Brevet FR2482253A1 — publié le 19811113

?482253 Procédé pour l'assemblage serré étanche d'un manchon à bride sur un pipeline, en particulier pour réparer des pipelines sous-marins posés sur des fonds marins très profonds. La présente invention concerne un nouveau procédé qui, dans la mesure o il permet qu'un accouplement serré étanche puisse 8tre obtenu rapidement à bon marché et efficacement entre un manchon à bride et un pipeline, rend possible la répa- ration rapide des pipelines endommagés également quand ils ont été posés sous la mer à de grandes profondeurs. * Comme on le sait, la suite des opérations qui est nécessaire pour réparer un pipeline qui a été endommagé com- prend le stade du découpage de la partie endommagée du pipeline et l'assemblage serré étanche sur chacune des extrémités dé- barrassée des parties endommagées du pipeline, d'un manchon à bride, extérieur, qui est adapté pour réunir les deux parties du pipeline nonendommagées au moyen d'un manchette fixée d'une façon étanche à la fois sur lesdits manchons à bride-et entre eux. L'état présent de la technique amontré un certain. nombre-de procédés pour réaliser l'assemblage serré étanche d'un manchon à bride sur un tube sans avoir recours à l'opéra- tion de soudure longue et onéreuse. Un desdits procédés classiques consiste à réaliser des assemblages par explosion, c'est-à-dire en dilatant le tube et le manchon d'un façon plastique par une charge explosive placée d'une façon appropriée à l'intérieur du tube. Ce pro- cédé, cependanten plus d'entralner beaucoup de risques, n'est pas également fiable à cause de la difficulté extrême de placer d'une façon convenable les charges explosives à l'intérieur du tube. De plus, son application à des profondeurs marines supé- rieures à 600 mètres, qui sont oelles pour lequel le procédé de la présente invention sera vraiment exécuté, et pour les- quelles ce procédé a été particulièremant élaboré, deviendrait très compliquée et par conséquent coiteuse dans la mesure o l'eau contenue dans le pipeline devrait être vidée, entre autres, Un autre procédé classique utilisa à la place un man- chon à bride constitué par une matlère ayant un coefflicient de dilatation négatif, c'est-hadire une matière qui se contracte quand la température augmente. Dans ce second procédé, le manchon en question est porté à la température de l'azote liquide, c'est-à-dire à environ 196 degrés au-dessous de 0 C, puis est glissé sur le tube, après quoi on laisseremonter la température à sa valeur ordinaire, ce qui fait que le manchon en se contractant presse le tube et colle à lui d'une façon serrée et étanche. Les jonctions ainsi faites sont extrêmement efficaces aussi bien du point de vue de/pressionpuisque le Joint étan- che est étendu sur toute la longueur du manchon, que du point de vue des contraintes axiales, parce que la forte adhérence entre le manchon et le tube empêche tout mouvement de glisse- ment axial: néanmoins, il apparalt immédiatement qu'un tel procédé n'est certainement pas un moyen pratique, rapide et bon marché pour obtenir une Jonction, particulièrement quand cette dernière doit être effectuée aux profondeurs marines considérables mentionnées ci-dessus. Par ailleurs, le procédé qu'on vient de résumer ci- dessus possède également le défaut d'engendrer, dans certains cas, un retrait, ou une contraction, du tube plus grand(e) ou ut!lisés plus étroit(e), et ceci est défavorable dans les tubes/comme pipelines pour le pétrole ou pour le gaz puisque ce retrait peut empêcher la libre circulation à l'intérteur de ce qu'on appelle "les cochonnets" (ou ràcleurs) c'est-à-dire, les chariots équipés pour prendre des vues panoramiques aux rayons X des lignes de soudure et pour contrôler les propriétés mé- caniques des tuyauteries. Ensuite, selon un autre procédé classique connu, on utilise un manchon particulier qui est muni au préalable à l'intérieur d'éléments assurant l'étanchéité et empêchant le glissement qui sont pressés sur le tube par la force de la pression hydraulique. Ce dernier procédé, bien qu'il puisse être appliqué rapidement et d'une façon suffisamment convenable également à de grandes profondeurs, a cependant le double inconvénient de n'être pas suffisamment bon marché, à cause du prix élevé du manchon,et de donner une faible étanchéité de Joint d'autant plus que le Joint ne s'étend pas sur toute la longueur du man- chon mais n'est limité que par places, là oh lesdits éléments d'obturation Jouent un rêle. Un objet de la présente invention est de palier les inconvénients mentionnés ci-dessus, dont de fournir un nouveau procédé o la jonction serrée étanche d'un manchon à bride sur un tube puisse être effectuée efficacement, rapidement et à bon marché d'une façon simple également à de grande profondeurs marines et sans provoquer ni contraction, ni retraits, du tube coneerné. Cet objet est réalisé d'une façon importante en appli- quant le principe bien connu selon lequel il est possible de produire, entre un tube et un manchon monté sur lui, une inter- férence résiduelle (tolérance négative) qui engendre une pres- sion si intense qu'il s'ensuit un Joint efficace sur toute la longueur du manchon, en même temps qu'une résistance élevée aux poussées et contraintes axiales, et par conséquent une ré- sistance au glissement mutuel entre le manchon et le tube, en permettant simplement à l'ensemble tube-manchon de se dilater eonvenablement, après quoi la force de dilatation est annulée, à condition que le manchon soit constitué-par une matière ayant un degré de déformation élastique qui soit supérieur à celui du tube. En fait, ce principe connu a déjà été adopté pour fa- briquer des Jonctions entre les tubes et les manchons, mals son application pratique a été obligatoirement restreinte à des do- maines très limités, c'est-à-dire aux Jonetions de parties ayant une ductibilité élevée qui, par conséquent, exigent des forces dilatatrices de pression relativement faibles. En résumé, l'application d'un tel principe a été exclu Jusqu'ici dans le domaine des truyauteries pour les pipe- lines de pétrole et de gaz et, plus généralement, dans le do- maine des métaux ayant une duetilité minimum, tels que les aciers à haute résistance (H.T.S.) et les alliages à base de titane, Justement à cause de l'impossibilité physique d'obte- nir les valeurs de pression élevées qui sont nécessaires pour la dilatation dans le sens radial, jusqu'à la limite de défor- mation élastique du manchon, d'un assemblage tube et manchon fabriqué en H.T.S. ou en alliage à base de titane. Les auteurs de la présente invention ontf ia-intenant découvert par des essais sur le champ qu'un tampon de caout- chouc rigide, ayant une section transversale annulaire et monté fou sur un arbre en H.T.S. et enfermé entre deux bagues de "Nylon" anti-extrusion, montées également folles sur ledit arbre, les extrémités latérales amincies selon une circonfé- rence dudit tampon étant respectivement insérées dans une rai- nure circulaire en forme de V de chacune des faces avant des- dites bagues faisant face, est capable de produire, bien qu'il soit comprimé dans le sens axial dans un tube, des pres- sions radiales de dilatation très élevées d'un ordre de gran- deur de 2000 à 3000 bars. En fait, toute extrusion du tampon est totalement empochée par les deux bagues en nylon en question,%n étant déformées, adhèrent immédiatement et par pression aussi bien à l'arbre qu'à la paroi intérieure dudit tube. En adoptant ce procédé pour engendrer les pressions radiales de dilatation nécessaires, il est maintenant possible, comme résultat, d'appliquer le principe en question également au domaine des tuyauteries pour les pipelines de pétrole et de gaz. Par conséquent, le procédé selon la présente invention pour assembler d'une façon serée étanche un manchon à bride cylindrique ayant une surface de section transversale constante, à un tube en H.T.S., ledit manchon étant monté avec un certain Jeu sur l'extrémité libre du tube et étant constitué en une matière métallique ayant un degré de déformation élastique supé- rieur à celui du tube, ce procédé est caractérisé par le fait qu'il comprend dans l'ordre, les stades suivants:Jinsertion dans l'ensemble tube et manchon d'un tampon de caoutchouc rigi- de ayant une section transversale annulaire et monté fou sur un arbre en H.T.S., et enfermé entre deux bagues de "Nylon" anti- extrusion également montées folles sur ledit arbre, les extré- mités latérales dudit tampon, amincies selon une circonférence, étant respectivement insérées dans une rainure circulaire en forme de V de chaqune des faces avant faisant face desdites bagues, la compression dans le sens axial dudit tampon de caoutchouc rigide et l'action sur lesdites bagues de"Nylon" pour engendrer une pression radiale de dilatation, la poursuite de ladite action de la pression suivant l'axe afin de dilater dans le sens radial l'ensemble tube-manchon afin d'amener ledit machon à sa limite élastique de déformationpuis le relâ- chement de la pression sur ledit tampon et l'enlèvement de celui-ci du tube. En résumé, pour assembler d'une façon serrée étanche un manchon à bride sur un tube en acier il faut seulement, selon la présente invention, placer le manchon sur l'extrémité libre du tube, ce qui est facilité en ménageant un Jeu entre le manchon et le tube et simplement agir à partir de l'intérieur du tube avec ledit tampon de caoutchouc rigide. En fait, la compression axiale du tampon donnera naissance, dans le sans radial, à une force de dilatation qui, au début, engendrera une dilatation radiale d'une partie seulement du tube qui est en contact avec le manchon iet eette dilatation sera d'abord de nature élastique puis elle deviendra une déformation plastique dès que la limite d'élastielte de la matière du tube sera dépas- sée. Si, ensuite, la déformation du tube atteint une valeur égale au jeu existant entre le tube et le manehon, la dilata- tion plastique ultérieure du tube qui est rendue possible par la pression dilatatrice très élevée produite par le tampon, entratnera également une dilatation élastique du manchon et celle-ci sera poursuivie en insistant sur la dilatation plas- tique du tube Jusqu'à la limite de déformation élastique du manchon: la dernière limite, comme spécifié ei-dessus, doit être supérieure à celle du tube. A ce stade, en relâchant la pression sur le tampon, un retrait à la fois du tube et du man- chon se produira, mais tandis que le tube pourra récupérer en totalité cette partie de sa déformation qui a eu lieu d'une façon élastique, parce que ri n ne s'oppose à son retrait, il n'en sera pas de même par contre pour le manchon qul a subi une déformation élastique plus intense que celle du tube. En fait, une fois que le manchon a subi un retrait égal àcelui du tube et n'a ainsi récupéré qu'une fraction de la déformation élas- tique qu'il a subie, un retrait ultérieur du manchon en vue de récupérer la déformation élastique résiduelle sera empoché par la présence du tube déformé d'une façon plastique. Enoncé d'une autre façon, entre le machon et le tube déformé d'une façon plastique situé à l'intérieur du manchon, une interférence résiduelle à pris naissance qui empêehe le manehon de récupérer entièrement sa déformation élastique et d'être ainsi ramené à ses di Ensions initiales quail avait avant d'être dilaté dans le sens radial Cette déformation élastique résiduelle du m2nehon, qui ne peut pas 9tre récupérée à cause de ladite interference résiduelle entre le manchon et le tube et qui tendrait à provoquer le retrait du manehon jusqu'à ce qul revienne à ses dirensions initiales, produira ainej. la pression qui appjlMi.uera le mnchon contre la paroe intri-eure du tube e% par consaquen engendrera entre le ihvon et le tube u.e p, essiz quiD sappcq3unt sur toute la longueur du manchon, assurera un Joint efficace entre le tube et le manchon en m8me temps qu'une très grande résistance aux mouvements de glissement suivant l'axe. D'après ce qui précède, on peut comprendre que le procédé selon la présente invention, du fait de sa très grande facilité d'application, peut être adopté efficacement et à bon marché également pour les pipelines posés à de grandes profon- deurs marines. Par ailleurs, comme on le sait bien, le degré de dé- formation élastique d'une quelconque matière est une propriété intrinsèque de cette matière et, plus exactement, elle est directement proportionnelle à la limite d'élasticité s de cette matière et est inversement proportionnelle à son module d'élasticité E. Afin de fabriquer le manchon à bride de la présente invention, il faut tenir compte des deux variables, c'est-à- dire s et E: donc, il en résulte, et selon une autre caracté- ristique de la présente invention, que le manchon à bride est fabriqué en H.T.S. ayant une limite d'élasticité s supérieure s à celle de la matière du tube, ou, en variante, en alliage à base de titane ayant une limite d'élasticité cs supérieure à celle de la matière du tube, et un module d'élasticité E infé- rieur à celui de la matière du tube. On voit donc que la Jonction qui est obtenue est d'autant plus efficace que la limite élastique Gs de la matière du manchon est par rapport à celle de la matière du tube plus grande, ou que le module d'élasticité E de la première par rapport à celui de la dernière est plus petit, parce que plus ces différences seront grandes, plus le degré de déformation élastique du manchon sera grand. Par conséquent, le degré d'inferférence résiduelle entre le manchon et le tube sera augmenté d'une façon correspondante et la pression engendrée par ladite interférence résiduelle sera augmentée. En fait, il faut se rappeler que l'obJet réel à réaliser est d'engendrer entre le manchon et le tube une pression suffisamment élevée pour qu'elle donne un joint efficace relativement aux pressions élevées des fluides circulant dans le tube, et ces pressions peuvent atteindre l'ordre de grandeur de quelques centaines de bars: une résistance élevée au glissement axial est aussi un objet à réaliser. Tenant compte des oonsidérations précédentes, et selon une réalisation préférée de la présente invention, le manchon à bride est donc fabriqué en H.T.S. ayant une limite d'élasti- cité es qui est au moins égale à deux fois celle du tube ou, en varianteen alliage de titane ayant une limite d'élasticité Gs, qui est au moins égale à trois fois celle du tube, et un module d'élasticité E égal à environ à la moitié de celle du tube, de sorte que le degré de déformation élastique du manchon à bride est au moins égal à deux fois celui du tube. Il faut se rappeler que la pression engendrée par l'in- terférence résiduelle entre le manchon et le tube n'est pas seulement une fonction de l'amplitude de l'interférence rési- duelle mentionnée ci-dessus, mais également comme on le sait dans la technique et d'une façon claire,elleest une fonction de l'épaisseur du manchon. Enoncé d'une autre façon l'épaisseur du manchon est la troisième variable dont il faut tenir compte afin d'engendrer une certaine pression entre le manchon et le tube dans la mesure o une telle pression peut être augmentée en augmentant ladite épaisseur. Autrement dit, on voit donc qu'une pression de ce genre ne peut pas 8tre augmentée indéfiniment mais seulement Jusqu'à une amplitude limite qui correspond à la pression maximum qui peut être supportée par les caractéristiques géométriques et les propriétés mécaniques du tube en acier, parce qu'une pres- sion plus élevée communiquée au manchon écrasera le tube et il en résultera un affaiblissement du joint hermétique. o Maintenant, selon une caractéristique supplémentaire de la présente invention, le manchon à bride est fabriqué avee une épaisseur qui est supérieure à celle du tube et est telle/ que la pression qui est engendrée entre le manchon et le tube est voisine de la pression maximum que le tube peut supporter. La présente invention sera maintenant montrée et dé- crite en se référant aux dessins ci-joints qui montrent une réalisation pratique préférée illustrant le meilleur procédé pour ramener l'invention à sa pratique constructive, cette illustration étant un exemple simple, non limitatif, puisque des modifications techniques et de construction peuvent tou- Jours être introduites sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. Sur les dessins: les figures 1, 2 et 3 illustrent les différents stades pour assembler de façon serrée étanche un manchon à bride avec un tube selon le procédé de la présente invention et plus particulièrement: O10 la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité d'un tube sur lequel le manchon à bride qui doit être assemblé d'une façon serrée étanche a été monté avec un certain Jeu, le tampon de caoutchouc rigide annulaire ayant été inséré selon la présente invention; la figure 2 montre une vue en coupe longitudinale voisine de celle de la figure 1, mais à la fin du stade de la dilatation radiale de l'ensemble tube- manchon provoquée par la compression axiale du tampon de caoutchouc rigide annu- laire selon l'invention, et la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de la configuration finale telle que prise par l'ensemble tube- manchon après son retrait de sa position de dilatation radiale maximum de la figure 2, indiquée en lignes points et traits, et après l'enlèvement du tampon de caoutchouc rigide annulaire dudit ensemble. On va maintenant se référer à la figure 1, le repère 1 indique un tube en H.T.S. pour pipeline de pétrole ou de gaz, dont l'extrémité libre doit être assemblée d'une façon serrée étanche avec un manchon cylindrique 2 ayant une surface de section transversale constante et qui est munie d'une bride 3 o Le manchon 2 est fabriqué avec une matière métallique ayant un degré de déformation élastique supérieur à celui du tube 1 et, plus particulièrement, il est fabriqué en une matière métallique du même type que celle du tube, c'est-à- dire qu'il est en H.T.S. ayant, toutefois, une limite d'élas- ticité es, égale au moins à deux fois celle du tube, ou en s variante, le manchon est fabriqué avec une matière métallique d'un type différente de celle du tube, c'est-à-dire avec un alliage de titane ayant un module d'élasticité E, égale à environ la moitié de celui du tube et une limite d'élasticité Gs, égale à environ trois fois celle du tube. De plus, le manchon 2 est construit avec une épaisseur de paroi supérieure à eelle du tube, dont la valeur est déterminée par des formules mathématiques bien connues, de façon à ce que la pression en- gendrée par l'interférence résiduelle entre le manchon et le tube soit voisine de la pression maximum que le tube peut supporter sans s'écraser. En dernier lieu, le diamètre intérieur du manchon 2 est choisi d'une façon telle que,une fois que le manchon a été glissé sur l'extrémité libre du tube 1, il laisse un certain jeu 4 avec la surface extérieure du tube 1, ce qui facilite la mise en place du manchon même à de très grandes profondeurs marines. Dans l'ensemble constitué par le tube 1 et le manchon 2 est ensuite introduit un tampon 5 de caoutchouc rigide ayant une section transversale annulaire, monté fou sur un arbre 6 en H.T.S. Le tampon comporte sur chacune de ses extrémités la- térales un amincissement circulaire 7 et 8, respectivement, pour l'introduction dans des rainures circulaires en forme de V 9 et 10, respectivement, formées sur les surfaces avant fai- sant face de deux bagues de "Nylon" ll et 12, anti-extrusion, montées également folles sur ledit arbre 6 et limitant le tampon 5 entreelles. Le tampon 5 de caoutchouc rigide est comprimé dans le sens axial en agissant sur lesdites bagues de "Nylon" ll et 12, c'est-à-dire en provoquant le rapprochement des bagues de "Nylon" l'une de l'autre. Toutefois, au fur et mesure que le tampon 5 est comprimé, ses amincissements circulaires 7 et 8 transmettent aux parois en pente des rainures en V 9 et 10 des bagues de "Nylon"' ll et 12 dans lesquelles lesdits aemincis- sements sont lnsérés, une pression dilatatrice qui amène les lèvres inteérieures 13 et les lèvres extérieures 14 desdites rainures 9 et 10 à adhérer par pression à la surface extérieure de l'arbre 6 et à la surface intérieure du tube 1l respective- ment. Dans la meassure o toute possibilite d'extrusion est ew,%ché e, le Eamnpon 5 de caoutchouc peut ainsi ftre comprime a des valeurs très élevées et, comme l'ont montré les essais sur le champ, ce tampon est capable de produire une pression ra- diale de dilatation de l'ordre de 2000 à 3000 bars. On voit que l'action sur les bagues de "Nylon" ll et 12, envisagée poirproduire la compression axiale du tampon peut être obtenue avec des moyens quelconques appropriés. Sur les figures des desins, on voit l'utilisation de deux bagues d'appui supplémentaires 15 et 16 en H.T.S. La bague 15, fixée définitivement sur l'arbre6à la bague de "Nylon" ll s'appuyant sur elletandis que la bague 16, montée folle sur l'arbre 6, s'appuie contre la bague de "Nylon" 12/et la com- pression axiale du tampon 5 est obtenue en agissant dans les directions opposées à la fois sur la bague folle 16 et l'arbre 6 suivant le sens des flèches 17 et 18, respectivement, de la figure 2. Ainsi, en comprimant dans le-sens axial le tampon 5 de caoutchouc rigide, une pression radiale de dilatation 19, (figure 2) est obtenue qui tend à dilater dans le sens radial à la fois le tube 1 et le manchon à bride 2. Quand le tampon 5 peut produire la pression nécessaire, la dilatation radiale est poursuivie jusqu'à amener le manchon 2 à sa limite de déformation élastique qui, comme on le dit ci-dessus, est égale à au moins deux fois celle du tube 1. Une fois que cette limite est atteinte, l'ensemble du tube 1 et du manchon à bride 2 est déformé comme le montre la figure 2. Toutefois, quand le tampon de caoutchouc rigide 5 est retiré du tube 1 en relâchant la pression axiale, l'ensemble du tube 1 et du manchon à bride 2 subit un retrait qui l'amène depuis la configuration montrée sur la figure 2 et également décrite par les lignes points et traits sur la figure 3, en 20, a la configuration finale montrée par les lignes pleines sur la figure 3. L'interférence résiduelle qui a été obtenue entre le tube et le manchon, due au fait que le manchon à bride 2 ne peut récupérer qu'une fraction de la déformation élastique qu'il a subie à cause de la présence du tube 1 déformée d'une façon plastique, engendre ainsi entre le tube 1 et le manchon à bride 2 une pression 21, qui donne un joint étanche sur toute la longueur du manchon 2, en même temps qu'une résistance très élevée au glissement mutuel entre le tube et le manchon. il REVENDICATIONS 1. Procédé pour assembler d'une façon serrée étanche un tube en H.ToS. à un manchon cylindrique à bride ayant une surface de section transversale constante, ledit manchon étant monté avec un certain jeu sur l'extrémité libre dudit tube et étant fabriqué avec une matière métallique ayant un degré de déformation élastique supérieur à celui du tube, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il comprend les stades successifs suivants: insertion dans l'ensemble tube-manchon d'un tampon en caoutchouc rigide de section transversale annu- laire monté fou sur un arbre en H.T.S. et limité entre deux bagues de "Nylon" anti-extrusion montées également folles sur ledit arbre, dans une rainure circulaire en forme de V des surfaces avant faisant face desdites bagues, les extrémités latérales amincies respectives dudit tampon étant insérées; compression dans le sens axial dudit tampon de caoutchouc ri- gide, action sur lesdites bagues de "Nylon" pour engendrer une pression radiale de dilatation; poursuite de ladite compression axiale du it tampon pour dilater l'ensemble tube-manchon dans ra i ai le sens/jusqu'à ce que le manchon atteigne sa limite de défor- mation élastique, et finalement relâchement de la pression du tampon et enlèvement dudit tampon du tube. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit manchon à bride est constitué en H.ToS. ayant une limite d'éalsticité gs, supérieure à celle du tube, 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit manchon à bride est constitué par un alliage à base de titane ayant unelimite d'élasticité bs, supérieure à celle du tube et un module d'élasticité E inférieur à celui du tube. 4. Procédé selon la revendication l, caractérisé par le fait que ledit manchon à bride est constitué en H.T.S. ayant une limite d'élasticité 6s' égale au moins à deux fois celle du tube. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit manchon à bride est constitué par un alliage à base de titane ayant une limite d'élasticité c3 égale à en- vron trois os celle du tube et un module d'lasticit E viron trois fois celle du tube et un module d'élasticité E égal à la moitié de celui du tube. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit manchon à bride est construit avec une épaisseur de paroi supérieure à celle du tube et telle que la pression qui est engendrée entre le manc hon et le tube est voisine de la pression maximum que le tube peut supporter.