Brevet FR2077508A1 — publié le 19711029

La présente invention est relative à un dispositif d'étan-chéité destiné à être utilisé avec des pompes, par exemple des pompes à boue du type qui comprend une chambre de pompage qui communique avec un collecteur d'aspiration par l'intermédiaire d'une soupape d'admission, et qui communique avec un collecteur de sortie par l'intermédiaire d'une soupape de sortie et est en outre en communication directe avec le cylindre et le piston de la pompe . L'invention est particulièrement adaptée pour être utilisée en conjugaison avec une pompe du type à piston à simple effet' employée -^Q pour le pompage de fluides abrasifs sous pression élevée, servant de véhicules dans le forage des puits de pétrole ou autres . Les pompes classiques de ce type utilisent seulement un joint d'étanchéité à haute pression qui se relâche lors de la course d'aspiration du piston (lorsque le piston se déplace depuis le 15 côté à haute pression jusqu'au côté à basse pression du cylindre ) permettant ainsi à l'air de pénétrer dans la chambre de pompage . Il résulte de l'entrée de l'air au cours de la course d'aspiration que la pompe devient extrêmement bruyante, fonctionne avec un rendement volumétrique réduit et mélange de l'air avec le fluide ,tel 20 que par exemple le fluide abrasif sous haute pression utilisé comme véhicule dans le forage des puits . Les pompes à boue classiques à piston utilisent des lèvres d'étanchéité sur leur extrémité à haute pression et leur extrémité à basse pression et ces lèvres sont recouvertes, sur le côté à 2^ basse pression du piston, d'un lubrifiant tel que de l'eau , de l'huile ou autre . Cependant, les lèvres d'étanchéité à chaque extrémité du piston ont tendance à nettoyer le cylindre par balayage, de telle sorte qu'il en résulte une usure excessive du joint à haute pression lors de son mouvement alternatif entre les extrémi-jq tés à haute et à basse pression du cylindre . L'invention propose un dispositif d'étanchéité pour une pompe comportant un piston se déplaçant de façon alternative dans un cylindre, entre une extrémité à haute pression et une extrémité à basse pression, et lubrifié au moyen d'un fluide de lubrifica-35 tion, qui comprend un joint d'étanchéité à haute pression et un joint d'étanchéité à basse pression sur le piston, au voisinage desdites extrémités à haute pression et à basse pression respectivement, entre le piston et le cylindre ; le joint à haute pression entrant en action lors de la course de compression du piston à partir de l'extrémité à basse pression jusqu'à l'extrémité à 6AD ORIGINAL1 70 36383 2 2077508 haute pression pour déplacer le fluide vers l'extrémité à haute pression sans qu'il se produise de.fuites du fluide autour du joint à haute pression, le joint à basse pression entrant en action au cours de la course de compression afin d'absorber le 5 fluide de lubrification et de lubrifier le cylindre, le joint à basse pression entrant en outre en action lors de la course d'aspiration du piston à partir de l'extrémité à haute pression jusqu'à l'extrémité à basse pression afin d'empêcher toute fuite ou perte de la pression atmosphérique autour du joint d'étanchéité 10 à basse pression et de lubrifier le cylindre,empêchant ainsi l'usure et une surchauffe du joint à haute pression lors de la course de compression et de la course d'aspiration . Le dispositif d'étanchéité perfectionnné suivant l'invention permet d'utiliser un piston à simple effet dans la pompe, sup-15 primant ainsi 1'utilisation d'une pompe de charge, empêche la pénétration de l'air atmosphérique au-delà du joint à basse pression , du joint à haute pression et dans la chambre de pompage, lubrifie automatiquement le cylindre avec un fluide lubrifiant , empêchant ainsi l'usure et une surchauffe du joint à haute pres-20 sion j et comporte un chanfrein d'entrée.aux extrémités à haute et à basse pression du cylindre . D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels : 25 la Fig.l est une vue en coupe verticale d'une pompe à boue pour le pompage d'une boue de forage, montrant le dispositif d'étanchéité perfectionné suivant l'invention ; la Fig.2 est une vue partielle en coupe verticale à plus grande échelle du dispositif d'étanchéité suivant l'invention, 30 utilisant un organe de retenue du joint à basse pression, ayant dans son ensemble une forme en L ; la Fig.2A est une vue partielle à plus grande échelle du joint à basse pression ; la Fig.3 est une vue analogue à celle de la Fig.2 montrant 35 un dispositif de retenue du joint, de forme annulaire . En se référant à la Fig.l, on voit une pompe du type à piston à simple effet utilisée pourpomper les boues abraaives pour des forages sous pression élevée, utilisées dans le forage des puits de pétrole, cette pompe étant désignée dans son ensemble par 40 la référence 10c BAD ORIGINAL 70 36383 3 2077508 La boue de forage pénètre dans un collecteur d'aspiration 12, en provenance d'une source ( non représentée) et passe, par l'intermédiaire d'une soupape d'admission 14, dans une chambre de pompage 16. ^ Le dispositif d'étanchéité perfectionné suivant l'invention est en communication avec la chambre de pompage 16 représentée à la Fig.l.Comme on le voit aux Fig.l,2 et 3, le dispositif d'étanchéité comporte un cylindre 18 ayant une extrémité à haute pression HP adjacente à la chambre de pompage 16, et une extrémité 10 à basse pression LP. Un piston 20 ayant un corps 20b fixé sur une tige 20a au moyen d'une rondelle 26 et d'un écrou 28 peut se déplacer suivant un mouvement alternatif dans le cylindre 18 entre son extrémité à haute pression HP et à basse pression LP. Un joint à haute pression 22 est disposé sur le corps 20b 15 du piston au voisinage de l'extrémité HP entre le corps 20b du piston et le cylindre 18 de ce dernier . Le joint d'étanchéité 22 à haute pression comporte un organe de retenue 22a, qui est de façon appropriée en métal, ou autre, une partie renforcée 22b (qui est de préférence du caoutchouc tel que du Buna N ou autre, ren-20 forcé par des couches radiales de toile telle que du Nylon ou autre) qui est adjacente à l'organe de retenue 22a, une partie 22c formant élément d'usure ( qui est de préférence en caoutchouc tel que du Buna N ou autre) adjacente à la partie renforcée 22b, et une portion d'angle 22d ou talon ( analogue à la partie 22c formant 25 élément d'usurej adjacente à l'organe de retenue 22a et à la partie renforcée 22b .Un dispositif de lubrification 21, tel que par exemple un conduit d'admission 21a s'étendant à partir d'un collecteur de balayage ( non représenté) mais contenant un lubrifiant ou un fluide de balayage, tel que de l'eau, de l'huile diesel ou autre 30 qui communique avec le piston 20 afin d'alimenter la tige de piston 20a en fluide de lubrification, enlevant ainsi toute boue de forage qui pourrait franchir le joint à haute pression 22. On remarquera en considérant la Fig.2 que le joint à haute pression 22 présente une portion 22a de forme divergente vers l'extérieur, ou lèvre 35 22e, adjacente à l'extrémité à haute pression HP et dont l'angle de divergence a est égal à environ 5 à 10°. Un joint à basse pression 24 est prévu sur le corps 20b du piston au voisinage de l'extrémité à basse pression entre le corps de piston 20b et le cylindre 18. Le joint à basse pression 40 24 comporté un organe d'étanchéité poreux 24a qui peut être saturé 70 36383 4 2077508 par le fluide de lubrification, présente un faible coefficient de frottement et est résistant à l'abrasion . L'organe d'étanchéité poreux 24a peut être soit du CORFAM non rempli (marque de fabrique d'une matière produite par E.I. DU PONT DE NEMOURS,WILMINGTON, 5 DELAWARE, U. S.A.}, non tissée^, à haute résistance comprenant comme base un polymère d'uréthane renforcé par un polyester et présentant de nombreux pores dans sa surface de balayage, ou encore une matière propre à la confection de mèches, telle que du coton, du feutre ou autre matière analogue . L'organe d'étanchéité à basse jLo pression 24 en forme de coupelle comporte un organe d'appui 24b qui est de façon appropriée en un caoutchouc synthétique résistant à l'huile ou au pétrole, du type Buna ou autre .L'organe d'appui 24b et l'organe d'étanchéité poreux 24a sont fixés ou collés ensemble, par exemple par vulcanisation ou tout autre moyen ap-3^ proprié, pour constituer une portion de montage 24c et une portion d'étanchéité et de lubrification g4d .Un organe de retenue, tel que l'organe de retenue 24e, ayant dans son ensemble une forme en L, représenté à la Fig.2, est utilisé pour fixer la portion de montage 24c contre le corps 20b du piston . On remarquera en con-20 sidérant la Fig.2 que la lèvre ou portion d'étanchéité et de lubrification 24d diverge vers l'extérieur depuis la partie supérieure de l'organe de retenue 24e suivant un angle b (Fig.2a) égal à environ 5 à 10°. Il sera évident pour les techniciens qu'en variante, comme 25 représenté^. la Fig.3* le joint à basse pression 24 peut comporter un organe de, retenue 24e qui a dans son ensemble la forme d'un anneau plat . Comme on le voit aux Fig.l et 2, la rondelle 26 et l'écrou 28 pouvant être vissé sur le piston 20â fixent le joint d'étanchéi-•jO té à haute pression 22 contre le corps 20b du piston et, en coopération avec l'organe de retenue 24e, fixent la portion de montage 24c du joint à basse-pression 24 entre l'organe de retenue 24e et le corps 20b du piston . Comme on le voit à la Fig„2a, la largeur A de la portion de 35 montage 24c du joint à basse pression 24 doit être supérieure à la profondeur d (Fig.2,3) de l'épaulement 29 prévu sur le corps 20b du piston de telle sorte que l'organe de retenue 24e serre la portion de montage 24 du joint 24e, empêchant ainsi tout travail ou flexion excessive du joint à basse pression .L'organe d'appui ij.0 24b force la lèvre 24d contre la chemise 18 du cylindre lors de 70 36383 5 \ 2077508 la course d'aspiration (Fig.l) à partir de l'extrémité à haute pression HP vers l'extrémité à basse pression LP afin de procurer l'action d'étanchéité nécessaire entre ces parties . Lors de la course d'aspiration du piston 20 (Fig.l) à partir 5 de l'extrémité à !iaute pression HP vers l'extrémité à basse pression LP, la boue de forage sous pression se trouvant dans le collecteur d'aspiration 12 pénètre dans la chambre de pompage 16 (qui se trouve alors à une pression plus basse que la pression atmosphérique ) par l'intermédiaire de la soupape d'admission 14. 10 Lors de la course de compression du piston 20 à partir de l'extrémité à basse pression LP vers l'extrémité à haute pression HP, la boue de forage se trouvant dans la chambre de pompage 16 se trouve sous une pression supérieure à la pression atmosphérique ce qui donne comme résultat la fermeture de la soupape d'admission 15 14 et 1.'ouverture de la soupape de sortie 30 qui communique avec la chambre de pompage 16, et un orifice de sortie 32. Le joint à haute pression 22 entre en action lors de la course de compression (Fig.l) du piston 20 à partir de l'extrémité LP vers l'extrémité HP afin de déplacer le fluide de forage, ou la boue 20 de forage, vers l'extrémité HP sans que se produise de fuites de cette boue autour du joint à haute pression 22. Pendant ce temps, le joint à basse pression 24 entre en action au cours de cette course de compression pour absorber le fluide de lubrification se trouvant sur le piston 20 et pour lubrifier le cylindre 18 du 25 piston lors de cette course de compression . Ensuite, le joint à basse pression 24 entre en action lors de la course d'aspiration du piston 20 de l'extrémité HP vers l'extrémité LP afin d'empêcher toute fuite de la pression atmosphérique autour du joint à basse pression 24 ( et du joint à haute pression 22) et dans la chambre 30. de pompage 16 et afin de lubrifier le cylindre 18 lors de la course d'aspiration,empêchant ainsi toute usure et toute surchauffe du joint à haute pression 22. Pour faciliter l'entrée du piston 20 et du dispositif d'étanchéité dans la chemise 1.8 du piston, il est prévu des chanfreins t-c- d'entrée 33 aux extrémités HP et LP du cylindre 18. **0 ORIGINAL 70 36383 6 2077508 REVENDICATIONS 1-Dispositif d'étanchéité pour pompe du type comprenant un. piston se déplaçant suivant un mouvement alternatif dans un cylindre entre une extrémité à haute pression et une extrémité à basse pression, et lubrifié au moyen d'un fluide lubrifiant, caractérisé en ce qu'il comprend un joint à haute pression et un joint à basse pression montés sur le piston au voisinage des extrémités à haute et à basse pression respectivement, entre le piston et le cylindre, le joint à haute pression entrant en action au cours de la course de compression du piston depuis l'extrémité à basse pression vers l'extrémité à haute pression, afin de chasser ledit fluide vers l'extrémité à haute pression sans que se produise de fuites de ce fluide autour du joint à haute pression, le joint à basse pression entrant en action au cours de la course de compression pour absorber le fluide de lubrification et pour lubbifier le cylindre, le joint à basse pression entrant en outre en action lors de la course d'aspiration du piston depuis l'extrémité à haute pression vers l'extrémité à basse pression^ af in d'empêcher toute fuite de la pression atmosphérique autour du joint à basse pression et pour lubrifier le cylindre , empêchant ainsi l'usure et 1 'écliauffernent excessif du joint à haute pression lors de la course de compression et de la course d'aspiration . ■ 2-Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le joint à haute pression comporte un organe de retenue, une partie renforcée adjacente à cet organe de retenue P une partie formant élément d'usure adjacente à la partie renforcée et une portion d'angle ou talon adjacente à l'organe de retentis et à la partie renforcée . 3-Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le joint à haute pression comporte une portion divergeant vers 1'extérieur qui est adjacente à l'extrémité à haute pression . 4--Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le joint à basse pression comporte un organe d'étanchéité poreux pouvant être saturé par le fluide de lubrification . 5-Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 4 , caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité poreux a un faible coefficient de frottement . 6-Dispositif d8étanchéité suivant l'une quelconque des reven- BAD ORIGINAL 70 36383 7 2077508 dieations 4 ou 5, caractérisé en ce que l'organe d'étanchéité poreux est résistant à l'abrasion . 7-Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le joint à basse pression 5 comporte un organe d'appui adjacent à l'organe d'étanchéité poreux. 8-Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7> caractérisé en ce que le joint à basse pression a une forme en coupelle et comporte une portion de montage et une portion d'étanchéité . 10 9-Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 8, carac térisé en ce que la portion de montage est fixée contre le piston au moyen d'un organe de retenue . 10-Dispositif d'étanchéité suivant- l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la portion d'étan- 15 chéité diverge vers l'extérieur à partir du piston .