Brevet FR2505975A1 — publié le 19821119

Depuis quelque temps les puits de forage de gaz deviennent plus profonds ayant pour conséquence une augmentation des pressions et une demande accrue de joints pour tuyaux pour puits de gaz et de pétrole, ayant des prcpriétés meilleures que ceux munis de filtages selon la norme A Pl (ronds, arc-boutants) et ayant aussi une grande résistance à la traction ainsi qu'unre étanchéité au gaz et une résistance à la corrosion excellen- tes Parmi les propriétés requises de tels joints, l'étanchéité au gaz est particulièrement importante Cela en raison du fait qu'une fuite de gaz inflammable pourrait conduire à un incendie ou à une explosion, tandis que la fuite d'un gaz toxique coarnme le sulfure d'hydrogène pourrait condui- re à un accident désastreux. Parmi les méthodes connues pour améliorer l'étanchéité d'un tronçon fileté, il est connu de réduire la tolérance à un minium en con- tr 8 lant strictement la tolérance de fabrication, de plaquer la partie file- tée avec un métal tendre ayant une grande malléabilité caime l'étain, et d'appliquer à la partie filetée une graisse composêe co Tprenant une poudre métallique très fine et une huile minérale épaissie avec du stéarate de calciun ou de lithium On sait aussi qu'il est important de contrôler la torsion et le nombre de tours au nrmment du vissage Toutefois, malgré ces précautions, on ne peut pas empêcher les fuites de gaz de manière parfaite dans les conditions de température et de pression élevées qui sont couram- ment celles que l'on rencontre dans les puits de gaz et de pétrole Pour cette raison on a utilisé des types de joints spéciaux pour améliorer l'é- tanchéité au gaz Parmi ceux-ci il y a un type présentant une partie d'obtu- ration constitué d'une partie râle (tuyau en acier) et d'une partie femelle (assemblage) dont le contact métal sur métal forme le joint, tandis qu'un autre type présente une cannelure annulaire dans laquelle est sertie une bague en teflon. Plusieurs joints du prenier type sont connus Un de ces joints par exemple possède un épaulement périphéri Tqe ayant une face inter- ne conique bcmbée qui forme la partie interne terminale de la partie femel- le, et qui est associé à une face interne non filetée s'étendant entre l'extrémité de la partie filetée et ledit épaulement périphérique, l'extré- mit de la partie mâle possède la forme d'une face conique creuse et une face externe non filetée est prévue entre la partie filetée et l'extrémité de la partie mâle (demande de brevet japonais publiée no X 8096/1970) Ce joint est caractérisé en ce que la face conique creuse du filetage male et la face conique ombrée du filetage femelle s'embranchent pour produire -2- le contact métal & métal. Par ailleurs on onrnait un joint spécial, simrnilaire au précédent, comportant un épaulement périphérique ayant une face interne conique boetmbée à l'intérieur de la partie extreme de la partie femelle tandis que la pointe du filetage interne de la partie femelle corporte une face inclinée sans filetage afin de donner à la partie mâle une forxme correspondant a celle de la partie femelle Dans ce joint la première sec- tion obturante est formée par des faces coniques creuses et bombées simri- laires à celles du joint mentionné ci-dessus Il y a la différence cepen- dant que les parties faisant saillie sont prévues sur la partie méle et sur la face inclinée de la partie femelle pour former la deuxième section obturante graoe à un contact métal sur métal entre ces parties (demande de brevet japonais publiée N O 17125/1973). Le joint spécial basé sur le contact métal sur métal pour assurer l'étanchéité au gaz est susceptible de produire les effets décrits dans les publications ci-dessus citées. Ils souffrent cependant des défaillances suivantes: D'abord, dans le premier cas, la pointe de la partie male est le seul endroit assurant l'étanchéité Il est ainsi nécessaire, pour obtenir réellement un contact métal sur métal de visser avec un coefficient de torsion suffisamment élevé pour compenser la tolérance d'usinage. Une force de vissage excessive cependant peut conduire à une déformation plastique inégale dans la zone de contact, ainsi qu'il sera expliqué plus loin Pour cette raison une étanchéité initiale peut diminuer considéra- blement après plusieurs vissages, et, en outre, des fissures suite à des éraillures peuvent se produire sur la partie filetée Ce problème est de nature critique car un vissage répété est effectué jusqu'à trois fois sur des tubages et jusqu'à dix fois sur des tubes de pompage, et dans les deux cas il est bien entendu essentiel qu'il ne se produise pas de fissure et qu'une grande étanchéité au gaz soit assurée. Dans le domanaine d'eçploi actuel des joints de tuyaux pour puits, l'étanchéité au gaz sous une charge de traction, de compression ou de flatmbage devient également un facteur important Lorsque, par exil- ple, une charge de pression interne et de traction agit sur le joint, il y a le danger que la pression à l'interface de la section obturante réalisant le contact nmétal sur métal diminue avec l'augmentation de la charge de traction, entraînant enfin un faible écart entre les faces assurant l'étan- chiéité Ainsi, étant donné que la face usinée avec précision sur le sommet de la partie m Oe est entièrement exposée, elle peut être abimée pendant -3 - les travaux malgré toutes les précautions Une fois la face d'obturation endommagée, il est difficile d'assurer l'étanchéité du contact métal sur métal Par ailleurs, le joint décrit dans la demande de brevet japonais publiée n 17125/1973 supporte une pression de contact plus élevée sur la face en saillie sur la face inclinée sans filetage qui se trouve sur la partie mrle et sur la partie femelle, de sorte que même si le vissage est effectué avec une force de torsion nettement plus basse que dans le cas du joint décrit dans la demande de brevet japonais publiée n 18096/1970 une étanchéité au gaz comparable peut encore être obtenue. Il se présente toutefois l'inconvénient que malgré l'obtention d'une pression plus élevée à l'interface, le contact métal sur métal réalisé par la partie en saillie est presque linéaire, ce qui signifie qu'une grande précision d'usinage est requise pour la section assurant le contact Pour cette raison, un jeu à n'importe quel endroit sur la circonférence sera à l'origine d'une fuite En outre si une charge excessive est appliquée, la position de contact linéaire se décalera, entraînant une diminution de la pression à l'interface et une baisse de l'étanchéité au gaz. La présente invention a maintenant pour but de pourvoir à un joint pour tuyaux pour puits de gaz et de pétrole présentant une excel- lente étanchéité au gaz sans avoir les nombreux inconvénients des joints d'étanchéité au gaz ordinaires du type à contact métal sur métal. On trouvera ci-après d'abord une description scmmaire du joint selon l'invention. Le joint à visser d'un tuyau comprenant une partie femelle pourvue à l'intérieur d'un filetage femelle et une partie male pourvue d'un filetage mâle externe, vissées ensemble, présente deux épaulements sur une partie non filetée de la partie male ainsi qu'une face conique entre les deux épaulements, tandis que la partie femelle est munie de deux épau- lements et d'une face conique dont les formes correspondent à celles des épaulements et de la face conique sur le sommet de la partie mâle Lorsque le joint est vissé, les faces coniques forment la première zone d'obturation à contact métal sur métal Ensuite, l'épaulemant le plus proche du filetage mâle rencontre l'épaulement plus proche du filetage femelle pour marquer la position vissée et pour former en mame temps la deuxième zone d'obturation. L'extrémité sans filetage du sommet de la partie mlle et l'épaulement le plus accusé de la partie femelle par contre n'ont pas une fonction d'obtu- ration C'est-à-dire que le joint selon la présente invention possède côte à côte une face conique pour l'obturation et un épaulement pour contrôler l'obturation et pour marquer la position vissée, de sorte que l'on obtient -4 - une étanchéité parfaite. les dessins annexés comportent les figures suivantes: la figure 1 est une vue en coupe partielle, représentant un joint à visser selon l'invention la figure 2 (a) est un graphique représentant l'effort exercé sur la faoe mince interne du saumet non fileté de la partie Mmle et sur la face externe de la partie femelle au nmoent du vissage du joint selon l'invention la figure 2 (b) rmontre le dispositif d'essai utilisé pour les données de la figure 2 (a) la figure 3 est un graphique montrant la relation entre la torsion et le nomnbre de tours de vissage les figures 4 à 7 sont des vues en coupe partielle mon- trant des exemples pratiques du joint vissé selon l'invention, assurant une haute étanchéité au gaz dans les tuyaux pour puits de gaz et de pétrole. L'invention sera décrite plus en détail ci-après à l'aide des dessins annexes. La figure 1 représente une vue en coupe agrandie de la par- tie principale d'un joint selon l'invention et montre l'ajustage entre les parties mnle et femelle Le corps du tuyau 1 est usiné pour avoir sur sa pointe d'un côté un filetage mâle conique 3 et à son extrfmité deux épau- lements 6, 7, ayant des angles droits par rapport à l'axe du tuyau, ainsi qu'une face d'obturation conique 8 disposée entre les deux épaulements. La partie femelle 2 est usinée de manière à posséder un filetage femelle 3 ' qui doit s'engager dans le filetage mâle 3 ci-dessus, ainsi que deux épau- lements 6 ' et 7 ' et une face conique d'obturation 8 ' s'adaptant à la forme de la pointe du tuyau 1. Les deux paires d'épaulements sont conçus de façon qu'au moment du vissage les épaulements 7, 7 ' sur le coté fileté se rencontrent pour forner une zone d'obturation, tandis que les épaulements 6, 6 ' restent séparés par l'espace c, ou se touchent seulement légèrement sans qu'il ne s'établisse une véritable fonction d'obturation A ce moment les faces coniques de la partie male 1 et de la partie femelle 2 se cxportent de la mène façon que des faces d'obturation inclinées de façon identique assurant un contact métal sur métal. Le fonctionnement du joint à visser selon l'invention sera décrit en détail ci-dessous. En vissant le joint fileté, la face conique 8 au souet de la partie mâle et la face conique 8 ' correspondante sur la partie femel- le sont d'abord serrées ensemble pour former une première face d'obturation. 2505975 Au cours de la progression du vissage, l'interaction entre les faces en contact, c'est-à-dire la pression avec laquelle les faces sont serrées, augmente et l'effet d'obturation s'accroit Afin d'obtenir la plus grande étanchéité au gaz possible sans déformation de la partie non filetée du scmmet de la partie mâle, une compression par déformation circonférentielle suffisante est d'abord conférée au sommet de la partie mâle puis les épaulements 7 et 7 ' de la partie mâle et de la partie femelle sont serrés l'un contre l'autre En forçant davantage, le serrage de la vis assure la formaticn d'une seconde face d'obturation par les épaulements 7, 7 ', ce qui achève le vissage A cet instant il y a encore un espace libre entre l'autre paire d'épaulements 6, 6 ' Il est sans importance que les épaule- ments non filetés du sommet de la partie mâle soient perpendiculaires ou non par rapport à l'axe du tuyau, étant donné que cet angle n'a pas d'in- fluence sur l'étanchéité au gaz. Le joint ayant la structure ci-dessus décrite présente les caractéristiques suivantes en ce qui concerne l 'tanchéité au gaz: 1/ la formation de la première et de la seconde paire de faces d'obturation augmente la pression exercée sur les faces et améliore l'étan- chéité au gaz. 2/ en position entièrement vissée, une déformation plasti- que et une usure des premières faces d'obturation et de la partie engagée de la partie mâle peuvent étre évitées Ainsi est-il possible d'effectuer des vissages répétés sans aucune perte d'étanchéité au gaz par ccoparaison au premier vissage. 3/ le fait de conférer au scmmet de la partie mile la face conique 8 avec les épaulements ( 6, 7) sous la fonne d'un palier de chaque côté, assure deux zones d'obturation du c 5 té de la partie male Grâce à cette structure l'épaulement 7 et la face conique 8 forment une dépression réduisant le danger d'endomagement en cas de choc Cette caractéristique est nouvelle et on ne la trouve pas dans les joints conventionnels Lorsque la pression interne et une force de traction excessive portent sur le joint fileté, et bien que la pression à l'interface de la seconde paire de faces d'obturation soient diminuées par la force de traction, la première paire de faces d'obturation ne sera pas affectée par la force de traction étant donné la grande pression circonférentielle à l'interface, résultant du ser- rage du filetage au cours du vissage Le résultat est que l'on obtient l'ob- turation malgré_ la pression interne. 4/ afin d'éviter des phénomènes d''érosion et de corrosion, lun faible écart c est prévu entre l'épaulement 6 sans filetage du sommet de la vis et l'épaulement 6 ' de la boite après l'achèvement du vissage. Cet espace sert égalent à éviter une déformation excessive, dans le cas par exoemple O l'épaulement 6 du scmet de la partie male, en raison de sa finesse, buterait contre l'épaulement 6 'f et aussi pour éviter la perte d'étanc/ité au gaz, pour le cas o 'aboutement serait inégal en raison d'une déformation du suxet de la partie male par choc ou par une autre cause. / la partie conique du sommet non fileté de la partie m A- le est fine ce qui fait que, comme il est indiqué dans la figure 2 (a), la déformation de la partie femelle est environ 1/4 de la contrainte de déformation de la partie mnle et la partie extrme de Cette dernière est aisément déforme De oe fait on peut obtenir une pression d'obturation suffisante avec une torsion moindre que dans un joint fileté ordinaire. La figure 2 (b) représente le dispositif d'essai pour obtenir les résultats utilisés pour tracer la figure 2 (a) Dans la figure 2 (b) P est une jauge à bandelettes résistantes pour la partie mâle, B est une jauge a bandelettes résistantes pour la partie femelle et T est une face en biseau (données concernant le tuyau diamètre extérieur 177,8 mn, poids 4, 8 kg An, nore A Pl L 80) 6/ la figure 3 représente la relation entre la torsion de vissage et le nombre de tours de vissage du joint fileté selon la présente invetion Dans le cas d'un joint fileté ayant un filetage en biseau, la torsion de vissage augmente graduellement La torsion de vissage est re présentée dans la figure par OA La face conique 8 de la partie non filetée du saomet de la partie mâle et la face conique 8 ' correspondante de la par- tie femelle sont mises en contact au point A et pendant le vissage entre A et B, on crée la pression a l'interface (de la première paire de faces d'obturation) nécessaire au maintien de 1 'étanchéité au gaz des faces 8, 8 '. Le point B représente le point ci aboutent l'épaulement sans filetage 7 du s 3 a O mt de la partie mâle et l'épaulement correspondant 7 ' de la partie faemlle (la seconde paire de faces d'obturation), c la torsion augmente subitfesnt après l'aboutement créant la pression au plan de contact des faces Le vissage est ainsi achevé au point C Pour cette raison l'interval- le entre B et C est rendu plus grand que celui dans un joint fileté ordinai- re, de sorte que la torsion peut être facilement contrôlée. L'ensemble de ces résultats obtenus selon la présente inven tion, constitue une amélioration notable par rapport à l'art antérieur. Apres la description générale du fonctionnement du joint fileté selon l'invention, celle-ci sera décrite plus en détail dans quel- ques exples non limitatifs. -7 - Une réalisation de la présente invention est représentée dans la figure 4, il s'agit d'un joint fileté d'un couplage cmprenant les éléments males 42 et le manchon 43 Les parties 41 entourées de oercles aux soemets des éléments mâles 42 forment un joint fileté ayant une grande étanchéité au gaz et dont la structure de la zone d'obturation comprend des épaulements à deux paliers selon la présente invention. La figure 5 représente un exemple d'un joint fileté du type intégré selon l'invention comprenant une partie m Rle 52 et une partie femel- le 53, seule cette dernière étant renflée La partie 51 entourée d'un cer- cle se trouvant au sommet de la partie male 52 présente une structure de la partie obturante comprenant des épaulements à deux paliers selon l'in- vention et une grande étanchéité au gaz peut être obtenue vis-à-vis de la pression du gaz à l'intérieur. La figure 6 représente un joint fileté du type intégré dont la partie mâle 62 et la partie femelle 63 sont renflées Ici un épau- lement à deux paliers formant la structure d'obturation est prévu selon l'invention sur les faces intérieures de la partie male 62 et de la partie femelle 63 et une structure 61 ' assurant l'obturation comprenant un épau- lement à deux paliers est également prévue sur les faces extérieures Le joint maintient ainsi une grande étanchéité au gaz à l'égard des pressions externe et interne et les surfaces extérieures et intérieures présentent des lignes lisses donnant une excellente résistance à la corrosion. La figure 7 représente un joint fileté du type intégré comprenant une partie m Rle 72 et une partie femelle 73, dans lequel le degré d'enflement de la partie 72 est réduit et o une structure assurant l'obturation 71 capprenant un épaulement à deux paliers selon l'invention est prévue à l'extrémité de la partie mile 72 La face externe du joint est en outre munie d'une zone d'obturation 71 ' métal sur métal présentant une face conique habituelle, telle que la face extérieure d'un joint triple de Hydril Ce joint fileté donne une grande étanchéité au gaz vis-à-vis des pressions interne et externe (de gaz ou de pétrole) et possède une grande solidité. On a soumis à un essai un joint fileté selon la présente invention en utilisant un joint de couplage commoe représenté dans la figure 4 Un filetage avancé, selon la norme A Pl 5 B, taillé dans un tuyau en acier, norme A Pl: 5 A, L 80, ayant un diamètre extérieur de 177,8 mm et une épais- seur de paroi de 11,51 mm est pourvu par usinage d'un joint fileté o la hauteur des épaulements 6, 7 de la partie non filetée au sommet de la partie mâle est respectivement h 1 = 2,5 mm et h 2 = 5,5 m, et la longueur de la face -8 - d'obturation 8 est 1 = 6 mm (cf fig 1) Le joint est vissé et dévissé plusieurs fois et ensuite soumis à une pression d'azote de 624 bar (égale à 80 % de sa pression de déformation) et à une force de traction de 338 tonnes (égale a 80 % de sa résistance à la déformation) Dans ces condi- tions il a été soumis à 100 cycles thermiques entre 163 et 67 C Aucune défaillance de l 'étanchéité au gaz du joint ne s'est manifestée ce qui confirme que dans la pratique le joint a une excellente étanchéité au gaz. -9 - REVEMDICET Iai S 1 Joint fileté présentant une grande étanchéité au gaz destiné à j 'emploi sur des tuyaux pour puits de gaz et de pétrole caracté- risé en ce qu'il coeprend: une partie femelle ( 2) munie d'un filetage femelle ( 3 %) sur sa face interne, une partie màle ( 1) munie d'un filetage mâle ( 3) sur sa face externe, ces parties mâle ( 1) et femelle ( 2) étant vissées l'une dans il'autre pendant leur utilisation; à l'extrémité de la partie mâle ( 1) une partie sa S filetage, comportant un premier épaulement ( 7) et um 1 épaulement d'extrémité ( 6) disposes en échelcn l'un par rapport à l'autre, une face conique ( 8) formée entre le premier épaulemnent ( 7) et l'épaulement d'extrémité ( 6) inclinée de manière à converger vers l'épau- lerent d'extrémité ( 6); une partie sans filetage sur la partie femelle ( 2) correspondant à la partie sans filetage de la partie mâle ( 1) présentant deix épaulements ( 7 ', 6 ') correspondant respectivement au premier épaule- ment ( 7) et à l'épaulement d'extrémité ( 6) sur la partie sans filetage de la partie mâle et une face conique ( 8 ') entre ces deux épaulements ( 7 ', 6 ') correspondant à la face conique ( 8) sur la partie extrême de la partie mâle; de sorte que lorsque les deux parties ( 1, 2) sont vissées ensemble une première zone d'obturation est formée par le contact métal sur métal des faces coniques ( 8, 8 ') et qu'une deuxième zone d'obturation est formée au cours de la phase finale du vissage par l'aboutement du premier épaulement ( 7) de la partie male ( 1) et de l'épaulement correspondant ( 7 ') de la par- tie femelle ( 2), tandis que l'épaulement d'extrémité ( 6) de la partie mâle ( 1) et l'épaulement correspondant ( 6 ') de la partie femfelle ( 2) ne forment pas après l'achèvement du vissage une zone dont la fonction essentielle est l'obturation. 2 Joint fileté présentant une grande étanchéité au gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint est du type à manchon. 3 Joint fileté présentant une grande étanchéité au gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint est du type inté- gré.