Interpretation of the Learned Functions

El estudio de la tesis se orientó a evaluar tribológicamente diferentes condiciones de contacto existentes en el sello de las conexiones premium OCTG durante las operaciones de ensamblaje y desensamblaje (en inglés, Make & Brake o M&B). Con el fin de reproducir la geometría de contacto y las condiciones de deslizamiento, se efectuó la evaluación tribológica mediante un ensayo del tipo bloque-sobre-anillo lubricado, en condición de deslizamiento puro, bajo altas cargas y baja velocidad, siendo la probeta bloque la contraparte fija y la probeta anillo la deslizante. Este tipo de configuración es tenida en cuenta por la norma para el ensayo de grasas por el método Timken. De acuerdo a la norma ASTM D 2509 – 03 [5]. Esta fue utilizada como base para los lineamientos principales del ensayo. La Fig. 4.11 muestra la configuración de contacto utilizada por la norma.

Fig. 4.11. Geometría de contacto y montaje de probetas (Método Timken) [5].

La imagen de la izquierda de la Fig. 4.12 ilustra una vista en corte de una conexión roscada premium típica, destacando la zona de localización del sello metal-metal simulado en el ensayo de lanboratorio. A la derecha de la Fig. 4.12 se muestra una representación esquemática del tribómetro. Esta configuración geométrica permite confinar el lubricante entre las superficies de contacto, debido a que el bloque se encuentra en contacto con el anillo desde la parte inferior.

Se analizaron condiciones y causas de falla en los sellos metal-metal de las conexiones OCTG. Estos sellos tienen la particularidad de que hacen contacto a través de una superficie toroidal (pin) contra una cónica (cupla), es decir, el contacto resulta del tipo no conforme. Luego, se tiene que el tipo de contacto existente entre el

Anillo tuerca Buje de guía Porta bloque Vista Frontal Bloque

Vista lateral izq.

bloque y el anillo es también del tipo no conforme, con lo cual resulta en una configuración geométrica de contacto correcta para el estudio en cuestión.

Fig. 4.12. Izquierda: sección de una conexión roscada premium típica, destacando el área de

sellado. Derecha: representación esquemática de la configuración bloque-sobre-anillo utilizada en los ensayos de desgaste.

Los parámetros de ensayo tales como, la velocidad de rotación, la carga aplicada y el tiempo de duración, fueron seleccionados analizando las condiciones de contacto en servicio, para el sello de una conexión tubular de 5,5 pulgadas de diámetro durante las operaciones de ensamblaje y desensamblaje. Se seleccionó este diámetro, ya que en la práctica es el mayor tamaño utilizado como tubo de conducción (en inglés, tubing) y, por ende el sujeto a las condiciones de contacto más exigentes. Es decir, posee la máxima distancia de deslizamiento entre los tubos de conducción y debe satisfacer los 10 ciclos de ensamble y desensamble (M&B) fijados por normas de calidad.

Como criterio de correlación se consideró a la distancia de deslizamiento entre superficies. De este modo la distancia de deslizamiento en el ensayo se correspondió con la existente en una conexión real de 5,5 pulgadas. Los planos de fabricación de conexiones premium, indican que por diseño el sello tiene como máximo 0,9 vueltas de contacto (independientemente de la configuración de la rosca) y como mínimo 0,5 vueltas. Como se simuló la situación más crítica de la conexión, en los ensayos de bloque-sobre-anillo se utilizó la distancia de deslizamiento correspondiente a 0,9 vueltas de la conexión real.

Fuerza de fricción Carga Bloque Anillo Dirección de rotación Sello metal-metal Hombro de torque

Otro parámetro importante a tener en cuenta es la velocidad de deslizamiento, que, para la conexión real girando a 4 rpm resulta en 29,26 mm/seg. Para lograr esta velocidad tangencial, el anillo de 49,22 mm de diámetro debe girar a 11,35 rpm. La distancia de deslizamiento en el sello resulta de 409 mm, lo que equivale a 2,65 revoluciones del anillo, las cuales se alcanzan en 14 segundos.

Además, dado que el sello durante el ensamble adquiere carga de forma lineal creciente (un toroide avanzando sobre un cono), ésta se incrementó linealmente, desde una precarga base (dependiendo del ensayo 250 N o 3800 N) hasta alcanzar la máxima carga. Para simular el desensamblaje el anillo giró en sentido contrario y se alternó la rampa de carga, pasando a variar desde el valor máximo al mínimo con la misma velocidad de variación que para la carga.

El contacto inicial entre las probetas bloque y anillo es del tipo no conforme, un cilindro en contacto con un plano. Pero luego, como producto del ensayo se genera una escara de desgaste en el bloque, reduciendo la presión de contacto y modificando la condición a conforme.

Los ensayos bloque-sobre-anillo fueron efectuados bajo condiciones ambientales de laboratorio de aproximadamente 25 ºC de temperatura y 50 % de humedad relativa. La Fig. 4.13 muestra un esquema general de la máquina de ensayo desarrollada y construida en el marco de la tesis en el Laboratorio de Estudio y Ensayo de Materiales (LEEM) de la Universidad Nacional del Sur (UNS). La Fig. 4.14 muestra una imagen del dispositivo luego de finalizada la construcción y en plena etapa de puesta a punto, señalando los principales componentes. La Fig. 4.15 presenta una fotografía real del detalle de la zona de contacto.

Fig. 4.14. Imagen general de la máquina de ensayos bloque-sobre-anillo lubricado, señalando

los componentes principales.

Fig. 4.15. Detalle de la zona de contacto.