Brevet FR2356463A1 — publié le 19780127

ta pré:;l-r~te invention a pour objet un procédé et un outillage pour l'assemblage de tubes. Il est courant d'assembler des tubes par boulonnage de brides, par emboitement, par soudage ou par collage. Le premier procédé estge la fixation des brides aux extrémités des tubes et la présence d'un joint d'étanfhéité, Il est donc coûteux et la durée de l'étanchéité n'est pas toujours assurée, par suite de la dégradation progressive du matériau du joint. Le deuxième procédé nécessite, soit une préparatrol: spéciale des extrémités, soit la fixation d'éléments d'extrémités. Il est également coûteux et ltetancheité n'est pas toujours assurée Le soudage exige un personnel# hautement spécialisé et des contrôles très minutieux. Enfin, le collage nécessite une exécution soignée-à l'abri de toute souillure, ce qui est difficile à réaliser sur le chantier de pose. De plus, un temps de séchage ou de chauffage est à prévt~r. Enfin, ce procédé pose un problème de tolérances : des tolérances trop serrées sont difficiles à obtenir et -laisseraient un film de colle d'épaisseur insuffisante, tandis que des tolérances trop larges nécessitent un maintien rigide des pièces pendant tout le temps du séchage et entraînent une mauvaise adhérence On cherche donc à trouver un procédé rapide et fiable pour permettre le raccordement de tubes à parois minces par rapport à leurs diamètres et de mêmes dimensions nominales, ce raccordement résistant à une pression relativement importante. Il est ainsi connu d'assemble# des tubes de diamètres sensiblement égaux par emboîtement à force de ltextrémite de l'un des tubes dans l'autre. Les brevets français 1.482.536 et 1.535.955 entre autres, décrivent de tels procédés. Il est connu de mettre à profil au moins l'un des tubes, c' est-à-dire d'évaser, ou au contraire, de rétreindre ltextrémite de l'un des deux tubes, de façon à former des extrémités dissymétriques permettant, au début, l'engagement du tube dont l'extrémité déformée a le plus faible diamètre, dans l'autre. Un collier de serrage est ensuite monté sur chaque tube, à quelque distance de son extrémité, cette distance étant au moins égale à la longueur de pénétration prévue du tube mâe dans le tube femelle. Entraînés au moyen de ces colliers, les tubes sont rapprochés puis emboîtés à force l'un dans l'autre, sur une longueur déterminée. Pour une longueur de pénétration de tordre du diamètre des tubes, on obtient une jonction étanche et mécaniquement résistante. La longueur de pénétration dépend évidemment des propriétés physiques du matériau des tubes, de la résistance mécanique demandée à l'assemblage ainsi que du degré d'étanchéité souhaité, lorsque les tubes sont destinés à véhiculer des fluides sous pression. Il s'avère qu'un tube résiste mieux à la compression qu'à la dilatation. La paroi d'un tube se distend relativement facilement, tandis qu'il faut un effort plus important pour la comprimer et faire fluer le métal sur un diamètre inférieur. Il y a, en quelque > sorte, un phénomène d'arc-boutement du matériau du tube sur luimême s'il est comprimé de façon symétrique. Comme il est dit dans le FR. 1.482.536, "le joint achevé par emboîtement des deux tubes conserve presque exactement le diamètre intérieur initial du tube intérieur". Or, pour un certain nombre d'emplois, tels que les utilisations en mé aines ca#aique, et mêmecer ffi auteries transportant des fluides, il est utile de conserver, au contraire, un diamètre extérieur constant. Dans ce cas, il est cependant très souhaitable que lemboîtement des deux tubes l'un dans l'autre ne crée que le minimum de perte de charge. On parvient à ce résultat si,-pendant toute la durée de l'opération d'emboîtement, l'extrémité du tube femelle est solidement enserrée dans une matrice indéformable sur une longueur au moins égale à la longueur de pénétration désirée du tube mâle. Ce procédé d'assemblage par emboîtement de tubes avec contraction d'un premier tube à l'intérieur de l'autre exige une dépense d'énergie plus importante que l'emboîtement avec dilatation du second tube mais donne de meilleures caractéristiques de tenue mécanique de l'assemblage ainsi que d'étanchéité. L'objet de l'invention est ainsi un nouveau procédé d'assemblage de tubes standard de dimensions identiques, à parois relativement minces par rapport à leurs diamètres, tels que les tubes de la série "gaz", cet assemblage devant répondre aux critères sévères de résistance mécanique, d'étanchéité, de constance du diamètre extérieur et, cependant, de faible perte de charge pour les fluides circulant à l'intérieur. Un autre objet de 11 invention est constitué par un outillage pour la mise en oeuvre du procédé. Dans le procédé selon l'invention, on procède à une mise en profil au moins de l'extrémité mâle par chanfreinage suivie éventuellement d'une lubrification d'au moins l'un des tubes à assembler, puis l'on emboîte à force l'extré- mité du tube choisi comme tube mâle, dans celle de l'autre tube, pris comme tube femelle. Un outillage pour la mise en oeuvre du procédé comprend un manchon mobile autour de son axe, dont les extrémités sont filetées. Dans chacune de ces extrémités est vissé un mors de serrage, chacun de ces mors étant muni d'une aurface ttnncenique intérieure de serrage agissant sur un collier en forme de douille fendue. L'une de ces douilles enserre le tube mâle, à quelque distance de son extrénij#, " outre douille enserre l'extrémité du tube femelle. Les mors de serrage sont munis de plats permettant de les immobiliser à l'aide d'une clef double. Contrairement aux procédés connus, les deux colliers (ou douilles) ne sont pas montés l'un et l'autre à des distances égales de l'extrémité de chaque tube correspondant à la longueur de pénétration d'un tube dans l'autre. Pour le tube devant faire office de tube mâle, le collier est placé à une distance supérieure à la longueur de pénétration prévue, ceci pour permettre à un tube femelle de s'emboîter sur le tube mâle d'une longueur suffisante. Par contre, pour le tube femelle, le collier est placé à l'extrémité du tube et il a lui-même une longueur au moins égale à la longueur de pénétration. Le tube femelle est ainsi enserré dans son collier comme dans une matrice indéformable. Il ne peut aucunement se dilater . Il contraint, au contraire, le tube mâle à se déformer en se contractant comme dane une filière. Le fait cet cetemboîtement avec contraction du tube mâle exige un effort de rapprochement supérieur à celui nécessité par les dispositifs connus dans lesquels on laisse se dilater le tube pris comme femelle. En #contre-partie, celà permet de conserver un diamètre extérieur constant, même dans la zone d'emboîtement des tubes l'un dans l'autre.On s'aperçoit, de plus, que cet effort supérieur n'est pas sans intérêt, car on obtient une meilleure tenue mécanique de l'assemblage et une meilleure étanchéité. Pour faciliter l'emboîtement des tubes, on effectue une mise à profil de leurs extrémités, celle du tube femelle n'étant pas indispensable. Cette mise à profil consiste non pas comme précédemment à effectuer un évasement ou une contraction sans enlèvement de matière, de l'extrémité de l'un au moins des tubes. Elle consiste essentiellement, au contraire, à chanfreiner ltextérieur du tube mâle pour former une extrémité en biseau effilée vers l'extrémité. On peut aussi, mais cela n'est pas indispensable, aléser coniquement ltextrémité intérieure du tube femelle pour faciliter l'engagement réciproque des deux extrémités qui se trouvent alors avoir des formes complémentaires. Après emboîtement des deux tubes, avec contraction du tube mâle, on s'aperçoit que l'extrémité chanfreinée de ce tube s'est transformée en donnant en quelque sorte une embouchure convergente. Le diamètre externe du tube comprimé est constant sur toute la longueur d'emboîtement, le métal étant plaqué sur la paroi interne du tube femelle. Le chanfrein du tube mâle est rentré à l'intérieur du tube et dessine un alésage conique se raccordant sans aspérité brusque et, en quelque sorte, en pente doute avec la paroi interne du tube femelle. Pour garantir le maximum d'indéformabilité, les colliers sont réali sés, de préférence, en matériaux de module d'élasticité plus élevé que le matériau du tube. L'invention sera mieux comprise par l'examen des exemples illustrés par les figures jointes. La figure 1 représente, en coupe par plan axial, les extrémités des tubes à assembler. La figure 2 est une vue perspective d'une matrice d'assemblage expérimentale. La figure 3 représente, en coupe la même matrice expérimentale en fonctionnement. La figure 4 représente, en coupe par un plan axial, l'assemblage obtenu par emmanchement à force. Enfin, les figures 5 et 6 représentent un outillage pour la mise en oeuvre du procédé ; la figure 5 est, pour sa moitié haute, une élévation latérale, pour sa moitié basse, une demi-coupe par un plan axial ; la figure 6 est une demi-vue de bout. Sur ces figures, les mêmes éléments sont représentés par les mêmes repères. Le procédé ci-dessous décrit supplique aux tubes réalisés à partir d'un matériau à fort allongement, tel que l'aluminium, le zinc, le cuivre, l'étain, les alliages ayant l'un de ces métaux pour base. On procède d'abord à une mise en profil des extrémités des tubes à joindre. Dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention, cette mise en profil consiste en chanfreinage du tube mâle (1) et en un alésage conique du tube femelle (2), selon la figure 1. Il reste alors à procéder à la lubrification des extrémités et à l'assemblage par enfoncement à force de l'extrémité du tube mâle dans celle du tube femelle. Les essais d'assemblage donnés ci-dessous ont été effectués avec de faibles longueurs de tubes (1) et (2), dans une matrice comprenant deux blocs (3) et (4) en acier, percés en leur centre d'un alésage (5) dont le diamètre est égal au diamètre des tubes à assembler, de façon que ces derniers puissent y être engagés sans jeu latéral. Chaque bloc (3) et (4) peut s'ouvrir en moities (6)-(7) respectivement (8)-(9) suivant un plan passant par l'axe de perçage de l'alésage (5), de facon à permettre le dégagement des tubes après assemblage. L'ensemble de ces blocs repose, à son extrémité inférieure, sur un plateau (10). Un poussoir (11), dont le diamètre extérieur est égal au diamètre intérieur des tubes (1) et (2) à assembler, est engagé dans l'extrémité libre de l'alésage (5). L'assemblage s'opère par pénétration du poussoir (11) dans l'alésage (5), qui provoque la pé nétration de l'extrémité (12) du tube mâle (1) dans l'extrémité (13) du tube femelle (2). Les deux longueurs (1) et (2), préparées selon la méthode décrite, sont lubrifiées au moyen d'une graisse, telle que du suif, du sulfure de molybdène, ou encore au moyen d'un revêtement, tel que de l'étain, du zinc, du cuivre. Elles sont ensuite introduites dans l'alésage (5) des deux blocs (3) et (4) placés l'un au-dessus de l'autre, selon la figure 3, puis le poussoir (11), de hauteur correspondant à la longueur d'emmanchement désirée, pénètre dans la partie demeurée libre de l'alésage. L'ensemble est placé entre les plateaux (10) et (14) d'une presse. L'effort s'exerce donc sur les deux extrémités (12) et (13) des tubes (1) et (2), directement sur le tube inférieur (1) et par l'intermédiaire du poussoir (11) sur le tube supérieur (2). a) dans un premier essai, on utilise des tubes de diamètre extérieur 8 mm et d'épaisseur 1 mm, en aluminium commercial à 99,5 % recuit. Le tube mâle est chanfreiné et le tube femelle est alésé d'un angle a = 5 . La lubrification s'opère à l'aide d'un aérosol à très forte concentration en bisulfure de molybdène. L'emmanchement se fait sous un effort de 2.600 Newtons sur une longueur de 10 mm : la liaison mécanique obtenue est bonne b) mêmes conditions, mais a = 100, l'effort d'emmanchement étant porté à 3.340 Newtons. La liaison est bonne, mais le tube mâle est épaissi de 1,5 mm; c) mêmes conditions, mais a = 150, l'effort d'emmanchement étant de 3.000 Newtons pour une pénétration de 22 mm.La liaison obtenue est très bonne, les tubes ne sont pas déformés d) on utilise un tube de diamètre extérieur 16 mm et d'épaisseur 1 mm, en aluminium à 99,5 % étiré à froid à l'état demi-dur. Le tube mâle est chanfreiné à cr 450, le tube femelle n'étant pas alésé. La lubrification se fait au suif. Avec un effort de pénétration de 2.800 Newtons, on obtient un assemblage de bonne qualité, parfaitement étanche à la mise sous pression, à 7 bars dtns une cuve à eau ; t e) e) on utilise un tube de dimensions identiques à celui utilisé en (d), mais en alliage d'aluminium contenant de 0,5 à 1,1 % de magnésium, filé à l'état quart-dur. Le tube mâle est chanfreiné de a = 450, le tube femelle n'étant pas alésé.L'effort de pénétration est de 2.800 Newtons ; la liaison obtenue est de bonne qualité, étanche à l'essai sous pression. Les essais (a) à (c) sont repris, mais ltenfoncement est opéré par efforts dynamiques, donnés en l'occurence par des chocs successifs d'un marteau, à raison de 5 chutes de 1 m d'un marteau de 1,5 kg ; les résultats sont identiques à ceux donnés ci-dessus. Les performances ainsi obtenues sont vérifiées par un essai hydrostatique : la pression moyenne de rupture est supérieure à 170 bars dans le cas des assemblages obtenus statistiquement, et 140 bars dans le cas des assemblages opérés dynamiquement. On voit que, comme on pouvait le prévoir, la mise en oeuvre du procédé est d'autant plus facile que le matériau utilisé présente un fort allongement. Il convient de choisir les conditions opératoires de façon que l'effort de pénetration ne soit ni trop faible, ce qui donnerait lieu à une jonction imparfaite, ni trop fort, ce qui pourrait provoquer des ruptures. On peut réduire l'effort de pénétration en recuisant l'extrémité du tube femelle. La lubrification présente une grande importance. Le bisulfure de mobyldène et le suif donnent de bons résultats ; le bisulfure de molybdène peut se présenter sous la forme d'un aérosol à très forte concentration, pulvérisé sur les extrémités des tubes. On assemble avec succès des tubes avec des longueurs de pénétration pouvant aller de 10 à 40 mm, soit environ trois quarts de diamètre à trois diamètres, avec des efforts maxima de l'ordre de 4.000 Newtons, sans grippage des surfaces en contact. Les silicates et l'étamage donnent de moins bons résultats. L'effort d'arrachement est, dans tous les cas, sensiblement égal à l'effort d'assemblage. L'adhérence et l'étanchéité des deux tubes peuvent être encore renforcées par l'exécution de quelques stries annulaires (28) sur la face externe du tube pris pour mâle (1). Ces stries, faisant de préférence un angle de 600, seront facilement exécutées en même temps que le chanfrein par un outil à molette. Elles peuvent être également renforcées dans des cas où l'on a des exigences tout à fait exceptionnelles, par l'usage d'adhésifs anaérobies, tels que les adhésifs à base de cyanoacrylate. Ces adhésifs utilisés en dehors du domaine normal des colles sont particulièrement fluides et peuvent s infiltrer dans des interstices très fins inférieurs à 2/poème de mm (rayures accidentelles, différences de rugosité). On constate, comme représenté figure 4, que, au cours de l'emboîtement à force du tube (1) dans le tube (2), le tube (1) se contracte et que son extrémité chanfreinée à l'extérieur se transforme en dessinant un embouchure à paroi interne convergente sous forme d'un alésage conique. Dans la zone#d'em- manchement des deux tubes l'un dans l'autre, la section de passage interne est réduite mais, grâce au convergent dessiné par la paroi interne du tube mâle, le raccordement interne des tubes se fait sans rétrécissement brusque,selon un profil général en forme de Venturi donnant une faible perte de charge dans ladite zone de raccordement. Ceci se comprend aisément : le tube femelle (2) enserré dans la matrice (3 ou 24) ne peut pratiquement pas se dilater.Le tube mâle (17 est, au contraire, contraint de se contracter en pénetrant dans le tube (2) comme dans une filière. Mais l'extrémité (12) du tube mâle (1) effilée en biseau par le chanfrein a déjà un diamètre sensiblement égal à celui du diamètre interne du tube femelle. Cette extrémité (12) pénètre ainsi dans le tube femelle sans devoir se c#ontracter de façon visible. La portion du tube (1) faisant suite à l'extrémité effilée du chanfrein est, par contre, refoulée vers l'intérieur. Le tube se contracte en dessinant un rétricîssement très progressif du diamètre interne. Ce rétrécissement correspond naturellement à l'épaisseur croissante de métal le long du chanfrein en allant de l'extrémité vers la partie cylindrique du tube. Evidemment, après emmanchement, le tube femelle (2) se trouve sous contrainte sous la poussée du tube mâle (1). Lorsque l'on ouvre la matrice (3-4) et dégage le tube, on peut constater éventuellement une très légère dilatation du tube femelle (2) dans là zone d'emboîtement, mais cette dilatation reste dans le domaine élastique et correspond seulement à la libération des efforts précédemment encaissés par la matrice. Par ce procédé d'emboîtement d'un tube mâle (1) chanfreiné dans un tube femelle (2) enserré dans une matrice, on obtient un assemblage de tubes dont le diamètre externe reste très sensiblement constant, et dont la section interne a sensiblement une forme générale de convergent-divergent ou Venturi. Malgré la section de passage réduite au niveau de l'embei#ement, la perte de charge interne à ce niveau reste faible. La résistance mécanique de l'assemblage ainsi que l'étanchéité sont excellentes. Ayant prouvé la faisabilité du procédé, on décrit un outillage pour sa mise en oeuvre industrielle. Cet outillage comprend un manchon (15) mobile autour de son axe (16) et dont les extrémités sont taraudées intérieurement, l'une à droite (17), l'autre à gauche (18). Dans chacune de ces extrémités est vissé un mors de serrage (19) respectivement (20). Chacun de ces mors est muni d'une surface tronconique intérieure de serrage (21) respectivement (22), agissant sur une douille fendue (23) respectivement (24) jouant le rôle de matrice, l'une pour le tube mâle (1), l'autre pour le tube femelle (2). tes mors de serrage (19) et (20) sont munis chacun de plats (25) permettant de les immobiliser à l'aide d'une clef double (26). Le mode d'emploi de cet outillage est le suivant On prépare les extrémités des tubes (1) et (2) comme il est expliqué cidessus. On munit chacun de ces tubes de sa douille fendue (23), respectivement (24), placées de façon à laisser entre elles, lorsque les tubes sont bout à bout, une distance égale ou très légèrement supérieure à la longueur de pénétration désirée. La douille (24) du tube femelle (2) est placée à l'extremite du tube tandis que la douille (23) est placée sur le tube mâle (1) à une distance de l'extrémité légèrement supérieure à la longueur de pénétration. On introduit les tubes ainsi préparés dans le manchon mobile (15), puis on introduit et on visse à la main les mors de serrage (19) et (20) jusqu' à ce que les filetages soient bien engagés. On immobilise alors les mors de serrage au moyen de la clef double (26), puis l'on met en rotation le manchon (15) à la main ou au moyen d'un outil a tueur, jusqu'à ce que les faces en re- gard des douilles fendues (23) et (24) se touchent : les tubes sont assemblés. On fait, ensuite, tourner le manchon ( ] 5) en sens inverse : les mors de serrage (19) et (20) reculent, libérant les douilles fendues (23) et (24). Il est possible de munir le manchon (15) d'une fente (27) permettant de le dégager sur place. Pour les tubes de diamètre 10 mm ou moins, en aluminium, le chanfreinage du tube mâle peut se faire très simplement par un outil rustique du genre couteau ou grattoir. Evidemment, au lieu de l'outillage décrit où l'effort d'emboîtement des tubes est obtenu par un simple manchon taraudé (15), on peut utiliser des outils hydrauliques ou pneumatiques. t'invention s'applique à l'assemblage de tubes de diamètre relativement faible, résistant à des pressions modérées, en un matériau présentant un allongement important. Elle s'applique très bien, en particulier, toutes les fois qu'une réduction de diamètre au joint ne présente pas d'inconvénient. La section des tubes utilises n'est pas forcément circulaire. On peut aussi bien utiliser des tubes à sections polygonales quelconques. Il faudra alors tenir compte des possibilités de concentration d'effort en certains points. Enfin, le principe de l'invention peut aussi être utilisé pour l'emboî- tement à force de tubes à parois relativement minces dans des orifices pratiqués dans des appareils à parois épaisses, telles que des collecteurs ou plaques tubulaires. L'orifice pratiqué dans la paroi épaisse joue le rôle de tube femelle. Il est percé avec un diamètre inférieur au diamètre externe du tube à emboîter. La surface interne de l'orifice est alors frettée par l'épaisseur de la paroi de l'appareil ellemême. Un collier de serrage évitant la dilatation de l'orifice n'est plus utile. REVENDICATIONS 10) Procédé pour l'assemblage de deux tubes standard à paroi relativement mince par rapport à leur diamètre, et de dimensions identiques, consistant en ce que l'on emboîte à force l'extrémité préalablement chanfreinée de l'un des tubes, pris comme tube mâle, dans l'extrémité de l'autre tube, pris comme tube femelle (2), caractérisé en ce que l'extrémité du tube femelle (2) est enserrée dans une matrice indéformable (24) sur une longueur au moins égale à la longueur de pénétration du tube mâle. 20) Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du tube (1) pris comme mâle est chanfreiné en biseau. 30) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, avant emboîtement, l'extrémité du tube femelle est alésée coniquement. 40) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, ca ractérisé en ce que le chanfreinage préalable du tube mâle est de 5 à 200. 50) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que la mise à profil du tube mâle consiste en un chanfreinage sous un angle compris entre 5 et 200, le tube femelle étant alésé coniquement selon le mime angle. 6 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le tube mâle (1) comporte des stries annulaires (27) sur la partie destinée à être emboîtée. 70) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des tubes en contact sont lubrifiées à l'aide de suif. 80) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces des tubes en contact sont lubrifiées au moyen de bisulfure de molybdène. 90) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les surfaces des tubes en contact sont lubrifiées par un aérosol à très forte concentration en bisulfure de molybdène pulvérisé sur les extrémités des tubes à assembler. 100) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'assemblage est encore renforcé par l'usage d'adhésifs anaérobiez. 110) Procédé pour l'assemblage de tubes à paroi relativement mince dans un orifice pratiqué dans un appareil à paroi épaisse et résistante, caractérisé par le fait que le diamètre de l'orifice est alésé à un diamètre très sensiblement égal au diamètre extérieur du tube, que l'extrémité du tube est chanfreinée selon un angle compris entre 5 et 200 et que le tube est emboîté à force dans orifice sur une longueur supérieure à son diamètre. 120) Outillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelcon que des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un manchon (15) mobile autour de son axe (16) et dont les extrémités sont filetées intérieurement, l'une à droite (17), l'autre à gauche (18), et vissé dans chacune de ces extrémités, un mors de serrage (19)-(20), chacun de ces mors étant muni d'une surface tronconique intérieure de serrage (21)-(22) agissant sur une douille fendue (23)-(24), entourant, l'une l'extrémité du tube mâle (1), l'autre celle du tube femelle (2), les mors de serrage étant munis de plats permettant de les immobiliser à l'aide d'une clef double (26).