Brevet FR2606486A1 — publié le 19880513

PERFECTIONNEHENT AUX DISPOSITIFS DE RACCORDEMENT HERHETIQUE A JOINT DEFORMABLE A DOUBLE COURBURE ET PROCEDE DE RACCORDEMENT HERHETIQUE AVEC UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif de raccordement hermétique à joint déformable à double courbure et un procédé de raccordement hermétique avec un tel dispositif. On connaît déjà du brevet français 1540946 un joint métallique à double courbure qui permet de réaliser des raccords, brides ou jonctions métalliques, entre deux portées. De tels raccords sont peu encombrants et assurent en général une excellente étanchéité aux fluides de toutes natures, notamment aux gaz sous des conditions extrêmes d'utilisation (très fortes ou très faibles pressions ou températures, vibrations, flexions...). Jusqu'à présent, on utilisait ces raccords connus avec des forces de serrage des portées l'une vers l'autre très importantes, de façon à obtenir un fluage du joint qui était supposé assurer l'étanchéité aux fluides de toutes natures, notamment aux gaz du raccord. Ces raccords connus présentent toutefois certains inconvénients. En particulier, on a constaté que ces raccords connus supportent mal les chocs thermiques brusques et plus précisément les dilatations différentielles, ainsi que les déformations en flexion, compression ou traction, phénomènes relativement fréquents dans les conditions d'utilisation de ces joints. On a remarqué également que ces raccords connus ne peuvent quasiment pas se déformer de façon élastique. De plus, le besoin s'est fait sentir de réaliser des dispositifs de raccordement encore plus performants que ceux de l'état de la technique en ce qui concerne leur herméticité, leurs conditions 2606486 2 d'utilisation, et leur prix de revient. On a ainsi désiré réaliser des raccords étanches aux fluides de toutes natures, notamment aux gaz sous des pressions de l'ordre de 10 10 Torr (1,33.10-8 Pa) ou supérieures, ou au contraire de l'ordre de 3000 bars (3.10 Pa) ou supérieures, et/ou soumis à des températures de l'ordre de -250'C ou inférieures, ou de l'ordre de 1200'C ou supérieures. L'invention vise à remédier aux inconvénients cités en augmentant les performances des raccords connus et a pour objet un dispositif de raccordement hermétique à très hautes performances susceptible de résister aux chocs thermiques, notamment aux dilatations différentielles, aux déformations en flexion et/ou compression et/ou traction, et qui présente une meilleure élasticité que les raccords connus. Un autre objet de l'invention est de diminuer simultanément le prix de revient d'un tel raccord. Pour ce faire, l'invention propose un dispositif de raccordement hermétique comportant d'une part, un joint déformable, à double courbure, et d'autre part, deux portées, le joint étant intercalé entre les deux portées sollicitées l'une vers l'autre selon un axe de serrage et qui définissent sur une partie seulement de leur épaisseur deux surfaces parallèles inclinées par rapport à l'axe, caractérisé en ce qu'à l'état normalement serré, les caractéristiques géométriques des portées et du joint sont telles que le contact du joint avec les deux portées se fait d'une part avec chaque surface inclinée respectivement par une ligne de contact et d'autre part par chaque chant extrême du joint qui vient en appui respectivement contre une autre surface de la portée mâle respectivement femelle. La mise en contact des chants extrêmes du joint avec les surfaces des portées a lieu simultanément à la mise en contact du joint avec les surfaces inclinées lors du rapprochement des deux portées l'une vers l'autre. Les chants extrêmes du joint sont sensiblement plans et parallèles entre eux et les surfaces de portée avec lesquelles ils coopèrent sont sensiblement planes perpendiculaires à l'axe de serrage. A l'état normalement serré, 26J6486 3 les contraintes dans le joint sont inférieures à la limite d'élasticité du matériau constitutif du joint, qui conserve sa forme générale à double courbure. Le dispositif comporte avantageusement des moyens de contrôle de la force de serrage des deux portées l'une vers l'autre. L'invention concerne également un procédé de raccordement hermétique par un dispositif selon l'invention, du type dans lequel on intercale un joint entre les deux portées puis on sollicite les deux portées l'une vers l'autre par serrage, caractérisé en ce que la force de serrage des deux portées l'une vers l'autre avec le joint intercalé est contrôlée de façon que les contraintes qu'elle induit dans le joint restent inférieures à la limite d'élasticité du matériau constitutif du joint qui conserve sa forme générale à double courbure. Il a été constaté avec surprise et contrairement à ce qui résulte de l'art antérieur que le fait de contrôler l'effort de serrage, notamment limiter cet effort pour serrer moins fortement le joint que dans l'art antérieur, a pour effet d'augmenter notablement les performances d'étanchéité du dispositif. Il s'avère de plus que le dispositif selon l'invention est non seulement plus performant, mais procure des avantages intéressants, à savoir qu'il supporte beaucoup mieux les chocs thermiques et dilatations différentielles, les déformations en flexion et/ou compression et/ou traction et qu'il possède une bonne élasticité. De plus la géométrie du joint et des portées est plus simple que celle des raccords de l'art antérieur, ce qui diminue notablement les coûts de fabrication du dispositif selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un de ses modes de réalisation préférentiel se référant aux figures annexées dans lesquelles: - La figure 1 est une demi-coupe schématique par un plan contenant l'axe de serrage d'un dispositif selon l'invention. - La figure 2 est une demi-coupe schématique transversale par un plan contenant l'axe de serrage d'un joint d'un dispositif selon 2606486 4 l'invention. - La figure 3 est une coupe schématique partielle transversale illustrant les efforts qui s'exercent sur le joint lors du serrage d'un dispositif selon l'invention. L'invention concerne un dispositif de raccordement hermétique de deux portées 1, 2 par l'intermédiaire d'un joint 3 déformable à double courbure. Un dispositif selon l'invention comporte le joint 3 et les deux portées 1,2. Les deux portées 1, 2 sont formées de surfaces libres 4, 5, 6, 7 de deux pièces entre lesquelles on veut réaliser un raccordement hermétique, c'est-à-dire au moins étanche aux fluides de toutes natures, notamment aux gaz. Les termes "double courbure" sont employés ici dans le sens général bien connu de l'homme du métier pour des joints d'étanchéité, et tel que décrit dans le brevet.français N' 1540946. Un joint 3 à double courbure a une section droite qui comporte un point d'inflexion I et deux branches 13, 14 symétriques par rapport à ce point d'inflexion I. Le joint 3 est intercalé entre les deux portées 1, 2 qui sont sollicitées l'une vers l'autre par serrage dans la direction d'un axe 8 appelé axe 8 de serrage. Chaque portée 1, 2 définit sur une partie seulement de son épaisseur (perpendiculairement à l'axe 8 de serrage), une surface inclinée 4, 5 par rapport à l'axe 8 de serrage, les deux surfaces inclinées 4, 5 étant parallèles entre elles. On peut ainsi généralement définir une portée mâle 1 et une portée femelle 2 de façon classique, la portée mâle 1 faisant sailliE axialement, tandis que la portée femelle 2 forme axialement un évidement complémentaire. Ces termes mâle" et femelle" sont employés pour distinguer les deux portées 1, 2 l'une de l'autre, même si dans la pratique et pour certains modes de réalisation particuliers, les portées sont similaires (pièces rectilignes). Dans un procédé selon l'invention de raccordement hermétique, la force de serrage des deux portées 1, 2 l'une vers l'autre avec le 2606486 5 joint 3 intercalé est contrôlée, notamment limitée, de façon quc les contraintes qu'elle induit dans le joint 3 restent inférieures à la limite d'élasticité du matériau constitutif du joint 3 qui conserve sa forme générale à double courbure. Les relations entre les caractéristiques essentielles des portées 1, 2 et du joint 3 d'un dispositif selon l'invention, à savoir l'inclinaison des surfaces 4, 5 et les courbures et l'épaisseur du joint 3 sont connues du brevet français 1540966 et ne seront pas décrites plus en détail. Dans un dispositif selon l'invention, l'ensemble des caractéristiques géométriques des portées 1, 2 et du joint 3 est tel que le contact du joint 3 avec les deux portées 1, 2 se fait d'une part avec chaque surface inclinée 4, 5 respectivement par une ligne de contact 9, 10, et d'autre part par chaque chant extrême 11, 12 du joint 3 qui vient en appui respectivement contre une autre surface 6, 7 de la portée mâle 1 respectivement femelle 2. De plus, ces caractéristiques géométriques sont telles que la mise en contact des chants extrêmes 11, 12 du joint 3 avec les surfaces 6, 7 des portées 1, 2 a lieu simultanément à la mise en contact du joint 3 avec les surfaces inclinées 4, 5, lors du rapprochement des deux portées 1, 2 l'une vers l'autre. Avantageusement, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de Cl'1l la force de serrage des deux portées 1, 2 l'une vers l'autre avec le joint 3 intercalé. Chaque surface 6, 7 coopérant avec un chant extrême 11, 12 du joint 3 forme un angle e aigu avec la surface inclinée 5, 4 coopérant avec 'a branche 13, 14 du joint 3 comportant ce chant 11, 12. De préférence, les chants extrêmes 11, 12 du joint 3 sont sensiblement plans parallèles entre eux et les surfaces 6, 7 de portée avec lesquelles ils coopèrent sont sensiblement planes perpr.idiculaires à l'axe 8 de serrage. De la sorte, les chants 11, 12 du joint sont également sensiblement perpendiculaires à l'axe 8 de serrage lorsque le dispositif est à l'état normalement 2606486 6 serré. De plus, les chants extrêmes 11, 12 du joint 3 sont au moins sensiblement perpendiculaires à la direction tangente T au joint 3 au voisinage de ces chants 11, 12. Ces caractéristiques de l'invention ont essentiellement pour résultat que le joint 3 -est contraint dans le domaine élastique en flexion et flambage, sans fluage. La surface 6 de la portée mâle 1 coopérant avec un chant extrême 11 du joint 3 définit une arête concave 15 d'intersection avec la surface tronconique mâle 4, la surface 7 de la portée femelle 2 coopérant avec l'autre chant extrême 12 du joint 3 définissant une arête concave 16 d'intersection avec la surface tronconique femelle 5. Un dispositif de raccordement selon l'invention est souvent utilisé pour des pièces cylindriques creuses, telles que des tuyaux, et le plus souvent à section droite sensiblement circulaire. Il est clair cependant que l'on peut adapter un tel dispositif à d'autres formes de pièces (rectilignes, polyè- driques,...). Les formes données aux portées 1, 2 et au joint 3 seront adaptées en conséquence. Dans le cas de tuyaux (voir brevet français 1 540 946), décrit plus précisément par la suite, les portées 1, 2 et le joint 3 présentent une symétrie, notamment de révolution, par rapport à l'axe 8 de serrage. Les surfaces inclinées 4, 5 sont tronconiques, les surfaces 6, 7 coopérant avec les chants extrêmes 11, 12 sont au moins sensiblement annulaires radiales, les lignes de contact 9, 10 du joint 3 avec les surfaces tronconiques 4, 5 sont fermées, notamment au moins sensiblement circulaires. La surface inclinée 4 de la portée mâle 1 est inclinée de sorte que la saillie a son épaisseur qui diminue dans le sens de la portée mâle 1 vers la portée femelle 2, la surface inclinée 5 de la portée femell' 2 étant inclinée de sorte que l'évidement complémentaire va en s'évasant dans le sens de la portée femelle 2 vers la portée mâle 1, et le joint 3 est en contact avec une portée 1, 2 d'une part par un chant extrême 11, 12 d'une branche 13, 14 et d'aut.e part par l'autre branche 14, 13 le long d'une 2606486 7 ligne de contact 10, 9 contre une surface inclinée 5, 4. On va maintenant décrire le mode de réalisation représenté en supposant de façon non limitative que le dispositif est cylindrique de révolution autour de l'axe 8. Comme déjà dit, le joint 3 a une section droite en forme de "S", et comporte deux branches 13, 14 de rayons de courbure égaux R. Les deux chants extrêmes 11, 12 sont distants d'une hauteur H qui est la hauteur du joint 3, caractéristique du dispositif de raccordement. Les deux branches 13, 14 se rejoignent tangentiellement pour former inflexion en I à mi-hauteur. Le joint 3 est symétrique par rapport au cercle passant par I, centré sur l'axe 8 et de diamètre dm. Les deux cercles 17, 18 les plus extrêmes du joint 3 définissent l'angle a d'inclinaison du joint 3 qui est caractéristique du dispositif de raccordement. Le déport b, distance entre les cercles médians 19, 20 des chants 11, 12, ainsi que l'épaisseur e du joint 3 sont également des caractéristiques du dispositif de raccordement. On peut voir cependant que le déport ô s'exprime par: 6 = H.tga- e Selon l'invention, le rapport H est de préférence compris entre e 4 et 18, notamment de l'ordre de 8,8. Des essais réalisés ont fait apparaître un optimum pour 8,84. L'angle "' joignant deux cercles 17, 22 ou 21, 18 des chants 11, 12 situés du même côté s'exprime par a' = arctg ô H Le rayon de courbure R s'exprime donc par R = H e R= H e 2 sin2a' 2 2 sin 2 arctg 2 H Le cercle de contact 9, 10 d'une branche 13, 14 avec une surface inclinée tronconique 4, 5 est située à: 2606486 8 H e h' = sina( + 2 sin 2 arctg 6 2 H du chant extrême 11,12 de cette branche 13,14. Chaque portée 1, 2 est constituée de la surface tronconique 4, 5 de contact avec un cercle 9, 10 du joint 3, de la surface radiale sensiblement plane 6, 7 de contact avec un chant 11, 12 du joint 3, et d'une surface libre 21, 22 parallèle à la surface radiale de contact 6, 7, sensiblement plane, située à une distance h de la surface radiale de contact 6, 7, qui est la hauteur caractéristique de la portée 1, 2. Les deux surfaces radiales de contact 6, 7 et libre 21, 22 d'une portée 1, 2 délimitent la surface tronconique 4, 5. Les deux portées 1, 2 ont même hauteur h. Cette hauteur h est inférieure à la hauteur H du joint 3 afin d'éviter un contact entre les surfaces radiales en regard 6, 22 et 7, 21 de deux portées 1, 2 distinctes. Le rapport H est compris avantageuse- ment entre 1,2 et 1,4, notamment de l'ordre de 1,271. De la sorte, le grand diamètre de la surface tronconique mâle 4 a pour valeur dm + 6 - e, et le petit diamètre de la surface tronconique femelle a pour valeur dm - 6 + e. Le petit diamètre de la surface tronconique mâle 4 est inférieur au diamètre d, du cercle de contact 9 avec cette surface 4, et le grand diamètre de la surface tronconique femelle 5 est supérieur au diamètre d2 du cercle de contact 10 avec cette surface 5. On a: d = dm - 2 [ 6 - e + R cos a + e cos a - R] et: d2 = dm+ 2 [ 6 - e + R cos a + e cos a - R] L'effort W axial (figure 3) à appliquer sur le joint 3 pour 2606486 9 obtenir son serrage induit une réaction Rj sur les cercles de contact 9, 10. La résultante Ra de ces forces est: Ra = WTI 1 4 tg2 Les contraintes théoriques imposées au joint 3 sont données par les formules suivantes, qui permettent de contrôler l'effort W de serrage pour éviter le fluage du joint 3: compression axiale: Oja = W wI. dm. H. tga cisaillement radial: tjr = W 2n. dm. H. tg a W cos a compression moyenne due à Ra:. jRa = 4tc n dm H moment de flexion maximum: i Fj - W. ô L'effort W de serrage du joint 3 pourra ainsi être calculé et vérifié en pratique par la connaissance des propriétés du matériau constitutif du joint 3. On pourra alors régler les moyens de contrôle du serrage en conséquence. Ces moyens de contrôle sont connus en soi et pourront être adaptés en fonction des besoins (cliquet, butée en fin de pas de vis...). On peut aussi prévoir de serrer le dispositif par des outils spéciaux tels que clés dynamométriques outils de contrôle par ultrason, outils de serrage hydraulique ou autres, et éviter d'adapter des moyens de contrôle intégrés au dispositif. Les moyens de sollicitation axiale représentés à titre d'exemple sont constitués d'une tige filetée 23 et de boulons 24, 25. Les essais effectués montrent que l'étanchéité obtenue est quasi parfaite et meilleure que celle classiquement obenue par l'art antérieur, et ce à un niveau de prix de revi-nt équivalent ou 2606486 10 inférieur. Le taux de fuite mesuré au spectromètre de masse est inférieur dans la majorité des cas à 10 10 atm-. cm3/s (10- l Pa. m3/s). L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes évidentes à l'homme du métier. 2606486 11 REVENDICATIONS 1) Dispositif de raccordement hermétique comportant d'une part un joint (3) déformable, à double courbure, et d'autre part, deux portées (1,2), le joint (3) étant intercalé entre les deux portées (1, 2) sollicitées l'une vers l'autre selon un axe (8) de serrage et qui définissent sur une partie seulement de leur épaisseur deux surfaces parallèles inclinées (4, 5) par rapport à l'axe (8), caractérisé en ce qu'à l'état normalement serré, les caractéristiques géométriques des portées (1, 2) et du joint (3) sont telles que le contact du joint (3) avec les deux portées (1, 2) se fait d'une part avec chaque surface inclinée (4, 5) respectivement par une ligne de contact (9, 10) et d'autre part par chaque chant extrême (11, 12) du joint (3) qui vient en appui respectivement contre une autre surface (6, 7) de la portée mâle (1) respectivement femelle (2). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques des portées (1, 2) et du joint (3) sont telles que la mise en contact des chants extrêmes (11, 12) du joint (3) avec les surfaces (6, 7) des portées (1, 2) a lieu simultanément à la mise en contact du joint (3) avec les surfaces inclinées (4, 5), lors du rapprochement des deux portées (1, 2) l'une vers l'autre. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de contrôle de la force de serage des deux portées (1, 2) l'une vers l'autre avec le joint (3) intercalé. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les chants extrêmes (11, 12) du joint (3) sont sensiblement plans parallèles entre eux, et en ce que les deux surfaces (6, 7) de portée avec lesquelles ils coopèrent sont sensiblement planes et perpendiculaires à l'axe (8) de serrage. 2606486 12 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les chants extrêmes (11, 12) du joint (3) sont au moins sensiblement perpendiculaires à la direction tangente (T) du joint (3) au voisinage de ces chants (11, 12). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque surface (6, 7) coopérant avec un chant extrême (11, 12) du joint (3) forme un angle e aigu avec la surface inclinée (5, 4) coopérant avec la branche (13, 14) du joint (3) comportant ce chant (11, 12). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les portées (1, 2) et le joint (3) présentent une symétrie, notamment de révolution, par rapport à l'axe (8) de serrage, les surfaces inclinées (4, 5) étant tronconiques, les surfaces (6, 7) coopérant avec les chants extrêmes (11, 12) étant au moins sensiblement annulaires radiales. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface (6) de la portée mâle (1) coopérant avec un chant extrême (11) du joint (3) définit une arête concave (15) d'intersection avec la surface tronconique mâle (4), la surface (7) de la portée femelle (2) coopérant avec l'autre chant extrême (12) du joint (3) définissant une arête concave (16) d'intersection avec la surface tronconique femelle (5). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface inclinée (4) de la portée mâle (1) est inclinée de sorte que la saillie a son épaisseur qui diminue dans le sens de la portée mâle (1) vers la portée femelle (2), la surface inclinée (5) de la portée femelle (2) étant inclinée de sorte que l'évidement complémentaire va en s'évasant dans le sens de la portée femelle (2) vers la portée mâle (1), et en ce que le joint (3) est en contact avec une portée (1, 2) d'une part par un chant extrême (11, 12) d'une branche (13, 14) et d'autre part par l'autre branche (14, 13) le long d'une ligne 2606486 13 de contact (10, 9) contre une surface inclinée (5, 4). ) Procédé de raccordement hermétique avecun dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, du type dans lequel on intercale un joint (3) entre les deux portées (1, 2) puis on sollicite les deux portées (1, 2) l'une vers l'autre par serrage, caractérisé en ce que la force de serrage des deux portées (1, 2) l'une vers l'autre avec le joint (3) intercalé est contrôlée de façon que les contraintes qu'elle induit dans le joint (3) restent inférieures à la limite d'élasticité du matériau constitutif du joint (3) qui conserve sa forme générale à double courbure.