Brevet FR2529991A1 — publié le 19840113

Dispositif de raccordement rapide de tubes et de cuvelages, notam- ment pour forage en mer. L'invention se rapporte a un dispositif de raccor- dement rapide de tubes de tout diamètre et de cuvelage particulière- ment adapté à l'assemblage des colonnes montantes et des cuvelages même de gros diamètres pour les forages en mer. La réalisation des assemblages de conduites est très difficile à maîtriser lorsqu'il s'agit de raccorder des tubes ou des cuvelages utilisés lors des forages effectués en mer à partir de supports flottants. La longueur des éléments tubulaires utilisés est en effet limitée par les difficultés de manutention rencontrées, ce qui impose la mise en oeuvre d'un grand nombre de raccords Cette mise en oeuvre doit être rapide et efficace pour le maintien de l'assemblage sous l'effet des sollicitations qu'il subit. Une grande précision des assemblages est ainsi néces- saire afin d'empêcher les risques de fatigue et de rupture d'assem- blage insuffisamment serrés ou susceptibles de se desserrer. Afin de pallier les difficultés rencontrées, diverses solutions ont été proposées et ont conduit à créer des connecteurs mécaniques capables d'assembler rapidement même les cuvelages de gros diamètres. Il existe par exemple des connecteurs filetés per- mettant un excellent raccordement, amais ils présentent l'inconvé- nient de nécessiter une rotation d'au moins deux tours et demi avant serrage des éléments raccordés, ce qui est toujours une opération relativement longue et difficile à réaliser sur les supports flottants, dès que le diamètre des connecteurs excède 60 cm. Afin d'éviter un tel inconvénient, on a proposé des connecteurs à emboîtage assisté hydrauliquement Cependant, n'étant pas déconnectables, ils ne peuvent être utilisés que dans des cas bien particuliers. Une autre réalisation consiste à interrompre les pas d'un filetage ou d'un rainurage circulaire sur des secteurs équi- distants, de façon à réaliser la connexion par simple rapprochement axial des éléments tbbulaires, puis par rotation d'une fraction de tour d'un élément par rapport à l'autre La connexion s'effectue ainsi sur plusieurs séries de portions de filet ou rainurage à la manière d'un assemblage baïonnette Les opérations de fraisage que nécessite un tel connecteur sont d'un coût très élevé En outre, la discontinuité périphérique de l'assemblage lui confère des carac- téristiques mécaniques limitées. Les autres solutions, telles que les connecteurs à circlips ou à chien de verrouillage sont soit sujets à une résis- tance médiodre à la fatigue lorsqu'ils sont soumis à des efforts alternés, soit trop coûteux et encombrants. L'objet de l'invention est un dispositif de raccor- dement rapide de tubes et de cuvelages 3 notamment pour forage en mer, comprenant une pièce mâle et une pièce femelle, du type à rainurages hélicoldaux de serrage conique Selon l'une des carac- téristiques essentielles de l'invention, chaque pièce est pourvue i 5 d'une pluralité N de rainurages de profil constant et complémentaire de celui porté par l'autre pièce, le sommet de chacun de ces rainu- rages étant, vu en coupe aziale, décalé radialemient par rapport au creux des ra 1 nurages adjaceats d'une valeur au moins égale à la fraction de la variation du rayoii de la surface conique portant n lesdits rainurages sur un pas d'hélice. De plus, il sera préféré que chacun des rainurages de la pluralité susdite soit de longueur suffisante pour couper au moins deux fois une génératrice déterminée pour chaque rainurage de ladite surfa-e conique. Il résulte de cette caracctéristique qu'il suffit d'un rapprochement xial des pièces mâle et femelle et de la rotation de l'une d'elles d'une fraction de tour pour réaliser un serrage parfait des rainurages des tubes ou cuvelages à raccorder, ce ser- rage s'effectuant sur toute la longueur de chacun des rainurages et donc sur toute la périphérie du raccord puisque, dans le cas préféré' chaque rainurage s'étend sur plus d'un tour, et ce, n fois. Ainsi, contrairement aux connecteurs à filets néces- sitant toujours plus de deux tours pour serrer entre eux les filets des deux pièces sur la totalité de leur longueur, une fraction de rotation égale à tour suffit dans le cas de N filets. n La disposition selon l'invention présente le même avantage que les connecteurs à assemblage par baïonnette rappelés ci-dessus, c'est-à-dire procurant un serrage complet par rapproche- ment axial suivi d'une rotation d'une fraction de tour sans en présenter l'inconvénient,à savoir la discontinuité de la distribu- tion des efforts dans le connecteur, du fait de la présence des secteurs dépourvus de filets En outre et de manière non moins avan- tageuse, l'invention permet d'éviter des opérations d'usinage oné- reuses comme le fraisage nécessaire des raccords à filet interrompu selon l'art antérieur. L'invention permet également d'engendrer en fin de serrage une précontrainte importante dans l'assemblage permettant de se dispenser d'utiliser des dispositifs de verrouillage positif des pièces entre elles La mise en oeuvre de ces dispositifs pré- sente l'inconvénient de diminuer, voire supprimer, la précontrainte de serrage et, par là, de diminuer la résistance des dispositifs de raccordement en regard d'efforts alternés Outre la suppression de cet inconvénient, l'invention permet d'éviter la perte de ces dispositifs pendant le transport des tubes ou des connecteurs. Compte tenu par ailleurs de l'importance des surfaces de contact et de leur répartition uniforme dans le connecteur de l'invention, il n'existe pas de zones de concentration de contrainte importante nécessitant des renforcements ou du moins une masse de matière importante Il s'ensuit que le connecteur selon l'invention est d'encombrement très réduit. Cet encombrement radial réduit et son serrage sur une fraction de tour donne au connecteur selon l'invention la possi- bilité d'entrer dans la composition de nombreux types de raccorde- ments,qu'ils soient réalisés de manière manuelle ou au moyen d'organes de manoeuvre pour sa commande à distance. Ainsi, on peut effectuer le serrage au moyen de vérins qui peuvent également constituer organes de blocage du con- necteur. Dans un exemple particulier, lapièce de raccorde- ment femelle peut servir de moyen de serrage d'un raccord tubulaire sur une céte de puits Dans ce cas, la pièce de raccordement mâle peut être la tête de puits qui comporte à cet effet sur sa partie externe conique N filets ou rainurages La pièce de raccordement femelle comporte sur sa surface intérieure, au-delà des filets, un profil s'adaptant au raccord tubulaire porteur du corps des vérins, les extrémités de leurs tiges étant reliées à la pièce femelle en vue de sa rotation. Selon une autre application et lorsqu'il est trop coateux de mettre en oeuvre le dispositif de liaison par vérin, la liaison est obtenue après serrage jusqu'à la précontrainte par un verrou constitué par l'extrémité d'une petite partie de l'une des pièces que l'on introduit par pression et cisaillement sur l'arête d'une encoche portée par l'autre pièce Le repérage de l'arête s'effectue soit directement, soit par une lumière allongée dont les dimensions sont en fonction des variations de position relative des pièces du connecteur serrées du fait des tolérances de fabrication. Dans le cas o le réceptacle d'une tête de puits haute pression comporte la pièce femelle du dispositif de raccor- dement à N filets, la partie mâle est serrée jusqu'à la précontrainte afin de maintenir la t&te de puits en position par butée sur une bride de la tête de puits Le blocage est alors assuré par une fraction du bord externe de la partie mâle qui s'arc-boute contre la paroi d'une encoche de la partie femelle après son cisaillement sur une arête de l'encoche Celle-ci étant disposée à l'extrémité supérieure de la pièce femelle est de ce fait visible sur la face externe de cette pièce. On notera également que le profil des rainurages du connecteur selon l'invention peut être de formestrès diverses Ainsi, dans une première réalisation, chaque rainurage peut comporter un ensemble de filets (en sommet et fond de rainurage) dont la varia- tion de diamètre nominal est identique Dans une autre réalisation, le rainurage peut être-un simple filet de section triangulaire ou trapézoïdale Il sera cependant préféré que les flancs de ce rainu- rage soient tels que la trace du flanc inférieur pour la pièce mâle et du flanc supérieur pour la pièce femelle, dans un plan axial, coupe l'axe de l'assemblage monté pièce femelle en haut, au-dessus de son niveau radial. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation du dispositif de raccordement selon l'invention avant assemblage; la figure 2 est une vue du dispositif assemblé; les figures 3 et 4 montrent, par une vue en coupe partielle, la coopération des rainurages des deux éléments du connecteur; la figure 5 est une vue partielle agrandie de la figure 3; les figures 6 et 7 illustrent deux variantes de réalisation du rainurage; les figures 8 et 9 sont une vue de détail des figures 1 et 2 illustrant une disposition de verrouillage du con- necteur; la figure 10 illustre deux applications possibles du connecteur selon l'invention; la figure Il est une coupe schématique radiale de la figure 10; la figure 12 illustre la disposition de blocage du connecteur inférieur de la figure 10, Le dispositif de raccordement des figures 1 à 5 comprend une pièce femelle 1 et une pièce mâle 20 Dans l'exemple représenté, ces pièces se raccordent au moyen de quatre rainurages hélicoïdaux désighés 3, 4, 5, et 6 pour la partie femelle et 3 ', 4 ', 5 ' et 6 ' pour la partie mile. Sur la figure 5, on voit que la trace dans un plan axial de chaque rainurage de la pièce 1 se compose d'un flanc incliné 10 se raccordant à sa partie inférieure à un flanc 11 légèrement incliné vers le haut en direction de l'axe et aboutissant à sa partie supérieure à la partie inclinée 11 d'un autre rainurage par une petite portion verticale 12. Chaque rainurage est réalisé sur une surface conique commune 7 dont la conicité est telle que, dans le plan radial de figure, le sommet 12 de chaque rainurage est décalé radialement par rapport au creux des rainurages adjacents d'une valeur a au moins égale à la fraction de la variation de rayon VR de la surface n conique 7 le long d'un pas d'hélice, N étant le nombre de rainurages mis en oeuvre (ici 4). La trace dans un plan de chaque rainurage de la pièce 2 s'adapte à celle des rainurages de la pièce 1, de sorte que, lors du simple déplacement axial de la pièce femelle 1 par rapport à la pièce mâle 2, les rainurages 3, 4, 5, 6 s'appliquent par leur flanc 10 sur le flanc correspondant des rainurages 3 ', 4 ', 5 ' et 6 de la pièce male 2, comme le montre la figure 3. Il suffit alors de la rotation d'un quart de tour de la pièce 1 (ou d'une fraction 1 de tour de cette pièce si l'assem- n blage comportait N filets ou rainurages hélicoïdaux) pour que la position de serrage représentée figure 4 soit atteinte Les rainu- rages sont alors en prise totale les uns avec les autres On s'arrangera pour que la partie conique rainurée soit suffisamment haute (longue axialement) sur chacune des pièces 1 et 2 pour qu'un rainurage ou filet coupe au moins deux fois une génératrice déter- minée de cette surface En d'autres termes, il sera préférable d'avoir un filet s'enroulant sur au moins un tour autour de chaque pièce 1 et 2. On réalise ainsi un contact serré tout au long de chacun des quatre filets s'étendant chacun sur au moins un tour complet L'assemblage réalise présente alors une résistance méca- nique homogène sur l'ensemble de sa surface, capable par la pré- contrainte réalisée de résister à de nombreuses opérations même de battement sans se desserrer. L'étanchéité parfaite peut être assurée à l'aide de joints bien connus Un joint 8 a été représenté dans une rainure de la pièce 2 En fin du raccordeuent par rotation de joint 8 glisse sur la partie verticale 9 de la pièce 1. Afin de faciliter l'assemblage, on peut, si on le désire, porter des repères 13, 14 d'orientation sur les pièces 1 et 2 à raccorder. Sur les figures 6 et 7, on voit deux variantes possibles de rainurages, l'une (figure 6) en forme de filets tra- pézo-idaux nouveaux, l'autre (figure 7) en forme de groupes de filets 15, 16, 17, 18 évoluant sur des surfaces hélicoïdales nominales 15 ', décalées radialement dans les mêmes conditions que les sommets de rainurage de la figure 5. On a représenté figures 7 et 8 un moyen pour assurer le verrouillage du connecteur lorsqu'il est serré et précontraint. Un tel moyen est utilisé lorsqoe l'on doit faire subir à l'assemblage réalisé un couple important de sens opposé au couple ayant servi à assurer la précontrainte de serrage du connec- teur. Ceci est le cas lorsqu'il faut dévisser puis revisser par l'intermédiaire du tubage les outils de descente de la suspension des tubages pour moyenne et grande profondeur, à partir de plate- forme auto-élévatrice Il est également nécessaire de mettre en oeuvre un verrouillage lorsque-l'on fore le sabot d'un tubage qui se trouve mal cimenté, le tube portant le sabot ayant tendance à se dévisser sous l'effet du contre-coup-de forage qu'il encaisse. C'est ainsi que l'on prévoit sur la partie inférieure 19 en forme de jupe de la pièce femelle 1, figures 1, 2, 8 et-9, une lumière 20 laissant apparaître une rainure longitudinale 21 sur la pièce male 2 Une pression sur la partie 22 de la portion 19 de la pièce femelle, en regard de l'arête 23 de la rainure 21 suffit à cisailler la portion 22 le long de l'arête 23 et à enfoncer cette portion qui s'arc-boute dans la rainure 21 à l'encontre de tout déplacement de la pièce 2 dans le sens opposé au couple de serrage. La jupe 19 peut être formée à cet effet de tout matériau non élas- tique venant se coincer par pression et cisaillement au voisinage de l'arête 23 Cette liaison de blocage maintient la précontrainte, de sorte que la résistance mécanique de l'ensemble n'est pas affectée par les opérations de battement et d'application de couple de des- serrage, Il suffit de supprimer la portion 22 pour permettre une nouvelle utilisation du dispositif La pièce femelle peut comporter par exemple 4 lumières 20 chacune étant en regard d'une rainure 21 de la pièce mâle 2. Les applications du dispositif de raccordement selon l'invention peuvent être très nombreuses et notamment pour assurer la fonction de connecteur, c'est-à-dire de dispositif pou vant être commandé à distance dans le sens connexion ou déconnexion. A titre d'exemple, on a représenté figure 10 deux dispositifs de raccordement, l'un composé des pièces à filets mul- tiples 24 et 25, l'autre des pièces à filets multiples 26 et 27. La pièce de raccordement femelle 26 peut être rendue solidaire d'un réceptacle 28 de tête de puits ou être incorporée à celui-ci par tous moyens connus. La pièce mâle 27 entoure la tête de puits 25 et son extrémité inférieure sert, après serrage et blocage, de butée à une bride 29 de la tête de puits 25. La partie supérieure de la tête de puits haute pression 25 comprend un filetage multiple à 8 filets par exemple et est-entourée de la pièce de raccordement 24 Cette pièce appar- tient à un ensemble 30 et comporte au-dessus de ses filetages multiples une rainure entourant la bride 31 du même ensemble 30 servant de connecteur hydraulique A cet effet, l'ensemble 30 com- prend encore des brides 32, 33, 34 et 35 servant à la fixation d'axes verticaux, tels que 36,par exemple supportant les corps de vérins 37 Les tiges 38 de ces vérins ont leurs extrémités fixées à des axes verticaux, tels que 39 attenant aux brides 40 de la pièce de raccordement à filets multiples 24 Il suffit donc de commander les vérins 37 pour que les-tiges 38 entratnent une rotation de la pièce de raccordement 24 d'un huitième tour On assure par ce moyen la connexion étanche de la tête de puits 25 à l'ensemble 30 servant de connecteur hydraulique, l'étanchéité pouvant être assurée par tout moyen de joint 41. Dans cet exemple, le dispositif de raccordement 24, 25 est maintenu en serrage par le blocage réalisé par la commande des vérins 37 On peut ainsi procéder aisément à la répétition de connexion et de déconnexion de la tête de puits Par contre, la tête de puits elle-même n'ayant pas à être retirée du réceptable 28 la liaison de blocage du dispositif de raccordement 26, 27 peut être permanente et être du type représenté à la figure 12, le bord supé- rieur de la pièce 27 pouvant comporter une collerette cisaillable 42 dont une partie 43 délimitée par une fente 44 peut être introduite dans une rainure 45 de la pièce 26. Il existe d'autres applications du dispositif selon l'invention notamment comme moyen de connexion des tubes d'une colonne montante. On notera enfin que l'invention permet, par une astucieuse combinaison des dimensions du diamètre du connecteur, du pas de filet et de la conicité des surfaces nominales, de préser- ver les caractéristiques d'autoblocage des liaisons par filet clas- sique et donc de créer des précontraintes tout en gardant les avan- tages d'un accouplement par baïonnette. 2529991 REVEúNDICATIONS 1 Dispositif de raccordement rapide de tubes et de cuvelages, notamment pour forage en mer, comprenant une pièce mâle ( 2) et une pièce femelle ( 1) du type à rainurages héli- coidaux de serrage conique, caractérisé en ce que chaque pièce étant pourvue d'une pluralité N de rainuroges hélicoïdaux ( 3,4, 5,6) ( 3 ',4 ', 5 ',6 ') d'un profil constant et complémentaire de celui porté par l'autre pièce, chaque sommet de rainurage étant, vu en coupe axiale, décalé radialement par rapport au cieux des rainurages adjacents d'une valeur (a) au moins égale à la fraction de la variation (VR) de rayon sur un pas d'hélice de la surface conique ( 7) portant lesdits rainurages. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur de chaque rainurage ( 3-6, 3 '-6 ') coupe au moins deux fois une génératrice déterminée de ladite surface conique ( 7). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, canaetérisé en ee que la trace ( 11) du flanc supé- rieur des rainurages de la pièece femelle( 1) et la trace ( 11 ') du flanc inférieur des rainurages de la pièce mâle ( 2), dans un plan axial, est inclinée vers le haut en direction de l'axe de l'assemblage si la pibce femelle ( 1) est la pièce supérieure de l'assemblage. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1,2 ou 3, caractérisé en ee qu'il comporte des moyens de verrouillage mutuel des piècbees mâle ( 2) et femelle(l) consti- tués par une partie ( 22,43) de l'une des pièces rabattues dans une rainure ( 21,45) ménagée dans l'autre pièce. 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'une des pièces ( 25) com- porte des filets multiples portés par une surface conique d'un premier tube ( 25),l'autre pièce de raccordement ( 24) étant por- tée par une bride ( 31) appartenant à un second tube ( 30). 6 Dispositif selon la revendication 5,caractérisé en ce que la pièce de raccordement( 24) portée par la bride ( 31) du second tube( 30) est reliée en a usse audit tube ( 30)par des vérins ( 37), de telle sorte que leur commande entraîne une rotation de ladite pièce de raccordement ( 24). 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une des pièces de raccordement ( 26) fixée sur un récep- tacle de tête de puits ( 28) comprend au-dessous de sa partie conique à filetage multiple une surface cylindrique de guidage d'une bride ( 29) de la tête de puits ( 25). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé ea ce que l'autre pièce de raccordement ( 27) comporte du côté opposé à son filetage multiple et conique une surface cylindrique de guidage de ladite tête de puits ( 25), l'extrémité inférieure de ladite pièce de raccordement ( 27) étant en contact avec ladite bride ( 29) lors de son serrage par rotation dans les filets de la première pièce ( 26) de raccordement. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens ( 43, 45) de verrouillage susdits sont disposés radialement à la partie supérieure de ladite pièce de serrage ( 27) et de la pièce de raccordement ( 26) fixée au réceptacle ( 28)-.