Brevet FR2510176A1 — publié le 19830128

i Les plates-formes de production en mer comportent des têtes de puits rapprochées les unes des autres L'écartement des têtes peut être de 2,15 à 3 m d'axe en axe Le danger d'un incendie sur une telle plate- forme est grand et les joints placés entre la tête de puits et le dispositif de suspension du tubage ne sont généralement pas capables de supporter les températures dégagées par un incendie adjacent, pendant une durée suffisante pour assurer que toutes les soupapes souter- raines de sécurité se sont fermées pour empêcher les fluides de s'échapper par la tête de puits et de fournir une quantité supplémentaire de combustible au feu De plus, dans de nombreuses applications, le-joint placé sur la tige d'une soupape devient défaillant lorsqu'il est proche d'un feu et il permet auxfluides de s'échapper, ce qui peut constituer une alimentation supplémentaire du feu. Des matières, par exemple du type "Grafoil" (marque déposée par la firme Union Carbide Corporation), ont été développées et permettent de réaliser un joint lorsqu'elles sont exposées à des températures élevées pendant une période de temps raisonnable Un tel type de matière est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 256 317 Un ensemble d'étanchéité pour dispositif de suspension de tubage, actionné par un pis- ton, est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 561 527 La sollicitation par un ressort d'un ensemble d'étanchéité est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 160 551 qui indique également l'utilisation de couches alternées de graphite et de métal à ressort comme éléments d'un ensemble d'étanchéité Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N'1 324 775 décrit une boîte à garniture actionnée par un piston et destinée à assurer l'étanchéité autour d'une tige du piston avec des ressorts placés entre le piston et les garnitures annulaires Ces dernières sont creuses et présentent la forme d'un coin, et des bagues métalliques en forme de coins, d'orientation opposée, sont intercalées avec les garnitures annulaires. Les bagues métalliques supportent les garnitures annulaires et l'enclenchement réalisé entre les profils en coins tend et déplacer les garnitures annulaires vers l'inté- rieur pour les faire porter contre la tige du piston. Aucune des formes de réalisation de l'art anté- rieur ne constitue un ensemble d'étanchéité qui, lorsqu'il est soumis à un feu extérieur, assure une étanchéité efficace pendant une durée suffisante pour empêcher de façon sûre la libération des fluides retenus par l'ensem- ble d'étanchéité pour constituer un combustible pour le feu. L'invention concerne un ensemble d'étanchéité perfectionné qui résiste à la chaleur et qui comprend un joint résistant à la chaleur, des moyens à ressort sollicitant le joint, un dispositif actionné par pression destiné à positionner le joint, et un dispositif de verrouillage destiné à maintenir le joint en position de travail. L'invention a également pour objet un ensemble d'étanchéité perfectionné qui peut maintenir son étan- chéité aux fluides, lorsqu'il est exposé à des températures élevées, pendant une durée suffisante pour empêcher de façon sûre toute fuite audelà des joints en isolant la source de fluide dont l'étanchéité est assurée par cet ensemble. L'invention a également pour objet un ensemble perfectionné d'étanchéité destiné à un dispositif de suspension de colonne, qui maintient un joint étanche aux fluides pendant une durée d'au moins une heure lors- qu'il est soumis à des températures de 6750 C. L'invention a pour autre objet-un ensemble per- fectionné d'étanchéité qui résiste à des températures élevées et qui assure l'étanchéité aux fluides à la tempé- rature ambiante, de façon constante après le réglage de pression de cet ensemble d'étanchéité. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: 2510177 A la figure 1 est une coupe longitudinale partielle de l'ensemble perfectionné d'étanchéité selon l'invention, installé comme joint de dispositif de sus- pension de colonne dans une tête de puits la figure 2 est une coupe longitudinale partielle de l'ensemble d'étanchéité montré sur la figure 1, cette vue représentant cependant l'ensemble d'étanchéité en position de travail; la figure 3 est une coupe longitudinale partielle d'une variante de l'ensemble perfectionné d'étanchéité selon l'invention; et la figure 4 est une coupe longitudinale par: tielle de l'ensemble d'étanchéité de la figure 3 repré- senté en position de travail. L'ensemble 10 d'étanchéité représenté sur les figures 1 et 2 constitue un joint pour température normale et un joint pour température élevéelafin d'assurer l'étanchéité entre un dispositif 12 de suspension d'une colonne et un élément 14 de tête de puits Un évidement 16 ménagé dans l'élément 14 de la tête de puits délimite un espace dans lequel l'ensemble 10 d'étanchéité est disposé afin d'assurer l'étanchéité entre la surface extérieure du dispositif 12 de suspension de colonne et la surface intérieure de l'élément 14 de la tête de puits. L'évidement 16 comporte une partie supérieure 18 adjacente à un épaulement 20 tourné vers le bas et cette partie supérieure présente un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur d'une partie inférieure 22 Des filets 24 sont réalisés sur l'élément 14 de la tête de puits afin de recevoir un ressort 26 de sollicitation ou de charge qui est vissé dans cet élément pour former une butée inférieure pour l'ensemble 10 d'étanchéité. Cet ensemble 10 comporte une bague 28 d'étan- chéité, une bague 30 d'étanchéité résistant à la chaleur, une bague 32 d'entraînement, un ressort annulaire 34 comprenant plusieurs anneaux, comme montré, un piston 36 et un dispositif 38 de verrouillage La bague 28 d'étanchéité comporte des lèvres intérieure et extérieure 2510176 - et un anneau 42 d'expansion est placé entre les lèvres et l'épaulement 20 de butée, comme représenté Lors- qu'e'lle est convenablement placée, la bague 30 d'étanchéité réalise un joint initial et la bague 28 peut être supprimée, pourvu que la-bague 30 comporte un épaulement convenable contre lequel elle bute de manière étanche. Le ressort 34 constitue un dispositif élastique placé entre l'anneau ou piston 36 actionné par pression et les bagues d'étanchéité 28 et 30, de façon à solliciter ces bagues d'étanchéité vers une position de travail Un joint torique 44-placé dans la partie supérieure de la surface intérieure de l'élément 14 de la tête de puits assure l'étanchéité autour de la surface extérieure du- dispositif 12 de suspension, au-dessus de l'ensemble 10 d'étanchéité La bague 30 d'étanchéité est placée dans la partie supérieure 18 de l'évidement 16 et elle porte contre le bord inférieur de la bague 28d'étanchéité La bague 32 d'entraînement porte contre le bord inférieur de la bague 30 d'étanchéité et elle est repoussée vers le haut par le ressort annulaire 34 La charge exercée par le ressort 34 est déterminée par la position du ressort 26 de charge dans les filets 24, ce qui applique une précharge aux bagues 28 et 30 d'étanchéité, le dispositif actionné par pression, par exemple un anneau ou un piston 36 actionné par pression, étant dans sa position infé- rieure. Le piston 36 réagit à un fluide sous pression conduit par un orifice 48, ménagé dans l'élément 14 de la tête de puits, jusqu'à une position comprise entre ce piston 36 et une bague 50 de base Le piston 36 comporte une partie annulaire supérieure équipée de joints qui assurent l'étanchéité entre la sur-face intérieure de l'évidement 16 de l'élément 14 de la tête de puits et la surface extérieure du dispositif 12 de suspension, un collet 52 qui fait saillie vers le bas et une bride extérieure 54 qui forme trois côtés d'un évidement annu- laire 56 dans lequel un anneau fendu 58 de verrouillage est comprimé, le-piston 36 étant dans sa position inférieure. La bague 50 de base est de forme annulaire et elle comporte des joints convenables et une lèvre 60 s'étendant vers l'extérieur et vers le haut et qui constitue le côté exté- rieur de l'évidement 56 pour retenir dans ce dernier la bague 58 de verrouillage Le dispositif de verrouillage est destiné à retenir le piston 36 dans sa position en butée, comme montré sur la figure 2 et comme décrit ci- après Lorsque le piston 36 s'élève sous l'effet de la pression du fluide conduit par l'orifice 48, le mouvement de montée du piston 36 soulève la bague 58 de verrouillage d'au-dessous de la lèvre 60 et la bague 58 de verrouillage se déplace vers l'extérieur jusqu'à sa position de relâche- ment pour bloquer le piston 36 dans sa position haute. Dans cette position, la bague 58 de verrouillage porte contre l'extrémité supérieure de la lèvre 60 et contre un épaulement 62, tourné vers le bas, porté par le piston 36. Le mouvement de montée du piston 36 comprime davantage le ressort annulaire 34 qui élève à force la bague 32 d'entraînement, positionnant la bague 30 d'étanchéité et la faisant monter à force contre la bague 28 d'étanchéité afin que la bague 48 d'expansion soit davantage forcée entre les lèvres 40 pour assurer leur application étanche contre la surface intérieure de l'élément 14 de la tête de puits et la surface exté- rieure du dispositif 12 de suspension La chargede c O Epres- sion de la bague 30 d'étanchéité entre la bague 28 d'étanchéité et la bague 32 d'entrainement,provoque son engagement étanche forcé entre l'élément 14 de la tête de puits et le dispositif 12 de suspension. La bague 28 d'étanchéité et la bague 42 d'ex- pansion sont de préférence réalisées en acier inoxydable de la série 300, plaqué d'argent La bague 30 d'étan- chéité est réalisée en une matière convenable qui main- tient l'étanchéité même lorsque les températures de l'ensemble 10 d'étanchéité atteignent 675 WC Une matière présentant de telles caractéristiques est une matière de garniture à base de graphite, commercialisée sous le 9 1 A t 4 nom de "Grafoil" par la firme Union Carbide Corporation (brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 404 061) Le ressort annulaire 34 est de préférence réalisé en une matière commercialisée par la firme International Nickel Company sous la marque "Inconel 718 " Les bagues d'étan- chéité du piston 36 et la bague 50 de base sont réalisées en une matière telle que celle commercialisée par la firme Parker Hannafin Company sous la marque "Molythane". La bague 58 de verrouillage est de préférence en acier du type 4140. Un orifice 64 est réalisé à travers l'élément 14 de la tête de puits et communique avec l'évidement 16 dans l'épaulement 20 Un orifice 66 traverse la tête de puits 14 pour communiquer avec un évidement annulaire 68 ménagé dans la bague 28 d'étanchéité Un orifice 70 traverse la tête de puits 14 pour communiquer avec l'évidement 16, dans la zone o le ressort annulaire 34 est positionné. Les joints étant positionnés par l'actionnement du piston 36, la pression est relâchée, le branchement appliquant la pression à l'orifice 48 est retiré et un palpeur est introduit dans l'orifice 48 pour déterminer que le piston 36 est suffisamment déplacé pour relâcher la bague 58 de verrouillage qui, dans sa position de verrouillage, recouvre l'extrémité intérieure de l'ori- fice 48 afin que le palpeur ne puisse pénétrer dans l'espace compris entre l'épaulement 62 et l'extrémité de la lèvre 60 Pour s'assurer de l'efficacité de l'étan- chéité réalisée par la bague 28, une pression est appli- quée à l'orifice 64 et l'orifice 66 est soumis à un essai destiné à détecter des fuites Pour vérifier l'efficacité de l'étanchéité réalisée par la bague 30, une pression est appliquée à l'orifice 66 et l'orifice est soumis à un essai destiné à détecter des fuites. La figure 3 représente une variante de l'en- semble perfectionné d'étanchéité selon l'invention Cet ensemble modifié 110 d'étanchéité est identique à l'en- semble 10 d'étanchéité (les mêmes éléments portant les mêmes références numériques), sauf que la structure'du dispositif 112 de verrouillage diffère de celle du dispo- sitif 38 de verrouillage Ce dispositif 112 de verrouillage comprend un collet 114 de piston 116 qui présente des dents extérieures 118, des segments 122 de verrouillage qui présentent des dents intérieures 120 correspondant aux dents 118, et des ressorts 124 qui tendent à déplacer les segments 122 vers le haut Chaque segment 122 comporte une lèvre 126 s'étendant vers l'intérieur et s'engageant dans un évidement 128 compris entre une-lèMre 130 et un corps 132 d'une bague 134 de base Les dents 118 et présentent une face inclinée et une face orientée radialement, comme montré, de manière que l'actionnement du piston 116 provoque un mouvement relatif entre le collet 114 et les segments 122, ces derniers étant dépla- cés vers l'extérieur par l'action de came produite par les flancs inclinés des dents en prise jusqu'à ce que le mouvement du piston 116 s'arrête, les segments 122 se déplaçant ensuite vers l'intérieur jusqu'à la position montrée sur la figure 4 dans laquelle les faces radiales sont enclenchées pour empêcher tout retour du piston 116 après que la pression à laquelle il est soumis a été éliminée Un type analogue de dispositif de verrouil- lage ou d'encliquetage peut être utilisé avec un ensem- ble d'étanchéité pour retenir la bague d'étanchéité dans différentes positions d'expansion sous l'effet d'une force appliquée vers le bas Les joints de la forme de réalisation modifiée sont positionnés comme décrit précédemment pour la forme de réalisation montrée sur les figures 1 et 2. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble d'étanchéité décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Ensemble d'étanchéité pour obturer un évidement annulaire ( 18) compris entre la surface inté- rieure d'un élément ( 14) de tête de puits et la surface extérieure d'un élément tubulaire ( 12), caractérisé en ce qu'il comporte une bague ( 30) d'étanchéité résistant à la chaleur placée dans l'évidement ( 18), une bague ( 36) actionnée par pression et placée également dans l'évide- ment, des moyens ( 48) destinés à conduire un fluide sous pression jusqu'à la bague actionnée par pression, cette dernière, lorsqu'elle est actionnée par la pression d'un fluide appliqué par lesdits moyens ( 48), déplaçant ladite bague d'étanchéité jusqu'à une position de travail, un dispositif ( 38) étant destiné à verrouiller la bague actionnée par pression en position de travail, et un dis- positif élastique ( 34) étant placé entre la bague actionnée par pression et la bague d'étanchéité pour main- tenir une force d'étanchéité sur ladite bague d'étanchéité après l'actionnement et le verrouillage de la bague actionnée par pression. 2 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une seconde bague ( 28) d'étan- chéité est placée dans ledit évidement. 3 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement est réalisé dans la surface intérieure de l'élément de tête de puits. 4 Ensemble destiné à réaliser l'étanchéité entre deux éléments cylindriques concentriques ( 12, 14), l'un ( 14) desdits éléments présentant un évidement annu- laire ( 18) destiné à recevoir l'ensemble ( 10) d'étanchéité pour qu'il s'applique de manière étanche contre l'autre élément ( 12), l'ensemble étant caractérisé en ce qu'il comporte une bague ( 30) d'étanchéité résistant à la chaleur, placée dans ledit évidement, une bague ( 36) actionnée par pression et également placée dans l'évide- ment, un dispositif élastique ( 34) placé dans un espace compris entre lesdites bagues et portant contre ces dernières, des moyens ( 48) d'application de la pression d'un fluide pour déplacer la bague actionnée par pression vers la bague d'étanchéité, comprimer le ressort et positionner la bague d'étanchéité, et un dispositif ( 38) de verrouillage destiné à maintenir la bague actionnée par pression dans une position d'actionnement. Ensemble d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte également une seconde bague ( 28) d'étanchéité qui convient particulièrement à une température normale et qui est placée à proximité de la bague d'étanchéité résistant à la pression afin d'être positionnée en même temps que cette dernière. 6 Ensemble d'étanchéité selon l'une des reven- dications 1 et 4, caractérisé en ce que le dispositif de verrouillage comprend une bague ( 58) de verrouillage et des moyens qui coopèrent avec la bague actionnée par pression, lorsqu'elle est dans sa position non actionnée, afin de retenir la bague de verrouillage en position non verrouillée et de libérer cette bague de verrouillage après l'achèvement d'un mouvement de la bague actionnée par pression vers une position d'actionnement, afin de se déplacer vers une position de verrouillage dans laquelle la bague actionnée par pression est retenue en position d'actionnement. 7 Ensemble d'étanchéité selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bague de verrouillage est placée dans un évidement ( 56) dont trois côtés sont défi- nis par la bague actionnée par pression et une lèvre ( 60) faisant saillie au-dessus dudit évidement lorsque la bague actionnée par pression est en position non actionnée, l'évidement permettant à cette bague actionnée par pres- sion de se déplacer librement par rapport à la lèvre pour permettre un mouvement de verrouillage de ladite bague de verrouillage. 8 Ensemble d'étanchéité selon l'une des reven- dications 1 et 4, caractérisé en ce que le dispositif de verrouillage comprend un collet ( 114) porté par la bague ( 116) actionnée par pression et comportant des dents ( 118) qui présentent des faces inclinées et des faces radiales, plusieurs segments ( 122) qui présentent des dents correspondant aux dents ( 120) du collet, un élément élastique ( 124) qui tend à maintenir les dents des segments enclenchées avec les dents du collet, et des moyens empêchant tout mouvement des segments lorsque la bague actionnée par pression est déplacée vers une position d'actionnement, les faces inclinées des dents permettant au segment de se dégager dudit collet par action de came lorsque la bague actionnée par pression se déplace, et de revenir en position d'enclenchement pour retenir ladite bague actionnée par pression et les bagues d'étanchéité en position de travail. 9 Ensemble d'étanchéité pour tête de puits, destiné à assurer l'étanchéité à haute température, caractérisé en ce qu'il comporte un élément annulaire ( 14) de tête de puits, un élément tubulaire ( 12) logé dans ladite-tête de puits, un évidement annulaire ( 18) ménagé dans cette tête de puits, une première bague ( 28) d'étanchéité placée dans l'évidement et comportant des brides divergentes intérieure et extérieure ( 40) qui s'étendent dans une direction opposée à celle dans la- quelle la pression est exercée sur cette bague, une bague ( 42) d'expansion placée entre lesdites brides et fermant une extrémité dudit évidement, une seconde bague ( 30) d'étanchéité qui résiste à la chaleur et qui main- tient son étanchéité lorsqu'elle est exposée à des tempé- ratures élevées, cette seconde bague étant placée dans l'évidement de manière à porter bout à bout contre ladite première bague d'étanchéité, une bague ( 32) d'entraîne- ment étant également disposée dans l'évidement, en contact bout à bout avec l'autre extrémité de la seconde bague d'étanchéité, plusieurs ressorts annulaires ( 34) étant logés dans l'évidement, de manière à s'enclencher les uns avec les autres, l'un de ces ressorts annulaires butant contre l'extrémité-de la bague d'entraînement éloignée de ladite seconde bague d'étanchéité, un piston annulaire ( 36) présentant un évidement ( 56) tourné vers l'extérieur et étant logé dans ledit évidement annulaire, 251 Q 176 1 1 en butée avec l'un des ressorts annulaires éloigné de ladite ine bagu une bride extérieure ( 60) qui recouvre au moins partielle- ment ledit évidement tourné-vers l'extérieur et ménagé dans le piston lorsque ce dernier est en butée avec ladite bague de base, l'ensemble comprenant également une bague ( 58) de verrouillage placée dans l'évidement tourné vers l'extérieur et sollicitée de manière à prendre un diamètre plus grand que celui de l'évidement tourné vers l'exté- rieur lorsque cette bague de verrouillage peut se déplacer librement, une bague ( 26) de positionnement étant reliée par vissage à la tête de puits ou à l'élément tubulaire et butant contre la bague de base afin que l'ensemble puisse être soumis à une charge initiale, un canal ( 48) communiquant avec l'évidement annulaire, entre le piston et la bague de base, la pression d'un fluide appliquée à ce canal ayant pour effet d'actionner le piston afin de l'éloigner de la bague de base pouvant achever le posi- tionnement des bagues d'étanchéité et charger les ressorts annulaires, le piston, lorsqu'il est actionné,se déplaçant sur une distance suffisante pour dégager la bague de verrouillage de ladite bride extérieure de la bague de base afin que ladite bague de verrouillage s'expanse pour empêcher tout mouvement de retour du piston vers la bague de base. Ensemble destiné à assurer l'étanchéité entre deux éléments cylindriques concentriques ( 12, 14), l'un ( 14) de ces éléments présentant un évidement annu- laire ( 18) destiné à recevoir l'ensemble d'étanchéité ( 10) pour qu'il établisse un contact étanche avec l'autre élément ( 12), l'ensemble étant caractérisé en ce qu'il comporte une bague ( 30) d'étanchéité résistant à la chaleur, placée dans ledit évidement, un ressort ( 34) logé dans l'évidement et tendant à déplacer la bague d'étanchéité vers une position de travail, un élément ( 36) actionné par pression et destiné à comprimer le ressort et à placer la bague d'étanchéité en position de travail, et des moyens destinés à retenir la bague d'étanchéité en position de travail &