Brevet FR2561747A1 — publié le 19850927

--]2 561747 La présente invention est relative à un nouveau joint fileté pour tubes d'acier, utilisable notamment dans l'exploitation pétrolière, à un procédé de fabrication de ce joint et un outillJage pour la mise en oeuvre de ce procédé. On connait déjà des joints filetés pour tubes d'acier destinés à l'exploitation pétrolière qui comportent un élément femelle muni d'un filetage tronconique et d'une butée de limitation de vissage à l'extrémité interne du filetage, ainsi qu'un élément mâle muni d'un filetage tronconique externe susceptible de s'engager dans le filetage tronconique interne de LO l'élément femelle, et d'une butée d'extrémité destinée à coopérer avec la butée de limitation de vissage de l'élément femelle. Lorsque de tels joints ne sont pas usinés dans des extrémités de section de tubes qui ont été surépaissis par forgeage ou par refoulement, il arrive souvent, notamment pour des tubes de petit diamètre et de faible L5 épaisseur, que les butées de limitation de vissage qui sont situées à l'extrémité de l'élément mâle et à l'intérieur du filetage de l'élément femelle ont des sections trop faibles pour pouvoir supporter les efforts auxquels elles sont soumises. C'est ainsi par exemple que, pour un tube d'acier de 60 mm de diamètre et de 5,5 mm d'épaisseur, la largeur de la butée ne peut être que de 3 à 3,5 mm ce qui limite à environ 150 mètres kilos le couple que l'on peut exercer sur ce joint au-delà du contact des butées sans provoquer des déformations permanentes compromettant l'interchangeabilité des éléments. Compte-tenu des diverses conditions d'utilisation des tubes munis de tels joints (traction ou compression axiale et une pression intérieure ou extérieure) il est nécessaire d'assurer un certain monolithisme du joint en appliquant une précontrainte déterminée au niveau des butées de limitation de vissage. De plus, il est, pour ces mêmes raisons, nécessaire d'assurer un frettage entre les éléments mâle et femelle, frettage que l'on obtient par l'utilisation de filetages coniques. C'est ainsi que le couple de vissage d'un joint de ce type est égal à la somme du couple nécessaire au frettage, (c'est-.-dire au forçage par vissage de l'élément mâle dans l'élément femelle jusqu'à ce que l'extrémité de l'élément mâle vienne en butée contre la butée interne de l'élément femelle), et du couple par lequel l'extrémité de l'élément mâle est appliquée axia]emept contre la butée de l'élément femelle. TI est également connu que, compte-tenu des tolérances de fabrication, le couple de frettage nécessaire pour amener l'extrémité de l'élément mâle contre la butée de]'ilément femelle peut varier dans un - 2- rapport d'au moins I à 4 suivant Je type de joint. Il en résulte que le couple restant qui permet d'appliquer axialement l'extrémité de l'élément mâle contre la butée de l'élément femelle est susceptible de varier dans de très larges limites. Il arrive même dans certains cas, notamment pour des tubes de faible diamètre que, compte-tenu des tolérances d'usinage des filetages, l'on aboutisse à une plage de couple de vissage qui est très limitée, une faible augmentation des tolérances pouvant même entraîner que dans certains cas cette plage de couple soit nulle. Pour mieux faire comprendre ce phénomène on a représenté sur la figure 1 une courbe de vissage d'un joint de ce type, les abscisses représentant l'excès de diamètre de l'élément mâle par rapport au diamètre de l'élément femelle au moment o l'extrémité de l'élément mâle vient en butée contre la butée de l'élément femelle, les ordonnées représentant le couple appliqué au joint. Les courbes OAA' et OBB' correspondent à des joints du même type mais dont les filetages se situent aux extrémités des tolérances d'usinage, la courbe OAA' correspondant à un joint pour lequel l'extrémité de l'élément mâle vient s'appliquer contre la butée de l'élément femelle après un faible frettage de l'élément mâle dans l'élément femelle, alors que la courbe OBB' correspond à un joint pour lequel l'extrémité de l'élément mâle ne vient s'appliquer contre la butée de l'élément femelle qu'après un frettage important de l'élément mâle dans l'élément femelle. La courbe OAB de la figure 1 correspond à l'augmentation du couple nécessaire pour obtenir un frettage croissant avant que l'extrémité de l'élément mâle ne vienne s'appliquer contre la butée de l'élément femelle. On voit que cette courbe croit relativement lentement. Par contre, lorsque l'extrémité de l'élément mâle vient porter contre la butée de l'élément femelle, le couple croit très rapidement sans augmentation notable du frettage en raison du fait qu'il ne se produit alors qu'une faible rotation de l'élément mâle par rapport à l'élément femelle. Les points A' et B' correspondent aux couples pour lesquels il se produit sur l'extrémité de l'élément mâle et sur la butée de l'élément femelle des déformations plastiques qui rendent les joints inutilisables ou du moins non interchangeables. On remarque que le couple qui est appliqué sur le joint, à partir du moment o l'extrémité de i'élément mâle est en contact avec la butée de l'élément femelle, et ce, jusqu'à ce que des déformations graves interviennent sur ces surfaces de butée, est sensiblement le même quelles que soient les tolérances de fabrication qui existent au niveau des filetages. - 3 - 3- 2561747 Cela se matéralise sur la figure 1 par le fait que les parties de courbe AA' et BB' ont sensiblement la même longueur. C'est à partir de ces courbes OAA' et OABB'que l'on peut déterminer le couple de serrage que l'on doit appliquer au joint, ce couple se situant entre les limites Cl et C2. On remarque sur la figure 1 que le joint donnant lieu e la courbe OAA' correspond pour un couple de serrage donné, à un frettage faible et à une pression importante sur les butées de limitation de vissage. Au contraire, le joint donnant lieu à la courbe OABB' correspond, pour un serrage à un couple donné, à un frettage important et à une pression faible sur les butées de limitation de vissage. On comprend dans ces conditions que pour déterminer une zone de couples de serrage qui soit suffisamment large tout en assurant à la fois un frettage suffisant au niveau filetage et une pression axiale suffisante sur les butées de limitation de vissage, il y a intérêt à rapprocher]'un de l'autre les points A et B de la courbe de la figure 1, c'est-à-dire à positionner le plus précisément possible la butée de chacun des éléments du joint par rapport à son filetage. La présente invention a pour objet un nouveau joint du type précité qui présente l'avantage de posséder sur chacun de ses éléments une butée de limitation de vissage qui d'une part est positionnée de manière précise par rapport au filetage et d'autre part dont la résistance mécanique a été accrue par un traitement d'écrouissage à froid. La présente invention a pour objet un joint fileté pour tubes d'acier, destiné notamment à être utilisé dans l'industrie pétrolière, du type comportant un élément femelle muni d'un filetage tronconique interne à l'extrémité duquel se trouve située une butée de limitation de vissage, et un élément mâle muni à son extrémité d'un filetage tronconique externe correspondant à celui de l'élément femelle et d'une butée de limitation de vissage dont la forme correspond à celle de l'élément femelle, caractérisé par le fait que les butées de l'élément mâle et l'élément femelle ont chacune été usinée par déformation à froid et écrouissage à l'aide d'un outil muni d'un filetage susceptible de s'engager dans ou sur le filetage de l'élément correspondant. I.a présente invention a également pour objet un nouveau procédé pour la fabrication de joints tels que définis ci-dessus, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on procède à un premier usinage de l'élément mâle et l'élément femelle du joint en procédant à l'usinage de finition des filetages et en conservant seulement à l'état ébauché les surfaces de butée de limitation de vissage; que l'on engage un calibre fileté mâle sur le - 4 - 4- 2561747 filetage de l'élément femelle et un calibre fileté femelle sur le filetage de l'élément mâle, ces deux calibres étant chacun muni d'un repère disposé de telle manière que lorsque ces deux calibres filetés sont vissés à la main l'un dans l'autre les deux repères en question sont situés sur une même génératrice; que l'on reporte sur l'élément femelle du joint le repère du calibre mâle et l'on reporte sur l'élément mâle le repère du.calibre femelle; que l'on engage dans l'élément femelle un mandrin fileté mâle en acier à hautes caractéristiques mécaniques, ce mandrin ayant à son extrémité la forme que doit avoir la butée de limitation de vissage de l'élément femelle, et ledit mandrin mâle étant muni sur sa périphérie d'un repère corespondant au repère du calibre femelle précité lorsque ce dernier est engagé et vissé à la main sur ledit mandrin; qu'à l'aide d'une machine susceptible d'exercer un couple élevé, on entraîne le mandrin fileté male en rotation par rapport à l'élément femelle du joint de manière à amener le repère du mandrin à une distance prédéterminée au-delà du repère de l'élément femelle en écrouissant la surface constituant la butée de limitation de vissage de l'élément femelle *à l'aide de l'extrémité du mandrin mâle; que l'on dévisse le mandrin mâle de l'élément femelle; et que l'on réalise sur l'élément mâle une opération de même nature à l'aide d'un mandrin femelle qui est muni d'un repère correspondant à celui du calibre môle précité et qui est vissé à force sur l'extrémité de l'élément mâle jusqu'à ce que le repère du mandrin soit amené à une distance prédéterminée au-delà du repère de l'élément mâle. La présente invention a également pour objet un outillage destiné pour mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus, cet outillage étant caractérisé par le fait qu'il est constitué par un calibre mâle et un calibre femelle, munis de filetages susceptibles de s'engager sur les filetages de l'élément femelle et de l'élément mâle du joint, chacun de ces calibres comportant un repère disposé de manière telle que- lorsque les deux calibres sont vissés manuellement l'un sur l'autre ces deux repères se trouvent sur une même génératrice, ledit outillage comportant en outre un mandrin male et un mandrin femelle comportant des filetages et des surfaces de travail correspondant aux filetages et aux surfaces de butées de limitation de vissage de l'élément mâle et de l'élément femelle, chacun de ces mandrins étant muni d'un repère disposé de telle manière que lorsque le mandrin mâle est vissé dans le calibre femelle précité, et lorsque le mandrin femelle est vissé sur le calibre mâle précité, les repères des calibres et des mandrins se trouvent sur une même génératrice. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention on va en décrire maintenant à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé. - 5- 2561747 Sur ce dessirn: - la figure I est une courbe représentant le couple exercé sur le joint en fonction de l'interférence des filetages de l'élément msale et de l'élément femelle, - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un calibre mâle selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un calibre femelle selon l'invention, - la figure 4 est une courbe représentant le couple nécessaire pour obtenir une rotation donnée de l'élément mâle par rapport à l'élément femelle, - la figure 5 est une vue en coupe lors de l'usinage final par le mandrin mâle de la butée de limitation de vissage de l'élément femelle, - la figure 6 est une vue en élévation du mandrin utilisé sur la figure 5, - la figure 7 est une vue en coupe du mandrin permettant de réaliser l'usinage final de la butée de limitation de vissage de l'élément mâle du joint, et - la figure 8 représente les couples de vissage en foncteion de l'interférence des filetages des joints conformes à l'invention. Les explications concernant la figure 1 ont été données à l'occasion de la description de l'état de la technique. On a schématiquement représenté en coupe sur la figure 2 l'élément femelle 1 qui est muni d'un filetage interne 2 et d'une butée de limitation de vissage 3. Dans le mode de réalisation représenté, cette butée de limitation de vissage 3 est une butée plane perpendiculaire à l'axe du tube, mais il va de soi que cette butée pourrait être de forme différente, elle pourrait être par exemple conique, concave ou convexe ou même présenter une forme plus complexe comme par exemple être constituée par deux surfaces coniques de conicité inversée. Conformément à l'invention, le filetage 2 de l'élément femelle est usiné de manière définitive alors que la surface de la butée de limitation de vissage 3 n'a subi qu'un préusinage qui a laissé sur cette butée une surépaisseur de métal qui existe quelles que soient les tolérances d'usinage qui peuvent survenir lors de la fabrication de l'élément femelle. On voit également sur la figure 2 un calibre male 4 qui est muni d'un filetage mâle 5 correspondant au filetage 2 de l'élément femelle, le calibre 4 s'engageant sur le filetage de l'élément femelle sans venir au contact d'aucune autre partie de cet élément femelle de manière a permettre un vissage libre à la main du calibre 4 dans le filetage 2. Le calibre 4 -6- comporte une collerette 6 qui est munie d'un évidement 7 susceptible de recevoir l'extrémité de l'élément femelle. La collerette 7 comporte une échancrure allongée 8 qui permet conformément à l'invention de réaliser un repère 9 sur une génératrice extérieure de l'élément femelle 1. Ce repère 9 peut être réalisé par marquage à l'aide d'une pointe sèche ou par un trait de peinture ou analogue. On voit sur la figure 3 l'élément mâle 10 du joint qui est muni d'un filetage externe 11 dont la forme correspond au filetage interne 2 de l'élément femelle. L'élément mâle comporte à son extrémité une butée de limitation de vissage 12. Conformément à l'invention, on réalise l'usinage définitif du filetage 11 en laissant la surface de la butée de limitation de vissage 12 à l'état préusiné, c'est-à-dire avec un léger excès de métal quelles que soient les tolérances d'usinage pour l'extrémité de l'élément mâle. On voit également sur la figure 3 un calibre femelle 13 qui est constitue par une bague munie d'un filetage interne 14 correspondant au filetage 11 de l'élément mâle. Conformément à l'invention, le calibre 13 peut être vissé à la main sur le filetage 11 de l'élément mâle sans être en contact avec l'élément mâle autrement que par le filetage. Le calibre femelle 13 comporte à sa périphérie une échancrure allongée 8 formant repère dont l'emplacement est tel que lorsque le calibre femelle 13 est vissé sur le calibre mâle 4, les deux échancrures 8 sont disposées dans le prolongement l'une de l'autre. En d'autres termes, les deux échancrures 8 du calibre mâle et du calibre femelle, correspondent à une même génératrice lorsque les deux calibres sont vissés à la main l'un dans l'autre, c'est-à-dire sans couple notable. On a représenté sur la figure 4 la courbe AA'D'E'F' qui représente le couple qui lors du vissage est absorbé uniquement par la butée du joint en fonction de l'angle de rotation entre l'élément mâle et l'élément femelle. Comme cela a été expliqué au sujet de la figure 1, on constate que lorsque l'extrémité de l'élément mâle arrive contre la butée de limitation de vissage de l'élément femelle, le couple croit très rapidement de manière linéaire en fonction de la rotation, ce qui correspond à la partie AA' de la courbe, après quoi, les déformations plastiques au niveau des butées de limitation de vissage font que la courbe s'infléchit jusque un peu au-delà du point E' qui correspond à la destruction des butées de limitation de vissage. On remarque par contre que, si l'on exerce une rotation de l'élément mâle par rapport à l'élément femelle jusqu'au point D', qui correspond à un écrouissage dû à la déformation permanente des surfaces de -7- 2561747 butées, lorsque l'on dévisse les deux é6léments, puis qu'on les revisse, on obtient une courbe de couple selon ADD'E'F'. En d'autres termes, on constate que la déformation permanente des butées de limitation de vissage a permis d'accroître l'importance de la partie rectiligne de la courbe DD' lors du vissage ultérieur du joint. Le procédé selon la présente invention est basé sur l'utilisation de ce phénomène, qui permet d'augmenter l'importance de la partie rectiligne de la courbe du couple. On a représenté sur la figure 5 une vue en demi-coupe d'un mandrin mâle 16 engagé sur un élément femelle 1. La figure 6 représente une vue en élévation de ce mandrin 16 qui comporte un filetage 17 correspondant au filetage 2 de l'élément femelle, et une surface frontale de travail 18 dont la forme correspond à la forme que doit avoir la butée de limitation de vissage 3 de l'élément femelle. Ce mandrin est en acier à hautes caractéristiques mécaniques. Conformément à l'invention, il comporte Un repère 19 dont la position a été déterminée à l'aide du calibre femelle 13 vissé à la main sur le mandrin, le repère 19 étant en face de l'encoche 8. On a représenté sur la figure 7 en demi-coupe un mandrin femelle 20 qui lui aussi est muni d'un filetage interne 21 correspondant au filetage mâle 11 de l'élément mâle, et qui présente une surface de travail 22 en forme d'épaulement dont la forme correspond à celle que doit avoir l'extrémité de l'élément mâle. La partie externe du mandrin femelle 20 comporte elle aussi un repère 23 qui est dans une position telle que ce repère 23 correspond à la fente 8 du calibre mâle 4 lorsque ce dernier est vissé à la main dans le mandrin femelle. Conformément à l'invention, l'usinage des mandrins mâle et femelle est tel que la distance L existant sur le mandrin femelle entre la face d'un filet donné 24 au niveau du repère 23 et la surface 22, est égale à la distance L qui existe sur le mandrin msâle entre la même face 24 du même filet au niveau du repère 19 et la surface 18 qui se situe à l'extrémité du mandrin mâle. En d'autres termes, lorsque le mandrin mâle est vissé sur le mandrin femelle à la main, c'est-à-dire sans couple notable, au moment o les repères 19 et 23 viennent en correspondance, la surface 18 du mandrin mâle vient au contact de la surface 22 du mandrin femelle, et il se produit un début de frettage au niveau de leurs filetages. On comprend dans ces conditions que lorsque l'on visse à force le mandrin mâle dans l'élément femelle dont la surface de butée de limitation de vissage 3 présente une surépaisseur et que l'on exerce sur le mandrin un - 8 - 2561747 couple suffisant pour amener le repère 19 à une distance prédéterminée audelà du repère 9 qui a été réalisé sur l'élément femelle comme expliqué précédemment, l'on obtient par écrouissage à la fois une augmentation de la dureté et de l'élasticité du métal au voisinage de la surface de limitation de vissage 3 et un positionnement exact de cette surface par rapport au filetage. On conçoit également que]'on obtient le même résultat sur l'élément mâle dont la surface d'extrémité a simplement été préusinée lorsque l'on visse le mandrin femelle 20 sur l'extrémité de cet élément et que par un couple suffisant on amène le repère 23 du mandrin à une distance prédéterminée au-delà du repère 15 de l'élément mâle. La distance prédéterminée qui correspond au décalage entre le repère du mandrin et celui de l'élément tubulaire est fonction de l'importance du frettage que l'on désire avoir au niveau des filetages sur le joint serré, le frettage étant d'autant plus important que cette distance est grande. On voit que conformément à l'invention on a l'avantage à l'aide d'un moyen simple et efficace d'améliorer les caractéristiques mécaniques du joint et également de positionner d'une manière précise les surfaces de limitation de vissage par rapport aux filetages et ceci malgré les tolérances de fabrication. On a représenté sur la figure 8 les courbes de couples correspondant à la figure 1 dans le cas de joints fabriqués conformément à l'invention. On remarque que les partie linéaires AA' et BB' sont plus grandes que dans le cas de la figure 1 qui correspond à des joints actuellement connus. Cela est dû à l'augmentation des efforts qui peuvent être supportés par les butées de limitation de vissage. De plus, comme conformément à l'invention, les surfaces de limitation de vissage sont positionnées avec beaucoup plus de précisions par rapport aux filetages, les points A et B se trouvent plus rapprochés l'un de l'autre, de sorte que les couples correspondant aux points A et B sont plus voisins l'un de l'autre. Il résulte de tout cela, qu'il est possible de choisir une zone de couples C1,C2 qui est nettement plus importante qu'avec les joints selon l'état de la technique, et ceci, tout en assurant un effort axial sur les butées de limitation de vissage plus important et une meilleure sécurité vis-à-vis des vissages excessifs. - o - 2561747 REVENDICATIONS 1. JToit fileté pour tubes d'acier, destiné notamment à être utilisé dans l'industrie pétrolière, du type comportant un élément femelle (1) muni d'un filetage tronconique (2) interne à l'extrémité duquel se trouve située une butée de limitation de vissage (3), et un élément mâle (10) muni à son extrémité d'un filetage tronconique externe (11). correspondant à celui de l'élément femelle et d'une butée de limitation de vissage (12) dont]la forme correspond à celle de l'élément femelle (1), caractérise par le fait que les butées de l'élément mâle (12) et de l'élément femelle (3) ont chacune été usinée par déformation à froid et écrouissage à l'aide d'un outil (16,20) muni d'un filetage (17,21) susceptible de s'engager dans ou sur les filetages (2,11) de l'élément correspondant. 2. Procédé pour la fabrication du joint selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on procède à un premier usinage de l'élément mâle et de l'élément femelle du joint en procédant à l'usinage de finition des filetages (2,]1) et en conservant seulement à l'état ébauché les surfaces de butée de limitation de vissage (3,12); que l'on engage un calibre fileté mâle (6) sur le filetage (2) de l'élément femelle et un calibre fileté femelle (13) sur le filetage (11) de l'élément mâle, ces deux calibres étant chacun muni d'un repère (8) disposé de telle manière que lorsque ces deux calibres filetés sont vissés à la main l'un dans l'autre les deux repères (8) en question sont situés sur une même génératrice; que l'on reporte sur l'élément femelle du joint le repère (8) du calibre mâle et l'on reporte sur l'élément male le repère du calibre femelle; que l'on engage dans l'élément femelle un mandrin fileté mâle (16) en acier à hautes caractéristiques mécaniques, ce mandrin ayant à son extrémité la forme que doit avoir la butée de limitation de vissage (3) de l'élément femelle et ledit mandrin male (16) étant muni sur sa périphérie d'un repère (19) correspondant au repère (8) du calibre femelle précité lorsque ce dernier est engagé et vissé à la main sur ledit mandrin; qu'à l'aide d'une machine susceptible d'exercer un couple élevé, on entraTne le mandrin fileté mâle (16) en rotation par rapport à l'élément femelle du joint de manière à amener sur une même génératrice le repère (19) du mandrin à une distance prédéterminée au- delà du repère (9) de l'élément femelle en écrouissant la surface constituant la butée de limitation de vissage (3) de l'élément femelle à l'aide de l'extrémité du mandrin mâle; que l'on dévisse la mandrin male (16) de l'élément femelle (1); et que l'on réalise sur l'élément mâle (10) une opération de même nature a l'aide d'un mandrin femelle (20) qui est muni d'un repère (23) correspondant à celui (8) du calibre mâle précité et qui est vissé a force sur l'extrémité - 10 - 2 561747 de l'élément mâle jusqu'à ce que le repère (23) du mandrin (20) soit amené à une distance prédéterminée au-delà du repère de l'élément mâle (15). 3. Outillage pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que cet outillage est constitué par un calibre mâle (6) et un calibre femelle (13), munis de filetages (5,14) susceptibles de s'engager sur les filetages de l'élément femelle et de l'élément mâle du joint, chacun de ces calibres comportant un repère (9, 15) disposé de manière telle que lorsque les deux calibres (6,13) sont vissés manuellement l'un sur l'autre ces deux repères (9,15) se trouvent sur une même génératrice, ledit outillage comportant en outre un mandrin mâle (16) et un mandrin femelle (20) comportant des filetages (17,21) et des surfaces de travail (18,22) correspondant aux filetages (2,11) et aux surfaces de butées de limitation de vissage (3,12) de l'élément male (10) et de l'élément femelle (1), chacun de ces mandrins étant muni d'un repère (19,23) disposé de telle manière que lorsque le mandrin mâle est vissé dans le calibre femelle précité, et lorsque le mandrin femelle est vissé sur le calibre mâle précité, les repères des calibres (9,15) et des mandrins (19,23) se trouvent sur une même génératrice.