Brevet FR2555279A1 — publié le 19850524

L'invention a trait au domaine des joints d'étanchéité aux fluides en élastomère, et plus parti- culièrement aux joints en élastomère du type travaillant en compression. L'invention concerne plus particulièrement des joints d'étanchéité en élastomère agencés en une configuration annulaire pour former un joint annulaire du type travaillant en compression. Les joints d'étanchéité en élastomère disposés suivant une configuration annulaire sont utilisés dans diverses applications, par exemple dans des équipements pétroliers tels que des dispositifs de suspension de tubages, des dispositifs de suspension de colonnes et des vannes de têtes de puits. En général, les joints annulaires d'étanchéité sont exposés à des efforts de compression dirigés axialement de façon à établir, sous l'effet de la déformation, un contact d'étanchéité aux fluides autour d'une face cylindrique intérieure d'étanchéité ou avec une face cylindrique extérieure d'étanchéité ou les deux. Cependant, les élastomères sont sujets à certains phéno- mènes de relaxation qui tendent, avec le temps, à diminuer la capacité. d'étanchéité d'un joint en élastomère du type travaillant en compression. L'extrusion de l'élastomère est un phénomène de relaxation résultant d'une réaction physique à la contrainte de l'élastomère sur une certaine période de temps. Dans l'extrusion de l'élastomère, la propriété d'écoulement visqueux des élastomères réduit progressive- ment l'effort de contact aux faces d'étanchéité, ce qui a pour résultat une capacité d'étanchéité sous pression réduite vis-à-vis des fluides retenus. La relaxation en contrainte est un phénomène de relaxation caractérisé par une contrainte décroissante sur une période de temps en réponse à une rupture de liaison chimiques primaires dans l'élastomère. Cette relaxation en contrainte agit indépendamment de l'extrusion en diminuant l'effort exercé par le joint sur les face intérieur et extérieure d'étanchéité. Il est généralement reconnu que les phénomènes de relaxation se produisent à des vitesses proportionnelles au logarithme du temps lorsque le joint en élastomère est utilisé dans des limites de température modérées. Ainsi, un joint d'étanchéité en élastomère du type travaillant en compression peut présenter une durée de vie raisonnable dans un milieu relativement contrô81é, en particulier lorsque la compression du joint est ajustée périodiquement pour maintenir une contrainte axiale raisonnablement constante. Le milieu ambiant des équipement pétroliers ne peut cependant jamais être totalement contrôlé et il a été démontré que des conditions de température rudes accéléraient les processus de relaxation. Les températures excessives, par exemple, peuvent provoquer l'apparition de processus de relaxation à des vitesses qui sont propor- tionnelles au temps linéaire, plutôt qu'au temps loga- rithmique, beaucoup plus lent, dans un milieu ambiant contrôlé. Il est donc utile de concevoir des moyens destinés à diminuer l'effet destructeur des processus de relaxation décrits ci-dessus, de façon à améliorer la capacité d'étanchéité d'un joint annulaire en élastomère. L'invention concerne donc un joint d'étanchéité annulaire en élastomère présentant des moyens destinés à transformer un joint du type travaillant en compression en un joint du type à lèvre par extrusion progressive et relaxation en contrainte de la matière élastomérique dont le joint est constitué. Le joint présente deux gorges formant, en section, une entaille approximativement en V, dans au moins une face radiale d'un joint annulaire d'étanchéité du type travaillant en compression. Les gorges ont une largeur qui est faible en comparaison de leur profondeur et elles forment entre elles un angle de façon à diverger à partir de la face du joint. Une contrainte exercée axialement sur le joint annulaire d'étanchéité engendre un effort dirigé radiale- ment à l'intérieur du joint, fermant les gorges et forçant la face d'étanchéité radialement vers l'extérieur contre une surface opposée. Au moment o l'extrusion et la relaxation en contrainte agissent sur l'élastomère de façon à tendre à diminuer la capacité d'étanchéité par compression, le fluide sous pression s'infiltre progressi- vement dans les gorges, formant un joint à lèvre contre la surface opposée. Par conséquent, le joint d'étanchéité du type travaillant en compression est transformé en un joint du type à lèvre lorsque le phénomène de relaxation agit sur la matière élastomérique du joint. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: - la figure 1 est une coupe avec arrachement partiel d'une partie d'une vanne de tête de puits comportant le joint annulaire selon l'invention; - la figure 2 est une coupe partielle du dispositif de la figure 1 dont le joint est- comprimé axialement pour établir un contact étanche suivant ses diamètres intérieur et extérieur; et - la figure 3 est une coupe partielle montrant l'effet des processus de relaxation de l'élastomère sur le joint représenté sur la figure 2. L'extrusion et la relaxation en contrainte de l'élastomère sont des phénomènes de relaxation indépendants par lesquels la capacité d'étanchéité d'un joint annulaire d'étanchéité en élastomère, travaillant en compression, est abaissée progressivement. Conformément aux principes de l'invention, il est offert une structure de joint annulaire d'étanchéité conçue pour établir une étanchéité principale, du type travaillant en compression, sur le pourtour desfacescylindrique d'étanchéité intérieure et extérieure. Cependant, lorsque des phénomènes de relaxation réduisent effectivement l'effort de compression, les joint du type travaillant en compression s'érodent progressivement pour former des joints du type à lèvre sur les faces d'étanchéité cylindriques intérieure et extérieure. Plus particulièrement, la figure 1 représente une partie d'une vanne 10 de tête de puits comprenant une tige 12 de vanne, un chapeau 14, des anneaux supérieur et inférieur 16, 18 de compression de joint et un joint annulaire d'étanchéité en élastomère. Une partie de la tige 12 de la vanne est représentée de façon découpée pour faire apparaître une face intérieure 22 d'étanchéité du joint 20. Ce dernier, lorsqu'il est activé par compression, arrête l'écoulement axial des fluides entre le chapeau 14 et la tige 12 de la vanne. Comme montré sur la figure 1, le joint annulaire présente, en section radiale, une forme globalement carrée et des entailles circonférentielles, 30, 32 en for.e de V ménagées dans ses surfaces 22, 24 tournées radialement vers l'intérieur et vers l'extérieur, respectivement. Les entailles 30, 32 comprennent chacune deux gorges 34a, 34b ayant une largeur faible par rapport à leur profondeur radiale. Telles que vues en coupe radiale, les gorges 34a, 34b sont espacées de part et d'autre du plan central radial du joint 20 et divergent en profondeur, s'éloignant du plan central radial par rapport auquel elles sont symétriques. Les gorges 34a, 34b définissent entre elles, aux deux faces d'étanchéité intérieure et extérieure 22, 24, des zones circonférentielles 28 d'étanchéité travaillant en compression. Le joint annulaire 20 est représenté dans la figure 1 dans son état non comprimé, c'est-à-dire sans qu'une contrainte de compression lui soit appliquée axialement. Le figure 2 représente à présent le joint annulaire 20 dans son état totalement comprimé. Le passage de l'état relâché à l'état sous contrainte s'effectue par compression du joint annulaire 20entre les anneaux supérieur et inférieur 16 et 18 de compression. Par exemple, en appliquant un couple à un dispositif fileté (non représenté), on peut faire descendre à force l'anneau supérieur 16 de compression qui comprime ainsi le joint annulaire 20 contre l'anneau inférieur 18 qui peut être maintenu en position contre un corps de vanne (non représenté) g555279 La contrainte de compression appliquée axialement au joint annulaire 20 ferme progressivement les gorges 34a, 34b et déplace à force les zones circon- férentielles 38 d'étanchéité et les faces d'étanchéité 22, 24 radialement vers l'extérieur pour les faire porter de manière étanche contre la tige 12 de la vanne et contre le chapeau 14 de la vanne, respectivement. Dans cet état, la contrainte accrue accroit la capacité d'étanchéité. Par conséquent, la présence des entailles 30, 32 en forme de V n'affecte pas l'aptitude du joint annulaire 20 à assumer la fonction d'un joint d'étanchéité travaillant en compression. Cependant, les entailles 30, 32 apportent une dimension supplémentaire à la capacité d'étanchéité du joint 20. En se référant à présent à la figure 3, on voit le joint annulaire 20 de la figure 2 représenté dans un état relâché par suite de l'effet de certains phénomènes de relaxation sur l'élastomère constituant le joint. L'effet de cette relaxation est représenté de façon exagérée sur la figure 3-pour mettre en évidence le compor- tement de l'invention. Au bout d'une période de temps après la mise en compression du joint 20 à l'état montré sur la figure 2, l'effort de contact aux faces 22, 24 d'étanchéité diminue progressivement sous l'effet d'une extrusion et d'une relaxation en contrainte de l'élastomère. L'extrusion de l'élastomère est un phénomène physique résultant de l'écoulement visqueux de l'élastomère sous contrainte constituant le joint. La relaxation en contrainte est une réaction chimique causant une rupture des liaisons chimiques et une réduction consécutive de la contrainte. Comme montré sur la figure 3, les phénomènes de relaxation agissant sur le joint 20 provoquent une réduction de l'effort ou de la contrainte de contact aux faces 22, 24 d'étanchéité et, par conséquent, une perte progressive de la capacité d'étanchéité sous compression. La perte de capacité d'étanchéité sous compression est cependant compensée par l'apparition simultanée d'une capacité d'étanchéité par lèvre. La diminution de la contrainte ouvre un espace 40 dans les gorges 34a, 34b et permet l'entrée d'un fluide comprimé dans cet espace, ce qui a pour effet de forcer le joint 20 contre la tige 12 et le chapeau 14 de la vanne. Le-fluide comprimé pénétrant dans les espaces annulaires 40 agit sur des parois latérales 42, exposées vers l'aval du joint 20, forçant les parois latérales 42 contre les surfaces opposées de la vanne et formant ainsi les joints à lèvres. On suppose, par exemple, que le fluide comprimé tend à s'écouler axialement dans le sens indiqué par la flèche 44. Une perte ou une diminution de l'effort du contact aux faces 22, 24 d'étanchéité permet au fluide comprimé de s'infiltrer le long des extrémités amont 46 de ces faces 22, 24 d'étanchéité pour atteindre les espaces annulaires 40. Une fois dans les espaces annulaires , le fluide agit sur les parois latérales 42 des gorges 34 en formant les lèvres d'étanchéité qui empochent l'infiltration du fluide le long des extrémités aval 48 des faces 22, 24 d'étanchéité. Par conséquent, la réduction progressive de l'effort de compression transforme le joint annulaire 20 en un joint à lèvre, ce qui prolonge nota- blement la durée de vie utile du joint. Il convient de noter que la section, de configuration globalement carrée, du joint annulaire 20 représenté sur la figure 1 n'est pas essentielle au fonctionnement approprié de l'invention. Plusieurs configura- tions en section permettent un fonctionnement sensiblement de la même manière pourvu qu'elles présentent les entailles de forme en V décrites précédemment. De façon similaire, dans certaines applications, il peut être souhaitable de réaliser les entailles de forme en V uniquement dans la face intérieure d'étanchéité ou uniquement dans la face extérieure d'étanchéité. Dans aucune de ces variantes, les principes de l'invention ne s'écartent de ceux décrits précédemment. Enfin, les principes de la présente invention peuvent être obtenus par l'utilisation d'une seule des deux gorges précitées, dans une face d'étanchéité. Cepen- dant, la gorge unique, lorsqu'elle est vue en coupe radiale, doit former un angle aigu par rapport à la partie de la face d'étanchéité qui se trouve en aval de la zone o la gorge coupe la face d'étanchéité. Par conséquent, le joint annulaire 20 d'étan- chéitê selon l'invention apporte une réponse convenable aux phénomènes de relaxation associés aux matières élastomériques. Au fur et à mesure que l'effort de compression diminue progressivement sous l'effet des phénomènes de relaxation, le joint annulaire 20, travail- lant par compression se transforme en un joint du type à lèvres. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au joint décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Joint annulaire d'étanchéité en élastomère, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à transformer un joint d'étanchéité travaillant en compres- sion en un joint du type à lèvres, à la suite d'une relaxation de la contrainte appliquée au joint. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transformation comprennent au moins une gorge circonférentielle (34a, 34b) ménagée dans une face d'étanchéité (22, 24) du joint, cette gorge, lorsqu'elle est vue en coupe radiale,formant un angle aigu avec une partie de la face d'étanchéité située axialement en aval de l'intersection de la gorge avec ladite face d'étanchéité. 3. Joint d'étanchéité annulaire présentant une première face radiale (22) d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il comporte une première paire de gorges circonféren- tielles (30) situées dans la première face d'étanchéité et formant entre elles une zone circonférentielle (38) d'étanchéité. 4. Joint selon la revendication 3, caractérise en ce qu'il est réalisé en élastomère. 5. Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque gorge de ladite première paire de gorges présente une largeur qui est faible par rapport à sa profondeur. 6. Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que les gorges de la première paire divergent à partir de la face d'étanchéité afin de former, en coupe, un "V". 7. Joint selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde paire de gorges circonférentielles (32) situées dans une seconde face radiale (24) d'étanchéité. 8. Joint annulaire d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il comprend un joint en élastomère du type travaillant en compression, présentant une première face radiale (22) d'étanchéité, et une première paire de gorges circonférentielles (30) situées dans la première face d'étanchéité, les premières gorges divergeant d'un certain angle à partir de la première face d'étanchéité afin que le joint devienne un joint à lèvre, sur ladite première face d'étanchéité, à la suite d'une perte progressive de la capacité d'étanchéité par compression. 9. Joint selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque gorge de la première paire présente une largeur qui est faible par rapport à sa profondeur. 10. Joint selon la revendication 9, caractérisé en ce que le joint travaillant en compression présente une seconde face radiale (24) d'étanchéité dans laquelle est ménagée une seconde paire de gorges circonférentielles (32) qui divergent d'un certain angle à partir de ladite seconde face d'étanchéité.