Brevet FR2596494A1 — publié le 19871002

La présente invention concerne les disposés tifs de connexion étanche entre deux pièces pouvant être déplacées l'une par rapport à l'autre. notamment par rotation autour d'un axe commun. Ces deux pièces peuvent être. par exemple, deux tuyauteries coaxiales de transfert de fluide à très haute pression. On a décrit dans la demande de brevet FR. 84 11 838 un tel dispositif comportant, entre ces deux pièces ou ces deux tuyauteries. au moins deux ensembles d'étanchéité dont chacun peut prendre au moins deux états, un premier état pour lequel il assure l'étanchéité entre les deux tuyauteries et un deuxième état pour lequel il n'assure pas cette étanchéité, chacun de ces ensembles étant déformable et fonctionnant par intermittence, de telle sorte qu'en permanence au moins l'un de ces ensembles d'étanché.te se trouve dans le premier état. Un tel dispositif est particulièrement adapté à assurer 1 étanchéité entre deux tuyauteries lorsque les mouvements relatifs entre ces deux organes sont lents. sont le plus souvent alternatifs et de faible amplitude. alors que la pression du fluide est trés élevée et que la durée de fonctionnement requise est très longue. En effet, un tel dispositif supprime les mouvements de glissement entre la ou les garnitures d'étanchéité et leurs portées et élimine donc ainsi les risques d'usure résultant de ce glissement. Le but de cette invention est d'apporter à l'agencement décrit dans la demande de brevet précitée un perfectionnement qui en améliore le fonctionnement ainsi que la fiabilité et la durée d'utilisation. A cet effet. l'invention a pour objet un dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'un mécanisme de transmission est disposé entre les deux ensembles d'étanchéité. afin de conjuguer leurs mouvements angulaires. Suivant un mode de réalisation, chaque ensemble d'étanchéité interposé entre les deux tuyauteries comprend un organe intermédiaire relié d'une part, à l'une de ces tuyauteries par l'intermédiaire d'au moins un manchon déformable élastiquement en torsion et, d'autre part, à l'autre tuyauterie par un moyen de connexion temporaire a commande par fluide, des moyens étant prévus pour actionner les moyens de connexion temporaire de façon alternative, avec une certaine période de recouvrement. Dans une telle réalisation. le mécanisme de transmission est interposé entre les deux organes intermédiaires appartenant aux ensembles d'étanchéité respectifs et il est adapté pour les faire tourner d'un même angle et dans des sens opposés. Suivant d'autres caractéristiques - chaque ensemble d'étanchéité comporte deux manchons déformables élastiquement en torsion: - le mécanisme de transmission est du type comprenant deux couronnes a dentures tronconiques en regard, engrenant avec au moins un pignon satellite également à denture tronconique; - les couronnes sont disposées aux extrémités adjacentes des organes intermédiaires et le ou chaque satellite est porté par une pièce solidaire de la première tuyauterie; - le mécanisme de transmission est du type planétaire et comprend un planétaire, une couronne et au moins un jeu de deux pignons satellites portés par un même arbre et engrenant l'un avec le planétaire et l'autre avec la couronne, cet arbre étant monté rotatif dans une pièce solidaire de la première tuyaute rie;; - chaque moyen de connexion temporaire et étanche comprend une membrane déformable, réalisée en un matériau rigide et imperméable aux gaz, cette membrane ayant une forme cylindrique, cannelée; - ladite membrane comporte sur sa périphérie interne une garniture en matériau élastomère; - des cales sont disposées entre la membrane et la paroi adjacente de ladite autre tuyauterie. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement a titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés. sur lesquels - la Fig.1 est une vue en partie en élévation et en partie en coupe longitudinale d'un dispositif suivant l'invention; - la Fig.2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'un détail de la Fig.1; - la Fig.3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la Fig.2; - - la Fig.4 est une vue partielle schématique d'une variante de réalisation du mécanisme de transmission; - la Fig.5 est une vue schématique correspondant à une coupe transversale de la Fig.4; et - la Fig.6 est une demi-vue en coupe longitudinale d'une variante. On a représenté sur la Fig.I, un dispositif de connexion entre deux tronçons de tuyauterie 1.2 d'axe commun X-X. Ces tuyauteries peuvent faire partie d'un dispositif de transfert de fluide, par exemple, entre une installation marine et un navire, tel qu'un pétrolier. notamment lorsque ces deux structures sont reliées entre elles par un bras et sont libres de tourner l'une par rapport à l'autre, La tuyauterie supérieure 2 se termine par une collerette 3 sur laquelle est fixé un premier élément de carter 4, complété par un deuxième élément de carter 5, ces deux éléments de carter délimitant des portées 6.7 de centrage et de support pour la tuyauterie inférieure. Le dispositif d'étanchéité suivant l'invention est disposé dans le volume délimité par la tuyauterie inférieure et les deux éléments de carter qui l entourent. Ce dispositif comprend deux ensembles d'étanchéité 10,101 constitués par des éléments analogues. Un seul de ces ensembles va donc être décrit en détail et les déments de l'autre ensemble seront désignés sur le dessin par les mêmes numéros de référence, affectés de l'indice g. L'ensemble supérieur en considérant la Fig.1 comprend une bague 11 fixée sur la tuyauterie 1 de façon â en être solidaire en rotation et à réaliser une bonne étanchéité vis à vis de cette tuyauterie. Cette bague peut. comme sur la Fig.1 être reliée à la tuyauterie par un anneau de serrage 12 à portée conique ou par tout autre moyen équivalent et être munie de joints d'étanchéité 13. Cette même bague délimite une surface tronconique 14 sur laquelle est adhérisée une extrémité d'un manchon 15 déformable élastiquement en torsion. Ce manchon réalisé en élastomère comporte une armature constituée, dans l'exemple représenté. par des pièces métalliques 16 de forme tronconique. à peu prés pa allèles aux surfaces d'extrémité 17,18 du manchon. Ce dernier est adhérisé à son extrémité opposée 18 sur un organe intermédiaire 20 comportant un fond 21 delimitant une surface tronconique 22 sur laquelle est fixé le manchon en élastomère et une jupe cylindrique 23. La jupe 23 comporte un épaulement radial 25 pouvant venir en appui contre une surface radiale 26 du carter. De même. l'extrémité 25a de la jupe 23a peut venir en appui contre une surface radiale 26a solidaire du carter 5. Entre la périphérie externe de cette jupe et la paroi interne adjacente du carter 4,5 est disposé un moyen 30 de connexion temporaire et étanche qui remplit une double fonction d'étanchéité et d'accouplement temporaire entre l'organe intermédiaire 20 et le carter 4 5. Ce moyen de connexion temporaire et étanche (Fig.2 et 3) comprend une membrane déformable 31 relativement mince, de forme cylindrique et cannelée. Cette membrane est réalisée en un matériau rigide, imperméable aux gaz, par exemple en acier inoxydable de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur. Cette membrane est soudée à ses deux extrémités sur des bagues 32 et 33 elles-mêmes solidaires du carter 4,5. La membrane 31 porte sur sa face interne une garniture 34 en matériau élastomère dont la surface interne est lisse. Le volume 35 délimité entre la membrane métallique 31, les deux bagues d'extrémité 33,34 et la surface adjacente du carter est relié à un dispositif d alimentation en fluide, associé à un dispositif de commande ou d'asservissement et qui permet d exercer une pression sur la membrane métallique ou de relâcher cette pression. Ce dispositif de commande peut être tel que décrit dans la demande de brevet français pre- citée et ne sera donc pas décrit en détail dans ce mémoire. Cette membrane comporte au voisinage de ses deux extrémités des ondulations annulaires 36 dans lesquelles sont reçues des parties 37 de forme correspondante ménagées sur des cales ou entretoises 38 qui sont rendues solidaires, à leurs extrémités, des deux bagues 32,33 et donc du carter et qui sont en appui respectivement sur la paroi externe de la membrane métallique et sur la paroi interne du carter. Un tel agencement est particulièrement avantageux car il assure une étanchéité parfaite entre les chambres 35,35a et le reste du dispositif, la présence des cales 38 réalisant de plus un maintien efficace des membranes métalliques 31.311 et la transmission du couple. A son extrémité libre. la jupe 23 de l'organe 20 est venue de matière avec ou rendue solidaire en rqtation d'une couronne 40 à denture conique qui fait face à une deuxième couronne identique 41 solidaire de l'organe intermédiaire 20 faisant partie du deuxième ensemble d'étanchéité. Cette deuxième couronne 41 est reliée au fond de l'organe intermédiaire 201. comme cela est visible sur la Fig.1. De préférence, la liaison entre les organes 20. 20a et les couronnes 40, 41 est réalisée par crabotage et autorise un certain jeu angulaire. suffisant pour permettre pendant une courte périodde de recouvrement, le serrage simultané des deux dispositifs de connexion temporaire. Entre ces deux couronnes est disposé au moins un pignon satellite 42 monté rotatif autour d'un arbre 43 lui-même solidaire d'une bague 44 fixée sur la tuyauterie inférieure 1. Bien entendu, il est prévu de préférence plusieurs pignons satellites analogues au pignon 42. L'ensemble forme par les deux couronnes 40,41 et ces satellites 42 constitue un mécanisme de transmission pérmettant de conjuguer les mouvements angulaires des organes intermédiaires 20 20a Entre la bague 111 et le fond 5a de l'élé- ment de carter 5, est interposée une plaque 8 munie d une garniture en un matériau anti-friction et qui sert de butée axiale entre les deux tronçons de tuyauterie. Le fonctionnement de ce dispositif est dans l'ensemble analogue à celui de l'agencement décrit dans la demande antérieure FR. 84 11 838. On supposera qu'au début de la séquence de fonctionnement décrite, la chambre 35 est alimentée en fluide sous pression tandis que la chambre 35 se trouve mise à la bache ou à la pression atmosphérique, Dans ces conditions, l'organe intermédiaire 20 est solidaire en rotation du carter 4,5 lui-même lié à la tuyauterie supérieure 2 alors qu'au contraire. l'organe intermédiaire 20a se trouve désolidarisé en rotation du carter 4,5. Si les deux éléments de tuyauterie subissent un déplacement angulaire relatif, le manchon élastique 15 se déforme en torsion et absorbe ce déplacement angulaire. Le mécanisme de transmission intervient alors pour provoquer une rotation de l'organe intermédiaire inférieur 20a par rapport à la tuyauterie in férieure 1, sur une amplitude égale à celle du déplacement relatif de l'organe intermédiaire supérieur 20, mais dans un sens opposé. il en résulte une déformation proportionnelle du manchon 151. dans un sens opposé à la déformation subie par le manchon 15. Lorsque les deux éléments de tuyauterie se sont déplacés l'un par rapport à l'autre sur un angle déterminé, qui peut être par exemple de l'ordre de 15 le dispositif de commande est actionné de telle façon que du fluide sous pression soit envoyé dans la chambre 35 pour provoquer le serrage du dispositif de connexion temporaire entre l'organe intermédiaire 201 et le carter, Sur une amplitude de déplacement angulaire de l'ordre de quelques degrés, les deux dispositifs de connexion temporaires sont alimentés simultanément. puis le dispositif supérieur est lui-même mis à la biche et donc desserré. La situation est alors inversée par rapport à la situation initiale décrite ci-dessui, c'est à dire que c'est l'organe intermédiaire inférieur 20 qui est rendu solidaire du carter, tandis que l'organe intermédiaire supérieur 20 se trouve libre de tourner par rapport à ce même carter. Etant donné l'état de précontrainte dans lequel a été placé le manchon inférieur 151, dans la phase initiale de fonctionnement décrite ci-dessus Si le dâplacement angulaire relatif des deux éléments de tuyauterie se poursuit dans le même sens. ce manchon 159 a une possibilité de déformation angulaire qui se trouve doublée, puisque cette déformation va tout d'abord annuler progressivement l'état de précontrainte dans lequel se trouvait le manchon, puis le déformer au-delà de sa position neutre. Un processus inverse de déformation du manchon supérieur se produit simultanément. sous l'effet du mécanisme de transmission pour annuler dans un premier temps sa déformation précédente. puis le placer dans un état de précontrainte. Cette séquence de fonctionnement se reproduit selon les mouvements relatifs subis par les deux éléments de tuyauterie. Il résulte de ce qui précède. que la présence du mécanisme de transmission entre les deux ensembles d'étanchéité et plus précisément entre les deux organes intermédiaires 20 20a offre comme avantage de supprimer tout rappel élastique brutal exercé par les manchons élastiques, lors du desserrage des moyens de connexion temporaire associés. De plus, la plage de fonctionnement du dispositif, par simple déformation élastique des manchons, se trouve doublée, ce qui diminue considérablement le nombre et la fréquence des interventions du dispositif d'asservissement hydraulique et améliore donc la fiabilité de l'ensemble. Dans la variante de réalisation représentée aux Fig.4 et 5, le mécanisme de transmission à pignons coniques du premier mode de réalisation est remplacé par un mécanisme de transmission de type planétaire. L'un des deux organes intermédiaires, en l'occurence l'organe 20 porte un pignon planétaire 50, tandis que l'autre 20 de ces organes porte une couronne 51 à denture interne, de plus grand diamète que le planétaire. Une bague 52 faisant office de porte-satellite est solidaire de l'élément de tuyauterie inférieur 1 et cette bague porte à rotation au moins un jeu de pignons satellites, constitué par un arbre 53 aux deux extrémités duquel sont disposés des pignons 54,55 en prise respectivement avec le planétaire 50 et la couronne 51. Le nombre de dent de ces pignons satellites est choisi de façon à obtenir des vitesses angulaires identiques pour le planétaire et la couronne (Fig.5). De plus, suivant une autre caractéristique, le ou chaque arbre 53 comporte une partie centrale 56 de section suffisamment faible pour présenter une ca pacité de déformation élastique en torsion. Le fonctionnement de ce second mode de réalisation est tout à fait comparable à celui du premier. De nombreuses autres variantes peuvent bien entendu être envisagées sans sortir pour autant du cadre de cette invention; on n'en citera ici que quelques unes: - les bagues 11, lîl. 44 peuvent être constitubes par des parties venues de matière avec la tuyauterie 1; - elles peuvent être reliées à cette tuyauterie par des cannelures; - les manchons déformables en torsion peuvent être réalisés de façons différentes de ce qui a été représenté; - il en est de même pour les moyens de connexion temporaire entre les organes intermédiaires 20 et le deuxième tronçon de tuyauterie. prolongé par le carter 3,4 C'est ainsi que selon une autre variante (Fig.6). les arbres 143 des satellites 142 sont fixés sur une collerette 144 venue de matière avec la tuyauterie 101.Les deux bagues 111 et 111a sont rendues solidaires de cette même tuyauterie par des cannelures. Par ailleurs, chacune de ces bagues est reliée à l'organe intermédiaire adjacent 120 (120a) par deux manchons 130 (130a) déformables élastiquement en torsion disposés de part et d'autre de ladite bague et dont les extrémités opposées sont rendues solidaires des deux extrémités de l'organe 120 (120a). Les organes 120.120g ont une forme et une disposition légèrement différentes de celles représentees à la Fig.1 : ils comportent un fond (ou une base) 121, 1211 portant les couronnes dentées 140,141 et une jupe 122, 1221 s'étendant à partir de ce fond.A l'ex trémité de la jupe est fixé un disque 123. 1231.Les deux manchons élastiques de chaque ensemble sont fixés à une extrémité directement sur la bague 111 (111a) et â leurs autres extrémités sur des bagues 124 (124a), de section transversale triangulaire. elles-mêmes fi xées sur le fond 121 et sur le disque 123, respectivement Les deux organes intermédiaires sont dont montés tête-bêche. de façon symétrique par rapport à un plan transversal passant par les axes des arbres 143. Des épaulements radiaux 125, 125a assurent l'appui axial contre des portées 126. 126 du carter. Cet agencement offre comme avantage supplémentaire de pouvoir placer les manchons en élastomère en précontrainte de compression d'où résulte une meilleure adhérence de collage entre les parties métalliques et les parties en élastomère ce qui entraine une étanchéité améliorée et une meilleure tenue à la fatigue. REVENDICATIONS 1. Dispositif de connexion étanche entre deux pièces coaxiales telles que des tronçons de tuyauterie (1,2). pouvant subir un déplacement relatif, notamment en rotation autour de leur axe commun, ce dispositif comprenant entre ces deux pièces ou ces deux tuyauteries, au moins deux ensembles d'étanchéité dont chacun peut prendre au moins deux états. un premier état pour lequel il assure l'étanchéité entre les deux tuyauteries et un deuxième état pour lequel il n'assure pas cette étanchéité. chacun de ces ensembles étant déformable et fonctionnant par intermittence, de telle sorte qu'en permanence au moins l'un de ces ensembles d'étanchéité se trouve dans le premier état. et étant caractérisé en ce qu'un mécanisme de transmission 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ensemble d'étanchéité interposé entre les deux tuyauteries (1,2) comprend un organe intermédiaire (20,20a;;120,120a) relié, d'une part, å l'une (1) de ces tuyauteries par l'intermédiaire d'au moins un manchon 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le mécanisme de transmission est du type comprenant deux couronnes (40,41) à dentures tronconiques en regard, engrenant avec au moins un pignon satellite (42) également à denture tronconique. 4. Dispositif suivant les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les couronnes (40.41) sont disposées aux extrémités adjacentes des organes intermédiaires (20,20a) et le ou chaque satellite (42) est porté par une pièce (43,*4) solidaire de la première tuyauterie (1). 5. Dispositif suivant la revendication 3, caratérisé en ce qu'au moins une des couronnes 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2. caractérisé en ce que le mécanisme de transmission est du type planétaire et comprend un planétaire (50). une couronne (51) et au moins un jeu de deux pignons satellites (54,55) portés par un même arbre (54) et engrenant l'un avec le planétaire (50) et l'autre avec la couronne (51), cet arbre étant monté rotatif dans une pièce (52) solidaire de la première tuyauterie (1). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit arbre (54) a une capacité de déformation élastique en torsion. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7. caractérisé en ce que chaque organe intermédiaire (20,20a) comporte un fond (21,21a) sur la face interne duquel est fixée une extrémité d'un manchon (15,15a) élastiquement déformable en torsion, dont l'autre extrémité est fixée sur une pièce (11,îîa) solidaire de la première tuyauterie (1) et une jupe (23.23a), l'un (40:50) des éléments du mécanisme de transmission étant disposé à l'extrémité libre de la jupe (23) de l'un (20) des organes intermédiaires tandis qu'un autre élément (41;51) de ce mécanisme est disposé sur le fond (22) de l'autre organe intermédiaire (20a). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7. caractérisé en ce que chaque organe intermédiaire 121a) sur la face interne duquel est fixée une extrémité d'un premier manchon (130,130a) déformable élas- tiquement en torsion, et une jupe cylindrique (122 122a) à l'extrémité de laquelle est fixée une pièce (123. 123a) sur laquelle est fixée une extrémité d'un deuxième manchon (130,130a) déformable élastiquement en torsion. les autres extrémités de ces manchons étant fixées sur une pièce (111 111a) solidaire en rotation de la première tuyauterie (101). 10. Dispositif suivant la revendication 9. caractérisé en ce que les deux organes intermédiaires (120. 120a) sont disposés tète-bêche et portent sur leurs faces en regard des éléments (140.141) du mécanisme de transmission, 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que chaque manchon 12. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chaque moyen de connexion temporaire et étanche comprend une membrane déformable (31; 31a). réalisée en un matériau rigide et imperméable aux gaz. cette membrane ayant une forme cylindrique, cannelée, 13. Dispositif suivant la revendication 12. caractérisé en ce que ladite membrane comporte sur sa périphérie interne une garniture (34) en matériau élastomère. 14.Dispositif suivant la revendication 12. caractérisé en ce que des cales (38) sont disposées entre la membrane (31) et la paroi interne adjacente de ladite autre tuyauterie 15. Dispositif suivant la revendication 14. caractérisé en ce que la membrane (31) comporte au voisinage de ses extrémités des ondulations annulaires (36) dans lesquelles sont reçues des parties (37) de forme complémentaire ménagées sur les cales (38). 16. Dispositif suivant la revendication 14. caractérisé en ce que la membrane (31) et les cales (38) sont fixées à leurs extrémités sur des bagues (33.34) elles-mêmes fixes par rapport à ladite autre tuyauterie (2-5 > .