Brevet FR2527739A1 — publié le 19831202

L'invention concerne un connecteur de commande sous-marin, et plus particulièrement un connecteur compor- tant un joint destiné à former une jonction étanche aux fluides entre deux conduites Cette jonction est plus par- ticulièrement réalisée pendant l'enclenchement des deux éléments du connecteur sous-marin, les conduites jointes étant utilisées pour la transmission d'un fluide hydrauli- que. De nombreuses opérations sous-marines, en parti- culier l'exploration et la production de pétrole, sont effectuées avec une partie de l'équipement disposée, au moins de façon semi-permanente, sur le fond de la mer En général, cet équipement est du type qui n'exige que peu ou pas de maintenance continue, qui est relativement diffi- cile à connecter et à déconnecter de la tête de puits sous- marine, et qui peut supporter les rigueurs d'un environne- ment sous-marin pendant une longue durée. Le fonctionnement de cet équipement est dirigé depuis la surface de la mer au moyen de conducteurs de commande s'étendant d'un lieu situé en surface jusqu'à l'équipement sous-marin Pendant la phase du forage, il peut apparaître des situations d'urgence nécessitant un débranchement immédiat, puis un rebranchement des conducteurs de commande A cet effet, on a conçu des connecteurs qui facilitent ce débranchement et ce rebranchement de conducteurs de commande sur l'équipement sous-marin Etant donné qu'il est généralement apparu avantageux d'utiliser un équipement sous-marin à commande hydraulique, les connecteurs utilisés pour ce travail doivent établir un joint entre les conduites transmettant les signaux hydrauliques de commande à la partie amovible du connecteur, et les conduites s'étendant de la partie sous-marine du connecteur jusqu'à l'équipement sous-marin à commander. Lors d'un débranchement d'urgence, il est possible que le temps disponible ne soit pas suffisant pour réduire la pression du fluide à l'intérieur de le 'or Cite, Un tel débranchement,-lorsque la conduite est sous pression, peut provoquer une perte ou une dislocation de l'élément d'étanchéité Dans ce cas, ensuite, la partie amovible du connecteur doit généralement être remontée jusqu'à la surface pour permettre le remplacement des joints perdus. Les joints utilisés pour raccorder les conduites hydrauliques entre les éléments du connecteur constituent une pièce importante de la conception du connecteur Un joint défaillant peut rendre inopérant l'actionneur corres- pondant de l'équipement sous-marin et doit être réparé avant la poursuite de l'opération sous marine Si le joint est disposé dans la partie récupérable du connecteur, il peut être monté à la surface pour être réparé; cependant, lors d'opérations effectuées en eau profonde, cette remontée, puis la descente du connecteur constituent une opération longue et coûteuse. Un type de joint utilisé dans cette application est un simple joint torique qui est logé dans une gorge concentrique ménagée dans le pourtour de l'extrémité complé- mentaire de la conduite hydraulique Lorsque le connecteur est enclenché, le joint torique est comprimé entre les éléments du connecteur et assure l'étanchéité aux fluides entre les conduites correspondantes Ces simples joints toriques peuvent être expulsés lors des manoeuvres d'en- clenchement et de déclenchement du connecteur sous l'effet d'une différence de pression entre la conduite et le milieu sous-marin ambiant. Un autre type de dispositif d'étanchéité est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 701 549 qui montre un joint élastique de forme cylin- drique maintenu dans un évidement ménagé dans un élément du connecteur par un organe amovible de retenue qui se visse dans l'élément du connecteur L'organe de retenue empêche l'expulsion de ce joint élastique en le comprimant dans l'évidement et en coopérant également avec un anneau métallique En l'absence de ce dernier, le joint peut se dilater et être délogé sous l'effet de l'élimination d'une pression élevée Le remplacement de ce joint nécessite de dévisser l'organe de retenue, de remplacer la garniture d'étanchéité et de revisser l'organe de retenue dans le connecteur. L'invention concerne un connecteur sous-marin comprenant des moyens destinés à assurer l'étanchéité de conduites de commande hydraulique entre les deux éléments du connecteur. Le dispositif d'étanchéité comprend deux parties à savoir une garniture extérieure en matière élastique qui porte contre les deux éléments enclenchés du connecteur et un anneau intérieur à ressort qui est disposé dans une rainure formée dans la surface intérieure de la garniture. L'anneau à ressort est également réalisé en une matière élastique et il agit de façon à résister à la compression axiale des lèvres d'étanchéité situées de part et d'autre de la rainure lorsque les éléments du connecteur sont enclenchés, appliquant ainsi une charge préalable au joint. La surface de la garniture est configurée pour s'ajuster étroitement et être ainsi retenue dans une partie d'une gorge annulaire formée dans l'un des éléments du connecteur. Il est également prévu un évent qui est destiné à éliminer toute accumulation accidentelle de pression pouvant se produire au-dessous de la garniture du joint. Cette accumulation de pression pourrait avoir pour effet de dégager le dispositif d'étanchéité de la gorge de retenue au cours d'une opération de déclenchement réalisée sous pression. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective éclatée, avec coupe partielle, du connecteur selon l'invention à l'état non enclenché; la figure 2 est une élévation avec coupe partielle du connecteur à l'état enclenché; la figure 3 est une coupe axiale partielle d'une forme préférée de réalisation du connecteur selon l'inven- tion; la figure 4 est une vue partielle en plan de la gorge de retenue de la forme préférée de réalisation de l'invention; et la figure 5 est une coupe axiale partielle d'une variante du connecteur selon l'invention. La figure 1 représente le chapeau 10 du connecteur sous-marin selon l'invention, suspendu au moyen d'un câble 12 de levage au-dessus de la tête 14 du connecteur La tête est fixée à l'équipement sous-marin devant être commandé depuis le navire de surface L'alignement de la tête et du chapeau est assuré par des moyens tels qu'un tenon 16 et un évidement 18 Des conduites 20, destinées à transpor- ter un fluide hydraulique entre des dispositifs 22 de commande hydraulique disposés sur le chapeau du connecteur ou à la surface, et l'équipement sous-marin 23 à commander sont également représentées Les conduites appropriées s'accouplent lors de l'enclenchement du connecteur et leur étanchéité est assurée par un dispositif 24 situé sur l'extrémité d'accouplement de la conduite du chapeau Ce dispositif d'étanchéité est retenu dans une gorge annulaire 26 formée dans le corps du chapeau. La figure 2 montre le connecteur enclenché, le tenon 16 et l'évidement 18 étant convenablement emboîtés et les conduites correspondantes étant accouplées de façon étanche La commande et l'actionnement d'équipement sous- marin peuvent à présent être réalisés à l'aide de la commu- nication hydraulique ainsi établie par l'intermédiaire des conduites accouplées 20 dans le connecteur enclenché. La figure 3 est une coupe détaillée des conduites accouplées 20 et du dispositif d'étanchéité selon l'inven- tion La gorge annulaire de retenue est représentée sous la forme d'un évidement en queue d'aronde usiné dans le corps de l'un des éléments du connecteur Une garniture 28 d'étanchéité est configurée de façon à s'ajuster dans l'évidement en queue d'aronde et elle présente une rainure 44 qui maintient un ressort annulaire ou anneau à ressort 32 en position Lors de l'opération d'enclenchement, les deux éléments du connecteur sont pressés l'un contre l'autre ce qui a pour effet de comprimer les lèvres 30, 31 d'étanchéité entre les corps des deux éléments et l'anneau à ressort 32, de façon à former un joint annulaire étanche aux fluides entre les deux conduites. Lorsque le fluide hydraulique se trouvant à l'in- térieur des conduites accouplées est sous une pression dépassant celle du milieu ambiant sous-marin, cette pres- sion agit sur le dispositif d'étanchéité de façon à compri- mer davantage les lèvres 30 et 31 d'étanchéité contre les éléments correspondants, accroissant ainsi l'intégrité du joint étanche aux fluides. La gorge de retenue ménagée dans l'élément du connecteur est représentée comme ayant un diamètre augmen- tant avec la profondeur au-dessous de la surface 35 de l'élément du connecteur Cet élément présente donc un épau- lement intérieur 34 ayant sensiblement le même rayon que la conduite, un épaulement extérieur 36 situé à la surface du connecteur et ayant un rayon plus grand, et un évi- ment intérieur 38 de rayon encore plus grand Les rayons de l'évidement et de l'épaulement extérieur sont choisis de façon à retenir le dispositif d'étanchéité en position, tout en permettant cependant à ce dispositif d'être aisé- ment retiré et remplacé Les dimensions exactes dépendent de l'aptitude à la déformation du dispositif d'étanchéité, de la dimension des conduites à accoupler et des caracté- ristiques d'écoulement demandées aux donduites. La surface de la gorge de retenue comprise entre l'épaulement intérieur 34 et l'évidement intérieur 38 est de préférence plate afin de faciliter la fabrication Le dispositif d'étanchéité, une fois placé dans la gorge de retenue, est donc plat et ne demande pas à être tourné dans une orientation particulière Cette configuration a pour résultat une compression inégale du dispositif d'étan- chéité lorsque la surface 35 du chapeau présente une forme courbe comme montré sur la figure 1 Cependant, l'expé- rience a montré, avec la forme préférée de réalisation de l'invention, que cette compression égale n'affecte pas les caractéristiques de fonctionnement de l'invention, alors que la facilité de fabrication et de remplacement des pièces qui en résulte est un avantage important. L'expulsion de joints dans la mise en oeuvre de connecteurs sous-marins se produit lorsque la pression hydraulique présente en arrière du joint dégage ce dernier de sa position convenable La présente invention évite l'apparition d'une telle condition en obturant hydraulique- ment la conduite au niveau des lèvres 30, 31 d'étanchéité de même diamètre, indiquées sur la figure 3 La pression hydraulique présente autour de la partie restante de la périphérie de la garniture d'étanchéité reste à la pression hydraulique ambiante sous-marine, ce qui a pour résultat une répartition équilibrée de la pression sur le dispositif d'étanchéité, dans la direction axiale. La pression interne plus élevée de la conduite exerce également une force radiale sur le dispositif d'étanchéité, ce qui a pour effet de maintenir ce dernier plus fermement dans l'évidement intérieur et contribue ainsi à la résistance opposée par le joint à l'expulsion. La figure 3 représente également un canal 42 ménagé dans l'élément du connecteur afin de ventiler vers le milieu ambiant le volume 43 situé au-dessous de la gar- niture Cette caractéristique peut être utile s'il appa- rait une chute de pression entre la lèvre inférieure 31 d'étanchéité et l'épaulement intérieur 34 Si une obtura- tion accidentelle se produit alors entre la garniture et l'épaulement extérieur, la pression interne plus élevée de la conduite, si elle n'est pas ventilée, risque de dégager le dispositif d'étanchéité de la gorge de retenue au moment o les éléments de connecteur sont séparés l'un de l'autre L'utilisation de ce canal d'évent 42 empêche l'accumulation de pression au-dessous de la-garniture, évitant ainsi l'expulsion du joint Le canal d'étanchéité peut également être réalisé en totalité dans le dispositif d'étanchéité, comme montré sur la figure 5, ou bien entre le dispositif d'étanchéité et l'élément du connecteur. La figure 5 représente également une forme de réalisation de l'invention dans laquelle la lèvre extérieure d'étanchéité est d'un plus grand diamètre que la lèvre intérieure 31 La répartition de pression qui en résulte provoque un déséquilibre des forces exercées sur le dispositif d'étanchéité dans la direction axiale, ce qui a pour effet de maintenir le dispositif plus fermement à l'intérieur de l'évidement Le fond de la rainure 44 présente un diamètre au moins égal au diamètre de la lèvre extérieure d'étanchéité afin d'assurer une compression convenable des lèvres d'étanchéité lorsque le connecteur est enclenché. Les éléments de la forme de réalisation de l'in- vention de la figure 5 portent les références numériques qui correspondent à celles des éléments équivalents montrés sur les figures 1, 2, 3 et 4, mais précédées d'un 5. Le dispositif d'étanchéité selon l'invention peut être aisément remplacé Il peut être retiré de la gorge de retenue au moyen d'un instrument effilé inséré dans la gorge en queue d'aronde, en arrière du dispositif d'étanchéité, afin de déformer ce dernier d'une façon appro- priée Etant donné que cet instrument n'est pas utilisé à proximité des lèvres d'étanchéité, ou des surfaces des éléments du connecteur, portant contre les lèvres d'étan- chéité, le risque de détérioration de ces surfaces pendant l'opération de remplacement est réduit, ce qui évite d'avoir à procéder à une opération longue et coûteuse de resurfaçage des éléments endommagés du connecteur L'inser- tion du dispositif d'étanchéité de remplacement s'effectue par déformation de ce dispositif afin qu'il puisse être placé dans la gorge de retenue. Cette caractéristique représente un progrès notable par rapport à l'art antérieur qui exige l'utilisation d'un élément rapporté de retenue devant être retiré de l'élément du connecteur avant que le remplacement du joint élastique soit entrepris comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 701 549 qui men- tionne également l'utilisation de moyens de renfort associés au joint élastique, pour empêcher ce dernier de se déformer pendant le dégagemert du connecteur sous pres- sion, et pour éviter ainsi l'expulsion du joint La présente invention n'utilise pas d'éléments amovibles de retenue pour maintenir le joint élastique en position et elle ne nécessite pas de moyen de renfort pour empêcher l'expulsion du joint pendant le dégagement du connecteur. On peut aisément voir que les dispositifs d'étan- chéité et les gorges de retenue peuvent être placés soit dans le chapeau, soit dans la tête du connecteur; cepen- dant, étant donné que le remplacement des dispositifs d'étanchéité s'effectue le plus aisément à la surface de l'eau, il est préférable de placer les joints dans l'élément du connecteur qui est habituellement remonté Dans la forme préférée de réalisation, le chapeau est l'élément à remonter et il est donc représenté comme portant les dispositifs d'étanchéité. La description détaillée des formes préférées de réalisation, donnée ci-dessus, montre que l'invention est bien adaptée à l'établissement d'un joint étanche aux fluides entre des conduites correspondantes dans un con- necteur sous-marin L'invention a également pour autre avantage de permettre un remplacement aisé et de résister à l'expulsion du joint lors du déclenchement du connecteur. Il apparaît donc que l'invention permet de réduire le temps et l'argent consacrés à la maintenance des connecteurs sous-marins, ainsi que de réduire la complexité de l'opéra- tion de remplacement des joints dans de tels connecteurs. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au connecteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Connecteur hydraulique sous-marin de commande, caractérisé en ce qu'il comporte un chapeau ( 10), une tête ( 14) pouvant être enclenchés l'un avec l'autre, des moyens ( 16, 18) destinés à aligner le chapeau et la tête pendant l'enclenchement, plusieurs conduites ( 20) solidaires du chapeau et de la tête, chaque conduite du chapeau s'accou- plant avec une conduite correspondante de la tête pour établir une communication de fluide lorsque le chapeau et la tête sont enclenchés, un dispositif ( 24) d'étanchéité étant disposé autour de l'extrémité d'accouplement de chaque conduite du chapeau afin de former un joint étanche aux fluides entre les conduites accouplées, le chapeau présentant en outre une gorge annulaire ( 26) disposée au- tour de l'extrémité d'accouplement de la conduite et ayant un diamètre croissant avec la profondeur au-dessous de la surface d'accouplement du chapeau, le dispositif d'étan- chéité comprenant en outre une garniture élastique ( 28) configurée pour s'ajuster étroitement dans au moins la partie de la gorge annulaire de diamètre croissant, afin d'y être retenue, cette garniture comprenant une lèvre inté- rieure ( 31) d'étanchéité destinée à former un joint annulaire autour de l'extémité d'accouplement de la conduite du chapeau et ayant un premier diamètre, et une lèvre exté- rieure ( 30) d'étanchéité destinée à former un joint annu- laire autour de l'extrémité d'accouplement de la conduite de la tête, lorsque le chapeau et la tête sont enclenchés, la lèvre extérieure ayant un second diamètre au moins égal au premier diamètre, la garniture présentant en outre une rainure annulaire ( 44) située entre les lèvres inté- rieure et extérieure d'étanchéité, le fond de cette rainure ayant un diamètre au moins égal au second diamètre, et un anneau élastique ( 32), de section sensiblement circu- laire, étant disposé et retenu dans la rainure afin de solliciter axialement la lèvre intérieure d'étanchéité pcur la faire porter contre le chapeau, et la lèvre exté- rieure d'étanchéité pour la faire porter contre la tête lorsque le chapeau et la tête sont enclenchés. 2 Connecteur de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité et le chapeau définissent un volume ( 543) situé au-dessous de la garniture et en ce que le dispositif d'étanchéité présente en outre un canal d'évent ( 542) destiné à établir une communication de fluide entre le volume et le milieu ambiant sous-marin. 3 Connecteur de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité et le chapeau définissent un volume ( 43) situé au-dessous de la garniture et en ce que le chapeau présente en outre un canal d'évent ( 42) destiné à établir une communication de fluide entre le volume et le milieu ambiant sous-marin. 4 Connecteur de commande selon la revendication 1, caractérisé en-ce que le diamètre de la gorge annulaire ménagée dans le chapeau augmente uniformément lorsque la profondeur augmente au-dessous de la surface du chapeau, de façon que la gorge présente une forme en queue d'aronde. Connecteur de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité et le- chapeau définissent un volume ( 543) situé au-dessous de la garniture et en ce que le dispositif d'étanchéité pré- sente en outre un canal d'évent ( 542) destiné à établir une communication de fluide entre le volume et le milieu ambiant sous-marin. 6 Connecteur de commande selon la revendication 4, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité et le chapeau définissent un volume ( 43) au-dessous de la gar- niture et en ce que le chapeau présente en outre un canal d'évent ( 42) destiné à établir une communication de fluide entre le volume et le milieu ambiant sous-marin.