Brevet FR2610386A1 — publié le 19880805

DISPOSITIF D'ITANCHKITI POUR Dl ISSEMBLACE PIECEITUBE L'invention concerne un dispositif d'étanchéité réalisant simultanément le bouchage d'un tube et l'étancheité entre l'extrémité de ce tube et l'orifice traversant d'une pièce dans laquelle ce tube est fixé, et plus particulièrement un dispositif d'étanchéité pour échangeur tubulaire. Dans le cas d'un échangeur comportant des tubes à extrémités assemblées dans des plaques pour placage mécanique des parois de ces tubes dans les orifices de ces plaques, par exemple#par dudgeonnage, ce placage étant éventuellement suivi d'un traitement de diffusion, il peut se produire un percement ou une fuite d'un tube mettant en contact les deux fluides circulant dans l'échangeur. On isole alors le tube défectueux en bouchant son extrémité, à l'aide d'un bouchon, par exemple un bouchon conique en bois ou en métal. Mais il peut se produire aussi une fuite de la liaison entre un tube et une plaque, par exemple de la liaison dudgeonnée, et le bouchage précédent ne permet pas alors de réaliser l'étanchéité. La demanderesse a essayé de mettre au point un -dispositif réalisant cette étanchéité, et réalisant de préférence à la fois le bouchage d'un tube et l'étanchéité entre l'extrémité de ce tube et l'orifice de la plaque, en préservant l'état de surface intérieur du tube. EXPOSE DE L'INVKNTloeE L'invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour l'assemblage d'une pièce et d'un tube fixé dans un orifice habituellement traversant de cette pièce. dispositif qui réalise simultanément le bouchage de ltextrémité du tube et l'étanchéité entre cette extrémité et l'orifice d'une pièces par exemple une plaque tubulaire, dans laquelle cette extrémité est engagée et fixée.Ce dispositif comprend: a) un bouchon en matériau compressible élastique, comprenant un corps rentrant avec jeu dans le tube et, à sa partie supérieure, une collerette de dimensions transversales au moins égales aux dimensions transversales de l'orifice de la pièce, ledit corps comprenant lui-même une cavité axiale débouchant a l'extrémité supérieure du bouchon et comportant en continuité des parties d'entrée cylindrique(s) puis tronconique(s), une partie cylindrique resserrée et une chambre élargie. b) des moyens de serrage du bouchon comprenant eux-mêmes: bl) un élément d'ancrage rigide comprenant une tête se logeant dans la chambre élargie de la cavité du bouchon et une tige s'insérant dans la partie resserrée cylindrique de ladite cavité; b2) une douille rigide à collerette de diamètre extérieur supérieur au diamètre de l'orifice de la plaque, comprenant un orifice longitudinal de passage de la tige de l'élément d'ancrage, et comprenant en-dessous de sa collerette une portion cylindrique et une portion tronconique se plaçant dans les parties d'entrée de la cavité du bouchon, la portion cylindrique dépassant alors du bouchon; b3) des moyens de serrage de la douille et du bouchon et de maintien de ce serrage, coopérant avec la tige de l'élément d'ancrage. A l'avance ou juste avant l'utilisation, l'élément d'ancrage rigide, par exemple une vis à tête, est inséré et forcé dans le bouchon de sorte que sa tête se loge dans la chambre élargie de la cavité axiale du bouchon, une portion de sa tige s'insérant alors dans sa partie cylindrique resserrée; cette insertion peut également avoir été réalisé au moulage du bouchon. Ensuite, par exemple après engagement du bouchon muni de son élément d'ancrage dans l'extrémité du tube dont le pourtour est à étancher, la douille rigide à collerette est enfilée sur la tige de l'élément d'ancrage et introduite en butée dans les parties d'entrée de li cavité axiale du bouchon, la collerette de cette douille se trouvant alors au-dessus de la collerette du bouchon, avec un écartement prédéterminé.Les moyens de serrage de la douille sur le bouchon produisent une compression de ce bouchon entre la tete de l'élément d'ancrage et la douille puis le blocage de la douille en position serrée; ces moyens de serrage sont, dans le cas où cet élément d'ancrage est une vis à tête, un écrou vissé sur la tige filetée de la vis. Dans ce dispositif d'étanchéité, la course maximale de serrage de la douille est égale à la hauteur de la partie cylindrique resserrée de la cavité du bouchon. Le début du serrage de la douille produit une compression préférentielle d'une zone annulaire du bouchon limitée par la portion tronconique de la douille, la portion de tige de l'élément d'ancrage comprise dans la partie cylindrique resserrée de la cavité du bouchon et la surface de dessous de la tête de l'élément d'ancrage. Cette compression initiale entraîne par suite une expansion ou gonflement d'une partie du bouchon éloignée de son extrémité supérieure, et elle ne produit pas de compression sur la portion supérieure du bouchon et sur sa collerette, grâce à la présence de la ou des portions cylindriques de la douille et grâce à l'écartement de la collerette de la douille.On constate que, de façon surprenante, l'accrochage du bouchon dans le tube est réalisé avant l'entrée en contact de la collerette de la douille avec la collerette du bouchon, et que la poursuite du serrage permet d'obtenir un écrasement de cette collerette suffisant pour garantir l'étanchéité recherchée. Les interactions entre les éléments et parties d'élément du dispositif de l'invention vis à vis du processus d'obtention de l'étanchéité sont nombreuses, et, de façon à permettre un réglage dimensionnel optimal de ces éléments, quelques valeurs préférentielles sont indiquées ci-après: a) la hauteur de la partie cylindrique resserrée de la cavité axiale du bouchon, définissant la course de serrage maximal, doit être notamment d'autant plus grande que la zone annulaire de compression préférentielle, ou zone de serrage initial, est plus large.En pratique, elle est de préférence comprise entre 0,25 fois et 0,6 fois la différence entre le diamètre extérieur du corps du bouchon et le diamètre de sa partie cylindrique resserrée; b) la ou les partie(s) d'entrée cylindrique(s) de la cavité axiale du bouchon ont de préférence, et cela même si la condition (a) n'est pas remplie, une hauteur comprise entre 0,3 fois et 0,7 fois la somme des hauteurs de la partie tronconique et de la partie cylindrique resserrée de la cavité du bouchon.Cette hauteur règle la hauteur minimale du bouchon non affectée par le serrage initial, et l'éloignement de la zone de serrage initial; c) en liaison avec cette mesure b), la hauteur de la portion cylindrique de la douille est de préférence égale à la hauteur de la ou des partie(s) d'entrée cylindrique(s) de la cavité du bouchon augmentée de 0,25 à 0,6 fois la hauteur de la partie cylindrique resserrée du bouchon.Cette hauteur de dépassement conditionne en partie l'entrée en contact de la collerette de la douille avec la collerette du bouchon; cette entrée en contact ne doit pas se faire avant que le bouchon ne soit fixé dans le tube, et doit se faire assez tôt pour que l'écrasement d'étanchéité de la collerette du bouchon soit suffisant compte tenu de la course résiduelle de serrage; d) en liaison également avec la mesure b), le ou les diamètre(s) de la portion cylindrique de la douille, définissant en même temps le ou les diamètres correspondants de la cavité du bouchon, interviennent dans la définition de la portion annulaire supérieure du bouchon non comprimé initialement ainsi que dans la définition de la partie tronconique délimitant la zone de serrage initial. Ce diamètre ou chacun de ces diamètre(s) est de préférence au moins égal à la somme du diamètre de l'orifice longitudinal de la douille et de 0,4 fois la différence entre le diamètre extérieur du corps du bouchon et le diamètre de sa partie cylindrique resserrée, et au plus égal audit diamètre extérieur du corps du bouchon diminué de 3 mm; e) la partie tronconique de la douille doit ellemême être de préférence suffisamment inclinée par rapport à l'axe du bouchon pour comprimer efficacement la zone de serrage initial du bouchon, avec en pratique un demi-angle de cône au moins égal à 200, et encore de préférence moins inclinée que la surface de raccordement du dessous de la tête avec la tige de l'élément d'ancrage, de façon à favoriser un gonflement local du bouchon décentré vers le bas, avec le demi-angle de cône précédent inférieur d'au moins 100 au demi-angle de cône de cette surface de raccordement. Habituellement ces demi-angles respectifs sont compris entre 20 et 600 dans le cas de la douille, et entre 900 et 600 avec une inclinaison en sens contraire en ce qui concerne la surface de dessous de la tête de l'élément d'ancrage. f) la tête de l'élément d'ancrage sert à la fois à l'ancrage et à la compression de la zone de serrage initial du bouchon, elle devrait être insérée aisèment dans la chambre élargie du bouchon et d'autre part elle ne doit pas gêner le gonflement permettant l'accrochage du bouchon et l'étanchéité. Le diamètre de cette tête de l'élément d'ancrage est au moins égal au diamètre de sa tige augmenté de 4 mm, et au plus égal au diamètre extérieur du corps du bouchon diminué de 3 mm. Le bouchon est typiquement en matériau élastomère, et plus particulièrement en des matériaux du groupe constitué par le caoutchouc synthétique, les silicones, le caoutchouc naturel. L'élément d'ancrage rigide, par exemple une vis à tête, et la douille ainsi que les moyens de serrage et du maintien de ce serrage par exemple un écrou, peuvent être en tous matériaux suffisamment rigides et résistants pour le serrage et la compression aussi bien de l'intérieur du bouchon que de sa collerette, par exemple des métaux ou alliages ou bien des matières plastiques dures.La collerette du bouchon ne s'appuie pas nécessairement sur l'extrémité du tube lors du serrage étanche de cette collerette sur la pièce autour de son orifice de sorte que le dispositif de l'invention convient pour un assemblage dans lequel le tube est fixé dans l'orifice de la pièce, l'extrémité de ce tube étant en retrait par rapport à l'extrémité de l'orifice à étancher. Les jeux des éléments du dispositif entre eux sont typiquement les suivants: de léger forcement à moins de 0,3 mm au diamètre pour les jeux radiaux entre l'élément d'ancrage ou la douille et la cavité du bouchon, moins de 0,5 mm en hauteur entre tête de l'élément d'ancrage et chambre élargie du bouchon; coulissement normal entre douille et tige de l'élément d'ancrage. Le dispositif convient à des jeux entre bouchon et tube pouvant varier par exemple de 0,1 à 2 mm dans le cas de tubes de diamètres intérieurs de 20 à 30 mm. En plus de la résolution du problème d'étanchéité exposé, le dispositif de l'invention présente les avantages suivants: - structure simple à réaliser; - mise en oeuvre facile; - adaptation à une gamme de diamètres intérieurs de tubes; - encombrement faible en tête, pouvant être réduit grâce à un creux de l'extrémité supérieure de la douille, ou vient se loger au moins en partie le moyen de serrage. La faiblesse de cet encombrement est particulièrement appréciée dans le cas des échangeurs tubulaires. - extraction facile du dispositif et réutilisation possible; - absence de détérioration de l'intérieur du tube par le bouchon. La description des exemples et les dessins permettront d'illustrer et de mieux expliquer l'invention. EXEIIPLES La figure 1 représente le dispositif du premier et du deuxième exemple en position assemblée et à l'intérieur du tube d'une plaque tubulaire, avant serrage, en coupe partielle axiale longitudinale. La figure 2 représente le dispositif du troisième exemple, en présentation semblable. FBn#III ttEHPLE Sur la figure 1, on voit le dispositif 1 selon l'invention composé du bouchon 2 en caoutchouc synthétique, de la vis 3 en acier inoxydable, de son écrou 4 de même matière, et de la douille 5 à collerette également en acier inoxydable. Le bouchon 2 de hauteur totale 34 mm comporte à son extrémité supérieure une collerette 6 d'épaisseur 2 mm et de diamètre 29 mm, débordant légèrement de l'extrémité 7 de l'orifice 8 de la plaque 9 dans lequel affleure l'extrémité du tube 10 dudgeonné dans l'orifice 8, le diamètre intérieur de l'orifice 8 étant de 26 mm et le diamètre intérieur du tube 10 étant de 24 mm. Le corps 200 du bouchon 2 comporte sur son pourtour sept stries ou dents circulaires 11, donnant une étanchéité plus sûre qu'un pourtour lisse de diamètre extérieur 23,8 mm, et une portion inférieure 12 de hauteur 8 mm et de diamètre 22,8 mm. Le bouchon 2 comporte une cavité axiale 13 dont l'orifice d'ouverture 14, situé au centre de la collerette 6 et de diamètre 18,2 mm, est suivi d'une partie cylindrique 15 de hauteur 5 mm, puis d'une partie tronconique 16 de hauteur 7 mn inclinée à 300 sur l'axe longitudinal de symétrie X et d'une partie cylindrique resserrée 17 de hauteur 6 mm et de diamètre 8,2 mm.Cette partie resserrée 17 débouche dans une chambre terminale élargie 18 qui lui succède, dont la géométrie est celle de la tête de vis, avec un jeu inférieur à 0,2 mm au diamètre comportant notamment: une surface tronconique d'entrée 19, correspondant au chanfrein 20 du dessous de la tête 21 de la vis 3 et inclinée à environ 450 sur l'axe X, et en-dessous une portion cylindrique 22 de diamètre environ 15 mm correspondant au diamètre de la tête de vis. La cavité 13 résulte du moulage du bouchon 2 autour d' inserts représentant les dispositions de la vis 3 et de la douille 5 dans le bouchon 2. La vis 3 filetée M8 a une longueur totale de 31 mm et de diamètre 15 mm et comporte: une tête 21 de hauteur totale 8,5 mm s'insérant avec un jeu faible dans la chambre 18 du bouchon 2, et se raccordant par son chanfrein de dessous 20 à 450 à une portion de tige 23 non filetée de diamètre 8 mm suivie de la portion d'extrémité filetée 24 de la tige 25 de la vis. La vis 3 a été mise en place dans le bouchon 2 par forcement de sa tete 21 au travers de la partie cylindrique resserrée 17. L'extrémité de la tige filetée 24 de la vis 2 dépasse du bouchon 2 dont la cavité 13 a une hauteur de 26,5 mm. La douille 5 comporte un orifice axial longitudinal 26 de diamètre 8,1 mm coulissant sur la tige 25 de la vis 3, et de haut en bas: une collerette 27 de diamètre 29 mm et de hauteur ou épaisseur 2 mm, une portion cylindrique 28 de diamètre 18 mm et de hauteur 7 mm, et une partie tronconique 29 de hauteur 7 mm s'emboltant dans la partie tronconique 16 du bouchon 2. La collerette 26 et le haut de la portion cylindrique 27 portent un creux ou logement 30 de hauteur 4 mm et de diamètre 15 mm permettant de loger en partie l'écrou 4. ESSAIS EFFECTUES AVEC CE PREMIER DISPOSITIF On a utilisé des cylindres en acier inoxydable de hauteur 60 mm et d'orifices axiaux traversants de diamètres échelonnés de 23,9 mm à 25,0 mm. Dans le dispositif assemblé, la vis 3 était insérée jusqu'au fond 18 de la cavité axiale 13 du bouchon 2, et la douille 5 enfilée sur la tige 24 et 23 de cette vis 3 était arrêtée par la partie cylindrique resserrée 17 du bouchon 2 de sorte que la collerette 27 de cette douille se trouvait écartée de la collerette 6 du bouchon 2 de 2 mm. Après insertion du bouchon 2 dans l'orifice de chaque cylindre, on a vissé l'écrou 6 sur la tige de la vis 3 au moyen d'une clef jusqu'A la butée mécanique, les deux troncs de cône 29 et 20 de la douille 5 et de la tête de vis 21 se rejoignant.On a constaté dans chaque cas que la collerette 27 de la douille n'entrait en contact avec la collerette 6 du bouchon qu'après une course de serrage d'environ 4 mm, le bouchon 2 se trouvant alors fixé dans l'orifice du cylindre, et que en fin de serrage la collerette 6 du bouchon était écrasée de 0,2 mm soit 10% de son épaisseur. On a en outre vérifié l'étanchéité à l'eau, introduite par l'autre extrémité du cylindre d'essai, et à l'air sous 0,7 MPa. On remarque que la butée des troncs de cône de la douille et du dessous de la tête de vis est ici un moyen commode et reproductible de réglage du serrage du dispositif d'étanchéité de l'invention, et que l'étanchéité a été obtenue avec des jeux du bouchon 2 dans les orifices des cylindres allant jusqu'à 1,2 mm au diamètre. DKUXIKMI EXEMPLE Un bouchon de même géométrie que le bouchon 2 a été réalisé en silicone Les autres éléments 3 et 5 et 4 du dispositif d'étanchéité étaient les mêmes que précédemment, et on a fait les mêmes essais et recueilli des observations identiques. flOISIlME EXEMPLE On a préparé un dispositif 100 légèrement modifié, correspondant à un cas d'échangeur condenseur de centrale productrice d'électricité dans lequel ce dispositif devait avoir un dépassement de moins de 10 mn par rapport à la plaque tubulaire 9. La partie cylindrique 28 de la douille 50 comporte: une portion d'extrémité 31 élargie de diamètre 18 mm et de hauteur 4 mm en-dessous de sa collerette 27 et, raccordée par un chanfrein, la partie inférieure 280, la hauteur totale des parties cylindriques de la douille étant alors de 9 mm. Le haut de la douille 50 comporte un creux 300 de hauteur 4 mm et de diamètre 16 mm permettant de loger un écrou six pans 40 de dimensions entre plats 13 mm, soit un diamètre hors tout d'environ 15,2 mn. La partie cylindrique 150 du bouchon 20 a été modifiée de façon à obtenir le même dépassement initial de la collerette 27 de la douille 50 que dans le premier exemple: elle comporte une partie d'entrée 151 de hauteur 2 mn puis, comme la partie cylindrique 28 de la douille, un chanfrein et une partie cylindrique inférieure de hauteur totale 5 mm. La cavité axiale 130 du bouchon 20 a une hauteur ou profondeur augmentée de 2 mm, soit de 28,5 mm. les géométries de la vis 3, de la cavité 130 du bouchon 20, et de la douille 50 sont les mêmes que précédemment dans le cas des parties situées en-dessous des parties d'entrée cylindrique. Accessoirement, la tige 25 de la vis 3 porte à son extrémité une rainure pour maintien de la vis avec un tournevis pendant le début du serrage de l'écrou, mais un tel maintien s'est révélé inutile. Ce dispositif a été testé dans les mêmes conditions que précédemment avec succès. Il montre qu'un petit chanfrein intermédiaire entre des portions verticales ne compromet pas l'absence de gonflement initial de la partie supérieure du bouchon qui est nécessaire pour le serrage étanche de sa collerette par la collerette de la douille. Cette propriété peut être mise à profit pour l'insertion au moins partielle de l'écrou dans la collerette de la douille, ou encore pour des modifications géométriques mineures effectuées sur les parties cylindriques ou sur les parties tronconiques de la douille et de la cavité du bouchon, sans sortir de 1" esprit de l'invention. DEHONTAGE Il a été expérimenté avec les dispositifs des exemples précédents. - Pour le démontage du dispositif, on desserre l'écrou 4 ou 40, ensuite on pousse l'extrémité de la tige 25 de la vis 3 pour que la tête 21 engagée partiellement dans la partie cylindrique resserrée 17 revienne dans la chambre élargie 18, puis on décolle la collerette 27 de la douille 5 de la collerette 6 du bouchon 2 ou 20 avec un effort faible, à la main ou avec un outil, et on extrait le bouchon 2 ou 20 qui a repris son jeu initial par rapport au tube 10. On remarque que, si l'écrou est enlevé, le bouchon reste serré et étanche, au moins à l'intérieur du tube, jusqu'à ce qu'on le décolle, et par ailleurs que le dispositif ne cause aucune rayure du tube et est réutilisable. YEVENDICKTIONS 1. Dispositif d'étanchéité pour l'assemblage d'une pièce (9) et d'un tube (10) fixé dans un orifice (8) de cette pièce (9) comprenant: a) un bouchon (2;20) en matériau compressible élastique, comprenant un corps (200) rentrant avec jeu dans le tube (10) et, à sa partie supérieure, une collerette (6) de dimensions transversales au moins égales aux dimensions transversales de l'orifice (8) de la pièce, ledit corps comprenant lui-même une cavité axiale (13;130) débouchant à l'extrémité supérieure du bouchon (2;20) et comportant en continuité des parties d'entrée cylindrique(s) (15;150 et 151) puis tronconique(s) (160), une partie cylindrique resserrée (17) et une chambre élargie (18); b) des moyens de serrage du bouchon comprenant eux-mêmes: bl) un élément d'ancrage (3) rigide comprenant une tête (21) se logeant dans la chambre élargie (18) de la cavité (13;130) du bouchon (2;po) et une tige (25) s'insérant dans la partie resserrée cylindrique (17) de ladite cavité (13;130); b2) une douille rigide (5;50) à collerette (27) de diamètre extérieur supérieur au diamètre de l'orifice (8) de la plaque (9), comprenant un orifice longitudinal (26) de passage de la tige (25) de l'élément d'ancrage (3), et comprenant en-dessous de sa collerette (27) une portion cylindrique (26) et une portion tronconique (29) se plaçant dans les parties d'entrée de la cavité du bouchon, la portion cylindrique (26) dépassant alors du bouchon (2) b3) des moyens (4;40) de serrage de la douille (5;50) et du bouchon (2;20) et de maintien de ce serrage, coopérant avec la tige (25) de l'élément d'ancrage (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de la partie cylindrique resserrée (17) de la cavité axiale (13;130) du bouchon (2;20) est comprise entre 0,25 fois et 0,6 fois la différence entre le diamètre extérieur du corps (200) du bouchon (2;20) et le diamètre de ladite partie cylindrique resserrée (17). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les partie(s) d'entrée cylindrique(s) (15;150) de la cavité axiale (13;130)) du bouchon (2;20) ont une hauteur comprise entre 0,3 fois et 0,7 fois la somme des hauteurs de la partie tronconique (16) et de la partie cylindrique resserrée (17) de ladite cavité (13;130) du bouchon (2;20). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la hauteur de la portion cylindrique (28) de la douille (5;50) est égale à la hauteur de ladite ou desdites partie(s) d'entrée cylindrique(s) (15;150) de la cavité (13;130) du bouchon (2;20) augmentée de 0,25 fois à 0,6 fois la hauteur de la partie cylindrique resserrée (17) dudit bouchon (2;20). 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ou chacun des diamètre(s) de la portion cylindrique (28) de la douille (5;50) est au moins égal à la somme du diamètre de l'orifice longitudinal (26) de la douille (5;50) et de 0,4 fois la différence entre le diamètre extérieur du corps (200) du bouchon (2;20) et le diamètre de sa partie cylindrique resserrée (17) et au plus égal audit diamètre extérieur du corps (200) du bouchon (2;20) diminué de 3 mm. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la portion tronconique (29) de la douille (5;50) a un demi-angle de cône au moins égal à 200, et en ce que ce demi-angle de cône de la surface de raccordement (20) du dessous de la tete (21) de l'élément d'ancrage (3) avec la tige (25) dudit élément (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre de la tete (21) de l'élément d'ancrage (3) est au moins égal au diamètre de sa tige (25) augmenté de 4 mmt et au plus égal au diamètre extérieur du corps (200) du bouchon (2;20) diminué de 3 mm. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le bouchon (2;20) est en matériau élastomère. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau élastomère est un des matériaux du groupe constitué par: le caourchouc synthétique, les silicones, le caoutchouc naturel. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément d'ancrage rigide (3) est une vis (3) à tête (21) et en ce que les moyens de serrage de la douille (5;50) et du bouchon comprennent un écrou (4;40) se vissant sur cette vis (3).