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    Tesis

    Propiedades de fractura y fatiga de roscas empleadas en motores de fondo

    2010



    Título Propiedades de fractura y fatiga de roscas empleadas en motores de fondo
    Nombre Korin, Iván
    Ingeniero Mecánico. Universidad Nacional del Comahue Argentina

    Doctor en Ciencia y Tecnología, mención Materiales UNSAM
    Directores Dr. Pérez Ipiña Juan E..
    .
    . Universidad Nacional del Comahue Grupo Mecánica de Fractura
    Fecha Defensa 2010
    Jurado

    Código IS/TD-52/10

    Resumen

    Las uniones roscadas constituyen el método de acople fundamental y más ampliamente utilizado en la industria de perforación de pozos de petróleo y gas. Básicamente todos los elementos que conforman la sarta de perforación (drill string) se unen a la misma mediante algún tipo de unión roscada, las cuales constituyen uno de los elementos más críticos debido principalmente a que representan zonas de gran rigidez y a que los valles de las roscas actúan como concentradores de tensiones. Este hecho produce que gran parte de las fallas ocurridas durante la perforación se produzcan por fatiga a causa de los esfuerzos cíclicos inherentes a la operación de perforación.
    En el presente trabajo se propone una metodología innovadora que tiene por objetivo incrementar la resistencia a la fatiga de uniones roscadas. La misma se basa en la generación de tensiones residuales de compresión en las zonas más criticas del acople mediante un adecuado control del torque de apriete de la unión.
    Con la intención de poner a prueba las hipótesis del método propuesto se desarrollaron dos enfoques experimentales originales a escala de laboratorio. Entre otras cosas, estos permiten identificar por separado los períodos de iniciación y crecimiento de fisuras. Además es posible inferir el tamaño de fisura generado, a partir del cambio de rigidez que sufre la unión roscada a medida que la fisura crece. Dicha información, permite calcular el factor de intensidad de tensiones adimensional de la unión.
    Los resultados experimentales obtenidos han demostrado que el método propuesto pude ser aplicado con éxito en componentes roscados de menor tamaño, -en el rango de la tornillería típica utilizada en industrias como la nuclear y aeronáutica- habiéndose alcanzado incrementos en la vida a la fatiga de los componentes ensayados de hasta 5 veces. Además, los resultados alcanzados permiten suponer que podría aplicarse el método propuesto para incrementar la resistencia a la fatiga de uniones roscadas de hombros de gran porte, justificándose el alto costo que implicaría realizar ensayos a escala real en futuras investigaciones.
    Finalmente, cabe decir que los métodos experimentales desarrollados podrían ser extrapolados a una escala mayor, pudiéndose emplear entonces tanto con propósitos de investigación como en aplicaciones de campo, para evaluar la integridad estructural de uniones en tiempo real y en aplicaciones de pronóstico de daño.

    Complete Title

    Abstract

    Rotary shoulder connections are the typical thread connections employed in the oil drilling industry. Basically, all the elements which constitutes the drillstring are assembled between them by some kind of threaded connection. In this industry, threaded connections are considered among the most critical components of the drillstring because they present more stiffness, and also because their threads roots work as stress concentrators. As a consequence, a great number of failures in drilling operations take place in the threaded couplings and are caused by the fatigue load related to the drilling work.
    An innovative technique is proposed in this thesis, with the aim of increasing the fatigue strength of rotary shouldered connections. The method is based on the generation of compressive residual stresses in the most critical zones of the coupling by means of a suitable control of the make-up torque.
    In an attempt to check the hypothesis of the proposed method, two original experimental approaches at laboratory-scale were developed. Among other things, they allow a clear identification of both fatigue periods, crack initiation and crack growth. The generated crack size can also be inferred by analyzing the stiffness variation experimented by the threaded connection as the crack grows. This information allows to calculate the dimensionless stress intensity factor of the coupling.
    Experimental results showed increments of more than 5 times in fatigue life when the proposed method was applied to smaller threaded components -like such fasteners typically employed in aerospace and nuclear industries -. In addition, results suggest that the proposed method could be applied to increase the fatigue resistance of rotary shoulder connections of large size, justifying the high cost that would involve full-scale testing in future researches as well as field applications aimed to perform real-time structural assessments of threaded joints and damage prognosis applications.

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