Brevet FR2571466A1 — publié le 19860411

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour effectuer le vissage d'un joint fileté pour tubes d'acier utilisable en particulier dans l'industrie pétrolière. On sait que l'on utilise couramment dans l'industrie pétrolière des joints filetés pour tubes qui servent à réunir de manière étanche et amovible des sections de tubes qui sont placées les unes au bout des autres pour réaliser des colonnes. De tels joints comportent des filetages mâles et femelles qui sont le plus généralement coniques (mais qui peuvent être parfois cylindriques), ainsi que des surfaces d'étanchéité qui viennent en contact lors du vissage du joint, et dans la plupart des cas, des butées de limitation de vissage qui ont pour but de faire croître brusquement le couple de vissage de manière à immobiliser les deux éléments du joint dans une position prédéterminée. Dans le cas de joints particulièrement simples et peu coûteux, l'assemblage peut s'effectuer uniquement à l'aide de filetages tronconiques mâles et femelles qui s'engagent l'un dans l'autre sans que des butées de limitation de vissage permettent d'arrêter le serrage du joint à un moment particulier. Selon l'état de la technique, le vissage des joints sur chantiers s'effectue en communiquant à l'un des éléments du joint par rapport à l'autre un couple de vissage qui se situe à l'intérieur d'un domaine prédéterminé par le fabricant du joint. Or, cette manière de faire ne donne pas totalement satisfaction car pour un couple de vissage donné, les conditions de serrage du joint peuvent varier assez largement d'un joint à l'autre. En effet, en raison des tolérances de fabrication, provoquant notamment des différences de diamètres des filetages mâles et femelles, ainsi que des écarts de positionnement des butées de limitation de vissage par rapport aux filetages, le couple qui est nécessaire pour assurer par exemple le frettage des filetages coniques jusqu'à faire venir au contact les surfaces des butées de limitation de vissage, peut varier dans d'importantes proportions, le couple appliqué ensuite pour le serrage des butées de limitation de vissage variant de la même manière mais en sens inverse. De plus, les graisses qui sont utilisées pour le montage des joints ne présentent pas toutes les mêmes caractéristiques, ce qui fait également varier le couple absorbé par le frettage dans les filetages. On comprend dans ces conditions, que des joints réputés identiques et vissés avec le même couple de serrage ne présentent pas les mêmes conditions de fiabilité selon qu'une fraction plus ou moins grande du couple - 2 - total de serrage est absorbée par le frettage des filetages ou par le serrage des butées de limitation de vissage. La présente invention concerne un nouveau procédé et un nouveau dispositif qui permettent d'appliquer sur le joint un couple prédéterminé notamment après la mise en contact des butées de limitation de vissage, ce qui permet de s'assurer que tous les joints ainsi vissés présentent des caractéristiques identiques de montage et d'étanchéité. La présente invention- a pour objet un procédé pour réaliser le vissage d'un joint fileté pour tube d'acier destiné en particulier à l'industrie du pétrole, du type comportant un élément mâle à filetage externe et un élément femelle à filetage interne, ainsi qu'au moins un couple de butées de limitation de vissage situées à l'intérieur de l'élément femelle, caractérisé par le fait qu'avant de procéder au vissage du joint, on applique sur la surface externe de l'élément femelle, à une certaine distance du plan de la butée de limitation de vissage et du c6té dudit plan qui est opposé aux filetages, une jauge de contraintes qui permet de suivre instantanément les déformations longitudinales de la surface externe selon une génératrice de l'élément femelle et que l'on effectue le vissage du joint jusqu'à ce que l'indication fournie par la jauge de contraintes corresponde à une extension d'une valeur prédéterminée de la surface de l'élément femelle selon ladite génératrice au niveau de la jauge. On connait selon l'état de la technique des jauges de contraintes qui mesurent la déformation à la surface d'un métal en étant simplement appliquées par pression contre ladite surface, cette pression suffisant à imposer à la jauge les déformations subies par la surface du métal. Lors de la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus l'on constate tout d'abord, dans le cas d'un filetage tronconique, une légère compression longitudinale du métal à la surface de l'élément femelle jusqu'à ce que la butée de limitation de vissage de l'élément mâle vienne au contact de la butée de limitation de vissage de l'élément femelle. Dès ce moment, la butée de limitation de vissage de l'élément femelle est soumise à un couple de basculement qui tend à augmenter le diamètre de l'élément femelle au-delà du plan de ladite butée en provoquant une extension du métal sur la surface externe le long de la génératrice de l'élément femelle. C'est cette extension que mesure la jauge, sa valeur maximale correspondant au couple de serrage que l'on doit appliquer sur la butée du joint. Conformément à l'invention, dans le cas o l'on utilise des joints ayant un filetage tronconique, il est également avantageux de s'assurer que la déformation longitudinale de compression, qui est mesurée par la jauge de contraintes, n'excède pas une valeur prédéterminée de manière à être certain 3- - 2571?466 qu'il ne s'exerce pas un couple trop important au niveau des filetages avant le contact des butées de limitation de vissage. Dans le cas o l'on applique le procédé à un joint comportant des filetages cylindriques, il ne se produit aucune déformation de la surface de l'élément femelle avant que les butées de limitation de vissage ne viennent au contact, de telle sorte que pendant -toute cette période, la jauge de contraintes ne fournit aucune indication. Par contre, dès que les butées de limitation de vissage viennent en contact il se produit une extension longitudinale progressive de la surface de l'élément femelle qui est visible grâce à la jauge de contraintes. Conformément à ce mode de réalisation de l'invention la jauge de contraintes est placée de préférence à l'endroit de l'élément femelle subissant le maximum d'extension longitudinale, par exemple à 7 mm du plan de la butée de limitation de vissage. Dans une variante, le procédé selon l'invention qui s'applique aux joints ne comportant que des filetages tronconiques sans butée de limitation de vissage, est caractérisé par le fait que l'on place contre la surface externe de l'élément femelle, sensiblement au milieu des filetages mâles et femelles qui coopèrent, une jauge de contraintes qui mesure les déformations transversales selon une direction perpendiculaire à l'axe du joint et que l'on procède au vissage du joint en interrompant le vissage lorsque la jauge de contraintes fait apparaître une extension supérieure à une valeur prédéterminée. Grâce à ce procédé conforme à l'invention, on détermine le couple qui procure une déformation effective de l'élément femelle, c'est-à-dire une interférence donnée entre l'élément mâle et l'élément femelle, en éliminant toutes les variations pouvant provenir du coefficient de frottement de la graisse utilisée. La présente invention a également pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, dispositif caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison des moyens pour appliquer une jauge de contraintes en un endroit déterminé sur la surface externe de l'élément femelle d'un joint dont on procède au vissage, et des moyens permettant d'interrompre le vissage du joint lorsque la jauge de contraintes montre une déformation d'extension de la surface du métal de l'élément femelle qui est au moins égale à une valeur prédéterminée. Dans le cas d'un dispositif destiné au vissage de joints comportant un filetage tronconique et une butée de limitation de vissage, il est avantageux d'adjoindre au dispositif des moyens permettant de s'assurer que la déformation longitudinale de contraction de la surface de l'élément -4- femelle ne dépasse une valeur prédéterminée, avant que les butées de limitation de vissage ne viennent en contact. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention on va en décrire maintenant à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif plusieurs modes de réalisation pris comme exemples et représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un joint comportant des filetages coniques et des butées de limitation de vissage à l'intérieur de l'élément femelle avant que ces dernieres ne viennent en contact, - la figure 2 est une vue en coupe correspondant à la figure 1 au moment o le joint est totalement serré, la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe schématique du dispositif qui applique la jauge de contraintes sur le tube, - la figure 5 est une vue représentant l'évolution théorique des déformations longitudinales de la surface de l'élément femelle du joint selon les figures 1 et 2, - la figure 6 représente les déformations transversales théoriques de l'élément de surface d'un joint à filetages coniques ne comportant pas de butées de limitation de vissage, - la figure 7 représente les déformations théoriques longitudinales de la surface de l'élément femelle d'un joint comportant des filetages cylindriques et des butées internes de limitation de vissage, - la figure 8 représente les courbes réelles du couple et des déformations de la surface externe de l'élément femelle relevées réellement sur un joint du type représenté sur les figures 1 et 2. On voit sur la figure 1, schématiquement représenté en coupe, un joint tubulaire en acier destiné à l'industrie du pétrole qui comporte un élément m9le l et un élément femelle 2. Cet élément femelle 2 peut tre constitué par un manchon qui comporte à son extrémité droite un filetage comme à son extrémité gauche ou encore par l'extrémité surépaissie d'une section de tube. L'élément mâle 1 comporte un filetage tronconique externe 3, alors que l'élément femelle 2 comporte un filetage tronconique interne 4 de forme correspondante. L'élément mâle 1 comporte une butée 5 de limitation de vissage qui vient s'appliquer contre la butée 6 de limitation de vissage de l'élément femelle 2. -5- En raison du fait que l'élément mâle 1 possède au niveau des filetages 3 un diamètre supérieur au diamètre interne des filetages 4 de l'élément femelle 2, au fur et à mesure que l'on visse l'élément mâle 1 dans l'élément femelle 2 (et ceci jusqu'à ce que les surfaces 5 et 6 viennent au contact), il se produit un élargissement du diamètre de l'élément femelle 2 qui est représenté par la courbe en trait interrompu 7 sur la figure 1. Il va de soi que les déformations représentées par la courbe 7 ont été fortement amplifiées de manière à être rendues visibles sur le dessin. On remarque sur la figure 1 que la déformation (c'est-à-dire l'augmentation de diamètre de l'élément femelle) s'étend vers la droite au-delà du plan de la butée 6 de limitation de vissage. Cette déformation en trompette de l'élément femelle se traduit par une contraction longitudinale de la surface externe de l'élément femelle (dans la direction d'une génératrice) et par- une extension transversale de cette même surface externe (dans la direction perpendiculaire aux génératrices). On a représenté sur la figure 2 le joint de la figure 1 après vissage complet du joint, c'est-à-dire après que l'on ait appliqué sur le joint un couple de serrage au-delà du moment o les butées 5 et 6 sont venues en contact l'une de l'autre. On a représenté en trait interrompu sur la figure 2 la courbe 8 des déformations que subit dans cet état la surface externe de l'élément femelle 2. On remarque que dans la partie de la courbe 8 qui se situe à gauche du plan de la butée 6 de limitation de vissage, l'évolution des déformations est sensiblement la meme que sur la figure 1. Par contre, à droite du plan de la butée 6 de limitation de vissage, on constate une déformation 8a en forme de bosse qui est due au fait que l'extrémité de l'élément mâle qui s'appuie sur la butée 6 a tendance à faire basculer l'élément femelle dans le sens de la flèche F. Au niveau de cette bosse 8a de la courbe 8, la surface de l'élément femelle subit une extension longitudinale aussi bien qu'une extension transversale. Conformément à la présente invention on utilise la mesure de ces déformations de la surface de l'élément femelle à l'aide d'une jauge de contraintes qui est appliquée sur la surface de l'élément femelle pour déterminer le moment o le serrage du joint doit être arrêté. On a représenté schématiquement en perspective sur la figure 3 le dispositif qui permet de détecter les déformations superficielles de la surface externe de l'élément femelle. -6 - On retrouve sur la figure 3, l'élément femelle 2 qui est constitué par un manchon et qui comporte des filetages 4 à l'intérieur desquels doit s'engager l'extrémité de l'élément mâle 1. On a également représenté en trait interrompu la butée 6 de limitation de vissage ainsi que la trace 9 du plan de la butée 6 de limitation de vissage sur la surface externe de l'élément femelle 2. La jauge de contraintes est appliquée sur la surface externe de l'élément femelle 2 grâce au dispositif 10 qui est fixé sur l'élément femelle par une sangle 11 schématiquement représentée. On voit que la jauge de contraintes est disposée à une distance D du plan 6,9 de la butée 6 de limitation de vissage du c8té opposé à celui o se trouve le filetage 4 de l'élément femelle. On a schématiquement représenté sur la figure 4 comment la jauge de contraintes 12 est appliquée sur la surface externe de l'élément femelle 2 en étant fixée sur une pièce 13 qui coulisse dans le bloc 10 assujetti sur le tube par la sangle 11 et est constamment repoussée par le ressort de rappel 14. Il est bien entendu que les figures 3 et 4 ne sont que schématiques et que la jauge de contraintes 12 peut être appliquée de différentes manières sur l'élément femelle. En particulier cette jauge de contraintes 12 peut être rendue solidaire du mors qui maintient l'élément femelle lors du vissage de l'élément mâle qui est alors entratné en rotation. On a représenté sur les figures 5 à 7 en abscisse X l'angle de rotation exercé entre l'élément mâle et l'élément femelle et en ordonné Y l'importance des déformations de la surface externe de l'élément femelle lors du vissage. La figure 5 représente l'évolution théorique de ces déformations dans le cas d'un joint à filetages tronconiques au niveau desquels s'exerce un frettage, comportant des butées de limitation de vissage. La jauge de contraintes mesure les déformations longitudinales dans le sens des génératrices. On voit que la courbe 15 des déformations de la surface externe de l'élément femelle comporte une partie I descendante qui correspond à la période pendant laquelle l'élément mâle s'enfonce dans l'élément femelle en provoquant la déformation en trompette de la surface externe de cette dernière, ce qui produit une contraction longitudinale de la surface externe de l'élément femelle, alors que dans la partie II de la courbe 15 qui correspond à la période qui a suivi le contact des butées de limitation de vissage, la bosse 8a de la courbe 8 de la figure 2 se produit progressivement -7- en provoquant une extension longitudinale de la surface externe de l'élément femelle 2. La figure 6 représente la courbe des déformations externes de l'élément femelle dans le cas d'un joint comportant un filetage tronconique sans butées de limitation de vissage. La déformation est mesurée dans une direction transversale perpendiculaire aux génératrices et dans une zone qui se situe sensiblement au milieu de la partie active des filetages. On remarque dans ce cas que la courbe 16 correspond à une extension de la périphérie de l'élément femelle pendant toute la période de vissage. On a représenté sur la figure 7 la courbe des déformations superficielles longitudinales de l'élément femelle dans le cas d'un joint comportant un filetage cylindrique et des butées de limitation de vissage, les déformations étant mesurées à une certaine distance de la butée de limitation de vissage du c6té de celle-ci qui est opposée aux filetages. On remarque que pendant toute la partie du vissage qui amène en contact les butées de limitation de vissage, il ne se produit aucune déformation de la surface de l'élément femelle en raison de l'absence de frettage dans les filetages, alors que dans la partie suivante II de la courbe il se produit une extension longitudinale de la surface de l'élément femelle comme dans le cas de la figure 5. On a représenté sur la figure 8 les déformations de la surface externe de l'élément femelle d'un joint réel en même temps que le couple de serrage. Comme dans le cas des figures 5 à 7, on a représenté en abscisse X la rotation relative de l'élément mâle par rapport à l'élément femelle exprimée en degrés, et en ordonné d'une part le couple de serrage m.kg appliqué, et d'autre part l'importance des déformations longitudinales L mesurées en mm x 6 (micro déformations) dans la direction des génératrices sur la surface externe de l'élément femelle. Cette courbe correspond au vissage d'un joint du commerce qui est un tubing de 3 pouces 1/2, de 9,20 livres par pied et qui est réalisé avec un acier de grade 80 VC13. La jauge de contraintes longitudinale est placée à 7 mm du plan de la butée de limitation de vissage de l'autre côté des filetages. Sur la figure 8 on constate que le couple de vissage est représenté par des croix. Celui-ci augmente légèrement puis de manière un peu plus forte jusqu'à environ 100 m/kg, moment auquel les surfaces d'étanchéité puis les butées de limitation de vissage entrent en contact (angle de rotation de 270 ) pour atteindre la valeur de 425 m.kg. -8 - Pendant toute la période de croissances lente et modérée du couple, la surface externe de l'élément femelle subit une contraction qui correspond à la zone I de la figure 5, puis une extension brusque qui monte en même temps que la couple (zone II de la figure 5). Dans le cas présent, les ondulations de la zone I de compression s'expliquent par les tolérances d'usinage au niveau des filetages. La contraction atteint un minimum de - 120 au moment o les surfaces d'étanchéité puis les butées de limitation de vissage viennent en contact (environ 260 ) pour crottre à un maximum d'extension de + 780. Q0 On voit donc, que conformément à l'invention en arrêtant le vissage du joint à une valeur d'extension de + 780 on s'assure que le couple correct a été appliqué sur le joint à partir du moment o les butées de limitation de- vissage sont venues en contact. De même, en s'assurant que la valeur minimale de la compression est inférieure à une valeur donnée (par exemple - 200) on est certain que le frettage au niveau des filetages n'a pas été excessif. On voit que le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de réaliser de manière simple et économique le contr6le du vissage correct, ce qui est une garantie de bon fonctionnement du joint, c'est-à-dire de sa tenue et de son étanchéité. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui ont été décrits cidessus ne présentent aucun caractère limitatif et pourront recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. 9- REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser le vissage d'un joint fileté pour tubes d'acier, destiné en particulier à l'industrie du pétrole, du type comportant un élément mâle (1) à filetage externe (3) et un élément femelle (2) à filetage interne (4), ainsi qu'au moins un couple de butées (5,6) de limitation de vissage situées à l'intérieur de l'élément femelle (2), caractérisé par le fait qu'avant de procéder au vissage du joint, on applique sur la surface externe de l'élément femelle (2) à une certaine distance (D) du plan (9) de la butée de limitation de vissage et du côté dudit plan qui O10 est opposé aux filetages (3,4), une jauge de contraintes (12) qui permet de suivre instantanément les déformations longitudinales de la surface externe selon une génératrice de l'élément femelle (2), et que l'on effectue le vissage du joint jusqu'à ce que l'indication fournie par la jauge de contraintes (12) corresponde à une extension d'une valeur prédéterminée de la surface de l'élément femelle (2) selon ladite génératrice au niveau de la jauge. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on place la jauge de contraintes (12) à une distance (D) du plan (9) de la butée (6) de limitation de vissage qui correspond au maximum d'extension longitudinale de la surface de l'élément femelle (2). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on place la jauge de contraintes à une distance (D) comprise entre 5 et 20 mm du plan de la butée de limitation de vissage (9). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les filetages male (3) et femelle (4) ont une forme tronconique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lors du vissage et grâce aux indications fournies par la jauge de contraintes (12) , on s'assure que la déformation longitudinale de compression qui se produit avant que les butées (5,6) de limitation de vissage viennent en contact, n'excède pas une valeur prédéterminée. 6. Procédé pour réaliser le vissage d'un joint fileté pour tubes d'acier destiné en particulier à l'industrie du pétrole, comportant un élément mâle (1) à filetage externe (3) et un élément femelle (2) à filetage interne (4) et ne comportant pas de butée de limitation de vissage, caractérisé par le fait qu'avant de procéder au vissage du joint on applique sur la surface externe de l'élément femelle (2), sensiblement au milieu des filetages mâle (3) et femelle (4) qui coopèrent, une jauge de contraintes (12) qui mesure les déformations transversales selon une direction - 10 - perpendiculaire à l'axe du joint et que l'on procède au vissage du joint en interrompant le vissage lorsque la jauge de contraintes (12) fait apparaître une extension supérieure a une valeur prédéterminée. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison des moyens (10,11) pour appliquer une jauge de contraintes (12) en un endroit déterminé de la surface externe de l'élément femelle (2) du joint dont on procède au vissage, et des moyens permettant d'interrompre le vissage du joint lorsque la jauge de contraintes (12) montre une déformation d'extension de la surface du métal de l'élément femelle qui est au moins égale à une valeur prédéterminée. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens permettant de s'assurer que la déformation longitudinale de contraction de la surface de l'élément femelle (2) ne dépasse pas une valeur prédéterminée.