Brevet FR2510711A1 — publié le 19830204

i L'invention concerne un dispositif d'étanchéité destiné à la tige d'une vanne du type à passage direct et à tige extérieure équilibrée, pour haute pression et haute température, analogue aux vannes décrites dans les demandes de brevets des Etats-Unis d'Amérique N' 833 684 déposée le 15 septembre 1977 par David P Herd et No 697 084 déposée le 16 juin 1976 par C Harles D Morrill. Dans l'industrie du pétrole et du gaz, les tempé- ratures et les pressions régnant au fond des puits forés croissent continuellement, et ces puits sont parfois forés dans des champs de gaz "corrosifs" o les fluides des puits contiennent des pourcentages relativement élevés de H 2 S On a récemment développé des joints pour vannes de champs pétroliers et têtes de puits qui sont relative- ment résistants aux détériorations dues aux effets combinés des pressions et des températures élevées et des fluides caustiques contenus dans les puits, tels que H 25. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 056 272 décrit un joint statique entre une tête de puits et un dispositif de suspension de colonne monté dans cette tête, le joint comprenant deux garnitures annulaires tronconiques en métal élastique, de section sensiblement rectangulaire, qui sont aplaties par une vis de blocage et une bague de compression et placées sous contrainte jusqu'à ce que les bords des garnitures annulaires métalliques fluent de façon plastique ou réalisent un contact étanche métal sur métal par "matriçage", avec les parois cylindriques parallèles de la tête de puits et du dispositif de suspen- sion Dans ce joint statique, un anneau déformable, ayant initialement une section sensiblement trapézoïdale et réalisé, par exemple, en "Teflon" en polyuréthanne ou en caoutchouc, est disposé entre les garnitures annulaires métalliques et est comprimé lors de l'aplatissement des garnitures annulaires afin de prendre une section trans- versale rectangulaire et d'entrer en contact avec les parois de la tête de puits et du dispositif de suspension de colonne L'anneau déformable de ce joint statique assume la fonction de joint secondaire pour les garnitures annulaires métalliques dans le cas o ces dernières n'assurent pas parfaitement l'étanchéité, par exemple, en raison de la présence de rayures ou de marques d'usi- nage sur la tête de puits o sur le dispositif de suspen- sion L'anneau déformable flue dans ces rayures ou marques d'usinage et y assure l'étanchéité. Un joint utilisé pour assurer l'étanchéité dyna- mique ainsi que l'étanchéité statique entre la tige d'une vanne et le corps ou le chapeau de la vanne comporte des garnitures annulaires métalliques élastiques tronconiques de section rectangulaire, disposées dans une botte à garnitures autour de la tige, avec des anneaux intermédiaires en matière plus souple disposés entre les garnitures annulaires en métal élastique Les raisons pour lesquelles les garnitures annulaires en métal sont élastiques et analogues à des ressorts Belleville, bien que non réalisées en acier à ressort, mais en matière plus tendre, sont que: ( 1) les garnitures ont un diamètre intérieur plus grand et un diamètre extérieur plus petit lorsqu'elles ne sont pas sollicitées, de sorte que l'ensemble du joint peut être aisément mis en place et retiré de la boîte à garnitures sans frottement indésirable contre la tige de la vanne ou contre la boîte à garnitures; ( 2) les gar- nitures conservent leur contact sous contrainte avec la tige et la boîte à garnitures pendant l'utilisation de la vanne, malgré de légères variations des dimensions de cette vanne sous l'effet, par exemple, des variations de température et de pression, ces variations risquant de modifier légèrement la déformation ou la contrainte exercée sur les garnitures et résultant initialement du serrage de l'élément de retenue des garnitures En d'autres termes, les garnitures doivent être élastiques pour conserver leur précharge. Le joint de tige de vanne mentionné ci-dessus est décrit dans la demande N O 697 084 précitée et dans un article ASME intitulé "Seals for Valve Stems and Wellheads in High Pressure High Température Service", de C D Y- orrill et C W Meyer, préparé pour être présenté à une conférence donnée à Mexico, Mexique, du 19 au 24 septembre 1976 Le joint décrit est comprimé par un élé- ment fileté de retenue des garnitures de manière que les garnitures annulaires métalliques soient aplaties et que leurs bords périphériques intérieur et extérieur soient déformés ou appliqués en contact étanche métal sur métal, par "matriçage'" contre à la fois la surface extérieure de la tige de la vanne et les parois de la boite à garnitures. Les anneaux intermédiaires placés entre les garnitures annulaires métalliques sont également déformés lors de la compression du joint pour épouser les formes des garnitures annulaires métalliques et pour entrer en contact avec la tige et la boite à garnitures Les anneaux intermédiaires doivent donc présenter un certain degré d'élasticité La déformation initiale provoque habituellement une déforma- tion initiale permanente des anneaux intermédiaires, mais ces derniers conservent un certain degré d'élasticité. Des matières utilisées pour les anneaux intermédiaires de tels joints comprennent des matières fluoroplastiques, par exemple un polymère de tétrafluoréthylèneet des matières à base de graphite De telles matières renferment également un polymère de tétrafluoréthylène chargé jusqu'à environ % de bisulfure de molybdène. Les anneaux intermédiaires du joint de tige- de vanne décrit ci-dessus constituent des joints dynamiques qui agissent principalement pendant les mouvements de la tige pour assurer l'étanchéité entre les garnitures annu- laires métalliques et la tige lorsque lesdites garnitures annulaires métalliques sont affectées par la force d'en- trainement produite par la tige en mouvement Ces anneaux intermédiaires tendent également à lubrifier les zones de contact entre la tige et les garnitures annulaires métalliques en frottant sur la tige à un certain degré afin de réduire le frottement entre cette dernière et les garnitures annulaires métalliques Les anneaux intermé- diaires produisent également un effet de lubrification réduisant le frottement entre la tige et ces mêmes anneaux intermédiaires, et entre ces derniers et les garnitures annulaires métalliques En outre, les anneaux intermédiaires se comportent comme des joints secondaires renforçant les garnitures annulaires métalliques, de la même manière que les joints secondaires annulaires déformables indiqués précédemment pour le joint à tête de puits et le dispositif de suspension de colonne décrit dans le brevet N O 4 056 272 précité, ces joints secondaires fluant dans toutes rayures ou marques de machine présentes sur la tige et y assurant l'étanchéité. L'invention décrite dans le présent mémoire constitue un perfectionnement apporté au joint de tige de vanne décrit ci-dessus. Une forme de réalisation du joint de tige décrit ci-dessus comprend trois garnitures annulaires métalliques et deux anneaux intermédiaires disposés entre ces garni- tures, et ce joint est connu comme étant du type "SMT". Le joint du type SMT s'est avéré assurer de façon satisfai- sante l'étanchéité de la tige de vannes travaillant à des pressions atteignant environ 175 M Pa, à des tempéra- tures comprises entre -30 et 1500 C. Dans le cas de vannes soumises à des pressions de travail s'élevant à 210 M Pa ou plus, le joint du type SMT n'assure cependant pas toujours une excellente étan- chéité aux tiges de vannes dans les conditions qu'il est prévu de rencontrer en cours de service Des matières à base de graphite utilisées seules, par exemple, ne sont pas souhaitables pour les joints de tigesdu type SMT destinés à des vannes devant travailler sous des pressions de 210 M Pa, car ces matières tendent à se déplacer par extrusion au-delà des garnitures annulaires métalliques lors de l'aplatissement de ces dernières pour solliciter le joint, étant donné que le graphite commence à s'extruder avant que les garnitures se soient suffisamment aplaties pour former un joint avec la tige de vanne et la boîte à garnitures De plus, le mouvement de la tige de vanne tend à éliminer par usure ou érosion les matières à base de graphite déposées sur la tige et entraînées par cette dernière au-delà des garnitures et hors de la bo Ste à garnitures Cette extrusion et cette élimination par usure de la matière à base de graphite dans des conditions de service de 210 M Pa peuvent conduire à l'apparition de fuites des fluides du puits par le joint et à la nécessité de remplacer l'anneau de graphite. De la même manière, des matières à base de polymère de tétrafluoréthylène ("TFE"), ou bien de telles matières contenant du Mo 52 comme additif, ne conviennent pas à des joints de tige du type SMT pour des vannes pour pressions de l'ordre de 210 M Pa, car ces matières ne sont pas toujours capables de maintenir l'étanchéité sous de telles pressions après que la vanne a été soumise à des températures variant cycliquement Une vanne en service dans un champ pétrolier dans lequel des fluides de puits sous haute pression s'écoulent de puits profonds peuvent être chauffées, par ces fluides, à une température d'environ 1500 C Lorsque les fluides du puits cessent de s'écouler à travers la vanne, par exemple si le puits est fermé, la vanne peut se refroidir jusqu'à la température ambiante, par exemple 210 C, et si le puits est de nouveau ouvert et que les fluides recommencent à s'écouler, la vanne peut de nouveau être portée à une température de 1500 C Ainsi, la température de la vanne varie de façon cyclique entre environ 210 C et 1500 C Un joint de tige de vanne doit pouvoir rester étanche constamment, à toutes les températures et durant tous les cycles de températures auxquels la vanne est soumise en service Un joint du type SM Tutilisant des anneaux en polymère de tétrafluoréthylène ou des anneaux en polymère de tétrafluoréthylène chargé de Mo S, assure l'étanchéité aux fluides de puits à des pressions d'environ 210 M Pa aux températures ambiantes, par exemple 210 C, et de nouveau à des températures élevées, par exemple 150 'C Cependant, lorsque la vanne est soumise à un cycle thermique la faisant passer de la température ambiante à 150 C et la ramenant à la température ambiante, le joint du type SMT ne reste pas toujours étanche; parfois, le joint présente de petites fuites, soit pendant le mouvement de la tige de la vanne, soit alors que la tige de la vanne est immobile, soit à la fois pendant le mouvement et les périodes d'immobilité Bien que la fuite puisse être arrêtée par un resserrage de l'élément de retenue des garnitures, la fuite réapparaît après d'autres cycles de températures. L'invention a pour objet de résoudre les problèmes décrits ci-dessus au moyen d'un joint fiable de tige de vanne, convenant à des vannes ayant des pressions de tra- vail de l'ordre de 210 M Pa ou plus et soumises à des cycles de températures compris entre -300 C et 1500 C L'invention a pour autre objet un tel joint qui reste étanche et ne présente aucune fuite lorsqu'il est soumis à des fluides de puits ayant des pressions de 210 M Pa ou plus et lorsque la température de la vanne passe de la température ambiante à environ 150 C et revient à la température ambiante, sans qu'il soit nécessaire de resserrer l'élément de retenue de garnitures L'invention a également pour objet un tel joint qui est simple, peu volumineux et économique, et aisé à fabriquer, poser et mettre en service L'invention a également pour objet un tel joint qui présente un faible frottement, qui est durable et relativement résistant à la détérioration due aux fluctuations et aux températures extrêmes, aux pressions élevées et à l'activité chimique des fluides de puits envers lesquels il assure l'étanchéité. Conformément & l'invention, une vanne à passage direct à tige extérieure équilibrée, pour hautes pressions, comporte un dispositif d'étanchéité de tige associant un contact métal sur métal et une matière souple entre le chapeau du corps de la vanne et la tige de commande de la vanne et entre la chambre ménagée dans le corps de la vanne et la tige équilibrée Chaque dispositif d'étanchéité comprend au moins un groupe de joints comprenant deux garnitures annulaires tronconiques en métal élastique entre lesquelles sont disposés deux anneaux d'appoint ou de raccordement en matière souple mais dure, à pouvoir lubrifiant élevé, par exemple un polymère de tétrafluor- éthylène, un anneau d'appoint étant adjacent à l'une des garnitures métalliques annulaires et l'autre anneau d'appoint étant adjacent à l'autre de ces garnitures Une âme annulaire est disposée entre les anneaux d'appoint et elle est constituée d'une matière dont la dilatation volumétrique est notablement inférieure, sous l'effet de la chaleur, à celle des anneaux d'appoint, par exemple du graphite comprimé L'âme annulaire présente un diamètre intérieur plus grand que le diamètre intérieur des anneaux d'appoint Une bague d'appui, qui peut être constituée du même type-de matière que celui utilisé pour les anneaux d'appoint, par exemple un polymère de tétrafluoréthylène, est disposée sur le pourtour de la périphérie intérieure de l'âme annulaire, entre cette dernière et la tige de commande de la vanne ou la tige d'équilibrage Chaque en- semble de joints est disposé dans une boîte annulaire à garnitures, dans la partie adjacente du corps de la vanne s'éténdant autour de la tige Chaque boîte à garnitures est fermée par un élément annulaire de retenue des garni- tures vissé suffisamment dans la boîte à garnitures pour aplatir les garnitures annulaires métalliques tronconiques de manière que les bords intérieur et extérieur de chaque garniture annulaire métallique portent contre la tige et contre la boîte à garnitures, respectivement, sous une pression suffisante pour provoquer une déformation plas- tique du bord périphérique intérieur de ces garnitures sur leur côté concave et de leur bord périphérique exté- rieur sur leur côté convexe L'empilage, constitué de l'âme annulaire et de la bague d'appui disposées entre les anneaux d'appoint, est déformé pour épouser la forme des garnitures annulaires métalliques aplaties et remplir pratiquement en totalité l'espace compris entre ces gar- nitures Le volume de l'âme annulaire est à peu près égal à un tiers du volume total de l'empilage Lorsque la vanne est en service et qu'elle est soumise à un cycle thermique, le joint reste serré et conserve sa précharge sans qu'il soit nécessaire de resserrer l'élément de retenue des garnitures L'ensemble de joints de tige selon l'inven- tion peut également être utilisé pour l'étanchéité de vis de blocage et dans d'autres cas o il est nécessaire I d'assurer l'étanchéité entre des pièces mobiles entre elles et soumises à un cycle thermique, à la fois pendant et après des mouvements relatifs de ces pièces. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe verticale d'une vanne selon l'invention; et les figures 2 A et 2 B sont des coupes verticales partielles dans le même plan que celui de la figure 1, mais à échelle agrandie, montrant une forme de réalisation du dispositif d'étanchéité pour tige de commande selon l'invention, forme de réalisation dans laquelle les gar- nitures annulaires métalliques tronconiques sont orientées dans un sens s'éloignant de la pression envers laquelle il faut assurer l'étanchéité à l'intérieur de la vanne, la figure 2 B montrant le-dispositif d'étanchéité de tige selon l'invention tel que monté dans la vanne, mais avant d'être sollicité par serrage de l'élément de retenue des garnitures et la figure 2 A représentant le dispositif d'étanchéité de tige à l'état sollicité. La figure 1 représente une vanne comprenant un corps creux qui présente une chambre 21 et auquel un chapeau 23 est fixé par des goujons 25 et des écrous 27. Une garniture convenable 29, sollicitée par pression, assure l'étanchéité entre le chapeau 23 et la chambre 21. Des sièges 31 et 33, situés aux extrémités intérieures de canaux 35 et 37, coopèrent avec deux obturateurs percés 39 et 41 qui commandent l'écoulement d'un fluide, par exemple de l'eau, du pétrole ou du gaz, à travers la vanne. Une matière d'étanchéité est emmagasinée dans des réser- voirs 43 et 45 et elle est dirigée automatiquement, par des canaux 47 et 49 de distribution, vers 'Les interfaces entre les obturateurs et les sièges et entre les collets des sièges et le corps de la vanne pour assurer l'étan- chéité à ces interfaces. Les obturateurs 39 et 41 sont aninés d'un mouve- ment alternatif par une tige sensiblement cylindrique 51 de commande afin de se déplacer entre une position de fermeture, montrée sur la figure 1 et dans laquelle les fluides ne peuvent s'écouler par les canaux 35 et 37, et une position d'ouverture permettant cet écoulement et dans laquelle les orifices 53 et 55 des obturateurs sont alignés avec des orifices 57 et 59 des sièges 31 et 33. L'extrémité supérieure de la tige 51 de commande fait saillie vers l'extérieur de la chambre 21 de la vanne et passe dans un trou 61 du chapeau 23 Un dispositif d'étanchéité 63 selon l'invention assure l'étanchéité entre la tige 51 et une boite à garnitures sensiblement cylin- drique 65 disposée dans le chapeau 23 Le dispositif 63 d'étanchéité est comprimé dans la boîte à garnitures 65 par un élément 67 de retenue de garnitures qui est vissé dans un collet taraudé 69 situé à la partie supérieure du chapeau 23 Un orifice 71 de purge est utilisé pour la détection de fuites des fluides entre la tige 51 et l'orifice 61 après remise en place de la tige. La surface extérieure du collet 69 du chapeau est également filetée et reçoit par vissage un capuchon 73 d'appui Un écrou 75 de commande est vissé sur le tronçon supérieur fileté 77 de la tige 51 de commande et il comporte une bride 79 disposée entre des butées axiales supérieure et inférieure 81 et 83 La butée axiale infé- rieure 83 porte contre la surface supérieure d'une rondelle disposée sur le dessus de l'élément 67 de retenue des garnitures La butée axiale inférieure 81 porte contre l'extrémité intérieure supérieure du capuchon 73 d'appui. Un volant à main 87 présente une ouverture non circulaire 89 ajustée sur un tronçon 91 de forme correspondante de l'écrou 75 de commande Le volant 87 est maintenu en posi- tion par un écrou 96 de retenue qui est vissé sur l'extré- mité supérieure de l'écrou 75 de commande Un orifice de purge permet aux fluides de s'échapper d'entre le tronçon fileté 77 de la tige 51 et l'écrou 75 de commande. Une tige 97 d'équilibrage, sensiblement cylin- drique, est reliée aux extrémités inférieures des obturateurs et fait saillie à l'extérieur de la chambre de la vanne en passant dans un trou 99 Un dispositif 101 d'étanchéité selon l'invention assure l'étanchéité entre cette tige 97 d'équilibrage et une boite à -garnitures sensiblement cylindrique 103 située dans le corps de la vanne Le dispositif 101 d'étanchéité est comprimé dans la boite à garnitures 103 par un élément inférieur 105 de retenue de garnitures qui est vissé dans un trou tarau- dé 107 coaxial au trou 99 et à la boite à garnitures 103. Un orifice 109 de purge est utilisé pour détecter, le cas échéant, les fuites de fluides d'entre la tige 97 d'équilibrage et le trou 99 lorsque le tronçon élargi situé à l'extrémité supérieure de la tige d'équilibrage est totalement logé dans le siège annulaire situé dans le corps de la vanne, autour du trou 99 Un capuchon inférieur 111 est vissé sur le corps de la vanne, au-dessus de l'élément inférieur 105 de retenue et de l'extrémité inférieure de la tige 97 d'équilibrage, au moyen de vis 113. Lorsque le volant 87 est tourné, l'écrou 75 de commande tourne et provoque, par l'intermédiaire de la tige 51 de commande, la montée ou la descente des obtura- teurs 39 et 41 auxquels la tige est reliée par un moyeu Ceci provoque à son tour un mouvement de montée ou de descente de la tige 97 d'équilibrage reliée aux obtura- teurs par un moyeu 117 Il se produit donc un mouvement axial relatif entre chacune des tiges 51 et 97 et les dispositifs respectifs 63 et 101 d'étanchéité de ces tiges Ces dispositifs 63 et 101 d'étanchéité doivent donc rester serrés avant, pendant et après de tels mouvements axiaux relatifs. Les dispositifs 63 et 101 d'étanchéité sont identiques, de sorte que la description détaillée d'un seul de ces dispositifs suffit Comme représenté sur les figures 2 A et 2 B, le dispositif 63 d'étanchéité comprend un ensemble supérieur 119 d'étanchéité et -un ensemble infé- rieur 121 d'étanchéité Une bague 123 d'adaptation de base est disposée dans le fond de la boîte annulaire 65 à garnitures, au-dessous de l'ensemble inférieur 121 d'étanchéité. La surface inférieure de la bague 123 d'adaptation porte étroitement et de façon complémentaire contre le fond de la boîte à garnitures Une bague mobile 125 d'adaptation est disposée entre la face inférieure 127 de l'élément 67 de retenue des garnitures et l'ensemble supérieur 119 d'étanchéité L'extrémité supérieure de la bague mobile d'adaptation s'applique étroitement et de manière correspondante contre la face inférieure 127 de l'élément 67 de retenue Une bague intermédiaire 129 d'adaptation est disposée entre les ensembles 119 et 121 d'étanchéité. La face supérieure de la bague d'adaptation de base 123, la face inférieure de la bague mobile 125 d'adaptation et les faces supérieure et inférieure de la bague inter- médiaire 129 d'adaptation sont de forme tronconique pré- sentant les angles de cône souhaités pour les formes des ensembles d'étanchéité 119 et 121 dans leurs positions d'assemblage final A cet égard, il convient de noter que la figure 2 B montre le dispositif d'étanchéité selon l'invention tel que monté dans la vanne, mais avant d'être sollicité par serrage de l'élément de retenue des garnitures, et que la figure 2 A illustre le même dispo- sitif d'étanchéité à l'état sollicité, l'élément de rete- nue des garnitures étant vissé davantage dans son logement taraudé et les ensembles d'étanchéité et les bagues d'adaptation étant dans leurs positions d'assemblage final Comme décrit plus en détail ci-après, les garni- tures annulaires métalliques des ensembles d'étanchéité présentent une forme conique plus marquée, c'est-à-dire des angles de cène plus petits, dans leur état relâché tel que montré sur la figure 2 B que dans leur état solli- cité final tel que montré -sur la figuré 2 A Si cela est souhaité, l'une ou l'autre ou les deux bagues 123 et d'adaptation peuvent être supprimées, auquel cas le fond de la boîte à garnitures et/ou l'extrémité inférieure de l'élément 67 de retenue présentent alors une surface tronconique ayant l'angle de cône et l'aire souhaités. Lorsqu'elles sont utilisées, les bagues d'adaptation 123, 125 et 129 peuvent être réalisées en une matière relativement dure, par exemple en acier 4140 Il suffit que le corps et le chapeau de la vanne soient réalisés en tout acier utilisé classiquement pour des vannes à haute pression. Les ensembles d'étanchéité 119 et 121 sont identiques, de sorte qu'il suffit de décrire en détail un seul de ces ensembles L'ensemble 119 d'étanchéité comprend deux garnitures annulaires métalliques tronconi- ques 131 entre lesquelles sont disposés deux anneaux identiques 133 d'appoint Ces anneaux 133 sont réalisés en une matière solide souple et dure, présentant un cer- tain pouvoir lubrifiant et ayant un module d'élasticité inférieur à celui des garnitures annulaires métalliques 131 Un anneau d'appoint est disposé à proximité immédiate de l'une des garnitures annulaires métalliques et l'autre anneau d'appoint est disposé à proximité immédiate de l'autre garniture. Une âme annulaire 135 est disposée entre les anneaux d'appoint 133 Cette âme annulaire 135 présente un coefficient de dilatation thermique volumétrique in- férieur à celui des anneaux d'appoint 133 Le diamètre intérieur de l'âme annulaire 135 est plus grand que le diamètre intérieur des anneaux d'appoint 133 Une bague 137 d'appui, réalisée en une matière solide dure et souple, présentant un certain pouvoir lubrifiant et pou- vant être du même type que celui utilisé pour les anneaux d'appoint 133, est disposée sur le pourtour du bord in- férieur de l'âme annulaire 135, entre cette dernière et la tige 51 de commande de la vanne La bague 137 d'appui réalise un ajustement à glissement dans l'ouver- ture de l'âme annulaire 135. Les garnitures annulaires métalliques 131 à l'état relâché présentent une section sensiblement rectangulaire qui forme un angle d'environ 300 avec l'horizontale Ainsi, l'angle du cône formé par les garnitures 131 à l'état relâché est d'environ 1200 Dans cet état relâché, les garnitures 131 présentent un jeu radial avec à la fois la tige 51 et la boîte à garnitures 65, de sorte que ni la tige ni la boîte à garnitures ne sont détériorées lors de la pose des garnitures 131 dans la vanne Le montage des garnitures 131 consiste simplement à les faire tomber en position Lorsque le dispositif d'étanchéité est sollicité par un serrage de l'élément de retenue des garnitures, ces dernières sont aplaties de manière que le diamètre intérieur de chaque garniture diminue et que le diamètre extérieur de chaque garniture augmente suffisamment pour que le bord périphérique inté- rieur situé sur la face concave et le bord périphérique extérieur situé sur la face convexe de chaque garniture soient appliqués en contact étanche, métal sur métal, par déformation ou "matriçage", c'est-à-dire fluage plas- tique, avec la tige et la botte à garnitures, respective- ment Pour ne pas abîmer par frottement ou détériorer les tiges, les garnitures annulaires métalliques doivent être réalisées en un métal plus tendre que celui des - tiges de vanne Les tiges de vanne peuvent être consti- tuées d'un alliage du type "K Monel", par exemple, bien qu'un acier comparable puisse convenir Il est préférable que la tige présente un revêtement dur, par exemple un revêtement de carbure de tungstène d'une épaisseur de 0,075 à 0125 mm, destiné à augmenter la dureté et la lon- gévité de la tige Un tel revêtement élève la dureté de la tige en la faisant passer d'une valeur Rockwell d'environ 30 à enviton 60 Les garnitures annulaires métalliques doivent être suffisamment plastiques pour permettre le matriçage des bords périphériques sous l'ap- plication d'une contrainte élevée afin de réaliser le joint métal sur métal, et elles doivent être suffisamment résistantes pour supporter la précharge importante et les pressions des fluides rencontrés dans les puits en service Ces garnitures peuvent être réalisées, par exemple, en acier inoxydable recuit (austénitique), par exemple du type 316, ou bien en d'autres métaux tels que de l'acier doux ou de l'acier allié Pour réduire encore plus le risque de détérioration par frottement ou d'en- dommagement des tiges, le bord périphérique intérieur de la face concave de chaque garniture est arrondi de préférence à un rayon égal à environ la moitié de l'épais- seur de la garniture, par exemple un rayon de 0,5 mm pour une garniture de 1 mm d'épaisseur A l'état aplati, les garnitures annulaires métalliques 131 font un angle d'en- viron 150 avec l'horizontale, ce qui correspond à un angle de cône d'environ 1500, conforme aux faces tronco- niques des bagues d'adaptation 123, 125 et 129 qui sont également disposées de manière à former un angle d'envi- ron 15 avec l'horizontale Il est évident que, bien que les garnitures annulaires métalliques soient de préférence tronconiques, il est possible d'utiliser des garnitures annulaires métalliques ayant des formes autres que tron- coniques. La matière utilisée pour les anneaux d'appoint 133 et la bague d'appui 137 doit avoir un faible coeffi- cient de frottement, c'est-à-dire un pouvoir lubrifiant élevé La matière utilisée pour les anneaux d'appoint 133 et la bague d'appui 137 doit également avoir une résis- tance et une dureté suffisantes pour conserver son inté- grité sous les pressions élevées, et elle doit résister à l'activité chimique du fluide commandé par la vanne et doit pouvoir supporter des températures comprises dans la plage qu'il est prévu de rencontrer en cours de service, par exemple de 150 à -300 C Une telle matière doit également être suffisamment souple ou élastique pour pénétrer par fluage dans tous les petits espaces pouvant subsister entre les garnitures annulaires métal- liques et la tige et la boite à garnitures par suite de rayures ou de marques d'usinage présentes sur la tige ou la boite à garnitures, ou bien entre les garni- tures annulaires métalliques et la surface de la tige nouvellement adjacente, pendant et après les mouvements de cette tige Des espaces de ce dernier type peuvent apparaître, par exemple, en raison du fait que, pendant et après les mouvements de la tige, les bords périphériques intérieurs des garnitures annulaires métalliques ne fluent pas instantanément, et peut-être jamais, de façon plastique pour épouser la surface nouvellement adjacente de la tige Les matières des anneaux d'appoint et de la bague d'appui pénètrent par fluage dans tous ces petits espaces et les doturent de manière étanche Par conséquent, les anneaux d'appoint et la bague d'appui peuvent égale- ment être considérés comme des bagues d'étanchéité Les matières convenant aux anneaux d'appoint 133 et à la bague d'appui 137 comprennent, par exemple, un polymère de tétrafluoréthylène tel que celui commercialisé sous la marque "Teflon", et celui commercialise sous la marque "Moly-Teflon", qui est analogue au "Tef Ion", mais qui contient jusqu'à environ 15 % de bisulfure de molybdène Mo 52 Une matière particulière s'avérant convenable contient 5 % en poids de Mo 52 et 95 % en poids de TFE et elle est commercialisée par la firme Allied Chemical Company sous la désignation "n O 2021 ". La matière utilisée pour l'âme annulaire 135 doit, de même que la matière utilisée pour les bagues 133 et 137, avoir une résistance suffisante pour supporter la contrainte élevée demandée pour la précharge du joint, et elle doit également être résistante à l'activité chimi- que des fluides du puits envers lesquels il faut assurer l'étanchéité et elle doit pouvoir supporter des tempé- ratures comprises dans la plage qu'il est prévu de ren- contrer en cours de service, par exemple de 150 à -60 'C. La découverte, par la Demanderesse, de ce qui semble être la cause des fuites du joint du type SMT aux pressions élevées et sous l'effet de cycles de tempé- ratures extrêmes, permet d'apprécier encore mieux d'autres propriétés de l'âme annulaire 135, bien qu'il soit évident que le joint décrit dans le présent mémoire résolve le problème des fuites quelle que soit la théorie de son fonctionnement. Les fuites présentées par le joint de tige du type SMT, utilisant des bagues de TFE ou de TFE chargé de Mo 52, sous des pressions de l'ordre 210 M Pa, après des variations cycliques de températures, résultent apparemment d'une perte partielle de la précharge exercée sur le joint On peut consulter, à titre de comparaison, la perte de précharge apparaissant dans des garnitures entièrement en élastomère, décrites dans l'article ASME précité Lorsque le joint du type SMT est mis en place ou sollicité pour la première fois, il est soumis à une compression mécanique résultant du serrage de l'élément de retenue des garnitures, de sorte qu'il est placé sous une contrainte d'un degré supérieur à celui de la con- trainte qui serait exercée par les fluides du puits sous haute pression Lorsqu'une vanne comportant le-joint de tige du type SMT s'échauffe de la température ambiante jusqu'à 150 'C, les bagues de TFE tendent à se dilater, mais elles ne peuvent se dilater ainsi de façon importante car elles sont pratiquement retenues de tous côtés par des métaux qui se dilatent moins rapidement que ces bagues de TFE Le joint est alors placé sous une contrainte de précharge supérieure à celle qui lui a été appliquée ini- tialement, c'est-à-dire avant l'échauffement Lorsque la vanne refroidit et redescend à la température ambiante, la contrainte de précharge non seulement diminue à partir de son niveau élevé atteint au moment o la vanne a été chauffée, mais également descend à une valeur inférieure à celle qu'elle avait initialement Ceci semble apparemment dû à l'un ou à l'autre des effets suivants, ou peut-être aux deux effets Lorsque la vanne est chauffée à environ 1500 C, la contrainte élevée, qui dépasse la contrainte de précharge déjà élevée s'exerçant sur le joint et la structure métallique environnante le maintenant, par suite de la dilatation thermique des bagues de TFE, peut provo- quer une légère déformation permanente ou définitive, c'est-à-dire un affaissement, de cette structure métalli- que de maintien, de façon à accroître le volume occupé par le joint lorsque ce dernier revient en refroidissant à la température ambiante, ce qui réduit la contrainte exercée sur le joint et la fait descendre audessous de sa préchàrge En variante, ou peut-être en plus, lorsque les bagues de TFE sont placées sous la contrainte de niveau élevé due à la dilatation thermique résultant de l'échauffement de la vanne à 150 'C, les bagues de TFE peuvent subir une déformation permanente au-delà de celle provoquée par la contrainte de précharge, c'est-à-dire qu'elles risquent de prendre une autre déformation par compression, qui subsiste après le refroidissement de la vanne à la température ambiante et qui a pour résultat un soulagement de la contrainte exercée danà les bagues de TFE, ce soulagement neutralisant quelque peu l'effet de compression exercé par l'élément Cd retenue et les gar- nitures sur le joint Par conséquent, après une variation cyclique de température, pour rétablir la précharge convenable, il est nécessaire de resserrer l'élément de retenue des garnitures En l'absence d'un tel resserrage, la vanne est incapable d'assurer l'étanchéité envers des pressions de l'ordre de 210 M Pa sans fuites légères. Conformément à l'invention, une certaine partie de la matière préférée, constituée de TFE ou de TFE chargé de Mo 52, située entre les garnitures annulaires métalliques du joint de tige du type SMT, est remplacée par une matière qui présente une dilatation relativement faible, lors- qu'elle est chauffée, par rapport à celle du TFE chargé ou non de Mo 52 Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, cette matière à faible dilatation thermique constitue l'âme annulaire 135 dont les trois faces adja- centes aux garnitures annulaires métalliques et à la tige sont recouvertes par les anneaux d'appoint 133 et la bague d'appui 137 Ainsi, l'âme annulaire 135 doit avoir un coefficient de dilatation thermique volumétrique infé- rieur à celui des bagues 133 et 137 Une telle matière convenant à l'âme annulaire 135 est un graphite comprimé commercialisé sous la marque "Grafoil" (voir brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 404 061) On pense que le coefficient de dilatation thermique volumétrique du TFE, par exemple, est sensiblement supérieur à celui du "Grafoil", en fait plusieurs fois supérieur, bien que des valeurs précises ne soient pas connues Cependant, les données publiées indiquent que le "Grafoil", qui est produit sous la forme de minces feuilles ou rubans stratifiés flexibles, possède un coefficient de dilatation linéaire d'environ -0,036 10-5 cm/cm'C dans des directions parallèles aux couches de graphite, c'est-à-dire suivant leur longueur et leur largeur, sur la plage de 21 à 1100 'C, et d'envi- ron 2,72 10-5 cm/cm'C dans des directions perpendiculaires aux couches, c'est-à-dire transversales à leur épaisseur, sur la plage de 21 à 2200 WC Le TFE possède un coefficient de dilatation linéaire d'environ 12,72-18, 18 10-5 cm/cm O C sur la plage de 25 à 260 ûC Pour des corps solides, le coefficient de dilation thermique volumétrique est égal à environ trois fois le coefficient de dilatation thermi- que linéaire (voir à cet effet l'ouvrage "The Handbook of Chemistry and Physics", 48 ème édition, page F-90 (Chemical Rubber Co 1967) Si l'on suppose alors que le "Grafoil" présente une dilatation volumétrique, en étant chauffé, ayant des valeurs trois fois supérieures aux valeurs données ci-dessus pour la dilatation linéaire, on obtient des valeurs qui restent inférieures à un quart de la dila- tation thermique volumétrique prévue pour le TFE lorsque la vanne est chauffée à des températures comprises entre environ 25 et 150 WC. L'empilage d'anneaux ou de bagues intercalaires, compris entre les garnitures annulaires métalliques et désigné ci-après par l'expression "empilage intercalaire", constitué de l'âme annulaire 135, de la bague 137 d'appui disposée autour du bord périphérique intérieur de cette âme et des anneaux 133 d'appoint disposés à proximité des faces supérieure et inférieure des anneaux 135 et 137, est déformé afin d'épouser la forme des garnitures annu- laires métalliques 131 et de remplir à peu près en tota- lité l'espace compris entre ces garnitures 131 lorsqu'elles sont aplaties à l'état sollicité Les bagues et anneaux de l'exllpilage intercalaire ont généralement, à l'origine, une section rectangulaire, mais ils peuvent être déformés à la presse avant leur installation dans la vanne pour prendre les formes tronconiques montrées sur la figure 2 B et qui correspondent aux surfaces de forme tronconique 1 9 des anneaux d'adaptation 123, 125 et 129 contre lesquels les garnitures annulaires métalliques sont aplaties En variante, les anneaux de l'empilage intercalaire peuvent être mis en place dans leur configuration, en section, rectangulaire d'origine, et amenés à la forme tronconique lors de la sollicitation ou mise sous pression du joint. La ratière constituant la bague 135 de soulagement de contraintes peut se présenter sous la forme d'un ruban de "Grafoil" enroulé étroitement et comprimé en une bague ou un anneau plein fermé Ce ruban peut être du type commercialisé par la firme Union Carbide Corporation sous la désignation "Grafoil Ribbon-Pack et décrit dans le bulletin d'information technique de la même firme, no 524- 204 Une bague constituée d'un tel ruban enroulé étroite- ment et ayant été comprimée présente sa plus grande dila- tation thermique dans la direction radiale lorsqu'elle est installée dans la boite à garnitures autour de la tige, c'est-à-dire en direction de la tige et de la boîte à garnitures En variante, la bague 135 peut être découpée dans une feuille de "Grafoil" ou dans plusieurs feuilles de "Grafoil" empilées Le "Grafoil" disponible dans le commerce peut n'être comprimé ou compacté qu'à environ %, mais il peut être comprimé ou compacté totalement, c'est-à-dire à 100 %, soit dans une presse avant l'ins- tallation, comme décrit précédemment soitune fois mis en place dans la vanne, lors de la sollicitation ou mise sous pression du joint. Les anneaux d'appoint 133 sont plus minces, dans la direction axiale, que l'anneau ou la bague 135 et la bague 137 qui ont sensiblement la même épaisseur axiale lorsque la bague 135 est totalement comprimée, mais ils sont plus larges, dans la direction radiale, que ces deux bagues 135 et 137 Le total des largeurs radiales des deux bagues 135 et 137 est sensiblement égal à la lar- geur radiale des anneaux 133 Les anneaux 133 et 137 doivent réaliser un ajustement à " issement serré sur la tige lors de l'installation de l'empilage intercalaire dans la vanne Lorsque l'empilage intercalaire est comprimé au moment de la sollicitation du joint, les bords périphériques intérieurs des anneaux 133 et 137 sont appliqués plus étroitement contre la tige 51, et les bords périphériques extérieurs des anneaux 133 et 135 sont appliqués étroitement contre les parois de la boîte à garnitures 65. Bien que deux ensembles d'étanchéité 119 et 121 soient représentés sur les figures, il est apparu qu'un seul ensemble d'étanchéité suffit à l'obtention d'un joint satisfaisant Le second ensemble d'étanchéité, c'est- à-dire l'ensemble le plus éloigné des fluides dont il faut assurer l'étanchéité, est prévu pour être utilisé en secours ou en renfort dans le cas o le premier ensemble d'étanchéité présente une défaillance Un canal 139, ménagé dans le chapeau 23 et en alignement et en communi- cation avec un canal 141 à travers la bague intermédiaire 129 d'adaptation, lorsque le joint est sollicité, cons- titue une autre caractéristique d'étanchéité de secours ou de renfort Le canal 139 communique également avec un injecteur 140 disposé dans un trou taraudé ménagé dans la surface extérieure du chapeau 23 Une gorge annu- * laire 143, qui communique avec le canal 139, est réalisée autour des parois de la boîte à garnitures 65, et une gorge annulaire 145, qui communique avec le canal 141, est réalisée autour de la surface périphérique intérieure de la bague intermédiaire 129 d'adaptation En cas de défaillance des ensembles d'étanchéité 119 et 121, de la matière d'étanchéité peut donc être injectée au moyen de l'injecteur 140 et des canaux 139 et 141 dans les gorges 143 et 145 pour constituer un joint d'urgence ou de renfort autour de la boite à garnitures et de la tige respectivement. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention est préchargé par serrage de l'élément de retenue des garnitures à une contrainte sensiblement supérieure à celle qu'il est prévu que la pression du fluide exerce lorsque la vanne est en service Une contrainte de pré- charge typique pour des joints de tige destinés à une vanne telle que celle montrée sur la figure 1, dont la pression nominale de travail est de 210 M Pa, est de 262,5 M Pa. Lorsqu'une vanne comportant le dispositif d'étan- chéité de tige selon l'invention est élevée de la tempé- rature ambiante, par exemple 210 C, à environ 150 C, par exemple par les fluides la traversant, et qu'elle est ensuite refroidie à la température ambiante, aucun serrage supplémentaire de l'élément de retenue n'est né- cessaire Par conséquent, la précharge d'origine exercée sur la vanne est maintenue au cours des variations cycli- ques de température Ceci semble apparemment dû au fait que la contrainte dépassant la contrainte de précharge initiale et due à la dilatation thermique tentée par la matière entre les garnitures annulaires métalliques 131- n'est pas assez grande pour provoquer une déformation per- manente ou définitive de la structure métallique de main- tien constituée par les pièces de la vanne adjacentes au joint, en raison de la plus faible dilatation thermique de l'âme annulaire 135 que des anneaux d'appoint 133 et de la bague d'appui 137 Pour la même raison,-la contrainte supplémentaire due à l'échauffement semble apparemment assez faible pour éviter une déformation permanente ou déformation supplémentaire par compression des anneaux 133 et 137, ce qui, par suite, évite toute perte de la contrainte de précharge lorsque les anneaux 133 et 137 se relâchent en refroidissant. Il est apparu que le dispositif d'étanchéité de tige selon l'invention assure convenablement l'étan- chéité de fluides sous une pression de 210 M Pa et sur des cycles de température de -30 à 1500 C, sans serrage supplé- mentaire de l'élément de retenue des garnitures, lorsque les anneaux d'appoint 133 et la bague d'appui 137 sont réalisés en TFE chargé à 5 % de Mo 52, lorsque l'âme annulaire 135 est constituée de "Grafoil" et lorsque le volume de la bague 135 de soulagement des contraintes est égal à environ un tiers du volume total de l'empilage intercalaire Autrement dit, dans la forme préférée de réalisation, le volume combiné des anneaux d'appoint 133 et de la bague d'appui 137 est environ double du volume de l'âme annulaire 135 La matière utilisée pour les an- neaux d'appoint 133 ne présente aucune extrusion au-delà des garnitures annulaires métalliques 131 lors de la mise sous pression du joint, et elle maintient l'âme annulaire 135 en "Grafoil" entre ces anneaux 133 lors de la mise sous pression du joint, de façon à empêcher l'extrusion de cette âme au-delà des garnitures 131 avant que ces dernières réalisent les contacts étanches métal sur métal avec la tige et la boîte à garnitures De plus, la bague d'appui 137 en TFE chargé à 5 % de Mo 52, placée sur le pourtour du bord périphérique intérieur de l'âme annulaire 135 en "Grafoil", réduit le frottement se pro- duisant entre la tige et le dispositif d'étanchéité de cette dernière et empêche toute usure indésirable de l'âme annulaire Ainsi, une âme annulaire en "Grafoil", pré- sentant une faible dilatation thermique, revêtue sur ses trois côtés adjacents à la tige et aux garnitures métalli- ques par des anneaux de TFE chargé à 5 % de Mo 52, et occupant environ la moitié du volume total des anneaux de TFE chargé à 5 % de Mo 52, est préférée pour l'empilage intercalaire du dispositif selon l'invention Il est évident que d'autres relations de volume pour les anneaux et bagues de l'empilage intercalaire peuvent donner éga- lement satisfaction, de même que l'utilisation d'autres matières pour la réalisation des anneaux et bagues cons- tituant l'empilage intercalaire. Bien que les figures 1, 2 A et 2 B montrent que les cônes des garnitures annulaires métalliques et des anneaux de l'empilage intercalaire sont orientés vers le côté opposé à celui contre lequel est appliquée la pression envers laquelle il faut assurer l'étanchéité, lorsque l'étanchéité doit être réalisée entre des surfaces parallèles, les bords périphériques intérieur et extérieur du joint réalisent des contacts analogues et le joint est donc réversible Par conséquent, les cônes des garni- tures annulaires métalliques et des anneaux de l'empilage intercalaire peuvent, en variante, être disposés de façon à être orientés vers la pression contre laquelle il faut assurer l'étanchéité De plus, il est évident qu'il n'est pas nécessaire que les anneaux et bagues 133 et 137 soient séparés Ils peuvent, en variante, se présenter sous la forme, par exemple, d'une bague cylindrique d'une seule pièce présentant une gorge réalisée au milieu de sa surface périphérique extérieure, c'est-à-dire une bague ayant une section en U La bague de "Grafoil" peut alors être emboîtée élastiquement en position dans la gorge avant l'installation dans la vanne. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à assurer l'étanchéité dans des applications à haute pression et cycles de tempé- ratures, entre les parois d'une tige ( 51) de vanne, mobile axialement, et d'une boîte ( 65) à garnitures entourant la tige et dont le fond présente un orifice par lequel la tige de vanne passe et sort de cette boite, le dispo- sitif étant caractérisé en ce qu'il comporte des première et seconde garnitures annulaires ( 131) en métal élastique, disposées dans la boîte à garnitures, autour de la tige de vanne, et un ensemble annulaire souple d'étanchéité disposé dans cette boîte à garnitures, autour de la tige de vanne et placé entre lesdites garnitures, l'ensemble d'étanchéité comprenant des première et seconde parties annulaires ( 133) en matière souple et dure, adjacentes respectivement aux première et seconde garnitures, et une âme ( 135) disposée entre les première et seconde parties et constituée d'une matière ayant un coefficient de dila- tation thermique inférieur celui de la matière des pre- mière et seconde parties annulaires. 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la matière des première et seconde parties annulaires présente un faible coefficient de frottement. 3 Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la matière des première et seconde parties annulaires comprend un polymère de tétrafluoréthylène et la matière de l'âme comprend du graphite comprimé. 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la matière des première et seconde parties annulaires comprend en outre jusqu'à environ 15 % de à bisulfure de molybdène. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les première et seconde parties annulaires comprennent des anneaux ( 133) d'appoint en contact étanche ' avec la tige et la boîte à garnitures et en ce que l'âme comprend une âme annulaire ( 135) dont le diamètre inté- rieur est plus grand que le diamètre extérieur de la tige, le dispositif comprenant en outre une bague d'appui ( 137) en matière souple et dure, disposée sur le pourtour du bord périphérique intérieur de l'âme annulaire, entre cette dernière et la tige. 6 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que la matière de la bague d'appui est la même que celle des anneaux d'appoint. 7 Dispositif selon la revendication 6,caracté- risé en ce que l'âme annulaire et la bague d'appui occu- pent ensemble pratiquement tout l'espace compris entre les anneaux d'appoint, dans la direction axiale, et entre la tige et la boite à garnitures dans la direction radiale. 8 Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le volume de l'âme annulaire est égal à environ la moitié du total des volumes des anneaux d'appoint et de la bague d'appui. 9 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le coefficient de dilatation thermique de la matière de l'âme est inférieur à un quart de celui de la matière des première Et seconde parties annulaires. 10 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 67, 123, 125, 129) destinés à comprimer les première et seconde garni- tures afin que ces dernières soient partiellement aplaties et que leurs bords périphériques intérieur et extérieur soient appliqués en contact étanche métal sur métal, par matriçage,contre ladite tige et la boîte à garnitures, lesdits moyens étant également destinés à pousser les première et seconde parties annulaires de l'ensemble d'étanchéité en contact étanche avec la tige et la boîte à garnitures. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'âme présente une forme annulaire dont le bord périphérique radial extérieur est adjacent à la botte à garnitures et dont le diamètre intérieur est plus grand que le diamètre extérieur de la tige, l'en- semble d'étanchéité comprenant une troisième partie annu- laire ( 137) en matière souple et dure, disposée entre l'âme et la tige. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les première, deuxième et troisième parties annulaires sont constituées d'un polymère de tétrafluoréthylène et en ce que l'âme est constituée de graphite comprimé. 13 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les première, deuxième et troisième parties annulaires sont constituées d'une matière compre- nant 95 % d'un polymère de tétrafluoréthylène et 5 % de bisulfure de molybdène, l'âme étant constituée de graphite comprimé, les première, deuxième et troisième parties annulaires et l'âme occupant pratiquement la totalité de l'espace compris entre les garnitures annulaires métal- liques, la tige et la boite à garnitures lorsque lesdites garnitures sont comprimées, l'âme ayant un volume égal à environ un tiers du volume total de cet espace.