Brevet FR2480400A1 — publié le 19811016

La présente invention est relative à un joint fileté étanche aux gaz, notamment pour des conduites de puits de forage de pétrole ou de gaz. Au cours des dernières années, il y a eu une forte tendance à forer des puits à gaz profonds sous forte pression et il en est résulté une demande accrue en joints pour conduites de forage de gaz et de pétrole présentant des performances supérieures aux joints utilisant des filetages A. P. I. ("American Petroleum Institute), c'est-à-dire des filetages comportant des parties rondes et des parties trapézoïdales. Par ailleurs ces joints peuvent présenter une haute résistance à la traction et une excellente étanchéité aux fuites de gaz ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion et à l'érosion. Parmi les propriétés préférées pour de tels joints, l'étanchéité aux gaz est spécialement importante. Ceci est du au fait que les fuites dun gaz inflammable entraine des dangers d'explo- sion ou d'incendie, cependant que la fuite d'un gaz toxique, tel que le sulfure d'hydrogène peut provoquer un accident désastreux. L'une des façons classiques d'améliorer l'étanchéité aux gaz d'une partie filetée consiste à réaliser un jeu aussi faible que possible entre les parties filetées en prise, par un contrôle très strict de la tolérance d'usinage, à plaquer la partie filetéeà l'aide d'un métal mou tel que 1 'étain présentant une malléabilité impTortante et à appliquer sur la partie filetée une graisse composite mélangée à une poudre métallique très fine et à une huile minérale épaissie à l'aide de stearate de calcium et de stéarate de lithiumr. De mrme il est connu que le contrôle du couple et du nombre de tours est important lorsque l'on effectue le raccordement des deux pièces filetées en présence. Cependant, même en utilisant les noyens indiqués ci-dessus, il n'est pas possible d'empécher totalement les fuites de gaz dans les conditions de haute température et de haute pression que l'on rencontre fréquemment dans les forages des puits de pétrole et de gaz. Compte tenu de ces difficultés, on a utilisé des types spéciaux de joints pour améliorer l'étanchéité aux fuites de gaz. Certains de ces joints comnportent une partie de scellement ou d'étanchéité qui utilisent un contact métal-métal entre une broche (une conduite en acier) et un manchon d'accou- plement constituant le joint, alors que dans d'autres solutions on réalise une rainure annulaire dans laquelle on introduit une bague d'étanchéité en "teflon". On connait divers exemples de réalisation de joints présentant une partie de scellement ou d'étanchéité. Cependant, afin d'assurer un contact effectif métal-métal dans de tels joints connus il est important -2 Cqu'il n'existe aucun jeu dans la portion de contacts même si la conduite en acier est soumrise à des efforts de tension. Par conséquent, avec ce type de joints il est nécessaire d'utili- ser un couple important pour effectuer le raccordement, cependant une telle façon d'opérer provoque des déformations plastiques non uniformes sur la portion de contacts. En particulier, cette déformation tend à détériorer la qualité de l'étanchéité aux gaz lors de raccordements successifs répétés et elle peut également entrainer une usure pDar frictions de la partie filetée du raccord. En général, on peut supposer qu'un raccordement peut se répéter trois fois dans un filet de manchon et dix fois dans la plupart des filets de conduite, et dans tous les cas il est nécessaire d'obtenir un degré élevé d'étanchéité sans entrainer d'endonmnagements des parties du raccord. En conséquence la présente invention est relative à un joint ou raccord pour conduites de forage de pétrole ou de gaz présentant d'excellentes propriétés d'étanchéité. Dans la présente description, le terme "manchon" signifie un accouplement comportant un filetage femelle sur sa surface interne et le terme "broche" désigne l'extrémité d'une conduite ou d'un tuyau pourvu d'un filetage mâle sur sa surface externe. La présente invention apporte une solution révolutionaire aux problèmes mentionnés ci-dessus en réalisant un joint présentant des qualités de scellement et d'étanchéité parfaites ainsi que des performances de raccordement excellentes et pouvant être répétées. Ce résultat est obtenu en améliorant les parties filetées du raccord. Selon l'invention la partie filetée du raccord ou du joint comporte une structure de filets de vis composite comprenant un filetage triangulaire arrondi et un filetage carré ou trapézoïdale. Il est bien connu qu'un filetage triangulaire arrondi et effilé présente en lui-même d'excellentes propriétés d'étanchéité, ce filetage étant standardisé conne filetage pour conduites ou tuyaux selon la norme japonaise JIS et étant utilisé largement dans des conduites à haute pression. Avant d'exposer l'invention on décrira ci-après brièvement le mécanisme d'étanchéité d'un filetage triangulaire arrondi et effilé. La voie de fuite d'un fluide à l'intérieur d'un raccord suit en général deux trajectoires dans la partie filetée. La première trajectoire est celle de la direction axiale de la conduite, et la seconde est une -3 direction hélicoïdale selon le lieu géométrique du filetage. En ce qui concerne la fuite selon la direction axiale de la conduite, dans un filetage taillé en cône, une pression de surface de contact élevée est engendrée par suite de 1 'effet de cisaillagedu filetage triangulaire et, étant donné que l'on prévoit un certain nombre de oas du filetage dans la direction axiale de la conduite, 1 'interruotion de la fuite dans cette direction est supérieure à tout autre mécanisme d'étanchéité. Le filetage triangulaire arrondi est également supérieur pour éviter les fuites hélicoïdales. Lorsque les filets de vis sont en prise, l'esoace qui existe entre eux est concentré entre le sonmet et le fond des filets lorsque l'on procède au serrage de la partie filetée effilée. Par consé- quent on peut empécher la fuite à l'aide d'un remplissage de cet espace par un matériau composite et ensuite en comorimant ce matériau à l'aide de l'effet de cisaillage dû au filetage triangulaire arrondi, pour élimi- ner tous les vides. Naturellement, ce filetage triangulaire arrondi est adopté come norme standard par l'American Petroleum Institute (norme 5 B) cependant il ne peut pas être facilement utilisé pour obtenir simultanément une étanchéité très élevée à la pression ainsi qu'une résistance élevée en ce qui concerne le rapport. Plus précisermient l'effet d'étanchéité du filetage triangulaire arrondi résulte du fait que l'action du verrouillage du filetage mâle effilé en prise dans le filetage femelle est telle qu'elle engendre une pression élevée de surface de contact sur le flanc du filetage, à son sormmet et au fond de ce filetage. Par consequent, l'effet de cisaillage du filetage triangulaire arrondi est avantageux pour autant que l'on ne considère que la propriété d'étanchéité. Cependant étant donné que le flanc du filetage qui supporte l'une artie de la charge est incliné de 30 O par rapport à l'axe de la conduite, la charge axiale sur cette conduite est transmise à partir du manchon à la broche non seulement sous la forme d'un effort de tension mais également sous la forme d'une force de dilatation de la conduite qui peut donner lieu au phénomène de séparation qui se traduit par le fait que la broche est expulsée du manchon sans rupture de filet de vis. Par conséquent la résistance du joint ou du raccord est très inférieure à celle que procure un filetage trapézoidale dont le flanc est pratiquement perpendicuaaire à l'axe de la conduite. La présente invention se propose d'apporter un joint ou raccord -- 4- _r.t les rropri6tss de résistance et d'étanchéité découlent de l'engage- mit des narties filetées etcrui utilise l'avantage de son mscanisrme d'étanchdtité narticulier résultant d'un filetace triangulaire arrondi sans diminuer la résistance de ce raccord. 3S Cette inventior rise donc un raccord fileté pour conduites de ouits de forage de qaz et de pétrole comprenant un manchon muni d'un pas de vis interne femelle et une broche mâle munie d'un ras de vis externe se vissant Jans le manchon, ce joint présentant des caractéristi- ques d'étanchéité aux qaz très élevées et étant caractérisé en ce que la b roche corporte à son extrémité un certain nonbre de pas de filets trian- cllaires arrondis qui font suite à un filetage carré ou trapDzoidale et en ce q e le manchon est pourvu d'une structure filetée correspondant à celle de la broche afin de réaliser un système fileté composite unique pour la broche et le rmancdion. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère liitatif. Sur les dessins: - la fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un joint ou raccord d'accouolement cormportant la structure d'étanchéité selon a présente irvention, - la fig. 2 est une via en coupe longitudinale illustrant une partie d'un exemple de réalisation selon l'invention dans lequel le filetage triangulaire arrondi à une extrémité de la broche est incliné du côté du fond de la broche, - la fig. 3 illustre un exemple d'une forme de flanc et de sommet d'un filet de vis trianaulaire arrondi ayant un effet de cisaillace - la fig. 4 est une vue à échelle aggrandie d'un filetage trian- cjllaire arrondi irnversé en prise dans un filetage femelle tranpézoidale - et les fig. 5 et 6 représentent en coupe longitudinale des exemples de réalisation et d'application de raccords selon la présente invention. La fig. 1 renrésente un joint ou raccord dans lequsl le filetage nâle taillé en cône d'une conduite est en prise avec un filetage femelle taillé en cône d'un manchon d'accouplement 1. Les filetages comportent des filets de vis triangulaires arrondis 3 à l'extrémité d'une broche 2 et des filets de vis trapézoidaux 4. Les filets triangulaires arrondis 3 servent essentiellement à réaliser l'étanchéité alors que les filets -5 - trapézoidaux 4 supportent les charges axiales élevées. Selon une carac- téristique importante de ce système de filetage, on réalise une séparation nette des fonctions des différents filetages, les filetages d'un type étant utilisés pour assurer l'étanchéité alors que ceux d'un autre type sont utilisés pour obtenir la résistance de l'accouplement. Plus particulièrement, étant donné que le joint comirprend à la fois des filetages triangulaires arrondis et des filetages trapézoTdaux il procure non seulement une étanchéité améliorée, mais également une fiabilité renforcée de sa résistance. Par conséquent qrâce aux caractéristiques de 1 'invention; étant donné qu'il n'est pas nécessaire de conférer une aptitude à l'étan- chéité à la partie de filetage trapézoïdale lors du serrage des parties en prés nce, il n'est pas nécessaire de donner au manchon et à la broche une aptitude d'interférence excessive. Il en résulte que l'on peut réduire à un faible niveau les contraintes de tension circonférentielles qui surviennent dans l'accou- plement lors du raccordement, contraintes qui constituent un problème essentiel dans les systèmes classiques de raccord à embouts filetés coniques. Par ailleurs, à la différence des raccords classiques qui comportent une partie de contacts métalliques à l'extrémité de leur broche et qui sont incapables d'assurer une étanchéité stable aux fuites de gaz, en raison de leur déformation aisée sous l'action combinée de la pression interne et de force externe secondaire et tertiaire (telle que notamment tension, flexion, etc...) le raccord fileté selon la présente invention met en oeuvre des filetages triangulaires arrondis permettant de réaliser une étanchéité qui est telle que la force de retenue est importante et l'ajustage entre les filetages excellent, ce raccord assu- rant par ailleurs une étanchéité stable aux fuites de gaz méme lorsqu'il est soumis à l'action de forces extérieures. En outre mere si la tolérance d'ajustage de la partie filetée triangulaire arrondie est augmentée afin d'obtenir un effet d'étanchéité aux gaz convenable, pour autant que cette augmentation ne soit pas trop importante pour provoquer un flambage de l'extrémité de la broche, il n'y a pas lieu de se préoccuper de la rupture du film d'huile ni d'une usure résultant d'un frottement dû à un contact excessif entre les surfa- ces lisses étant donné que le jeu qui existe entre le sommet et le fond des filetages est toujours rempli d'une graisse composite. - 6 - Un raccord selon l'invention présentant les caractéristiques dàcrites ci-dessus présente de grandes propriétés lorsqu'on l'utilise pour accoupler les conduites de forage de pétrole et de gaz. Cependant pour obtenir un raccord encore mieux adapté aux conditions d'utilisation actuelles il est préférable d'utiliser les caractéristiques suivantes pour obtenir des propriétés d'étanchéité encore très supérieures grâce au filetage triangulaire arrondi 1 - On réalise un épaulement 8 sur la surface interne centrale du manchon 1 et de la même façon on réalise une partie non filetée à l'extrémité de la broche 2, cette partie non filetée comportant une surface terminale 11 qui correspond à l'épaulement 8 de manière que le3 parties 8 et 11 constituent un contact surface/surface après l 'accou- p/ement. Grâce à cette caractéristique on peut contrôler à une valeur fixe la tolérance d'interférence de la partie filetée triangulaire arrondie et en mne temps on peut utiliser la force de réaction de l'épaulement 8 pour carprimer l'extrémité de la broche 2 afin que le filetage triangulaire arron- di de la broche vienne s'appliquer fortement sur le filetage triangulaire arrondi du manchon ce qui renforce 1 'étanchéité des parties filetées triangulaires arrondies. 2 - On confère au filetage triangulaire arrondi de 1 'extrémité de la broche une forme telle que ce filetage soit incliné vers la base de cette broche (cet angle d'inclinaison sera appelé généralement angle inverse) - voir la figure 2- I1 existe deux motifs pour lesquels on adopte cet angle inverse. Le premier est qu'il permet d'utiliser de façon plus efficace l'effet de cisaillage des filetages triangulaires arrondis lorsque la pression in- terne, la charge axiale ou la charge de flexion agissent sur le raccord, et la seconde résulte de la nécessité d'empécher la broche de s'ouvrir vers l'intérieur et le manchon vers l'extérieur sur la partie de filetage triangulaire arrondi de l'extrémité de la broche, ce motif constituant le point le plus inmportant en ce qui concerne l'étanchéité (ce type d'ou- verture est généralement appelé "ouverture par effet d'arrachement". Plus précisemment, lorsqu'une charge de tension et une pression interne agissent sur le raccord simultanément, l'effort que le filetage mâle de l'extrémité de la broche exerce sur le filetage femelle de la surface inter- ne du manchon lprésente l'aspect représenté par le vecteur 19 sur la fig. 2 ce vecteur étant la résultante de la pression interne 18 agissant sur la surface interne 15 et de la force de tension 17. -7 - De preference pour obtenir un effet de cisaillage encore plus effectif il est préférable que la direction du vecteur 19 et celle du soirmet des filets triangulaires arrondis coincide, comme on l'a représenté sur la figure 2. En ce qui concerne l'effet d'arrachement, en supposant que dans la fig. 2, la surface externe non filetée 9 de l'extrémité de la broche et la surface interne non filetée 12 du manchon soit respective- ment soumise à des forces Derpendiculaires, on conprend que le filetage présentant Lu angle inverse tel que représenté à la fig. 2 offira une résistance supérieure à celle d'un filet rond et que la partie d'ajustage à l'extrémité de la broche d'un filetage selon la fig. 2 aura moins tendance à s'ouvrir que celle d'um filetage rond. 3 - L'épaulement est pourvu d'une surface cônique convexe et la partie correspondante de l'extrémité de la broche est munie de la surface en forme d'arc de cercle. En variante ces deux éléments peuvent être nunis de surface conique linéaire. Grâce à cette disposition li 'tré- mité de la broche est repoussée dans la direction axiale le long de l'é- paulement du manchon et en réaction à cette poussée, l'engagement entre les parties filetées arrondies est renforcé. Les flancs d'un filet triangulaire arrondi peuvent être soit incurvés soit plats. Cependant ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 3 il est préférable du point de vue de l'usinage, afin d'améliorer la précision de finissage, que les flancs 31 soient plats et que la forme du sonmmet 32 du filet de vis corresponde à celle d'un arc de cercle tengeant aux flancs 31. Ce qui précède constitue une description d'une structure d'étanchnéi- té et d'un mécanisme de raccord selon la orésente invention. La résistance d'un tel raccord aux endommagements résultant de la corrosion et de l'erosion est très élevée étant donné que par rapport au type de raccord décrit dans l'état antérieur de la technique, les surfaces internes du raccord sont lisses et sont soumises à des efforts de compression engendrés lors de l'accouplement. On décrira maintenant de façon détaillée un mode de réalisation d'un raccord selon la présente invention en se référant aux fig. 1 et 2. La broche (2) comporte une partie terminale non filetée (a) une partie filetée triangulaire arrondie (b) et une partie filetée trapé- zoldale (c). La surface d'extrémité 11il de la broche est réalisée de façon à exercer une force de réaction sur la partie filetée triangulaire arrondie (b) lorsqu'elle vient en contact de pression avec la surface de l'épaulement 8 du manchon, de telle façon que la surface non filetée 9 de! 'extrërit C de la broche ne vienne Das au contact de la surface non filetée 12 du rd/ncaon. ira filetage trianculaire arrondi 10 possède un angle inverse et il est prévu sur l 'extrémité de la brochie de façon à obtenir 3 à 4 sires ou pas corplets. Le diamètre primitif du filetage triangulaire arrondi constitue une prolongation du diamètre primitif du filetage tra- uzoldale. La forme du filetage est déterminée en inscrivant la partie hachurée représentée sur la fia. 2 à 1 'intérieur du filetage femelle tranézoidale iraginaire 13. On utilise une telle forme pour réduire à un ?i-niuun l'interférence entre les filetages mâle et femelle lorsque l'on réalise le raccordement. Pour des raisons d'tusinabilité, il est préférable d'utiliser un angle d'inclianison de 10 à 30 par rapport à une ligne normale à l'axe de la conduite. Le système de filetage conpranant deux formes différentes de filets !5 - e vis suivant la présente invention peut être usiné en continu soit par un procédé qui consiste à tourner d'abord les zones limites entre les deux Fort-s filetées (c) sur la fig. 2 de façon qu'elles soient plus petites - cue le dianètre du fond de filet d'une valeur de l'ordre d'un pas et ensuite à découper séparément le filet triangulaire arrondi et le filetage trapézol- 0 dale, soit par un procédé qui consiste à usiner en premier lieu tout le système de filetage sous la forme de filets trapézoidaux et ensuite à usiner trois à quatre filets triangulaires arrondis à l'extrémité de la broche. De même que la broche, le manchon comporte une surface interne non filetée 7, une surface filetée triangulaires arrondie 6, un filetage tra- p25 ézoidale 5, et un épaulement central 14. La surface non filetée 12 constitue un prolongement du soamet du filetage triangulaire arrondi. Le filetage triangulaire arrondi et le filetage trapézoidale sont conformés de façon à correspondre à la forme de la broche et le jeu qui existe entre les filets est déterminé selon les normes A. P. I. 3C0 La fig. 4 est une vue à plus cran!e échelle d'un filetage mâ e trianculaire arrondi inverse qui est presque tangent intérieurement à un filetage femelle tra ézoidale. L'angle e entre l'axe de la conduite 41 et la ^isectrioe 42 de 'angle de flanc est égal à 63 (angle d'inclinaison 27 ) la hauteur des filets est d'environ deux fois celle d'un filetage trapézoidale A. P. I. et l'angle de flanc du filetage est égal à 55 . Cette figure 4 illustre uniquement un exenw.le de réalisation d'un filetage trian- gulaire arrondi inverse et on peut envisager d'autres formes. En bref, - 9 - il est suffisant que la forme des flancs et de l'extrémité qui provoquent 1 'effet de cisaillement soit arrondie et que le jeu qui existe entre les filetages mâle et femelle soit faible. Le raccord selon la présente invention peut être utilisé sous différentes formes. Particulièrement lorsqu'il est utilisé pour réaliser la surface interne d'un joint il constitue un système empêchant les fuites de fluide de l'intérieur vers l'extérieur du joint et lorsqu'il est utilisé comme surface externe de joint il permet d'empécher toute fuite de fluide de l'extérieur vers l'intérieur du joint. Les fig. 5 et 6 représentent des exemples concrets de telles applications. La fig. 5 représente un raccord dans lequel des broches 54 munies de filetage mâle sont verrouillées à 1 'aide d'in système d'accouvple- ment constitué d'un manchon 53. Les parties désignées par les réf. 51 assurent la fonction d'étanchéité de l'intérieur vers l'extérieur et les parties désignées par les réf. 52 assurent la fonction d'étanchéité de 1 'extérieur vers l'intérieur. On comprend que même avec 1 'un ou 1 'autre de ces deux cas on peut obtenir la fonction d'étanchéité de l'intérieur vers l'extérieur ou vice versa. Cependant dans cet exemple de réalisation les parties assurant l'étanchéité sont prévues du côté de l'admission du fluide afin d'obtenir une étanchéité parfaite. Les parties intermédiaires comportent des filetages trapézoidaux afin d'obtenir la résistance nécessaire. La fig. 6 représente un type de raccord pour accoupler une broche 64 et un manchon 65 sans utiliser d'accouplement. Dans cet exemple de réalisation, de même que dans le rapport représenté dans la fig. 5,1es parties désignées par les réf. 61 et 62 constitunt des filetages arrondis assurant l'étanchéité et la partie intermédiaire 63 comporte un filetage trapézo!dale conférant au raccord la résistance nécessaire. Dans ce cas on peut omettre l'une ou l'autre des parties 61 ou 62 et la renplacer par un filetage trapézoïdale sans que cela se traduise par un inconvénient en ce qui concerne le fonctionnement du raccord. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ou d'application décrits ou mentionnés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. - 10 - REVENDICATIQS 1 - Raccord ou joint fileté pour conduite de puits de forage de pétrole et de gaz comprenant un manchon nuni d'un pas de vis interne feel- le et une broche mâle munie d'un pas de vis externe se vissant dans ce manchon, ce joint présentant des caractéristiques très élevées d'étanchéi- té au gaz et étant caractérisé en oe que ladite broche (2) corporte à son extrémité un certain nombre de pas de filets de vis triangulaires arrondis (b) qui font suite à un filetage carré ou trapézoidale (c) et en ce que ledit manchon (1) est pourvu d'une structure filetée correspondant à celle de la broche (2) afin de réaliser un système fileté composite unique pour la broche et le manchon. 2 - Raccord ou joint fileté selon la revendication 1 caractérisé en ce cue la partie centrale dudit manchon (1) comporte une surface interne non filetée (12) et un épaulement (8) et en ce que l'extrémité de la broche comporte une surface externe non filetée (9) correspondant à ladite surface interne non filetée (12) du manchon et lune surface terminale (11) en butée contre ledit épaulement (8). 3 - Raccord ou joint fileté selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la bisectrice (42) des flancs des filets triangu- laires arrondis est inclinée selon un angle optus par rapport à la direction (D) du serrage de la broche.