Brevet FR2062936A1 — publié le 19710702

La présente invention concerne un appareil destiné à serrer une surface cylindrique telle que celle d'un tuyau ou d'une tige de forage. Dans une première forme de réalisation, elle concerne un dispositif de relevage comportant des ensembles de serrage destinés 5 à la manutention d'un tuyau*. Un dispositif de relevage comportant des pinces à commande hydraulique destinées à manipuler un tuyau est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 2 892 535. La présente invention concerne un perfectionnement à ce type de dispositif de relevage et 10 des pinces de ce brevet par le fait que sa force de serrage est augmentée sans que la force appliquée ne le soit, un seul jeu de pinces pouvant être utilisé pour des tuyaux de dimensions différentes et le volume de fluide hydraulique nécessaire pour faire fonctionner les pinces étant maintenu à un minininm lorsque la ma-15 chine est utilisée avec des tuyaux de dimensions multiples. En conséquence, la présente invention concerne une machine comportant des pinces animées d'un mouvement de va-et-vient et qui sont destinées à serrer un objet cylindrique avec une force de maintien supérieure à celle des pinces classiques décrites dans le 20 brevet précité. Les pinces de la machine fonctionnent sur des tuyaux ou d'autres objets de plusieurs dimensions différentes.- La quantité de fluide hydraulique utilisée est maintenue à une valeur minimale. Les éléments de commande des pinces sont empêchés de reculer complètement lorsque la machine travaille avec des éléments de petite 25 dimension afin de conserver le volume de fluide nécessaire pour faire fonctionner une-pince. La course de serrage nécessaire est réduite par le fait que les mâchoires sont écartées simultanément de l'objet à serrer tout en tournant vers leur position d'ouverture complète. 30 D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés qui donnent, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. 35 Sur ces dessins, la figure 1 est une élévation schématique d'un dispositif de relevage suivant 1'invention ; . la figure 2 est une vue de face partielle du dispositif de 70 34001 2 2062936 relevage et elle représente une partie de la chaîne sans fin de pinces ; la figuré"3 est une vue en plan, en partie en coupe, représentant l'une des pinces ; 5 la figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 3 et représente la butée d'une pince en position d'allongement et agissant sur un tuyau de" petite dimension ; •la figure 5 est une élévation de l'arrière de l'une des pinces ; les figures 6 et 7 sont des vues en plan partielles de pinces 10 • et elles sont destinées à comparer leur fonctionnement sur des tuyaùx de dimensions différentes ; la figure 8 est une vue schématique représentant les positions angulaires relatives "des patins de la pince et d'un tuyau ; la figure 9 est une vue schématique représentant les courbures 15 différentes de la face de serrage d'une pince lui permettant de ma-nipulèr des tuyaux de dimensions différentes ; et la figure 10 est un diagramme de forces montrant comment la force de serrage est accrue par rapport à celle qui est,obtenue dans là structure décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 20 2 892 535 précité. Les figures 1 et 2 représentent le dispositif de relevage indiqué d'une manière générale par la référence 10 et qui comprend A S^nS ' . ' une chaîne/fin de pinces indiquée en 11, passant au-dessus de pignons dont l'un est représenté en 12. les pinces sont à commande 25 hydraulique et elles lèvent ou abaissent la tige de forage 13 de la manière décrite plus complètement dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 2 892 535 précité. Comme on le voit sur la figure 2, chaque pince qui est indiquée en 14 comprend une double rangée de patins de serrage 15a, 30 b, ç et d. Les patins supérieurs et les patins inférieurs 15a, 15ç 15b et 15d de la pince fonctionnent en bloc. Comme on le voit plus particulièrement sur la figure 3, un carter 16 de la pince porte des tourillons 17, 18, 19 et 20 (figure 5). Ces tourillons font partie de la chaîne sans fin 11. 35 Le tuyau 13 qui doit être monté ou descendu par le dispositif de relevage se loge dans une ouverture 21 de l'avant du carter 16. Les éléments opposés, destinés à supporter les patins de 70 34001 3 2062936 serrage sont montés et se déplacent d'un mouvement de va-et-vient dans le carter. De préférence, des cylindres opposés sont disposés sur les côtés opposés de l'ouverture 21 du carter. Un seul cylindre, son piston et ses autres appareils associés sont représentés sur la 5 figure 3, car le patin de. serrage de l'autre côté de l'appareil est commandé par une structure identique. Une enveloppe 44 du carter 16, garnie d'une chemise 22, constitue le cylindre. Un piston 23 se déplacé dans le cylindre, et- commande le serrage ou le desserrage du tuyau 13. Deux joints 24 et 25 du cylindre peuvent être du type "V" 10 et sont tournés en sens opposés. Un fluide s'écoulant vers le cylindre ou de ce dernier par des conduits 26 et 27 imprime un mouvement de va-et-vient au piston, d'une manière classique. Chaque piston porte un étrier 28 qui se déplace d'un mouvement de va-et-vient dans l'ouverture 21. 15 .L*étrier porte deux broches-pivots 29 et 30 dont les axes de rotation sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du piston associé. les pivots sont disposés sur les côtés opposés de cet axe, comme on le voit sur la figure 3. la disposition des broches-pivots est avantageuse par le fait qu'aucune charge laté-20 raie n'est imposée au piston 23 par le serrage d'un tuyau. On voit que les broches-pivots pourraient être disposées ailleurs que dans .le plan indiqué, mais cette disposition se traduirait par une charge latérale indésirable qui s'exercerait sur le piston 23. Un patin de serrage est monté sur chaque broche-pivot afin 25 d'être appliqué contre le tuyau 31 disposé dans l'ouverture. Les patins associés aux broches 29 et 30 sont représentés en 32 et 33. Des patins semblables sont disposés sur l'autre côté du tuyau, en 34 et 35, et ils sont portés par des broches-pivots 36 et 37- De préférence, une surface 38 de chaque patin de serrage porte initia-30 lement contre le tuyau pendant que les patins sont poussés vers celui-ci afin qu'ils tournent autour de leurs pivots et que la face de serrage 39 de chacun d'eux vienne en contact avec le tuyau disposé dans l'ouverture 21. Comme expliqué plus complètement ci-après, la forme des 35 patins de serrage leur permet de porter contre des tuyaux dont les dimensions sont différentes. De ce fait, les patins occupent des positions différentes dans 1'ouverture 21 lorsque les tuyaux ont des dimensions- différentes, et de préférence un dispositif de la 70 34001 2062936 pince limite la course des patins lorsqu'ils serrent un tuyau de faible dimension afin de réduire le volume de fluide nécessaire pour imprimer un mouvement de va-et-vient au piston. Une butée de la pince limite sélectivement, de préférence, 5 le recul de 1'étrier 28 lorsque le dispositif de relevage est utilisé pour la manutention d'un tuyau de petit diamètre. C'est ainsi que sur la figure 4, la butée 41 est avancée jusqu'à une position dans laquelle elle limite le recul de 1'étrier 28 et réduit de ce fait la quantité de fluide nécessaire pour faire fonctionner la 10 pince. N'importe quel dispositif hydraulique ou mécanique voulu peut être utilisé pour avancer la butée 41 et la maintenir en position. Il est préférable d'utiliser des butées à commande hydraulique qui permettent une avance ou un recul simultanés et presque instantanés des butées d'un grand nombre de pinces. 15 Un piston annulaire 42 disposé dans une gorge annulaire 43 de 1'enveloppe 44 et de son manchon associé 45, avance la butée 41. Une bague fendue 46 s'ajuste dans une gorge de l'extrémité extérieure du piston 42 et la butée 41 est fixée à la bague fendue 46 par des goujons 47 appropriés. 20 Le fluide provenant d'une source, non représentée, est introduit dans le cylindre 43 ou en est évacué par une canalisation 48. Il convient de noter sur la figure 5 que le fluide provenant de la canalisation 48 passe par des conduits 49, 50 et 51 pour aller à / chacun des quatre cylindres de commande des butées des patins de 25 serrage, de manière à mettre sous pression simultanément tous les cylindres ou à permettre simultanément à la pression de s'en échapper. C'est ainsi que lorsque les butées 41 doivent être avancées pour la manutention d'un tuyau de petit diamètre, la canalisation 48 est mise sous pression. Lorsqu'il s'agit de la manutention d'un 30 tuyau de grand diamètre, la.canalisation 48 est reliée à l'atmosphère et le fluide comprimé rectale le piston principal 23 et recule, de ce fait, la butée jusqu'à la position représentée sur la figure 3. La butée 41 peut ainsi être déplacée d'un mouvement de va-et-vient entre les positions des figures 3 et 4 lorsque la pince agit 35 sur des tuyaux dont les dimensions sont différentes. Les positions relatives des butées et des patins de serrage sont représentées sur les figures 6 et 7, dont la figure 6 représente la butée avancée et la figure 7. la butée reculée. Ces figures 70 34001 5 2062936 représentent également, avec la figure 8, les positions relatives des patins de serrage et de tuyaux de petit et de grand diamètres. Une surface arrière 55 de chaque patin est espacée de son pivot et porte contre la butée lorsque le patin recule. Le contact 5 entre la surface 55 et la butée se produit après un faible déplacement du patin et contraint celui-ci à tourner et à s'ouvrir complètement, en même temps qu'il recule vers sa position d'ouverture. La figure 10 représente les forces qui agissent pour serrer le tuyau. La force du piston se divise d'elle-même en une force 10 agissant dans la direction du piston qui est représentée par la ligne 56 et des forces qui tendent à écarter les pivots et qui sont représentées par la ligne de force de réaction 52. La force résultante 53 est là force résistante du tuyau ou la force qui est appliquée par les pinces à celui-ci. Cette force est supérieure h une 15 force comparable que produirait l'application.de la même force du piston sur les pinces représentées et décrites dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2 892 535 précité. On se rend compte que la force résultante 53 varie lorsque les broches-pivots d'un étrier sont rapprochées ou écartées l'unef 20 de l'autre'. De préférence, l'angle entre la force du piston et la force s'exerçant sur chaque broche et représentée par la ligne 53 est de 45° environ. Cette relation assure que les surfaces de serrage de chaque patin s .'-appliquent sur une surface maximale du tuyau de manière à éviter 1'.écrasement de celui-ci. De ce fait, comme on 25 le voit sur la figure 8, si la surface de serrage du patin utilisé n'était tracée qu'avec un seul rayon, l'angle inscrit entre celui-ci et la direction du mouvement du pivot serait de préférence de 45° environ. Il convient de noter de plus que la ligne 54 passe approximativement par le centre de la face de serrage du patin ou 30 bissecte cette dernière. De ce fait, les forces qui sont appliquées sur toute la face de serrage du patin sont sensiblement égales. On se rend compte que les broches pourraient être amenées à des positions dans lesquelles les positions relatives seraient différentes de celles représentées sur la figure 8. 35 Les calculs donnés ci-après constituent une preuve mathé matique de l'accroissement de la force de maintien des pinces selon la présente invention par rapport à des pinces du type représenté et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique ïï° 2 892 535 précité. 70 34001 6 2062936 s Dans le cas de patins doubles articulés, les données sont les suivantes : F = force du piston appliquée à 1'étrier p • 2 = force du piston appliquée à line broche-pivot 5 R = force de chaque patin de serrage, appliquée à la broche P = force de réaction transmise par la broche-pivot 6 = angle inscrit entre la force du piston et la force appliquée au tuyau On demande de trouver la force de maintien totale des-10 patins de serrage (£). 1 . R = 5—-q 2 cos © 2. 2= f [4 R] où f = coefficient de frottement et la constante 4 est le nombre de patins 15 3 = 4f [ —— ] - p 41 1 2 cos 6 J " cos © Exemple : Données : Diamètre du piston = 15 cm 20 Diamètre de la tige = 14 cm Pression hydraulique = 140 bars Contre-pression =14 bars Angle 0 pour un tuyau de 14 cm = 410 Coefficient de frottement (,f) = 0,19 / 25 On demande de trouver la force de maintien (g) Force du piston (F) = ^ x 1 5^x 140 - ^(15^ - 14^) x 14 = 24 750 - 320 = 24 430 kg cos Q = 0,755 30 2 = 2(0'q9)(|44?0) = ■]2 290 kg Dans le cas d '"un patin unique non articulé F = force du piston 8 = force de maintien 35 0 = 2fF où. f = coefficient de frottement, et constante 2 = nombre de de patins. 70 34001 2062936 7 Exemple : Données : Les mêmes données que dans l'exemple précédent On demande de trouver la force de maintien (g) 5 F = 24 430 kg (voir l'exemple précédent) &•= 2(0,19) (24 430) = 9 283 kg Sur les figures 6 et 7, on notera qu'une ligne passant par le centre.du tuyau et par le centre des pivots varie de 45° par rapport à la direction dans laquelle se déplace le pivot. Sur la 10 figure 6, cet angle est de 49° approximativement, car le tuyau est plus petit. Sur la figure 7 qui concerne un tuyau de plus grand diamètre, l'angle est d'environ 41°. De'ce fait, lorsqu'une pince commune est appliquée contre des tuyaux de dimensions différentes, sa forme est de préférence telle que, dans chaque cas, l'angle de 15 serrage est aussi rapproché de 45° que cela est possible. Cependant, les positions relatives' des figures 6 et 7 montrent que cet angle "n'a pas d'importance, primordiale et qu'il est simplement préférable qu'il se rapproche de 45° pour permettre l'utilisation de faces de serrage - aussi grandes que possible afin de réduire toute tendance 20 à la déformation/à l'écrasement du tuyau, tout en continuant à obtenir l'avantage d'une force de serrage accrue due à l'utilisation de deux patins de serrage espacés et disposés de. chaque côté de l'axe central du piston. La figure 9 représente la manière de tracer la face de 25 serrage du patin 33 pour l'adapter.à des tuyaux de dimensions différentes. Lorsque le dispositif de relevage fonctionne sur un tuyau souple, une ou deux.tiges de forage présentent des dimensions relativement proches. Dans un puits peu profond, oh n'utilise des tiges de forage que d'une seule dimension, mais dans un puits profond il 30 est possible d'utiliser des tiges de forage de deux dimensions. Dans l'un et l'autre cas, l'extrémité inférieure de la tige de forage porte un emmanchement et un moteur de forage de dimensions relativement grandes. Il est souhaitable que deux ou même trois tiges de dimensions différentes puissent être montées sur les pinces. 35 Dans ce but, un élément central de la face de serrage des pinces est tracé avec un rayon R1, comme on le voit sur la figure 9. Ce rayon permet le serrage d'une tige.de faible dimension. Le rayon R2 •permet le serrage d'une tige de dimension légèrement plus grande. 70 34001 8 2062936 lorsque la tige qui doit être utilisée comme tige de forage est souple dans une certaine mesure, le contour de la face de serrage qui est tracé à l'aide des rayons R1 et R2 est en contact avec la tige souple, car leur différence de courbure est très faible et la 5 tige souple s'adapte d'elle-même à cette différence. Le rayon R3 est le rayon de la surface beaucoup plus grande destinée au logement du moteur et aux emmanchements de forage. D'habitude, ces surfaces ne présentent aucune souplesse mais elles sont disposées à l'extrémité inférieure du train de tige, elles ne demandent que relative-10 ment peu de force de serrage et elles peuvent être supportées par leur contact avec les surfaces tracées à l'aide du rayon R3 sur la face de serrage. D'après ce qui précède, on voit que la présente invention permet d'atteindre les buts recherchés. La force de serrage s'exer-15 çant sur un tuyau ou une tige de forage manipulée par un dispositif de relevage a été accrue par l'application d'une force oblique au lieu d'une force directe. Bien que le mouvement de va-et-vient du dispositif qui supporte les patins de serrage puisse être produit mécaniquement ou hydrauliquement, le système hydraulique est préfé-20 ré actuellement. L'appareil comporte un dispositif permettant d'économiser ie fluide lorsqu'il est utilisé avec des tuyaux de dimensions différentes, à l'aide d'une butée qui réduit le volume de fluide qui doit être mis en circulation. En comparaison avec le brevet des Etats-Unis d'Amérique précité, on voit que la course du 25 piston nécessaire pour ouvrir les mâchoires est réduite par le fait que la butée 41 porte contre les mâchoires de serrage et les fait tourner autour de leurs pivots lorsqu'elles sont reculées. De ce fait, la course d'ouverture des mâchoires du piston est minimale. Les pinces du système peuvent manipuler des tiges de plusieurs di-30 mensions différentes et elles permettent à un seul dispositif de relevage d'agir sur des tiges de forage de dimensions différentes ainsi que sur le moteur de forage et les dispositifs d'emboîtement dont normalement les dimensions sont supérieures à celles de la tige de forage. 35 II va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 70 34001 2062936 9 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de relevage, caractérisé en ce qu'il ^ comprend une chaîne sans fin portant plusieurs pinces destinées à serrer un tuyau et comprenant chacune un carter dont les extrémités 5 opposées portent des tourillons faisant partie de la chaîne sans fin, line ouverture d'un côté du carter étant destinée, à loger un t-uyau qui doit être déplacé par le dispositif de relevage, des éléments opposés se déplaçant d'un mouvement de va-et-vient dans le carter sur les côtés opposés de l'ouverture, un dispositif impri-10 mant un mouvement de va-et-vient à .ces éléments, un étrier porté par chaque élément se déplaçant d'un mouvement de va-et-vient dans l'ouverture et portant deux broches-pivots dont les axes de rotation sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'élément associé et sur les côtés opposés de son axe central,- chaque broche-15 pivot portant un patin de serrage destiné à être appliqué contre un tuyau disposé dans l'ouverture. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce- qu'une ligne tracée entre l'axe de rotation d'une broche-pivot 'et l'axe central du tuyau serré bissecte approximativement la face 20 de serrage d'un patin et est inclinée d'un angle de 45° environ par rapport à l'axe de l'élément associé. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le contour de la face de serrage de chaque patin est tracé à l'aide de deux rayons au moins dont le plus court est au centre du 25 patin, ledit contour permettant le serrage de tuyaux de dimensions différentes à l'aide des mêmes patins. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'une butée réglable limite sélectivement le recul de 1'étrier lorsque le dispositif de relevage est utilisé pour la manutention 30 d'un tuyau de petit diamètre, la butée faisant tourner les patins de serrage afin de les ouvrir complètement pendant le mouvement de recul des pistons. 5 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une butée est portée par le carter et porte contre les patins 35 de serrage pendant la course de recul de l'élément animé d'un mouvement de va-et-vient afin de faire tourner les patins de serrage et de les-ouvrir complètement. 6 - Sous-ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend un 70 34001 10 2062936 carter dont vme ouverture de l'un de ses côtés est destinée à loger un élément, des éléments opposés animés d'un mouvement de va-et-vient étant .montés sur les côtés opposés de l'ouverture du carter, un dispositif imprimant un mouvement de va-et-vient aux éléments 5 dont chacun porte un étrier qui se déplace d'un mouvement de va-et-vient dans l'ouverture et porte deux broches-pivots dont les axes de rotation sont situés dans tin plan perpendiculaire à l'axe de l'élément associé et sont situés sur les côtés opposés de cet axe, chaque broche-pivot portantun patin de serrage destiné à être ap-10 pliqué contre*11 élément disposé dans 11 ouverture. 7 - Sous-ensemble'suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les extrémités opposées du carter portent des tourillons destinés à le supporter sur une chaîne sans fin. 8 - Sous-ensemble suivant la revendication 6, caractérisé 15 en ce qu'une ligne tracée entre l'axe de rotation d'une broche- pivot et l'axe central d'un élément qui est serré bissecte approximativement la face de serrage d'un patin et s'incline d'un angle de 45° environ par rapport à l'axe de l'élément associé. 9 - Sous-ensemble suivant la revendication 6, caractérisé 20 en ce que l'élément qui doit être serré est cylindrique, le contour de la face de serrage de chaque patin étant tracé à l'aide d'au moins deux rayons dont le plus court est au centre du patin, le contour de la face de serrage lui permettant de serrer des éléments cylindriques de dimensions différentes à l'aide des mêmes patins. 25 10 - Sous-ensemble suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'une butée réglable limite sélectivement le recul de l'é-trier lorsque le sous-ensemble est utilisé pour la manutention d'un élément de petit diamètre. 11 - Sous-ensemble suivant la revendication 9, caractérisé 30 en ce qu'une butée réglable limite sélectivement le recul de l'é-trier lorsque le sous-ensemble est utilisé pour la manutention d'un élément de petit diamètre, la butée faisant tourner les patins de serrage et les ouvrant complètement pendant le recul de l'élément animé d'ion mouvement de va-et-vient. 35 12 - Sous-ensemble suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'une butée portée par le carter porte contre les patins de serrage pendant la course de recul de l'élément afin de les faire tourner et de les ouvrir complètement. 70 34001 n 2062936 13 - Sous-ensemble d'un appareil destiné à serrer un élément, caractérisé en ce qu'il comprend un carter dans lequel est monté un élément.animé d'un mouvement de va-et-vient, un dispositif imprimant un mouvement de va-et-vient audit élément, un étrier porté 5 par l'élément comportant deux broches-pivots espacées, disposées de chaqiie côté de l'axe central dudit élément et portant chacune un patin de serrage. '14- Sous-ensemble suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le contour de la face de serrage de chaque patin lui per-10 met'de serrer des surfaces cylindriques de diamètres différents, des dispositifs limitant sélectivement le recul de 1'étrier et faisant tourner.les patins afin de les ouvrir complètement.