Brevet FR2579712A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne des joints d'étan- chéité polymères utilisés pour séparer deux régions contenant des fluides à des pressions et/ou à des températures différen- tes, et plus particulièrement de tels joints d'étanchéité aptes à résister à des environnements corrosifs tels que ceux que l'on trouve dans les installations de puits géothermiques et de puits de pétrole. Le terme "environnement corrosif" est censé inclure, dans sa définition, des environnements créés par des fluides à haute température, des fluides à haute pression et/ou des fluides corrosifs. Les joints d'étanchéité sont défaillants, c'est-à- dire qu'ils permettent à un fluide de les contourner, pour un certain nombre de raisons. Le polymère, dont est constitué le joint d'étanchéité, peut se détériorer en totalité ou en par- tie avec comme résultat une action chimique ou thermique du fluide, retenu de façon étanchersur le joint d'étanchéité. Ce fluide peut également provoquer un gonflement du matériau du joint d'étanchéité, qui l'affaiblit. En outre le joint d'é- tanchéité peut connaître une défaillance mécanique par le fait qu'il est refoulé par compression à l'intérieur de l'intersti- ce compris entre les deux pièces mécaniques devant être réu- nies de façon étanche. Par exemple un joint torique tend à être défaillant par le fait qu'il roule dans l'interstice, ce qui provoque la déformation dudit joint d'une manière semblable au détachement de l'écorce circulaire d'un arbre en grume à l'ai- de du bord aiguisé d'un couteau. Il est possible de réduire la défaillance due à une action chimique ou thermique et due à un gonflement, grâce à un choix judicieux de l'élastomère utilisé pour réaliser le joint d'étanchéité. On réduit habituellement le risque d'u- ne défaillance mécanique en augmentant la dureté du matériau du joint d'étanchéité, afin d'accroître son module de cisaillement. Cependant il exsite une limite pratique à cette solution étant donné que si l'on choisit un joint d'étanchéité trop dur, il perd l'élasticité nécessaire pour réaliser la fonction d'é- tanchéification. Il est également usuel d'ajouter des fibres courtes de matériaux tels que de l'aramide, de l'amiante de la cellulose et du verre à l'élastomère dont est constitué le joint d'étanchéité, afin d'accroître son module de cisaillement apparent. Cependant cette solution ne semble pas améliorer la résistance des joints d'étanchéité au refoulement. Un but de la présente invention est de fournir un joint d'étanchéité qui permette de résister avec succès aux environnements corrosifs pendant de longs intervalles de temps. Un autre but de la présente invention est de four- nir un joint d'étanchéité qui résiste à une attaque chimique et thermique ainsi qu'à un gonflement et qui présente une ré- sistance mécanique suffisante pour résister à son refoulement dans des interstices, et ce en association avec une élastici- té adéquate pour la mise en oeuvre de sa fonction d'étanchéifi- - cation. Conformément à la présente invention, on fabrique un joint d'étanchéité en enroulant tout d'abord un fil d'a- miante imprégné d'un élastomère de manière à former un noyau de forme annulaire. Ensuite en enroule en hélice un autre fil d'a- miante imprégné d'un élastomère autour du noyau. L'amiante est très résistant aux hautes températures. En outre il possède une résistance élevée à la traction, d'une valeur supérieure à 55,A6 108 Pa, ce qui a pour effet que le fil situé dans la bobine résiste à un allongement du joint d'étanchéité, le fil de l'en- roulement hélicoidal fournissant une résistance élevée au ci- saillement, qui permet de résister au refoulement du joint d'é- tanchéité. Les élastomères utilisés sont extrêmement résistants à une altération due à une attaque chimique ou thermique. Le brevet US n 3 361 432 décrit un joint d'é- tanchéité comportant un noyau formé d'un treillis métallique, un fil d'amiante enroulé sous la forme d'une hélice autour du noyau et unagent d'étanchéification polymérisable placé sur l'enroulement. Un tel joint d'étanchéité ne peut pasrésister à des environnements corrosifs étant donné que le noyau en treil lis métallique se détériore. En outre ce noyau ne résiste pas à un allongement du joint d'étanchéité étant donné que, de par sa nature, il est extensible. En outre les agents d'étan- chéification particuliers décrits ne résistent pas aux envi- ronnements corrosifs pour lesquels un joint d'étanchéité con- forme à la présente invention estapproprié. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prises en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue de face du noyau d'un joint d'étanchéité conforme à la présente invention; la figure 2 est une vue transversale, prise per- pendiculairement au plan du joint d'étanchéité, montrant un enroulement hélicoïdal entourant le noyau et s'étendant sur une partie de la longueur dudit noyau, qui est représenté à un stade intermédiaire au cours de la fabrication du joint d'étanchéité; la figure 3 est une vue en coupe transversale, à plus grande échelle, prise perpendiculairement à la direction circonférentielle du joint d'étanchéité; la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un moule utilisé pour mettre en forme et faire durcir le joint d'étanchéité; la figure 5 est une vue en perspective d'un joint terminé; la figure 6 est une vue en perspective fragmentai- re, partiellement en coupe transversale, d'une autre forme du joint d'étanchéité conforme à l'invention; la figure 7 est une vue en coupe transversale par- tielle d'un joint d'étanchéité conforme à l'invention, formé par l'assemblage de deux pièces ne pouvant pas avoir de dépla- cement réciproque; la figure 8 est une vue en perspective fragmentaire, en coupe partielle, d'un joint d'étanchéité assemblé avec deux pièces déplaçables l'une par rapport à l'autre; et la figure 9 est une vue de face partielle, avec des parties arrachées, d'une autre forme de réalisation du joint d'étanchéité selon l'invention. On réalise un joint d'étanchéité choisi pour il- lustrer la présente invention et représenté sur les figures 1-5, en imprégnant tout d'abord un fil d'amiante à la chryso- tile, avec un élastomère sélectionné. L'imprégnation peut être réalisée par immersion complète du fil ou bien par tirage du fil à travers-un bac contenant l'élastomère, alors que ce dernier est à l'état liquide ou semi-liquide. Le fil peut pos- séder une masse linéique semblable à celle d'un fil de couture ordinaire, bien que l'on puisse utiliser naturellement d'au- tres masses linéiques. On enroule ensuite une certaine longueur du fil d'amiante imprégné, comme par exemple en utilisant un mandrin, de manière à former un noyau en forme d'anneau 15 représenté sur la figure 1. Le fil du noyau 15 est représenté sur les figures 3 et 4 par le chiffre de référence 16a et le matériau élastomère recouvrant la surface du fil est repéré par le chiffre de référence 16b. On enroule ensuite en hélice une autre longueur du fil en amiante 18 imprégné d'un élastomè- re (figure 2) autour du noyau 15, sur toute la longueur de ce dernier. Le fil d'amiante de l'enroulement hélicoïdal est re- présenté sur les figures 3 et 4 par le chiffre de référence 18a et le matériau élastomère recouvrant la surface du fil est repéré par le chiffre de référence 18b. Bien que sur les figures 2-4, on n'ait représenté qu'un seul enroulement hélicoidal 18, on peut utiliser, si on le désire, deux ou un plus grand nombre de tels enroulements hélicoidaux, disposés en superposition les uns sur les autres. Une fois que l'enroulement hélicoidal est réalisé, le noyau 15 comportant l'enroulement hélicoidal 18 possède la forme générale circulaire en coupe transversale re- présentée sur la figure 3. Si c'est la forme désirée dans le joint d'étanchéité final, on immerge le noyau enroulé en héli- ce dans une masse de l'élastomère et l'on fait durcir ce re- vêtement final en élastomère, ainsi que l'élastomère impré- gnant le fil d'amiante, de manière à réaliser le joint d'é- tanchéité terminé. Si l'on désire fabriquer un joint d'é- tanchéité possédant une autre forme en coupe transversale, par exemple en forme de V, alors après l'immersion finale dans l'élastomère, on place le joint d'étanchéité dans un moule 19 (figure 4) de forme appropriée. On fait durcir le revêtement extérieur 20 un élastomère ainsi que l'élas- tomère 16b et 18b moyennant l'application d'une chaleur et d'une pression dans le moule afin de produire un joint d'é- tanchéité 21 comme représenté sur la figure 5. Sur la figure 6 on a représenté un joint d'étan- chéité 24 possédant une autre forme en coupe transversale. Dans ce cas le noyau 25 possède une forme en coupe transver- sale allongée de telle sorte que chaque spire de l'enroulement hélicoïdal 26 possède une forme allongée semblable, ovale de manière générale. Par conséquent des joints d'étanchéité conformes à la présente invention peuvent présenter n'impor- te quelle forme d'une gamme étendue de formes que l'on rencon- tre dans les joints d'étanch6itgs classiques. L'élastomère utilisé pour la fabrication des joints d'étanchéité conforme à l'invention est le copolvmère ou le terpolymère de tétrafluoroéthylènepropylène, qui peut être réalisé selon une composition appropriée pour le rô- le particulier que doit assumer le joint d'étanchéité. Cet élastomère résiste à une dégradation par l'essence,même à des températures aussi élevées que 250 C. Pour des applications moins exigentes dans des puits de pétrole, c'est-à-dire pour des températures allant jusqu'à environ 175 C, on peut utili- ser un copolymère de butadiene-acrylonitrile hydrogéné, de composition appropriée. Pour les applications géothermiques, dans lesquelles la résistance au pétrole n'est pas un facteur, on peut utiliser un copolymère ou un terpolymère d'éthylène- propylène, réalisé avec une composition appropriée. L'ensemble de ces trois élastomères conviennent pour être utilisés dans des environnements dans lesquels du sulfure d'hydrogène est présent. L'élastomère à base de tétra- fluoroéthylène-propylène est préférable étant donné qu'on peut l'utiliser dans tous les environnements, y compris ceux pour lesquels on peut utiliser des élastomères à base d'é- thylène-propylène et des élastomères à base de nitrile-butadi - ne hydrogéné. Le seul inconvénient de l'élastomère préféré est qu'il est plus onéreux que les autres. Le copolymère de tétrafluoroéthylènepropylène diffère d'autres élastomères fluorés étant donné qu'il ne contient pas de monomères de fluorure de vynilidène (1,1-difluoroéthylène) . Ces monomères tendent à perdre leur caractère hydrofluoré en présence de chaleur, de vapeur et d'environnements basiques, en fournissant du fluomre d'hydrogène (HF). Le fluorure d'hydrogène pro- duit altère non seulement le fil d'amiante, mais également a éventuellement une action corrosive sur le métal. On choisit l'amiante en tant que fil fibreux étant donné qu'il est extrêmement résistant à une température élevée. En outre la nature de la surface de l'amiante, en particulier la présence de groupes hydroxyle, crée une interaction unique de "mouillage" entre l'amiante et l'élastomère. Cette inter- action est extrêmement résistante à une attaque par des flui- des corrosifs et par une température élevée. Au contraire d'au- tres fibres telles que l'aramide et le verre ne présentent pas ce phénomène. L'adhérence des élastomères à ces fibres est obtenue par la création d'interfaces fibre /élastomère, qui ne résistent pas bien à des fluides corrosifs et à des fluides à température élevée. Le rapport entre le fil d'amiante et l'élastomère doit être situé dans la gamme allant de 50/50 à environ 95/5, en fonction des propriétés désirées du joint d'étanchéité pour l'application envisagée. Vers l'extrémité de cet- te gamme de valeurs o la proportion d'amiante dépasse de loin celle de l'élastomère, ce dernier joue le rôle d'un liant ou d'un adhésif pour le maintien des différents enroulements à l'état assemblé. La figure 7 représente un joint d'étanchéité 27 conforme à l'invention placé entre deux pièces mécaniques 28 et 29. Ces pièces peuvent être fixées l'une par rapport à l'autre ou bien la pièce 29 peut tourner autour d'un axe ver- tical (sur la figure 7) par rapport à la pièce 28. Cependant on suppose que les pièces ne se déplacent pas l'une par rap- port à l'autre, suivant une direction verticale. La pression du fluide audessous du joint d'étanchéité, qui est indiquée par la flèche F, est supérieure à la pression du fluide au- dessus du joint d'étanchéité. Ces pressions du fluide sont pré- sentes dans les interstices 30 et 31 situés entre les deux pié- ces. La pièce 29 est munie d'une gorge annulaire 32 servant à loger le joint d'étanchéité 27, la gorge et le joint d'é- tanchéité étant dimensionnés de telle sorte que le pourtour extérieur du joint d'étanchéité contacte la surface de la piè- ce 28 située en vis-à-vis de la gorge. Le joint d'étanchéité 27 inclut, comme cela a été décrit ci-dessus, un enroulement 15 constituant un noyau en for- me d'anneau et formé par un fil d'amiante imprégné par un élastomère et autour duquel sont enroulés un ou plusieurs en- roulements hélicoïdaux 18 constitués par un fil d'amiante im- prégné d'un élastomère. Le joint d'étanchéité peut avoir pos- sédé une section transversale initialement en forme de V, com- me représenté sur la figure 5; cependant la pression élevée F agissant sur le joint d'étanchéité a déformé ce dernier en l'amenant sous une forme générale rectangulaire. Le mode se- lon lequel un joint d'étanchéité classique disposé comme re- présenté sur la figure 7 tend à faire l'objet d'une défaillan- ce, réside dans le fait que son pourtour extérieur est refoulé dans l'interstice 31 par la pression F du fluide. Le joint d'étanchéité tend à rouler autour de son axe circonférentiel au fur et à mesure qu'il se déplace en remontant à l'intérieur de l'interstice 31, ce qui aboutit à la rupture finale du joint d'étanchéité. On notera que le joint d'étanchéité 27 selon la présente invention résiste complètement à tout refoulement à l'intérieur de l'espace 31 étant donné que les spires du ou des enroulements hélicoïdaux fournissent au joint d'étanchéité une résistance extrêmement élevée au cisaillement, ce qui est dû à la résistance élevée à la traction du fil d'amiante en- roulé avec une forme hélicoIdale. La figure 8 représente un joint d'étanchéité 35 con- forme à la présente invention, utilisé en tant que segment de piston entre une culasse 31 et un piston 35. Naturellement le piston 37 exécute un mouvement de va-et-vient suivant la direc- tion horizontale sur la figure 8, par rapport à la culasse 36. Par conséquent le joint d'étanchéité 35 doit résister alterna- tivement à une pression présente dans l'interstice 38, lorsque le piston se déplace vers la gauche, et à une pression présente dans l'interstice 39, lorsque le piston se déplace vers la droite. Ici à nouveau le joint d'étanchéité conforme à l'in- vention résiste à tout refoulement dans les interstices 38 et 39, lorsque les pièces sont en fonctionnement. Les figures 2 et 3 représentent chaque spire de l'enroulement hélicoïdal 18 dans un plan essentiellement paral- lèle à un diamètre du noyau 15 qui recoupe cette spire. Le joint d'étanchéité réalisé de cette manière possède un degré élevé de liberté de torsion, tout en résistant à un allonge- ment, en raison de la résistance élevée à la traction du noyau en fil d'amiante. Si l'on désire avoir un joint d'étanchéité possédant une résistance plus grande à la torsion, ce joint d'étanchéité peut être réalisé comme représenté sur la figure 9. On enroule un fil d'amiante 116 imprégné d'un élastomère de manière à former un noyau 115 en forme d'anneau. On place au- tour du noyau 115 un premier enroulement hélicoidal 118 cons- titué par un fil d'amiante imprégné d'un élastomère. Tout comme les spires de l'enroulement 18, chaque spire de cet en- roulement peut être située dans un plan essentiellement pa- rallèle à un diamètre D du noyau 115, et qui intersecte cette spire. Au-dessus de l'enroulement 140 se trouve placé, en su- perposition, un troisième enroulement 141 dont chacune des spi- res se situe dans un plan faisant un angle aigu par rapport à un diamètre D" du noyau 115, qui intersecte cettespire. En outre le plan de chaque spire de l'enroulement 141 est disposé de manière à faire un angle aigu par rapport au plan de chacune des spires de l'enroulement 140, sur lequel se situe l'enroule- ment 141. Un autre enroulement 142, orienté d'une manière sem- blable à l'enroulement 118, peut recouvrir l'enroulement 141. On peut utiliser d'autres variantes du nombre et des orienta- tions des enroulements, chacun des enroulements étant formé par un fil d'amiante imprégné d'un élastomère et s'étendant sur l'ensemble de la longueur du noyau 118. Etant donné que certains des enroulements, par exemple les enroulements 140 et 141, pos- sèdent des spiresqui se croisent, le joint d'étanchéité possè- de une grande résistance à la torsion. Lors d'essais comparatifs, les joints d'étanchéité conformes à la présente invention se sont avérés supérieurs à des joints d'étachéité comparables, connus sous la marque com- merciale Karlez t, (copolymère de tétrafluoroéthylène, et de perfluorovinylméthyléther). A 232 F, ce joint d'étanchéité a en une défaillance dynamique sous une pression de 34,47.106 Pa. A la même température, le joint d'étanchéité conforme à la présente invention a continué à fonctionner de façon satisfai- sante sous une pression de 137.9.106 Pa. Un joint d'étanchéité conforme à la présente invention a également fonctionné de fa- çon satisfaisante à une température de 260 C et sous une pres- sion de 55,16.105 Pa. La présente invention a été représentée et décri- te uniquement dans sa forme de réalisation préférée, et ce à titre d'exemple, et l'on peut lui apporter de nombreuses modi- fications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi on com- prendra que la présente invention n'est aucunement limitée à une forme quelconque de réalisation spécifique. REVENDICATIONS 1. Joint d'étanchéité destiné à être utilisé dans des environnements corrosifs, caractérisé en ce qu'il comporte un noyau de forme annulaire (15), formé par un en- roulement d'un fil d'amiante (16a) imprégné par un matériau élastomère (16b), et un enroulement hélicoïdal (18) entourant ledit noyau et s'étendant sur toute la longueur de ce dernier et constitué par un fil d'amiante imprégné par un matériau élastomère apte à résister à l'environnement corrosif. 2. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un revêtement (16b) constitué en un matériau élastomère apte à résister à l'environnement corrosif et entourant complètement l'enroulement hélicoïdal (18). 3. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau élastomère est un copolymère ou un terpolymère de tétrafluoroéthylène-propylène. 4. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau élastomère est choisi parmi le groupe incluant un copolymère ou un terpolymère d'éthylène- propylène, un copolymère de butadiène-acrylonitrile hydrogéné et un copolymère ou un terpolymère de tétrafluoroéthylène-pro- pylène. 5. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'enroulements hélicoïdaux (118,140,141,142) constituspar un fil d'amiante imprégné d'un élastomère et entourant le noyau (115), les enroulements hélicoïdaux étant disposés en superposition les uns par rapport aux autres. 6. Joint d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque spire de l'enroulement hélicoïdal (118) est située dans un plan essentiellement parallèle à un diamètre (D) du noyau annulaire (115), qui intersecte cette spire. 7. Joint d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque spire d'au moins l'un des en- roulements hélicoïdaux (140,141,142) est située dans un plan faisant un angle aigu par rapport à un diamètre (D') du noyau de forme annulaire (115), qui intersecte cette spire. 8. Joint d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque spire d'au moins deux enroule- ments hélico!daux (140,141,142) est située dans un plan fai- sant un angle aigu par rapport au diamètre (D") du noyau de forme annulaire (115), qui intersecte cette spire, le plan de chaque spire de l'un des enroulements étant disposé de ma- nière à faire un angle aigu par rapport au plan de chacune des spires de l'autre des enroulements, que le premier enrou- lement recouvre. 9. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il possède une forme générale circulaire en coupe transversale. 10. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une forme générale en coupe transversale en V. 11. Joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport du fil d'amiante au matériau élastomère se situe dans la gamme comprise entre 50/50 et /5 en poids.