Brevet FR2474637A1 — publié le 19810731

L'invention concerne un raccord de tubes mobile par rota- tion entre une boite et une tubulure qui pénètre en position à peu près coaxiale dans la boîte, raccord qui présente sur la tubulure, à l'intérieur de la boîte, un élément en forme de bride qui prend appui par sa surface arrière sphérique sur une surface d'étanchéité sphérique correspondante d'une bague d'étanchéité en matière céramique, dont la surface d'appui, opposée à la sur- face d'étanchéité, est appliquée contre une surface d'appui soli- daire de la boite. Dans des raccords de tubes mobiles par rotation qui sont soumis à des efforts intenses dus à la pression et/ou à la tem- pérature, on utilise en tant qu'élément d'étanchéité des bagues d'étanchéité céramiques, qui sont faites par exemple de céramique de charbon. Par une surface d'étanchéité sphérique, elles coopè- rent avec une contre-surface d'étanchéité correspondante, réalisée en forme de sphère inverse. La forme sphérique des surfaces d'é- tanchéité est nécessaire, afin qu'il ne se produise aucune fuite, même avec les défauts d'alignement qui se produisent non seule- ment avec des raccords de tubes susceptibles de mouvements angu- laires, mais qui sont inévitables avec des raccords de tubes guidés coaxialement. En effet, contrairement à des bagues d'étan- chéité en matière élastique ou plastique, les bagues d'étanchéité faites de matière céramique ne seprêtent pas à de tels défauts d'alignement en maintenant l'étanchéité. Dans des systèmes connus d'étanchétité du genre défini dans le préambule, la pression d'é- tanchéité est produite par un ressort qui agit en direction axia- le et, en plus, par la pression du fluide qui s'exerce sur le système d'étanchéité. La force d'étanchéité qui agit sur la surface d'étanchéité de la bague d'étanchéité est transmise, par le côté arrière de cette bague réalisé sous forme de surface d'appui, à la surface d'appui d'un élément d'appui qui est en général constitué par la boîte. Dans le cas des raccords de tubes connus, la surface d'appui de la bague d'étanchéité et celle de l'élément d'appui sont situées dans un plan qui s'étend radialement. Suivant un premier mode de réalisation possible, la bague d'étanchéité est libre à sa périphérie, d'o il résulte que le dispositif n'est capable de transmettre que des forces axiales, tandis qu'il est prévu, pour l'absorption des forces radiales, un appui particulier qui complique le raccord de tubes, le rend plus onéreux et plus encombrant. Suivant un second mode de réalisation possible, la bague d'étanchéité est maintenue, non seulement en direction axiale, mais aussi en direction ra- diale au niveau de sa périphérie, si bien qu'elle est en mesure de transmettre-également des forces radiales. Afin qu'elle soit maintenue en toute sécurité en direction radiale, même aux hautes-températures et en dépit de la faible dilatation thermique de la matière céramique en comparaison des métaux, il faut, dans ce second mode de réalisation, qu'elle soit calée à chaud avec grand soin dans la partie de la boîte qui l'entoure.Mais étant donné que la précision de forme de sa surface d'étanchéité sphérique souffre d'un tel traitement, il est nécessaire de procéder, lors du montage (et également en cas de remplacement d'une bague d'étanchéité usée), à un rodage de la bague d'é- tanchéité et de la contre-surface d'étanchéité qui coopère avec elle. Certes, ce second mode de réalisation a, en comparaison du premier, l'avantage d'une plus grande simplicité et d'une réduction de l'encombrement; mais ces avantages sont annulés en totalité ou en partie par le surcroît-de frais de montage, et notamment en cas de remplacement d'une bague d'étanchéité. C'est pourquoi l'invention a pour but de fournir un raccord de tubes du genre défini dans le préambule, qui réunisse les avantages des deux modes de construction. La solution proposée par l'invention consiste en ce que les surfaces d'appui sont essentiellement coniques. L'invention est fondée sur le fait constaté qu'avec un dispositif du genre défini dans le préambule, il n'est pas néces- saire, pour la transmission de forces radiales, que la bague d'étanchéité soit maintenue avec précision par une surface péri- phérique cylindrique. Il suffit au contraire d'une surface coni- que, pourvu que les forces radiales, multipliées par la tangente de l'angle de cône, ne soient pas supérieures aux forces axiales (on entend par angle de cône l'angle compris entre une génératrice du cône et la direction axiale). Cette condition peut être remplie facilement, avec une sécurité suffisante, par un choix judicieux de l'angle de cône. On obtient de la sorte un dispositif dans lequel la bague d'étanchéité peut être facilement montée, sans opérations compli- quées et fastidieuses d'ajustage, et est néanmoins rendue capable de transmettre des forces radiales. Il s'est même révélé qu'il n'était pas nécessaire de procéder à un nouveau rodage de la bague d'étanchéité et de la calotte sphérique qui coopère avec elle, lors du montage ou en cas de remplacement de cette bague. Au bénéfice d'une faible consommation de matière première pour la bague d'étanchéité et d'une bonne résistance de cette dernière, il est opportun que la partie de la surface arrière de la bague d'étanchéité qui participe à la formation de la surface d'appui soit à peu près parallèle à la surface d'étanchéité sphé- rique de cette bague. En effet, l'épaiseur de la bague d'étan- chéité - mesurée perpendiculairement à la surface d'étanchéité et à la surface d'appui - est alors pratiquement la même en tous points. Sans que l'on s'écarte fondamentalement de cet enseigne- ment, il peut être opportun, dans de nombreux cas, que l'angle de cône moyen de la surface d'appui soit un peu plus petit que celui de la surface d'étanchéité sphérique. De ce fait, il existe entre les surfaces en question un élargissement vers l'intérieur en forme de coin, par lequel il s'exerce, sur la bague d'étanché- ité, une force qui est dirigée vers l'intérieur en direction radiale et qui met la bague sous tension de compression dans la direction périphé. rique.Cela peut être opportun dans certains cas, eu égard à d'autres sollicitations.Par contre, dans les cas o là pression du fluide agit de l'extérieur vers l'intérieur en direction radiale sur la bague d'étanchéité, il peut être sou- haitable que le rapport d'inclinaison des surfaces en question produise une force qui s'exerce vers l'extérieur en direction radiale sur la bague d'étanchéité, c'est-à-dire une force anta- goniste de ladite pression du fluide. Dans ces surfaces, l'angle de clne moyen de la surface d'appui'est choisi un peu plus grand que celui de la surface d'étanchéité sphérique. Etant donné que la fonction de la surface d'appui conique est de maintenir la bague d'étanchéité, non seulement radiale- ment, mais aussi axialement, peu importe manifestement si cette surface conique est définie par des génératrices rectilignes. Certes, un tel mode de réalisation est généralement préféré; mais le terme d'essentiellement coniques" embrasse également des formes de réalisation dans lesquelles la surface conique est voisine d'une surface sphérique. Dans un tel cas, il est opportun que le rayon de courbure de la surface d'appui soit un peu plus grand que celui de la surface d'étanchéité. Etant donné que les matières céramiques sont vulnérables aux efforts de traction (et, par suite, aux efforts de flexion également), on prend soin en général à donner un appui rigide aux bagues d'étanchéité en céramique. D'après une caractéris- tique particulière de l'invention, on s'écarte de ce principe en faveur d'un appui présentant une souplesse limitée pour la bague d'étanchéité. Plus précisément, l'élément d'appui doit permettre à la bague d'étanchéité une légère torsion autour de son axe circonférentiel, en vue d'une meilleure adaptation de la surface d'étanchéité à la contre-surface d'étanchéité en cas de tolérances d'usinage ou d'usure non uniforme. A cet égard, l'invention est fondée sur la constatation que si l'usinage est effectué avec un soin suffisant, ces déformations peuvent être maintenues dans les limites d'effort acceptable de la matière céramique. Du reste, il peut être souhaitable d'adopter, en liaison avec cette disposition, la caractéristique supplémentai- re mentionnée ci-dessus, d'après laquelle la bague d'étanchéité est mise sous une pré-tension de compression en direction péri- phérique par des rapports d'inclinaison appropriée au niveau de la surface d'étanchéité et de la surface d'appui de cette bague. 2474637. Par ailleurs, il est avantageux dans ces conditions que l'élément d'appui soit réalisé sous forme de bague, afin qu'il puisse exécuter également un mouvement de torsion autour de son axe circonférentiel, de telle sorte que la baque d'étanchéité ne perde pas le soutien de sa surface complète par la bague d'appui. Enfin, il est avantageux dans ces conditions que non seulement la bague d'étanchéité, mais aussi la bague d'appui ait, en coupe radiale, une dimension principale qui s'étend à peu près parallèlement à sa surface d'appui qui coopère avec la surface d'appui de la bague d'étanchéité. Afin de maintenir à un niveau aussi bas que possible la fatigue de la matière de la bague d'étanchéité qui se produit avec une telle déformation, il est opportun de prévoir, pour la bague d'appui, une surface portante étroite et située à peu près au milieu de sa forme, telle qu'elle apparaît en coupe radiale. L'étroitesse de la'surface portante facilite la torsion de la bague d'appui autour de son axe circonférentiel, tandis que la disposition moyenne de la surface portante a pour conséquence que la déformation de part et d'autre de la surface portante en sens opposés est à peu près égale, tandis que l'axe neutre de la déformation s'étend au milieu de la surface d'appui. La bague d'appui (vue en coupe radiale) se comporte alors comme une tra- verse mobile qui est capable de se prêter aux défauts éventuels d'ajustement précis par rotation dans un sens ou dans l'autre. De préférence, l'élément d'appui est prévu du côté de la boite et la surface d'étanchéité de la bague d'étanchéité est concave (de même que la surface d'appui entre la bague d'étan- chéité et l'élément d'appui). Toutefois, il est évident que l'ap- plication inverse de cet enseignement de l'invention est égale- ment possible. Enfin, selon une caractéristique de l'invention, il est prévu, en dedans de la bague d'appui en direction radiale, c'est- à-dire dans la-fente entre la bague d'appui et une tubulure qui s'éloigne du'raccord de tubes, une bague de remplissage dont le rôle est d'éviter, en cas d'endommagement de la bague d'étanché- ité, que des fragments de cette dernière soient projetés vers l'extérieur sous l'effet du fluide qui jaillit. L'invention est ci-après expliquée de façon plus détail- lée en référence au dessin annexé qui illustre deux exemples de réalisation, d'un côté et de l'autre respectivement de l'axe médian d'une vue en coupe longitudinale. On supposera.que la tubulure 2 raccordée à la bride 1 est fixée par soudage à une canalisation fixe (non représentée). La bride 1 est fixée par vissage sur une pièce fixe 3 qui porte l'ensemble du dispositif. A la bride 1 est bridée la boîte du raccord de tubes qỉ se compose des deux parties 4 et 5. Dans la boîte 4, 5 pénètre, la en position coaxiale par rapport à la tubulure 2 et par le côté opposé, une tubulure 6 dont on supposera qu'elle est raccordée_ à un élément rotatif qui n'apparaît pas sur le dessin. Par rota- tion, il y a également lieu d'entendre, dans le cadre de l'in-. vention, un mouvement rotatif de va-et-vient. A l'intérieur de la boîte 4, 5, la tubulure se raccorde d'run seul tenant à un élément 7 en forme de bride, dont la surface du côté de la tubu- lure 6 est réalisée sous forme de surface sphérique convexe avec un centre de courbure en 9. L'autre côté de la bride 7 forme un logement pour un anneau de glissement 10 en une matière anti- 2O0 friction, par exemple un carbone synthétique, et pour la bride 11 d'une gaine de ressort -12, bride qui prend appui sur l'anneau - de glissement 10. Un ressort de compression 13 est placé sous pré-tension entre la bride Il et la partie 4 de la boîte. La surface sphérique 8 de l'élément 7 en forme de bride coopère avec une surface sphérique correspondante, à savoir la surface d'étanchéité de la bague d'étanchéité 14. La bague d'étanchéité 14 prend appui (indicrectement) sur un rebord 15-, rabattu vers l'intérieur en direction radiale, de l'élément 5 de la boîte. Jusqu'ici, le dispositif peut être considéré comme connu.. Si l'on considère tout d'abord la représentation qui apparaît en haut sur la figure, on constate que la bague d'étan- chéité-14 est délimitée, du côté opposé à la surface d'étanchéité 8, par une surface arrière 16 également sphérique.Le centre de courbure 17 de la surface arrière 16 peut être.un peu décalé axialement par rapport au centre de courbure 9 de la surface d'étanchéité 8, afin de donner lieu à une position parfaitement déterminée ou à la différence d'inclinaison, précédemment décrite en détail, des deux surfaces. Le décalage des centres de courbure a également un effet favorable en ce qui concerne le positionne- ment de la bague d'étanchéité 14, qui peut être d'ailleurs assu- ré grossièrement, avec beaucoup de jeu, par la coopération de la surface périphérique 18 avec la surface intérieure de la boite ou par des surfaces de bourrelets prévus sous une forme quelcon- que sur la bague d'étanchéité. En arrière de la bague d'étanchéité 14 se trouve une bague d'appui 19 qui est emboîtée dans la partie 5 de la boite et, par suite, sert de portée rigide pour la bague d'étanchéité 14. Sa surface frontale complète, du côté de la bague d'étanchéi- té 14, est également réalisée sous forme sphérique, de même que la surface arrière 16 de la bague d'étanchéité. Etant donné que la surface arrière de la bague d'étanchéité et la surface fron- tale de la bague d'appui 19 coincident, elles forment les surfa- ces dites d'appui, dont la conicité est une caractéristique essentielle de l'invention. Il va de soi que la surface arrière de la bague d'étanchéité 14 et la surface frontale de la bague d'appui 19 n'ont pas besoin d'être coniques dans leur totalité, mais uniquement dans la mesure ou elles forment les surfaces d'appui. La conicité produite approximativement par une surface sphérique 16 dans l'exemple du haut a pour effet que non seule- ment des forces dirigées axialement peuvent être absorbêes,-mais aussi que la bague d'étanchéité 14 est fixée également de manière parfaitement déterminée en direction radiale, si bien que les forces radiales peuvent être transmises elles aussi. Le montage de la bague d'étanchéité 14 ne pose manifestement aucun problème, car une adaptation exacte de la bague d'étanchéité 14 dans les éléments de la boite n'est pas nécessaire. On retrouve les mêmes avantages dans la forme de réalisa- tion illustrée par la partie inférieure de la figure, dans la- quelle la surface d'appui 21, formée en commun par la bague d'étanchéité 14 et la bague d'appui 20, s'étend en c8ne avec l'angle de cône 22, tandis que la surface d'étanchéité sphérique 8 a un angle de cone moyen 23. On peut voir que l'angle 22 est un peu plus petit que l'angle 23, d'o il résulte que le coin formé entre eux exerce, sur la bague d'étanchéité 14, une pré- tension qui agit vers l'intérieur. Contrairement à la forme de réalisation représentée en haut, la bague d'appui 20 n'est pas fixée rigidement dans la boite: au lieu de cela, elle ne coopère avec la boîte que par sa surface périphérique étroite 24 et par une bague d'étanchéité élastique 25, interposée entre deux surface frontales. Il est donc visible que l'élément annulaire 20, qui apparaît en coupe radiale sur le dessin, peut pivoter autour d'un centre dont la position peut être donnée approximativement par la pointe de la flèche 26. Cette flèche s'étend depuis le centre de courbure 9 et passe à peu près par la région moyenne de la surface d'appui 21. Ainsi, le centre de pivotement pour l'élément annulaire re- présenté est situé à peu près au milieu par, rapport à cette sur- face d'appui, ce qui fait qu'en cas de torsion, les parties de la surface d'appui situées vers l'extérieur se rapprochent et, res- pectivement, s'éloignent de la bague d'étanchéité 14 dans la même mesure, si bien qu'il se produit une déformation compensée avec un minimum de pointes de tension. Au cas o les rayons de courbure des surfaces sphériques des éléments 7 et 14 ne coîncide- raient pas complètement, il se produirait donc, sous l'action de la pression du ressort 13 et de celle du fluide, une torsion de la bague d'appui 20 dans un sens de rotation ou dans l'autre, autour de l'axe qui, s'étendant parallèlement à la circonférence, traverse le plan du dessin à peu près à la pointe de la flèthe 26. En dedans de la bague d'appui 20 en direction radiale est disposée une bague de remplissage 27 qui est destinée à empê- cher la projection de fragments de la bague d'étanchéité 14 en cas de destruction de celle-ci. Dans la forme de réalisation représentée au haut de la figure, cette fonction est remplie par la bague d'appui 19. Par contre, dans la forme de réalisation représentée en bas, on a préféré ne pas prolonger la bague d'appui 20 aussi loin vers la tubulure 6, afin de ne pas détruire l'égalité-des ailes qui se trouvent-de part et d'autre du point de pivotement. A la place, on a utilisé la bague de remplissage 27 qui n'entrave pas le mouvement de positionnement de-la bague d'appui 20. REVENDICATIONS 1. Raccord de tubes mobile par rotation entre une boîte (4, 5) et une tubulure (6) qui pénètre en position à peu près coaxiale dans la boîte, comportant sur la tubulure, à l'intérieur de la boîte, un élément en forme de bride (7) qui prend appui par sa surface arrière sphérique (8) sur une surface d'étanchéité sphérique correspondante (8) d'une bague d'étanchéité (14) en matière céramique, dont la surface d'appui (16, 21), opposée à la surface d'étanchéité, est appliquée contre une surface d'appui (16, 21) solidaire de la boîte, caractérisé en ce que les surfa- ces d'appui (16, 21) sont essentiellement coniques. 2. Raccord de tubes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'appui (16, 21) de la bague d'étanchéité (14) est approximativement parallèle à la surface d'étanchéité (8) de cette bague. 3. Raccord de tubes selon la revendication 2, caractérisé - en ce que l'angle de cône moyen (22) de la surface d'appui (16, 21)est un peu plus petit que celui (23) de la surface d'étanchéi- té (8). 4. Raccord de tubes selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que l'angle de cône moyen (22) de la surface d'appui (16, 21) est un peu plus grand que celui (23) de la surface d'é- tanchéité (8). 5. Raceord de tubes selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que la surface d'appui (21) est conique avec des génératrices rectilignes. 6. Raccord de tubes selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que la surface d'appui (16) est sphérique. 7. Raccord de tubes selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le rayon de courbure de la surface d'appui (16, 21) est plus grand que celui de la surface d'étanchéité (8). 8. Raccord de tubes selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que la surface d'appui (21) solidaire de la boite est formée par un élément d'appui (20) ayant une souplesse limitée. 9. Raccord de tubes selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que l'élément d'appui (20) est réalisé sous forme de bague qui prend appui sur la boite. 10. Raccord de tubes selon la revendication 9, caracté- risé en ce que la dimension principale de la bague d'appui (20), considérée en une vue en coupe radiale, est approximativement parallèle à la surface d'appui (21) de cette bague. 11. Raccord de tubes selon l'une quelconque des revendL- cations 8 à 10, caractérisé en ce que le soutien (24, 25) de la bague d'appui (20) est étroit-et prévu à peu près au milieu par rapport à la forme que présente cette bague, vue en coupe radiale. 12. Raccord de tubes selon' l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce qu'une bague de remplissage (27) est prévue en dedans de la bague d'appui (20) en direction radiale.