Brevet FR2671131A1 — publié le 19920703

Dispositif autobloquant pour le levage et la manutention de tubes, tiges ou autres éléments allongés. La présente invention concerne un dispositif autobloquant pour le levage et la manutention de tubes, tiges ou autres éléments allongés. De manière particulièrement intéressante, quoique non limitative, L'invention est applicable au Levage et à la manutention des tubes-allonges ou éLéments de tiges utilisés pour la constitution du train de tiges au bout duquel est fixé le trépan des machines de forage, aussi bien lors des opérations d'allongement dudit train de tiges que lors du démontage de celui-ci. Lorsqu'on sait que les trains de tiges formés d'éléments (tubes ou tiges) assemblés bout à bout ont des longueurs atteignant parfois plusieurs milliers de mètres et que lesdits éléments ont des longueurs variant généralement entre 2 m et 10 m, on comprend que le levage et la manutention de ces derniers représentent une grande partie du temps nécessaire à l'allongement et surtout au démontage et à la reconstitution du train de tiges lorsqu'on veut remplacer le trépan usé ou un élément endommagé. Il est donc souhaitable de réduire le plus possible le temps de levage et de manutention des éléments de tige, aussi bien pour accélérer les opérations de sondage ou forage que pour abaisser Le coût de ces dernières. Plusieurs méthodes ont été proposées dans ce but, ces méthodes mettant en oeuvre divers matériels allant d'appareils relativement simples à des installations extrêmement complexes et encombrantes, mais présentant tous des inconvénients qui varient suivant la nature des sondages et le type de machines ou installations de forage. Dans le domaine des matériels Légers, on connait, par exemple, (FR-A-2.578.902), un élévateur de tiges de forage comprenant au moins deux mâchoires ayant chacune une surface de serrage et reliées à une entretoise, au moyen d'articulations disposées au-dessus des surfaces de serrage de ces mâchoires dont le rapprochement est obtenu au moyen d'un bloc de raccordement placé dans l'axe géométrique dudit élévateur et assujetti, au moyen d'articulations, à des biellettes reliées, également au moyen d'articulations, à la partie supérieure desdites mâchoires, en formant un angle rentrant entre-elles, ledit bloc de raccordement étant conformé de manière à pouvoir être accouplé à un raccord de tête de rotation de machine de forage.De la sorte, tout mouvement de traction exercé sur le bloc de raccordement et tendant à augmenter la valeur de l'angle formé par les biellettes pour le rapprocher d'un angle plat, provoque le basculement des mâchoires et le rapprochement de leurs surfaces de serrage. Un tel dispositif fonctionnant par traction axiale présente plusieurs inconvénients très importants.Plus précisément : - il nécessite la prévision d'un dispositif complexe de maintien en position d'ouverture; - il nécessite des actions de vissage et de dévissage sur le raccord des têtes de rotation ce qui ralentit les opérations de montage ou de démontage du train de tiges ; - il ne peut être positionné que sur L'extrémité supérieure des tubes, ce qui est très désavantageux ; il ne garantit pas une action de serrage énergique, de sorte qu'il ne peut être utilisé que pour L'élévation de tubes dotés d'une tête de vissage formant un épaulement circulaire. Une autre méthode de levage des tubes-allonges consiste à soulever lesdits tubes à L'aide d'un dispositif constitué par un rond d'acier que l'on engage dans la base de ces derniers. Ce rond d'acier est solidaire d'une embase dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur des tubes et qui est reliée à une chaine ou à un câble permettant de sou lever lesdits tubes au moyen de la flèche pivotante située au sommet du mât. Un tel dispositif est simple, mais il occasionne des pertes de temps lors de la mise en place des tubes de forage, car il encombre la partie inférieure du tube qui est filetée et qui doit se visser dans l'extrémité haute de l'élément supérieur du train de tiges se trouvant déjà en terre.En effet, cette mise en place doit s'effectuer en plusieurs opérations, à savoir - amener le tube en position entre le tube supérieur du train de tiges se trouvant en terre et la tête de travail ou tête de rotation amenée en position haute ; - visser la partie haute du tube sur la tête de travail ; - libérer la chaine de levage et retirer le rond d'acier ; - faire descendre la tête avec précaution puis visser le tube sur l'élément supérieur du train de tiges en terre. Il existe également des dispositifs de Levage et de manutention des tubes de forage spécifiques aux plateformes, pour sortir ou mettre en place lesdits tubes dans un ou plusieurs rateliers de stockage. Toutefois, ces dispositifs sont complexes, assurent le blocage par encastrement et sont commandés par des vérins. On comprend que les systèmes fonctionnant par serrage de mâchoires actionnées par des pistons à commande hydraulique impliquent la présence de tuyauteries souples d'alimentation et de retour, ce qui a pour inconvénients de gêner les manoeuvres et de constituer une source de danger en cas de rupture desdites tuyauteries. Enfin, il existe aussi des machines de forage qui sont équipées d'une tête de commande ou tête de rotation pivotante, permettant la fixation, par vissage, de L'une des extrémités des tubes-alLonges qui peuvent ensuite être élevés à la verticale en montant ladite tête à la partie supérieure du mât de la machine. Toutefois, ces machines ont pour inconvénient qu'il est difficile d'aligner la tête avec le tube à soulever lorsque ce Lui-ci se trouve en position horizontale et de le traîner sur le sol pendant la première phase de levage. D'autre part, le tube étant encastré, par son filetage, dans la tête de travail, ledit tube subit des moments de fLexion non négligeables qui peuvent lui faire dépasser La limite élastique et le tordre. La présente invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients et insuffisances des méthodes et/ou matériels actuellement mis en oeuvre pour l'élévation et La manutention des tubes-allonges ou éléments de tiges du train de tiges des instalLations de forage. Selon L'invention, ce but est atteint grâce à un dispositif comportant au moins une et, de préférence, deux mâchoires fixées, au moyen d'articulations, sur un support, et ayant, chacune, une surface de serrage, ces surfaces de serrage et ces articulations étant disposées de façon que lorsque le dispositif se trouve placé en position fonctionnelle autour d'un tube ou d'une tige, lesdites surfaces de serrage se trouvent disposées, au moins en partie, au-dessus de l'axe desdites articulations.De la sorte, toute force ascendante de traction appliquée au support, tend à provoquer un basculement des mâchoires vers le bas et un rapprochement de celles-ci, c' est-à-dire à appliquer une force de serrage sur la paroi latérale du tube emprisonné entre lesdites mâchoires, cette force de serrage étant proportionnelle au poids des tubes ou tiges soulevés et augmentant avec le poids de ces derniers. Grâce aux dispositions caractéristiques ci-dessus, le dispositif auto-bloquant selon L'invention permet Le levage et la manutention de tubes ou éléments de tiges lisses ne présentant ni encoches ou rainures, ni épaulements qui, dans l'application au forage présentent L'inconvénient de constituer des points d'accrochage ou de blocage en cours de descente ou de remontée du train de tiges. En outre, ce dispositif procure l'avantage de pouvoir être engagé latéralement sur les tubes ou tiges, en n'importe quel emplacement de la longueur de ces derniers, sans qu'iL soit nécessaire de rechercher un alignement des pièces en présence. De plus, il peut être mis en place ou retiré très facilement et quasi instantanément, ce qui permet de diminuer le temps nécessaire pour procéder aux opérations d'allongement ou de remontée du train de tiges. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective du dispositif auto-bloquant selon l'invention représenté positionné sur un tronçon de tube. La figure 2 est une vue de face de ce dispositif montré en position de serrage sur un tronçon de tube représenté en traits mixtes. La figure 3 est une vue en plan de la figure 2. La figure 4 est une vue analogue à la figure 2 et montrant le dispositif en position d'ouverture. La figure 5 est une vue en plan de la figure 4. Les figures 6 et 7 sont des vues en perspective illustrant la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention. La figure 8 est une vue analogue à la figure 2 et illustrant une variante d'exécution des leviers de basculement des mâchoires du dispositif. On se reporte auxdits dessins pour décrire un exemple d'exécution intéressant mais nullement limitatif du dispositif auto-bloquant de levage et de manutention selon l'invention. On décrit, dans la suite du présent exposé, une application particulièrement intéressante de l'invention au levage et à la manutention des tubes-allonges ou éléments de tige utilisés pour la constitution des trains de tiges, dans le domaine du forage. On rappelle toutefois que Le dispositif de l'invention est aussi applicable au levage d'éléments allongés de nature diverse tels que barres métalliques, poteaux, etc. Ce dispositif comprend un support 1 constitué par une robuste barre d'acier. Ce support est rigidement solidaire de deux solides axes 2 espacés et orientés perpendiculairement audit support. Sur chacun de ces axes, est montée une mâchoire pivotante avantageusement réalisée en deux parties assemblées au moyen d'une articulation. Chaque mâchoire de serrage comporte une bielle pivotante 3 montée sur l'axe 2 respectif et une surface de serrage 6. Selon une disposition caractéristique de l'invention, chaque mâchoire de serrage comprend une bielle pivotante 3 et un patin de serrage 4 pourvu d'une surface de serrage 6, ces deux parties étant assemblées au moyen d'une articulation cylindrique comprenant un axe 5 ; L'axe 2 d'articulation de la bielle 3 sur le support 1 et l'axe d'articulation 5 étant disposés parallèlement. Cet agencement permet d'appliquer sur la surface latérale des tubes ou tiges enserrés entre les mâchoires 3-4, des forces de serrage perpendiculaires à l'axe desdits tubes ou tiges. La partie postérieure des patins est par exemple réalisée sous forme d'une chape entre les branches de laquelle est engagée l'extrémité interne de la bielle 3. Les patins de serrage 4 comportent, en outre, une surface de serrage 6 conformée de manière à épouser étroitement la surface externe des tubes, tiges ou autres éléments allongés au soulèvement desquels est destiné le dispositif. Ainsi, comme illustré aux dessins, si ce dernier est destiné au levage et à la manutention de tubes ou tiges cylindrique T, les patins de serrage 4 ont, de préférence, une surface de serrage 6 cylindrique dont le rayon est égal, ou sensiblement égal, au rayon desdits tubes ou tiges. Selon une importante caractéristique de l'invention, Les surfaces de serrage 6 des mâchoires pivotantes 3-4 se trouvent disposées, au moins en partie, au-dessus du plan horizontal P-P dans lequel sont situés les axes a de pivotement desdites mâchoires (matérialisés par les axes d'articulation 2 de ces dernières), lorsque le dispositif se trouve placé en position fonctionnelle autour d'un tube ou d'une tige T (figure 2). De préférence, la plus grande partie de la hauteur des surfaces de serrage 6 se trouve placée au-dessus des axes de pivotement a des mâchoires 3-4, dans la situation susmentionnée. Le support 1 des machoires basculantes 3-4, est placé sur un seul côté desdites mâchoires, de manière à ménager, sur le côté opposé du dispositif, un passage latéral 15 qui permet un engagement latéral du dispositif sur les tubes, tiges ou autres éLéments allongés, en n'importe quel emplacement de la longueur de ces derniers. Afin de faciliter cet engagement, le dispositif peut comporter des rampes de guidage 7, espacées et parallèles, rigidement solidaires du support 1. Ces rampes de guidage 7 dont l'écartement est légèrement supérieur au diamètre externe des tubes ou tiges T, sont, de préférence, disposées au-dessous des mâchoires 3-4 et s'étendent perpendicu lairement au support 1. Elles sont, par exemple, constituées par de simples fers plats dont L'extrémité libre peut comporter un bord interne oblique 7a convergeant en direction du centre du dispositif, pour favoriser l'engagement de celui-ci sur les tubes ou tiges. Le dispositif peut comporter une poignée 8 facilitant sa manipulation. Cette poignée 8 est rigidement solidaire du support 1 et elle est, par exemple, disposée parallèlement à celui-ci aux extrémités duquel elle est rattachée. Selon une autre importante caractéristique de L'invention, la bielle 3 de chaque mâchoire 3-4 se prolonge, sur le côté extérieur de son articulation sur le support 1, par un bras 9, de manière à constituer, avec cette dernière, un levier du premier type. Ce bras 9 peut être aligné avec la bielle 3 (figures 1 à 7). De manière préférée, il forme cependant un angle obtus avec cette dernière, de sorte qu'au moins sa partie externe se trouve disposée au-dessus ou à L'extérieur d'un plan P'-P' passant par les axes de pivotement a, a' de la bielle 3 et du patin de serrage 4, respectivement, lorsque le dispositif se trouve placé en position de serrage autour d'un tube ou tige T (figure 8) ; cette disposition permettant un meilleur verrouillage. L'extrémité externe de ce levier 3-9, est assujettie ou agencée pour pouvoir être assujettie à un organe de traction tel que chaîne 10, câble ou autre, de sorte que le dispositif se trouve suspendu auxdits organes de traction, lors de son utilisation (figures 6 et 7). Les chaînes ou câbles 10 peuvent avoir une longueur réduite et, dans ce cas, leur extrémité supérieure est fixée à l'extrémité inférieure d'une chaîne ou câble unique de suspension et de traction 11 de longueur et résistance plus importantes. Les chaînes 10 ou 10-11 constituent un système de transmission permettant de suspendre le dispositif à un appareil ou installation de levage. L'extrémité supérieure de ce système de transmission est munie, de manière connue en soi : - d'un anneau ou crochet de suspension 12 permettant de l'accrocher à un appareil de levage qui peut être constitué par la potence du mât de travail de la machine ou installation de forage (dont on a seulement représenté le crochet 13 aux figures 6 et 7) ; - d'un système de double collier ouvert 14 permettant L'engagement et le dégagement rapides de L'extrémité supérieure des tubes T. On comprend bien le fonctionnement du dispositif auto-bloquant selon L'invention. Le dispositif est présenté face au tube T, perpendiculairement à l'axe de celui-ci, et, après avoir basculé les leviers 3-9 selon flèches F1 (figure 4) de manière à écarter les patins de serrage 4, il est engagé autour dudit tube, cet engagement étant facilité par la présence des rampes de guidage 7. Le basculement des leviers 3-9 peut s'opérer automatiquement sous le poids des chaînes 10 détendues. Après avoir engagé L'extrémité supérieure du tube T dans le système de double collier 14, il suffit d'exercer un effort de traction selon flèches F2 (figure 2) du système de suspension 10-11 pour provoquer le basculement des leviers 3-9 vers le haut, le rapprochement des patins de serrage 4 et l'application d'une force de serrage sur ledit tube, par l'intermédiaire des surfaces de serrage 6 desdits patins. La résistance tend à faire pivoter les mâchoires 3-4 dans le sens du serrage, de sorte que l'on obtient un auto-bloquage du dispositif sur ledit tube dont la force augmente avec le poids du tube à soulever. On observe que si lors de la manoeuvre de levage, le tube soulevé est choqué latéralement ou vers le haut, ce qui peut réduire ou annuler la force de serrage appliquée sur celui-ci, les frottements entre ledit tube et les surfaces de serrage 6 des patins 4, provoquent automatiquement le basculement de ces derniers en position de serrage en assurant ainsi instantanément un nouveau blocage. On a décrit un mode d'exécution avantageux du dispositif selon lequel celui-ci comporte deux mâchoires pivotantes 3-4 diamétralement opposées. On souligne cependant que, sans sortir du cadre de L'invention, ce dispositif pourrait aussi comporter une seule mâchoire pivotante, la seconde restant fixe. REVENDICATIONS 1. - Dispositif autobloquant pour le levage et la manutention de tubes, tiges ou autres éléments allongés tels que, par exemple, tubes-allonges ou éléments de tige utilisés pour la constitution des trains de tiges des machines de forage, comportant au moins une et, de préférence, deux mâchoires de serrage (3-4) montées, au moyen d'articulations (2), sur un support rigide (1) et comportant, chacune, une bielle pivotante (3) et une surface de serrage (6), caractérisé en ce que ces surfaces de serrage (6) et ces articulations (2) sont disposées de façon que lorsque Le dispositif se trouve placé en position fonctionnelle autour d'un tube ou d'une tige, lesdites surfaces de serrage (6) se trouvent disposées, au moins en partie, au-dessus de l'axe (a) desdites articulations. 2. - Dispositif auto-bloquant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque mâchoires de serrage (3-4) comprend une bielle (3) articulée sur le support (1) et un patin de serrage (4) assemblé à cette bielle (3) au moyen d'une articulation dont l'axe (5) est parallèle à l'axe (2) d'articulation de Ladite bielle (3). 3. - Dispositif auto-bloquant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la bielle pivotante (3) de chaque mâchoire (3-4) se prolonge par un bras (9) s'étendant vers L'extérieur dudit dispositif en formant un Levier du premier type dont l'extrémité externe est reliée ou agencée de manière à pouvoir être reliée à un organe de traction (10). 4. - Dispositif auto-bloquant suivant L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plus grande partie de la hauteur des surfaces de serrage (6) est disposée au-dessus de l'axe (a) d'articulation des mâchoires pivotantes (3-4) lorsque le dispositif se trouve placé en position fonctionnelle autour d'un tube ou d'une tige. 5. - Dispositif auto-bloquant selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la surface de serrage (6) des mâchoires (3-4) est conformée de manière à épouser étroitement la surface externe des tubes, tiges ou autres éléments allongés au soulèvement desquels est destiné ledit dispositif. 6. - Dispositif auto-bloquant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support (1) portant les mâchoires pivotantes (3-4) est placé sur un seul côté desdites mâchoires, de manière à ménager, sur le côté opposé du dispositif, un passage latéral (15) permettant L'engagement ou le dégagement latéral des tubes, tiges ou autres éléments allongés (T). 7. - Dispositif auto-bloquant selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des rampes de guidage (7) espacées et parallèles, rigidement solidaires du support (1), ces rampes de guidage (7) étant, de préférence, disposées au-dessous des mâchoires pivotantes (3-4) et s'étendant perpendiculairement audit support (1). 8. - Dispositif auto-bloquant suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support (1) est solidaire d'une poignée (8) destinée à faciliter la manipulation dudit dispositif. 9. - Dispositif auto-bloquant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bielle (3) et le bras (9) constituant le levier (3-9) de pivotement des mâchoires (3-4) forment un angle obtus entre eux, de sorte qu'au moins la partie externe dudit bras (9) se trouve disposée au-dessus d'un plan (P'-P') passant par les axes de pivotement (a, a') de ladite bielle (3) et du patin de serrage (4), lorsque le dispositif se trouve en position de serrage autour d'un tube ou tige (T). 10. - Dispositif auto-bloquant selon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un système de transmission (10-11) permettant de le suspendre à un appareil ou installation de levage et de lui transmettre les efforts de traction, et en ce que la partie supérieure de ce système de transmission, est équipée d'un système de double collier (14) permettant l'engagement et le dégagement rapides de l'extrémité supérieure des tubes ou tiges (T).