Brevet FR2468823A1 — publié le 19810508

-1- La présente invention est relative à un joint pour tubes, plus spécialement pour tubes d'acier, qui est destiné en particulier à l'industrie pétrolière, notamment aux colonnes de cuvelage et de production de gisements pétroliers. Les joints de ce type doivent présenter un certain nombre de qualités qui sont dans la pratique difficiles à conci- lier. Ces joints doivent pouvoir supporter des différences de pression très importantes entre la paroi interne et la paroi externe de la colonne de tubes. Ils doivent également présenter une résistance mécanique comparable à celle des éléments tubu- laires qu'ils sont destinés à réunir. Compte-tenu du fait que les colonnes de tubes munies de ces joints sont destinées à être placées dans des forages pro- fonds, il est souhaitable que le diamètre du joint ne soit supé- rieur au diamètre du tube que de la valeur la plus réduite possible. De tels joints doivent présenter également une étan- chéité sûre, même après des vissages et dévissages répétés, une extrémité male donnée pouvant être montée à cette occasion sur différentes extrémités femelles et ceci malgré les tolérances de fabrications qui sont inhérentes à toute production industrielle. Il est également souhaitable que les joints assurent dans toute la mesure du possible une auto-réparation des surfaces d'étanchéité car ces dernières sont relativement souvent soumises à des détériorations lors des manipulations sur chantier. Le joint selon l'invention est du type dans lequel les extrémités de deux éléments mâles sont réunis à l'aide d'un manchon femelle, chaque élément mâle étant muni d'un filetage par exemple tronconique qui s'engage dans un filetage femelle corres- pondant pratiqué sur le manchon. La présente invention a pour objet un joint pour tubes, en particulier pour tubes d'acier, destiné plus parti- culièrement à l'exploitation des gisements pétroliers, du type dans lequel les extrémités munies d'un filetage, par exemple conique, de deux éléments mâles sont réunies par un manchon présentant de chaque côté un filetage correspondant, caractérisé par le fait que le manchon présente dans sa partie centrale une surface d'étanchéité sensiblement cylindrique dont l'axe corres- pond à l'axe du joint, chaque élément mâle possédant à la 2-2-c58823 périphérie de son extrémité une surface d'étanchéité sensiblement cylindrique correspondante dont le diamètre est égal ou légère- ment supérieur au diamètre de la surface d'étanchéité du manchon, les extrémités des éléments mâles venant prendre appui axialement l'une contre l'autre lors du serrage du joint et l'espace exis- tant entre les extrémités des éléments mâles lors de leur premier contact allant en croissant de la périphérie vers le centre du joint, de manière que lors du serrage du joint les extrémités des - éléments mâles soient repoussés vers l'extérieur pour renforcer l'étanchéité par augmentation de la pression sur les surfaces d'étanchéité des éléments mâles et du manchon. Conformément à l'invention, on crée une pression de contact sur la périphérie externe des extrémités des éléments mâles qui viennent d'abord en contact au moment du serrage du joint. Tout serrage ultérieur tend d'une part à écraser l'une contre l'autre les surfaces frontales périphériques des extrémités des éléments mâles et d'autre part à repousser ces extrémités vers l'extérieur, en augmentant ainsi ladite pression de contact. On voit donc que, conformément à l'invention, si l'on se place dans un plan passant par l'axe du joint, au point o les génératrices externes des surfaces d'étanchéité des éléments mâles se rejoignent, on a lors du premier contact, la moitié de l'espace qui est occupé par le manchon femelle dont la surface d'étanchéité est cylindrique, alors que l'autre moitié de l'es- pace n'est occupée que partiellement par l'extrémité des éléments mâles du fait que, conformément à l'invention, la distance qui sépare les extrémités des éléments mâles est nulle au point de contact extérieur pour prendre des valeurs croissantes vers l'intérieur du joint. On conçoit, dans ces conditions, que lorsque l'on poursuit le serrage du joint on provoque un comblement partiel de l'espace résiduel existant entre les extrémités des éléments mâles en les repoussant vers l'extérieur, ce qui augmente leur pression sur la surface d'étanchéité du manchon par une sorte d'effet de genouillère. A cet effet de genouillère s'ajoute d'ailleurs un effet de gonflement diamétral des éléments mâles, localisé dans la zone de pression de contact, qui se produit lorsqu'on exerce une contraction dans le sens axial. Cet effet apporte un surcroît de force de contact en sens radial qui s'ajoute au frottage initial ou qui peut même résorber un faible jeu initial. Conformément à l'invention, les surfaces frontales des extrémités des éléments mâles peuvent avoir des formes diverses. Les extrémités des éléments mâles peuvent être par exemple très légèrement coniques concaves, c'est-à-dire que l'extrémité de chaque élément mâle peut être délimité par une surface conique dont l'angle avec l'axe du joint est légèrement inférieur à 900, les sommets des cônes étant dirigés vers l'in- térieur des éléments mâles. De cette manière, l'espace biconique existant entre les extrémités des éléments mâles lors du premier contact des élé- ments mâles se réduit progressivement lors du serrage par écrase- ment de la périphérie des extrémités des éléments mâles. Dans un autre mode de réalisation préférée de l'in- vention, les surfaces d'extrémité des éléments mâles ont une forme biconique, la zone périphérique des extrémités des éléments mâles ayant une conicité dirigée en sens inverse de la conicité de leur zone interne. Les conicités des zones périphériques des extrémités des deux éléments mâles destinés à être montés sur le même man- chon sont telles que le premier contact entre les extrémités des éléments mâles s'effectue à la périphérie de ces derniers. Les extrémités des éléments mâles s'écrasent ensuite progressivement lors du serrage au voisinage-du premier point de contact jusqu'à ce que les surfaces coniques de même conicité qui sont sur la zone interne des extrémités des éléments mâles, viennent prendre appui l'une contre l'autre pour constituer une butée. Conformément à l'invention, il est préférable que la surface d'étanchéité cylindrique du manchon se prolonge en di- rection des filetages par une surface dont le diamètre s'élargit progressivement, de manière à permettre un engagement facile et un centrage. automatique de l'extrémité des éléments mâles dont les surfaces d'étanchéité ont un diamètre égal ou supérieur au diamètre de la surface cylindrique d'étanchéité du manchon. A cet effet, il est également préférable d'arrondir légèrement l'arête externe de l'extrémité de chaque élément mâle. L'importance de cet arrondi peut cependant être très faible et correspondre uniquement à un très léger chanfrein de l'arête vive de l'extrémité des éléments mâles. -4 Dans une variante de l'invention, on peut placer deux anneaux d'étanchéité toriques, par exemple en PTFE, dans des gorges circulaires réalisées sur la surface cylindrique d'étan- chéité du manchon de part et d'autre du point o les extrémités des éléments mâles viennent en contact. Conformément à l'invention, il est également possible de placer une bague en PTFE dans une gorge pratiquée au voisinage de l'extrémité interne d'au moins un des éléments mâles. Le joint selon l'invention présente l'avantage d'être d'une réalisation facile et économique. - Tout d'abord, il n'existe aucune butée de limitation de vissage sur le manchon qui, de ce fait, peut être usiné dans un tube moins épais. Les surfaces d'étanchéité, tant sur le manchon que sur les extrémités des éléments males, sont des surfaces cylindriques dont l'usinage est particulièrement facile et économique. De plus, les contrôles de fabrication sont beaucoup plus faciles à effectuer et peuvent être réalisés avec des calibres dont le prix de revient est inférieur à ceux des calibres généralement uti- lisés pour les contrôles de fabrication des joints pour l'indus- trie pétrolière. Dans le cas de colonnes de tubes destinés à contenir des liquides corrosifs à leur intérieur, il est possible de réaliser uniquement les éléments mâles en acier inoxydable par exemple, les manchons étant réalisés en acier ordinaire. De même, on peut facilement, grâce au joint selon l'invention, réunir des tubes bimétalliques dont la partie située au voisinage de la surface interne est par exemple à réaliser en acier inoxydable, alors que le reste du tube est réalisé en acier ordinaire. Les dimensions relatives des filetages et les longueurs des éléments mâles sont telles que les extrémités des éléments mâles peuvent venir en contact et réaliser les déformations qui permettent d'assurer l'étanchéité selon l'invention avant qu'un frettage trop important se soit produit au niveau des filetages. Cependant, il est préférable selon l'invention que le frettage d'un élément mâle dans le manchon soit notablement supérieur au frettage de l'autre élément mâle dans le manchon de manière à s'assurer lors du montage et du démontage du joint, que le manchon reste toujours positionné sur le même élement mâle. Il -5- 7S2 2ú48823 suffit pour cela que le couple de serrage du manchon sur l'élé- ment mâle qui ne doit pas être séparé du manchon soit d'une valeur notablement supérieure à la valeur du couple de serrage de l'autre élément male dans le manchon. Il est intéressant, conformément à l'invention, de monter le manchon en usine sur l'élément mâle dont il ne doit pas être séparé. On va maintenant décrire plusieurs modes de réalisation de l'invention qui sont représentés sur le dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une pre- mière forme de réalisation d'un joint selon l'invention après assemblage, - la figure 2 est une vue en coupe axiale du joint de la figure 1 en cours d'assemblage, - la figure 3 est une demi-vue en coupe axiale d'une deuxième forme de réalisation d'un joint selon l'invention avant son serrage complet, - la figure 4 est une demi-vue correspondant à la figure 3 après serrage complet du joint, - la figure 5 est une demi-vue en coupe axiale, à plus grande échelle, du joint des figures 1 et 2, - la figure 6 représente schématiquement les extrémités des éléments mâles du joint de la figure 5 lors de leur premier contact, - la figure 7 correspond à la figure 6 après serrage complet du joint, - les figures 8, 9 et 10 sont des variantes du joint selon la figure 1. Les figures 1 et 2 représentent un joint selon l'inven- tion réalisé entre deux éléments mâles 1 et 2 au moyen d'un manchon 3. Les filetages extérieurs coniques 4 sont prévus aux extrémités des éléments mâles 1 et 2 pour coopérer avec des filetages 5 correspondants ménagés à la surface intérieure du manchon. Ces filetages sont de préférence des filetages trapé- zoidaux s'évanouissant à la surface extérieure des tubes. Comme cela est représenté à plus grande échelle à la figure 5 le manchon 3 comporte en sa partie centrale une surface d'étanchéité femelle cylindrique 6 raccordée de part et d'autre avec la surface interne du manchon 3 par des surfaces incurvées 7 -6- Des surfaces d'étanchéité mâles 8 également cylindri- ques sont prévues à l'extérieur des extrémités 9 des éléments males 1 et 2. Le diamètre des surfaces d'étanchéité males 8 est égal ou légèrement supérieur au diamètre de la surface d'étanchéi- té femelle 6 du manchon 3 afin qu'aucun jeu n'existe entre les surfaces d'étanchéité lors de l'engagement des éléments mâles 1 et 2 dans le manchon 3. Cependant, le frettage, qui peut en résulter, ne doit pas être excessif afin déviter tout grippage. On remarquera par ailleurs que dans la forme de réa- lisation décrite, les arêtes périphériques 10 des éléments mâles 1 et 2 sont légèrement arrondies. Pour plus de clarté, ces arron- dis ont été exagérés sur le dessin. Dans la pratique, ces arrondis peuvent être inexistents ou être constitués par un tout petit chanfrein pour "casser" l'arête vive de l'extrémité des éléments mâles. Dans certains cas, ces arrondis peuvent prendre une cer- taine importance. Dans le mode de réalisation des figures 1, 2 et 5, les surfaces de contact 11 et 12 des éléments mâles 1 et 2 sont constituées chacune par une première surface conique externe, 16', 17' et une seconde surface conique interne 16, 17, dont la conicité est orientée en sens inverse. A titre d'exemple, l'angle d'inclinaison a de la surface 16' de l'élément 1 est égal à 100, alors que l'angle d'inclinaison b de la surface 17' de l'élément 2 est égal à 5 . En ce qui concerne les surfaces coniques intérieures, les angles d'inclinaison c et d des surfaces coniques 16 et 17 des éléments 1 et 2 peuvent être par exemple tous deux égaux à 10 . Dans le mode de réalisation représenté, et pour une raison qui sera expliquée ci-après, les arêtes 14 et 15 formées par les surfaces 16 et 16' d'une part et 17 et 17' d'autre part, sont décalées d'une distance h dans le sens radial. On conçoit que, lorsque les extrémités ainsi constituées des éléments mâles 1 et 2 sont rapprochées l'une de l'autre, le premier contact s'effectue sur la périphérie externe des surfaces 16' et 17'. Au fur et à mesure que s'accroît la pression axiale sur les extrémités des éléments mâles, le jeu 13 existant entre les surfaces 16, 16' et 17, 17' se réduit jusqu'à ce que les surfaces 16 et 17 viennent au contact l'une de l'autre pour assurer une limitation du vissage. -7- 2468823 On comprend que le décalage radial h des arêtes 14 et permet d'assurer une limitation du vissage franche par le contact des surfaces 16 et 17. Dans le mode de réalisation décrit le décalage h a une valeur de lmm et une épaisseur à l'extrémité des tubes d'environ 10 à 20mm. Le montage du joint selon l'invention est effectué de la façon suivante * - Comme montré à la figure 2 le manchon 3 est vissé tout d'abord sur l'extrémité d'un des éléments mâles, par exemple de l'élément mâle 2. Il peut éventuellement y être assujetti par exemple par collage. Ce montage peut avantageusement être réalisé en usine alors que le montage de l'extrémité de l'élément mâle 1 dans le manchon 3 (figure 1) est effectué sur le chantier, avec un couple de serrage inférieur à celui de l'élément mâle 2 si celui-ci n'est pas assuré sur le manchon. On comprend que lorsque l'on effectue l'assemblage de l'élément mâle 1 dans le manchon 3 le premier contact entre les surfaces de contact des extrémités des éléments mâles 1 et 2 s'effectue à la périphérie extérieure comme cela est montré à la figure 6. Lorsque le serrage est poursuivi il se produit à cette périphérie un matage d'o il résulte que les éléments mâles 1 et 2 continuent à se rapprocher jusqu'à ce que les surfaces de - contact radialement intérieures 16 et 17 respectivement viennent en contact comme cela est représenté à la figure 7. Du fait du décalage h il en résulte un phénomène de butée de sorte que le serrage ne peut pas être poursuivi. Lors de ce serrage les parois des extrémités 9 des éléments mâles 1 et 2 ont tendance, par un effet de genouillère, à se déplacer radialement vers l'extérieur comme cela est il- lustré par les flèches 18. Par conséquent les surfaces d'étan- chéité mâles 8 viennent se plaquer sur la surface d'étanchéité femelle 6 du manchon 3 d'o il résulte une amélioration de l'étan- chéité. Les figures 3 et 4 représentent une autre forme de réalisation dans laquelle le premier contact des éléments mâles 1 et 2 est toujours prévu à la périphérie extérieure de ces tubes. De même que précédemment, l'espace 13 va en s'élargissant depuis la périphérie extérieure jusqu'à la périphérie intérieure des éléments mâles. Cependant dans ce cas les surfaces de contact 19 -8- et 20 des extrémités des éléments mâles 1 et 2 sont des surfaces coniques concaves c'est-à-dire des surfaces coniques dont le sommet est situé sur l'axe des tubes 1 et 2 à l'intérieur de ces éléments males. Comme cela a été mentionné ci-dessus lorsque l'élément mâle 1 est vissé dans le manchon 3 le premier contact entre les extrémités des éléments mâles 1 et 2 s'effectue à la périphérie extérieure 21 des surfaces 19 et 20 (figure 3). Lorsque l'on serre l'assemblage il se produit alors un matage dans la zone périphérique extérieure 21 des surfaces 19 et 20 (figure 4) de sorte que les surfaces 16 et 17 se rapprochent jusqu'à ce qu'el- les viennent en contact pour réaliser une butée comme les surfaces 16 et 17 de la forme de réalisation précédente. En position serrée du joint le matage des extrémités des éléments mâles qui s'effectue par déformation élastique et éventuellement plastique du métal amène en contact la totalité des surfaces 19 et 20 des extrémités des éléments mâles, ou laisse éventuellement subsister un faible jeu 21a qui-ne concerne qu'une partie des surfaces 19 et 20 comme cela a été représenté sur la figure 4 d'une manière très exagérée pour la clarté du dessin., On comprend que l'importance du jeu 21a dépend de l'inclinaison des surfaces 19 et 20 et du serrage du joint. Dans la plupart des cas, il est préférable que ce jeu soit réduit à rien ou presque rien mais l'existence d'un tel jeu est-compatible avec la mise en oeuvre de l'invention. On pourra choisir par exemple pour les angles entre les génératrices des surfaces coniques et les plans radiaux des valeurs de l'ordre de 15 minutes à 30 minutes. La figure 8 représente une variante dans laquelle deux anneaux d'étanchéité toriques de PTFE 22 sont logés dans des gorges annulaires prévues de part et d'autre de la surface d'étanchéité femelle 5 du manchon 3. Une autre variante est représentée à la figure 9 dans laquelle des bagues de PTFE 23 sont logées dans des renfoncements prévus à cet effet à la périphérie interne des extrémités 9 des éléments mâles 1 et 2. Dans un autre mode de réalisation il n'est prévu qu'une seule bague en PTFE qui est de préférence placée à l'extrémité de l'élément mâle 1. -9- 2458823 Dans l'une ou l'autre de ces deux variantes la présence du PTFE permet d'obtenir une étanchéité additionnelle. La figure 10 représente une forme de réalisation dans laquelle les éléments mâles 1 et 2 sont des tubes bimétalliques dont la partie extérieure 24 est réalisée par exemple-en acier ordinaire tandis que la partie intérieure 25 est réalisée par exemple en acier inoxydable. Etant donné le contact réalisé entre les surfaces 16 et 17 (figures 6 et 7) des éléments mâles 1 et 2 on comprend que le contact entre les deux surfaces d'acier inoxydable 25 des élé- ments mâles 1 et 2 est étanche. Il en résulte que le fluide circulant à l'intérieur du joint ne pourra pénétrer entre les surfaces 16 et 17 et ne pourra atteindre les zones des éléments 1 et 2 réalisées en acier ordinaire. La présente invention a été décrite en se référant à des surfaces d'étanchéité cylindriques tant sur le manchon que sur les extrémités des éléments mâles. Bien que cette forme cylindrique pour les surfaces d'étanchéité soit la forme préférée selon l'invention, l'on ne s'écarterait pas de l'esprit de cette dernière en réalisant les surfaces d'étanchéité avec des formes très légèrement coniques qui ne s'écarteraient pas sensi- blement d'une forme cylindrique. Dans cette hypothèse, il est clair que les éléments mâles devraient avoir à leur extrémité leur surface d'étanchéité présentant une conicité de même sens que la conicité de leur filetage. Par ailleurs, la présente invention a été décrite en se référant à des joints possédant des filetages coniques. On comprend que, compte-tenu du fait que l'étanchéité du joint est obtenue selon l'invention par arc-boutement des sur- faces d'étanchéité au voisinage du point de contact des extré- mités des éléments mâles, la forme des filetages n'est pas déterminante dans la mesure o les filetages ont essentiellement pour objet d'exercer des forces axiales convergentes sur les extrémités des éléments mâles. On pourrait ainsi dans certains cas et sans s'écarter de l'esprit de l'invention, utiliser des joints présentant des filetages cylindriques ou des combinaisons de filetages cylindriques et tronconiques lorsque cela serait en particulier nécessaire pour réduire l'épaisseur totale du joint. -10- REVEND ICAT IONS 1. Joint pour tubes du type dans lequel les extrémités munies d'un filetage par exemple conique de deux éléments mâles sont réunies par un manchon présentant de chaque côté un filetage correspondant, caractérisé par le fait que le manchon présente dans sa partie centrale une surface d'étanchéité sensiblement cylindrique dont l'axe correspond à l'axe du joint, chaque élé- ment mâle possédant à la périphérie de son extrémité une surface d'étanchéité sensiblement cylindrique correspondante dont le diamètre est égal ou légèrement supérieur au diamètre de la surface d'étanchéité du manchon, les extrémités des éléments mâles venant prendre appui axialement l'une contre l'autre lors du serrage du joint et l'espace existant entre les extrémités des éléments mâles lors de leur premier contact allant en croissant de la périphérie vers le centre du joint. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface d'extrémité de chacun des éléments mâles est légèrement conique concave. 3. Joint selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces d'extrémité des éléments mâles ont une forme biconique, la zone périphérique des extrémités des éléments mâles ayant une conicité dirigée en sens inverse de la conicité de la zone interne et les conicités des zones périphériques des extrémités des deux éléments mâles étant telles que le premier contact entre les extrémités des éléments mâles s'effectue à la périphérie de ces dernières. 4. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la surface d'étanchéité sensiblement cylindrique du manchon se prolonge en direction des filetages par une surface dont le diamètre s'élargit progressivement. 5. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'arête externe de l'extrémité de chaque élément mâle est légèrement arrondie. 6. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend deux anneaux toriques d'étanchéité disposés dans des gorges circulaires réalisées sur la surface cylindrique d'étanchéité du manchon de part et d'autre du point o les extrémités des éléments mâles viennent en contact. 7. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une bague d'étanchéité -11- 2A68823 disposée dans une gorge pratiquée au voisinage de l'extrémité interne d'au moins un des éléments mâles.