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Conexiones API de TubularesEmpleados en el campo petrolero

Programa de Entrenamiento Acelerado para Supervisores

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Conexiones Tubulares del (API)

• Temas a cubrir en éste Módulo:• Fundamentos del diseño de acoples• Tipos principales de roscas de conexión• Fortalezas y debilidades de los conectores• Resistencia a las Fugas en los Conectores

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Conexiones

Método para unir Dos Piezas de Tubería

Con Soldadura

Con Tornillos o Pernos

Embonado

Con Roscas Macho Y Hembra

Con Unión de Brida

Etc., Etc.

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4

§ Tiene la misma o mayor fuerza axial que el cuerpo de la tubería.

§ Acepta las mismas cargas de doblamiento que el cuerpo de la tubería y

§ Tiene el mismo desempeño con la presión que la tubería

ConexionesLA TEORÍA

LA REALIDAD

El 90% de las fallas en la TR ocurren en la conexión.

TODAS LAS CONEXIONES DE LA TUBERÍA DE REVESTIMIENTO SON UN PUNTO DE FALLA POTENCIAL

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5

Principio del Diseño de ConexionesFuncionan como un ajuste por fricción.

La fuerza hacia abajo se convierte en componentes vertical y horizontal.

La interferencia proporciona integridad a la presión.

Al agregar roscas se agrega protección al desacople por tensión .

¿Qué factores afectan el desempeño de la conexión?

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6

1. Rosca API de Tubería de Conducción :

Forma en V, perfil de rosca truncada en tubo y acople,

2. Rosca API Redonda para Tubería de Revestimiento y de Producción: Perfil de Rosca Redonda. Tipos: Rosca Larga y Rosca Corta,

3. Rosca “Buttress” para TR y de producción: Rosca ACME Modificada con forma trapezoidal de 29o,

4. Rosca “Extreme Line” o Conexión Integral para TR y tubería de producción: Rosca ACME modificada con Sello de metal a metal.

Tipos de Conexiones API

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Nomenclatura

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8

La Rosca de la Tubería de Conducción del API está externamente encordada en ambos extremos del tubo plano (sin refuerzos). Los tramos tubulares se unen con un acople provisto de roscado interno.

El perfil de la rosca tiene cuerda y raíces truncadas con un ángulo de 30o

respecto a la vertical del eje de la tubería; tiene 8 roscas por pulgada y un ahusamiento de 0.75” por pie.

Conexiones: Rosca de Tubería de Conducción

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Rosca API de Tubería de Conducción

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Definiciones

APRETADA A MANO: Punto en el cual se obtiene la separación nominal “A” con la mínima interferencia mecánica

APRETADA

CON POTENCIA: Cuando la cara del piñón o de la caja avanza hacia el plano del punto de desvanecimiento.

TODAS LAS ROSCAS API ESTÁN DISEÑADAS PARA AJUSTARSE CONFORME A LA POSICIÓN, NO A LA TORSIÓN.

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Extracto del Documento API 5B

Line pipe Dimensions (API 5b table 3 pp 5)

SIZEMAJOR DIA TPI

END OF PIPE TO HANDTIGHT PLANE

EFFECTIVE THREADS

END OF PIPE TO VANISH PLANE

END OF PIPE TO COUPLING CENTER POWERTIGHT

LENGTH FACE OF COUPLING TO HANDTIGHT PLANE

HAND TIGHT STANDOFF TURNS

MIN LENGTH FULL THREADS

D4 L1 L2 L4 J M A Lc6 6.625 8 0.958 1.5125 1.9462 0.4913 0.7382 2 1.00928 8.625 8 1.063 1.7125 2.1462 0.4788 0.8332 2 1.209210 10.75 8 1.21 1.925 2.3587 0.5163 0.8987 2 1.421712 12.75 8 1.36 2.125 2.5587 0.5038 0.9487 2 1.6217

Lc = L4-0.937

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Ejercicio de Clase

Hacer referencia al dibujo de la rosca y a la tabla para LP de 8”

1.¿Qué tanto debe entrar el piñón en la caja cuando se encuentra en la posición apretada básica?

2. ¿Qué tanto más puede entrar el piñón en la caja antes de que ocurra algún daño? (distancia y vueltas)

3. ¿Qué sucede si se ajusta más de lo anterior?

4. ¿Qué significa cuando la torsión es demasiado baja una vez que se llega a la posición descrita en 2? ¿Qué se debe hacer?

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Ejercicio (Conexión-1)

Si se pudiera desenrollar el acople y extenderlo, ¿cómo se verían el trayecto de la fuga, la sección cruzada y la longitud?

Lc=1.6217 para LP de 12” nominal

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Solución al Ejercicio (Conexión-1)

0041.0

125.0*033.0033.0

=== pfcs

0091.0

073.0

== pf rs

0000478.060tan

60tan2

21

21

2

==

==

h

hh

bhBig

0000097.060tan

0041.060tan

22

=

== hSmall

0.005

0.0000381 in2

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Solución al Ejercicio (Conexión-1)

La rosca perfecta total es de 1.6217 pulgada de longitud.

En 1.6217 pulgadas, el diámetro se reduce en 1.6217 x 0.75 / 12 ó de 12 a 11.89. El promedio es 11.95 pulgadas

Cada vuelta se desenrolla (Pi)xD ó 3.14 x11.95 = 37.54 pulg.

1.6217 pulg. tiene 8 vueltas / pulgada ó sean 12.97 vueltas que es igual a 12.97 x 37.54 = 487 pulgadas en total

El hueco es un trapezoidal con un área de 0.0000381 pulg2 y 487 pulg de longitud

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Limitaciones de la Rosca Redonda API

•No es adecuado para gas. Con el tiempo siempre se presentarán fugas. •Fugas en el Plano E1

•Tiene una cantidad muy corta de rosca enganchada.•Propenso a desconectarse en grandes diámetros y en hoyos desviados

•Tiene una trayectoria de fuga.

•Tiene un perfil de rosca de 30 grados.•Propenso a desconectarse con carga axial

•Tiene un perfil delicado de rosca.•Propenso a enredarse y a sufrir daño

•Funciona en compresión y en tensión.

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La Rosca Redonda API de Tubería de Revestimiento es nominalmente idéntica a la rosca de tubería de conducción

El perfil de la rosca tiene hilos y raíces redondeadas con un ángulo de 30° con la vertical al eje de la tubería. Tiene 8 cuerdas o hilos por pulgada y un ahusamiento de 0.75” por pie en la conexión corta, STC.

En la conexión larga, LTC el avance de la rosca se ha aumentado de 8 a 10 cuerdas o hilos por pulgada para dar mayor resistencia de adherencia.

Rosca Redonda API Corta y Larga

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Detalles de la Rosca Redonda

Acople API de rosca redonda: ocho hilos o cuerdas redondas por pulgada, con perfil en forma de V con un ángulo de 60 grados entre las caras. El ahusamiento de la rosca es de ¾” por pié de diámetro, para todos los tamaños de tubería. La cresta y las raíces de la rosca están truncados con un radio, proporcionando un claro creciente de aproximadamente 0.003 pulgadas.

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Falla de la Rosca API

• La rosca puede explotar, colapsar o fallar en tensión/compresión.

• Las resistencias al estallido, colapso y fugas están cubiertas en la norma API 5C3.

• Bajo tensión, la rosca redonda falla porque la tubería se parte, el cuerpo de la rosca falla, la rosca se desconecta o el acople falla. Es necesario hacer todos los cálculos para encontrar cuál es el caso limitante.

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Resistencia a la Cedencia en el Cuerpo de la Tubería

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Falla de la Rosca Redonda de 8

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Falla del Acople de Rosca Redonda API

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Ejercicio: TR de 7” OD, 32 lbs/pie , Conexión STC

Para una tubería de revestimiento de 7 pulg, 32lb/pie, grado L-80, conexión API Redonda STC,

¿cuál es la fuerza de las uniones y de las conexiones y cuál es el mecanismo de falla? (L4= 3.125, M=0.704)

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Solución al Ejercicio

Falla en el acople 852 kilo libras

Resistencia en la Tubería 745 Kilo libras

Resistencia a la Fractura

en el Acople 701 Kilo libras

Adherencia de las Uniones 601 Kilo libras

Las roscas redondas son menos eficientes que el cuerpo del tubo. La rosca LTC (10 Redonda) es mejor pero no iguala la resistencia del tubo al momento de fallar.

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La Tubería de Revestimiento de Rosca Butress API (BTC) está enroscada externamente en ambos extremos de la tubería plana. Los tramos se unen entre sí con un acople independiente con roscas internas.

El perfil de la rosca tiene crestas planas y raíces paralelas al cono ahusado con ángulos de 3° y de 10° con la vertical al eje de la tubería, con 5 hilos o cuerdas por pulgada. Hay un ahusamiento de 0.75” por pie en los tamaños < 13 3/8”, y un ahusamiento de 0.9996” por pie en los tamaños > 16”.

Plano de punto de fuga

Base del triángulo de sello

Posición básica de apretada a mano

Apretado básico de Potencia Apretado básico a mano

Distanciado de Apretada a ManoA1 = 0.200” Todos los tamañosA2 = 0.300” Todos los tamaños

Conexión “Buttress” API

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Rosca “Buttress” API

La rosca Buttress tiene forma cuadrada, con cinco hilos por pulgada y con un ahusamiento de la rosca de ¾ pulgadas por pie en tubería de revestimiento hasta de 7 5/8” de 1”por pie en tubería de revestimiento de 16 pulgadas o mayor. Las tramos de tubería individuales tienen roscas en ambos extremos y están unidas mediante acoples tipo “Buttress” trapezoidal.

La rosca trapezoidal tiene la capacidad de transmitir cargas axiales mayores que la rosca redonda API 8.

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27

Detalles de la Rosca “Buttress”

QUÉ VENTAJAS Y DESVENTAJAS TIENE LA ROSCA “BUTTRESS” ?

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Detalles de la Rosca “Buttress”

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Dimensiones de la Rosca “Buttress”

Buttress Dimensions (API 5b table 9 pp 11)

SIZEMAJOR DIA TPI

PERFECT THREADS

END OF PIPE TO VANISH PLANE

PITCH DIAMETER

END OF PIPE TO COUPLING CENTER POWERTIGHT

LENGTH PIN TO TRIANGLE BASE

HAND TIGHT STANDOFF TURNS

MIN LENGTH FULL THREADS

D4 L7 L4 E7 J M A Lc5 5.016 5 1.7785 3.7625 4.954 0.4913 4 1/16 1 1.37857 7.016 5 2.216 4.2 6.954 0.4788 4 1/2 1 1.816

9.625 9.641 5 2.5285 4.5125 9.579 0.5163 4 13/16 1 2.128513.375 13.391 5 2.5285 4.5125 13.329 0.5038 4 13/16 1 2.1285

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Fugas en los Acoples

• Cuando un acople se aprieta, hay presión en el piñón y en la caja como resultado del ajuste.

• Cuando se aplica presión dentro de la la tubería, hay una fuerza adicional que se aplica a la conexión.

• Cuando la presión total en la tubería es mayor a la suma de las dos presiones de la conexión, se produce un fuga en la conexión.

• Esto es inherente al diseño de cualquier conexión roscada que utiliza fuerzas radiales de cojinete.

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Resistencia a las Fugas en el Plano “E”

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Ejercicio

¿Cuál es la resistencia a las fugas en el plano E7 para una rosca “BTC” de un revestimiento de 13.375”, 72#, L-80? ¿Cuál es la resistencia al estallido en el tabulado?

Hay que notar que la resistencia nada tiene que ver con peso o grado del acero; sólo con las dimensiones de la conexión. Todos los pesos y grados tienen fugas iguales.

Respuesta:

La resistencia a las fugas es de 4,932 psi

El estallido nominal es de 5,380 (cuerpo del tubo)

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Resistencia a las Fugas en Tubería de Revestimiento con conexión BTC

psiP

WEEWpNTE

P

932,4375.14*329.13*2

)329.13375.14(2.0*5.2*625.0*000,000,30

2)(

2

22

27

27

2

=

−=

−=

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Resistencia a las Fugas en Conexiones API

Nota: TABLA 1 de la Spec API - 5C2

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Ventajas y Desventajas de la Rosca “BUTTRESS”

•Mayor que la API Redonda.

•Tiene un hombro de Carga Cuadrada y Grande.•Generalmente es mayor que el cuerpo del tubo.

•Presenta Trayectoria de fuga.

•Las roscas perfectas están en la nariz del piñón.•Fuerte en cargas axiales y de flexión

•Tiene una cantidad relativamente pequeña de hilos.•Propensa a “montarse” o “atascarse” al ser enroscada en diámetros grandes

•Menor resistencia al estallido debido a fugas del plano E7

•No funciona bien en compresión.

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Conexión de rosca API tipo “Extreme Line”, XL

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Ventajas y Desventajas de la Conexión XL

•Siempre que la fuerza de fricción del enrosque sea mayor que la presión interna, no se producirán fugas.

•Cuenta con Hombro de Carga Cuadrada y Grande.

•La rosca lleva carga axial y no de presión.

•No presenta trayectoria de fuga.

•El sello se encuentra en la punta del piñón.•Propenso a dañarse •No pierde fuerza de sellado en carga axial ni de flexión.

•La rosca tiene tolerancias en los flancos del hilo.•No está propensa a “montarse” o “atascarse” al enroscar.

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Conexión Vallourec NEW VAM para tubería de Revestimiento

La Conexión NEW VAM de Tubería de Revestimiento tiene rosca externa en ambos extremos de la tubería plana. Los tramos independientes se unen mediante un acople de rosca interna con un hombro de torsión interna y un sello de metal a metal.

Las roscas NEW VAM son compatibles con las conexiones anteriores VAM, VAM ATAC, VAM AG y VAM AF.

Conexiones Especiales del Fabricante

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Conclusiones acerca de las Conexiones

• No existe un conector perfecto.• Con el tiempo, todas las conexiones que tienen

interferencia en la rosca producen fugas.• La resistencia a las fugas es función únicamente

de a la geometría de la rosca.• Las roscas con sello secundario ofrecen la única

conexión verdaderamente sellada a fugas de gas.