Brevet FR2545187A1 — publié le 19841102

La présente invention a pour objet un dis- positif de raccordement étanche. L'invention se rapporte à un dispositif de raccordement étanche de deux pièces, par exemple des tuyauteries, chaque pièce comprenant un flasque; le dispositif comportant des moyens de serrage des flash ques afin de comprimer un jpint d'étanchéité entre les deux pièces. On connait, par, exemple par la demande de brevet français n 81 01250, déposée le 23 janvier 1981 pour "Dispositif de raccordement à serrage élas- tique" au nom du Commissariat à l'Energie Atomique, un dispositif de raccordement étanche de-ce type Ce dispositif comporte des moyens de serrage du type vis-écrou sollicitant les pièces à raccorder l'une vers l'autre afin de comprimer un joint d'étanchéité entre lesdites pièces. Cependant, un dispositif de serrage de ce type ne permet pas d'assurer un effort de serrage important Or, dans l'industrie, pour assurer les liaisons des canalisations, l'emploi de raccorde- xents avec joint statique demande, pour obtenir des performances de haute étanchéité et de grande fiabi- lité, des efforts de serrage souvent importants Par ailleurs, pour simplifier ou automatiser le serrage, il est souvent fait appel à un moyen mécanique, genre vérin hydraulique ou électrique, pour serrer l'assem- blage et écraser le joint d'étanchéité conformément aux spécifications de montage Dans ce cas, avant de supprimer i Faction du vérin, il faut, par un système adapté, verrouiller l'assemblage afin de le maintenir correctement serré Ceci sera obtenu par la mise en tension du moyen de verrouillage, faute de quoi la réaction élastique du joint d'étanchéité provoque- rait le délestage de l'ensemble. Pour simuler ce problème de maintien dé l'effort, il suffit de modéliser les deux éléments élastiques que sont le joint et le système de serrage par deux ressorts A et B Ceci est déc-rit en se réfé- rant aux figures la et lb qui illustrent l'art connu. Ces figures montrent un système élastique a deux res- sorts A et B On vient comprimer le ressort A avec une force F et on bloque le ressort B sans compres- sion sur son axe Si on relache l'effort F c'est à ce moment qu'on met en compression le ressort B et l'ef- fort de réaction du ressort équivalent à F va dimi- nuer Le point d'équilibre s'effectue en FP Le res- sort A est décomprimé de la valeur 6 et le ressort B se trouve comprimé de la même valeur S, mais ce qui nous importe c'est la chute de réaction du ressort A qui représente le joint d'étanchéité, le ressort B représentant l'élasticité de la boulonnerie équiva- lente à: F-F O La présente invention a pour but un dispo- sitif de raccordement étanche qui permet de diminuer considérablement l'effort de serrage à appliquer au niveau de L'assemblage Par ailleurs, il permet éga- lement de supprimer la mise en tension du moyen de verrouillage lorsqu'on utilise un vérin pour serrer le raccordement. Ces avantages sont obtenus grâce à la pré- sence d'un système mécanique permettant de démulti- plier l'effort de serrage et d'augmenter fortement le déplacement des éléments de serrage par rapport au déplacement des flasques comprimant le joint d'étan- chéité De façon plus précise, dans le dispositif de raccordement de l'invention, chaque flasque présente une surface conique d'axe D et d'angle X Le disposi- tif comporte deux brides de serrage présentant chacu- ne une sur Zace conique d'axe D d'angle a, et un élé- ment intermédiaire extensible et rétractable radia- lçment se présentant sous la forme d'une couronne composée de plusieurs segments reliés les uns aux autres, ladite couronne possédant une surface inté- rieure et une surface extérieure, chaque segment com- portant sur sa face intérieure une surface conique d'axe D et d'angle X apte à coopérer avec la surface conique d'axe D et d'angle X desdites première et. seconde pièces et sur sa face extérieure une surface con ique d'axe D et d'angle Ad apte à coopérer avec les surfaces coniques d'angle 1 de chacune des brides de serrage. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement des exemples de réalisation. la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de raccordement étan- che conforme à la présente invention; la figure 2 est une vue latérale d'une première réalisation d'une couronne faisant partie -d'un dispositif de raccordement étanche réalisé con- formément à l'invention; la figure 3 est une vue latérale, et re- présente schématiquement une deuxième réalisation d'une couronne faisant partie d'un dispositif de rac- cordement de l'invention; la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la couronne représentée sur la, figu- re 3; la figure 5 est une vue en coupe d'une troisième réalisation d'une couronne faisant partie d'un dispositif de raccordement conforme à l'inven- tion; la figure 6 est une vue de détail mon- trant une partie de la couronne représentée sur la figure 5; la figure 7 illustre une première réali- sation des moyens de serrage du dispositif de raccor- dement de l'invention; les figures 8 A et 8 B illustrent le serra- ge des flasques au moyen de vérins; la figure 8 a est une vue en coupe du dispositif de raccordement et la figure 8 b une vue de ce meme mécanisme selon la flè- che P de la figure 8 A; la figure 9 illustre le montage du dispo- sitif de raccordement représenté sur la figure 1; les figures 10 et Il sont des vues de détail qui montrent une variante de réalisation des surfaces coniques des flasques de serrage (figure 10) ou de la couronne (figure 11). Le dispositif de raccordement étanche re- présenté sur la figure 1 permet de raccorder une pre- mière pièce 1 à une seconde pièce 2 Les pièces 1 et 2 sont par exemple constituées par des tuyauteries d'axe longitudinal D. Dans le cas o ces tuyauteries véhiculent un liquide très corrosif, il est nécessaire de recou- rir, pour les raccorder de façon étanche, à un joint entièrement métallique qui nécessite un effort de serrage important Le dispositif de raccordement de l'invention permet de diminuer considérablement l'effort de serrage à appliquer au niveau de l'assem- blage. Chaque tuyauterie comporte un flasque 4. Chaque flasque présente une surface conique d'axe D, JO d'angle A L'angle X est un angle aigu proche de 90 e, par exemple 75 L'extrémité de la canalisation 2 vient s'emboîter dans un logement pratiqué dans le flasque 4 de la tuyauterie 1 Sur le -pourtour exté- rieur de la tuyauterie 1 est monté un joint d'étan- chéité 6 Comme on l'a -expliqué précédemment, le joint d'étanchéité 6 est un joint entièrement métal- lique qui requiert un effort de compression important selon la direction longitudinale D des tuyauteries 1 et 2. Le dispositif de raccordement proprement dit comporte deux brides de serrage 8 qui présentent chacune une surface conique d'axe D et d'angle a. L'angle est un angle faible, par exemple de 15 Chaque bride de serrage 8 se présente sous la forme d'une couronne circulaire dont le diamètre intérieur est' supérieur à celui des tuyauteries 1 et 2 Entre les brides de serrage 8 et chacun des flasques 4 est interposé un élément intermédiaire 10 Cet élément intermédiaire se présente sous la forme d'une couron- ne extensible et rétractable A cette fin, la couron- ne 10 est composée de plusieurs segments 12 Chaque segment 12 comporte une surface périphérique inté- tieure et une surface périphérique extérieure La surface périphérique intérieure de chaque segment 12 comporte une surface conique d'axe D et d'angle X destinée à coopérer avec les surfaces coniques cor- respondantes des flasques 4 La surface périphérique extérieure des segments 12 comporte une surface coni- que 16, d'axe D et d'angle u, apte à coopérer avec les surfaces coniques d'angle i des brides de serra- ge 8. Leés segments 12 de la couronne 10 sont re- liés entre eux d'une manière qui permet l'extension et la rétraction des segments Plusieurs réalisations sont possibles Par exemple, sur la figure 1, les segments 12 sont reliés par une sangle souple 20 fi- xée à la surface périphérique extérieure des seg- ments La sangle 20 comporte un dispositif de ferme- ture 24 (voir figure 2) Lorsque la couronne 10 est en position rétractée, la sangle 20 ondule légère- 22545187: ment La couronne 10 est également visible en vue latérale sur la figure 2 Elle est composée de quatre segments 120 On remarque la fixation de la sangle souple 20 sur chacun des segments et le dispositif de fermeture 24 La sangle peut faire saillie ou bien etre encastrée dans une gorge pratiquée sur les seg- ments, comme représenté sur les figures 1 et 2. Selon une autre réalisation représentée sur la figure 3, les segments 12 sont montés sur une rondelle métallique 26 de diamètre approprié, engagée dans une gorge 27 pratiquée à la surface périphérique extérieure de chacun des segments 12 Les segments sont tenus écartés les uns des autres par des res- sorts 28 emboîtés dans des logements prévus à cet effet-dans les segments Après serrage, le diamètre intérieur de la rondelle 26 reste inférieur au diamè- tre externe minimum de la couronne 10 afin que la rondelle 26 reste dans la gorge 27 pratiquée dans les segments La figure 4 est une-vue de détail qui mon- tre la coupe d'un segment 12, la gorge pratiquée dans ce segment et la rondelle métallique 26. Selon une autre réalisation, représentée sur les figures 5 et 6, les segments sont reliés à deux couronnes 30 et 32 Ces couronnes sont logées dans une gorge pratiquée à la surface périphérique extérieure des segments 12 Elles comportent des rai- nures 34 au niveau de chaque segment Par exemple, s'il y a quatre segments, chaque couronne comporte quatre rainures 34 Les rainures 34 pratiquées sur la couronne 30 sont radiales, tandis que celles prati- quées sur la couronne 32 sont inclinées, par exemple d'un angle de 450 Un axe 36, constitué par exemple par un rivet, traverse les rainures 34 Il est fixé sur les segments 12 Lorsqu'on fait tourner manuelle- ment la rondelle 30 par rapport à la rondelle 32, on 2 2545187 imprime un mouvement radial aux segments, ce qui per- met l'extension et la rétraction de la couronne 10. On peut ainsi augmenter son diamètre intérieur jus- qu'à pouvoir la passer par dessus les brides 4 Puis on imprime aux segments-12 un mouvement radial vers l'intérieur en faisant tourner les rondelles 30 et 32 en sens inverse de manière à faire entrer les surfa- ces coniques d'angle À des segments et des flasques 4 en contact. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de raccordement de l'invention comporte des moyens de serrage qui permettent de rapprocher l'une de l'autre les brides de serrage 8 Sur la fi- gure 1, ces moyens sont constitués par une pièce an- nulaire 40 comportant un flasque 42 gui prend appui sur l'une des brides 8 et coopère' avec l'autre par un filetage 44 pratiqué sur une surface périphérique ex- térieure de la bride 8 Pour serrer les deux brides 8, on visse la pièce 40 sur la pièce 8. On a représenté sur la figure 7 un autre moyen de serrage des brides 8 Les brides 8 compor- tent des ouvertures appropriées traversées par un boulon 46 En vissant le boulon 46, on rapproche les flasques 8 l'un de l'autre, On pourrait également resserrer les brides 8 au moyen de vérins exerçant des efforts opposés selon une direction parallèle à l'axe D sur les flancs des brides 8. On a représenté sur la figure 8 un montage du type 'en opposition" permettant de rapprocher les brides 8 l'une de l'autre au moyen de vérins Il com- porte deux pièces annulaires 48 identiques dont le diamètre interne est plus grand que le diamètre ex- terne des brides 8 Chaque pièce 48 comporte des er- gots 48 a faisant saillie radialement vers l'intérieur de manière à prendre appui sur le flanc de l'une des brides 8 Les ergots de l'une des pièces prennent appui sur un flanc de l'une des brides tandis que les ergots de l'autre pièce 48 prennent appui sur un flanc de l'autre bride En outre, chaque pièce annu- laire 48 comporte une partie en forme de L 48 b Un vérin 50 prend appui sur la petite branche de la par- tie 48 b Le vérin 50 exerce un effort sur 1 es parties extrêmes 48 b des pièces annulaires disposées tête- bêche, de manière à les écarter l'une de l'autre. Ceci a pour effet de rapprocher l'un de l'autre les ergots 48 a de chacune des pièces 48, et donc de ser- rer les brides 8. La figure 9 illustre le montage d'un dispo- sitif de raccordement conforme à l'invention Les tuyauteries 1 et 2 étant emboîtées l'une dans l'au- tre, on écarte la couronne 10 jusqu'à son diamètre maximal Dans cette position, le diamètre intérieur de la couronne est plus grand que le diamètre exté- rieur des flasques 4 On peut donc faire passer la couronne par-dessus ces flasques, puis la serrer ma- nuellement On positionne alors les deux flasques de serrage 8 de part et d'autre de la couronne 10. Enfin, on monte les moyens de serrage constitués, dans cet exemple de réalisation, par la pièce cylin- drique 40. Le fonctionnement du dispositif est le suivant Lorsqu'on visse la bague filetée 40, on exerce sur chacune des brides une action de contact radiale P = g ?étant l'angle de frotte- ment entre les surfaces coniques des brides et des segments 12. A son tour, chaque segment 12 de la couron- ne exerce sur les surfaces coniques des brides 4 une action de contact Q parallèle à 1 axe D. t Q = tg () (on suppose que l'angle de frotte- 9 2545187 ment entre les surfaces coniques de la bride et de la couronne 10 est le même que l'angle de frottement entre les surfaces coniques des brides 8 et les sur- faces coniques extérieures de la couronne). La résultante R de l'action de contact lon- gitudinale exercée sur les flasques est alors R r 7 r, si l'on suppose que x et 1 tg(l+l), tg( 90-X+ 9 sont égaux. A titre d'exemple, si 90-X==-15 ", et si le coefficient de frottement est égal à O,1, ce qui cor- respond un angle 'de 6 , on obtient un coefficient multiplicateur de l'effort égal à 7,14. Si, pour les mêmes valeurs de I et de i, le coefficient de frottement est égal à 0,2 l (ce qui correspond à un angle Y de 12 ), le coefficient de multiplication est de 3,85. Parallèlement le rapprochement (a) total des brides ( 8) provoque un déplacement radial de la couronne 10, b=a tgli et le déplacement (b) de la cou- ronne 10 provoque à son tour un rapprochement total (c) des deux flasques 4. c=a tgl tg( 90-X) soit pour les valeurs de X et i in- diquées précédemment c=l mm et (a) voisin de 16 mm. Ainsi si le relachement provoqué par la mise en tension du système de serrage après suppres- sion de l'effort de fermeture est de 16 xl/100 de mm,' le délestage au niveau du joint sera seulement de 1/100 de mm, valeur qui est bien acceptée par le joint. On a représenté sur les figures 10 et 11 des variantes de réalisation des surfaces coniques. Sur la figure 10, les surfaces coniques des brides 8 sont composées de deux cônes de même axe, mais d'an- gles de conicité différents L'angle du cône 8 a est plus important, ce qui permet un mouvement d'avance 2545187 plus rapide du mouvement de serrage, mais réduit le coefficient multiplicateur L'angle de conicité du cône 8 b est plus faible, ce qui conduit à un coeffi- cient de multiplication plus élevé et permet 11 ser- rage final. Dans la variante représentée sur la figure 11, la surface conique de la couronne 10 est composée de deux surfaces coniques 12 a et 12 b de même axe mais d'angles de conicité différents L'angle de la surfa- ce 12 a est plus important et l'angle de la surface 12 b est plus faible Le fonctionnement est identique à ce qui a été expliqué en référence à la figure 10. il 2545187 REVENDICATIONS. 1 Dispositif de raccordement étanche d'une première pièce ( 1) à une seconde pièce ( 2) selon une direction r, chaque pièce comprenant un flasque ( 4) et des moyens de serrage de ces flasques ( 4) afin de comprimer un joint ( 6) entre lesdites pièces, caractérisé en ce que chaque flasque ( 4) pré- sente une surface conique d'axe D d'angle X, le dis- positif comportant deux brides de serrage ( 8) pré- sentant chacune une surface conique d'axe D d'angle a, et un élément intermédiaire extensible et rétrac- table radialement se présentant sous la forme d'une couronne ( 10) composée de plusieurs segments ( 12) re- liés les uns aux autres, possédant une surface inté- rieure et une surface extérieure, chaque segment ( 12) comportant, sur une surface périphérique intérieure, une surface conique d'axe D et d'angle X apte à coo- pérer avec la surface conique d'axe D et d'angle X desdites première et seconde pièces ( 1, 2) et sur une surface périphérique extérieure une surface conique d'axe D) et d'angle u apte à coopérer avec les surfa- ces coniques d'angle li de chacune des brides de ser- rage. 2 Dispositif selon la revendication là caractérisé en ce que les moyens pour rapprocher les brides de serrage ( 8) l'une de l'autre sont consti- tués par une pièce annulaire ( 40) comportant un flas- que ( 42) qui prend appui sur l'une des brides et qui coopère avec l'autre bride par un filetage ( 44) pra- tiqué sur une surface périphérique extérieure de la- dite bride ( 40). 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour rapprocher les brides de serrage ( 8) l'une de l'autre sont consti- tués par des boulons ( 46) traversant des passages ap- propriés formés dans les brides de serrage ( 8). 4 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour rapprocher les brides de serrage l'une de l'autre sont constitués par des vérins ( 50). Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments ( 12) dont est constituée la couronne ( 10) sont reliés par une san- gle souple ( 20) fixée aux segments et comportant un dispositif de fermeture ( 24). 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments ( 12) dont est constituée la couronne ( 10) sont reliés l'un à l'autre par des ressorts ( 28) fixés dans des loge- ments prévus sur les segments, et par une rondelle ( 26) logée dans une gorge ( 27). 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments ( 12) dont est constituée la couronne ( 10) sont constitués par deux couronnes ( 30, 32), une première couronne'( 30) pré- sentant des rainures radiales ( 34) au niveau de cha- que segment et une deuxième couronne présentant des rainures inclinées ( 34) au niveau de chaque segment ( 12), les première et seconde couronnes ( 30, 32) étant disposées côte à côte dans une gorge pratiquée dans la surface périphérique extérieure des segments, chaque segment comportant un axe ( 36) traversant les rainures de chacune des couronnes ( 30, 32). 8 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une au moins des surfaces coniques pratiquées sur les brides de serrage ( 8) et sur les surfaces périphériques extérieures des seg- ments ( 12) de la couronne ( 10) est constituée de deux cônes d'angles différents ( 8 a, Ob; 12 a, 12 b).