Brevet FR2604768A1 — publié le 19880408

- 1 - La présente invention concerne un perfectionnement aux raccords pour arbres rigides ou flexibles, tels des tubes ou des câbLes, comportant une armature de renfort résistant au moins aux efforts de traction, ladite armature étant constituée de fils libres de se déplacer entre eux sur la partie de l'arbre extérieure au raccord, ainsi qu'une méthode pour la réalisation de tels raccords. L'invention est particulièrement bien adaptée aux arbres soumis à de hautes pressions internes et à la fatigue due notamment aux variations différentielles de pression, de traction ou de flexion. Elle s'applique à toutes les sortes de matériaux de fils d'armature tels métal, Kevlar, polyamide, fibres de verre ou de carbone imprégnées de matière plastique stabilisable, disposés en nappes de fils parallèLes ou en tresses. Par matière plastique stabilisable, on entend les corps pouvant prendre une forme stable par un processus physique ou chimique tel que fusion avec refroidissement ou réticulation. Ces matériaux peuvent être, par exemple, des matériaux thermoplastiques, des matériaux thermodurcissables, des élastomères, ou des métaux. -2- Le transfert des efforts d'un tronçon d'arbre comprenant des armatures libres au tronçon suivant ou à un point d'ancrage est réalisé au moyen de raccords. Il existe de nombreux types de raccords. Certains raccords sont dits "tréfilés", d'autres sont dits "à coins", d'autres enfin sont dits "culottés". Les raccords tréfilés utilisent, au moins pour l'armature de traction, l'encastrement des fils de cette armature dans un bloc de matière malléable, ce bloc est formé et auto-encastré dans la forme interne conique du raccord par l'opération dite de tréfilage. Les raccords à coins réalisent l'ancrage d'au moins l'armature de traction par coincement de ses fils entre des mors durs qui s'interpénètrent. Les raccords culottés assurent l'ancrage d'au moins l'armature de traction par coincement dans une-forme conique interne du raccord d'un culot noyant l'extrémité des fils d'armatures, celui-ci peut être obtenu par coulage, par injection, ou par tout autre moyen d'imprégnation des fils. La compression triaxiale du culot dans la forme conique permet le maintien des fils. Les produits utilisés pour le culottage sont des matériaux liquides au façonnage, solides et résistants à la déformation lors de l'utilisation, tels des métaux ou des résines thermodurcissables. Que les arbres soient rigides ou flexibles, des câbles ou des tubes, les performances de ces raccords sont rarement égales à l'unité. C'est-à-dire que le câble ou le tube casse au ras du raccord ou même à l'intérieur de celui-ci, pour des efforts qui atteignent rarement la valeur calculée d'après la résistance propre des brins. En règle générale, le tube casse au niveau du raccord pour des efforts qui sont rarement supérieurs aux deux tiers de la valeur calculée indiquée précédemment. -3Ainsi, c'est seulement après une longue durée de vie en service statique que des câbles souples ou des tubes flexibles cassent en longueur courante, surtout s'ils sont essayés fléchis. La longueur courante d'un arbre correspond à la zone de l'arbre insensible à l'influence des raccords qu'il porte à ses extrémités. Pour un arbre de diamètre D, la longueur courante débute et finit à environ 2 à 3D du ras de chacun des raccords. Dans certains cas, cependant, en utilisant des raccords culottés à la résine dans des cônes convenablement dimensionnés, le rendement est égal à l'unité et la rupture est obtenue en longueur courante. Il est malgré tout rare que ce comportement favorable soit maintenu lorsque l'arbre flexible ainsi constitué subit une fatigue de flexion alternée ou de pression pulsée, cette fatigue se traduisant par une rupture au ras des raccords, lorsqu'elle n'a pas été préalablement induite en longueur courante par des phénomènes de corrosion, d'usure ou de grippage. Les raccords culottés notamment à la résine, ne détériorent pas les extrémités des fils de l'armature et permettent une utilisation des arbres plus sévère en traction. Cependant, le phénomène d'affaiblissement en dynamique de la performance des raccords culottés oblige à notablement diminuer la charge exercée sur ces raccords et, par suite, les autres types de raccords lui sont souvent préférés, bien que ne présentant pas le même rendement à la mise e0 service, car leur rendement est ensuite maintenu au long de la durée de vie du matériel. La résistance initiale, plus faible, est ainsi maintenue intacte plus longtemps. Le dispositif et le procédé de mise en oeuvre selon l'invention, permettent de conserver pendant des durées égales à la durée de vie de l'arbre flexible ou rigide, un rendement égal à l'unité pour des raccords culottés à la résine, et d'améliorer le rendement des -4- raccords tréfilés et des raccords à coins, tout en maintenant leur durée de vie utile. Le dispositif et le procédé selon l'invention consistent à interposer entre l'ancrage principal et le milieu ambiant (air, eau ou huile en règle générale), un matelas éLastomèrique dont la longueur et la raideur sont adaptées à la raideur propre des armures, de façon à permettre une adaptation régulière des rayons de courbure des fils sous l'effet des contraintes, et à supprimer l'effet d'encastrement, particulièrement sensible à la sortie de la résine d'ancrage, des coins, ou du bloc tréfilé. De nombreux essais ont montré que, pour être totalement efficace, la longueur du matelas élastomèrique (mesurée dans le sens de l'axe de l'arbre flexible), doit être égale à au moins trois fois le rayon de giration des armures, soit environ dix fois l'épaisseur de l'armure pour une armure à base rectangulaire. Les arbres renforcés pleins ou creux, rigides ou flexibles, comportent une ou plusieurs armatures, chacune d'elles étant proportionnée pour résister entre autre aux efforts de pression et/ou de traction. Chacune de ces armatures est composée d'une ou plusieurs couches de fils appelées chacune armure. Le rayon de giration est la racine carrée du quotient du moment d'inertie d'une section droite d'un corps solide, par rapport à son centre de gravité, par l'aire de la section. Sans aucun inconvénient, cette longueur peut être augmentée, dans la mesure o cette augmentation n'entraîne pas de conséquences graves sur la longueur des raccords. L'invention fournit un raccord pour un arbre comportant au moins une armature de renfort constituée de fils libres résistant au moins aux -5efforts de traction, une des extrémités de l'armature étant solidarisée au raccord par des moyens d'ancrage. Ce raccord est notamment caractérisé en ce qu'il comporte un matelas élastomérique traversé par les fils de l'armature, le matelas étant situé à proximité immédiate des moyens d'ancrage. Le matelas éLastomérique pourra avoir un module d'élasticité longitudinal (module de Young) compris entre 2 MPa et 200 MPa. Les moyens d'ancrage pourront comporter un noyau solidaire des fils, le noyau coopérant avec un capot solidaire du raccord pour réaliser l'ancrage de l'arbre au raccord. L'arbre pourra être un tube flexible. Le tube pourra comporter une armature de renfort résistant à la pression, qui sera séparée de l'armature de traction sur au moins la longueur comprise entre le matelas élastomérique et L'extrémité d'une des armatures par une voûte, et le matelas pourra être situé entre la voûte et le capot. L'armature de traction pourra être constituée d'une tresse. Le noyau et le matelas éLastomérique pourront ne constituer qu'une seule pièce. L'invention fournit également un procédé de fabrication, d'un raccord pour arbre comportant une armature de renfort constituée de fils libres et résistante au moins aux efforts de traction, le raccord comportant des moyens d'ancrage des fils. Ce procédé est notamment caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on introduit dans l'armature de traction, au ras des moyens 6 - d'ancrage, une masse d'élastomère cru éventuellement mélangée à ses agents de vulcanisation, - on réalise l'ancrage des fils de l'armature, et - on produit la vulcanisation de la masse d'élastomère. On pourra procéder à l'introduction de la masse d'élastomère dans l'armature de traction en réalisant les étapes successives suivantes: - on place au-dessous et/ou au-dessus de l'armature de traction un cordon d'éLastomère cru, et - on réalise, sur ce ou ces cordons, une pression suffisante pour permettre le fluage de l'élastomère à travers les fils de l'armature. On pourra introduire la masse d'élastomère cru dans l'armature par injection. Le procédé, appliqué à un raccord o l'ancrage des fils est effectué par culottage dans un noyau de forme extérieure sensiblement tronconique, le noyau coopérant avec une forme intérieure conique du raccord pour réaliser L'ancrage des fils, pourra comporter les étapes suivantes: - on commence par introduire la masse d'élastomère cru dans l'armature, de manière à ce que la masse coopérant avec la forme intérieure délimite une cavité d'implantation du noyau, - on réalise une introduction dans la cavité d'une matière devant composer le noyau, et on produit la vulcanisation de la masse d'élastomère, -7- l'ordre de ces deux dernières étapes peut être inversé. On pourra réaliser simultanément une réticulation de la matière du noyau et une vulcanisation de la masse éLastomérique. La description qui va suivre et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra à l'homme du métier de mieux comprendre comment la présente invention peut être mise en oeuvre. Elle est illustrée par les figures annexées o: - la figure 1 représente une demi coupe axiale d'un exemple d'utilisation d'un matelas élastomèrique selon l'invention appliqué à un raccord culotté. - la figure 2 illustre une première étape de réalisation du matelas élastomérique du raccord représenté à la figure 1, et - la figure 3 montre une deuxième étape de réalisation du matelas élastomérique du raccord schématisé à la figure 1. Sur la figure 1, le flexible est constitué, comme décrit dans le brevet FR-A-2.553.860, par une gaine interne ondulée 1 métallique de 0,4 mm d'épaisseur, de 50 mm de diamètre intérieur et 60 mm de diamètre extérieur dont les ondes sont remplies d'un renfort 2 composite comportant des filaments de verre et de la résine époxyde moulée in-situ dans des proportions de 71 % en poids de verre et de 29 % en poids de résine. L'ensemble ainsi constitué est recouvert d'une tresse 3 de fils d'aramide Kevlar 49 qui est une marque déposée de Du Pont De Nemours. La gaine 1 et son renfort 2 sont principalement destinés à résister à la composante circonférentielle de la pression interne alors que la tresse 3 assure au moins la résistance à la traction longitudinale. - 8 - Aux extrémités de ce flexible sont placées diverses pièces formant raccord étanche. Pour sa fabrication, on pose sur la gaine 1 armée du renfort 2, la voûte 4 de formes intérieures et extérieures coniques. La voûte 4 définit avec le tube flexible un espace 5 que l'on rempLit, par les trous d'injection. 6, de résine thermodurcissable, ou de matériau stabilisable qui permet de réaLiser une étanchéité entre le tube flexible et la voûte 4. La forme tronconique du joint placé dans l'espace 5 contribue avec la compression triaxiale exercée par l'effet de La pression interne du tube, à réaliser une auto-étanchéité du joint. Après pose de la voûte 4, la tresse 3 étant écartée, ou retournée, ou encore soulevée (Fig. 2), on pose à l'extrémité de plus petit diamètre un cordon 7a d'élastomère silicone cru, préalablement mélangé à son catalyseur de vulcanisation. La tresse 3 est ensuite remise en place sur la voûte 4 (Fig. 3), et un deuxième cordon d'élastomère silicone 7b est posé de l'autre côté de la tresse, en face du premier cordon. Les deux cordons sont ensuite amenés à se rejoindre par fluage à travers la tresse, en appliquant une légère pression, par exemple au moyen d'un ruban adhésif. La réunion des deux cordons réalise donc le matelas élastomérique 7. Ce matelas peut-être composé d'une grande variété d'élastomères dont les caractéristiques, notamment le module d'élasticité longitudinal, sont adaptées aux caractéristiques des fils de la tresse, ou plus généralement aux caractéristiques, telles que nature, nombre, dimensions, des fils de l'armature de traction. Ces élastomères ou toutes substances caoutchouteuses natureLLes ou synthétiques ayant une résistance à la limite élastique suffisante auront avantageusement un module d'Young compris entre 2 et 200 MPa. Après mise en place du matelas élastomérique 7 et sa vulcanisation, on instale le capot 8 (Fig. 1). Puis dans l'espace 9 déLimité par la - 9 surface conique interne 8i du capot 8 et la surface conique externe 4e de La voûte 4, Le matelas 7, on coule par L'ouverture de L'espace 9 comprise entre Le capot 8 et la voûte 4 placée vers le haut la résine époxy et son durcisseur tout autour de La tresse sans qu'aucune précaution particulière concernant son agencement n'ait été prise. La résine époxy est du type DGEBA (DiglycidyLéther du Bisphenol A) et le durcisseur de la TMD (Triméthylhexaméthylène diamine). Avant ou après avoir réticulé la résine qui remplit l'espace 9 et qui constitue la matière du noyau, on emboîte le talon 10 du raccord sur la voûte 4 tout en le vissant sur le capot 8. Le talon 10 assure normalement la liaison du flexible ou plus généralement de l'arbre soit avec un autre arbre, soit avec un point d'ancrage. Mais pour tester le raccord et le flexible, le talon 10 a été muni d'un opercule 11 muni d'un orifice 12. Comme matériau d'ancrage de la tresse, on aurait pu utiliser tout autre produit pouvant être coulé ou injecté, durcissable de caractéristiques adaptées. Des élastomères identiques ou différents de celui qui réalise le matelas élastique pourraient aussi être utilisés. La forme rétrécie du culot occupant l'espace 9 permet un ancrage efficace de la tresse 3. On réalise un raccord identique à l'autre extrémité du tube. Le tube comportant ces raccords est ensuite raccordé par l'orifice 12 à une pompe hydraulique permettant un accroissement régulier de la pression dans le tube. Des essais de mise sous pression ont montré que le déchirement d'un tel tronçon de tube se produisait à une pression de 285 bars au milieu du tube et non au raccord. Cette valeur maximum de la pression statique est à comparer à celle - 10 - d'un même tube avec les mêmes manchons, mais sans la présence du matelas élastomérique. Dans l'essai du tube avec raccord sans matelas, on obtient la rupture du tube au ras du raccord à une pression de 145 bars. Pour cet essai, contrairement au premier essai, on a pris soin de disposer au mieux la tresse sous un angle de fil constant. Dans un deuxième exemple d'utilisation du raccord selon l'invention comportant un matelas élastomérique, le tube qui est flexible est constitué d'un feuillard d'acier inox de 0,8 mm agrafé de 250 mm de diamètre intérieur revêtu d'une gaine de Rilsan (qui est une marque déposée par Atochem) extrudée de diamètre extérieur 298 mm, elle-même recouverte de deux couches de fils composites résistantes au moins aux efforts de traction et constituées comme dans le brevet FR-A-2.494.401. Les deux couches de fils sont croisées et chacune posée à 55 par rapport à l'axe du tube. Comme dans la réalisation illustrée par la figure 1, une voûte est posée sur le feuillard et la gaine de Rilsan sous les deux couches de fils constituant l'armature de renfort, et une résine est introduite entre la gaine et la voûte pour assurer l'étanchéité. Les armatures de renfort sont posées entre la voûte et le capot. On réalise l'ancrage des fils en réalisant un culot de résine époxy de cm de long entre voûte et capot. Après gélification de la résine, on coule entre la voûte et le capot à l'émergence des fils, un matelas d'élastomère de polyuréthane de 10 cm de longueur et de dureté shore A égale à 85. Le raccord est terminé par introduction et vissage du talon et de - 11 - l'opercule sur la voûte et le capot. Après vulcanisation à température ambiante de l'élastomère polyuréthane, l'ensemble est recuit pour assurer la fin du durcissement de la résine époxy. Un autre manchon operculé est placé à l'autre extrémité du tube. Le tube est alors placé sur un banc d'essai en flexion dynamique et maintenu sous une pression de 200 bars. L'essai est arrêté sans rupture après six millions de cycles. Cette valeur est à rapprocher des trois millions cinq cents mille cycles obtenus dans les mêmes conditions, avant rupture au ras du raccord, d'un flexibLe identique équipé d'un manchon simiLaire mais dépourvu de matelas éLastomérique et ayant une longueur de culottage de 40 cm au lieu de 30 cm. La rupture du même type de tube équipé d'un même raccord sans matelas élastomérique soumis à un essai statique en pression est obtenue à 540 bars sur la longueur courante du tube. Les exemples précédemment décrits d'utilisation d'un matelas élastomèrique selon l'invention, sont appliques à des raccords culottés et des tubes flexibles comportant une armature de résistance à la pression et une armature de résistance à la traction, ces armatures étant séparées l'une de l'autre au niveau du raccord par une voûte. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en supprimant la voûte de séparation, en plaçant les extrémités de l'ensemble d'armatures dans un même culot et en disposant un matelas élastomèrique selon le procédé décrit, ce matelas étant traversé par au moins les fils de l'armature de traction et étant situe à proximité immédiate du culot. - 12 - R E V E N D IC ATIONS 1. - Raccord pour un arbre comportant au moins une armature de renfort (3) constituée de fils libres résistant au moins aux efforts de traction, une des extrémités de ladite armature étant solidarisée au raccord par des moyens d'ancrage, caractérisé en ce que le raccord comporte un matelas élastomérique (7) traversé par les fils de ladite armature, ledit matelas étant situé à proximité immédiate desdits moyens d'ancrage. 2. - Raccord selon la revendications 1, caractérisé en ce que le matelas élastomérique possède un module d'élasticité longitudinal (module de Young) compris entre 2 MPa et 200 MPa. 3. - Raccord selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ancrage comportent un noyau (9) solidaire desdits fils, ledit noyau coopérant avec un capot (8) solidaire du raccord pour réaliser l'ancrage de l'arbre au raccord. 4. - Raccord selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'arbre est un tube flexible. 5. - Raccord selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit tube comporte une armature de renfort résistant à la pression (1, 2), en ce que l'armature de pression est séparée de l'armature de traction (3) sur au moins la longueur comprise entre le matelas éLastomérique (7) et l'extrémité d'une des armatures par une voûte (4), et en ce qu'au moins une partie dudit matelas est situé entre ladite voûte (4) et ledit capot (8). 6. - Raccord selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'armature de traction comprend une tresse (3). - 13 - 7. - Raccord selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que Ledit noyau (9) et ledit matelas élastomérique (7) ne constituent qu'une seule pièce. 8. - Procédé de fabrication d'un raccord pour arbre comportant une armature de renfort constituée de fils libres et résistante au moins aux efforts de traction, ledit raccord comportant des moyens d'ancrage desdits fils, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - on introduit dans ladite armature de traction, une masse d'élastomère cru éventuellement mélangée à ses agents de vulcanisation, cette masse étant sensiblement située au ras desdits moyens d'ancrage une fois le raccord fabriqué, - on réalise l'ancrage desdits fils de l'armature, et - on produit la vulcanisation de ladite masse d'élastomère. 9. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on procède à l'introduction de la masse d'élastomère dans ladite armature de traction en réalisant les étapes successives suivantes: - on place au- dessous et/ou au-dessus de ladite armature de traction un cordon d'élastomère cru, et - on réalise, sur ce ou ces cordons, une pression suffisante pour permettre le fluage de l'élastomère à travers les fils de ladite armature. 10. - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on introduit ladite masse d'élastomère cru dans l'armature par injection. 11. - Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, o l'ancrage des fils est effectué par culottage dans un noyau de forme extérieure - 14 - sensiblement tronconique, ledit noyau coopérant avec une forme intérieure conique du raccord pour réaliser l'ancrage desdits fils, caractérisé en ce que: - on commence par introduire la masse d'élastomère cru dans ladite armature, de manière à ce que ladite masse coopérant avec ladite forme intérieure délimite une cavité d'implantation dudit noyau, - on réalise une introduction dans ladite cavité d'une matière devant composer ledit noyau, et - on produit la vulcanisation de ladite masse d'élastomère, l'ordre de ces deux dernières étapes pouvant être inversé. 12. - Procédé selon la revendication 11, o Ladite matière devant composer le noyau est une matière réticulable, caractérisé en ce que l'on réalise simultanément la réticulation de ladite matière du noyau et la vulcanisation de ladite masse éLastomérique.