Brevet FR2599811A1 — publié le 19871211

La présente invention est relative à un nouveau joint pour tubes destinés notamment à l'industrie du pétrole et dont les caractéristiques sont telles qu'il offre une très grande résistance aux forces axiales de compression. La présente invention s'applique aux joints pour tubes qui sont constitués par un élément mâle muni d'un filetage tronconique qui se visse dans le filetage tronconique correspondant de l'élément femelle. Dans de tels joints, les flancs porteurs à la traction des filets sont disposés selon des directions sensiblement perpendiculaires à l'axe du joint, ou en faisant avec ce dernier un angle rentrant de manière à éviter que lorsque l'on exerce une traction axiale importante sur le joint, l'élément femelle ait tendance à être repoussé vers l'extérieur, ce qui risquerait de provoquer un désengagement des filets. Dans ce type de joint, il est également connu de réaliser un jeu qui subsiste entre les flancs non porteurs à la traction de telle sorte que, lorsqu'un tel joint doit être soumis également à des compressions axiales, il est nécessaire de faire supporter ces compressions par des épaulements de dimensions suffisantes qui sont réalisés sur les éléments réunis par le joint. Il en résulte alors une surépaisseur du joint et une augmentation sensible de son poids et de son coût de fabrication. De plus, dans le but de faciliter l'emboStement de l'élément mâle dans l'élément femelle, les flancs non porteurs à la traction sont généralement inclinés en donnant à la section des filets un profil sensiblement trapézoidal. Il en résulte que, lorsque les flancs non porteurs à la traction viennent au contact lors de compressions axiales, ils repoussent vers l'extérieur l'élément femelle en provoquant un désengagement des filetages. Comme on sait que l'on est dans la pratique amené à faire travailler des colonnes de tubes pétroliers, tantôt à la traction et tantôt à la compression, on comprend que les joints connus jusqu'à ce jour ne peuvent donner entière satisfaction. En particulier, on peut etre amené à injecter de la vapeur dans un puits pour faire remonter l'huile par le puits voisin, puis après un certain temps d'exploitation, on peut etre amené à permuter le rôle des deux puits. Il en résulte que les colonnes de tubes munis de joints filetés peuvent etre soumises à des variations de températures supérieures à 3000, ce qui a pour effet de placer les joints en traction lorsque la colonne est froide, et de les comprimer fortement axialement, lorsque la colonne a été réchauffée; La présente invention est relative à des joints de réalisation simple, qui permettent de supporter à la fois des tractions et des compressions axiales. La présente invention a pour objet un joint pour tubes, destiné à l'industrie pétrolière, du type comportant un élément mâle muni d'un filetage externe tronconique qui s'engage dans un élément femelle muni d'un filetage interne tronconique de forme correspondante ce joint étant caractérisé par le fait que les filets des filetages mâle et femelle ont des flancs délimités par des droites faisant entre elles un angle faible, les sommets des filets ayant une largeur très légèrement inférieure à celle de leur base et la largeur des filets d'un élément étant très légèrement supérieure au creux existant entre deux filets voisins de l'autre élément, de manière telle que lors du serrage du joint, les flancs des filets d'un des filetages viennent s'appuyer par effet de coin entre les filets de l'autre filetage en se comprimant jusqu a ce que les sommets de filets d'un des éléments viennent prendre appui contre les fonds de filets de l'autre élément. Conformément à l'invention, l'angle A que font entre elles les droites qui définissent les flancs sur le profil d'un filet, est compris entre environ 0 degré et environ 15 degrés et de préférence entre 1 degré et 5 degrés. Conformément à l'invention, dans la position où les flancs des filets d'un élément commencent à prendre appui sur les flancs des creux de filets de l'autre élément, il ne doit rester entre les sommets de filets d'un élément et les fonds de filets de l'autre élément qui doivent venir en contact qu'un faible jeu et qui doit être inférieur à environ 1/10 de mm. Conformément à l'invention, un des flancs de filets d'un élément peut etre perpendiculaire à l'axe du joint, alors que l'autre flanc de ce même filet s'écarte de la perpendiculaire à l'axe des joints d'un angle qui est égal à l'angle que font entre eux les deux flancs précités. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les filéts ont leur flanc porteur à la traction qui fait un angle rentrant qui peut être par exemple de 3 à 15 degrés, de manière à ce que lorsque le joint est soumis à la traction, l'élément femelle se trouve appliqué radialement vers l'élément mâle. Dans ce cas, l'angle que fait le flanc non porteur à la traction est égal à ce même angle plus la valeur de l'angle faible A que doivent faire entre eux les flancs de filets, conformément à l'invention. Il est également avantageux, conformément à l'invention, de prévoir un dispositif permettant de faciliter l'engagement de l'élément mâle dans l'élément femelle. Ce dispositif peut être par exemple constitué par le découpage en biseaux des arêtes des flancs non porteurs à la traction des filets de l'élément femelle dans la zone où le filetage de l'élément mâle peut s'engager dans le filetage de l'élément femelle, tandis que les sommets des filets de l'élément mâle viennent prendre appui sur les sommets des filets de l'élément femelle. Grâce à de tels biseaux, on obtient un engagement facile de l'élément mâle dans l'élément femelle. On peut également faciliter cet engagement en donnant aux sommets des filets des formes particulières. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'illustration, et sans aucun caractère limitatif, des modes de réalisation pris comme exemples et représentés -sur le dessin annexé. - la figure 1 est une vue en coupe de l'élément femelle d'un joint à filetages coniques du domaine public, - la figure 2 est une vue en coupe de l'élément mâle correspondant à l'élément femelle de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle représentant l'engagement de deux filets des éléments des figures 1 et 2, - la figure 4 est une vue en coupe de deux filets d'un joint selon l'invention avant engagement, - la figure 5 est une vue en coupe correspondant à la figure 4 après engagement des filets, le joint étant vissé à la main, - la figure 6 est une vue en coupe correspondant à la figure 5, le joint étant vissé au couple nominal, - la figure 7 représente une variante du joint de la figure 6 qui concerne un filetage à filets rentrants. - la figure 8 est une vue en coupe d'un joint selon l'invention dans la position où en cours d'engagement, les sommets des filets de l'élément mâle sont engagés contre les sommets des filets de l'élément femelle. On voit sur les figures 1 et 2 l'extrémité de l'élément femelle 1 et l'extrémité de l'élément mâle 2 qui sont munies respectivement d'un filetage interne 3 et d'un filetage externe 4 qui se situent sur des troncs de cônes, une butée de limitation de vissage , disposée à l'intérieur de l'élément femelle est destinée à servir d'appui à l'extrémité 6 de l'élément mâle. La figure 3 représente, à plus grande échelle, l'engagement de deux filets des éléments des figures 1 et 2 selon un mode de réalisation de l'état de la technique. On retrouve sur la figure 3 l'élément femelle 1 et l'élément mâle 2. Le profil de l'élément mâle est constitué par un flanc porteur à la traction 7, un flanc non porteur à la traction 8, un sommet de filet 9 et un fond de filet 10. Inversement, le profil du filetage de l'élément femelle comporte un flanc porteur à la traction 11, un flanc non porteur à la traction 12, un sommet de filet 13 et un fond de filet 14. Dans le cas de ce joint appartenant à l'art antérieur, il existe un jeu 15 entre les flancs non porteurs à la traction 8 et 12 des filets de l'élément mâle et,de l'élément femelle, et les contraintes de frettage radiales sont supportées par les sommets de filets 13 de l'élément femelle qui s'appuient sur les fonds de filets 10 de l'élément mâle. On comprend que dans ce joint appartenant à l'état de la technique, il est pratiquement impossible de faire supporter aux filetages les efforts de compression axiale auxquels le joint peut etre soumis. En effet, il faudrait tout d'abord pour cela absorber le jeu existant entre les flancs non porteurs à la traction 8 et 12, ce qui présente déjà un inconvénient non négligeable. De surcroît, en appliquant axialement l'un contre l'autre les flancs 8 et 12, on induit une composante centrifuge qui repousse vers l'extérieur l'élément femelle en provoquant le désengagement des deux éléments et la détérioration du joint. C'est la raison pour laquelle, dans les joints utilisant de tels types de filetage, il est indispensable de prévoir des butées de limitation de vissage telles que les butées 5 et 6 des figures 1 et 2. On a représenté sur la figure 4, à grande échelle, une vue en coupe d'un mode de réalisation des filetages selon l'invention. On retrouve sur cette figure 4 l'élément femelle 1 et l'élément mâle 2. Ce dernier présente un flanc de filet 7 porteur à la traction, ainsi qu'un flanc de filet 8 porteur à la compression, qui sont séparés par des sommets de filets 9 et des creux de filets 10. De même, l'élément femelle comporte des filets munis d'un flanc 11 porteur à la traction et d'un flanc 12 porteur à la compression qui sont séparés par des sommets de filets 13 et des fonds de filets 14. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4, les flancs de filets porteurs à la traction 7 et 11 sont perpendiculaires à l'axe du joint. alors que les flancs porteurs à la compression 8 et 12 font, avec une perpendiculaire à l'axe du joint, un angle faible A qui peut être par exemple compris entre O et 15 degrés et qui est de préférence compris entre 1 et 5 degrés. Sur l'élément femelle 2, le sommet de filet 13 est relié au flanc 12 porteur à la compression par un biseau 15 dont l'utilité sera expliquée ultérieurement. On conçoit que, bien que l'angle A soit faible, il est possible d'engager les filets de l'élément mâle dans les creux séparant deux filets de l'élément femelle. La figure 5 représente le joint de la figure 4 après cet engagement alors que les deux éléments ont été vissés à la main. On voit sur la figure 5 que, conformément à l'invention, les flancs 7 et 8 des filets mâles viennent prendre appui contre les flancs 11 et 12 des creux de filets de l'élément femelle avant que les sommets 13 des filets de l'élément femelle ne viennent prendre appui contre les fonds de filets 10 de l'élément mâle en laissant subsister un espace 16 qui est inférieur à environ 1/10 de mm. On comprend qu'à partir de la position représentée sur la figure 5, tout serrage ultérieur du joint va provoquer un frettage des filets les uns entre les autres en rattrapant automatiquement tous- les jeux de telle sorte que le joint sera apte à supporter immédiatement toute contrainte axiale qu'elle soit de traction ou d'extension. On a représenté sur la figure 6 le joint de la figure 5 après vissage au couple nominal. On voit sur cette figure que les sommets 13 des filets de l'élément femelle 1 sont venus prendre appui contre les fonds de filets 10 du filetage de l'élément mâle en provoquant un léger coincement des filets des deux éléments entre eux. On obtient de cette manière un ensemble particulièrement rigide et compact puisque l'on exerce des contraintes de compression sur les flancs porteurs avant et arrière de chacun des filets ainsi que sur les sommets de filets de l'élément femelle et les creux de filets de l'élément mâle. Bien entendu, on peut, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, faire en sorte que lors du serrage du joint au couple nominal, ce soit les sommets 9 des filets de l'élément mâle qui viennent prendre appui sur les creux de filets 14 de l'élément femelle, au lieu que cela soit l'inverse. On a représenté sur la figure 7 une variante de l'invention dans laquelle le filetage est du type à filets fermés, les flancs porteurs à la traction 7 et 11 faisant un angle P avec une perpendiculaire à l'axe du joint. Conformément à l'invention, cet angle P peut être compris entre O et 30 degrés et de préférence compris entre 3 et 15 degrés. Conformément à l'invention, l'angle que font les flancs porteurs à la compression 8 et 12 avec une perpendiculaire à l'axe du joint, est égal à P + A , A étant l'angle de pincement des flancs des filets tel qu'il a été défini précédemment. On a représenté sur la figure 8 les éléments 1 et 2 conformes à l'invention, munis de filetages tels que représentés sur les figures 4 à.7. L'élément mâle est engagé dans l'élément femelle dans une position angulaire telle que les sommets des filets de l'élément mâle reposent sur les sommets des filets de l'élément femelle. On voit sur la figure 8 que seule la longueur 1 des filetages de l'élément femelle est concernée. Pour faciliter l'engagement des filets de l'élément mâle dans les creux de filets de l'élément femelle, on peut réaliser sur la longueur 1 un biseau sur le filetage de l'élément femelle entre les sommets et les flancs des filets non porteurs à la traction. De cette manière on facilite l'engagement de l'élément mâle dans l'élément femelle sans risquer d'endommager le filetage. Ce biseau pratiqué sur les filets de l'élément femelle ne réduit pas sensiblement la résistance du joint, car d'une part ce biseau en question est inutile et n'a pas lieu d'exister sur la partie 1' du filetage de ltélément femelle sur laquelle se poursuit le vissage de l'élément mâle, et d'autre part sur la partie 1 du filetage de l'élément femelle, ce sont des filets de hauteur progressivement réduite qui se trouvent sur l'élément mâle du fait qu'ils correspondent à la partie du filetage de l'élément mâle qui vient mourir sur la surface cylindrique externe du tube 2. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Joint pour tubes destinés notamment à l'industrie pétrolière, du type comportant un élément mâle (2) muni d'un filetage externe tronconique (4) qui s'engage dans un élément femelle (1) muni d'un filetage interne tronconique (3) de forme correspondante, ce joint étant caractérisé par le fait que les filets des filetages mâle et femelle ont des flancs délimités par des droites (7,11,8,12) faisant entre elles un angle faible (A), les sommets (9,13) des filets ayant une largeur légèrement inférieure à celle de leur base et la largeur des filets d'un élément (1,2) étant très légèrement supérieure à la largeur des creux existant entre deux filets voisins de l'autre élément, de manière telle que lors du serrage du joint les flancs des filets (11,12) d'un des filetages viennent s'appuyer par effet de coin entre les filets (7,8) de l'autre filetage en se comprimant jusqu a ce que les sommets (13) des filets d'un des éléments viennent prendre appui contre les fonds (10) des filets de l'autre élément. 2. Joint selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les flancs (7,8) d'un filet font entre eux un angle (A) compris entre environ 0 degré et environ 15 degrés et de préférence entre environ 1 degré et environ 5 degrés. 3. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans la position (fig.5) où les flancs des filets (11,12) d'un élément commencent à prendre appui sur les flancs des creux (7,8) des filets de l'autre élément, il reste entre les sommets (13) des filets d'un élément et les fonds (10) des filets de l'autre élément qui doivent venir en contact, un très faible jeu (16), inférieur à environ 1/10 de mm. 4. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'un des flancs (7,11) des filets est perpendiculaire à l'axe du joint. 5. Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les flancs (7,11) porteurs à la traction font un angle P rentrant qui peut être compris entre 3 degrés et 15 degrés.