubricidad y/o pueden protegerse mediante la fijación de un protector adecuado. Tal tratamiento superficial se puede aplicar a la superficie de contacto del otro elemento de junta mencionado anteriormente.

Una junta roscada para tuberías de acero de acuerdo con la presente invención se puede apretar sin la aplicación de una grasa compuesta, pero se puede aplicar un aceite al recubrimiento lubricante sólido o a la superficie de contacto del elemento de acoplamiento a ser conectado, si se desea. En el último caso, el aceite que se aplica no está limitado y se puede usar cualquiera de entre un aceite mineral, un aceite de éster sintético y un aceite animal o vegetal. Se pueden añadir al aceite varios aditivos tales como un agente de prevención de la oxidación y un agente de presiones extremas que se han usado convencionalmente para aceites lubricantes. Si ese tal aditivo es un líquido, puede usarse en solitario como un aceite a ser aplicado.

Los agentes de prevención de la oxidación útiles incluyen los sulfonatos de metal básico, los fenatos de metal básico, los carboxilatos de metal básico y similares. Como agentes de presión extrema, se pueden usar agentes conocidos tales como aquellos que contienen sulfuros, fosforuros o cloruros y sales organometálicas. Además se pueden añadir al aceite otros aditivos tales como un antioxidante, un depresivo del punto de fluidez y un mejorante del índice de viscosidad.

La presente invención proporciona una junta roscada para tuberías de acero que tiene un recubrimiento lubricante sólido sobre la superficie de contacto del mismo, exhibiendo el recubrimiento unas propiedades de resistencia a la corrosión por frotamiento, de estanqueidad al gas, de resistencia al desgaste y de prevención de la oxidación mejoradas. Como resultado, la junta roscada se puede inhibir de la corrosión por frotamiento durante el apriete y aflojamiento repetido sin la aplicación de una grasa compuesta. Este efecto se mantiene cuando la junta se usa para taladrar un pozo de petróleo en crudo en un entorno de alta temperatura como en un pozo petrolífero profundo, de alta temperatura o un pozo petrolífero con inyección de vapor o resistir cuando la junta roscada se deja en el exterior durante un periodo prolongado antes del uso de la junta en un emplazamiento de perforación.

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Ejemplos

La presente invención se describirá más completamente mediante los siguientes ejemplos. Estos ejemplos son puramente para propósitos ilustrativos y no están dirigidos a limitar la presente invención. En la siguiente descripción, la superficie de contacto de la punta se denomina como superficie de punta y la superficie de contacto del manguito se denomina como superficie de manguito.

Ejemplos 1-7 y Ejemplos comparativos 1-4

Se sometieron la superficie de la punta y la superficie del manguito de una junta roscada para tuberías de acero [diámetro exterior: 178 mm (7 pulgadas), grosor de la pared: 10,4 mm (0,408 pulgadas)] hechos de un material seleccionado de entre un acero al carbono A, un acero al Cr-Mo B, un acero con 13% de Cr C y un acero de alta aleación D teniendo cada uno una composición mostrada en la Tabla 1 (la corrosión por frotamiento sucedía más fácilmente con D y la corrosión por frotamiento se hacía sucesivamente más difícil con C, B y A) a una de las combinaciones de tratamiento superficial (pretratamiento superficial y opcionalmente formación de un recubrimiento lubricante sólido) mostradas en la Tabla 2 como Nº 1 a 5, según se describe a continuación para cada ejemplo. La Tabla 2 muestra la rugosidad superficial en Rmax (R) de la superficie pretratada y el grosor (t) de una capa de recubrimiento primaria (recubrimiento de pretratamiento), así como el grosor de un recubrimiento lubricante (t) y la relación en masas de un polvo lubricante a una resina (aglomerante) (M). En estos ejemplos, se aplicó el pretratamiento a la superficie de contacto tanto de la punta como del manguito, pero sólo se formó un recubrimiento lubricante sólido en una de las superficies de punta o superficie de manguito. A la superficie de la punta o a la superficie del manguito sobre la que no se formó un recubrimiento lubricante sólido, se le aplicó un aceite de prevención de la oxidación ordinario, disponible comercialmente, que no contenía polvos de metales pesados para impedir la oxidación de la superficie. Se llevó a cabo el ensayo de apriete y aflojamiento sin eliminar el aceite de prevención de la oxidación.

El fluido de recubrimiento que se usó para formar el recubrimiento lubricante sólido fue una dispersión en la que se dispersó polvo lubricante en una solución de una resina disuelta en un disolvente. El disolvente que se usó fue un disolvente mezclado de etanol/tolueno (50/50) para una resina de poliamidaimida, N-metil-2-pirrolidona/xileno (65/35) para una resina fenólica y tetrahidrofurano/ciclohexano (50/50) para una resina epoxi. El precalentamiento del sustrato previo a la aplicación del fluido de recubrimiento y el calentamiento para el secado tras la aplicación se llevaron a cabo ambos en aire atmosférico usando un horno de calentamiento. La Tabla 3 muestra un número para el tipo de superficie de tratamiento (de la Tabla 2), la temperatura de precalentamiento del sustrato (temperatura del sustrato antes que se aplicara el fluido de recubrimiento) y las condiciones de calentamiento para el secado del recubrimiento aplicado después de que se aplicara el fluido (temperatura \times duración de calentamiento para la primera etapa de calentamiento y para la segunda etapa de calentamiento).

De modo separado, las mismas combinaciones de pretratamiento y formación de un recubrimiento lubricante sólido que se muestran en la Tabla 2 se realizaron sobre una placa de acero (10 mm \times 50 mm \times 2 mm de grosor) que tenía la misma composición que la tubería de acero usada como substrato. Así, el pretratamiento que se realizó fue el mismo que el realizado sobre la superficie de contacto del elemento sobre el que se formó el recubrimiento lubricante (es decir, manguito para Nº 1 y 4 y punta para el Nº 5 en la Tabla 2). Se midieron la fuerza de adhesión y la dureza del recubrimiento lubricante sólido resultante. La fuerza de adhesión del recubrimiento se midió usando un dispositivo de medición SAICAS BN-1 fabricado por Daipla-Wintes. La dureza del recubrimiento se midió en términos de la escala M de Rockwell de acuerdo con la norma JIS-K7202. Los resultados de estas mediciones se muestran también en la Tabla 3.

Usando una junta roscada que se había sometido a tratamiento superficial como se ha descrito anteriormente, se realizó un ensayo mediante operaciones de apriete y aflojamiento repetidas hasta 20 veces en la forma mostrada en la Tabla 4 mientras se examinaba la aparición de agarrotamiento o corrosión por frotamiento. Así, como se muestra en la Tabla 4, se realizó el apriete y aflojamiento a temperatura ambiente para la primera a la cuarta, sexta a catorceava y dieciseisava a vigésima ejecuciones de la operación, y para la quinta y quinceava ejecuciones, después de realizar el apriete de la junta roscada se sometió ésta a un calentamiento durante 24 horas a 350ºC entonces se enfrió antes de realizar el aflojamiento a temperatura ambiente. Las condiciones de apriete y aflojamiento corresponden a las condiciones de uso para una junta roscada resistente al calor. La velocidad de apriete fue de 10 rpm y el par de apriete fue de 14019 N\cdotm. Los resultados de la aparición de gripado o corrosión por frotamiento se muestran en la Tabla 5.

TABLA 1

1

TABLA 2

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2

TABLA 3

4

TABLA 4

6

7

Ejemplo 1

Una junta roscada realizada con acero al carbono del tipo A mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento superficial.

La superficie del manguito se trató previamente mediante chorreado con arena de #60 hasta que tuvo una rugosidad superficial de 31 \mum. Posteriormente el manguito se precalentó a 60ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina de poliamidaimida que contenía un polvo lubricante de bisulfuro de molibdeno y que tenía un grosor de 30 \mum sobre la superficie de contacto. El recubrimiento lubricante contenía bisulfuro de molibdeno con una relación en masa de bisulfuro de molibdeno a resina de poliamidaimida de 4:1. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 100ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 260ºC.

La superficie de la punta se trató solamente mediante mecanizado (rugosidad superficial: 3 \mum).

En los siguientes ejemplos no se indican los datos mostrados en la Tabla 2.

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Ejemplo 2

Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1 excepto que la temperatura a la que se precalentó el manguito previamente al recubrimiento se cambió de 60ºC a 100ºC y las condiciones para el calentamiento tras la aplicación se cambiaron de tal manera que el calentamiento de la primera etapa durante 30 minutos a 100ºC se siguió directamente por la segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 260ºC sin refrigeración.

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Ejemplo 3

Una junta roscada realizada con acero al Cr-Mo del tipo B mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento superficial.

La superficie del manguito se trató previamente, tras el mecanizado, mediante la formación sobre el mismo de un recubrimiento de acondicionamiento químico con fosfato de manganeso. Posteriormente, el manguito se precalentó a 130ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina epoxi que contenía un polvo lubricante de una mezcla de bisulfuro de molibdeno y grafito (relación en masa = 9:1) sobre la superficie. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 100ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 230ºC.

La superficie de la punta se trató solamente mediante mecanizado.

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Ejemplo 4

Se repitió el procedimiento del Ejemplo 3 excepto en que la temperatura de la primera etapa de calentamiento tras la aplicación del recubrimiento se cambió de 100ºC del Ejemplo 3 a 70ºC.

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Ejemplo 5

Una junta roscada realizada con acero al 13% de Cr del tipo C mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento superficial.

La superficie del manguito se trató previamente, tras el mecanizado, mediante electroplateado para formar un recubrimiento de cobre. Posteriormente, el manguito se precalentó a 180ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina fenólica que contenía un polvo lubricante de bisulfuro de tungsteno sobre la superficie del manguito. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una primera etapa de calentamiento durante 20 minutos a 80ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 60 minutos a 170ºC.

La superficie de la punta se trató solamente mediante mecanizado.

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Ejemplo 6

Una junta roscada realizada con acero de alta aleación del tipo D mostrado en la Tabla 1 se sometió al siguiente tratamiento superficial.

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La superficie del manguito se trató previamente, tras el mecanizado, mediante plateado por chorreado para formar un recubrimiento de aleación de cinc-hierro. Posteriormente, el manguito se precalentó a 100ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina de poliamidaimida que contenía un polvo lubricante de bisulfuro de molibdeno sobre la superficie del manguito. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 80ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 40 minutos a 170ºC.

La superficie de la punta se trató solamente mediante mecanizado.

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Ejemplo 7

La superficie del manguito se sometió solamente a tratamiento previo que se realizó mediante mecanizado y a continuación mediante la formación de una capa de acondicionamiento químico de fosfato de manganeso sobre la misma.

La superficie de la punta se trató previamente, tras el mecanizado, mediante la formación de una capa de acondicionamiento químico de fosfato de cinc sobre la misma. Posteriormente sólo la parte de la punta se colocó en un horno de calentamiento para precalentarla a 100ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina de poliamidaimida que contenía un polvo lubricante de bisulfuro de molibdeno sobre la superficie de la punta. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una primera etapa de calentamiento durante 20 minutos a 140ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 280ºC en tanto solamente la zona de la punta se colocó en el horno de calentamiento durante el calentamiento.

Como se puede ver en la Tabla 3, el recubrimiento lubricante sólido formado en cada uno de los ejemplos 1 a 7 se endureció y tenía una dureza M de Rockwell de al menos 80. También tenía un la fuerza de adhesión satisfactoria de al menos 2500 N/m según se mide con el método de SAICAS. La comparación entre los Ejemplos 1 y 2 muestra que una temperatura de precalentamiento más alta en el Ejemplo 2 dio como resultado una dureza del recubrimiento ligeramente disminuida pero una fuerza de adhesión mejorada. La comparación entre los Ejemplos 3 y 4 muestra que una temperatura más elevada en la primera etapa de calentamiento en el Ejemplo 3 dio como resultado un valor más alto tanto en la dureza del recubrimiento como en la fuerza de adhesión debido a un secado más completo del recubrimiento.

La Tabla 5 muestra que en algunas de las juntas roscada de los Ejemplos 1-7 apareció un ligero agarrotamiento en las ejecuciones 15ª y siguientes de un ensayo repetido de apriete y aflojamiento que simuló un pozo petrolífero de alta temperatura, pero incluso en tales casos, el apriete y el aflojamiento se pudo repetir 20 veces por la preparación superficial en todos los ejemplos sin problemas con relación a la estanqueidad al gas. La aparición de un ligero agarrotamiento en los Ejemplos 5 y 6 se debió al material de acero de la junta roscada, que es susceptible de agarrotamiento y corrosión por frotamiento. Si se formase el mismo recubrimiento lubricante sólido que en los Ejemplos 5 ó 6 sobre una junta roscada de acero de tipo A o B, se supone que no aparecería ningún agarrotamiento. En el Ejemplo 4, dado que la temperatura del calentamiento de la primera etapa fue inferior al expuesto anteriormente, el recubrimiento resultante tuvo una dureza ligeramente baja y por lo tanto apareció un ligero agarrotamiento en las ejecuciones 17ª y siguientes.

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Ejemplo comparativo 1

La superficie del manguito se trató previamente, tras el mecanizado, mediante la formación de una capa de acondicionamiento químico de fosfato de manganeso sobre la misma. Posteriormente sólo el manguito se precalentó a 175ºC y se formó un recubrimiento lubricante sólido con una resina epoxi que contenía un polvo lubricante de una mezcla de bisulfuro de molibdeno y grafito (relación en masa = 9:1) sobre la superficie del manguito. Se realizó el secado del recubrimiento aplicado mediante una etapa de calentamiento durante 50 minutos a 150ºC.

La superficie de la punta se trató solamente mediante mecanizado.

Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de apriete y aflojamiento, apareció un ligero agarrotamiento en la primera ejecución. Se procedió a un apriete y aflojamiento para una segunda ejecución tras la preparación superficial, pero apareció corrosión por frotamiento (agarrotamiento severo) hasta tal punto que el aflojamiento se hizo imposible, de modo que se terminó el ensayo.

Este ejemplo corresponde a un caso en el que sólo se realizó el calentamiento de la primera etapa de la presente invención para el secado. En este caso, aunque el disolvente y la humedad se evaporaron en algún grado del interior del recubrimiento, la evaporación no fue completa dado que no se realizó la segunda etapa de calentamiento y el recubrimiento resultante tenía una baja dureza. Además, aunque se realizó el precalentamiento, la fuerza de adhesión fue también insuficiente. Por ello, la dureza y la fuerza de adhesión insuficiente del recubrimiento lubricante sólido parecían ser las responsables de la prematura aparición de la corrosión por frotamiento.

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Ejemplo comparativo 2

Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1 excepto en que la temperatura de precalentamiento se elevó a 180ºC y la aplicación del recubrimiento fue seguida de un calentamiento que se realizó mediante una etapa de calentamiento durante 50 minutos a 240ºC.

Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de apriete y aflojamiento, apareció un agarrotamiento en la quinta ejecución. Se procedió al apriete y aflojamiento para la sexta ejecución tras la preparación de la superficie, pero apareció corrosión por frotamiento en la sexta ejecución, de forma que el ensayo se terminó.

Este ejemplo ilustra un método de calentamiento convencional que corresponde a un caso en el que sólo se realiza la segunda etapa de calentamiento de la presente invención. En este caso, dado que no se realizó una primera etapa de calentamiento a una temperatura más baja, el recubrimiento húmedo solidificó rápidamente y el disolvente y la humedad se confinaron dentro del recubrimiento, causando con ello una gran fluctuación en la dureza y en la fuerza de adhesión del recubrimiento lubricante sólido resultante. Como resultado, se cree que la corrosión por frotamiento apareció fácilmente.

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Ejemplo comparativo 3

Se repitió el procedimiento del Ejemplo comparativo 1 excepto en que la temperatura de precalentamiento se disminuyó a 130ºC y la aplicación del recubrimiento fue seguida de calentamiento que se realizó mediante una primera etapa de calentamiento durante 30 minutos a 50ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante un segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 230ºC.

Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de apriete y aflojamiento, apareció un ligero agarrotamiento en la séptima ejecución. Se procedió al apriete y aflojamiento para la octava ejecución tras la preparación superficial, pero apareció corrosión por frotamiento en la novena ejecución, de modo que el ensayo se terminó. Dado que la temperatura de la primera etapa de calentamiento fue demasiado baja, se supone que la evaporación del disolvente y la humedad del interior del recubrimiento que se estaba solidificando se hizo insuficiente y como en el caso del Ejemplo comparativo 2 que corresponde a un método de calentamiento convencional, la dureza y la fuerza de adhesión del recubrimiento lubricante sólido resultante fluctuó localmente, produciendo por ello la corrosión por frotamiento.

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Ejemplo comparativo 4

Se repitió el procedimiento del Ejemplo 1 excepto en que el manguito tratado previamente no se precalentó y la aplicación del recubrimiento fue seguida de calentamiento que se realizó mediante una primera etapa de calentamiento durante 20 minutos a 100ºC y, tras la refrigeración a temperatura ambiente, mediante una segunda etapa de calentamiento durante 30 minutos a 410ºC.

Como se muestra en la Tabla 5, en el ensayo de apriete y aflojamiento, apareció un ligero agarrotamiento en la primera ejecución. Se procedió al apriete y aflojamiento para la segunda ejecución tras la preparación superficial, pero tuvo lugar corrosión por frotamiento hasta tal punto que se hizo imposible el aflojamiento, de modo que se terminó el ensayo.

Este resultado parece deberse a la temperatura de la segunda etapa de calentamiento, que fue demasiado alta, por lo que la evaporación del disolvente y de la humedad del interior del recubrimiento lubricante sólido se hizo insuficiente y el recubrimiento lubricante sólido en sí se convirtió en blando y se despegó rápidamente durante el apriete de la primera ejecución.

Claims

1. Una junta roscada para tuberías de acero que se compone de una punta (1) y un manguito (2) teniendo cada uno una superficie de contacto que incluye una parte roscada (3) y una parte de contacto metálico no roscada (4),

en la que la superficie de contacto de al menos una de entre la punta y el manguito tiene un recubrimiento lubricante sólido formado sobre la misma que se compone de un polvo lubricante seleccionado de entre el bisulfuro de molibdeno y/o el bisulfuro de tungsteno y una resina, caracterizada porque el recubrimiento tiene una dureza de 70-140 en la escala M de Rockwell.

2. Una junta roscada como se expone en la reivindicación 1, en la que la superficie de contacto que tiene un recubrimiento lubricante sólido tiene una rugosidad superficial de 5-40 \mum en Rmax.

3. Una junta roscada como se expone en la reivindicación 1, en la que se dispone una capa de recubrimiento porosa entre el recubrimiento lubricante sólido y la superficie de contacto.