Brevet FR2511750A1 — publié le 19830225

La présente invention est relative à un dispositif d'étanchéité compensateur de dilatation pour conduite de transport de fluide chaud constituée essentiellement par des tuyaux en fonte ou fonte ductile à extrémité, à emboitement et à bout m le. Plus précisément, elle concerne un dispositif compensateur de dilatation du type comportant une membrane ou diaphragme qui ferme l'espace libre entre la t#ulipe d'emboftement de l'un des tuyaux et le bout male de l'autre tuyau. Les dispositifs d'étanchéité comportant une membrane sont bien connus et ont été appliqués avec des réalisations différentes pour des conduites diverses destinées au transport de matières granuleuses de liquides ou même d'air ou de vapeur. En général dans ces applications la membrane est combinée à une garniture d'étanchéité élastique qui est comprimée entre le bout male et l'emboftement. Toutefois, dans le cas des conduites de transport de fluides chauds, il a été proposé un dispositif dans lequel la garniture d'étanchéité élastique est supprimée grâce notamment à l'utilisation d'une membrane réalisée en une matière plastique souple, douée d'une excellente endurance aux flexions répétées et conservant une résistance mécanique élevée aux fortes températures. Dans tous les cas, la membrane flexible est soumise à des efforts dds essentiellement d'une part, à la pression intérieure de la conduite et d'autre part, à la dilatation axiale de l'assemblage des tuyaux qui, lorsqu'elle est importante, sollicite la membrane à l'excès. Ceci est tout particulièrement le cas de la membrane d'un dispositif compensateur de dilatation monté dans une conduite de transport de fluides chauds constituée par des tuyaux en fonte ou analogue, du fait que le montage des tuyaux est effectué à froid sans liquide intérieur et que la conduite reçoit ensuite un fluide chaud dont la température peut dépasser 1200 C. Chaque tuyau s'allonge alors de plusieurs millimètres et la membrane est soumise à des efforts correspondants. Dans certaines conduites ou lignes de tuyauteries, de telles variations de température se répètent fréquemment et la membrane est par suite sollicitée de façon répétée. Mais surtout certaines membranes peuvent être soumises à des efforts excessifs si les dilatations ne sont pas réparties de manière régulière entre tous les joints d'une meme conduite ou d'une ligne de tuyauterie, de sorte que certaines membranes sont peu sollicitées tandis que d'autres le sont trop. Pour cette raison, on créée généralement dans les conduites bien montées des points fixes de part et d'autre de chaque dispositif d'étanchéité compensateur de dilatation, de façon à limiter le déplacement de chaque membrane à la valeur de la dilatation linéaire d'un seul tuyau. La formation de ces points fixes nécessite la présence d'organes annexes tels que des cavaliers en béton ou des colliers serrés sur les tuyaux ainsi que la fixation de ces organes, par exemple, au sol. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif d'étanchéité compensateur de dilatation qui limite luimême l'amplitude des sollicitations de la membrane lors des fortes dilatations et permet ainsi une répartition régulière de ces sollicitations le long de la conduite tout en supprimant la nécessité d'ancrage ou de fixation au sol ou analogue. Cette invention a en effet pour objet un dispositif d'étanchéité de la jonction entre deux éléments en fonte ou analogue d'une conduite de fluides chauds, l'un à extrémité évasée en forme de tulipe et l'autre à bout uni introduit axialement dans la tulipe, comportant une membrane annulaire,en matière plastique souple, de fermeture de l'espace entre ces deux éléments, dont les bords plans annulaires interne et externe sont serrés contre des faces radiales respectivement du bout uni et de la tulipe, qui comporte deux bagues de serrage coaxiales montées librement l'une sur l'autre et formant deux mors plans radiaux de serrage de la membrane qui coopèrent, l'un avec la face radiale solidaire du bout uni, l'autre avec la tranche d'extrémité de la tulipe et sont suivis chacun par une surface incurvée d'appui de la face de la membrane qui est tournée vers I'exterieur, les surfaces d'appui des deux bagues étant incruvées en sens inverse et la membrane ayant au repos une section en S à deux boucles en sens inverse ; et des moyens de verrouillage axial interposés entre le bout uni et la tulipe et limitant le déplacement axial relatif de ceux-ci et, par suite, des deux bagues de serrage. Dans un tel dispositif, la membrane est renforcée par les surfaces d'appui des deux bagues contre lesquelles elle tend à être appliquée par la pression intérieure de la canalisation et qui limitentles sollicitations du matériau qui la compose. Ces surfaces sont toutefois mobiles l'une par rapport à l'autre pour permettre la compensation de la dilatation mais ne disposent que d'un mouvement limité, ce qui assure une répartition de la dilatation aux deux extrémités de chaque tuyau. Selon un mode de réalisation préféré, l'un des mors transversaux de serrage des bords plans interne et externe de la membrane comporte des saillies circulaires d'accrochage dirigées vers le mors correspondant qui est plan. La membrane est ainsi solidement maintenue sur ses deux bords de part et autre d'un anneau de matière incompressible et à proximité des surfaces incurvées d'appui. La description ci-dessous de modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et repr#ésentés açdessins fera d'ailleurs ressortir les avantages et caractéristiques de l'invention. Sur ces dessins - la Fig. 1 est une vue partielle en coupe axiale, avant assemblage,de deux éléments de tuyauterie munis des éléments constitutifs du dispositif d'étanchéité compensateur de dilatation suivant l'invention; - la Fig. 2 est une vue analogue à la Fig. 1 montrant les tuyaux et le -dispositif d'étanchéité assemblés; - les Figs. 3 et 4 sont des vues analogues aux Figs. 1 et 2 respectivement lors de la contraction des tuyaux et lors de leur dilatation; - la Fig. 5 est une vue analogue à la Fig. 2 d'une variante de réalisation du dispositif selon l'invention. La Fig. 1 montre les extrémités en regard de deux tuyaux 1 et 2 destinés à entre assemblés pour former une conduite de transport dé fluide chaud. L'extrémité du tuyau 1 est formé par un bout uni ou male cylindrique 4 terminé par un chanfrein 5 et ayant une épaisseur inférieure à celle du tube 1 lui-m#me. L'extrémité du tube 2 est, au contraire, évasée en forme de tulipe 6 en ayant une épaisseur supérieure à celle du tube 2. Sa surface interne 8 a également un diamètre supérieur au diamètre interne des tubes 1 et 2 et même au diamètre externe du bout male 4 de façon à permettre l'introduction axiale de ce bout dans la tulipe 6 . Par ailleurs, son extrémité extérieure est évasée et est terminée par une face radiale 10 sensiblement plate. Sur le bout uni 4 est montée une manchette 12 qui est fixée,par exemple, par des soudures 13 . A son extrémité la plus proche du chanfrein 5 la manchette 12 comporte une bride 14 dont la face radiale 15 tournée vers l'extérieur comporte deux nervures circulaires coaxiales à la manchette 12, respectivement 16 et 17 . Ces nervures font saillie au-dessus d'une surface cylindrique de portée 18 et constituent avec la face 15 un mors de serrage d'une membrane flexible 20. A son extrémité opposée, la manchette 12 comporte un filetage 22 qui s'étend sur une partie de sa longueur et sur lequel est vissée une bague de serrage 24 comportant une face radiale 25 destinée à coopérer avec la face 15 de la bride 14 et à constituer ainsi un second mors de serrage de la membrane 20. Une seconde bague de serrage 26 est montée librement et coaxialement sur la bague 24 et comporte une face radiale plane 28 constituant un mors de serrage et destinée à coopérer avec la face radiale extrême ou tranche d'extrémité 10 de la tulipe 6 et à serrer ainsi le bord externe de la membrane 20. Dans ce but, la face radiale 10 comporte deux nervures circulaires respectivement 30 et 31 continues ou dentées mais coaxiales entre elles et au tube 2. La bague 26 est rendue solidaire de la tulipe 6 au moyen d'une contre-bride 32 prenant appui sur une bride 33 de la bague 26 et traversée par des boulons 34 munis de becs 36 d'appui sur un épaulement externe de la tulipe 6. La face radiale ou mors de serrage 28 est constituée par la face extreme de la bride 33 et entoure un évidement annulaire délimité par une surface incurvée 38 et se prolongeant jusqu'à la surface interne de la bague 26. En sens inverse, la bague 24 comporte un bossage annulaire convexe qui borde extérieurement la face radiale ou mors de serrage 25 La membrane 20 a, au repos, ainsi que le montrent plus particulièrement les Figs. 1 et 2, une forme qui correspond sensiblement à celle des faces radiales extrêmes des bagues 24 et 26. Ainsi, la membrane 20 comporte deux bords extrêmes respectivement interne et externe constitués par des anneaux plans 40 et 41. Entre ces anneaux, la section de la membrane a sensiblement la forme d'un S, c'est-à-dire présente deux boucles en sens inverse respectivement 42 et 43. Lorsque les tuyaux sont assemblés, le bord interne 40 de la membrane 20 est serré entre les deux mors de serrage constitués respectivement par les faces radiales 15 et 25 de la bride 14 et de la bague de serrage 24. De la meme manière, le bord interne 41 est serré entre les mors de serrage constitués par les faces radiales 10 de la tulipe 6 et 28 de la bague 26. La partie centrale de la membrane forme alors des bourrelets ou boucles 42, 43 qui ont une forme voisine de celle de la surface extérieure 44 du bossage de la bague 24 suivie de celle de la surface incurvée concave 38 de la bague 26. Par ailleurs, le bout uni 4 comporte une gorge extérieure annulaire 46 destinée à recevoir une bague fendue 48, tandis que la surface interne 8 de la tulipe 6 comporte une gorge 50 de réception de cette bague 48. La gorge 50 est délimitée d'une part, par une nervure centrale 52 qui facilite le centrage de l'introduction du bout 4 dans la tulipe 6 et, d'autre part, par un épaulement radial 54,qui sont séparés par une distance nettement supérieure à la longueur axiale de la bague 48. Cette bague 48 dont la diamètre extérieur est plus grand que le diamètre de la surface interne 8 de la tulipe 6, peut ainsi se déplacer axialement dans la gorge 50. La bague 48 est,bien entendu, mise en place à l'intérieur de la gorge 50 avant l'assemblage des tuyaux. De la même manière, la manchette 12 ainsi que les bagues 24 et 26 et la contre-bride 32 ainsi que la membrane 20, sont exilées sur le bout uni 4, la manchette 12 est fixée sur ce bout uni, puis la bague 24 est vissée pour serrer le bord interne 40 de la membrane 20 entre les faces radiales 25 et 15 avant l'assemblage des tuyaux, c'est-à-dire de préférence en usine. Lors de l'assemblage, le bout male 4 est introduit dans la tulipe 6 et rencontre la bague 48 qu'il repousse contre l'épaulement 54. La bague 48 étant fendue, s'écarte élastiquement vers le fond de la gorge 50 sous l'action de l'effort qutexerce sur elle le bout mâle 4 en continuant à s'enfoncer dans la tulipe By jusqu'au moment où la gorge 46 arrive au droit de cette bague 48. L'enfoncement du bout uni 4 est alors arrêté par la bague 48 qui se rétracte élastiquement en s'engageant dans cette gorge et vient buter contre le flanc 47 de cette gorge qui est le plus éloigné du chanfrein 5,tout en restant en appui contre l'épaulement 54. Un léger recul du tuyau 1 et du bout mâle 4 permet alors de centrer à peu près axialement la bague 48 au milieu de lá gorge 50 dans la position représentée sur la Fig. 2. On rapproche ensuite à son tour la bague 26 en la faisant coulisser par la poussée de la contre-bride 32 en direction de la tranche d'extrémité 10 de la tulipe 6. La bague 26 vient appliquer sa face plane périphérique lisse 28 sur le bord périphérique externe plan 41 de la membrane 20 et le serre sur l'autre paroi 10 à dents ou nervures 30, 31 du mors transversal externe cependant que la surface courbe concave 38 vient épouser à peu près le sommet courbe convexe de la boucle souple extérieure 43 de la membrane 20, la boucle interne 42 coutournant le bossage 44 de la bague 24. Puis on serre la contre-bride au moyen des boulons 34 prenant appui par leur bec 36 sur le collet 6a de la tulipe 6. Dans un tel dispositif,entre les mors transversaux 15-25 et 10-28, la totalité de la face transversale sinueuse de la membrane 20 qui est à l'opposé de la tulipe 6 se trouve ainsi en regard de surfaces de formes correspondantes 25-44, 39-28 sur lesquelles elle pcut prendre appui de manière pratiquement continue. En effet, le jeu radial de coulissement entre les bagues 24 et 26 qui sont usinées > est très faible et peut se réduire dans la pratique à quelques dixièmes de millimètres. Un tel appui qui est fourni d'une part, par la bague 26 qui est rendue solidaire de la tulipe 6 et d'autre part, par la bague 24 qui est, elle, solidaire de la manchette 12 et du bout male 4, est particulièrement avantageux pour soutenir la membrane 20 et assurer sa bonne tenue lorsqutelle est sollicitée à la flexion et à l'expulsion par la pression du fluide chaud contenu dans la conduite. Par ailleurs, un tel appui continu peut être obtenu même avec de fortes tolérances diamétrales entre les différents organes. En outre, la coopération des faces planes 25 ou 28 et des faces munies de saillies 15 ou 10, des mors transversaux, est particulièrement avantageuse pour serrer ou pincer les bords plans externe et interne de la membrane 20 sans risquer de les affaiblir ou même de les couper.les nervures contliiies ou dentées 1G,17 et 30, 31, tout en permettant un bon accrochage des deux bords circulaires de la membrane 20, délimitent une quantité de matière de membrane relativement incompressible et permettent de se prémunir lors du serrage des mors transversaux interne et externe contre le danger de découpage à l'emporte-pièce de cette membrane 20, tout en conservant des zones de contact locales favorables à l'obtention de l'étanchéité. Enfin, la forme en S de la membrane 20 lui assure une grande souplesse lui permettant de résister à des déformations successives répétées entre les deux positions extrêmes représentées sur les Figs. 3 et 4. En effet, lors de l'assemblage avant l'introduction du fluide chaud et chaque fois que la conduite est vide et/ou froide, les tuyaux 1 et 2 occupent les positions relatives représentées sur la Fig. 3 qui correspond à l'enfoncement minimal du bout uni 4 dans la tulipe 6. Cette position est déterminée par la venue en butée de la bague 48 contre la nervure de centrage 52 de la tulipe 6 et son serrage entre cette nervure et le bord 49 de la gorge 46 qui se trouve le plus proche du chanfrein 5. La bague de serrage 26 qui est rendue solidaire de la tulipe 6 se trouve alors dans sa position extreme par rapport à la bague 24, de sorte que les surfaces incurvées 38 et 44 de ces deux bagues sont pratiquement dans le prolongement'l'une de l'autre et que la membrane 20 appuie sur elles de manière continue.Les bagues 24 et 26 contribuent ainsi toutes les deux au renforcement de la résistance de la membrane 20 aux efforts dfls à la pression interne de la conduite. Lorsque le fluide chaud circule dans la conduite et que la température s'élève jusqu'à une valeur qui peutEtteindre 100 à 1200 C, les tuyaux 1 et 2 se dilatent, de sorte que bout uni 4 pénètre plus profondément dans la tulipe 6 pour prendre la position normale de fonctionnement représentée sur la Fig. 2 ou atteindre la position limite représentée sur la Fig. 4. Le déplacement relatif axial du bout uni 4 entraide celui de la bague fendue 48 qui vient en butée contre l'épaulement 54 puis est serré contre celui-ci par le bord 47 de la gorge 46 (Fig. 4). En même temps, les bagues 24 et 26 coulissent l'une par rapport à l'autre de sorte que les surfaces incurvées 38 et 44 s'éloignent l'une de l'autre tandis que le bossage 44 et le collet évasé 6a de la tulipe 6 se rapprochent.Le rayon de courbure de la boucle extérieure 43 de la membrane 20 s'accroft tandis que la boucle 42 est étroitement appliquée sur le bossage 44. Il apparaft donc que sous l'effet des variations de température, clest-à-dire des dilatations et contractions successives des tuyaux 1 et 2, la partie centrale ondulée de la membrane 20 subit des déformations mais reste toujours au moins partiellement en contact avec au moins l'une des surfaces d'appui des bagues de serrage 24 ou 26. En outre, quelles que soient les variations de température à l'intérieur de la conduite, le déplacement relatif du bout uni 4 et de la tulipe 6 est rigoureusement limité au déplacement de la bague de verrouillage 48 dans la gorge 50, de sorte que les sollicitations auxquelles est soumise la membrane 20 sont également rigoureusement limitées.En conséquence, toute dilatation supplémentaire de l'un ou l'autre des tuyaux 1 et 2 est transmise à l'autre extrémité de ce tuyau, c'est-à-dire au dispositif d'étanchéité de la jonction suivante ou précédente. Bien entendu, le jeu de la bague 48 dans la gorge 50 est choisi de façon à correspondre à la dilatation maximale normale de l'un des tuyaux 1 ou 2 de la conduite concernée. Aucun des dispositifs d'étanchéité compensateur de dilatation de cette conduite ne risque donc d'être soumis à des efforts excessifs. Au contraire, la répartition des efforts s'effectue automatiquement le long de la conduite. Bien entendu, diverses modifications peuvent entre apportées au mode de réalisation qui vient d'8tre décrit sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, ainsi que le montre la Fig. 5, la manchette 12 peut n'être soudée au bout male 4 qu'à son extrémité extérieure. La bride 14 comporte alors dans sa face interne en regard du bout male 4,une gorge annulaire 60 de logement d'un joint d'étanchéité 62 de type métalloplastique. Quel que soit le mode de réalisation, la membrane 20 est de préférence en un matériau plastique souple doué d'une excellente endurance aux flexions répétées et conservant une résistance mécanique élevée aux fortes températures, de sorte que cette membrane résiste facilement aux sollicitations limitées permises par le dispositif de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité de la jonction entre deux éléments en fonte ou analogue d'une conduite de fluide chaud, l'un à extrémité évasée en forme de tulipe et l'autre à bout mStle introduit axialement dans cette tulipe, comportant une membrane annulaire en matière plastique souple de fermeture de l'espace entre les deux éléments dont les bords plans annulaires interne et externe sont serrés contre des faces radiales respectivement du bout marie et de la tulipe, caractérisé en ce qu'il comporte deux bagues de serrage (24, 26) coaxiales, montées librement l'une sur 11 autre et formant deux mors plans radiaux (25,28) de serrage de la membrane qui coopèrent, l'un (25) avec la face radiale solidaire du bout mAle et l'autre(28) avec la tranche d'extrémité (10) de la tulipe et sont suivis chacun par une surface incurvée (38, 44) d'appui de la surface de la membrane (20) qui est tournée vers l'extérieur, les surfaces d'appui (28,44) des deux bagues étant incurvées en sens inverse et la membrane (20) ayant au repos une section en S à deux boucles en sens inverse (42, 43); et des moyens (48, 50) de verrouillage axial interposés entre le bout male (4) et la tulipe (6) et limitant le dépla- cement axial relatif de ces deux organes et, par suite, des deux bagues de serrage (24,26). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de verrouillage axial comportent une bague fendue (48) qui, d'une part, glisse dans une gorge périphérique (46) du bout male (4) et, d'autre part, se déplace dans une gorge interne (50) de la tulipe, ces deux gorges ayant des longueurs axiales supérieures à celle de la bague. 3. Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces radiales de serrage du bord interne et du bord externe de la membrane (20) comporte des nervures circulaires d'accrochage (16, 17 ou 30 31), la face opposée étant lisse. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les nervures circulaires (16, 17 et 30, 31) sont dentées. 5. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les mors de serrage du bord interne (40) de la meirane(;20) sont portés, l'un par une manchette (12) fixée sur le bout mâle et l'autre, par l'une (24) des bagues de serrage qui est vissée sur cette manchette. 6. Dispositif suivant la revendication précédente, caractérisé en ce que la manchette (12) comporte une bride (14) dont la face radiale (15) tournée vers l'extérieur constitue la face radiale de serrage de la membrane (20) et porte des nervures ou dents d'accrochage (16 > 17). 7. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bague (24) de serrage du bord interne de la membrane comporte un bossage convexe annulaire (44) formant surface d'appui de la membrane. 8. Dispositif suivant l'une des revendications pré cémentes, caractérisé en ce que la bague (26) de serrage du bord externe de la membrane (20) comporte une surface annulaire concave (38) d'appui de l'une des boucles (43) de la membrane (20) qui est entourée par la face plane radiale de serrage (28). 9. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bague (26) de serrage du bord externe de la membrane (20) est serrée axialement contre l'extrémité de la tulipe (6) par une contre-bride (32) traversée par des boulons (34). 10. Dispositif suivant l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la manchette (12) est fixée par soudure sur le bout male (4). 11. Dispositif suivant l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la manchette (12) est soudée sur le bout mâle (4) à l'une de ses extrémités et comporte à son extrémité opposée, sur sa face interne située en regard du bout male (4)une gorge (60) de logement d'une garniture d'étanchéité (62).