Brevet FR2550301A1 — publié le 19850208

Procédé de protection d'un système mécanique à mouvements limités contre un milieu agressif L'invention concerne un procédé de protection d'un système mécanique à mouvements limités contre un milieu agressif. On entend ici par système mécanique un ensemble comportant plusieurs pièces mobiles présentant des surfaces fonctionnelles dures. De telles pièces sont constituées par exemple d'acier. Les surfaces fonctionnelles coopèrent entre elles par roulement, glissement, venue en butée ou analogue, c'est-à-dire que des forces sont transmises par contact au moins temporaire entre ces surfaces dures. Un engrenage ou un roulement à billes constituent un tel système, alors qu'une simple suspension à ressort ne le constitue pas. Les mouvements du système sont dit ici limités lorsque les déplacements relatifs des divers points des pièces fonctionnelles ne dépassent jamais, à partir d'une configuration initiale du système, une amplitude linéaire de l'ordre des dimensions du système. Un tel mouvement limité peut être constitué par exemple par un déplacement alternatif permanent d'une pièce à l'intérieur du système, ou par un déplacement unidirectionnel d'une petite amplitude se produisant une seule fois pendant la durée de vie du système. I1 ne peut par contre pas être constitué par la rotation permanente unidirectionnelle d'un arbre autour de son axe. Quant au milieu agressif il peut être par exemple chimiquement agressif, ou charrier des particules abrasives susceptibles de détériorer les surfaces fonctionnelles du système mécanique. De telles conditions se rencontrent par -exemple au fond d'un puits dont le forage est réalisé à l'aide d'un moteur souterrain. Ce moteur est constitué par une turbine entrainée par la boue de forage. Celle-ci est injectée sous pression dans le haut du train de tubes et remonte autour des tubes. Elle charrie des particules de silice. Des systèmes mécaniques à mouvements limités peuvent être présents au fond du puits. Ils doivent alors être protégés contre l'érosion de la boue. Un tel système sera décrit plus loin. Indépendamment de la nature du milieu agressif dans lequel un système mécanique est destiné à être utilise, ce système comporte, de manière connue, une enceinte rigide de protection qui entoure les surfaces fonctionnelles ainsi qu'un espace intérieur nécessaire aux déplacements de ces surfaces. Cette enceinte présente au moins une ouverture de sortie qui permet le passage d'une pièce de liaison en laissant un jeu de sortie autour de celle-ci pour en permettre les mouvements. Cette pièce de liaison est solidaire d'une pièce fonctionnelle dont elle transmet les mouvements à l'extérieur du système. Cette enceinte de protection peut être constituée par la surface extérieure d'une pièce fonctionnelle, ou par un carter spécialement prévu pour la protection. Elle permet d'assurer une protection efficace contre certains éléments agressifs, par exemple contre l'érosion des surfaces fonctionnelles par des débris solides de diamètre supérieur audit jeu de sortie. Mais elle est souvent insuffisante contre la corrosion chimique (oxydation par exemple) et contre l'érosion par des particules abrasives fines. C'est pourquoi divers procédés sont bien connus pour compléter la protection des surfaces fonctionnelles. L'un d'eux comporte une opération de remplissage de l'enceinte de protection avec un produit permettant les mouvements mutuels des pièces fonctionnelles tout en empêchant le milieu extérieur de venir au contact des surfaces fonctionnelles. Le produit de remplissage utilisé est par exemple une graisse de consistance suffisante pour ltempêcher de s'échapper par le jeu de sortie. Malheureusement en présence de conditions sévères, avec notamment des variations de température et surtout de pression importantes, l'expérience montre une fuite progressive de la graisse et une pénétration d'éléments agressifs, notamment de particules abrasives. Le produit de remplissage utilisé dans ce procédé connu peut aussi être de l'huile, de préférence à forte viscosité. On dispose alors un joint d'étanchéité souple pour obturer le Jeu de sortie. Malheureusement les joints connus se détériorent assez rapidement sous l'effet des variations de température et sous l'impact des particules abrasives. Dans le cadre de la protection d'un système mécanique à mouvements limités contre un milieu agressif, la présente invention a pour but l'obtention simple d'une protection durable et sure, même lorsque le milieu agressif présente des variations de pression et de température importantes et charrie des particules abrasives. Elle a pour objet un procédé de protection d'un système mécanique à mouvements limités contre un milieu agressif, ce système comportant - des pièces fonctionnelles qui coopèrent entre elles par des surfaces fonctionnelles venant en appui les unes contre les autres pour assurer le fonctionnement du système, - et au moins une pièce de liaison solidaire d'une pièce fonctionnelle pour assurer la transmission de mouvements à l'extérieur du système, - une enceinte rigide de protection entourant les surfaces fonctionnelles ainsi qu'un espace intérieur permettant les déplacements de ces surfaces, cette enceinte présentant au moins une ouverture de sortie qui permet le passage de la pièce de liaison en laissant un jeu de sortie autour de celle-ci pour en permettre les mouvements, - ce procédé comportant une opération de remplissage au cours de laquelle on remplit l'enceinte de protection avec un produit de remplissage permettant les déplacements des surfaces fonctionnelles tout en empêchant le milieu extérieur de venir au contact de ces surfaces, - ce procédé étant caractérisé par le fait que le produit de remplissage est un haut polymère élastique mou susceptible d'être obtenu par une opération de solidification créant des liaisons chimiques dans un matériau de départ liquide sans changement sensible de volume, ce haut polymère présentant une résistance en traction comprise entre 3 et 30 newtons par millimètre carré, une résistance au déchirement au moins égale à 20 newtons par centimètre et un allongement élastique au moins égal à 150%, - ladite opération de remplissage étant réalisée avec ce matériau de départ liquide et étant suivie de ladite opération de solidification, - cette opération de remplissage étant précédée d'une opération de préparation de surface au cours de laquelle au moins la surface interne de ladite enceinte et la surface de la pièce de liaison à l'intérieur de cette enceinte reçoivent au moins au voisinage de ladite ouverture de sortie, un revêtement d'adhérence assurant au produit de remplissage une adhérence sur ces surfaces au moins égale à 3 newton par millimètre carré en traction, - ledit jeu de sortie étant prévu suffisant pour permettre les mouvements de la pièce de liaison sans dépasser les limites d'élasticité du produit de remplissage. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il dois être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, etre remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné parle même signe de référence. La figure 1 représente une demie vue d'un dispositif protégé par le procédé selon l'invention en coupe par un plan axial I-I de la figure 2. La figure 2 représente une demie vue du même dispositif en coupe par un plan transversal II-II de la figure 1. La figure 3 représente un détail III de la figure 2 à échelle agrandie. Le dispositif décrit à titre d'exemple est destiné à assurer l'appui axial de l'arbre du moteur souterrain d'une turboforeuse. Il comporte un ensemble de pièces tournantes entrainées en rotation par l'arbre 2 tournant autour d'un axe 22 par rapport au corps externe 13 du moteur, et un ensemble de pièces non tournantes reliées à ce corps externe de manière à empêcher leur rotation autour de cet axe et à pouvoir transmettre une poussée axiale à ce corps. Le premier ensemble comporte plusieurs anneaux de frottement tel que 1 se succédant axialement et pouvant être munis chacun de deux surfaces de frottement opposées dont une seule est représentée et qui frottent chacune contre l'unique surface de frottement d'un anneau de frottement tel que 6 du deuxième ensemble. Ce dernier comporte en outre un élément d'appui élastique 17 poussant une face arrière de l'anneau de frottement 6 de cet ensemble dans une direction axiale vers l'avant pour l'appuyer de manière permanente contre l'anneau de frottement 1 du premier ensemble, tout en permettant un petit coulissement axial de ces anneaux, et une armature 12 pour servir d'appui arrière à cet élément de poussée.Le deuxième ensemble comporte encore une douille de guidage 28 mobile par rapport à l'armature 12, cette douille étant coaxiale à l'arbre 22 et portant rigidement l'anneau de frottement 6 de cet ensemble, et une douille de guidage 33 fixe par rapport à l'armature 12. Des rainures mobiles 30 et fixes 32 s'étendent axialement et sont creusées face à face dans les faces en regard de la douille mobile et de la douille fixe, respectivement. Une bille 31 est disposée dans chaque paire de rainures se faisant face. Ces billes sont disposées avec un jeu suffisant pour permettre un coulissement axial aisé de la douille mobile par roulement des billes sur les parois de ces rainures. Quoique ce jeu soit en même temps suffisamment petit pour éviter un jeu angulaire de la douille mobile par rotation autour de l'axe de l'arbre, il est apparu qu'il permettait à la douille mobile d'effectuer aisément une inclinaison périodique permettant une répartition homogène de l'effort axial sur les surfaces de frottement, malgré d'inévitables petits décalages angulaires de ces surfaces par rapport au plan perpendiculaire à l'axe 22.De tels décalages résultent de la construction du moteur ou des contraintes de flexion qu'il subit pendant le forage d'un puits courbé et seraient susceptibles d'entrainer une détérioration rapide des surfaces de frottement si la douille mobile ne pouvait pas s'incliner. L'armature 12 solidaire du corps externe 13 présente la forme d'une plaque annulaire percée de lumières 23 pour le passage axial d'une boue de forage qui fournit l'énergie motrice à la turbine On adopte de plus de préférence et selon les circonstances, les dispositions suivantes Les rainures comportent des butées d'extrémité limitant la course axiale des billes à une longueur utile inférieure à 4RA, A étant l'angle d'inclinaison périodique exprimé en radians imposé à l'anneau 6 par l'inclinaison parasite maximale prévisible de l'anneau de frottement 1, et R étant la distance du centre des billes à l'axe de l'arbre. Ces anneaux de frottement sont fabriqués et montés pour que cet angle soit inférieur à 1/100 de radian.D'autre part, dans le cas d'une turboforeuse de type habituel la courbure éventuelle du puits ne risque que très exceptionnellement d'amener cet angle au-dessus de cette valeur. Ceci permet de 2RA2 limiter la diminution maximale 2RA qui affecte la distance radiale d'une extrémité d'une rainure mobile à la rainure fixe qui lui fait face lorsque la douille mobile s'incline de cet angle. La distance R du centre de la bille à l'axe de l'arbre est fonction de la dimension nominale du dispositif et peut être comprise entre 15 et 200 mm, le jeu radial de la bille dans les rainures étant compris entre 0,05 mm et 0,2 mm et son jeu circonférentiel entre 0,05 min et 0,2 mm en l'absence d'inclinaison et d'effort. L'élément d'appui axial 17 est par exemple constitué par une rondelle d'acier tronconique du type "Belleville". Il est comprimé entre la face arrière de la douille mobile 28 et l'armature 12. La course des billes 31 est limitée seulement par une butée arrière dans les rainures fixes 32. Ceci permet d'introduire les billes d'abord radialement dans les rainures mobiles pendant le montage du dispositif lorsque la douille mobile n'est encore que partiellement engagée axialement dans la douille fixe 33 à partir de l'avant de cette dernière, puis de faire glisser ces billes axialement vers l'arrière dans les rainures fixes et mobiles à la fois, puis de pousser la douille mobile axialement vers l'arrière en comprimant la rondelle 17 jusqu'à ce que cette douille atteigne sa position de service. Le système mécanique à protéger précédemment mentionné comporte les éléments suivants : l'enceinte rigide est constituée par la douille de guidage fixe 33, qui constitue en même temps une pièce fonctionnelle. La pièce de liaison est constituée par la douille de guidage mobile 28, qui constitue aussi en même temps une pièce fonctionnelle. Les -autres pièces fonctionnelles sont constituées par les billes 31 et par l'élément d'appui élastique 17. L'ouverture de sortie OS est l'ouverture annulaire de la douille fixe 33 dans le plan transversal de contact entre la douille mobile 28 et l'anneau 6. t Des ouvertures de compensation OC sont également prévues à l'arrière de la douille fixe 33. Conformément à la présente invention, et par exemple après l'introduction des billes 31, le volume intérieur à la douille de guidage est rempli d'un liquide qui est ensuite évacué et qui laisse, sur les parois de ce volume, le revêtement d'adhérence précédemment mentionné. Ce liquide est bien entendu adapté aux matériaux en présence. Il peut être également déposé par application préalable par pulvé risation ou au pinceau, sur les pièces eoosstitutivés du mécanisme afin de permettre un séchage adéquat. On procède ensuite à l'opération de remplissage précédemment mentionnée. Pour cela les ouvertures de compensation OC sont obturées l'axe 22 est disposé verticalement avec l'ouverture de sortie en haut et les billes 31 sont amenées au contact du fond de gorge 40 par gravité, la douille mobile étant alors au point haut de sa course, au simple contact de la rondelle 17. Le matériau de départ liquide et très fluide est versé lentement dans l'ouverture de sortie OS jusqu'à remplissage. Des opérations de mise sous vide et recompression atmosphèrique permettent l'élimination de bulles dans le sein du produit. La polymérisation dudit produit de remplissage élastique- se fait ensuite à l'ambiante ou à une température plus élevée permettant de raccourcir la durée de l'opération ; ce produit est désigné par la référence PR. Il est a remarquer que l'expérience montre que, contrairement à ce qu'on aurait pu craindre, ce produit élastique ne gène pas le fonctionnement du système. Plus particulièrement il semble que, pendant le début du fonctionnement du système de nombreuses liaisons chimiques au sein de ce produit soient rompues dans les zones où les billes 31 roulent au contact des flancs des rainures 30 et 32, et où apparaissent des contraintes élevées, supérieures à 100 newtons par millimètre carré. Le produit de remplissage se comporte alors à peu près comme un liquide alors que, dans toutes les autres zones intérieures à l'enceinte de protection, il conserve sa cohérence interne. Par ailleurs, les déplacements de produit dûs aux mouvements des dispositifs mécaniques sont autorisés par les volumes de produits coulés dans les orifices de compensation, sans déchirement ni décollement des parois métalliques. De manière plus générale le produit de remplissage doit répondre, au moins de préférence, aux conditions suivantes - Excellente adhérence au métal (ou autre matériau) de l'enceinte de protection et de la pièce de liaison, si possible du même ordre sinon supérieure à sa résistance propre (cisaillement ou traction), soit des résistances comprises entre 3 et 30 N/mm2 (traction). - Le produit sera soumis du fait des mouvements de la mécanique à des contraintes de déchirement et d'allongement interne. Il devra s'accommoder de ces mouvements internes par une résistance importante au déchirement, comprise entre 20 et 200 N/cm, associée à un allongement très élevé (de 150 à 700%). Le travail mécanique et interne du produit peut être générateur de chaleur que le produit doit aisément évacuer. La conductibilité thermique doit donc être aussi bonne que possible et en tous cas supérieure à 0,2 W/m2 oK. Certaines ambiances de travail justifiant plus particulièrement la présence du produit, présentent des charges en sable- ou poussières abrasives. Ces matériaux très abrasifs requièrent donc de la part du produit une résistance importante à l'abrasion. Les matériaux de type élastomères se révèlent avoir une résistance à l'abrasion très élevée et en particulier pour des duretés comprises entre 30 et 70 Shores A. Les mouvements du système mécanique génèrent des déformations du produit qui induisent donc des efforts contraires. Ces efforts seront aussi faibles que possible et peuvent être caractérisés par un module d'Young aussi faible que possible et pouvant se situer de préférence entre 0,5 et 20 N/mm2. Le produit peut être choisi dans la gamme des chlorosilanes ou des siloxanes spéciaux tels que ceux vendus par la Société Française Rhône Poulenc sous la marque Rhodorsil EVF. Par contre des caoutchoucs naturels ou des élastomères artificiels tels que le polybutadiène qui pourraient convenir du point de vue comportement mécanique et adhérisation, sont plus délicats à la mise en oeuvre et pourraient nécessiter des outillages de mise en place très coûteux. REVENDICATIONS 1/ Procédé de protection d'un système mécanique à mouvements limités contre un milieu agressif, ce système comportant - des pièces fonctionnelles (17, 28, 31, 33) qui coopèrent entre elles par des surfaces fonctionnelles venant en appui les unes contre les autres pour assurer le fonctionnement du système, - et au moins une pièce de liaison (28) solidaire d'une pièce fonctionnelle (28) pour assurer la transmission de mouvements à l'exté- rieur du système, - une enceinte rigide de protection (33) entourant les surfaces fonctionnelles ainsi qu'un espace intérieur permettant les déplacements de ces surfaces, cette enceinte présentant au moins une ouverture de sortie (OS) qui permet le passage de la pièce de liaison en laissant un jeu de sortie autour de celle-ci pour en permettre les mouvements, - ce procédé comportant une opération de remplissage au cours de laquelle on remplit l'enceinte de protection avec un produit de remplissage permettant les déplacements des surfaces fonctionnelles tout en empêchant le milieu extérieur de venir au contact de ces surfaces, - ce procédé étant caractérisé par le fait que le produit de remplissage (PR) est un haut polymère élastique mou susceptible d'être obtenu par une opération de solidification créant des liaisons chimiques dans un matériau de départ liquide sans changement sensible de volume, ce haut polymère présentant une résistance en traction comprise entre 3 et 30 newtons par millimètre carré, une résistance au déchirement au moins égale à 20 newtons par centimètre et un allongement élastique au moins égal à 150%, - ladite opération de remplissage étant réalisée avec ce matériau de départ liquide et étant suivie de ladite opération de solidification, - cette opération de remplissage étant précédée d'une opération de préparation de surface au cours de laquelle au moins la surface interne de ladite enceinte de protection (33) et la surface de la pièce de liaison (28) à l'intérieur de cette enceinte reçoivent au moins au voisinage de ladite ouverture de sortie (OS), un revêtement d'adhérence assurant au produit de remplissage une adhérence sur ces surfaces au moins égale à 3 newtons par millimètre carré en traction, - ledit jeu de sortie étant prévu suffisant pour permettre les mouvements de la pièce de liaison sans dépasser les limites d'élasticité du produit de remplissage. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractssrisé par le fait que le produit de remplissage (PR) présente une conductibilité thermique supérieure à-O,2 W/m2.K. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le produit de remplissage (PR) présente une dureté comprise entre 30 et 70 Shore A. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le produit de remplissage (PR) présente un module d'Young compris entre 0,5 et 20 N/mm2. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le produit de remplissage (PR) est choisi dans le groupe constitué par les chlorosilanes et les siloxanes, de manière à présenter en outre une bonne résistance chimique. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdites pièces fonctionnelles (17, 28, 31, 33) sont constituées de métal et supportent dans les zones d'appui mutuel, des contraintes supérieures à 100 newtons/mm2.